CC BY
25
УДК 581.16 f 582.998
ЦИТОЭМБРИОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕ11ИЕ ЧАСТОТЫ АПОМИКСИСА В ПОПУЛЯЦИЯХ С HONDR ILLA JUNCEA L. И CH. GRAMINEA BIEB.
H.H. Добрьшичева, И.С. Кочанова, A.C. Кашин Саратовский государственный университет им. ИГ. Чернышевского
Виды рода Chondrilla редко попадают в ноле ¿рения исследователей, занимающихся проблемами аномиксиса или систем размножения у растений. Между тем известные литературные данные по вопросам семенного размножения видов страдают противоречивостью. Так, одни авторы считают, что род представлен исключительно апомиктичными видами (Ильин, 1930), другие все диплоидные виды рода относят к размножающимся половым путём, а все полиплоидные к апомикгичным (Bergman, 1952; Поддубная-Арнольди, 1976). Однако из примерно тридцати видов рода таких диплоидных видов выявлено два: С. ambigua Fisch, и С. chondrilloides Fisch. (Poddubnaja-Arnoldy, 1933; Bergman, 1952), причём один из них (С. ambigua Fisch.) некоторые авторы считают не самостоятельным видом, а лишь разновидностью С. juncea var. ambigua Fisch. (Талиев, 1928). Сам же вид С. juncea является факультативно апоммктичным. Второй из перечисленных видов (С. chondrilloides) у ряда авторов указан как апомиктичиый диилоспоровый вид (Поддубная-Арнольди, 1964; Хохлов с соавг., 1978).
В связи с этим исследование системы семенного размножения видов родового агам по го комплекса Chondrilla представляет интерес, по крайней мере, по двум причинам.
Во-первых, это связано с изучением путей эволюции агамных комплексов у цветковых, которую обычно представляют в виде последовательной смены ряда стадий развития от юности к старости. Считается, что на стадии юности комплекс содержит морфологические вариации, группирующиеся в относительно малое число таксономических видов, обитающих в ограниченной географической провинции, при обязательном наличии половых предковых видов с большим ареалом распространения. Зрелый агамный комплекс содержит сотни или тысячи агамоспсрмных микровидов, распространенных по обширной геофафической области. Зрелые комплексы подразделяют на комплексы ранней стадии зрелости, у которых сохранились многие или большая часть диплоидных предковых видов, и комплексы поздней стадии зрелости, у которых многие или большинство диплоидных и полиплоидных половых предковых видов вымерло, но агамоснермная структура достигает полного развития. Считается, что старый агамный комплекс обеднен не только половыми диплоидами и половыми полиплоидами, но и числом агамоспермных микровидов. В таксономическом аспекте он представляется изолированным агамоспермиым видом, не имеющим известных половых родичей (Грант, 1984).
Исходя из вышеизложенных принципиально важно определить имеются в пределах рода Chondrilla половые виды или нет. Ибо, если таковые отсутствуют, то определить стадию развития агамного комплекса Chondrilla не
представляется возможным Род имеет достаточно сложную таксономическую структуру, насчитывая в своём составе около тридцати видов, объединяемых в два подрода с четырьмя секциями. Геофафически он широко распространён, -по крайней мере, во всех степных и пустынных районах Евразии и Северной Африки. Большая часть видов рода имеет обширные ареалы (Леонова, 1964; 1989). Следовательно, агамный комплекс Chondrilla нельзя считать находящимся на ранней стадии развития уже из-за обширности ареалов апомиктичных видов. Если в нём действительно нет половых видов, то его нельзя считать и находящимся на стадии ранней зрелости. Для отнесения к стадии поздней зрелости агамный комплекс явно недостаточно сложен в таксономическом отношении. Отнесению к стадии стареющего, вымирающего агамного комплекса мешает обширное географическое распространение, да и для стареющего комплекса он слишком таксономически сложен. Проблему ещё более усложняет то, что ряд авторов вообще включают виды Chondrilla в состав сложного агамного комплекса Taraxacum (Nijs den. Slerk, 1980; Nogler, 1984) или считают общим происхождение диплоспории в этих родах как результата либо происхождения этих родои от общего предка, либо гибридизации между видами двух родов (Dijk van, 2003). Филогенетически эти два рода действительно находятся в тесном родстве (Bremer. 1994), хотя имеют разное основное число хромосом (в роде Taraxacum п = 8, а в роде Chondrilla П 5), а случаев гибридизации между растениями двух родов не отмечено (Dijk van, 2003). i< тому же морфотипы растений того и другого рода сильно различны.
