Эмбриологические особенности системы семенной репродукции факультативно апомиктичных злаков

Таким образом, действие целого ряда факторов может стереть грань между качеством пыльцы растений половых и апомиктичных популяций, осложняя диагностику способа репродукции. В то же время при совпадении количественных показателей СДП у половых и апомиктичных популяций, морфометрические характеристики пыльцы всегда были разными. Выявленная у апомиктичных мятликов вариабельность диаметра пыльцы в пределах одного пыльника оказалась универсальным признаком, характерным для всех без исключения апомиктичных злаков. В отличие от апомиктов у половых видов пыльца всегда была однородна по размеру.

Учитывая вышесказанное, в качестве основного критерия при диагностике апомиксиса антморфологическим методом вместо количественной оценки степени дефектности пыльцы целесообразнее использовать визуальный признак «морфологическая неоднородность пыльцы» (Шишкинская, Юдакова, 2003). Это значительно сокращает и упрощает анализ.

4.2.2. Особенности развития женской генеративной сферы у растений апомиктичных популяций злаков

В ходе исследования женской генеративной сферы эмбриологические признаки апомиксиса были обнаружены у растений 8 популяций 3 видов овсяниц (Festuca gigantea, F. rubra, F. valesiaca). Анализ семязачатков F. gigantea, находящихся на ранних стадиях развития показал, что для этого видообразца характерна диплоспория Taraxacum-типа, при которой материнская клетка мегаспор претерпевает первое деление мейоза, после чего микропилярная клетка диады мегаспор дегенерирует, а халазальная клетка дает начало нередуцированному зародышевому мешку. В семязачатках всегда развивался один мегагаметофит.

В отличие от F. gigantea, растения видообразцов F. valesiaca и F. rubra характеризовались разной частотой формирования множественных зародышевых мешков. В популяциях F. rubra количество семязачатков с двумя и более зародышевыми мешками варьировало от 0,3 до 30,7%, а у F. valesiaca - от 11,0 до 70,1%. Образование множественных мегагаметофитов является эмбриологическим признаком, указывающим на возможность апоархеспории. Данный тип развития нередуцированных зародышевых мешков у F. valesiaca и F. rubra был подтвержден результатами анализа ранних стадий мегагаметофитогенеза у растений популяций этих видов из Нижнего Поволжья.

У F. valesiaca рядом с материнскими клетками мегаспор, а так же одноядерными зародышевыми мешками были обнаружены клетки, морфология которых сильно отличалась от соматических клеток семязачатка. Они в несколько раз превосходили по размеру клетки нуцеллуса, содержали крупное ядро и густую цитоплазму. Именно такие клетки являются инициальными клетками апоархеспорических зародышевых мешков. У F. rubra рядом с тетрадой мегаспор располагались один или несколько (до четырех) апоархеспорических зародышевых мешков.

У всех видообразцов овсяниц значительная часть женских гаметофитов (от 5,7 до 38,8%) имела нетипичное строение. На ценоцитной стадии встречались зародышевые мешки с аномальным количеством ядер и нарушенной поляризацией, а в зрелых семязачатках - мегагаметофиты с яйцеклеткоподобными синергидами, недифференцированным яйцевым аппаратом и дополнительными полярными ядрами. Кроме того, во многих зрелых неоплодотворенных зародышевых мешках синергиды отсутствовали или имели признаки дегенерации.

В зрелых зародышевых мешках без следов проникновения пыльцевых трубок встречались крупные «зиготоподобные» яйцеклетки, в которых ядро занимало центральное положение, а микропилярная вакуоль отсутствовала. Развитие эндосперма практически всегда опережало развитие зародыша, и только у F. rubra в одном из зародышевых мешков был обнаружен партеногенетический проэмбрио при интактных полярных ядрах. Наиболее весомым доказательством в пользу наличия апомиксиса у изученных видообразцов рода Festuca могут служить случаи развития проэмбрио и ядерного эндосперма в мегагаметофитах без следов проникновения пыльцевых трубок и с интактными синергидами. Вместе с тем, у всех видообразцов зарегистрированы зародышевые мешки в момент оплодотворения яйцеклетки и полярных ядер, а также мегагаметофиты с зиготой и ядерным эндоспермом. Осуществление двойного оплодотворения в части зародышевых мешков указывает на факультативный характер апомиксиса.

Среди изученных 12 видов рода Poa апомиксис был зарегистрирован в популяциях 10 видов: P. angustifolia, P. bulbosa, P. compressa, P. glauca, P. macrocalyx, P. malacantha, P. nemoralis, P. pratensis, P. radula, P. sublanata. Практически все видообразцы мятликов, за исключением P. nemoralis, характеризовались апоархеспорией. Заложение инициалей апоархеспорических мегагаметофитов происходило на стадии тетрады мегаспор. Самая высокая частота встречаемости множественных зародышевых мешков (60%) зарегистрирована у P. sublanata.У растений популяции P. macrocalyx, также как у видообразцов мятликов P. chaixii и P. pratensis из коллекции Ботанического сада Саратовского госуниверситета, были обнаружены случаи образования дополнительных зародышевых мешков внутри антиподальных комплексов.

У P. nemoralis в семязачатках всегда формировался лишь один женский гаметофит. Ранее у мятлика лесного была описана диплоспория (Nygren, 1954; Кордюм, 1970; Naumova et al., 1999). Этот тип формирования нередуцированных зародышевых мешков присущ и изученным нами видообразцам, о чем свидетельствует анализ ранних стадий мегагаметофитогенеза.

Независимо от способа развития зародышевого мешка у растений всех исследованных популяций мятликов отмечен преждевременный эмбриогенез. Партеногенетическое развитие яйцеклетки начиналось до проникновения в зародышевый мешок пыльцевой трубки. В результате подавляющее большинство женских гаметофитов к моменту опыления содержали проэмбрио при неслившихся полярных ядрах. Как правило, развитие зародыша у мятликов проходило в соответствии с типом Graminad. В то же время у P. glauca, P. macrocalyx и P. pratensis встречались проэмбрио с нетипичным положением межклеточных перегородок и нарушенной последовательностью клеточных делений.

