|
НІКІТСЬКИЙ БОТАНІЧНИЙ САД – НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР
УКРАЇНСЬКА АКАДЕМИЯ АГРАРНИХ НАУК
УДК 581.3:634.6:635.9 (477.75)
СВІТЛАНА ВАСИЛІВНА ШЕВЧЕНКО
РЕПРОДУКТИВНА БІОЛОГІЯ РЯДУ ЦІННИХ СУБТРОПІЧНИХ
ПЛОДОВИХ ТА ДЕКОРАТИВНИХ РОСЛИН КРИМУ
03.00.05 – ботаніка
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора біологічних наук
ЯЛТА - 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Нікітському ботанічному саду –
Національному науковому центрі Української академії аграрних наук
Офіційні опоненти - доктор біологічних наук, професор Батигіна Тетяна Борисівна,
Ботанічний інститут ім. В.Л. Комарова РАН, завідуючий
відділом ембріології і репродуктивної біології
- доктор біологічних наук Бугара Олександр Михайлович,
Кримський аграрний інститут УААН, завідуючий лабораторією
клітинної біології
- доктор біологічних наук Клименко Світлана Валентинівна,
Національний ботанічний сад ім. М.М. Гришка НАН України,
головний науковий співробітник
Провідна установа – Інститут ботаніки ім. М.Г.Холодного НАН України,
відділ клітинної біології ті анатомії
Захист відбудеться “24” жовтня 2001 р. о 11 г. на засіданні спеціалізованої ради при Нікітському ботанічному саді – Національному науковому центрі УААН за адресою: 98648, Крим, Ялта, смт Нікіта, тел. 33 65 41
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Нікітського ботанічного саду –
Національному науковому центрі УААН, Крим, Ялта, смт Нікіта
Автореферат розісланий 7 вересня 2001 року
Вчений секретар спеціалізованої ради,
кандидат біологічних наук С.Ю. Садогурський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Дослідження процесів формування генеративної сфери і особливостей насінної репродукції квіткових рослин необхідні для вирішення багатьох проблем теоретичної ботаніки, практичної селекції та інтродукції. Оскільки генеративні структури в певній мірі консервативні і таксоноспецифічні, вивчення особливостей їхнього розвитку і будови, порівняльний аналіз і виявлення спільних закономірностей дозволяють встановити їхні еволюційні тенденції і широко використовуються при вирішенні спірних питань систематики і філогенії (Яковлев, 1958, 1960; Тахтаджян, 1964, 1966, 1987; Поддубная-Арнольди, 1958, 1976; Камелина, 1980; Терехин, Никитичева, 1981; Батыгина і ін., 1991; Терехин та ін., 1993; Dahlgren, 1975; Tobe, 1989; Kapil, Bhatnagar, 1991; Johri et al., 1992; Lebeque, 1992; Kordyum, 1994; Cox, Humpries, 1996; і ін.).
Одне з основних завдань сучасної ботаніки є збереження біологічного різноманіття видів і вивчення репродуктивної біології – це необхідний етап у пізнанні і керуванні цим процесом. Розробка методів збереження рідкісних видів рослин вимагає детальних знань процесів формування насіння і структур, що визначають їхнє утворення. Це дозволяє встановити критичні періоди в репродуктивному процеси і знайти шляхи покращення насінного відтворення рослин (Sage et al., 1996; McComhie et al., 1996; Tretjakova, 1996; Wilcock, 1996; і ін.). До таких рідкісних видів, що знаходяться під загрозою зникнення, відносяться Arbutus andrachne, Pistacia mutica Fisch. et Mey., значне скорочення числа ювенільних особин в популяціях яких (Голубєва, 1981; Єна, 1982; Голубєв, Єна, 1984) викликає необхідність з'ясування причин цього явища і розробки способів покращення їхнього природного відновлення.
Важливу роль в справі збереження і збільшення біологічного різноманіття відіграє інтродукція і селекція рослин і при цьому представляється неодмінним знання різних аспектів репродуктивної біології (Батыгина, 1966, 1974; Банникова, 1975, 1980; Орел, 1972; Чеботарь, 1972; Кордюм, 1976; Симоненко, 1994; Камелин, 1995; Смирнов, 1995; Heslop-Harrison, 1972; Knox, 1978, 1984; Heslop-Harrison et al., 1988; Eames, Knox, 1996; і ін.). Так, в Криму інтродуковані цінні субтропічні плодові культури (Zizyphus jujuba Mill., Olea europaea L., Asimina triloba (L.) Dun., ), проте для розробки способів створення нових форм і сортів наявних відомостей про їхні ембріологічні особливості недостатньо.
Досліджувані нами види рослин становлять і значний теоретичний інтерес, так як відносяться до 6 родин, що знаходяться на різних ступенях організації (Annonaceae, Ericaceae, Anacardiaceae, Rhamnaceae, Davidiaceae, Oleaceae), і ембріологічно або не вивчені зовсім, або вивчені недостатньо ("Порівняльна ембріологія квіткових", 1981-1990, РАН, Санкт-Петербург). Їхній порівняльний аналіз дозволить встановити нові закономірності генезису репродуктивних органів, що можуть бути використані для виявлення ходу і напрямку еволюції окремих елементів генеративних структур квіткових рослин.
