CC BY
29
УДК 581.163 + 582.623.2
апомиктичный способ репродукции у ив
Е. В. Угольникова
Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского Учебно-научный центр «Ботанический сад» 410010, Саратов, ул. Академика Навашина, 1 Е-mail: [email protected]
В ходе цитоэмбриологического исследования и исследования семенной продуктивности растений видов рода Salix L. (Salicaceae), произрастающих в различных районах Саратовской области, впервые установлена способность к гаметофитному апомиксису в 12 популяциях 8 видов.
Ключевые слова: гаметофитный апомиксис, семенная продуктивность популяции, режимы цветения, Salix, цитоэмбриология.
APOMICTIC REPRODACTION WAY OF WILLOWS (SALIX L.)
E. V. Ugolnikova
During the cytoembriological investigation and the research of seed productivity of the species of Salix L. (Salicaceae), growing in the different areas of Saratov region the ability of gametophyte apomixic was found out in 12 populations of 8 species of willows. This way of seeded reproduction of willows was noticed for the first time.
Key words: apomixis, seed productivity of population, regime of flowering, Salix, cytoembryology.
Основная масса родов с апомиктичными видами сосредоточена в восьми семействах цветковых. Это семейства Asteraceae: Poaceae, Rosa-ceae, Rutaceae, Orchidaceae, Liliaceae, Ranunculaceae, Fabaceae (Хохлов и др., 1978). При этом большую часть апомиктов включают в себя семейства Asteraceae и Poaceae, которые в основном и подвергались многолетним и многочисленным исследованиям (Хохлов и др., 1978; Кашин, 2006; Кашин и др., 2009; Grant, 1981; Nogler, 1984; Czapik, 1996; Carman, 1995, 1997, 2000).
В общей сложности цветковые растения изучены в отношении способа семенного размножения явно недостаточно. Диагностика способа семенного размножения проводилась в основном с использованием цито-эмбриологического изучения мегагаметофитогенеза и структуры мегага-метофита. Эмбриологические данные получены лишь примерно для 20% от общего числа родов покрытосеменных (Кашин и др., 2009).
В связи с этим любые исследования системы семенного размножения цветковых растений заслуживают внимания. Целью наших исследований было выявление частоты амфи- и апомиксиса в популяциях видов рода Salix (Salicaceae).
Некоторые авторы считают, что у ив нередки случаи апомиксиса, причём как гаметофитного, так и спорофитного (Поддубная-Арнольди, 1976). Однако сведения об апомиксисе в данной группе очень фрагментарны и противоречивы. Работы, посвящённые данному вопросу, относятся к 30-60-м гг. прошлого столетия (Федорова-Саркисова, 1931; Бе-кетовский, 1932; Ikeno, 1922; Blackburn, Harrison, 1924; Hakansson, 1956; Nagaraj, 1952; Tralav, 1957; Kopecky, 1960a,b). В списках апомиктичных видов, родов и семейств последнего времени данный род вообще не указывается (Asker, Jerling, 1992; Carman, 1995, 1997). С. С. Хохлов с соавт. (1978) в списке апомиктичных видов указывают 4 вида ив и 7 типов межвидовых гибридов, у которых отмечена способность к неустановленным формам автономного гаметофитного апомиксиса.
Материал и методика
Исследование проводилось в 2010-2012 гг. в 17 популяциях 10 видов рода Salix: S. acutifolia, S. caprea, S. cinera, S. vinogradovii, S. triandra, S. rosmarinifolia, S. dasyclados, S. fragilis, S. caspica, S. alba. Исследовали популяции в различных районах Саратовской области: Аткарском, Бала-шовском, Красноармейском, Краснокутском, Лысогорском, Марксовском, Новобурасском, Петровском, Татищевском и Федоровском. Для ряда видов исследовали по две - три популяции, произрастающие в достаточно удаленных друг от друга районах области. Большинство популяций исследовали в течение 2-3 лет. Видовая принадлежность ив определена доктором биологических наук, проф. М. А. Березуцким.
Апомиксис у ив диагностировали на основе сравнительных данных о семенной продуктивности растений при свободном опылении и беспыльцевом режиме цветения. Возможность опыления и оплодотворения
женских цветков предотвращали с помощью механической изоляции 30 соцветий с 30 женских особей случайной выборки. Частота завязыва-емости семян при свободном опылении или при беспыльцевом режиме цветения вычислялась как процентное отношение числа выполненных семян к общему числу семян в соцветии.