Присутствие ядерного эндосперма только в зародышевых мешках со следами проникновения пыльцевых трубок и наблюдаемые картины оплодотворения полярных ядер в мегагаметофитах с автономным проэмбрио говорят о том, что у мятликов имеет место псевдогамия. Оплодотворение центральной клетки происходило с участием разного количества полярных ядер и спермиев.

На факультативный характер апомиксиса у мятликов указывают зарегистрированные случаи двойного оплодотворения. В отличие от апомиктичных представителей рода Festuca, мегагаметофиты с зиготами были единичными, и в популяциях всегда доминировали зародышевые мешки с партеногенетическим проэмбрио.

Частота формирования женских гаметофитов с различными структурными отклонениями варьировала у разных видообразцов мятликов от 1,2 (P. glauca) до 20,9% (P. compressa). Среди аномальных зародышевых мешков преобладали гаметофиты с дополнительными полярными ядрами и яйцеклеткоподобными синергидами. Практически во всех популяциях отмечено развитие нескольких (чаще двух) проэмбрио в одном зародышевом мешке. У растений видообразцов, зафиксированых на стадии мегагаметофитогенеза (P. angustifolia, P. macrocalyx, P. pratensis), обнаружены зародышевые мешки с нарушенной поляризацией и нетипичным количеством ядер.

Высокая частота формирования нескольких зародышевых мешков в одном семязачатке, присущая подавляющему большинству апомиктичных видов Festuca и Poa, была свойственна также изученным популяциям Hierochloл glabra, H. repens, Koeleria cristata и K. sabuletorum. У H. glabra частота формирования множественных мегагаметофитов составила в одной из популяций 5,7%, а в другой - 8,6%. У H. repens и K. cristata 23% всех семязачатков содержали от 2 до 5 зародышевых мешков. Они могли находиться как на одной, так и на разных стадиях развития. У растений K. sabuletorum, зафиксированных на стадии споро- и гаметофитогенеза, рядом с тетрадами мегаспор и одноядерными зародышевыми мешками обнаружены крупные клетки, морфология которых соответствует инициалям нередуцированных зародышевых мешков. Высокая частота образования в одном семязачатке нескольких мегагаметофитов, зарегистрированные случаи дифференциации в нуцеллусе инициальных клеток служат прямым указанием на апоархеспорию.

У H. glabra и H. repens в отличие от других апомиктичных видообразцов среди атипичных зародышевых мешков чаще встречались женские гаметофиты с неполным комплектом элементов (без синергид или антипод). В семязачатках, зафиксированных на стадии начала цветения, обнаружены зародышевые мешки с автономным эндоспермогенезом. В них отсутствовали следы проникновения пыльцевых трубок, в яйцевом аппарате, как правило, находились интактные синергиды, а в центральной клетке - два и более ядер эндосперма. Соотношение стадий эмбрио- и эндоспермогенеза в таких зародышевых мешках могло быть различным. Зарегистрировано как одновременное развитие зародыша и эндосперма, так и опережающий эндоспермогенез. В то же время обнаружены единичные зародышевые мешки с многоклеточным зародышем при неслившихся полярных ядрах. У обоих видов в единичных мегагаметофитах отмечено двойное оплодотворение.

Для Agrostis alba, напротив, был типичен преждевременный эмбриогенез, что, как правило, присуще псевдогамным формам. Практически во всех зародышевых мешках (96,1%) многоклеточный проэмбрио присутствовал при неслившихся полярных ядрах. Множественных мегагаметофитов зарегистрировано не было. Все семязачатки содержали по одному зародышевому мешку. В нескольких семязачатках, зафиксированных на более ранней стадии развития, над двухъядерным мегагаметофитом располагались остатки крупной дегенерировавшей клетки, что обычно наблюдается в случае формирования нередуцированных зародышевых мешков из халазальной клетки диады мегаспор. Описанные особенности эмбриологического развития у A. alba указывают на диплоспорию Taraxacum-типа и псевдогамию.

Сравнительный анализ популяций одного вида из разных мест обитания свидетельствует о том, что проявление апомиксиса на эмбриологическом уровне не зависит от условий произрастания растений. Популяции одного вида характеризовались одним доминирующим типом развития мегагаметофита и эндосперма, соотношением темпов эмбрио- и эндоспермогенеза, одним спектром гаметофитных аномалий. Не обнаружено каких-либо корреляций между условиями места обитания популяции и частотой формирования зародышевых мешков с атипичной структурой. Так, у P. nemoralis и P. pratensis популяции с Камчатского полуострова и Нижнего Поволжья достоверно не отличались друг от друга по частоте гаметофитных аномалий (рис. 3), а у P. angustifolia практически одинаковое количество зародышевых мешков атипичного строения обнаружено у видообразцов, собранных на Камчатке, в Якутии, Приполярном Урале и Нижнем Поволжье (рис. 4). В то же время отдельные популяции этого вида, обитающие в разных районах Саратовской области, имели достоверные отличия по частоте гаметофитных аномалий.

Рис. 3. Частота гаметофитных аномалий у видообразцов P. pratensis (а) и P. nemoralis (б), собранных в разных регионах России

Рис. 4. Частота гаметофитных аномалий у видообразцов P. angustifolia:

а - из разных регионов России; б - из разных районов Саратовской области

Рис. 5. Частота гаметофитных аномалий у видообразцов F. rubra:

а - из разных регионов России; б - из Елизовского района Камчатскойобласти

У F. rubra, напротив, все популяции, как из одного региона, так и из разных, достоверно отличались друг от друга по данному показателю (рис. 5). Все это свидетельствует в пользу того, что факторы внешней среды не оказывают влияния на характер проявления апомиксиса и сопутствующих ему эмбриологических признаков.

Результаты проведенного исследования дают основания для выделения у апомиктичных злаков общих для семейства в целом особенностей развития репродуктивных структур (микро- и мегагаметофита, зародыша и эндосперма). Универсальными признаками, присущими всем изученным апомиктичным злакам, являются:

1) асинхронность эмбриологических процессов;

2) поливариантность эмбриологического развития;

3) специфические нарушения развития.

