Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гибридизация в мире растений 7
Глава 2. Объект и район исследования 25
2.1. PoRSaxifragaL 25
2.2 Исследуемые растения S. сетиа L. и S. sibirica L 32
2.3 Уральские растения камнеломки, имеющие признаки, промежуточные по отношению к S. сегпиа и S. sibirica 43
2.4 Район исследования - Уральская горная страна 45
Глава 3. Искусственное скрещивание 50
3.1 Материал и методика искусственного скрещивания 51
3.2 Продуктивность искусственного скрещивания 52
Глава 4. Морфометрическая изменчивость S. сегпиа, S. sibirica, среднеуральских растений и искусственных гибридов 61
4.1 Материал и методика исследования морфологических признаков 61
4.2 Анализ морфометрической изменчивости листа 61
Глава 5. Репродуктивные признаки S. сегпиа, S. sibirica, среднеуральских растений и искусственных гибридов 67
5.1 Материал и методика исследования репродуктивных признаков 67
5.2 Анализ изменчивости репродуктивных признаков 68
Глава 6. Кариологические признаки S. сегпиа, S. sibirica, среднеуральских растений и искусственных гибридов 78
6.1 Методика подсчета хромосомных чисел 78
6.2 Методика проведения проточной цитометрии 80
6.3 Анализ кариологической изменчивости 81
6.4 Зависимость репродуктивных признаков от уровня плоидности 89
Глава 7. Генетическая изменчивость S. сегпиа, S. sibirica, среднеуральских растений и искусственных гибридов 94
7. 1 Материал и методика AFLP-анализа ДНК 94
7.2 Анализ генетической изменчивости 99
Выводы 115
Список литературы 116
- Исследуемые растения S. сетиа L. и S. sibirica L
- Продуктивность искусственного скрещивания
- Анализ морфометрической изменчивости листа
- Зависимость репродуктивных признаков от уровня плоидности
Введение к работе
Актуальность темы: Гибридизация является одним из важнейших факторов видообразования у растений [Грант, 1984; Цвелев, 1972, 2000; Першина, 2009; и др.]. К настоящему времени накоплена обширная литература по данному вопросу [Викторов, 2000; Lebens-Mack, Milligan, 1998; Lowe, Abbott, 2000; Mooring, 2002; и др.]. Главным образом, в этих работах предлагается описание того или иного гибрида. Исследований, в которых проводилось искусственное моделирование процесса естественной гибридизации, известно меньше [Svejda, 1974; Vargas, 1996; Kaplan, Fehrer, 2006; Trojak-Goluch, Berbec, 2007]. Однако именно такие работы важны для лучшего понимания процесса гибридизации.
На территории горного Урала обитают два родственных вида камнеломки: Камнеломка поникающая {Saxifraga сетиа L.) и камнеломка сибирская (S. sibirica L.), отличающиеся по уровню плоидности. На Среднем Урале были обнаружены растения камнеломки с промежуточным внешним обликом. Предполагалось, что они появились в результате межвидовой гибридизации между S. сегпиа и S. sibirica [Капралов, 2004]. Таким образом, существование комплекса S. сегпиа - S. sibirica на Урале предоставляет возможность для искусственного моделирования естественной гибридизации между этими камнеломками и сравнения искусственных гибридов со среднеуральскими растениями.
Цель работы - моделирование процесса гибридного видообразования у видов рода Saxifraga.
Задачи исследования:
Провести скрещивание между растениями S. сегпиа, S. sibirica и их F\ гибридов в разных комбинациях.
Сравнить морфометрические, репродуктивные, кариологические и генетические параметры S. сегпиа, S. sibirica, растений с промежуточным обликом (далее среднеуральские растения) и искусственных гибридов.
Изучить результаты гетероплоидного скрещивания и оценить вероятность такого скрещивания в естественных условиях.
Защищаемые положения:
1. Образование фертильных гибридов возможно как при прямом скрещи-
вании S. сегпиа и S. sibirica, так и при возвратном скрещивании гибридов первого поколения и растений родительских видов.
