CC BY
49
УДК 581.321.1:581.331.1:582.916.16
Жакова С.Н.1, Новоселова Л.В.2
1Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова
2Пермский государственный национальный исследовательский университет E-mail: [email protected] ; [email protected]
ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ РЕПРОДУКТИВНЫХ СТРУКТУР НЕКОТОРЫХ КУЛЬТИВАРОВ SYRINGA VULGARIS L.
Сорта S. vulgaris L. имеют низкую завязываемость плодов. Изучение генеративной сферы на всех этапах ее формирования позволяет оценить особенности строения и развития репродуктивных структур и выявить возможные аномалии, которые могут повлиять на формирование полноценных семян при селекционной работе.
Приведены результаты изучения эмбриологических особенностей строения и развития репродуктивных структур 4 сортов S. vulgaris L. и S. vulgaris L. (несортовая форма - контроль) из коллекции сирингария учебного ботанического сада имени профессора А.Г. Генкеля Пермского государственного национального исследовательского университета. Цветки простые у 'Marie Legraye' и 'Индия', махровые - у Мте Lemoine' и 'Mme Jules Finger'.
Исследуемые культивары S. vulgaris характеризуются сходным развитием репродуктивных структур. Развитие андроцея опережает развитие гинецея. Андроцей представлен двумя тычинками с пыльниками цилиндрической формы. Первичная археспориальная ткань появляется в субэпидермальном слое пыльника во второй декаде марта. Стенка пыльника представлена эпидермисом, эндотецием, средним слоем и секреторным тапетумом. Деградация среднего слоя и тапетума наступает в мейотический период. Тетрады микроспор образуются по симультанному типу. Расположение микроспор в тетрадах тетраэдрическое. Зрелые пыльцевые зерна двуклеточные, 3-бороздно-поровые, средних размеров, сфероидальной или сплющено-сфероидальной формы.
Тип гинецея - синкарпный. Завязь верхняя, двугнездная, образуется в результате срастания двух плодолистиков. В одной завязи закладываются два семязачатка. Семязачатки анатропные, тенуинуцеллятные. Нуцеллус семязачатка представлен одним эпидермальным слоем из рано разрушающихся клеток. Семязачаток унитегмальный, интегумент массивный. Археспориальная клетка одна, закладывается в первой декаде мая. Тетрада мегаспор линейная, функциональная мегаспора - халазальная. Зрелый зародышевый мешок имеет вытянутую форму, состоит из яйцеклетки и двух синергид в микропилярной части, центральной клетки с двумя полярными ядрами, трех антипод в халазальной части.
Нарушениями в развитии репродуктивных структур являются недоразвитые зародышевые мешки в полноценно сформированных семязачатках, отсутствие пыльников у сорта 'Mme Jules Finger' и 100% стерильные пыльцевые зерна у сорта 'Marie Legraye'.
Ключевые слова: Syringa vulgaris L., сорт, эмбриология, андроцей, гинецей.
Род Syringa L. включает 30 видов. Наиболее декоративны многочисленные сорта Syringa vulgaris L. Они различаются по типу цветка (цветки простые и махровые) и окраске цветка
[11]. Мировой ассортимент насчитывает более 1700 культиваров [13], все они занесены в Международный регистр рода Сирень [9].
Эмбриологические данные по роду Syringa приводятся в характеристике семейства Oleaceae [7], [8]. Они представляют собой фрагменты эмбриологического изучения 5 видов и 2 гибридов -
S. amurensis Rupr. из подрода Ligustrina (Rupr.)
K. Koch.; S. vulgaris L., S.* chinensis Schmidt ex Willd. (S. protolaciniata * S.vulgaris), S. * persica
L. (происхождение точно неизвестно) из подрода Syringa, секции Syringa; S. josikaea J. Jacq. ex Rchb., S. villosa Vahl, S. reflexa C.K. Shneid. из подрода Syringa, секции Villosae C.K. Schneid. Более
полно формирование и развитие репродуктивных структур рассмотрены лишь у четырех видов -
S. amurensis Rupr., S. vulgaris L., S. josikaea J. Jacq. ex Rchb. и S. villosa Vahl в цикле работ М.А. Иванова и Е.А. Шаренковой в 1969-1970 гг. в условиях г. Иркутска [3]-[5], [10]. За последние годы исследования проводились в Польше - изучено формирование и развитие репродуктивных структур и влияние высоких температур на формирование семязачатков сорта 'Mme Florent Stepman'
S. vulgaris L. [14], [15]. В России цитоэмбриологические исследования Syringa нам неизвестны.
Цель исследований - изучить эмбриологические особенности строения и развития репродуктивных структур S.vulgaris и ее сортов с простой формой цветка: 'Индия' и 'Mary Legraye' и махровой формой цветка: 'Mme Lemoine' и 'Mme Jules Finger'.