ЗВ'ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ. Дисертаційна робота виконана в групі ембріології рослин відділу експериментальної біології Нікітського ботанічного саду – Національного наукового центру (1975-2000 рр.). Тема дисертації пов'язана з плановими дослідженнями відділу:
"Розробка біоекологічних основ оптимізації природного середовища, його раціонального використання і охорони на прикладі Криму" № ДР 01.87. 0002442.
"Виділити на основі комплексного вивчення генетичних ресурсів рослин джерела і донори господарсько-цінних ознак для створення нових скоростиглих, високопродуктивних, високоякісних, стійких до хвороб, шкідників і екстремальних умов середовища, чутливих до зрошення, придатних для меліорованих земель сортів і гібридів сільськогосподарських культур, що відповідають вимогам інтенсивних технологій, і передати селекційним установам країни". № ДР 03.01. ОСХ. 02.02.
"Інтродукувати і вивчити генофонд декоративних, плодових і технічних рослин, вдосконалити методи селекції і біотехнології і на їхній основі створити нові сорти інтенсивного типу". № ДР 0192U034076.
"Дослідити цитолого-ембрілогічні аспекти статевого і вегетативного розмноження плодових, лікарських і декоративних рослин в зв'язку з завданням підвищення плодо-і сім’яутворення, створення нових господарсько-цінних генотипів і введення їх в народне господарство". № ДР 0197U004315.
МЕТА І ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ. Мета цього дослідження - виявити закономірності формування елементів репродуктивної системи, особливостей насінневого відновлення деяких рідкісних та ембріологічно невивчених видів рослин в зв'язку з їхнім систематичним положенням і завданням збереження біологічного різноманіття.
Намічена мета визначила такі завдання:
1. Вивчити морфогенетичні процеси елементів генеративної сфери:
- закладення та формування стінки мікроспорангія і мікроспорогенез;
- закладення та формування мегаспорангія і мегаспорогенез;
- розвиток чоловічого і жіночого гаметофітів;
2. Вивчити особливості процесів запилення і запліднення.
3. Виявити закономірності ембріо- і ендоспермогенезу.
4. Дати порівняльну цитоембріологічну характеристику розвитку генеративних структур вивчених видів рослин в зв'язку з їхнім систематичним положенням.
5. Встановити особливості репродуктивного процесу кожного виду і визначити можливості використання їх в практичній селекції або охороні рослин.
6. Обміркувати особливості ембріології Davidia involucrata та Asimina trilba в зв'язку з уточненням ії систематичного положення.
ОБ’ЄКТ ДОСЛІЖДЕНННЯ. Процеси репродукції і відтворення вищих рослин.
ПРЕДМЕТ ДОСЛІДЖЕННЯ. Елементи репродуктивної системи квіткових рослин, особливості відтворення представників шости родин у зв’язку з їхним систематичним положенням, інтродукцією та завданням збереження і біологічного різноманіття.
МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ. При вивченні ембріологічних особливостей використовували загальноприйняті в ембріології методи. При вивченні екології запилення використовували методичні рекомендації В.М.Голубєва та О.М.Пономарьова, аналіз насінневої продуктивності визначали за методиками Є.А.Ходачек і І.В.Вайнагія.
НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ. Вперше дана ембріологічна характеристика деяких представників родин Ericасeae - Arbutus andrachne, Anacardiaceae - Pistacia mutica і Davidiaceae - Davidia involucrata; у представників родин Annonaceae - Asimina triloba, Rhamnасeae - Zizyphus jujuba та Oleaceae - Olea europaea вивчені процеси формування елементів генеративної сфери в умовах інтродукції на південному березі Криму.
Доведено висунуту гіпотезу про можливість подвійної долі спорогенної тканини мікроспорангія квіткових рослин і здатності її диференціації як в мікроcпороцити, так і в тапетум, яка свідчить про те, що тапетум може бути похідним не тільки парієтального шару і меристеми зв’язника, але також і спорогенної тканини, особливо у представників родин, розташованих в основі філогенетичної системи, що показано на прикладі Asimina triloba.
Виявлені морфогенетичні кореляції в процесах формування елементів репродуктивної системи, що проявляються в їхніх взаємозв'язку і взаємозалежності та зумовлюють високу спеціалізацію та системний характер.
Показано, що біологічна пластичність системи репродукції у вивчених видів має адаптивне значення, забезпечуючи високий ступінь надійності збереження виду. Здійснюється вона як системами несумісності, так і структурними особливостями квітки: гетеростилія у Arbutus andrachne і Davidia involucrata, дихогамія у Zizyphus jujuba і Olea europaea (протерандрія), геркогамія у Zizyphus jujuba, розвиток у Pistacia mutica на особинах однієї статі пагонів з квітками протилежної статі, що забезпечують процеси алогамії (гейтоно-і ксеногамії); специфічні особливості цвітіння Asimina triloba, що не виключають аутогамію при переважаючій алогамії.