Искусственные гибриды прямого и возвратного скрещивания имеют высокую изменчивость морфологических, кариологических и репродуктивных признаков.
При гетероплоидном скрещивании (2х и Ах) основная доля гибридного потомства имеет триплоидный уровень, в меньшей степени образуется ди- и тетраплоидное потомство.
Наблюдается зависимость между уровнем плоидности и фертильно-стью пыльцы: триплоиды имеют низкую фертильность пыльцы, тогда как ди- и тетраплоиды - высокую.
Научная новизна и теоретическая значимость результатов исследования: Впервые проведено искусственное моделирование процесса гибридизации между S. сегпиа и S. sibirica в лабораторных условиях, получены F\ и В\ поколения растений. Исследованы морфометрические, репродуктивные, карио-логические и генетические признаки у искусственных гибридов. Показана возможность такого скрещивания в естественных условиях.
Полученные данные расширяют знания о гибридном видообразовании.
Практическая значимость: Разработана методика скрещивания, проращивания семян и выращивания гибридных растений камнеломки в лабораторных условиях. Полученные результаты важны для разработки стратегии охраны реликтовых видов флоры Урала. Результаты работы включены в теоретический и практический курс «Методы экологических исследований» (УрГПУ, геогра-фо-биологический факультет).
Апробация работы: Результаты исследований были представлены на Всероссийских конференциях молодых ученых в ИЭРиЖ УрО РАН в 2003-2009 гг.; VII Всероссийском популяционном семинаре «Методы популяционной биологии» (Сыктывкар, 2004); Демидовских чтениях (Екатеринбург, 2006); IX международной конференции молодых ботаников (Санкт-Петербург, 2006); Международной конференции «Устойчивость экосистем и проблема сохранения разнообразия на Севере» (Кировск, 2006); XII съезде русского ботаническо-
го общества «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники XXI века» (Петрозаводск, 2008); на семинаре лаборатории биоразнообразия и генетики университета Упсалы (Швеция, 2008); Международной конференции «Молодежь в науке - 2009» (Минск, 2009).
Личный вклад автора: Автором выполнена работа по сбору полевого материала (выборки из популяций на р. Серга, р. Юрюзань, р. Чусовая), проведению искусственного скрещивания в течение 4 лет. Анализ полученных результатов проведен автором лично.
Публикации: По материалам исследования опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, включающего 244 наименования, из которых 141 на иностранных языках. Работа изложена на 141 странице, содержит 19 таблиц и 18 рисунков.
Благодарности: Благодарю моего научного руководителя - д-р. биол наук В. Л. Семерикова; очень признательна коллегам канд. биол. наук О. Е. Су-шенцову и канд. биол. наук А. Г. Быструшкину за помощь в сборе материала и статистической обработке полученных данных; д-р. биол наук, проф. А. В. Родионову и канд. биол. наук Е. О. Пуниной за помощь в постановке методики и подсчете хромосом; канд. биол. наук, доц. Н. А. Кутлуниной и канд. биол. наук, доц. С. А. Зимницкой за помощь при выполнении работ по репродуктивной биологии и обсуждении результатов работы; проф. М. Ласко (Martin Lascoux), Ч. Сантессон (Kerstin Santesson), асп. К. Онге (Kate St. Onge) за возможность выполнения ДНК-анализа, проточной цитометрии и всемерную поддержку; науч. сотр. А. Руду (Andreas Rudh) за теоретическую помощь в проведении AFLP-анализа и интерпретацию полученных данных; канд. биол. наук С. А. Семериковой, канд. биол. наук А. Ю. Беляеву, канд. биол. наук М. В. Капралову, канд. биол. наук М. В. Модорову за обсуждение работы; И. В. Братцевой за помощь при составлении библиографического списка.