Асинхронность эмбриологических процессов у апомиктов присутствует на всех уровнях: от семязачатка до популяции. Если в половых популяциях дикорастущих злаков растения, зафиксированные в один срок, обычно находились либо на одной, либо на близких стадиях развития, то у апомиктов такого не наблюдалось. Даже у одного и того же растения эмбриологические процессы могли быть настолько десинхронизированы, что в одних семязачатках присутствовали материнские клетки мегаспор, а в других - зародыш и клеточный эндосперм. У апоархеспорических видов в случае формирования внутри одного семязачатка нескольких зародышевых мешков, эмбриологические процессы в них также проходили асинхронно. У всех апомиктов, как апоархеспорических, так и диплоспорических, в пыльниках наряду со зрелыми пыльцевыми зернами встречались одноядреные и двухклеточные.

Все изученные видообразцы оказались факультативно апомиктичными. Даже у популяций, где частота встречаемости семязачатков с партеногенетическим проэмбрио приближалась к 100%, у всех исследованных растений были зарегистрированы случаи двойного оплодотворения или зародышевые мешки с таким соотношением стадий развития зародыша и эндосперма, которое наблюдается при половом типе репродукции. Как и у мятликов из коллекции Ботанического сада Саратовского госуниверситета, у других видов злаков программа эмбриологического развития носила поливариантный характер, который выражался в способности одного и того же растения производить и апомиктичное, и половое потомство, а также в разнообразии путей реализации ключевых эмбриологических процессов.

Следствием специфических для апомиктов нарушений эмбриологического развития являлось формирование морфологически неоднородной пыльцы и мегагаметофитов атипичного строения. Среди зародышевых мешков с атипичной структурой на ценоцитной стадии преобладали мегагаметофиты с нарушенной поляризацией, а среди зрелых - зародышевые мешки с яйцеклеткоподобными синергидами, тремя полярными ядрами и неполным комплектом элементов.

Глава 5. Цитоэмбриологическая специфика системы семенной репродукции апомиктичных злаков (обсуждение результатов)

5.1. Поливариантность эмбриологических процессов при факультативном апомиксисе у злаков

Ключевыми элементами программы эмбриологического развития покрытосеменных растений являются процессы формирования зародышевого мешка, зародыша и эндосперма. При амфимиксисе - это эуспория, сингамия и тройное слияние, при апомиксисе - апомейоз, партеногенез и автономное развитие эндосперма.

У цветковых растений апомиксис, как правило, носит факультативный характер. Сведения об облигатных формах не многочисленны и неоднозначны (Ноглер, 1990; Czapik, 2000). В настоящее время многие исследователи склоняются к мнению о том, что облигатных апомиктов в природе не существует. Однако, традиционно говоря о факультативно-апомиктичных популяциях, чаще всего подразумевают, что одни растения в них половые, а другие - апомиктичные, либо эти способы репродукции при определенных условиях сменяют друг друга. Реже указывается на возможность сочетания апомиксиса и амфимиксиса в пределах одного растения, когда в одних семязачатках зародыши развиваются партеногенетически, а в других происходит оплодотворение.

У исследованных злаков факультативный характер апомиксиса проявляется исключительно в возможности реализации разных способов репродукции в пределах одного растения. Например, у апомиктичных видообразцов мятликов в случайной выборке из 100 растений не обнаружено ни одного растения, которое характеризовалось исключительно амфимиксисом или апомиксисом. В каждом соцветии, зафиксированном на ранних стадиях развития, были обнаружены как семязачатки с апоархеспорическим зародышевым мешком и дегенерирующей тетрадой мегаспор, так и семязачатки, в которых происходило развитие эуспорического мегагаметофита из халазальной мегаспоры. На более поздних стадиях у каждого растения, наряду с женскими гаметофитами с партеногенетическим проэмбрио, были обнаружены (хотя бы единичные) зародышевые мешки в момент двойного оплодотворения. Кроме того, у апоархеспорических форм одновременная реализация половой и апомиктичной программ развития наблюдалась не только в пределах одного растения, но и одного семязачатка, когда параллельно с развитием эуспорического мегагаметофита происходило формирование нередуцированного зародышевого мешка из соматической клетки нуцеллуса. Такое явление типично не только для исследованных нами видообразцов, оно описано также у ряда других видов злаков (Hutchinson, Bashaw, 1964; Gupta, 1968; D'Cruz, Reddy, 1968; Shoda, Bhanwra, 1980; Quarin, Urbani, 1990; Bharathi et al., 1991). Даже внутри одного мегагаметофита у мятликов в случае полигаметии одна из яйцеклеток могла развиваться партеногенетически, а другая оплодотворялась и давала начало зиготическому зародышу.

Согласно классическим представлениям, каждый апомиктичный вид характеризуется одним строго определенным сочетанием разных вариантов следующих параметров системы репродукции: 1) типа развития нередуцированного зародышевого мешка (апоархеспория, апоспория, диплоспория); 2) способа формирования эндосперма (автономное развитие, псевдогамия); 3) специфического соотношения темпов эмбрио- и эндоспермогенеза (преждевременная эмбриония, опережающий эндоспермогенез). Результаты проведенного исследования свидетельствует о том, что существование у вида «доминирующих» параметров системы репродукции не исключает возможности реализации у него не только половой программы развития, но и других вариантов апомиктичной программы. У P. pratensis при доминировании апоархеспории спорадически формируются апоспорические зародышевые мешки, а у P. badensis, для которого характерна диплоспория, в единичных семязачатках происходит заложение апоархеспорических инициалей. Поливариантностью путей формирования нередуцированного мегагаметофита характеризуются и другие апомиктичные виды. Апоархеспория в сочетании с диплоспорией встречается у Alchemilla vulgaris, A. sarmatica, A. filicaulis, A. glaucescens, A. incisa (Плиско, 1970; Izmailow, 1986; Глазунова, 2000), Fragaria х ananassa (2n=8х=56) (Батурин, 1997), Paspalum minus (Bonilla, Quarin, 1997), Pennisetum ciliare (Czapik, 2000). Формирование апоспорических и диплоспорических мегагаметофитов зарегистрировано у Tripsacum dactyloides (Шишкинская, Горюнова, 1971).