ВЕСТНИК Оренбургского государственного университета 2015 № 9 (184) 101
Биологические науки
Материалы и методы
Объектам исследований являются S. vulgaris L. (несортовая - контроль) и 4 сорта S. vulgaris
L. из коллекции учебного ботанического сада имени профессора А.Г. Генкеля. Для цитоэмбриологических исследований в период с марта по август в 2012-2014 гг. фиксировали генеративные почки, бутоны на разных стадиях развития (от 1 до 5 мм) и завязи цветков разных стадий раскрывания (рис.1).
Фиксацию проводили в фиксаторе Кларка (спирт 96%, 3 части; ледяная уксусная кислота, 1 часть) [1]. Изготовление постоянных препаратов проводилось в лаборатории цитогенетики и генетических ресурсов растений Пермского государственного национального исследовательского университета. Парафинирование материала проводилось с использованием автоматической системы для гистологической обработки тканей Leica TP 1020 карусельного типа. Для изготовления срезов толщиной 8-10 мкм использовался ротационный микротом Leica RM. Окрашивание срезов проводилось гематоксилином по Гейденгайну [2] и методом тройного окрашивания с использованием реактива Шиффа, алцианового синего и гематоксилина Эрлиха [6]. Анализ и определение фертильности пыльцевых зерен проводились на временных препаратах ацетокарминовым методом по З.П. Паушевой [9]. Фотографии с препаратов сделаны с помощью светового микроскопа Olympus B*51 с системой визуализации изображения Olympus DP71 c использованием программы Cell B. Описание и измерения проводились при увеличении 100-1500.
Результаты исследования
Строение и развитие мужских репродуктивных структур. Исследуемые сорта S.vulgaris характеризуются сходным развитием мужской генеративной сферы. Андроцей представлен
2-3 тычинками с пыльниками цилиндрической формы. У сорта 'Mme Jules Finger' пыльников нет, зачатки их в генеративных почках обнаружены единично.
Первичная археспориальная ткань появляется в субэпидермальном слое пыльника во второй декаде марта (рис. 2, 1). Стенка пыльника дифференцируется в бутонах 1мм в пре-мейотический период, представлена эпидерми- 102
сом, эндотецием, средним слоем и секреторным тапетумом (рис. 2, 2). Клетки среднего слоя узкие и вытянутые. У S.vulgaris (несортовая) формируется 2-3 ряда клеток среднего слоя, у 'Marie Legraye', ‘Mme Lemoine', 'Индия' - 1-2 ряда. Клетки тапетума двухъядерные, содержат большую вакуоль, значительно крупнее других клеток. Спорогенная ткань полностью заполняет гнезда пыльников, представлена крупными клетками с густой цитоплазмой, большими ядрами с ядрышками.
Когда стенка микроспорангия полностью сформирована, тапетум много-ядерный, однослойный, в области связника - двуслойный, полностью окружает спорогенную ткань. Цитоплазма его клеток интенсивно окрашивается, содержит крупные ядра, которые после деления не расходятся, а остаются сближенными. После прекращения делений клетки спорогенной ткани обособляются с помощью формирующейся каллозной оболочки, образуя микроспороциты. В результате мейоза (рис. 2, 3-5) образуется 2-ядерная клетка, а затем - тетрады микроспор (рис. 2, 6). Тетрады микроспор образуются по симультанному типу. Расположение микроспор в тетрадах тетраэдрическое. На данной стадии тапетум распадается на отдельные клетки, в эпидермальных клетках образуются крупные вакуоли, ядра постепенно дегенерируют. Средний слой представлен узкими, вытянутыми клетками с ядрами эллиптической формы, которые также дегенерируют.