Исследуемые растения S. сетиа L. и S. sibirica L
Большинство видов данного рода являются насекомоопыляемыми. Актиноморфные цветки представителей Saxifraga, привлекают много различных видов опылителей. Это может быть полезным для растений, поскольку высокая частота посещений цветка насекомыми увеличивает перенос пыльцы, тем самым, увеличивая и возможность опыления. С другой стороны такая стратегия распространения пыльцы может быть невыгодной -многие симпатрические виды имеют одинаковое время цветения, и вероятность опыления пыльцой своего вида может быть низкой [Lindgaard-Hansen, Molau, 1994].
Современные представления о происхождении и расселении камнеломок были получены в результате изучения ржавчинного гриба Puccinia, который является облигатным паразитом растений этого семейства. Первоначальный центр распространения камнеломковых находился в Восточной Азии. Предковые растения, вероятно, были похожи HaAstilbe. Эти растения мигрировали в Гималайский регион и в Северную Америку через Берингов пролив. Здесь произошла радиация этого таксона, и возникли рода Tiarella, Saxifraga и другие мелкие рода, эндемичные для данной области. Мигранты из Северной Америки основали секцию Saxifraga на Японских островах и около них. Далее мигранты из Японии основали в Гималайском регионе и на Западе Северной Америки более совершенные формы растений из секции Saxifraga; мигранты Гималайского региона (относящиеся к группе Melanocentrae) дали начало современной группе растений секции Saxifraga, представленных в Европе и Северной Америке. Наконец, гималайские мигранты (относящиеся к секции Kabschind) основали секции Trachyphyllum в Берингии, секции Xanthizoon, Euasizoonia и Porphyrion в Альпах. Последние секции, вероятно, развивались в течение плейстоцена [Savile, 1975; Hedberg, 1991].
Считается, что камнеломковые являются так называемым «горячим» таксоном и гибридизация - обычное явление для рода Saxifraga, которое и определяет его разнообразие. Находки гибридов между близкородственными видами камнеломки достаточно хорошо описаны [Жмылев, 2002; Gugerli, 1997; Natural hybridization.., 2006]. Так, для секции Ceratophylae (Haw.) S. Paul, известно 36 природных межвидовых гибридов [Natural hybridization.., 2003]. Вот некоторые примеры внутрисекционных гибридов: секция Saxifraga Gaud.: S. granulata L. x S. rosaceae Moench. (S. xfreigerii Ruppert. = S. x potternensis Marsden-Jones & Turril.); секция Mesogine Sternb.: S. cernua L. x S. rividaris L. (S. x svalbardensis 0vstedal.) [0vstedal, 1998; Molecular evidence for.., 1998; Same parental species.., 2000]; S. cernua L. x S. rividaris L. (S. x opdalensis Blytt.) [Same parental species.., 2000]; секция Porphyrion Tausch: S. oppositifolia L. x S. biflora All. (S. x kochii Horgung.) [Gugerli, 1997]; S. ascendens L. x s. tridactilites L. (S. osloensis Knaben.) [Nilsson, Jorde, 1998]; секция Micrantes (Haw.) D. Don: S. nivalis L. x S. aestivalis Fisch&Mey или S. hieracifolia Porter & Waldst. (S. x jamalensis Zhmylev & Razzhivin) [Жмылев, Разживин, 2000].
Неоднократно отмечалась гибридизация между растениями разных секций и даже родов [Жмылев, 2002; Webb, Gornall, 1989; Natural hybridization, 2003; Holderegger, 2003; Natural hybridization, 2003]. Между секциями Ligulatae и Gimnoptera: S. x andressii (S. paniculata x S. spathularis), "Winifred Bevington" (S. paniculata x S. umbrosa), S. x zimmeteri (S. cuneifolia x S. paniculata) [McGregor, 2008]; между секциями Aizoonia Tausch. и Xanthizoon Griseb.: S. mutata L. x S. aizoides L. (S. x hausmanii Kuepfer [Phylogenetic relationships.., 1999]; между секциями Saxifraga L. и. Porphyrion Tauch.: S. granulata L. x S. rosaceae Moench. (S. x fregergii Ruppert. = S. x potternensis Marsen-Jones & Turril.) [Vargas, Feliner, 1996]; между секциями Gemmiferae и Saxifraga Gaud.: S. trabutiana x S. granulata L. (S. x sorianoi) [Natural hybridization.., 2003]. Между секциями Ligidatae Haworth. и Xanthizoon Griseb.: S. cotyledon L. или S. paniculata Cav. x s. aizoides L. (S. x blyttii) [0vstedal, 1998]. Между секциями Porphyrion Tauch. и Xanthizoon Griselb.: S. oppositifolia L. x s. aizoides L. (S. x Nathorsti (Dusen) v. Hayeck. [Bocher, 1941]; S. caesia L. x S. aizoides L. {S. x patens (Kern.) Gaud. Sternb.) [Жмылев, 2002].
