CC BY
12
Бюл. Моск. о-вА испытателей природы. отд. БИол. 2012. т. 117, вып. 5
57
УДК 581.33
развитие споРодЕРМы пыльцЕвых зерен LYTHRUM SALICARIA L.(LYTHRAcEAE)
о.А. волкова, Е.Э. северова, с.в. полевова
Развитие пыльцевых зерен Lythrum salicaria исследовали от ранней тетрадной до свободноспоровой стадии. В середине тетрадного периода в примэкзине начинают дифференцироваться структуры эктэкзины: сначала пробакули, затем протектум и подстилающий слой. В свободноспоровом периоде начинается формирование эндэкзины. Завершается формирование спородермы образованием интины. Области будущих апертур начинают обособляться в середине тетрадного периода. В зрелых пыльцевых зернах спородерма вокруг апертур представлена утолщенной эндэкзиной и фрагментарной эктэкзиной. Дно сложных апертур в области оры сформировано толстой двухслойной интиной, дно простых апертур сформировано тонкой однослойной интиной.
Ключевые слова: Lythrum salicaria, развитие спородермы, микроспорогенез, ультраструктура.
Семейство Lythraceae чрезвычайно разнообразно в палиноморфологическом отношении: в семействе описаны 15 пыльцевых типов (Graham et al., 1985), для некоторых видов характерны гетероапертур-ные пыльцевые зерна. Зрелая структура спородермы дербенниковых исследована достаточно подробно: в работе Г. Эрдтмана (1956) представлены сведения о строении спородермы Adenaria, Ammania, Crenea, Cuphea, Diplusodon, Galpinia, Ginoria, Lafoensia, La-gerstroemia, Pemphis, Pleurophora, Woodfordia. Muller (1981) приводит сведения о структуре экзины Crenea, Lafoensia, Lagerstroemia и Diplusodon. Несмотря на многочисленные ультраструктурные исследования, данные о развитии спородермы дербенниковых отсутствуют. Один из наиболее интересных объектов для исследования - тристильный вид Lythrum salicaria L. ( Salicaria virgata (L.) Moench), обладающий гетероапертурными пыльцевыми зернами.
Цель настоящей работы состояла в изучении развития зрелой спородермы Lythrum salicaria L., при этом особое внимание обращалось на различия в структуре апертур разного типа.
Материалы и методика
Бутоны Lythrum salicaria во время полевых работ летом 2009 г. в Воронежской обл., в окрестностях биостанции ВГУ «Веневитиново». Для изучения развития спородермы из бутонов разных размеров под бинокуляром вычленяли пыльники, раздавливали их в капле воды и под световым микроскопом предварительно определяли стадию развития пыльцевых
зерен, отмечая ее связь с внешним видом бутона. Затем бутоны разного размера помещали в 3%-й раствор глутарового альдегида на 0,15 М фосфатном буфере (рН 7,3) с добавлением сахарозы (15 мг/мл) и оставляли в холодильнике. Перед последующей обработкой глутаровый альдегид меняли на свежий. Для более быстрого и полного проникновения фиксатора материал помещали под вакуумный насос и откачивали воздух. Далее материал промывали фосфатным буфером два раза по 20 мин. с последующей постфиксацией в 1%-м растворе OsO4 при комнатной температуре в течение 2 ч, через серию спиртов доводили до 70-градусного спирта, после чего контрастировали насыщенным раствором уранилацетата в 70-градусном спирте на холоде (сутки). После контрастирования материал обезвоживали, постепенно переводя его в абсолютный спирт, смесь ацетона и абсолютного спирта, а затем в чистый ацетон. Обезвоженные бутоны заключали в смесь эпонов, составленную по стандартной методике (Уикли, 1975) со следующими изменениями: на каждые 17 мл Epon брали 12 мл DDSA, 10 мл MNA и 1% катализатора от общего количества смолы, затем помещали в термостат на сутки при температуре +60°С.
