CC BY
15
Тырнов B.C. О возможности визуальной диагностики гаплоидов кукурузы среди проростков // Научн. Докл. Высшей школы .Биол. Науки. 1969.№7. С. 111-114.
Тырнов B.C.Генетические закономерности возникновения гаплоидов // Гаплоидия и селекция. М., 1976.С.121-131.
Тырнов B.C. Гаплоидия у растений: научное и прикладное значение. М., 1998.54 с.
Тырнов B.C., Завалишина А.Н. Индукция высокой частоты возникновения матроклинных гаплоидов кукурузы // Докл. АН СССР. 1984. Т. 276, № 3.С.73 5-73 8.
Хохлов С.С., Тырнов B.C. Методы диагностики гаплоидов // Гаплоидия и селекция. М., 1976. С. 14-25.
Chase S.S. Monoploids and monopioid derivatives of maize (Zea mais L.) // The botanical review. 1909.Vol.35,N 2JP.117-167.
Сое E.H.,Jr, neuffer M.G., Hoisington D.A. The Genetics of Corn // Corn and Corn Improvement. Agronomy Monograph no. 18,3 rd edition .1988.P.81-258.
Zavalishina A.N./Tyrnov V.S. Inducyion of matroclinal haploidy in maize in vivo // Reproductive biology and plant breeding: Xlll EUCARPIA congr., July 6-11, 1992. Angers, 1992 .P. 221-222.
ФИЗИОЛОГИЯ И AHA ТОМИЯ РА СТЕНИЙ
УДК 631.111.1: 581.812
КАЧЕСТВЕННЫЕ АСПЕКТЫ АНАТОМО-МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЗАРОДЫША ЗЕРНОВКИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ
С.А. Степанов, Ю.В. Даштоян Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского
Прогрессирующий редукционизм в исследованиях биологии растений не привел до настоящего времени к объективному пониманию механизмов интеграции различных физиологических процессов. Согласно одной из концепций, доминирующими центрами регуляции гомеостаза растения являются апексы побега и корня (Полевой, 1975, 2001). Альтернативная концепция признает наличие центральных регулирующих элементов в переходной зоне от побега к корню растения (Зубкус, 1979). Существует также взгляд на растение как надклеточной структуры, не адекватной организму (Гамалей, 1997).
Одной из причин существования различных концепций относительно физиологии целостности растения является недостаточное знание анатомии и морфологии организмов на разных уровнях их развития. Несмотря на сохраняющийся интерес к изучению зародыша зерновок пшеницы как важнейшей продовольственной культуры (Smart, O'Brien, 1979; Стропа, 1984; Kremer, 1985), существующие представления не лают полной картины морфологических и анатомических особенностей его развития по завершении эмбриогенеза.
Материал и .методика
Анализировались последовательные срезы зародышей зерновок Triticum aestivum (Саратовская 52), сделанные на микротоме в трех плоскостях: продольные, перпендикулярные и параллельные к щитку, а также под углом к нему в плоскости придаточных зародышевых корней. Кроме того, были изучены срезы поперечные относительно эмбрионального побега. В каждом случае использовалось от 5 до 7 зерновок. Срезы окрашивались гематоксилином Гейденгайна и альциановым синим. Толщина срезов 7-15 мкм. Кроме того, на анатомических срезах в течение ряда лет оценивали состояние конуса нарастания побега зародыша зерновки группы сортов Triticum aestivum (Саратовской 36, Саратовской 52, Нададорес, Уорлд Сидз 1616).
Определение длины 1-3 листьев эмбрионального побега зародыша зерновок видов и сортов пшеницы (2003 г.) проводили но нижнему основанию листа после препарирования зародыша с использованием МБС-9: Triticum aestivum - 10 сортов, Triticum durum - 5 сортов, Triticum spclta -3 сортообразца, Triticum monococcum - 1 сортообразец, Triticum timopheevi - 1 сортообразец, Triticum dicoccum 3 сортообразца. Все сортообразцы
видов были получены из лаборатории физиологии растений НИИСХ Юго-Востока (Саратов).
Результаты и обсуждение
Исследования показали, что конус нарастания Саратовской 52 имеет куполообразную форму. Его размеры составляют: в высоту от 48 до 80 мкм, в ширину от 75 до 100 мкм. Эти параметры конуса зависят от фазы пластохронного цикла.
