CC BY
38
УДК 581.35: 575.822
ЯВЛЕНИЕ ПОЛИГАМЕТИИ У РАСТЕНИЙ И ЕГО ВОЗМОЖНЫЕ
ЭВОЛЮЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
H.A. Шишкинская, О.И. Юдакова, B.C. Тырнов
Саратовский государственный университет, кафедра генетики E-mail: [email protected]
На основе цитоэмбриологического анализа различных видов дикорастущих злаков и линий кукурузы рассматриваются причины и возможные механизмы полигаметии - формирования в одном зародышевом мешке нескольких яйцеклеток. Обсуждается возможность позитивного вклада этого явления в репродуктивный потенциал особей и популяций.
Polygametia phenomenon for plants and its possible evolutionally-genetikal effects
N.A. Shishkinskaya, 0.1. Yudakova, V.S. Tyrnov
On the basis of cytoembryological analysis of different species of wild graminoids (grasses) and corn lines, the causes and possible mechanisms of polygametia (several ootids formation in one germinal bag) are considered. The possibility of a positive contribution of this phenomenon to the reproductive potential of individuals and populations is discussed.
У половых видов покрытосеменных растений в зародышевых мешках, как правило, формируется один яйцевой аппарат с единственной яйцеклеткой. Исключение составляют тетраспорические зародышевые мешки (Репаеа-тии, Plumbago-тип), в которых образуется несколько яйцевых аппаратов и, соответственно, несколько яйцеклеток. Однако как отклонение от нормы спорадическое образование дополнительных яйцеклеток встречается и при других типах развития зародышевого мешка половых видов. Неоднократно отмечалось оно и у апомиктичных форм. Специального термина для обозначения данного явления до настоящего времени в эмбриологической литературе не существовало. Предложенный нами термин «полигаметия» [1] охватывает различные случаи образования в женском гаметофите нескольких яйцеклеток. Причиной полигаметии могут быть как добавочные деления клеток яйцевого аппарата, так и изменение направления их дифференцировки. Кроме того, есть данные о возможности формирования яйцеклеток в антиподальном комплексе [2]. Биологический смысл этого явления практически не обсуждался, в том числе и в связи с проблемой апомиксиса.
Материал и методы
Структуру зрелых женских гаметофитов исследовали у растений 58 популяций 45 видов дикорастущих злаков из разных регионов России и ближнего зарубежья, а также у 6 линий кукурузы, склонных к гаплоидному партеногенезу. В каждом варианте проанализировано не менее 200 зародышевых мешков, выделенных с помощью метода ферментативной мацерации и диссекции семяпочек. В общей сложности изучена структура более 15000 зародышевых мешков.
Результаты и их обсуждение
Образование нескольких яйцеклеток в одном зародышевом мешке было нами зарегистрировано практически у всех исследованных видов. В половых популяциях случаи полигаметии были единичными, в то время как в популяциях с эмбриологическими признаками апомиксиса частота полигаметии в некоторых популяциях (Festuca rubra) достигала 15—25% (таблица). В большинстве случаев количество клеток яйцевого аппарата в зародышевых мешках с добавочными яйцеклетками оставалось неизменным. Это говорит о том, что дополнительные гаметы формировались из клеток недифференцированного яйцевого аппарата, в норме предназначенных стать синерги-дами. Такие клетки принято называть яйцеклеткоподобными синергидами, а случаи образования из них зародышей — апогаметией. Степень подобия этих клеток яйцеклетке может быть разной: от наличия у них отдельных га-метических признаков до полного морфологического сходства с яйцеклеткой (рис.1). Например, сохраняя свойственную синергидам полярность элементов (ядра, вакуоли), по форме и размеру они ни чем не отличаются от яйцеклетки, или, наоборот, при наличии зубовидных выростов и нитчатого аппарата, нетипично крупное ядро в них располагается как у яйцеклетки в апикальной части.