Таким образом, в отличие от половых сородичей, у апомиктичных форм в пределах одного растения, а, следовательно, на базе одного генотипа, возможна одновременная реализация нескольких программ развития: половой и одного или нескольких вариантов апомиктичной. Поливариантность путей формирования семени, в целом, и отдельных эмбриологических процессов, в частности, крайне важно учитывать при разработке моделей генетического контроля апомиксиса.

Система семенной репродукции апомиктичных злаков достаточно лабильна и допускает переходы с одной программы на другую на разных стадиях развития. Например, после формирования нередуцированного зародышевого мешка апомиктичный путь развития может сменяться половым: яйцеклетка оплодотворяется и дает начало гибридному зародышу. Встречаются и обратные ситуации, когда в редуцированном зародышевом мешке яйцеклетка развивается партеногенетически. Переходы с одной программы эмбриологического развития на другую являются причиной гетерогенности потомства апомиктов по плоидности. Наряду с диплоидными проростками, которые составляют обычно подавляющее большинство в апомиктичных популяциях, встречаются гаплоидные проростки - результат партеногенетического развития редуцированных яйцеклеток, и триплоидные - результат оплодотворения нередуцированных женских гамет (Bantin, Matzk, Dresselhaus, 2001; Berthaud, 2001 и др.).

Для подавляющего большинства изученных злаков характерна псевдогамия, при которой эндосперм образуется только после оплодотворения полярных ядер. По сути, псевдогамия сама по себе включает элементы половой и апомиктичных программ развития. В то же время у псевдогамных форм спорадически наблюдается автономный эндоспермогенез. Это подтверждают данные, полученные в ходе анализа состояния женской генеративной сферы P. pratensis в отсутствии опыления. У Hierochloё glabra, напротив, в части зародышевых мешков зарегистрировано оплодотворение полярных ядер, тогда как в подавляющем большинстве из них эндосперм развивается автономно.

Если у половых видов сбои в реализации программы эмбриологического развития единичны, то у апомиктов они носят закономерный характер. Результаты сравнительного цитоэмбриологического исследования видообразцов злаков с разным способом репродукции позволяют выделить три основных особенности эмбриологического развития апомиктичных форм:

1) возможность осуществления альтернативных программ развития (амфимиктичной и апомиктичной) на базе одного генотипа;

2) возможность перехода с одной программы эмбриологического развития на другую (с половой на апомиктичную и наоборот);

3) специфические нарушения при реализации программы эмбриологического развития.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что в основе всех вышеперечисленных особенностей лежит преждевременное начало отдельных стадий эмбриологических процессов, вследствие чего предыдущие стадии остаются незавершенными или полностью выпадают из цикла развития. Полное выпадение таких ключевых стадий, как спорогенез, оплодотворение и тройное слияние, приводит к переходу с половой программы развития на апомиктичную, а исключение отдельных стадий - к комбинации элементов апомиксиса и амфимиксиса в ходе индивидуального развития организма.

Незавершенность эмбриологических процессов ведет к формированию зародышевых мешков с атипичной структурой. Результатом преждевременной дифференциации мегагаметофитов, не прошедших через все митотические циклы, является образование зародышевых мешков с неполным комплектом элементов. Нетипичное расположение ядер в ценоцитном мегагаметофите приводит к нарушению процесса дифференциации. Наиболее вероятной причиной аномальной поляризации зародышевых мешков может быть начало очередного митотического деления до завершения перестройки цитоскелета.

Специфические для апомиктов аномалии микроспорогенеза - формирование однополюсных веретен и двухъядерных микроспор, также являются результатом незавершенности отдельных этапов этого процесса. Двухъядерные микроспоры образуются вследствие выпадения цитокинеза. Построение однополюсных веретен, как ранее было показано на гибридных формах злаков, может происходить из-за блокады процесса формирования кинетохорных микротрубочек в прометафазе (Серюкова и др., 2003). Анализ аномалий мужских и женских гаметофитов свидетельствует о том, что их появление связано с функционированием цитоскелета, и эта связь, несомненно, требует дальнейшего исследования.

Характерное для апомиктичных видов нарушение последовательности эмбриологических стадий и процессов может быть следствием нарушения времени начала и продолжительности экспрессии генов, контролирующих разные этапы эмбриологического развития. Согласно гипотезе, предложенной J. Carman (1997), апомиксис есть проявление асинхронной экспрессии экотипически специфических аллелей, которые регулируют начальные моменты и длительность эмбриологических процессов. Несмотря на то, что в последние годы гетерохронная гипотеза снискала себе немало сторонников (Koltunow et al., 1998; Crane, 2001; Grimanelli et al., 2001; Grimanelli et al., 2003; Perotti et al., 2004), ее обоснование требует дополнительных экспериментальных данных. Результаты эмбриологических исследований апомиктов свидетельствуют в пользу существования единой генетической системы контроля семенного размножения, в рамках которой реализуется и половой, и апомиктичный пути развития (Shishkinskaya, Yudakova, 2008). Изменение временных параметров функционирования отдельных звеньев этой системы обеспечивает переход от одной программы развития на другую и сочетание отдельных элементов обеих программ в рамках одного и того же генотипа.