Клетки конуса нарастания гетерогенны по форме и размерам. На продольных срезах перпендикулярно к щитку зародыша размеры покровных клеток конуса (клетки туники) составляют от 8 х 10 мкм до 8 х 25 мкм, что зависит от положения этих клеток в конусе. Среди них выделяются 1-2 более крупные клетки, находящиеся в верхней части конуса. Среди клеток, лежащих под туникой (клетки корпуса), отмечен блок более мелких клеток на месте инициации четвёртого метамера. Размеры этих клеток составляют от 6x6 мкм до 10 х 10 мкм. Более крупные клетки (до 25 х 25 мкм) находятся с противоположной стороны от блока инициальных клеток четвёртого метамера. Установлено, что в верхней части корпуса имеется 1-2 большие клетки, соответствующие, очевидно, материнской меристеме. Клетки, располагающиеся в центре конуса, относящиеся к стержневой меристеме, имеют размеры от 8 х 10 мкм до 8 х 12 мкм. Эти клетки имеют округлое, интенсивно окрашенное ядро, размеры которого меньше, чем в клетках периферической меристемы под туникой, где ядра могут быть незначительно вытянуты.
Размеры ближайшего к конусу нарастания примордия, третьего от переходной зоны, составляют от 84+4 мкм (от верхней части основания примордия) до 140=6 мкм (от нижней части основания примордия). Основание примордия располагается под углом к нижней части конуса, при этом инициали центрального проводящего пучка формирующегося третьего листа идут почти параллельно продольной оси конуса.
При визуальном наблюдении поперечных срезов эмбрионального побега на уровне нижней части основания третьего листа установлено наличие только одного проводящего пучка. Выше, в средней части примордия, кроме центрального пучка отмечено ещё два боковых.
Длина второго листа составляет от 277±12 мкм (от верхней части основания листа) до 340±15 мкм (от нижней части основания листа). Лист образует своеобразный колпачок над конусом нарастания побега. В средней части листа наблюдается восемь проводящих пучков, размеры которых составляют от 18 х 20 мкм до 50 х 62 мкм (центральный пучок). Толщина листа в этой части от 50 мкм (между проводящими пучками) до 78 мкм (в месте прохождения проводящего пучка), то есть проявляется тенденция к образованию морфологически выраженных валиков по месту расположения проводящих пучков. На уровне верхней части основания второго листа наблюдается только семь проводящих пучков, размеры которых составляют от 22 х 22 мкм до 45 х 58 мкм (центральный пучок).
Толщина листа в этой части в зоне расположения пучков составляет от 70 до 83 мкм.
Длина первого листа, ближнего к переходной зоне и наиболее морфологически выраженного, достигает от 900+43 мкм (от верхней части основания листа) до 970+32 мкм (от нижней части основания листа). На поперечных срезах средней части листа наблюдается 12 проводящих пучков, размеры которых составляют от 30 х 30 мкм до 78 х 82 мкм (центральный проводящий пучок). Отмечена дифференциация клеток центрального проводящего пучка на протофлоэму и протоксилему. В наиболее крупных латеральных пучках первого листа также наблюдается дифференциация клеток на месте будущей протофлоэмы, о чем свидетельствуют меньшие размеры клеток и их интенсивное окрашивание гематоксилином.
Толщина первого листа в промежутках между проводящими пучками составляет от 70 до 85 мкм. Толщина листа в месте расположения проводящих пучков - от 78 до 160 мкм. Отмечено наличие межклетников, более выраженных между клетками, примыкающими к центральному проводящему пучку или крупным латеральным пучкам. С внешней стороны от центрального проводящего пучка наблюдается дифференциация клеток будущей склеренхимы. Паренхимные клетки первого листа крупнее аналогичных клеток второго и третьего листьев и имеют на поперечных срезах округлую форму с хорошо выраженным ядром с 1-2 ядрышками. Наиболее крупные них (20 х 22 мкм) примыкают к центральному пучку и более развитым латеральным проводящим пучкам.
В нижней части первого листа наблюдается только 9 проводящих пучков, размеры которых достигают от 18x18 мкм до 85 х 90 мкм, но уже на уровне основания первого листа в нём наблюдается только семь проводящих пучков. Размеры пучков в этой области составляют от 40 х 52 мкм до 80 х 82 мкм (центральный проводящий пучок). Таким образом, как и в случае с ранее описанными листьями, наблюдается уменьшение числа боковых пучков от места их инициации в средней части растущего листа к его основанию и далее в ниже расположенных структурах эмбрионального побега. Это позволяет нам рассматривать в качестве петров дифференциации проводящей системы не только семядоли (согласно одной из точек зрения в качестве одной из них выступает щиток), корень и переходную зону от побега к корню (Василевская, 1959), но также и лист.