Наибольшая частота образования клеток, по морфологии промежуточных между синер-
© НА. Шишкинская, О.П. Юдакова, B.C. Тырнов, 2005
гидой и яйцеклеткой, была зарегистрирована в двух камчатских популяциях Festuca rubra (14,4 и 19,9%). Однако ни одного случая развития дополнительных зародышей не было обнаружено. В то же время формирование двух и трех зародышей было закономерным явлением у растений, где в яйцевом аппарате присутствовали две-три клетки, морфология которых не отличалась от типичной яйцеклетки (Роа angustifolia, P.malacantha, Р.pratensis, Hierochloa glabra u др.). Это говорит о том, что для инициации эмбриогенеза необходима полная трансдетерминация синергид, в результате которой
они и морфологически, и функционально становятся яйцеклетками. Пройдет ли этот процесс полностью или частично, на наш взгляд, зависит от степени склонности популяции к апомиксису. У мятликов и зубровки она выражена намного ярче, чем у овсяницы.
В случае полного превращения синергид в яйцеклетки теряют смысл термины «яйцеклеткоподобная синергида» и «апогаметия». Единственное, что роднит новую клетку с синер-гидой — это ее месторасположение, во всем остальном это типичная гамета, а её автономное развитие в зародыш у апомиктичных ви-
Частота полигаметии в половых и апомиктичных популяциях злаков
№ п/п Вид Место обитания популяции Частота полигаметии, %
1 2 3 4
Апомиктичные популяции
1 Festuca drimeja Северный Кавказ 3,0
2 F.gigantea Окрестности г. Саратова 1,0
Абхазия 1,0
3 F.jimitensis Северный Кавказ 7,6
4 F. rubra Приполярный Урал 25,0
Камчатка, г. Елизово 14,4
Камчатка, побережье Тихого океана 19,9
5 F.ruprechtii Абхазия 3,9
6 F. su ¡cata Северный Кавказ 1,0
7 F. valesiaca г. Саратов, Ботсад СГУ 4,2
Окрестности г. Саратова 3,5
8 Hierochloe glabra Камчатка, г.Елизово 3,9
Камчатка, побережье Тихого океана 9,6
9 Poa angustifolia Камчатка 6,8
Приполярный Урал 4,1
Якутия 8,1
г. Саратов 1,5
10 P.macrocalyx Камчатка 12,1
11 P.malacantha Камчатка 5,5
12 P.nemoralis Камчатка 1,5
13 P.pratensis Камчатка 4,8
г. Саратов 5,6
14 P.radula Камчатка 1,5
15 P.sublanata Камчатка 1,5
16 Tripsacum dactyloides г. Саратов, Ботсад СГУ 1,0
Половые популяции
17 Agrostis borealis Якутия 0
18 A.clavata Камчатка 0,6
19 A. sea bra Камчатка 0,6
20 Alopecurus pratensis Приполярный Урал 0,7
21 Beckmannia syzigachne Камчатка 0
22 Bromopsis canadensis Камчатка 5,0
23 B.erect a Северный Кавказ 0
24 B.pumpelliana Камчатка 0
25 B.gordjaginii Северный Кавказ 0
26 B. variegata Северный Кавказ 0
27 Calamagrostis langsdorfii Камчатка 1,1
Окончание таблицы
1 2 3 4
28 Colpodium humile Саратовская обл. 0
29 Elymus caninus Приполярный Урал 0
30 E.jacutensis Якутия 0
31 E.mutabilis Приполярный Урал 0
Камчатка, г. Елизово 0
Камчатка, побережье Тихого океана 0
32 Elytrigia lolioides Саратовская обл. 0
33 Festuca rubra Я кутия 3,0
34 Glyceria lithuanica Камчатка 0
35 Leymus mollis Камчатка 0
36 Mélica nutans Саратовская обл. 0
Приполярный Урал 0,6
Камчатка 4,7
37 Milium vemale Северный Кавказ 0,2
38 M.effusum Камчатка 0
39 Phalaroides arundinacea Камчатка 0
40 Phleum alpinum Камчатка 1,7
41 Ph.phleoides Саратовская обл. 0
42 Ph.pratensis Саратовская обл. 0
43 Poa alpígena Камчатка 0
44 P. annua Камчатка 0,4
Сибирь, р. Усть-Нерта 1,7
Линии кукурузы с редуцированным партеногенезом
45 AT-1 (N (Bl)) Саратов, лаборатория генетики 5,0
46 AT-1 (T (Bl)) Саратов, лаборатория генетики 6,0
47 AT-1 (T (B2)) Саратов, лаборатория генетики 9,0
48 AT-1 (M (Bl)) Саратов, лаборатория генетики 4,0
49 AT-1 (M (B2)) Саратов, лаборатория генетики 5,0
50 AT-3 Саратов, лаборатория генетики 0,7
дов - один из вариантов партеногенеза. В связи с этим название «яйцеклеткоподобная си-нергида» правильнее было бы употреблять лишь для обозначения клеток с отдельными гаме-тическими признаками.