В результате растворения каллозной оболочки происходит распад тетрад микроспор, которые отделяются друг от друга. Микроспоры увеличиваются в размерах, покрываются экзи-ной, первоначально имеют угловатую форму. В постмейотический период происходит деление микроспор с образованием вегетативной и генеративной клеток. В результате деления одноядерного пыльцевого зерна образуется две клетки, меньшая - генеративная, большая - вегетативная. В дальнейшем генеративная клетка отделяется от стенки вегетативной. На ранних стадиях развития они не отличаются друг от друга, по мере развития пыльцевого зерна генеративное ядрышко клетки исчезает, а в вегетативной клетке ядро теряет четкие контуры.
Стенка зрелого пыльника образована эпидермисом и эндотецием. Клетки эпидермиса
102 ВЕСТНИК Оренбургского государственного университета 2015 № 9 (184)
Жакова С.Н., Новоселова Л.В.
Эмбриологические особенности строения...
Рисунок 1. Стадии раскрывания цветка сортов S. vulgaris
ВЕСТНИК Оренбургского государственного университета 2015 № 9 (184) 103
Биологические науки
уплощены. Клетки эндотеция вытянуты в радиальном направлении, имеют фиброзные утолщения, ядра их лизируются.
Зрелые пыльцевые зерна двуклеточные
3-бороздно-поровые, сфероидальной или сплющенно-сфероидальной формы, в очертании с полюса и экватора округлые, реже эллиптические (рис. 3, 7). У сорта 'Marie Legraye' двуклеточные пыльцевые зерна не обнаружены. Анализ фертильности пыльцевых зерен за 20122014 гг. показал наиболее высокую фертильность у сорта 'Индия' - более 90%. Фертильность пыльцевых зерен S.vulgaris (несортовая) от 56 до 67 %, 'Mme Lemoine' - от 45 до 49%. У сорта 'Marie Legraye' фертильные пыльцевые зерна единичны в 2012 г., в 2013 и 2014 гг. все пыльцевые зерна стерильны.
Строение и развитие женских репродуктивных структур. Тип гинецея - синкарпный. Завязь верхняя, двугнездная, образуется в результате срастания двух плодолистиков. В одной завязи закладывается два семязачатка (рис. 3, 1). Как только появляется бугорок семяпочки, начинается дифференциация. В центральной части семяпочки развивается нуцеллус, состоящий из паренхимных клеток с тонкими оболочками. Наряду с нуцеллусом развивается интегумент.
Археспориальная клетка одна, закладывается у всех сортов в первой декаде мая (рис. 3, 2). Археспорий образует мегаспороцит (рис. 3, 3), который в дальнейшем претерпевает первое мей-отическое деление - образуется диада мегаспор (рис. 3, 4), затем второе мейотическое деление -
Рисунок 2. Развитие мужских репродуктивных структур сортов S.vulgaris
1 - 'Индия', цветочная почка (х400); 2 - 'Marie Legraye', стенка пыльника и клетки спорогенной ткани, бутон 1 мм (х1500); 3-5 - 'Mme Lemoine', микроспороциты, бутон 3 мм (х1500): а -метафаза 1 деления мейоза, б - анафаза 1 деления мейоза, в - телофаза 1 деления мейоза, г - анафаза 2 деления мейоза; 6 - 'Marie Legraye', тетрады микроспор, бутон 1 мм (х1500); 7 - S.vulgaris (несортовая), двухклеточные пыльцевые зерна,
бутон 3 мм (х1500).
зл - зачатки лепестков, зп - зачатки плодолистиков; зч - зачатки чашелистиков, п - пыльники, пз - пыльцевое зерно, сс - средний слой, ст - спорогенная ткань, т - тапетум, тм - тетрада мегаспор,
э - эпидермис, эн - эндотеций.
104 ВЕСТНИК Оренбургского государственного университета 2015 № 9 (184)
Жакова С.Н., Новоселова Л.В.
Эмбриологические особенности строения.