Растения исследуемых популяций подвергали дополнительному цитоэмбриологическому контролю. Структуру семязачатков и зародышевых мешков исследовали на микроскопических препаратах, приготовленных с использованием метода просветления семязачатков (Herr, 1971). О частоте апомиксиса судили по частоте встречаемости в семязачатках апоспорических инициалей или их производных, а также зародышевых мешков с признаками развития зародыша и (или) эндосперма без оплодотворения. В целом проанализировано 6156 семязачатков.
Результаты и их обсуждение
В табл. 1 приведены сравнительные данные о семенной продуктивности ив при свободном опылении и беспыльцевом режиме цветения за 2010-2012 гг.
У растений исследованных видов Salix при свободном цветении в 2010-2011 гг. в популяциях в основном отмечена высокая семенная продуктивность - от 53 до 93%. 2012 г., в сравнении с предыдущими, характеризовался общим снижением частоты завязываемости семян при свободном цветении, которая в основном составила от 0 до 55%, хотя в отдельных случаях была на уровне 70-85%.
Таблица 1
Семенная продуктивность растений исследованных видов рода Salix в популяциях Саратовской области
№ популяции* Название вида Год исследования Частота завязываемости семян, %
При свободном цветении При беспыльцевом режиме цветения
1 S. acutifolia Willd. 2010 55.61±4.93 7.15±1.64
8 S. acutifolia Willd. 2011 26.74±7.20 0
2012 86.01±3.48 43.96±7.12
12 S. acutifolia Willd. 2011 70.30±2.96 0
2012 86.27±1.59 9.57±3.18
2 S. caprea L. 2010 82.70±3.55 0
Окончание табл. 1
№ популяции* Название вида Год исследования Частота завязываемости семян, %
При свободном цветении При беспыльцевом режиме цветения
17 S. caprea L. 2011 6.62±2.59 0
2012 43.13±4.55 0
4 S. cinerea L. 2010 - 0
2011 - 0
2012 46.29±5.98 16.52±4.46
5 S. vinogradovii A. Skvorts 2010 69.18±3.23 0
2011 60.49±6.54 0.67±0.27
2012 45.97±7.24 7.94±2.26
6 S. triandra L. 2010 - 0
2011 92.83±3.79 1.24±0.41
2012 85.16±4.50 9.95±2.62
28 S. triandra L. 2012 85.65±5.73 0
9 S. rosmarinifolia L. 2010 - 0
2012 75.17±2.64 6.82±2.75
10 S. rosmarinifolia L. 2010 56.41±6.29 4.05±1.12
2011 53.25±5.32 0.64±0.38
20 S. rosmarinifolia L. 2011 63.58±4.69 1.90±1.45
2012 34.52±7.10 13.61±5.21
16 S. dasyclados Wimm. 2011 35.61±7.10 0
2012 69.85±3.34 0
19 S. fragilis L. 2011 62.74±5.30 0
2012 54.68±6.16 10.67±3.31
31 S. fragilis L. 2012 0.67±0.34 0
27 S. caspica Pall. 2012 36.98±6.59 28.12±6.51
30 S. alba L. 2012 17.60±5.68 0
Примечание. По незаполненным ячейкам данных нет; * приведены условные номера популяций по полевому журналу.
В условиях беспыльцевого режима семена завязались у растений 11 популяций 7 видов, а именно: S. acutifolia, S. cinerea, S. fragilis, S. caspica, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia. Максимальное количество семян, завязавшихся при беспыльцевом режиме цветения, при этом отмечено у растений видов S. acutifolia (43.96±7.12%), S. cinerea (16.52±4.46%), S. rosmarinifolia (13.61±5.21%), S. fragilis (10.67±3.31%), S. caspica (28.12±6.51%).
В остальных случаях в соцветиях либо развитие останавливалось на стадии зрелых цветков (S. сaprea, S. dasyclados, S. fragilis, S. triandra), либо происходило формирование партенокарпических плодов (S. rosma-rinifolia, S. vinogradovii, S. cinerea).