Підтверджена доцільність виділення самостійного порядку Annonales, а також виділення роду Davidia в самостійну родину Davidiaceae порядку Cornales.
На основі порівняльного аналізу елементів генеративної сфери вивчених видів продемонстровані явища гетерохронії і гетеробатмії в генеративної сфері квіткових рослин. Получені фундаментальні дані для розробки методів покращення насінного відтворення Arbutus andrachne і Pistacia mutica, а також підвищення ефективності селекційного процесу Zizyphus jujuba і Olea europaea.
ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ. Результати вивчення особливостей формування і будови елементів системи репродукції представників 6 родин квіткових поповнюють відомості з часткової і загальної ембріології рослин і використовуються при вирішенні питань систематики і філогенії. Дані з біології цвітіння, запилення і гаметогенезу Zizyphus jujuba і Olea europaea використовуються при складанні генетико-селекційних програм і закладені в основу практичних рекомендацій з підвищення ефективності гібридизації і одержання гібридного потомства цих культур (акти запровадження додаються). Запропоновані маркери в морфофізіологічному стані пуп’янка і квітки Zizyphus jujuba, що дозволяють візуально визначати етапи розвитку генеративних структур, що дуже важливо для проведення генетико-селекційних робіт.
Встановлені особливості розвитку репродуктивної сфери і формування насіння Arbutus andrachne і Pistacia mutica дозволили розробити способи покращення їхнього природного відновлення, що використовуються в лісівницькій практиці (акти запровадження додаються).
Результати проведених досліджень використовуються морфологами, ембріологами, систематиками і ботаніками інших спеціальностей, а також в гібридизації при створенні нових форм і сортів. Дані автора увійшли в п’ятитомне видання "Сравнительной эмбриологии растений" (1981-1990) і 1-ий том енциклопедичного тритомного видання "Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции" (1994), використовуються при читанні курсу ботаніки в Таврійському Національному Університеті ім. В.І. Вернадського.
ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА полягає в розробці підходу і програми досліджень, аналізі наукової літератури, виконанні експериментальної роботи, в аналізі і теоретичній інтерпретації результатів, в узагальненні одержаних даних і формулюванні положень і висновків дисертації, в практичному впровадженні розробок, підготовці і написанні наукових публікацій по темі роботи.
АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ. Результати досліджень і їхнє узагальнення, викладені в дисертації, були представлені на 3-4-тому з'їздах УОГіС в 1976 р. (Київ) і в 1981 р. (Київ), на 3-4-тому з'їздах ВОГіС в 1977 р. (Ленінград) і в 1982 р. (Київ), на 17-18-тому з'їздах УБО в 1982 р. (Ялта), в 1987 р. (Донецьк), на Всесоюзних симпозіумах “Цитолого-эмбриологические и физиолого-биохимические основы опыления и оплодотворения растений" в 1980 р. (Ялта), "Развитие мужской генеративной сферы растений" в 1983 р. (Сімферополь), "Экологическая генетика растений и животных" в 1984 р. (Кишинів) і “Морфо-физиологические аспекты развития женских генеративных структур семенных растений" в 1984 р. (Телаві), на 9-й Всесоюзній нараді з насінництва інтродуцентів в 1991 р. (Київ), на Міжнародних симпозіумах "Изучение онтогенеза интродуцированных видов природной и культурной флор Евразии" в 1992, 1993, 1994 рр. (Ужгород, Олександрія, Львів), на Міжнародному симпозіумі "Управление генетической изменчивостью сельскохозяйственных растений" в 1992 р. (Ялта), на Всесоюзних конференціях "Апомиксис и цитоэмбриология растений" в 1978 р. (Саратов) і "Культура клеток” в 1979 р. (Абовян), на 7, 8, 9-тій Всесоюзних нарадах з ембріології вищих рослин в 1978 р. (Київ), в 1982 р. (Ташкент), в 1986 р. (Кишинів), на Радянсько-індійському симпозіумі "Embryology of crop plants" в 1977 р. (Ленінград), на 12, 13, 14-th International congreses on sexual plant reproduction в 1990 р. (Ленінград), в 1992 р. (Колумбус, США), в 1994 р. (Відень, Австрія), на Міжнародному симпозіумі "Plant Biotechnology and Genetics Engineering" в 1994 р. (Київ), на 1 і 2-ій Міжнародній конференції "Биологическое разнообразие. Интродукция растений" в 1995 р. і в 1999 р. (Санкт-Петербург), на Нараді з репродуктивної біології в 1996 р. (Пермь), на Міжнародній науково-практичній конференції "Нетрадиционное растениеводство, экология и здоровье" в 1997 р. (Сімферополь), на Міжнародній конференції з анатомії і морфології рослин в 1997 р. (Санкт-Петербург), і на наукових семінарах відділу експериментальної біології Нікітського ботанічного саду – Національного наукового центру.
ПУБЛІКАЦІЇ. Матеріали дисертації опубліковані в 59 роботах, в їх числі 4 колективних монографії, 20 статей в наукових журналах і збірниках наукових праць, 2 методичних рекомендацій.