Вторая причина, по которой изучение системы семенного размножения видов рода Chondrilla привлекает внимание, связана с неоднозначностью понимания таксономической структуры рода разными авторами. Гак, например, в отношении таксономического ранга С. juncea L., С. graminea Bieb. и С. canescens Kat. el Kir. нет единодушного мнения. Одни авторы рассматриваю] их как самостоятельные виды (Маевский, 1940; Леонова, 1964; 1989; Определитель..., 1984; Губанов и др., 1992), другие объединяют в один вид С. juncea L (Ильин. 1930; Еденсвский и др., 2001). Наши наблюдения показывают, что, по крайней мере, на территории Саратовской и Волгоградской областей все ipn вида или формы С. juncea L., С. graminea Bieb. и С. canescens Kat. el Kir. сосуществуют в виде смешанных популяций. Правда, С. graminea обнаруживается фактически в местах обитания любой популяции С. juncea, в то время как растения С. canescens встречаются в местах обитания популяций С. juncea только в южных районах Саратовского Заволжья и в Волгофадской области. Однако, это может быть связано исключительно с тем, что ареал С. canescens ограничен с севера именно этими районами. Не исключено, что подобного рода картина свойственна и для других видов рода. Эмбриологическое изучение может дать дополнительные сведения о степени таксономического родства форм рода Chondrilla, а в совокупности с изучением характера семенной продуктивности при различных режимах цветения пролить свет на причины столь трудной в интерпретации таксономической структуры. Но системы семенного размножения видов рода в целом исследованы явно
недостаточно. Довольно фрагментарные сведения по эмбриологии в литературе приведены, например, лишь по 11 видам Chondrilla (Сравнительная..., 1987). Поэтому любые дополнительные исследования системы семенного размножения видов рода заслуживают внимания.
Целью нашего исследования являлось сравнительное изучение частоты апомиксиса в популяциях С. juncea и С. graminea по признакам развития мегагаметофита без оплодотворения. Часть данных нами уже была опубликована ранее (Добрыничева и др., 2003).
Материал н методика
Цитоэмбриологическое изучение частоты апомиксиса осуществляли в 3-х популяциях С. juncea, одна из которых произрастает в черте г. Саратова (гора Лысая), вторая - н окрестностях с. Дьяковка, Краснокутского района, третья - в окрестностях с. Алексссвка, Базарно-Карабулакского района Саратовской области, и в 2-х популяциях С. graminea, занимающих те же места обитания в окрестностях с. Дьяковка и в черте г. Саратова. Каждая из популяций вне г. Саратова находится на расстоянии более 100 км в северо-восточном (Базарно-Карабулакский р-н) или юго-восточном (Краснокутский р-н) направлениях, (рис 1). По каждой популяции исследовано в среднем по 30 растений, отобранных случайным образом в полевые сезоны 1999, 2003 и 2004 гг на расстоянии 15-25 м друг от друга. Видовая принадлежность растений по гербарным образцам определена профессором кафедры ботаники и экологии Саратовского госуниверситета им. Н.Г. Чернышевского (СГ'У), д.б.п. М.А. Березу цким.
Соцветия для цитоэмбриолог ического анализа за 1-3 суток до цветения (раскрытия бутона) краевых цветков фиксировали в фиксаторе Кларка (3 части %%-ного этанола: 1 часть ледяной уксусной кислоты). Препараты зародышевых мешков готовили с использованием микропренаровальных игл после мацерации цитазой (Куприянов, 1982). Материал предварительно окрашивали 2%-ным ацетокармином в течение 4-6 часов. Частоту апомиксиса определяли но частоте всгречаемости зародышевых мешков с признаками развития зародыша и (или) эндосперма без оплодотворения. В среднем по каждой популяции исследовано по 120 зародышевых мешков.