Поскольку растения с легкостью скрещиваются, они успешно используются в садоводстве. В настоящее время получено и описано много примеров культурных искусственных гибридов [Webb, Gornall, 1989], однако возрастает и число сообщений о естественной гибридизации и интрогрессии среди видов камнеломки, особенно для Западной Европы [Жмылев, 2002; Vargas, Feliner, 1996]. На данный момент естественная гибридизация установлена или предполагается для 128 видов камнеломок. В целом список гибридов и гибридогенных таксонов насчитывает около 150 примеров. Причем некоторые из них образуют гибриды с несколькими таксонами. Обычно это широко распространенные камнеломки, как, например, S. exarata или S. paniculata, каждая из которых гибридизирует с 11 видами [Жмылев, 2002], S. сетиа - с 3 видами. Реже - локальные эндемики, как S. caniculata или S. geranioides, для которых известны гибриды соответственно с шестью и большим числом видов [Webb, Gornall, 1989]. Число гибридов может быть значительно выше, поскольку очень трудно определить наличие гибридизации, основываясь только на морфологических признаках -возвратные скрещивания часто приводят к восстановлению облика одного из родителей [Жмылев, 2002; Natural hybridization.., 2006]. Иногда гибриды сложно обнаружить в силу слабого морфологического проявления смешанного генома, что характерно для близкородственных видов, отличающихся «мелкими» признаками. Вполне возможно, что естественная гибридизация в роде распространена гораздо шире, чем это известно в настоящее время [Жмылев, 2002].
Продуктивность искусственного скрещивания
Для получения гибридных форм были использованы растения двух видов камнеломки. Родительские особи S. сегпиа представляли несколько популяций из центра ареала - ручей Сенька-Шор (34 особи, рис. 6), о. Вайгач (3 особи) и о.Долгий (2 особи) и п-ов Ямал, ж/д Обская (2 особи). Растения этой части ареала функционируют как гермафродиты, тогда как S. сегпиа из периферических популяций в основной массе являются стерильными [Капралов, Кутлунина 2005]. Растения S. sibirica представляли популяцию Южного Урала (40 особей, р. Катав, рис. 6).
Скрещивания проводили в период с октября 2005 по июнь 2006 по мере зацветания растений, особи выбирались случайно. В качестве растения-опылителя использовали растения с полностью раскрывшимися цветками и развитыми (раскрывшимися) пыльниками. Как упоминалось (глава 2), растения данных видов строго протандричны, т.е. мужская фаза опережает женскую: во время проявления первой фазы формируется рыльце пестика, а внутри завязи происходит мегагаметогенез. [Капралов, Кутлунина, 2005; Webb, Gornall, 1989]. Тем не менее, опыляемый цветок предварительно кастрировали на стадии бутона для исключения попадания собственной пыльцы на пестик. После кастрации на цветок надевали полиэтиленовый изолятор. Когда полностью раскрывалось рыльце, пестик считался созревшим. Цветок опыляли до окрашивания рыльца в желтый цвет и снова надевали изолятор. Опыление проводили однократно. Изоляторы снимали после нескольких дней, когда рыльце пестика становилось сухим, и исключалась дальнейшая возможность опыления. После раскрывания коробочки собирали семена и хранили в холодильнике при температуре +2..+4С около двух месяцев. Затем семена проращивали в чашках Петри с дистиллированной водой. Проросшими принято считать семена с длиной корешка равной двойной длине семени (для мелких семян) [Николаева и др., 1999]. Проростки высаживались в смесь почвы и торфа (1:1) под стеклянный колпак. Сначала проростки содержали при комнатной температуре, а после появления настоящих листочков выращивались при температуре +18...+22С и круглосуточном освещении, с использованием нижнего полива.