СТРУКТУРА ДИСЕРТАЦІЇ. Дисертація викладена на 297 сторінках машинописного тексту і складається з вступу, 6 глав і висновків, містить16 таблиць і 78 рисунків. Перелік використаної літератури включає 634 найменування, в тому числі 300 - іноземних авторів.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
ГЛАВА 1
СИСТЕМА НАСІННОЇ РЕПРОДУКЦІЇ КВІТКОВИХ РОСЛИН І ЇЇ ЗНАЧЕННЯ
ДЛЯ РАЦІОНАЛЬНОГО ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ
Представлений короткий історичний нарис вивчення системи насінного розмноження квіткових рослин. Показано, які успіхи досягнуті у вивченні процесів формування генеративної сфери квіткових рослин і як вони узагальнені в світовій літературі ("Embryology of Angiosperms", 1984, "Сравнительная эмбриология цветковых", 1981 - 1990, "Эмбриология цветковых. Терминология и концепции", 1994), що дозволяє широко використовувати відомості ембріології в різних галузях біологічної науки (генетика, систематика, філогенія, інтродукція, селекція, охорона рослинного світу). На основі порівняльно-ембріологічного вивчення розроблені нові підходи, концепції і класифікація типів розвитку мікро- і мегаспорангія, жіночого і чоловічого гаметофітів, тапетума, ембріо-і ендоспермогенезу (Schnarf, 1929; Johansen, 1950; Davis, 1966; Батыгина та інші, 1963; Терехин та ін., 1993; Batygina, Shamrov, 1994; Камелина, 1991; Камелина, Кордюм, 1994; Чеботарь, 1994; Шамров, 1995; та інші.).
Сучасні дані про різноманіття форм і структурно-функціональних особливостей покладені в основу при розробці нових класифікацій тапетума (Pacini, Franchi, Hesse, 1985; Pacini, Franchi, 1991; Камелина, 1991, 1994). До цього часу ведеться дискусія про походження тапетума і, зокрема, питання про те, чи може тапетум бути похідним спорогенної тканини, обговорюється багатьма дослідниками (Maheshwari, 1950; Лодкина, 1957; Батыгина та ін., 1963; Bhandari, 1984; Шамров, 1988; Терехин і ін., 1993).
В результаті вивчення поділу зіготи і формування зародка рядом авторів розроблена типологія ембріогенезу (Soueges, 1913, 1926; Schnarf, 1929; Maheshwari, 1929, 1950; Johansen, 1950; Batygina, 1969; Guignard, 1975; Periasamy, 1977; Jamazaki, 1982; та ін.). В основі всіх класифікацій лежить система Soueges (1913, 1926), яку наступні дослідники доповнювали і вдосконалювали. Найбільш розповсюдженою в наш час є система Johansen (1950), доповнена і вдосконалена М. С. Яковлєвим (1958, 1981) (ми також її дотримуємось). Значний внесок у вирішення даної проблеми зробили російські вчені, що описали нові типи ембріогенезу - Paeonad-тип (Yakovlev, Yoffe, 1957) та Graminad-тип (Batygina, 1969).
Оскільки типи формування ембріологічних структур досить консервативні і можуть служити показником спорідненості або віддаленості, подібності або різниці тих чи інших таксонів, відомості про них мають істотне значення при встановленні складних філогенетичних зв'язків (Поддубная-Арнольди, 1958; Яковлев, 1958; Тахтаджян, 1966, 1987; Cronquist, 1968; Takhtajan, 1969; Jamazaki, 1974; Johri et al., 1984, 1992; Cox, Humphries, 1996).
Протягом багатьох років увагу ботаніків привертали питання виникнення і еволюції ембріологічних структур сучасних рослин, в результаті чого визначено основний напрямок їхнього розвитку (Герасимова-Навашина, 1951; Мейер, 1953; Тахтаджян, 195 1965; Терехин, 1961-1991; Кордюм, 1971-1978; Смирнов, 1982; Davis, 1966; Batygina, Shamrov, 1994; Kordjum, 1994 і ін.).
Ембріологічні дослідження надзвичайно важливі також і при проведенні генетико-селекційних робіт, оскільки вони поглиблюють і уточнюють знання з біології цвітіння, запилення, запліднення, плодо-і сім’яутворення. Опис процесів формування елементів репродуктивної системи є необхідною теоретичною основою для подальшого розширення і поглиблення досліджень в цій галузі (Канделаки, 1969; Чеботарь, 1972; Батыгина, 1974, 1987; Банникова, 1975, 1986; Кордюм, Глущенко, 1976; Крылова, 1981; Челак, 1991; Симоненко, 1994; Johri, 1982; Eames, Knox, 1996; Herrero, 1996; Sampson, Heij, 1996).
Не менш важливого значення набувають дані про стан, характер формування і диференціації репродуктивної сфери для розробки методів збереження рослинного світу (Ругузов, 1978; Ругузов, Шевченко, Молчанов, 1979; Шевченко, 1979, 1983; Шевченко, Васильева, 1992; Кавеленова, Елкина, Найденко, 1996; Сытников, Байбаков, Салова, 1996; Ruguzov, Molchanov, 1990, 1992; Wilcock, 1996; та ін.).