5.2. Гаметофитные аномалии как индикаторы апомиктичного способа репродукции

В ранних работах по эмбриологии апомиксиса значительное место занимало описание нарушений процессов микроспоро- и микрогаметофитогенеза, в то время как аномалии развития женской генеративной сферы зачастую игнорировали как случайные и несущественные. Только после того, как эмбриологи стали активнее использовать в своих исследованиях ускоренные методы, позволяющие анализировать значительный объем материала, все очевидней становился факт, что формирование зародышевых мешков с атипичной структурой является характерной особенностью апомиктичных видов. Принимая во внимание специфическое проявление некоторых аномалий у апомиктов, С.С. Хохлов (1978) первым предложил включить их в список цитоэмбриологических признаков апомиксиса. Позднее у ряда апомиктичных видов была описана асинхронность эмбриологических процессов и повышенная частота образования зародышевых мешков с «яйцеклеткоподобными» синергидами и антиподами (Shishkinskaya, 1991; Еналеева, Тырнов, 1994; Солнцева, 1999; Камелина, 2000; Solntseva, 2007). Результаты сравнительного популяционно-эмбриологического анализа половых и апомиктичных злаков позволяют расшить возможности диагностики апомиктов на эмбриологическом уровне. К числу признаков, которые могут косвенно указывать на апомиктичный способ репродукции, следует отнести: морфологическую неоднородность пыльцы связанную с варьированием размера пыльцевых зерен и количества спермиев в них, развитие «антиподальных» зародышевых мешков, формирование семян с проэмбрио без эндосперма и с проэмбрио и аномальным (малоклеточным или мозаичным) эндоспермом. Признаки, касающиеся строения семян, также могут использоваться в селекционно-генетических и биотехнологических работах при отборе на апомиксис.

Среди эмбриологических признаков апомиксиса особого внимания заслуживает полигаметия (формирование в мегагаметофите дополнительных яйцеклеток за счет трансдетерминации синергид или антипод). Она является наиболее часто встречающимся гаметофитным признаком не только у растений с регулярными формами апомиксиса, но и с нерегулярными редуцированными формами. Например, у линий кукурузы, склонных к гаплоидному партеногенезу, частота зародышевых мешков с дополнительными яйцеклетками составляет от 4 до 9% (Еналеева, Тырнов, 1994; Enaleeva, Tyrnov, 1997). В связи с этим, вполне определенно можно утверждать, что образование дополнительных яйцеклеток и яйцеклеткоподобных синергид является признаком, сопряженным с наиболее важным элементом апомиксиса партеногенезом, и, следовательно, на его основе возможно проведение искусственного отбора на апомиксис у культурных и дикорастущих злаков.

Аномалии репродуктивных структур обычно негативно влияют на процесс воспроизводства. Они могут нарушить или даже полностью исключить развитие полноценного потомства. Однако у апомиктичных форм гаметофитные аномалии чаще всего являются исключением из этого правила: они либо нейтральны для репродуктивного процесса, либо создают цитоэмбриологические предпосылки для повышения семенной продуктивности и адаптивного потенциала популяции.

«Полезными» для популяции могут быть аномалии, приводящие к образованию диплоидных пыльцевых зерен и микрогаметофитов с дополнительными спермиями. В ряде работ было показано, что нередуцированные микрогаметофиты не только могут участвовать в репродуктивном процессе, но даже имеют некоторые селективные преимущества по сравнению с гаплоидными (Simon, Peloquin, 1976; Van Breukelen, 1982; Mokadem et al., 2002). Принимая во внимание, что полиплоидизация является важным фактором эволюции покрытосеменных растений (Stebbins, 1971; Грант, 1984), формирование нередуцированных мужских гаметофитов может играть определенную роль в эволюционном преобразовании вида, так как способствует увеличению плоидности потомства (Harlan, De Wet, 1975; Veilleux, 1985; Bretagnolle, Thompson, 1995). Кроме того, у псевдогамных апомиктов участие в оплодотворении центральной клетки спермиев с нередуцированным числом хромосом, а также дополнительных спермиев может способствовать достижению оптимального баланса материнского и отцовского геномов, необходимого для нормального развития эндосперма (Lin, 1978; Nishiyama, Yabuno, 1978; Ehlenfeldt, Hanneman, 1988; Ноглер, 1990; Haig, Westoby, 1991; Grimanelli et al., 1997; Hong Ma, 1999; Quarin, 1999; Sokolov, Khatypova, 2001).

Образование женских гаметофитов с неполным комплектом элементов или с нетипичной структурой в подавляющем большинстве случаев также не несет за собой негативных последствий для процесса репродукции. Полноценное семя нельзя сформировать при отсутствии в зародышевом мешке яйцеклетки или полярных ядер. Без женской гаметы невозможно развитие зародыша, без полярных ядер - эндосперма. У изученных видообразцов зародышевые мешки без яйцеклеток и полярных ядер были единичными. В женских гаметофитах с неполным комплектом элементов, как правило, недоставало антипод или синергид. Кроме того, у апоархеспорических форм злаков, для которых характерно образование нескольких зародышевых мешков в одном семязачатке, даже отсутствие полярных ядер не всегда ведет к отрицательному результату. Если в одном из множественных мегагаметофитов отсутствуют полярные ядра, развитие зародыша в нем может происходить за счет эндосперма соседнего зародышевого мешка.

Отсутствие в женском гаметофите одной из антипод легко компенсируется за счет процессов пролиферации и эндорепродукции остальных клеток антиподального комплекса. В связи с тем, что антиподы выполняют важную трофическую функцию, следовало бы ожидать, что зародышевые мешки без антипод окажутся нежизнеспособными. Тем не менее, в некоторых вышестоящих таксонах злаков, например, в трибах Andropogoneae и Paniceae, у апомиктичных видов апоархеспорические зародышевые мешки никогда не имеют антипод, но при этом растения характеризуются хорошей завязываемостью семян (Warmke, 1954; Brown, Emery, 1958; Hutchinson, Bashaw, 1964; Muniyamma, 1978).

Не оказывает негативного влияния на репродуктивный процесс и отсутствие в мегагаметофите одной или даже обеих синергид. Зародышевые мешки без этих элементов не имели признаков дегенерации. Кроме того, отсутствие синергид в зародышевом мешке в определенной мере может даже способствовать партеногенезу. У факультативных апомиктов яйцеклетки формируют зародыши как без оплодотворения, так и в результате оплодотворения. Синергиды вырабатывают специфические сигнальные вещества, привлекающие рост пыльцевых трубок (Higashiyama et al., 2002). Если их рост в тканях пестика будет замедлен из-за отсутствия синергид, то яйцеклетка получить больше шансов для партеногенетического развития.