Возвратное скрещивание и скрещивания между гибридами. Скрещивание гибридных растений F\ поколения с одним из родительских растений проводилось в период с июня 2006 по октябрь 2007гг. Опыление, сбор семян и проращивание проводили по методике, описанной для получения гибридов F\ поколения. Для оценки этапов искусственного скрещивания были измерены следующие параметры: время созревания рыльца пестика, время созревания семян, количество семян, время прорастания семян и процент прорастания семян. За период 2005 - 2008гг. было проведено 560 скрещиваний между S. сегпиа, S. sibirica и гибридами первого поколения. Для исследования параметров созревания и жизнеспособности гибридных семян все растения были разделены на три группы по виду материнского растения: группа 1 - S. sibirica х S. сегпиа, группа 2-5 . сегпиа х S. sibirica, группа 3 - F\ S. sibirica I S. сегпиа. Такое деление обусловлено тем, что именно материнские растения имеют большее влияние на развитие семян, чем отцовские (опылители). Обычно это зависит от возраста и жизнеспособности материнского растения, а также от влияния условий окружающей среды [Николаева и др., 1999; Karkkainen et al., 1999; Greenway, Harder, 2007].
Растения исследуемых видов камнеломки строго протандричные: первыми в бутоне появляются пыльники без тычиночных нитей, когда пестик представляет собой бугорок (на этой стадии цветки кастрировались). В качестве признака «продолжительность созревания пестика» было использовано количество дней с момента удаления пыльников до созревания (раскрывания) рыльца пестика. Данные анализа по этому признаку представлены в таблице 1.
Общее время созревания пестика варьировало в целом от 3 до 10 дней. Среднее значение составило 5,2 дня для S. sibirica (113 особей) и 5,0 дней для S. сегпиа (86 особей). Между этими группами родительских растений не было обнаружено достоверных отличий (коэффициент Манна-Уитни р 0,75). Однако родительские растения достоверно отличались от группы искусственных гибридов (324 особи, р 0,01 и р 0,05 соответственно), среднее значение параметра для которых было наименьшим, и составило 4,5 дня. Признак был наиболее вариабельным у группы искусственных гибридов (CV = 41,5%).
Признак «продолжительность созревания семян» определялся количеством дней от момента опыления цветка до раскрывания коробочки. За этот период осуществляются две фазы: гистогенеза и созревания семени. Гистогенез начинается с развития гелобиального эндосперма, который достаточно редко встречается у двудольных, но характерен для сем. Saxifragaceae [Kaplan, Fehrer, 1981; Lading, Wagner, 2005]; нуклеарный эндосперм образуется в большой микропиллярной части, а целлюлярный - в маленькой халазальной части зародышевого мешка. Гистогенез заканчивается, когда целлюлярный эндосперм полностью заполняет пространство внутри семени. Эмбрион развивается относительно медленно: к концу гистогенеза эмбрион остается на глобулярной стадии. В течение фазы созревания в клетках эндосперма накапливаются белки и липиды, а эмбрион дифференцируется. Для камнеломок, в частности для S. moschata Wulfen [Ladinig, Wagner, 2005], было отмечено, что при опылении не все семяпочки оплодотворяются одновременно, поэтому они находятся на разных стадиях развития в одной завязи.