Таким чином, аналіз наявних в літературі відомостей виявив в системі репродукції квіткових рослин ряд процесів недостатньо вивчених, або дискутованих, що і визначило мету і завдання нашої роботи. Дослідження процесів диференціації генеративних структур у різних представників філогенетичної системи і їхнє порівняльне вивчення дозволять виявити нові закономірності в репродуктивному процесі і будуть основою для розробки способів створення нових форм і збереження біологічного різноманіття цих видів рослин.
ГЛАВА 2
МАТЕРІАЛ І МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
Об'єктом досліджень слугувала репродуктивна сфера представників 6 родин квіткових рослин, що знаходяться на різних рівнях філогенетичної системи (Тахтаджян, 1966, 1987): Annonaceae (Asimina triloba), Ericaceae (Arbutus andrachne), Anacardiaceae (Pistacia mutica), Rhamnaceae (Zizyphus jujuba), Davidiaceae (Davidia involucrata) і Oleaceae (Olea europaea). Деякі питання репродуктивної біології вирішувались на прикладі ряду модельних квіткових рослин (канна, персик, тютюн та ін.). Фенологічні спостереження, збір і фіксацію матеріалу проводили протягом 1975-1995 рр. Спостереження з біології цвітіння здійснювали за методикою А. М. Пономарьова (1960), при вивченні екології запилення використовували методичні рекомендації В. М. Голубєва (1986). Потенціальну і реальну насінну продуктивність визначали за методиками Є. А. Ходачек (1970) і І. В. Вайнагія (1974). Кількісні дані обробляли за методиками Г. Ф. Лакіна (1990) і М. А. Плохінського (1970). Цитоембріологічні дослідження проводили на постійних препаратах, приготованих за загальноприйнятими методиками (Ромейс, 1954; Наумов и Козлов, 1954; Прозина, 1970; Паушева, 1980). Темпоральну фіксацію квіткових бруньок, пуп’янків, квіток і зав’язі проводили сумішшю Карнуа (6: 3: 1) і фіксатором Чемберлена (90: 5: 5). Препарати фарбували метиловим зеленим-піроніном за вдосконаленою нами методикою Unna (1928) (Шевченко, Ругузов, Ефремова, 1986) з підфарбуванням алціановим синім (Шевченко, Чеботарь, 1992). Товщина зрізів - 12-20 мкм. Життєздатність пилку визначали за числом пророщих пилкових зерен в розчинах сахарози і глюкози з агар-агаром. Ріст пилкових трубок в тканинах стовпчика і зав'язі спостерігали з застосуванням люмінесцентної мікроскопії (Литвак, 1978).
ГЛАВА 3
КОРОТКА БОТАНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА
ВИВЧЕНИХ ВИДІВ
В даному розділі представлена коротка ботанічна характеристика вивчених об'єктів, що відображає їхнє систематичне положення, біологічні особливості, ареал і народно-господарське значення.
ГЛАВА 4
ЕМБРІОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ВИВЧЕНИХ ВИДІВ
4.1. РОЗВИТОК МІКРОСПОРАНГІЯ
4.1. 1. A s i m i n a t r i l o b a (L.) Dunal. Тичинки у Asimina triloba вільні, майже сидячі, з видовженими екстрорзними пиляками, мають товстий зв’язник, який, продовжуючись вище пиляків, утворює широкий щитковидний надзв’язник. Пиляк 4-гніздовий, з мікроспорангіями на абаксиальному боці, розкривається подовжніми щілинами. Стінка мікроспорангія формується доцентрово і є похідним парієтального шару. Сформована стінка мікроспорангія складається з епідерміса, ендотецію, 3-4-х середніх шарів і тапетума. Тапетум секреторного типу, неоднорідний: тапетум в стінці мікроспорангія утворюється з вторинного парієтального шару, тоді коли клітини тапетума з внутрішнього боку є похідним мерістеми зв’язника. На ранніх стадіях тапетум одношаровий, потім внаслідок периклинального поділу стає двошаровим , як і в інших представників родини Annonaceae - Arbotrus, Annona, Miliusa (Parulekar, 1970). Клітини тапетума густоплазмові, великі, спочатку одно-, потім дво -, інколи чотириядерні. В інших представників родини, наприклад у Cananga, також були описані чотириядерні тапетальні клітини (Periasamy, Swamy, 1961).
Спорогенна тканина у Asimina triloba багатошарова. Частина клітин цієї тканини диференціюється в мікроспороцити, а інша, більша, частина перетворюється в тапетум. В результаті мікроспороцити розмежовуються подовжніми і поперечними перегородками - септами, або трабекулами (рис. 1). Трабекули одно-, дворядні; поперечних трабекул в мікроспорангії нараховується 5-6, інколи 10-11, подовжніх - одна-три. Таким чином, мікроспороцити виявляються оточеними з усіх боків клітинами тапетума. Клітини трабекул, як і клітини тапетума парієтального походження, 2 -, інколи 4-ядерні, ядра вміщують по два ядерця. Проте цитоплазма клітин тапетума парієтального походження забарвлюється інтенсивніше.