Полутонкие срезы готовили на пирамитоме (5-6 мкм) и, не окрашивая дополнительно, изучали на световом микроскопе МБИ-3. Ультратонкие срезы получали на ультратоме «Leica UC-5». Полученные срезы контрастировали на медных сеточках уранила-цетатом (Уикли, 1975), изучали и фотографировали на трансмиссионном электронном микроскопе (ТЭМ)
«Jeol 1011» B в межкафедральной лаборатории электронной микроскопии Биологического факультета МГУ
Результаты
Для всех типов цветков дербенника характерны 6-бороздно-3-оровые пыльцевые зерна. Три сложные борозды у них чередуются с тремя простыми.
Развитие пыльцевых зерен изучали от стадии материнской клетки микроспор до свободноспоровой стадии с использованием ТЭМ. Весь период формирования спородермы был традиционно разделен на два периода - тетрадный и посттетрадный (свободно-споровый) (Резникова, 1984).
Ф о р м и р о в а н и е т е т р а д
Пыльник у L. salicaria 4-гнездый. Стенка микроспорангия представлена четырьмя слоями: экзотецием (эпидермисом), эндотецием, средним слоем и та-петумом. Тапетальные клетки плотно прижаты друг к другу, содержат густую цитоплазму и крупное ядро. Материнские клетки микроспор (микроспороциты) плотно примыкают друг к другу, окружены тонкой оболочкой и имеют богатую содержимым цитоплазму. Микроспороциты по мере развития начинают округляться и обособляться (Мейер, 1971; Мейер, Ярошевская, 1973), вокруг них формируется слой каллозы. В результате редукционного деления образуется тетраэдрическая тетрада микроспор. Тетрадный период можно подразделить на три стадии.
Р а н н я я т е т р а д н а я с т а д и я (р и с. 1, 1-2; р и с. 3, 1)
Микроспоры имеют округлую форму. В цитоплазме заметны немногочисленные вакуоли, митохондрии, эндоплазматический ретикулюм и рибосомы. Центральную часть микроспоры занимает ядро с ядрышком. В только что образовавшихся тетрадах плазма-лемма микроспор ровная. Толстая каллоза окружает всю тетраду, более тонкий слой каллозы формируется между микроспорами, отделяя их друг от друга. Появляется просвет между каллозной оболочкой и плаз-малеммой.
С р е д н я я т е т р а д н а я с т а д и я (р и с. 1, 3; р и с. 3, 2-3)
Содержимое микроспор густое, электронно-плотное. Плазмалемма становится волнистой. Между каллозной оболочкой и плазмалеммой хорошо заметна примэкзина, в которой можно различить пробаку-ли (предшественники столбиков) и тонкий протектум
(предпокров). В этот период намечаются области всех шести будущих апертур, для которых характерно отсутствие примэкзины. Между плазмалеммой и калло-зой над будущими апертурами возникает электронно-прозрачное образование, которое сохраняется до распада каллозы.
П о з д н я я т е т р а д н а я с т а д и я (рис. 1, 4-5; р и с. 3, 4-5)
Толстая каллозная оболочка окружает микроспоры в тетраде. Электронно-прозрачные вакуоли распределены по всему объему микроспоры, центр микроспоры занимает крупное ядро. Примэкзина становится более электронно-плотной. Пробакули хорошо заметны, протектум становится более электронно-плотным и более толстым по сравнению с предыдущей стадией, формируется подстилающий слой эктэкзины. В области всех шести апертур плазмалемма ровная, примэкзина электронно-плотная, в ней не выявляются морфологические слои. Тетрадный период заканчивается растворением каллозы и высвобождением микроспор.
Посттетрадный или свободноспоровый период
подразделяется на две стадии.