Во все годы исследования ни в двух популяциях S. сaprea, ни в популяции S. dasyclados не имела место завязываемость семян при беспыльцевом режиме цветения. Это указывает на то, что растения данных видов не воспроизводятся путем гаметофитного апомиксиса, либо для них характерна псевдогамная форма.
Интересно, что в 2012 г. в популяциях всех видов, у которых отмечена способность к автономному апомиксису по семенной продуктивности, частота завязываемости семян путём апомиксиса была существенно выше, чем в два предыдущих года. Это указывает на зависимость частоты завязываемости семян путём апомиксиса от климатических условий года.
При этом у ряда видов (S. vinogradovii, S. rosmarinifolia, вероятно, и у S. cinerea) при высокой семенной продуктивности в условиях свободного цветения в 2010 и 2011 гг. растения популяций характеризовались низкой семенной продуктивностью при беспыльцевом режиме цветения. В 2012 г. у растений в популяциях этих видов наблюдалась тенденция к снижению семенной продуктивности при свободном цветении на фоне более высокой завязываемости апомиктичных семян, чем в предыдущие годы. Таким образом, между частотой завязываемости семян при свободном цветении и частотой завязываемости семян при беспыльцевом режиме цветения у растений этих видов наблюдалась обратная зависимость: чем ниже частота завязываемости семян имела место при свободном цветении, тем она была выше при беспыльцевом режиме цветения. Это приводит к заключению о том, что у растений этих видов Salix в неблагоприятных условиях, приводящих к снижению семенной продуктивности при амфимиктичном воспроизводстве, вероятно, возрастает доля семян, образующихся апомиктичным путём.
Для подтверждения данных по семенной продуктивности было проведено цитоэмбриологическое изучение структуры мегагаметофита и прилегающих областей семязачатка некоторых видов рода Salix. Результаты исследований представлены в табл. 2. В целом эти результаты подтвердили склонность к гаметофитному апомиксису у видов, у которых она была выявлена при изучении семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения.
Таблица 2
Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений исследованных видов Salix
№ популяции Название вида Год исследования Зародышевые мешки нормального строения,% Дегенерировавшие ЗМ, % Частота обнаружения признаков гаметофитного апомиксиса, %
Развитие без оплодотворения Апо спорические инициали Дегенерировавшие эуспорические ЗМ и апоспорические инициали Всего
проэмбрио Эндосперма Обеих структур
1 S. acutifolia 2010 58.72 7.83 6.05 1.78 3.91 16.37 5.34 33.45
12 S. acutifolia 2011 94.18 0.0 0.0 0.0 0.0 5.82 0.0 5.82
8 S. acutifolia 2010 93.47 0.2 0.2 0.0 0.0 4.29 1.63 6.12
2011 96.39 0.0 0.0 0.0 0.0 3.05 0.55 3.60
2 S. caprea 2010 86.56 1.65 0.0 0.0 0.0 7.08 4.72 11.80
2011 91.74 3.81 0.0 0.0 0.0 4.03 0.42 4.45
6 S. triandra 2010 95.14 0.0 0.37 0.0 0.0 4.48 0.0 4.85
2011 96.91 0.0 0.0 0.0 0.0 3.09 0.0 3.09
4 S. cinerea 2010 98.59 0.28 0.0 0.0 0.28 0.84 0.0 1.12
2011 96.05 0.0 0.0 0.0 0.0 3.94 0.0 3.94
5 S. vinogra-dovii 2010 86.45 0.33 2.00 0.0 0.0 10.20 1.00 13.20
2011 97.42 0.51 0.0 0.0 0.0 2.06 0.0 2.06
Окончание табл.2
№ популяции Название вида Год исследования Зародышевые мешки нормального строения, % Дегенерировавшие ЗМ, % Частота обнаружения признаков гаметофитного апомиксиса, %
Развитие без оплодотворения Апоспорические инициали Дегенерировавшие эуспорические ЗМ и апоспорические инициали Всего
Проэмбрио Эндосперма Обеих структур
10 S. rosmari-nifolia 2010 92.63 0.46 0.0 0.0 0.0 6.91 0.0 6.91
2011 94.44 1.51 0.0 0.0 0.0 4.04 0.0 4.04
9 S. rosmari-nifolia 2010 91.94 0.95 0.0 0.0 0.0 7.11 0.0 7.11
20 S. rosmari-nifolia 2011 95.98 0.0 0.0 0.0 0.0 4.01 0.0 4.01
19 S. fragilis 2011 97.00 0.0 0.0 0.0 0.0 3.0 0.0 3.00
16 S. dasycla-dos 2011 99.62 0.0 0.0 0.0 0.0 0.38 0.0 0.38