Высокий уровень полигаметии зарегистрирован как при диплоидном (мятлики, зубровка), так и при гаплоидном апомиксисе (кукуруза) (см. таблицу), т.е. и при наличии, и при отсутствии мейоза. Это говорит о том, что причиной формирования дополнительных яйцеклеток не могут быть мейотические мутации (меймутации), которые вызывают аномальное развитие постмейотических структур или блокируют образование макроспор и, в конечном итоге, приводят к дегенерации га-метофита 12—4]. Причиной полигаметии являются мутации, затрагивающие ранние стадии мегагаметофитогенеза и нарушающие дифференциацию и поляризацию элементов зародышевого мешка.
Необычную поляризацию мы наблюдали более чем в половине недифференцированных зародышевых мешков у Festuca valesiaca,
F.drymeja, Роа angustifolia, а также у Tripsacum dactyloides (рис. 2). Присутствие ранних стадий в этом материале при однократной фиксации в условиях экспедиций обусловлено тем, что апомиктичным видам свойственна асинхрон-ность развития женской генеративной сферы. Какие именно стадии будут представлены в том или ином материале, зависит от времени фиксации (начало, разгар или конец цветения). Поэтому не исключено, что аналогичные нарушения поляризации характерны и для других исследованных нами видов. Нетипичная поляризация ядер на ранних стадиях развития гаметофита должна приводить к изменению позиционной информации и, как следствие, к изменению направления дифференциации элементов зародышевого мешка.
Только в одной половой популяции Bromopsis canadensis мы столкнулись, судя по всему, с другим вариантом образования добавочных яйцеклеток. В 5% женских гаметофи-тов яйцевой аппарат костреца состоял из 7—8 клеток, среди которых были и яйцеклеткоподобные. Появление лишних клеток в яйцевом
Биология
27
a б
Рис.1. Формирование яйцеклеткоподобных синергид в зародышевых мешках апомиктичных злаков: a — в одной из синергид с характерным нитчатым аппаратом размер и положение ядра такие же, как у яйцеклетки (Poa macrocalyx)', б — формирование двух одинаковых яйцеклеток в зародышевом мешках Festuca rubra
Рис.2. Четырехъядерный зародышевый мешок ТпрБасит dactyloides с тет-раполярным расположением ядер: а, б — два последовательных среза
аппарате костреца, возможно, обусловлено га-метофитной мутацией, вызывающей добавочные деления недифференцированных клеток яйцевого аппарата. Подобный эффект, например, имеет мутантный ген ig (неопределенный гаметофит) у кукурузы [5, 6]. У аналога линии Зародышевый маркер, содержащего в гомозиготном состоянии этот ген [7], от 64 до 98% зародышевых мешков имели аномальное строение. Чаще других встречались зародышевые мешки с дополнительными клетками в микропилярном и халазальном концах зародышевого мешка, а также с дополнительными полярными ядрами. Как видим, плейот-ропный эффект гена ig вызывает аномалии,
аналогичные тем, которые наблюдаются в природных популяциях злаков. Однако в отличие от линии кукурузы, у которой партеногенети-ческое развитие дополнительных яйцеклеток приводило к полиэмбрионии, в популяции костреца эмбриологические предпосылки много-зародышевости остались нереализованными. На более поздних стадиях развития женских гаме-тофитов нами не было обнаружено ни одного случая формирования нескольких зародышей в одном зародышевом мешке, что можно объяснить отсутствием склонности к партеногенезу.