Р а н н я я п о с т т е т р а д н а я с т а д и я (р и с. 2, 1-3; р и с. 3, 6-7)
Каллозная оболочка вокруг тетрад разрушается. Пыльцевые зерна увеличиваются в объеме, в цитоплазме в этот период заметна крупная вакуоль. К этому времени оболочка пыльцевых зерен значительно преобразуется. Эктэкзина приобретает черты зрелой структуры, происходит формирование эндэкзины. Эндэкзина в межапертурных участках тонкая, светло- окрашенная. Апертурные участки характеризуются очень массивной эндэкзиной, на которой расположены отдельные электронно-плотные глобулы. Строение простых и сложных борозд на этой стадии сходно.
П о з д н я я п о с т т е т р а д н а я с т а д и я (р и с. 2, 4-6; р и с. 3, 8-10)
Тектум утолщается и формирует характерную скульптуру поверхности. Подстилающий слой полностью сформирован, он светлее, чем эндэкзина. Эндэкзина хорошо заметная, утолщенная вокруг апертур. Под электронно-плотной эндэкзиной формируется интина. Выявляются различия в структуре апертур: в области простых борозд толщина интины такая же, как в межапертурных участках, в области сложных борозд в районе оры - в два раза толще. В
Рис. 1. 1-2 - Ранняя стадия тетрадного периода развития микроспор; 1 - тетрада микроспор, толстая каллоза окружает всю тетраду, более тонкий слой каллозы формируется между микроспорами, отделяя их друг от друга; 2 - появляется просвет между каллозной оболочкой и плазмалеммой (*); 3 - середина тетрадного периода (примэкзина образована пробакулами и тонким тектумом, в области апертур примэкзина не формируется, между плазмалеммой и каллозой над будущими апертурами возникает электронно-прозрачное образование (*); 4-7 - поздняя стадия тетрадного периода, тетрада микроспор, толстая каллозная оболочка окружает микроспороциты в тетраде, электронно-прозрачные вакуоли распределены по всему объему микроспоры; 5 - межапертурный участок микроспоры, примэкзина становится более электронно-плотной, пробакули хорошо заметны, тектум становится более электронно-плотным и более толстым по сравнению с предыдущей стадией, формируется подстилающий слой эктэкзины; 6 - микроспора в области апертуры, плазмалемма становится ровная, элементы примэкзины покрывают места будущих апертур тонким слоем; 7 - микроспора в области двух соседних апертур (А - апертура, В - вакуоль, К -каллоза, Мс - микроспора, Пб - пробакули, Пл - плазмалемма, ПС - подстилающий слой, Пт -протектум, Пэ - примэкзина, Т - тектум, Я - ядро, * - просвет между каллозной оболочкой и плазмалеммой)
60 Бюл. Моск. о-вА испытателен природы. отд. БИол. 2012. т. 117, вып. 5
Рис. 2. 1-3. Ранняя стадия посттетрадного периода развития микроспор. 1 - в цитоплазме имеется крупная вакуоль и ядро; 2 - уикроспора в области двух соседних апертур; 3 -Эктэкзина образована покровом, столбиковым и подстилающим слоями, происходит формирование эндэкзины; 4-6 - поздняя стадия посттетрадного периода развития микроспор; 4 - межапертурный участок, эктэкзина образована покровом, столбиковым и подстилающим слоями, в этот период под эндэкзиной формируется интина; 5 - простая апертура, под простыми апертурами интина имеет такую же толщину как в межапертурных участках; 6 - сложная апертура, дно сложных апертур сформировано толстой, возможно, двуслойной интиной, подстилающей утолщенную эндэкзину (А - апертура, В - вакуоль, И - интина, Пк - покров, ПС - подстилающий слой, СС - столбиковый слой, Экт -эктэкзина, Эн - эндэкзина, я - ядро)
интине сложных борозд в области оры заметны два слоя: внешний более темно окрашенный, внутренний - светлоокрашенный. На этом формирование спородермы L. salicaria завершается. Зрелая оболочка пыльцевого зерна в межапертурных участках представлена двухслойной экзиной и интиной. Эктэкзина
толстая, сложно устроенная, образована несколькими слоями: тектумом, сформированным слившимися головками столбиков, столбиковый и толстый подстилающий слои. Эндэкзина толстая, хорошо развитая. Толщина эндэкзины увеличивается к краям оры. Интина тонкая, значительно тоньше эндэкзины. Разли-
- каллозная оболочка,
просвет между каллозои и плазмалеммой,
WVvVvV1 )))))))))) u u
- примэкзина, - экзина, wvww - эндэкзина, !.<л<л|л<.,.<.< - наружный слои
- внутренний слои интины .................- плазмалемма.