Анализ морфометрической изменчивости листа
В данном исследовании был подтвержден тот факт, что не всегда гибриды имеют промежуточные морфологические признаки относительно родительских растений: не наблюдалось промежуточного положения среднеуральских растений (как предполагаемых гибридов естественного происхождения) относительно S. сегпиа и S. sibirica по изучаемым параметрам. Возможно, мы наблюдаем явление, когда фенотипическое проявление гибридов непредсказуемо из-за сложного влияния дуплицированных генов [Brysting et al. 1997]. По данным некоторых исследователей фенотип гибридов, особенно последующих поколений, представляет собой не промежуточный тип, а «мозаику» родительских черт, сочетающимися с промежуточными трансгрессивными и новыми признаками [Жмылев, 2002].
Уже было отмечено, что если родители отличаются по уровню плоидности, то, обычно, полученные гибриды могут быть более сходны с тем родителем, который содержит большую часть гибридного генома [Brysting, 1998]. Такое явление было отмечено в настоящей работе: по комплексу морфометрических признаков искусственные гибриды более близки с S. сегпиа, чей уровень плоидности выше (4х), а, следовательно, выше вероятность передачи большей части генома. Однако среднеуральские растения ближе к S. sibirica (2х). Возможно, это указывает на неоднократную интрогрессивную гибридизацию в природе, когда происходили неоднократные скрещивания гибридов на S. sibirica. Или это явление указывает на то, что среднеуральские растения являются прямыми потомками S. sibirica при продвижении ее на север, подвергаясь процессам полиплоидизации и естественного отбора. Среднеуральские растения более близки к S. сегпиа и S. sibirica, чем к искусственным гибридам. Такое отличие предполагаемых естественных гибридов и искусственных гибридов, вероятно, связано с влиянием естественного отбора в отношении растений первой группы и гетерозиса в отношении второй. Каждый вид обладает своеобразной системой репродукции, обеспечивающей воспроизведение и размножение вида и характеризующейся определенной пластичностью и толерантностью. Системы скрещивания формируются под влиянием окружающей среды и генетических факторов. Они не только описывают таксон, но и его жизненную историю - развивающиеся и эволюционно значимые черты [Barringer, 2007]. Задача настоящего раздела -исследование репродуктивной биологии родительских растений S. сегпиа, S. sibirica, растений с промежуточной морфологией и искусственных гибридов и сравнение этих групп между собой. В работе исследованы родительские растения S. сегпиа (10 популяций, 94 особи), S. sibirica (3 популяции, 39 особей), растения с промежуточными признаками (4 популяции, 36 особей), искусственные гибриды первого поколения (144 особи) и возвратного скрещивания (176 особей) Всего исследовано 489 растений (рис. 6). Для всех растений были исследованы репродуктивные признаки, в качестве которых использовались: 1) количество цветков на генеративный побег, 2) количество бульбочек на генеративный побег, 3) фертильность пыльцы. Для изучения репродуктивных признаков 1 и 2 использовали свежесобранные или гербаризированные генеративные побеги. Фертильность пыльцы определяли для свежесобранных цветков или фиксированных в спирто-уксусном растворе (96% этанол : ледяная уксусная кислота, 3:1) и оценивали с помощью окрашивания ацетокармином по методу, описанному Паушевой [1980]. Использовали 100 - 300 пыльцевых зерен с каждого растения (цветка). При значении фертильности пыльцы ниже 50%, признак проверяли повторно. Для дальнейшего анализа брали максимальное значение признака для каждого растения. Исследование проводили при помощи светового микроскопа БИОЛАМ. Подсчет пыльцевых зерен проводили при увеличении 94,5 в 15 полях зрения. Для сравнения групп по исследованным репродуктивным признакам были использованы дискриминантный анализ и непараметрический критерии Спирмена и Манна-Уитни, выполненные в программе STATISTICA 6.0(2001). Анализ изменчивости репродуктивных признаков Растения S. сегпиа и S. sibirica в норме характеризуются актиноморфным цветком и пятью лепестками, десятью тычинками и завязью с двумя, реже тремя, столбиками [Kaplan, 1981]. Однако для некоторых растений S. сегпиа (из периферических популяций р.