Постоянство проявления полигаметии у видов, склонных к апомиксису, наводит на мысль о том, что это явление не может быть
случайным отклонением от нормы и, следовательно, должно иметь какой-либо позитивный эффект. Прежде всего, формирование нескольких гамет создает эмбриологические предпосылки для полиэмбрионии (рис. 3). Они реализуются не всегда, и начало развитию зародыша может давать только одна из яйцеклеток и, в некоторых случаях, именно сформировавшаяся на месте синергиды (рис. 4). Развитие «синергидного» зародыша при интактной «основной» яйцеклетке было зарегистрировано нами у Hierochloe glabra, Poa macrocalyx и Tripsacum dactyloides. Возможно, формирование своего рода «запасных» яйцеклеток создает материал для отбора наиболее жизнеспособных гамет и страхует особей от производства аберрантного потомства в случае, если «основная» структура несет какие-либо генетические дефекты.
Высокая частота встречаемости и постоянство проявления полигаметии у апомиктич-ных видов создает возможность использования ее в качестве диагностического признака при выявлении апомиксиса на эмбриологичес-
д
Рис.З. Два автономных зародыша в присутствии ин-тактного ядра центральной клетки у Роа тасгоса1ух
ком уровне. Можно вполне определенно утверждать, что образование дополнительных яйцеклеток и яйцеклеткоподобных синергид — это признак, сопряженный с партеногенезом, и, следовательно, его можно использовать при отборе на апомиксис.
а
Рис.4. Последовательные срезы через зародышевый мешок Тпрьасит dactyloides: а — с автономным «синергидным» зародышем; б — интактной яйцеклеткой и полярными ядрами
Библиографический список
1. Шишкинская H.A., Юдакова О.И., Тырнов B.C. Полига-метия // Ботанические исследования в азиатской России: Материалы XI съезда РБО. Барнаул, 2003. Т.2. С. 176—177.
2. Шишкинская H.A., Бородько A.B. Об апомиксисе у овсяницы горной (Festuca drymeja Mert. et. Koch) //Докл. высш. шк. Биол. науки. 1987. №1. С. 84—89.
3. Голубовская И.Н. Генетический контроль поведения
хромосом в мейозе // Цитология и генетика мейоза. М.,1975. С. 3J2-338.
4. Kaul Murthy T.G.K. Mutant genes affecting higher
plant meiosis 11 Teor. Appl. Genet. 1985. №70. P.449—466.
5. Kermicle J.L. Pleiotropic effects on seed development of the indeterminate gametophyte gene in maize // Amer. J. Bot. 1971. V.58, №1. P 1-7.
Бпологпя
29
6. Lin B.-Y. Structural modifications of the female gametophyte associated with the indeterminate gametophyte (ig) mutant in maize // Can. J. Genet. Cytol. 1978. V.20, №2. P. 249—257.
7. Lin B.-Y. Megagametophyte alterations associated with the indeterminate gametophyte (ig) mutant in
maize // Rev. Brasil. Biol. 1981. V.41, №3. P. 557-563.
8. Еналеева H.X., Отькало О.В., Тырнов B.C. Фенотипическое проявление мутации ig в мегагаметофите кукурузы линии Зародышевый маркер // Генетика. 1998. Т. 34, № 2. С. 259-265.