Основной причиной образования мегагаметофитов с нетипичной структурой является трансдетерминация, в результате которой вместо элемента с важной, но, все же, второстепенной функцией (синергиды, антиподы) формируется элемент, который принимает непосредственное участие в репродуктивном процессе (яйцеклетка, полярное ядро, мегагаметофит). Развитие дополнительных яйцеклеток и мегагаметофитов создают предпосылки к полиэмбрионии и, как следствие, к повышению семенной продуктивности популяции. Кроме того, их образование позволяет сочетать разные способы репродукции внутри одного семязачатка, когда одна из яйцеклеток оплодотворяется, а другая (того же или соседнего мегагаметофита) развивается партеногенетически. Одновременная реализация у одного и того же растения апомиксиса и амфимиксиса, а также сочетание их элементов в свою очередь способствует смене уровня плоидности и увеличению генетической гетерогенности потомства. Кроме того, добавочные яйцеклетки и зародышевые мешки предоставляют дополнительный материал для отбора наиболее жизнеспособных женских гаметофитов и гамет.

Принимая во внимание высокую и стабильно проявляющуюся изменчивость строения женских гаметофитов, ее положительный эмбрио-генетический эффект на репродуктивный процесс, становится очевидным, что термин «гаметофитные аномалии» в приложении к зародышевым мешкам, характеризующимся нетипичной морфологией, не совсем точно отражает сущность этого явления. Для их обозначения, на наш взгляд, более правильно использовать термин «гаметофитные вариации».

Закономерный характер проявления гаметофитных аномалий (вариаций), их нейтральный и положительный эмбрио-генетический эффект указывают на возможные направления эволюционного преобразования структуры женского гаметофита у апомиктичных видов злаков. С одной стороны, прослеживается тенденция к уменьшению числа элементов зародышевого мешка за счет сокращения числа митозов при его формировании. В пользу этого свидетельствует спорадическое образование у изученных апомиктичных видообразцов малоядерных мегагаметофитов без антипод, характерных для апомиктичных видов вышестоящих таксонов злаков. С другой стороны, наблюдается склонность к увеличению продуктивности зародышевого мешка за счет образования дополнительных гамет вместо синергид (реже антипод).

5.3. Место апомиксиса в системе семенного размножения дикорастущих злаков

Семейство Poaceae лидирует среди других семейств покрытосеменных растений по количеству апомиктичных родов и видов (Carman, 1995, 1997). Результаты проведенного цитоэмбриологического исследования природных популяций пополняют список апомиктов еще на семь видов (Agrostis alba, Hierochloл glabra, H. repens, Koeleria cristata, Poa badensis, P. chaixii, P. sublanata). Однако даже самый полный список апомиктичных видов и родов не может в должной мере отразить широту распространения апомиктов в природе. Необходимо решить еще одну задачу - определить роль апомиктичных форм в сложении фитоценозов и растительного покрова.

Результаты проведенного популяционно-эмбриологического исследования дикорастущих злаков указывают на широкое распространение апомиктичных форм во флорах территорий с различными климатическими условиями. В случайных выборках видов из разных регионов России количество апомиктов варьировало от 22,2 (Якутия) до 40,0% (Нижнее Поволжье) (рис. 6). Согласно теории «географического партеногенеза» апомиктичные виды обычно приурочены к северным широтам и большим высотам (Vandel, 1928; Bierzychudek, 1985; Hцrandl, 2006). Однако в проведенном нами исследовании доля апомиктичных видов в злаковом компоненте флоры оказалась высокой не только в северных и высокогорных районах, но и в Нижнем Поволжье, расположенном в средних широтах и характеризующимся умеренным климатом.

Апомиксис не ограничивается какой-либо локальной популяцией. Он встречается у растений, отдаленных друг от друга на очень большие расстояния. Так, у P. angustifolia апомиксис зарегистрирован у видообразцов, собранных в регионах с разными климатическими условиями: в умеренно холодном муссонном климате Камчатки, умеренно холодном резко континентальном климате Якутии и Приполярного Урала и, наконец, в умеренном континентальном климате Нижнего Поволжья. У P. pratensis и P. nemoralis эмбриологические признаки апомиксиса отмечены в популяциях Камчатского полуострова и Нижнего Поволжья. Кроме того, у этих видов мятликов апомиктичные формы широко представлены во флоре Западной Европы и Северной Америки (Nygren, 1954; Clausen, 1961; Pommer, 1972; Mazzucato, 1995; Mazzucato et al., 1996). У овсяниц популяции с апомиктичным способом репродукции также обнаружены в регионах с разными климатическими условиями (F. gigantea - Северный Кавказ (Шишкинская, Бородько, 1987) и Нижнее Поволжье; F. rubra - Камчатка, Приполярный Урал, Нижнее Поволжье).

Рис. 6. Встречаемость половых и апомиктичных видов в изученных выборках злаков

Подавляющее большинство апомиктичных видов, выявленных на изученных территориях, принадлежат к родам Poa и Festuca. Как известно представители этих родов играют важную роль в сложении травянистых группировок. Они не только доминируют в фитоценозах на равнинных и нагорных лугах, в степях и травянистом ярусе лесов Евразии, но и нередко выступают в качестве эдификаторов растительных сообществ (Цвелев, 1976). К числу доминантных видов относятся и представители других родов, в которых широко распространен апомиксис. Так виды рода Bothriochloa доминируют в степях южных районов Евразии, Bouteloua, Chloris, Buchloe - в прериях Северной Америки, Cortaderia - в пампасах Южной Америки (Цвелев, 1976).

Значительная доля апомиктов в злаковом компоненте флор территорий с разными климатическими и географическими условиями, присутствие апомиктичных популяций в разных частях ареала вида, принадлежность апомиктичных видов к числу доминантов растительных сообществ свидетельствуют против представления о том, что апомиксис обеспечивает лишь частную приспособленность видов к определенным условиям среды (Розанова, 1948; Петров, 1964; Дубинин, 1966; Левина, 1972). Несомненно, что он играет более важную роль и служит механизмом оптимизации системы размножения вида по всему ареалу.