Результаты и их обсуждение
В популяциях С. juncea частота встречаемости зародышевых мешков с признаками аиомиктичного развития не опускалась ниже 17j45+5,18 % и по большинству лет наблюдения достоверно не различалась. Исключением являются только популяция, обитающая в черте г. Саратова, где в 2004 г она была в 2 раза выше (51,78±12;02 %). При этом, в большинстве популяций на момент исследования чаще всего наблюдалась преждевременная эмбриония без индукции к развитию центральной клетки зародышевого мешка (в 60 - 86% от общего числа зародышевых мешков с признаками аиомиктичного развития). Исключением является всё та же популяция, обитающая в черте г. Саратова, в которой в 2004 году преждевременная эмбриония без признаков развития
центральной клетки отмечена лишь у 1/3 от общего числа зародышевых мешков с признаками апомиктичного развития (табл. I).
Рис. I. Местонахождение исследованных популяций С. juncea и С. graminea: 1 - Б,-Карабулакскии (БКар); 2 - Краснокутский (КрК) районы Саратовской области, 3 - черта г Саратова (Сар)
В последней популяции в 2004 г эндоспермогенез без партеногенетического развития яйцеклетки отмечен более, чем в половине зародышевых мешков с признаками апомиктичного развития. В остальных популяциях доля зародышевых мешков с развитием центральной клетки было значительно ниже, и варьировала в интервале 0 - 21,9% от числа зародышевых мешков с признаками апомиктичного развития.
Развитие обоих элементов зародышевого мешка (яйцеклетки и центральной клетки) одновременно в популяциях С. juncea отмечено в 0 - 26^2 % от общего числа зародышевых мешков с признаками апомиктичного развития в каждой популяции. При этом чаще всего около 20% таких мешков имели развивающимися оба элемента. Только в популяции черты г. Саратова в 2003 году их доля была равна 0.
Проэмбрио чаще всего состоял из 2-16 ядер или клеток. Эндосперм также был ядерным или клеточным.
Доля дегенерирующих зародышевых мешков во всех популяциях этого вида независимо от года наблюдения достоверно не различалась и варьировала в интервале 21,1+5,3 - 29,3+8,8% (табл. 1)
Таблица I.
Состояние мегагаметофита у растений Chondrilla на момент исследования
Нил. № популяции и место обитания Год исследования Зародышевые мешки, %
дегенерирую щие из них е развитием
всего в том числе
проэмб рио эндосперм обе структуры
С. juncea 85 (Саратов) 1999 24.07i6.48 27.04*6,17 21.98 0 5,06
2003 21.06г.\30 19.39*6,10 16.67 2.70 0
2004 24.44*8.74 51,78*12,02 31,11 11.33 9.30
С. juncea 67 (Дьяковка) 1999 24,80*6,44 21.08*5,28 16.27 0,49 4.26
2004 2004 29.26iK.79 27.83*8,33 21.17 h 1,67 5.00
С juncea 94 (Алсксеенка) 2.5,06*6,36 ¡7,46*5,18 5,50 9,46 2,55
С. grumineu 67a (Д|>я койка) 1999 68.46rtX.26 0 0 0 0
С. gramínea 85a(Саратов) 2003 25,14*6,57 12,66*5,90 9.94 2,72 0
2004 78.15±5,4 1,39*1,39 1,39 0 0
Примечательно, что в отличие от популяций С. juncea, н популяции С. gramínea из окрестностей с. Дьяковка не обнаружено ни одного зародышевого мешка с признаками апомиктичного развития, а в популяции в черте г. Саратова в оба года наблюдения их доля она была на уровне 1,4 12,7% (табл. 1). Этот факт тем более интересен, что обе популяции С. gramínea занимают тс же места обитания, что и две исследованные популяции С. juncea. Одно из мест обитания - склон г. Лысая в черте г. Саратова, второе — опушка нагорной дубравы в окрестностях с. Дьяковка Краснокутского района. Они значительно (более чем на 100 км) удалены друг от друга и контрастны по условиям обитания. 'Гак для одного из них характерны аридные условия степного Заволжья на обеднённых песчаных почвах, в то время как для второго - в лесостепной зоне Правобережья почти двукратное превышение среднегодовой нормы осадков, более иизкая среднегодовая температура, меньшая амплитуда их колебания и т.п. (табл. 2) (Энциклопедия..., 2002).