У растений всех трех исследованных популяций X аси^оНа обнаружены цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса. При этом максимальной их доля была выявлена в популяции № 1 в 2010 г. (33.45%). Основным цитоэмбриологическим признаком гаметофитного апомиксиса было формирование в семязачатках апоспорических иници-алей (с частотой более 21%), реже отмечалось развитие яйцеклетки без оплодотворения (преждевременная эмбриония) (с частотой более 6%), развитие эндосперма без оплодотворения (с частотой около 2%) и развитие обоих структур без оплодотворения (с частотой около 4%). В то же время в 2011 г. у растений популяции № 12 частота формирования в семязачатках рядом с эуспорическим зародышевым мешком или тетрадой мегаспор апоспорических инициалей была существенно ниже (5.82%), а остальные цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомикси-са у растений не обнаружены. У растений популяции № 8 данного вида в оба года наблюдений частота встречаемости цитоэмбриологических признаков гаметофитного апомиксиса была относительно стабильной и
близкой к той, что отмечена в популяции № 12 в 2011 г. (3.55-5.94%). При этом из признаков гаметофитного апомиксиса в основном отмечено присутствие в семязачатках апоспорических инициалей.
Частота встречаемости цитоэмбриологических признаков апомик-сиса выше 10 % выявлена в 2010 г. в популяциях S. caprea (11.80%) и S. vinogradovii (13.20%). При этом в качестве единственного признака гаметофитного апомиксиса у S. caprea обнаружено формирование в семязачатках апоспорических инициалей (с частотой около 7%). Интересно, что чаще всего формирование апоспорических инициалей происходило в присутствии дегенерирующих эуспорических мегагаметофитов. Близкий характер изменчивости имел место и у S. vinogradovii. Выше уже упоминалось о том, что при беспыльцевом режиме цветения у растений данных видов семена либо не завязывались (S. сaprea), либо завязались с невысокой частотой (менее 8%) (S. vinogradovii) во все годы наблюдения. Это говорит о том, что либо у них апомиксис встречается лишь в псевдогамной форме, либо апоспорические инициали в части семязачатков останавливаются в развитии, и на их основе не формируются семена.
Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса с более низкой частотой (в основном на уровне 5-7%) выявлены и у растений остальных трёх исследованных видов (S. triandra, S. cinerea и S. rosmarinifolia).
Обращает на себя внимание тот факт, что в целом у растений исследованных популяций наблюдалась более низкая доля обнаружения цито-эмбриологических признаков апомиксиса в сравнении с частотой завязы-ваемости семян при беспыльцевом режиме цветения. Это связано с тем, что на момент фиксации соцветий (стадии бутона содержащихся в них цветков) в семязачатках далеко не все цитоэмбриологические признаки апомиксиса обнаруживались, так как морфологически они становятся различимыми лишь на последующих стадиях развития структур цветка, зачастую уже в условиях «затянутого» цветения.
Выводы
Таким образом, установлена способность к факультативному гаме-тофитному апомиксису у растений 12 популяций 8 видов Salix (S. acu-tifolia, S. caprea, S. cinerea, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia, S. fragilis, S. caspica). Для всех исследованных видов эта способность
отмечена впервые. Максимальная частота цитоэмбриологических признаков гаметофитного апомиксиса обнаружена у растений S. acutifolia и S. caprea. Для S. acutifolia отмечена и максимальная частота завязывае-мости апомиктичных семян. Растениям всех исследованных видов свойственна апоспория.
Показано, что растениям S. acutifolia, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia, S. fragilis, S. caspica, хотя и с варьирующей частотой, но все же свойственна способность к автономному апомиксису. S. caprea и S. cinerea, скорее всего, псевдогамные апомикты.
Список литературы
Бекетовский А. Н. К вопросу о партенокарпии Salix alba L., S. capreae L., Populus alba L., Ulmus campestris L. Il Бот. журн. СССР. 1932. Вып. 17. С. 358-400.