Широкое распространение апомиктичных видов злаков в разных климатических и географических зонах, преобладание среди них ценозообразователей и эдификаторов растительных сообществ указывают на их высокие адаптивные способности. Эти способности определяются как генотипической структурой апомиктов (высокой плоидностью, гибридогенной природой), так и лабильностью системы семенной репродукции и адаптивным потенциалом гаметофитной изменчивости. Присущая апомиктичным формам поливариантность эмбриологических процессов позволяет им одновременно реализовывать апомиксис и амфимиксис, переходить с одного способа репродукции на другой, эффективно используя для эволюционного преобразования и адаптации преимущества как апомиксиса, так и амфимиксиса. Формирование дублирующих эмбриологических структур (дополнительных гамет и мегагаметофитов) создают возможности для повышения семенной продуктивности популяции. Все это позволяет апомиктичным формам успешно конкурировать с остальными видами локальной экосистемы, осуществлять экспансию новых территорий и, как следствие, занимать широкие ареалы.

Выводы

1. Специфика процесса микроспорогенеза у апомиктичных злаков заключается в возможности формирования в одном пыльнике микроспор с редуцированным и нередуцированным числом хромосом, а также в разнообразии механизмов нередукции (в результате выпадения второго деления мейоза, однонаправленного движения хромосом к полюсу клетки, слияния ядер в двухъядерных микроспорах). Следствием развития в пыльнике пыльцевых зерен с разным уровнем плоидности является ее неоднородность по размеру и выполненности.

2. Апомиктичные злаки характеризуются вариабельностью структуры женских гаметофитов: наряду с редуцированными и нередуцированными зародышевыми мешками нормального строения формируются мегагаметофиты с нетипичной структурой (с дополнительными яйцеклетками и полярными ядрами, с неполным комплектом элементов и др.). Основными причинами их образования являются преждевременное начало процесса дифференциации в мегагаметофитах, не прошедших все циклы митотических делений, и изменение на ценоцитной стадии мегагаметофита локализации ядер, приводящее к смене направления их дальнейшего развития (трансдетерминации). Гаметофитные аномалии (вариации), как правило, нейтральны для репродуктивного процесса или имеют положительный эмбрио-генетический эффект, создавая предпосылки к разным типам полиэмбрионии.

3. Стабильное проявление у апомиктичных злаков гаметофитных аномалий позволяет использовать их в качестве диагностических признаков апомиксиса. К числу уже известных эмбриологических признаков апомиктичного способа репродукции следует отнести: асинхронность процессов микроспорогенеза и микрогаметофитогенеза в пределах одного пыльника, полигаметию, образование «антиподальных» зародышевых мешков, наличие в зрелых семенах глобулярного проэмбрио без эндосперма или в присутствии аномального эндосперма.

4. Характерной особенностью процессов эмбрио- и эндоспермогенеза у факультативно апомиктичных злаков является их бинаправленность: вне зависимости от типа апомиксиса (автономный апомиксис или псевдогамия) у одного и того же растения зародыш и эндосперм могут развиваться как в результате оплодотворения, так и автономно. В разных мегагаметофитах одного растения образование первичного ядра эндосперма может происходить с участием разного количества полярных ядер и спермиев. При псевдогамии развитие автономного эндосперма сопровождается различными нарушениями и заканчивается дегенерацией.

5. В случае преждевременной эмбрионии, характерной для псевдогамных злаков, эмбриогенез прерывается «периодом покоя» глобулярного проэмбрио. Остановка развития проэмбрио обусловлена вынужденным ожиданием начала стадии развития эндосперма, на которой он становится способным выполнять свою формообразующую функцию по отношению к зародышу. Эта стадия наступает после достижения эндоспермом критической массы и завершения в нем процессов клеткообразования.

6. Поливариантность всех ключевых этапов эмбриологического развития у факультативно апомиктичных злаков позволяет им одновременно осуществлять на базе одного и того же генотипа апомиктичную и половую программы развития, комбинировать элементы этих программ, что создает эмбриологические предпосылки для смены уровня плоидности и увеличения генетической гетерогенности потомства.

7. Поливариантность путей формирования семени, асинхронность эмбриологических процессов и специфические нарушения развития (гаметофитные вариации) являются универсальными особенностями эмбриологии апомиктичных злаков. Они проявляются стабильно у всех апомиктичных форм независимо от их видовой и родовой принадлежности, а также от условий обитания популяции.

8. Апомиксис не ограничивается какой-либо локальной популяцией: он встречается у растений, отдаленных друг от друга на очень большие расстояния. Разные популяции одного и того же вида характеризуются одним доминирующим типом формирования нередуцированного мегагаметофита, способом развития эндосперма, соотношением темпов эмбрио- и эндоспермогенеза, одинаковым спектром гаметофитных аномалий. Апомиктичные виды представляют большую группу в злаковом компоненте флор регионов с разными климатическими и географическими условиями.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Псевдогамный апомиксис у Poa chaixii Vill. // Изв. высших учеб. заведений. Поволжский регион. - 2006. - №5. - С. 277-283.

2. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности оплодотворения полярных ядер при псевдогамии у апомиктичного мятлика лугового // Вест. Сарат. агроун-та им. Н.И. Вавилова. - 2006. - №1. - С. 30-31.

3. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности раннего эмбриогенеза у апомиктичного Poa pratensis L. // Онтогенез. - 2007. - №1. - С. 7-11.

4. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Соотношение эмбрио- и эндоспермогенеза при псевдогамии у мятликов // Вест. Сарат. агроун-та им. Н.И. Вавилова. - 2007. - №2. - С. 18-19.

5. Юдакова О.И. Особенности микроспорогенеза у апомиктичного Poa pratensis L. (Poaceae) // Бот. журн. - 2008. - Т.93, №2. - С. 299-303.

6. Юдакова О.И., Шишкинская Н.А. Особенности формирования антиподального комплекса у половых и апомиктичных злаков // Бот. журн. - 2008. - Т.95, №4. - С. 299-303.

7. Юдакова О.И. Аномалии развития женского гаметофита у апомиктичных форм мятликов // Онтогенез. - 2008. - Т.40, №3. - С. 191-198.