Рисунок 3. Развитие женских репродуктивных структур сортов S.vulgaris 1 - 'Marie Legraye', семязачатки, раскрывшийся бутон (х100); 2 - 'Индия', семязачаток, бутон 2 мм, (х400);
3 - 'Marie Legraye', материнская клетка мегаспор, бутон 4 мм (х1500); 4 - 'Индия', диада мегаспор, бутон 3 мм (х1500); 5 - 'Индия', тетрада мегаспор, бутон 5 мм (х1500); 6 - 'Mme Lemoine', одноядерный зародышевый мешок, закрытый бутон (х1500); 7 - 'Mme Lemoine', двухъядерный зародышевый мешок, закрытый бутон (х1500); 8 - 'Индия', зрелый зародышевый мешок, полуоткрытый цветок (х400);
9 - 'Индия', антиподы, полуоткрытый цветок (х1500); 10 - 'Индия', часть зародышевого мешка, полуоткрытый цветок (х1500); 11 - 'Mme Jules Finger', полярные ядра, открытый цветок (х1500). ак - археспориальная клетка, ан - антиподы, дм - диада мегаспор, зм - зародышевый мешок, ит - интегументальный тапетум, м - микропиле, мц - мегаспороцит, тм - тетрада мегаспор, с - синергида, сем - сесязачаток, пя -полярное ядро, яц - яйцеклетка.
ВЕСТНИК Оренбургского государственного университета 2015 № 9 (184) 105
Биологические науки
образуется тетрада мегаспор (рис. 3, 5). В это же время дифференцируется интегументальный тапетум. Мейотический период у сорта 'Marie Legraye' , 'Mme Lemoine' и 'Mme Jules Finger' обнаруживается в бутонах 4-5 мм, 'Индия' - 3-5 мм. Мегаспороцит S.vulgaris (несортовая), по-видимому, проходит длительный период покоя, поскольку тетрада мегаспор зафиксирована лишь в семязачатках открытых цветков или в бутонах за два дня до раскрывания.
Начало развития зародышевому мешку даёт халазальная мегасроспора. Основная цитоплазма в ней сосредоточена вокруг ядра. Микропиляр-ные мегаспоры дегенерируют и отмирают. Ха-лазальная мегаспора увеличивается, вакуолизи-руется, формируя одноядерный зародышевый мешок (рис. 3, 6). После первого митотического деления образуется двухъядерный зародышевый мешок с полярным расположением ядер (рис. 3, 7). Деление ядер сопровождается образованием центральной вакуоли. Затем каждое ядро двухъядерного зародышевого мешка делится и образуется четырехъядерный зародышевый мешок
Дальнейшее развитие зародышевого мешка у исследованных сортов сопровождается интенсивным ростом в длину. Интегументальный тапетум дифференцируется по всей длине зародышевого мешка. В центральной и халазальной части клетки тапетума чаще имеют вытянутую таблитчатую форму, в микропилярной части клетки сужаются. Микропиле прямое, узкое, расположено на одной оси с халазой (рис. 3, 8). В основании фуникулуса имеются радиально вытянутые эпидермальные клетки, образующие фуникулярный обтуратор. Клетки обтуратора имеют утолщенные наружные стенки и плотную цитоплазму.
Восьмиядерный зародышевый мешок наблюдается за два-три дня до рас-пускания цветков. В большинстве полноценно сформированных семязачатках S.vulgaris и ее сортов с развитым нуцеллусом, зрелые зародышевые мешки обнаруживались достаточно редко. На месте зародышевого мешка наблюдались плотно сомкнутые клетки нуцеллуса или клетки ин-тегументального тапетума.
Биполярная структура зрелого зародышевого мешка представлена тремя функционально объединёнными клеточными группами - яйцевой аппарат в микропилярной части, центральная клетка с двумя полярными ядрами, три антиподы в халазальной части.
Яйцевой аппарат состоит из яйцеклетки и двух синергид (рис. 3, 10). Форма яйцеклетки грушевидная, ядро расположено в апикальной части, а вакуоль - в базальной части. Полярных ядер два, они крупные, одинаковой величины, располагаются в средней части зародышевого мешка (рис. 3, 11). Слияние полярных ядер не обнаружено. Три клетки антипод имеют вытянутую форму, расположены Т-образно (рис. 3, 9).
Таким образом, результаты эмбриологического исследования репродуктивных структур сортов S. vulgaris согласуются с данными S. vulgaris L., представленными в литературе, и дополняют их. Выявленные нарушения в развитии репродуктивных структур - отсутствие пыльников у сорта 'Mme Jules Finger', 100 % стерильные пыльцевые зерна у сорта 'Marie Legraye' недоразвитые зародышевые мешки в полноценно сформированных семязачатках S. vulgaris (несортовая) и исследованных сортов, могут быть использованы в селекционной работе.