Кашин А. С. Гаметофитный апомиксис как неустойчивая система семенного размножения у цветковых. Саратов, 2006. 310 с.
Кашин А. С., Юдакова О. И., Кочанова И. С. и др. Распространение гаметофитного апомиксиса в семействах Asteraceae и Poaceae (на примере видов флоры Саратовской области) II Ботан. журн. 2009. Т. 94, № 5. С. 744-756.
Поддубная-Арнольди В. А. Цитоэмбриология покрытосеменных растений. М. : Наука, 1976. 508 с.
Федорова-Саркисова О. В. Об апогамии у ив II Тр. Ин-та исследов. по лес. хоз-ву и лес. пром. 1931. Вып. 10. С. 59-63.
Хохлов С. С., Зайцева М. И., Куприянов П. Г. Выявление апомиктичных растений во флоре цветковых растений СССР. Саратов, 1978. 224 с.
Asker S. E., JerlingL. Apomixis in Plants. Boca Raton, 1992. 298 p.
Blackburn K. B., Harrison J. W.H. A preliminary account of chromosomes and chromosome behaviour in the Salicaceae II Ann. Bot. 1924. Vol. 38. P. 361-378.
Carman J. G. Gametophytic angiosperm apomicts and the occurrence of poly-spory and polyembryony among their relatives II Apomixis Newslet. 1995. № 8. P. 39-53.
Carman J. G. Asynchronous expression of duplicate genes in angiosperms may cause apomixis, bispory, tetraspory, and polyembryony II Biol. J. Linn. Soc. 1997. Vol. 61. P. 51-94.
Carman J. G. The evolution of gametophytic apomixis II Эмбриология цветковых растений: терминология и концепции. СПб., 2000. Т. 3. С. 218-245.
Czapik R. Embryological aspects of apomixis in the family Rosaceae II Acta Soc. Bot. Polon. 1996. № 65 (1-2). 188 р.
Grant V. Plant speciation. N. Y., 1981. 563 p.
Hakansson A. Chromosome number and meiosis Salix (grandifolia x gracilistyla) x S. (silesiaca x argyptiaca) // Hereditas. 1956. Vol. 42. P. 519-520.
Herr J. M. A new clearing squash technique for the study of ovule development in angiosperms // Amer. J. Bot. 1971. Vol. 58. P. 785-790.
Ikeno S. On hybridization of some species of Salix // Ann. Bot. 1922. Vol. 36. P. 175-191.
Kopecky F. Experimentelle Erzeugung von haploiden Weibpappeln (Populus alba L.) // Silvac. genet. 1960b. Vol. 9. P. 102-105.
Kopecky F. Haploid Populus alba L. kiserletieloallitasa // Erdesz. Kutatasok. 1960a. Vol. 56. P. 151-158.
Nagaraj M. Floral morphology of Populus deltoids and P. tremuloides // Bot. gaz. 1952. Vol. 114, № 2. P. 222-243.
nogler G. A. Gametophytic apomixes // Embryology of angiosperms / ed. B. M. Johri. Springer-Verlag, 1984. P. 475-518.
Tralav H. Uber die haploid Form von Populus tremulaaus Uppland // Bot. Not. 1957. Vol. 110. P. 481-483.
УДК 581.3
АПОМИКТИЧНЫЕ ВИДЫ РОДА H1EROCHLOЁ R. BR.
О. И. Юдакова
Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, 410012, Саратов, ул. Астраханская, 83 Е-mail: [email protected]
В статье представлены результаты цитоэмбриологического исследования двух видов злаков: Hierochloë glabra (две популяции с п. Камчатка) и H. repens (популяция из Нижнего Поволжья). Установлено, что растения изученных популяций обоих видов характеризуются высокой частотой семязачатков с несколькими (2-4) мегагаметофитами (5,7; 8,6 и 25% соответственно). Это указывает на апоархеспорию - образование нередуцированных зародышевых мешков из соматических клеток нуцеллуса. В части неопло-дотворенных мегагаметофитов присутствовали проэмбрио и ядерный эндосперм, что свидетельствует о возможности партеногенеза и автономного эн-доспермогенеза, по крайней мере, на ранних стадиях развития.
Ключевые слова: апомиксис, партеногенез, автономный эндоспермоге-нез, апоархеспория, злаки, Hierochloë.