Рис. 3. Схема строения спородермы на разных стадиях развития: 1 - ранняя тетрадная стадия; 2-3 - средняя тетрадная стадия; 4-5 -поздняя тетрадная стадия; 6-7 - ранняя посттетрадная стадия; 8-10 - поздняя посттетрадная стадия; 2, 4, 6, 8 - межапертурный участок;
3, 5, 7, 9, 10 - область апертуры
чия в строении апертур заметны в области оры. Дно сложных апертур в области оры сформировано толстой двуслойной интиной. Вне области оры интина не утолщена. Дно простых апертур и концы борозд сложных апертур имеют сходное строение и сформированы тонкой однослойной интиной, сопоставимой по толщине с интиной межапертурных участков, утолщенной эндэкзиной и фрагментарной эктэкзиной.
В цитоплазме микроспор обнаруживается большое количество липидных капель и электронно-плотных глобул сахаров. В зрелом пыльцевом зерне центральная вакуоль отсутствует.
обсуждение
Процесс развития спородермы L. salicaria соответствует общей схеме формирования оболочки пыльце-
вых зерен большинства изученных покрытосеменных (Мейер, 1971). Развитие апертур пыльцевых зерен L. salicaria мы сопоставили с развитием простых борозд Acer tataricum (Gabarayeva et al., 2010) и сложных борозд представителей семейства Asteraceae (Косенко, 2004). Области будущих апертур у дербенника и клена определяются в середине тетрадного периода как втягивание плазмалеммы. У астровых области будущих апертур обычно заметны на ранней тетрадной стадии, они выглядят как сильно уплощенные участки плазмалеммы. Прогибание плазматической мембраны внутрь цитоплазмы происходит на поздней тетрадной стадии (Косенко, 2004). Формирование эндэкзины происходит в свободноспо-ровом периоде. У пыльцевых зерен L. salicaria эн-дэкзина значительно утолщается вокруг всех шести апертур. Утолщение эндэкзины в области апертур отмечено и у A. tataricum, тогда как для астровых такое утолщение не характерно. Эндэкзина L. salicaria вокруг апертур гомогенная, сходная по строению с эндэкзиной межапертурных участков. У клена и сложноцветных эндэкзина апертур имеет отчетливо выраженную ламеллятную структуру, не характерную для межапертурных областей. Формирование интины приурочено к концу свободно-спорового периода. Именно на этом этапе становятся заметными
различия в строении простых и сложных борозд у дербенника. В области ор сложных апертур Lythrum и Asteraceae происходит значительное утолщение ин-тины, часто стратифицированной на два (дербенник) и более слоев (некоторые астровые). За пределами оры и в области простых апертур у дербенника утолщения интины не происходит, ее толшина соответствует этому параметру в межапертурных участках. Для простых борозд A. tataricum (Gabarayeva et al., 2010) характерно утолщение интины по всей длине борозды.
Изучение функций апертур у L. salicaria показало, что прорастание пыльцевых зерен у этого вида происходит только в области оры сложных борозд, в то время как простые борозды выполняют только функцию гармомегата (Волкова, 2010; Волкова, Северова, 2010, 2011; Volkova, Severova, 2010). Области прорастания всегда сопряжены с утолщеним интины, играющей решающую роль в формировании пыльцевых трубок (Waha, Hesse, 1988). Можно предположить, что становление сложных апертур в процессе эволюции было сопряжено с сужением области прорастания, которая стала ограничена орой. Пыльцевые зерна с простыми апертурами сохранили способность к формированию пыльцевых трубок по всей длине апертуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Волкова О.А. Полиморфизм пыльцы в роде Lythrum Ь.: Тез. докл. конф. / XVII Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Ломоносов, 2010. Секция биологии. М., 2010. С. 71-72.