Кроме того, обращает на себя внимание почти в три раза более высокая частота встречаемости дегенерирующих зародышевых мешков у растений популяции С gramínea в сравнении с популяциями С. juncea (68,46+8,26 и 78,15+5,40% против 21,08 - 29.26%). Только в 2003 году в популяции из черты г. Саратова доля таких зародышевых мешков в популяции С. gramínea приближалась к таковой по популяции С. juncea (25,14+6.57%).
У растений С. gramínea, по сравнению с растениями С. juncea, несколько отличались также форма и структура зародышевых мешков. Поверхность зародышевых мешков С. gramínea была складчатой («гофрированной»), цито плазма интенсивно окрашивалась ацетокармином и была слабо или почти не вакуолизирована, ядра зачастую были очень крупные, «рыхлые» и содержали но несколько ядрышек. У растений С. juncea поверхность зародышевого мешка
2U
была гладкой, цитоплазма менее интенсивно прокрашивалась ацегокармином и была сильно вакуолизирована, ядра были мельче и плотнее, в каждом ядре, как правило, содержалось одно ядрышко (Добрыничева и др., 2003).
Таблица 2.
Сравнительная характеристика природно-климатических условий в районах произрастания исследованных популяций__
Районы Географическое 1 юложение Тип климата Среднегодовая температура воздуха Среднегодовое кол-во осадков 11очва
Б.-Карабу-лакский Северная часть 11равобсрсжья на Приволжской возвышенности Умеренно-континентальный 4,2 "С 500-550 мм Дерновая лесная на песках
Красно-кугский Южная часть Саратовского Заволжья в юго-западной части Смртовой равнинь| Континентальный 5,4 "С 274 мм Дерновая лесная на песках
Саратов Средняя часть Правобережья на 11рнволжской возвышенности Умеренно-континентальный 5.3°С 451 мм Чернозём щебнист ый на известия КС
Интересно, что в годы с высокой долей дегенерирующих зародышевых мешков в популяциях С. gramínea, фактически не отмечено зародышевых мешков с признаками апомиктичного развития, в то время как в популяции с низкой долей дегенерирующих зародышевых мешков доля таковых была относительно высокой (12,66+5,90%). Подавляющий процент таких зародышевых мешков характеризовался преждевременной эмбрионней.
Таким образом, между растениями С. juncea, с одной стороны, и С. gramínea, - с другой, имеют место различия в морфологии мсгагаметофита. При этом из того, что у растений С. gramínea наблюдается высокий процент дегенерирующих зародышевых мешков, следует, что нормальное развитие мсгагаметофита у растений данного вида затруднено. Такого рода нарушения мегагаметофитогенеза у цветковых, как правило, бывает связано: а) с неблагоприятными условиями обитания, б) с отдалённой гибридизацией, в) с полиплоидией нечётного или некратного основному числу уровня плоидносги, с апомиксисом (Куприянов, 1989). Однако, объяснить различия между популяциями С. juncea и С. gramínea по уровню дегенерирующих зародышевых мешков условиями произрастания невозможно, так как популяции С. gramínea обитают в тех же условиях, что и соответствующие популяции С. juncea. Тем не менее, последние имеют втрое более низкий уровень дегенерирующих мешков и характеризуются довольно высокой частотой встречаемости
зародышевых мешков е признаками апомиктичного развития. Это указывает на то, что и аиомиксие сам по себе не может являться причиной дегенерации зародышевых мешков у С. gramínea. К тому же видам рода свойственна диплоспория (Терёхин, 1996), при которой в принципе не может быть конкурентных отношений между апомейотическими и мейогическими мешками в силу того, что в семязачатке может быть только либо тот, либо другой по определению. Скорее, эти факты позволяют предполагать, что причиной высокого уровня дегенерации зародышевых мешков являются как раз низкая (или нулевая) склонность популяции С. gramínea к апомиктичному размножению при сложностях в развитии мегагаметофита, связанных либо с гибридогенным происхождением, либо с нечётным или некратным основному числу хромосом уровнем илоидности растений. В пользу данного предположения говорит и высокий процент растений нечётного уровня илоидности в данной популяции (Кашин и др., 2003). Некоторые отличия в структуре зародышевых мешков у С. gramínea, - если они, правда, не связаны с дегенерационными процессами или различиями в уровне плоидности растений. - указывает на то. что между растениями С. gramínea и С. juncea существуют не только различия по морфологическим, по и цитоэмбриологическим признакам.