Тип утворення тетради мікроспор сукцесивний. Борозни закладаються від периферії до центру, гетеротиповий поділ передує гомеотиповому і призводить до утворення діади. Далі відбувається гомеотипове ділення і формується тетрада мікроспор. Тетради мікроспор Asimina triloba різних типів: ізобілатеральні, Т-подібні, тетраєдричні і ромбічні, що свідчить про можливість різного положення веретен в процесі мейозу.
Зрілі пилкові зерна 2-клітинні, з товстою екзиною, зібрані в пухкі тетради, рідко - одиночні, причому одиночні позбавлені екзини. Пилкові зерна Asimina triloba дуже великі, в межах 300 мкм в діаметрі. В кожному гнізді пиляка їх утворюється мало, в середньому 250±46, але не більш 500.
Рис. 4.1 Фрагменти мікроспорангія Asimina triloba
на різних стадіях розвитку
4.1. 2. A r b u t u s а n d r a c h n e L. Пиляки Arbutus andrachne вільні, 4-гніздові, розкриваються порами. Стінка мікроспорангія розвивається доцентрово. Сформована стінка мікроспорангія складається з епідерміса, ендотецію, 3-х середніх шарів і секреторного тапетума. Стінка зрілого пиляка складається з таніновміщуючого епідерміса, сплющених клітин ендотецію і тапетальної плівки. Після припинення поділу в спорогенній тканині мікроспороцити відокремлюються, навколо них утворюється калоза і починається мейоз. Формування тетради мікроспор відбувається симультанно, всі чотири мікроспори виникають одночасно після гомеотипового поділу.
Зрілий пилок Arbutus andrachne складний (тетраїдний), 3-клітинний, сперміогенез відбувається в пилковому зерні протягом кількох годин. На приймочці маточки всі чотири пилкові зернини можуть прорости і утворити пилкові трубки. Пилкові зерна мають висцинові нитки і досягають 32± 4 мкм в діаметрі, в кожному гнізді пиляка їх утворюеться в середньому 489±50.
4.1. 3. P i s t a c i a m u t i c a Fisch. et Mey. Тичинки Pistacia mutica вільні, пиляк 4-гніздовий, двотековий, розкривається подовжніми щілинами. Стінка мікроспорангія формується доцентрово, повністю сформована до початку мейозу і складається з епідерміса, ендотецію, 1-3 середніх шарів і секреторного тапетума. Стінка зрілого пиляка представлена епідермісом, клітини якого значно збільшуються, і фіброзним ендотецієм. Мікроспороцити мають досить міцну калозну оболонку, утворення тетради мікроспор симультанне.
Зрілі пилкові зерна 2-клітинні, сперміогенез відбувається в пилковій трубці в тканинах маточки. Пилкові зерна дрібні, 19 ±4 мкм в діаметрі, в кожному гнізді пиляка їх утворюеться в середньому 1455 ±172.
4.1. 4. Z i z y p h u s j u j u b a Mill. Тичинки Zizyphus jujuba вільні, прикріплені до основи пелюстків і із ними - до краю навколо маточкового нектарного диска. Пиляк 4-гніздовий, двотековий, інтрорзний, розкривається подовжніми щілинами, перегородка між теками руйнується перед розкриттям пиляка. Формування стінки мікроспорангія іде відцентрово. Сформована стінка складається з слабо кутинізованого епідерміса, 2 середніх шарів і секреторного тапетума. Тапетум неоднорідний. Його диморфізм виражається в числі шарів, їхньому походженні і тривалості функціонування. Стінка зрілого пиляка представлена сплощеними клітинами епідерміса і фіброзним ендотецієм. Спорогенна тканина багатошарова, формування тетрад мікроспор симультанне. Можливі аномалії в ході мейозу у вигляді нерівномірного розподілу хромосом, викиду їх, утворення мікроядер, що призводить в кінцевому підсумку до дегенерації пилку. Зрілі пилкові зерна одиночні, 2-клітинні, покриті поленкітом, що склеює їх в грудочки, в діаметрі складають 24 ±4 мкм, в кожному гнізді пиляка пилкових зерен нараховується в середньому 594 ±24.
4.1. 5. D a v i d i a i n v o l u c r a t a Baill. Пиляк Davidia involucrata 4-гніздовий, гнізда об'єднані попарно в теки. Перед розкриттям пиляка гнізда в теках об'єднуються. Розкривається пиляк двома подовжніми щілинами. Пиляки чоловічої і обидвостатевої квіток розвиваються не завжди синхронно - пиляки обидвостатевої квітки часто розвиваються більш швидкими темпами, ніж пиляки чоловічих квіток. Стінка мікроспорангія Davidia involucrata формується відцентрово і сформована складається з епідерміса, ендотецію, 2-3 середніх шарів і тапетума.