8. Кашин А.С., Юдакова О.И., Кочанова И.С., Полянская М.В., Миндубаева А.Х. Распространение гаметофитного апомиксиса в семействах Asteraceae и Poaceae (на примере видов флоры Саратовской области) // Бот. журн. - 2009. - Т.94, №5. - С. 120-132.

9. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И., Тырнов В.С. Популяционная эмбриология и апомиксис у злаков. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2004. - 145 с.

10. Юдакова О.И., Шишкинская Н.А. Особенности эмбриологии апомиктичных злаков. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2008. - 105 с.

11. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Классификация апомиксиса // Эмбриология растений: Терминология и концепции: в 3 т. - СПб: изд-во «Мир и семья», 2000. - Т.3. - С. 168-180.

12. Тырнов В.С., Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Структурная изменчивость зрелых женских гаметофитов злаков // Докл. РАЕН. - 2000. - №2. - С. 44-48.

13. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Репродуктивная эмбриология дикорастущих злаков // Изв. Сарат. ун-та. Сер. Биол. -2001. - Вып. спец. - С. 166-176.

14. Юдакова О.И., Шишкинская Н.А. Псевдогамия у мятликов // Репродуктивная биология, генетика и селекция. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2002. - С. 54-60.

15. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Новый подход к использованию антморфологического метода для диагностики апомиксиса у злаков // Бюл. Бот. сада Сарат. ун-та. - 2003. - Вып.2. - С. 180-187.

16. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И., Тырнов В.С. Полигаметия // Ботанические исследования в азиатской России: Матер. XI съезда РБО: в 2 т. - Барнаул, 2003. - Т.2. - С. 176-177.

17. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И., Тырнов В.С. Явление полигаметии у растений и его возможные эволюционно-генетические эффекты // Изв. Сарат. ун-та. - 2005. - Вып.2, Т.5. - С. 25-32.

18. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Метаморфозы антипод при псевдогамном апомиксисе у Poa pratensis L. // Бюл. Бот. сада Сарат. ун-та. - 2005. - Вып.4. - С. 192-198.

19. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. К вопросу о влиянии геномного импринтинга на формирование эндосперма у апомиктичных форм // Вавиловские чтения - 2005: Матер. конф. Сер. Биотехнология, генетика и селекция. - Саратов: изд-во Сарат. агроун-та, 2005. - С. 59-61.

20. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности развития партеногенетических зародышей у мятлика лугового // Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы. Матер. Междунар. науч. конф: в 2 ч. - Казань, 2006. - Ч. 1. - С. 138-139.

21. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности формирования эндосперма при псевдогамном апомиксисе у Poa pratensis L. // Бюл. Бот. сада Сарат. ун-та - 2006. - Вып.5. - С. 357-359.

22. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Формирование пыльцевых зерен разного уровня плоидности у апомиктичных мятликов // Досягнення i проблеми генетики, селекцiп та бiотехнологiп: збiрник наукових праць: в 2 т. - Кипв: Логос, 2007. - Т.2. - С. 217-220.

23. Шакина Т.Н., Юдакова О.И. Апомиксис у Poa badensis Haenke // Бюл. Бот. сада Сарат. ун-та. - Саратов, 2007. - Вып.6. - С. 102-104.

24. Шакина Т.Н., Юдакова О.И. Развитие зародыша и эндосперма в отсутствии опыления у Poa pratensis L. // Матер. II Междунар. школы молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология». - Уфа: изд-во УПГУ, 2007. - С. 123-124.

25. Юдакова О.И. Вариабельность эмбриологических процессов при факультативном апомиксисе у злаков // Матер. II Междунар. школы молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология». - Уфа: изд-во УПГУ, 2007. - С. 127-128.

26. Юдакова О.И. Адаптивный потенциал гаметофитный изменчивости у апомиктичных злаков // Фактори експериментальноп еволюцiп организмiв: збiрник наукових праць: в 5 т. - Кипв: Логос, 2008. - Т.5. - С. 49-54.

27. Кашин А.С., Юдакова О.И., Кочанова И.С., Полянская М.В., Миндубаева А.Х. Распространение гаметофитного апомиксиса в семействах Asteraceae и Poaceae (на примере видов форы Саратовской области) // Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века: Матер. XII съезда РБО. - Петрозаводск, 2008. - С. 269-272.

28. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Эмбриология и генетический контроль апомиксиса // Эмбриология, генетика и биотехнология: Матер. III Междунар. школы для молодых ученых. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2009. - С. 106-108.

29. Shishkinskaya N.A., Yudakova O.I. Classification of Apomixis // Embryology of flowering Plant: Terminology and concepts. Reproductive Systems /ed. T.B. Batygina. - USA: Science Publishers, 2009.

Тезисы конференций:

30. Yudaсkova O.I. Cytoembryological investigation of two Elymus species (Elymus mutabilis and Elymus caninus) // IX Inter. Symp. «Embryology and seed reproduction». Abstr. - Leningrad, 1990. - P. 192.

31. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Эмбриология половых видов злаков // Проблемы ботаники на рубеже веков. Тез. докл. II съезда РБО. - СПб, 1998. - С. 56.

32. Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Популяционно-генетический эффект гаметофитной изменчивости // II съезд ВОГиС. Тез. докл.: в 2 т. - СПб, 2000. - Т.2. - С. 141-142.

33. Shishkinskaya N.A., Yudakova O.I. Gametophyte anomalies as indicators of apomixis // Inter. Apomixis Conf. Abstr. - Italy, 2001. - P. 108.

34. Shishkinskaya N.A., Yudakova O.I. Interrelation of apomixis and amphimixis (on example of cereals) // I Междунар. школа для молодых ученых «Эмбриология и биотехнология». Программа и тезисы. - СПб., 2005. - С. 53.

35. Yudakova O.I., Shakina T.N. Apomixis in Poa chaixii Vill. and P.badensis Haenke // III Inter. Apomixis Conf. Abstr. - Wernigerode, Germany, 2007. - P. 29.

36. Shishkinskaya N.A., Yudakova O.I. Apomixis genetic control in the light of embryological data // XX Inter. Cong. of Genetics. Sci. Abstr. - Berlin, Germany, 2008. - P. 183-184.

Размещено на Allbest.ru