Сосьва, г.Денежкин Камень, р.Чусовая-2), искусственных гибридов прямого и возвратного скрещивания иногда наблюдалось образование аномальных цветков. Такие цветки имели по 4, 6 и 7 лепестков, тычиночные нити срастались с лепестками или пыльники и рыльце пестика были недоразвитыми. Результаты исследования репродуктивных параметров представлены в таблице 9. Число цветков на генеративный побег в исследуемых группах варьировало от 0 до 34 штук. Растения S. сегпиа обычно образовывали один цветок на побег (среднее число 1,0 в популяциях № 2, 4, 6, 7, 8 и 9), реже не образовывали (популяции № 1, 5 и 10). Растения из популяции 3 несли более одного цветка на побег (4,2). Среднее число цветков для S. sibirica - 7,1. Наибольшее среднее число цветков наблюдалось для растений из популяции № 15 (8,0), наименьшее - для № 17 (4,4). Среднеуральские растения с промежуточной морфологией характеризовались средним числом цветков на побег 2,1. Популяция № 12 (р. Усьва) заметно отличалась от других популяций этой группы. По рассматриваемому признаку эти растения были похожи на S. сегпиа: образовывали один цветок или не образовывали совсем. Искусственные гибриды F\ и i?i по этому признаку имели значения, сходные с S. sibirica (4,9 и 7,7 соответственно). Сходство S. sibirica и искусственных гибридов подтверждает тест Манна-Уитни. По этому же критерию все остальные группы растений достоверно различаются друг от друга (р 0,05). По данному признаку среднеуральские растения и искусственные гибриды занимают промежуточное положение относительно S. сетиа и S. sibirica (рис. 14).
Зависимость репродуктивных признаков от уровня плоидности
В ряде работ был проведен детальный кариологический анализ для флор таких частей Арктики, как Гренландия, Исландия, Шпицберген, Скандинавская Арктика [см. обзор Соколовская, Стрелкова, 1960; Polyploidy in arctic, 2004]. По анализу географического распространения полиплоидов можно сказать, что общей и единой закономерности установить нельзя. Наиболее правильным будет вывод: "Чем моложе флора, тем выше содержание полиплоидов" [Кейн, 1944, цит. по Соколовская, Стрелкова, 1960]. Хотя, разбирая вопрос о связи географии растений с полиплоидией, отмечено, что в комплексе, сочетающем диплоидные и полиплоидные виды, последние стремятся к преобладанию в географических районах, подвергавшихся большим климатическим и другим изменениям, определяющим условия существования видов, в частности подвергшимся оледенениям. Если сравнить числа хромосом у видов одного рода, распространенных в Арктике и в смежных или более южных районах, то для тех из них, которые приурочены к Арктике, можно отметить большую степень полиплоидии [Polyploidy in arctic, 2004]. Особенно это хорошо выявляется при анализе видов одного филогенетического ряда или генетически близких видов [Соколовская, Стрелкова, 1960]. Такое явление можно проследить и на нашем материале: при продвижении на север вдоль Уральских гор уровень плоидности изучаемых растений камнеломки увеличивается [Капралов, Дымшакова, 2003; Капралов, 2004]. Результаты исследований ряда авторов в различных географических районах показывают, что с полиплоидией связаны эволюционно-биологические преимущества, которые позволяют видам с умноженным набором хромосом сохраняться и побеждать в борьбе за существование в самых неблагоприятных условиях. Так, например, было отмечено, что при подъеме на высоту более 200 метров резко увеличивается интенсивность ультрафиолетового излучения. Такое излучение производит стрессирующее воздействие и одновременно активирует компенсационные механизмы защиты у растений, что проявлялось в усилении «дозы гена», т.е. появлении двуядерных и многоядерных клеток в меристематических тканях растений. На основании этих экспериментов было предположено, что растения, находясь в таком стрессовом состоянии, для сохранения своей жизнеспособности вынуждены проявлять более высокий адаптивный потенциал. Это выражалось в увеличении, вероятно многократном, плоидности как отдельных клеток, так и растений и, следовательно, усиления их функциональности [Нанушьян, Мурашев, 2009].