Стінка зрілого пиляка представлена сплощеними клітинами епідерміса, фіброзним ендотецієм і залишками тапетума у вигляді тапетальної плівки з орбікулами. Клітини первинного спорогенного шару діляться мітотично і утворюють масивну спорогенну тканину. Після припинення мітозів в ній спорогенні клітини збільшуються в розмірах і перетворюються в мікроспороцити. Тетради мікроспор утворюються симультанно, відзначені порушення, що призводять до утворення пентад, гексад і поліад. Зрілі пилкові зерна одиночні, двоклітинні, в діаметрі досягають 32 ±5 мкм, в кожному гнізді їх утворюеться в середньому 678 ±67.
4.1. 6. O l e a e u r o p a e a L. Пиляки Olea europaea 4-гніздові, 2-текові, розкриваються подовжніми щілинами. Стінка мікроспорангія розвивається відцентрово, повністю сформована до початку мейозу і складається з епідерміса, одного-двох ефемерних середніх шарів і секреторного тапетума. Стінка зрілого пиляка складається зі сплющених клітин епідерміса, ендотецію з фіброзними стовщеннями і залишків тапетума у вигляді тапетальної плівки з орбікулами. Спорогенна тканина досить масивна. Після припинення в ній мітозів диференціюються мікроспороцити. Мейоз в пиляках іде асинхронно, часто з відхиленнями, що призводять до утворення аномальних тетрад, пентад, гексад, поліад. Формування тетрад мікроспор симультанне. До часу першого мітозу при формуванні чоловічого гаметофіта в них починається синтез крохмалю, який в зрілих пилкових зернах гідролізується.
Зрілі пилкові зерна одиночні, дрібні, 2-клітинні, 28 ±8 мкм в діаметрі, в кожному гнізді пиляка їх нараховується в середньому 795 ± 43. Сперміогенез відбувається в основному в пилковій трубці в тканинах стовпчика, але можливий і в пилковому зерні на приймочці маточки.
4.1. 7. О б г о в о р е н н я. Оскільки вивчені види відносяться до різних підкласів: Dilleniidae (Arbutus andrachne), Rosidae (Pistacia mutica, Zizyphus jujuba, Davidia involucrata), Lamiidae (Olea europaea) і до підкласу Magnoliidae (Asimina triloba), що знаходиться в основі філогенетичної системи, порівняльний аналіз даний у відповідності з їхнім систематичним положенням.
Порівнюючи між собою представників підкласу Rosidae, можна відзначити, що розвиток мікроспорангія і пиляка Pistacia mutica, Zizyphus jujuba та Davidia involucrata в основному проходить ідентично. Пиляк 4-гніздовий, 2-тековий, розкривається двома подовжніми щілинами. Для них характерний фіброзний ендотецій, 1-2, інколи 3 середні шари, симультанний тип формування тетрад мікроспор, 2-клітинні, одиночні пилкові зерна. Відмінності стосуються окремих рис - тільки у Pistacia mutica в зрілому пиляку зберігаються клітини епідерміса, навіть збільшуючись в розмірах. Pistacia mutica властивий доцентровий тип розвитку стінки мікроспорангія і тапетум є похідним вторинного парієтального шару, в той час як для Zizyphus jujuba і Davidia involucrata характерний відцентровий тип формування стінки мікроспорангія і тапетум є похідним первинного парієтального шару.
По суті, мікроспорангій Olea europaea (підклас Lamiidae) розвивається так само, як і в Zizyphus jujuba і Davidia involucrata.
Значно відрізняється від вище зазначених видів Arbutus andrachne (підклас Dilleniidae): пиляк у нього також 4-гніздовий, але розкривається порами, в стінці мікроспорангія не утворюється фіброза, а клітини епідерміса заповнюються танінами, що, мабуть, є особливим пристосуванням, що укріплює верхівку пиляка і виключає злипання стінок в зрілому пилякові. Пилок у Arbutus andrachne 3-клітинний, тетраїдний, з досить товстою екзиною. Всі ці особливості можна вважати свого роду еволюційною адаптацією до ксеногамії.
Зіставляючи особливості формування і будови пиляка в Arbutus andrachne, Pistacia mutica, Davidia involucrata, Olea europaea з такими у Asimina triloba (підклас Magnoliidae) при наявності рис схожості (4-гніздовий, 2-тековий пиляк) слід відзначити небагаточисельні, але важливі риси відмінності. У Asimina triloba пиляк має великий надзв’язник, сукцесивний тип утворення тетради мікроспор, пилкові зерна дуже великі, з товстою екзиною, 2-клітинні, зібрані в пухкі тетради, які інколи можуть скидати екзину і розпадатися. Подібна здатність скидати екзину відзначається також і в деяких голонасінних рослин (Southworth, 1988).
Крім того, в Asimina triloba на відміну від інших нами вивчених видів тапетум є похідним не двох, а трьох типів тканини: парієтальної, мерістеми зв’язника і спорогенної. Враховуючи власні і літературні дані (Мейєр, 1958; Bhandari, 1971, 1984; Maheshwari, Kapil, 1966; Parulekar, 1970; Tobe, Raven, 1986), нам видається обгрунтованим в даному випадку говорити, по-перше, про відсутність у частини клітин спорогенної тканини процесу диференціації в мікроспороцити, а не про "стерилізацію" їх, як вказують індійські вчені P. Maheshwari (1950) і R. Kapil (Maheshwari, Kapil, 1966), а по-друге, про наявність подвійного шляху подальшого розвитку спорогенної тканини і можливості диференціації її як в мікроспороцити, так і в тапетум. Ця здатність спорогенної тканини диференціюватися в тапетум, щоб збільшити тапетальну тканину в мікроспорангії, підтверджує важливу для розвитку мікроспор і пилку роль тапетума.