Волкова О.А., Северова Е.Э. Полиморфизм пыльцы в роде Ьу^гит Ь.: Тез. докл. конф. / Тр. VIII междунар. конф. по морфологии растений, посвященной памяти Ивана Григорьевича и Татьяны Ивановны Серебряковых. Т. 1 / Под общ. ред. Викторова. М., 2010. С. 103-105.
Волкова О.А., Северова Е.Э. Строение и функции апертур у гетероапертурных пыльцевых зерен // Материалы Всерос. науч. конф. с международным участием, посвященной памяти проф. А.П. Меликяна М., 2011. С. 83-85.
Косенко Я.В. Закономерности развития спородермы у представителей семейства Asteraceae // Бюл. МОИП. Отд. биол. 2004. Т. 109. Вып. 1. С. 31-37.
Мейер Н.Р. О развитии оболочек пыльцевого зерна покрытосеменных растений // Морфология цветковых растений. М., 1971. С. 85-94.
Мейер Н.Р. Ярошевская А.С. Результаты электронно-микроскопических исследований развития оболочек пыльцевых зерен покрытосеменных растений // Методические вопросы палинологии. М., 1973. С. 67-70.
Резникова С.А. Цитология и физиология развивающегося пыльника. М., 1984. 270 с.
Уикли Б. Электронная микроскопия для начинающих. М., 1975. 324 с.
Эрдтман Г.Э. Морфология пыльцы и систематика растений. М., 1956. 487 с.
Gabarayeva N.I., Grigorjeva V.V., Rowley J.R. Sporoderm development in Acer tataricum (Aceraceae): an interpretation // Protoplasma. 2010. Vol. 247. P. 65-81.
Graham A., Nowicke J., Skvarla J.J., Graham S.A., Patel V., Lee S. Palynology and systematics of the Lythraceae. I. Introduction and genera Adenaria through Ginoria // Am. J. of Botany. 1985. Vol. 72. N 7. P. 1012-1031.
Muller J. Exine architecture and function in some Lythraceae and Sonneratiaceae // Rev. of Palaebot. and Palynol. 1981. Vol. 35. P. 93-123.
Volkova O., Severova E. Investigation of aperture structure and functions in Lythraceae by different methods // Program and Abstracts 8th European Palaeobotany-Palynology Conference. 6-10 July 2010 Budapest, Hungary. 2010. Р. 247.
Waha M., Hesse M. Aperture types within Sapranthus and Polyalthia (Annonaceae) // Plant Systematics and Evolution. Vol. 161. Р. 135-146.
Поступила в редакцию 20.05.11
SpoRoDERM development iN LYTHRUM SALICARIA (LYTHRAcEAE)
O.A. Volkova, E.E. Severova, S.V Polevova
Development of pollen grains of Lythrum salicaria was investigated from the early tetrad stage until the formation of the intine. Primexine begins to differentiate in the middle of the tetrad period. It is formed by procolumellae, protektum and foot layer. Endexine is differentiated in the free microspore period. Sporoderm development is completed by the formation of intine. The future apertures start to be visible in the middle of the tetrad stage. In mature pollen grains sporoderm around the apertures is formed by thick endexine and fragmentary ektexine. The bottom of the ori is formed by a thick two-layer intine, the bottom of the colpi is formed by thin intine.
Key words: Lythrum salicaria, sporoderm development, microsporogenesis, ultrastructure.
сведения об авторах: Волкова ольга Александровна - инженер-лаборант кафедры высших растений биологического факультета МГУ ([email protected]); Оеверова Елена Эрастовна - вед. науч. сотр. кафедры высших растений биологического факультета МГУ, канд. биол. наук ([email protected]); Полевова светлана Вячеславовна - науч. сотр. кафедры высших растений биологического факультета МГУ, канд. биол. наук ([email protected]).