Длина колеоптиля от места смыкания со щитком составляет 1150±45 мкм. Колеоптиль образует своеобразную уплощенную камеру, прикрывающую настоящие листья вместе с конусом нарастания побега. Па поперечных срезах на уровне верхушки второго листа размеры колеоптиля, представленного в виде сплюснутой трубочки, составляют: по длинной оси среза - 1210±57 мкм, по короткой оси (перпендикулярно к щитку) -769±4 32 мкм. В колсоптиле имеется два проводящих пучка (по бокам /длинной оси среза), размеры которых достигают от 105 х 112 мкм до
112 х 125 мкм. В этой части колеоптиля наблюдаются различия по степени дифференциации клеток протофлоэмы проводящих пучков.
Толщина колептиля различна. В зоне расположения проводящего пучка толщина колеоптиля составляет 225±6 мкм. Толщина его со стороны эпибласта - 60+4 .мкм (на поперечном срезе наблюдается всего пять клеток). Со стороны щитка толщина колеоптиля достигает 85±5 мкм. Колеоптиль имеет хорошо выраженные межклетники. Наиболее крупные парснхимные клетки колеоптиля (30 х 38 мкм), имеющие небольшое ядро с 1-3 ядрышками, расположены в области, прилегающей к проводящим пучкам.
На поперечных срезах на уровне верхушки конуса нарастания эмбрионального побега размеры проводящих пучков колеоптиля составляют от 100 х 125 мкм до 100 • 135 мкм. По бокам длинной оси каждого из пучков наблюдается два центра дифференциации проводящих тканей, а между ними с внешней стороны пучка отмечено наличие дифференцирующихся волокон протофлоэмы. Таким образом, следует отметить, что организация проводящего пучка колеоптиля отличается от организации проводящего пучка настоящих листьев.
На нижерасположенных срезах колеоптиля размеры пучков незначительно уменьшаются, а дифференциация клеток протофлоэмы менее выражена. Между колеоптилсм и основанием первого листа со стороны щитка располагается колеоптильная почка, высота которой обоснования колеоптиля равна 115±10 мкм. В почке морфологически различим профиллум и конус нарастания.
На продольных срезах зародыша на уровне основания второго листа в центре эмбрионального стебля наблюдается наличие межклетников, уплощение отдельных наренхимпых клеток перпендикулярно к продольной оси побега. Их размеры в этой области стебля составляют от 10 х 25 мкм до 25 х 25 мкм. В клетках наблюдается наличие вакуолей, ещё более выраженных на уровне основания первого листа. На всем протяжении от основания конуса нарастания главного эмбрионального побега до основания первого листа нами не отмечено слияния проводящих пучков и образования «пластинок» будущих узлов метамеров.
IIa серии продольных срезов выявлено, что со стороны щитка в основание эмбриональною побега входит проводящий пучок, образующий затем своеобразный изгиб в сторону главного зародышевого корня па уровне основания первого настоящего листа. В месте входа проводящего пучка щитка в основание побега с ним соединяются проводящие пучки колептиля. Ширина пучка увеличивается от 75-85 мкм при его вхождении до 110-125 мкм в месте слияния с пучками колеоптиля. В нижней части изгибающегося в последующем пучка вместе с примыкающими к нему паренхимными клетками щитка нами обнаружено наличие хорошо выраженных склеренхимных клеток. В последующем объединенный проводящий пучок, делая изгиб в сторону эпибласта, проходит над
центральной клегкой метаксилемы главного зародышевого корня и соединяется с центральным проводящим пучком первого листа. Таким образом, узел, понимаемый как место объединения проводящих пучков нескольких метамеров, в нижней части побега зародыша яровой пшеницы представлен областью нодальной пластинки.
Выше нодальной пластинки располагаются две пары придаточных зародышевых корней. На продольных срезах иод углом к щитку в плоскости корней размеры их верхней пары достигают: длина (без колеоризы) -164±32 мкм, ширина - 227±18 мкм. Число клеток по диаметру корня в месте смыкания с основанием побега равняется 23. Размеры нижней пары корней больше: длина - 441 ±21 мкм, ширина - 385±12 мкм. Число клеток по диаметру корня равно 31.