Відносно типу утворення тетради мікроспор у Asimina triloba, як і у інших представників родини Annonaceae, в літературі немає єдиної думки. Так, K. Schnarf (1931) вказує, що для одного з представників цієї родини - Annona cherimolia, характерний симультанний тип. R. Sastri (1957) встановив у Uvaria kirkii і в Annona reticulata сукцесивний тип, а в Saccopetalum tamentosum та Asimina triloba - cимультанний. В той час як J. Locke (1936) в Asimina triloba описує сукцесивний тип. На нашу думку, яка узгоджується з думкою Locke, для Asimina triloba характерний сукцесивний тип.
Відповідно до запропонованих G.L.Davis (1966) і А. Л. Тахтаджян (1966) критеріїв еволюційної оцінки ембріологічних ознак, при загальній тенденції збільшення прогресивних рис пиляка в міру віддалення видів від основи філогенетичної системи їм властиві риси і примітивності і просунення. Так, доцентровий тип формування стінки мікроспорангія вважається примітивним і вихідним, а відцентровий - похідним від нього і більш прогресивним. І хоча для Zizyphus jujuba, Davidia involucrata, Olea europaea характерний відцентровий тип, інші ознаки мікроспорангія примітивні: симультанний тип утворення тетради мікроспор, секреторний тапетум, декілька середніх шарів, 2-клітинні пилкові зерна. І в той же час, примітивному анцестральному виду Asimina triloba властиві пристосування як до ксеногамії, так і аутогамії, що свідчить про надійність її системи репродукції.
Тут доречно відзначити наявність взаємозв'язку і взаємозалежності в генетичних процесах мікроспорангія, що проявляються в зумовленості розвитку одних тканин іншими, одних структур іншими (наприклад, археспорій - парієтальна і спорогенна тканина; парієтальна тканина - ендотецій, середні шари і тапетум; спорогенна тканина - мікроспороцити і тапетум; тапетум - мікроспороцити і пилкові зерна; мікроспороцити - мікроспори; мікроспори - пилкові зерна). Очевидно, в цьому проявляються морфогенетичні кореляції в мікроспорангії (за визначенням Северцева, 1939 і Шмальгаузена, 1940), коли зміна положення або розмірів однієї частини призводить до узгодженої зміни інших частин, а випадання хоч однієї ланки порушує весь ланцюг, і в даному випадку може призвести до дегенерації всього пиляка. В той же час не можна не відзначити, що зрілі пилкові зерна володіють автономністю самостійного органу, який при відокремленні від материнського організму стає незалежним від оточуючих його тканин.
Особливо слід відзначити фізіологічну різноякісність зрілого пилку у вивчених видів, яка проявляється як в різній здатності до проростання і утворення сперміїв, так і в чутливості до регуляторів росту, що входять до складу секрету приймочок (Шевченко, Елманова, 1982, 1985), а також до впливу забрудненого повітря (Шевченко, 1983), що свідчить про надійність і біологічну пластичність чоловічого гаметофіту, реалізація якої відбувається в процесі адаптації.
4.2. ФОРМУВАННЯ СІМ’ЯЗАЧАТКА
4.2. 1. A s i m i n a t r i l o b a (L.) Dunal. Зав'язь у Asimina triloba верхня, в кожній квітці є від 7 до 10 плодолисточків, оточених кулястою масою майже сидячих тичинок. Примордій сім’язародка росте швидко, формує бугорець, що дає початок нуцелусу та інтегументам. В субепідермальному шарі диференціюється археспоріальна клітина, яка, розділяючись, утворює первинну парієтальну і спорогенну клітини. Зародковий мішок 8-ядерний, 7-клітинний, Polygonum-типу. Наші дані про формування археспорія в субепідермальному шарі узгоджуються з такими K. Schnarf (1931) для представників родини Annonaceae і не співпадають з думкою Oes (1914), Juliano (1935) і Lampton (1957), що археспорій у Annonaceae диференціюється в нуцелусі під чотирма шарами парієтальних клітин. За нашими спостереженнями - це мегаспороцит.
Зрілий сім’язародок Asimina triloba анатропний з коротким фунікулусом, красинуцелятний, бітегмальний. Зовнішній інтегумент вміщує від 5 до 8 шарів клітин, внутрішній - 2-3-шаровий. Інколи спостерігається формування третього інтегумента. Мікропіле утворено тільки внутрішнім інтегументом.
Характерними особливостями сім’язародка Asimina triloba є арілоїд, утворений внутрішнім інтегументом; відсутність інтегументального тапетума, провідний пучок в зовнішньому інтегументі, нуцелярний ковпачок і чашевидна гіпостаза, що складається з товстостінних клітин нуцелуса і оточує халазальну частину зародкового мішка.
|