10.08.2015
Список литературы:
1. Барыкина, Р.П. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы / Р.П. Барыкина, Т.Д. Веселова, А.Г. Девятов, Х.Х. Джалилова, Г.М. Ильина, Н.В. Чубатова. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 312 с.
2. Жинкина, Н.А. К методике окраски эмбриологических препаратов / Н.А. Жинкина, О.Н. Воронова // Ботанический журнал. -2000. - Т. 85, № 6. - С. 168-172.
3. Иванов, М.А. К цитоэмбриологии сирени. Сирень амурская (Syringa amurensis R.) / М.А. Иванов, Е.А. Шаренкова // Известия биолого-географического научно-исследовательского института при Иркутском государственном университете им. А.А. Жданова. - 1969а. - Т. XXIII, вып. 3. - С. 32-47.
4. Иванов, М.А. К цитоэмбриологии сирени. Сирень венгерская (Syringa josikaea Jacq.) и сирень волосистая (Syringa villosa Vahl.)
/ М.А. Иванов, Е.А. Шаренкова // Известия биолого-географического научно-исследовательского института при Иркутском государственном университете им. А.А. Жданова. - 1969б. - Т. XXIII, вып. 3. - С. 19-31.
5. Иванов, М.А. К цитоэмбриологии сирени. Сирень обыкновенная (Syringa vulgaris L.) / М.А. Иванов, Е.А. Шаренкова // Известия биолого-географического научно-исследовательского института при Иркутском государственном университете им. А.А. Жданова. - 1969в. - Т. XXIII, вып. 3. - С. 3-18.
6. Камелина, О.П. К методике окраски эмбриологических препаратов / О.П. Камелина, О.Б. Проскурина, Н.А. Жинкина // Ботанический журнал. - 1992. - Т. 77, № 4. - С. 93-96.
106 ВЕСТНИК Оренбургского государственного университета 2015 № 9 (184)
Жакова С.Н., Новоселова Л.В._________________________________Эмбриологические особенности строения...
7. Камелина, О.П. Систематическая эмбриология цветковых растений. Двудольные / О.П. Камелина. - Барнаул: Артика, 2009. -501 с.
8. Литвиненко, Н.М. Семейство Oleaceae / Н.М. Литвененко // Сравнительная эмбриология цветковых растений. Davidiaceae -Asteraceae. Л.: Наука, 1987. - С. 154-158.
9. Паушева, З.П. Практикум по цитологии растений / З.П. Паушева. - М.: Агропромиздат, 1988. - 271 с.
10. Шаренкова, Е.А. Биология цветения и эмбриология некоторых видов сирени / Е.А. Шаренкова, М.А. Иванов // Бюллетень главного ботанического сада. - 1970. - Вып. 76. - С. 41-51.
11. Шуваева, К.Н. Анализ мирового сортимента сирени обыкновенной (Syringa vulgaris L.) и сирени гиацинтоцветной (S. х hyacinhiflora Rehder) / К.Н. Шуваева, И.Б. Окунева // Бюник кшвського нащонального ушверситету iменi Тараса Шевчен-ка. - 2009. - С. 83-84.
12. International register and checklist of cultivar names in the genus Syringa L. (Oleaceae). - 2003.
13. Lilacs. Jorgovani [Электронный ресурс]. - Produced by Zelimir Borzan and Charles Holetich Copyright, 2014. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
14. Jedrzejuk, A. Development of flower Organs in Common Lilac (Syringa vulgaris L.) cv. Mme Florent Stepman / A. Jedrzejuk, W. Szlachetka // Acta biologica cracoviensia. Series Botanica. - 2005. - Vol. 2, № 47. - P. 41-52.
15. Jedrzejuk, A. High temperatures applied at fall forcing disturb ovule development in Syringa vulgaris L. ‘‘Mme Florent Stepman’’/ A. Jedrzejuk, A.J. Lukaszewska // Acta Physiol Plant. - 2008. - № 66. - P. 673-678.
Сведения об авторах:
Жакова Светлана Николаевна, старший преподаватель кафедры экологии Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова 614990, г. Пермь, ул. Петропавловская, 23, тел. (3422) 2124772, e-mail: [email protected]
Новоселова Лариса Викторовна, профессор кафедры ботаники и генетики растений Пермского государственного национального исследовательского университета, доктор биологических наук 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, тел. (3422) 2396229, e -mail: [email protected]
ВЕСТНИК Оренбургского государственного университета 2015 № 9 (184)
107