Длина главного зародышевого корня от места смыкания со щитком (без корневого чехлика) составляет 710±59 мкм, от нижней части нодальной пластинки - 680±35 мкм. Диаметр корня в его верхней части равен 530+24 мкм. В корне хорошо различимы клетки коры и центрального цилиндра. Число клеток по диаметру корпя равно 31. Клетки колеоризы, облегающие главный и придаточные зародышевые корни, сильно вакуолизированы. Таким образом, насколько можно судить по числу клеток, диаметру корней в месте их смыкания с основанием зоны перехода, наиболее дифференцированы главный корень и нижняя пара зародышевых придаточных корней.
Переходная зона от побега к корню, представленная у исследованного вида областью от нодальной пластинки до нижней части основания первого листа, организована наиболее сложно вследствие объединения проводящей системы листьев и корней. Длина этой зоны достигает у исследуемого сорта 315-325 мкм. На поперечных срезах в верхней части этой зоны наблюдается 10 пучков, идущих из листьев - три от второго листа и семь от первого лиспа. На уровне нижней пары зародышевых придаточных корней все пучки объединяются, кроме центрального, идущего из первого листа, в котором прослеживается дифференциация клеток протофлоэмы, в частности волокон склеренхимы. Объединение пучков происходит в такой последовательности: центральный пучок второю листа и два латеральных первого листа причленяются со стороны щитка к корням верхней пары, остальные -латеральные пучки первого и второго листьев объединяются с проводящей системой нижней мары придаточных зародышевых корней. Таким образом, своеобразие зоны перехода в зародыше яровой пшеницы проявляется в отсутствии морфологически выраженных узлов и междоузлий эмбрионального побега.
Высота эпибласта исследуемого сорта 290±15 мкм. Толщина эпибласта в месте смыкания его с колеоризой равна 139±4 мкм. Проводящие пучки не наблюдаются ни в эгшбластс, ни в основание под
ним. Клетки эпибласта гетерогенны по форме и размерам (от 15 х 15 мкм до 28 х 52 мкм) и сильно вакуолизированы.
Па продольных срезах толщина щитка на уровне смыкания его с колеоптилем составляет 250±4 мкм. В верхней части щитка его толщина несколько увеличивается (260-275 мкм). Паренхимные клетки щитка по обе стороны от проводящего пучка в центре (со стороны эпителия щитка и со стороны колеоптиля) существенно различаются но форме и размерам. Эпителиальные секреторные клетки вытянуты по направлению к эндосперму и имеют размеры от 8 х 26 мкм до 10 х 44 мкм. Они имеют интенсивно окрашивающееся ядро и цитоплазму, где наблюдается обилие мелких вакуолей. Клетки паренхимы со стороны эпителиальных секреторных клеток щитка достигают величины от 26 х 26 мкм, почти правильной прямоугольной формы, до 26 х 96 мкм, вытянутых вдоль щитка. В клетках обнаружены многочисленные мелкие вакуоли.
На поперечных срезах на уровне верхушки третьего листа толщина щитка в центре составляет 290±10 мкм. По краям щитка его толщина больше - до 340-370 мкм. Эпителий щитка в этом месте образует изгибы. В центре щитка наблюдается пучок, ширина которого вдоль длинной оси среза равняется 250 мкм, по короткой оси - от 40 до 70 мкм. На продольных срезах справа и слева от проводящего пучка щитка выявлено до 10 ответвляющихся проводящих пучков. В нижней части щитка на уровне основания первого листа проводящий пучок менее дифференцирован. В этом месте он имеет вид эллипса размером 125 • 250 мкм. В щитке отмечено наличие небольших межклетников.
Таким образом, для зародыша зерновки ТгМсит асвйуит характерна различная дифференциация зачаточных органов с выраженным разнообразием клеток, представленных в них. Наиболее сложно в анатомо-морфологическом плане организована проводящая система переходной зоны. Объединение проводящих тканей из щитка, листьев и корней в переходной зоне позволяет рассматривать её не только как центр дифференциации тканей по В.К.Василевской (1959), но и как возможный первичный центр интеграции физиологических процессов в онтогенезе растения. Связь проводящей системы листьев главной зародышевой почки и корней предполагает их влияние друг на друга с момента прорастания зерновки.
По степени развития конуса нарастания побега уже в зародыше зерновки отмечаются различия между видами и сортами пшеницы. В частности, у некоторых еоргообразцов исследуемых видов конус нарастания эмбрионального побега находился в поздней фазе третьего пластохрона, у других - в ранней фазе четвёртого пластохрона.
Кроме того, при. изучении анатомических срезов зародышей зерновок отдельных сортов ТпПсшп аеяйуит установлено, что у части зерновок конус нарастания побега может находиться в поздней фазе третьего пластохрона или же - ранней фазе четвёртого пластохрона. В
разные годы вегетации доля тех или иных зерновок может варьировать у некоторых сортов (табл.1).