Некоторые авторы отмечали, что полиплоидия, главным образом, характерна для растений с мелкими хромосомами, к которым относятся и исследуемые виды [Кунах, 1995; Negron-Ortiz, 2007]. Для растений с крупными хромосомами такая взаимосвязь не прослеживается. Этот факт объясняется тем, что имеется тесная связь между числом хромосом и размером клеточного ядра и клетки. Такое увеличение хромосом приводит к физиологическим последствиям. Например, в лабораторных условиях было установлено, что у автотетраплоидов часто наблюдалось более низкое осмотическое давление клеточного сока, замедление темпов клеточного деления и более длинный вегетационный период, чем у соответствующих диплоидов. Уменьшение осмотического давления часто приводит к уменьшению морозостойкости. В некоторых случаях были обнаружены отличия в содержании витаминов и химическом составе клеток [Мюнцинг, 1967]. Эти данные до некоторой степени противоречат тому факту, что полиплоидные растения, главным образом, распространены в неблагоприятных местообитаниях.
Физиологические изменения ответственны, возможно, и за то, что число сформированных и развитых цветков часто у тетраплоидов меньше, чем у исходной диплоидной формы [Мюнцинг, 1967], что проявляется на примере не только растений изучаемого комплекса, но и других видов (например, Polygonun viviparum).
Изменения размеров клеток частично могут определяться также действием генов. При удвоении числа хромосом удваивается весь набор генов, что, конечно, влечет за собой серьезные генетические последствия [Мюнцинг, 1967].
Анализируя арктическую флору, исследователи пришли к выводу, что успех полиплоидов обусловлен высоким уровнем гетерозиготности [Polyploidy in arctic, 2004].
Плодовитость тетраплоидов и растений с более высокими значениями плоидности бывает сильно понижена. Вероятно, это отчасти обусловлено чисто генетическими причинами, которые в этих случаях удается устранить рекомбинацией и отбором. Однако значительная степень стерильности обусловлена тем, что у полиплоидов мейоз протекает совершенно иначе, чем у диплоидов. Это связано с образованием квадривалентов, тривалентов, бивалентов и унивалентов (у разных видов по-разному). Такие образования ведут к нарушениям в распределении хромосом и к образованию гамет с измененными числами хромосом. Эти гаметы вследствие уклоняющегося числа хромосом часто погибают или функционируют хуже, чем гаметы с нормальным числом, что и служит в основном причиной стерильности автотетраплоидов. более сильные отклонения от тетраплоидного числа имеют еще более заметные последствия [Мюнцинг, 1967]. Важно отметить, что различные внешние воздействия (высокая или низкая температура) также нарушают мейоз.
Пыльцевые зерна с нарушенным числом хромосом не могут конкурировать с нормальными пыльцевыми зернами. Такие зерна либо совсем не прорастают, либо дают пыльцевые трубки с ненормальным или замедленным ростом. В женских гаметах эффект лишней хромосомы в среднем выражен гораздо слабее (исследовано на дурмане). Разные рода растений отличаются друг от друга по чувствительности к наличию лишней хромосомы; в среднем эта чувствительность тем ниже, чем выше абсолютное число хромосом [Мюнтцинг, 1967].
Так, в этом исследовании S. сетиа с 2л = 24 считается тетраплоидом, а S. sibirica с 2п = 16 — диплоидом. Однако при таких числах не наблюдается соотношения 2:1, тогда как по результатам проточной цитометрии количество ДНК у этих же растений S. сетиа ровно в два раза больше, чем у S. sibirica [Капралов, 2004]. Вероятно, эти несоответствия связаны с хромосомными перестройками робертсоновского типа (2 Акроцентричекие —» 1 Метацентрическая), которые произошли, вероятно, во время полиплоидизации S. sibirica и образовании S. сетиа. Такие явления не изменяют генного состава, эволюция не затрагивает структурных генов [Воронцов, 2004], поэтому растения способны к дальнейшему существованию.