Исследование выполнено при поддержке РФФИ (проект № 05-04-49001 ).
Литература
Грант В. Видообразование у растений. М: Мир, 1984. 528 с.
Губанов И.А., Кисилёва К.В., Новиков B.C., Тихомиров В.I I. Определитель сосудистых растений. М.: Изд-во МГУ, 1992. 400 с.
Добрыничева Н.В., Кочанова И.С., Кашин A.C. Сравнительное изучение некоторых параметров системы семенного размножения популяций Chondrilla juncea L. и С. gramínea Bich. I! Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения: Сб. науч. трудов. Вып. 6. Саратов: Научная книга, 2003. С. 35-42.
Еленевский А.Г., Радыгина В.И., Буланый Ю.И. Определитель сосудистых растений Саратовской области (Правобережье Волги). М.: Изд-во МГО'У, 2001. 278 с.
Ильин М.М. Chondrilla L. // Бюлл. отд. каучуком. 1930. № 3. С. 1-61.
Кашиц A.C., Демочко Ю.А., Мартынова B.C. Кариотипическая изменчивость в популяциях апомиктичных и половых видов агамных комплексов Astcraceae // Бот. жури. 2003. Т. 88, № 9. С. 35-54.
Куприянов П.Г. Способ приготовления препаратов зародышевых мешков. A.C. № 919636 // Бюлл. изобр. 1982. С. 14. С. 7.
Куприянов П.Г. Диагност ика систем семенного размножения в популяциях цветковых растений. Саратов: Изд-во Capar, ун-та, 1989. 160 с.
Леонова Т.Г. Род Хондрилла - Chondrilla L. II Флора СССР. М.-Л.: Наука, 1964. С. 560-586.
Леонова T.I . Хондрилла - Chondrilla L. II Флора Европейской части СССР. Л: Наука, 1989. Т. 8. С. 57-61.
Маевский П.Ф. Флора средней полосы Европейской части СССР. М. Л.: Сельхозгиз, 1940. 824 с.
Определитель растений Среднего Поволжья. Л.: Наука, 1984. 392 с. Поддубная-Арнольди В.А. Общая эмбриология покрытосеменных растений. М.: Наука, 1964. 482 с.
Поддубная-Арнольди В.А. Цитоэмбриология покрытосеменных растений. М.: Наука, 1976. 507 с.
Сравнительная эмбриология цветковых растений. Davidiaceae - Asteraceae. Л.: Наука, 1987. 392 с.
Талиев В.И. Определитель высших растений Европейской части СССР. М.Л.: Госиздат, 1928. 630 с.
Терёхин Э.С. Семя и семенное размножение. СПб.: Мир и семья-95, 1996. 377 с.
Хохлов С.С., Зайцева М.И., Куприянов Г1.Г. Выявление апомиктичных растений во флоре цветковых растений СССР. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1978. 224 с.
Энциклопедия Саратовского края. Саратов: Приволжское кн. изд-во, 2002. 688 с.
Bergman В. Chondrilla chondrilloides. a new sexual Chondrilla species // Hereditas. 1952. Vol. 38, N 3. P. 367-369.
Bremer K.. Asteraceae cladistics and classification. Portland: Timber Press, 1994.180 р.
Dijk van P.J. Ecological and evolutionary opportunities of apomixis: insights from Taraxacum and Chondrilla И Phil. R. Soc. Lond. B. 2003. Vol. 358. P. 1113-1121.
Nijs J.C.M. den, Sterk A.A. Cytogeographica! studies of Taraxacum sect. Taraxacum (= sect. Vulgaria) in Central Europe // Bot Jahrb. Syst. 1980. Vol 101. P. 527-554.
Nogler G.A. Gametophytic apomixis // Embryology of Angiosperms. Berlin e.a., 1984. P. 475—518.