Засухоустойчивый, длинностебельный, среднеспелый сорт Саратовская 36 во все исследуемые годы вегетации проявлял стабильное число метамеров эмбрионального побега зародыша зерновок (конус нарастания находился в ранней фазе четвёртого пластохрона). Сорта с нестабильным числом метамеров побега зародыша зерновок обладают средней (Саратовская 52, Уорлд Сидз 1616) или удовлетворительной (Нададорес) устойчивостью. Можно предположить, что данный признак отражает меру соответствия генотипа к факторам внешней среды в данном регионе произрастания. В зависимости от условий, которые сложатся в период вегетации растений, преимущественно развиваются те или другие зерновки (табл.).
Число зерновок с различным состоянием конуса нарастания главной зародышевой почки, %_
[оды Пластохрон Сорта
репродукц ИИ Номер Фаза Саратовская 36 Нададорес 63 Саратовск ая 52 Уорлд Сидз 1616
1 3 поздняя - 100 40 100
4 ранняя 100 - 60 !
2 3 поздняя - 100 40 100
4 ранняя 100 - 60 -
3 3 поздняя - 100 30 50
4 ранняя 100 - 70 50
4 3 поздняя - 80 10 50
4 ранняя 100 20 90 50
Среднее 3 поздняя - 95 30 75
за 4 года 4 ранняя 100 5 70 25
Различия между видами и сортами пшеницы наблюдаются также по длине листьев эмбрионального побега зародыша зерновки. В семенах репродукции 2003 года наибольшая длина 1 листа отмечена для Triticum dicoccum и Triticum timopheevi - соответственно 1402 мкм и 1384 мкм, наименьшая - Triticum aestivum - 953 мкм (рис.1).
Иная тенденция выявлена в отношении второго и третьего листьев зародышей зерновок пшеницы исследуемых видов. Наибольшая длина второго листа наблюдалась у Triticum aestivum - 329 мкм, наименьшая -Triticum monococcum - 253 мкм (рис.2). Характерно, что у Triticum monococcum третий лист также имел наименьшую длину, тогда как у Triticum aestivum и Triticum durum длина третьего листа была примерно одинакова и больше относительно других видов - соответственно 167 мкм и 169 мкм (рис.2).
Triticum aestivum Triticum duruin Triticum speha Triticum monococcum Triticum timopheevi Triticum dicoccum
-I
109? ' i i
1 1207 :
i 1384
1
1402
1 . . 1
850
950
1050 1150 1250 1350 1450 Длина листа, мкм Рис.1.Длила 1 листа эмбрионального побега зародыша зерновки пшеницы, 2003 г.
В зерновках Triticum aestivum большая длина первого листа побега зародыша отмечена у Саратовской 58, примерно близкие значения свойственны сортам Альбидум 1616, Лютесценс 62, Ленинградка, Саратовской 29; меньшие
Triticum acstivuTi | Tritiaimdnin | Triticumspdta
TriticumtinTplTecvi | Tritiamácoocum Е
шив
1137
Tnlianunnoooocum
129
J37
167
169
281
278
1253
90
130
170
210
250
ШЗлисг
i
i! 2 лист!
286 3292
290 330 Дкишлиоа, мкм
Вк.2. Длина 2 и 3 лиезьев зл^рихшааяо побега зародыш зерновки шеншц 2003 г.
370
значения длины листа наблюдались у Уорлд Сидз 1616, Саратовской 36 и Прохоровка (рис.3).
При сравнение сортов ТгШсит аеБйуит по длине других листьев побега зародыша зерновки установлено иное ранжирование: для второго листа - большая длина отмечена у Саратовской 29, Альбидум 1616 и Уорлд Сидз 1616, меньшая Лютесценс 62 и Прохоровка; для третьего листа
Уорлд Сидз 1616 РДН 911 Саратовская 36 Прохоровна Саратовская 52 Альбидум 43 Саратовская 29 Ленинградка Лютее цене 62 Альбидум 1616 Саратовская 58
800 850
1054
900
950
1000 1050 1100 Длина листа, м км Рис.3. Длина 1 листа эмбрионального побега зародыша зерновки сортов Triticum aestivum, 2003 г.
100
200
4 00
250 300 350
Длина листьев,
Рис.4. Длина 2 и 3 листьев эмбрионального побега зародыш зерновки сортов Triticum aestivum, 2003 г.
