Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ ГАМЕТОФИТНОГО АПОМИКСИСА У
ЦВЕТКОВЫХ 12
Апомиксис и амфимиксис: сходство и различие 13
Причины гаметофитного апомиксиса 15
1.2.1. Генетика гаметофитного апомиксиса 15
«^1 1.2.2. Трудности на пути признания простой генетической
детерминации гаметофитного апомиксиса 25
1.2.3. Полиплоидия, гибридогеиез и гаметофитный апомиксис 28
1.3. Последствия реализации гаметофитного апомиксиса у цветковых 30
Гаметофитный апомиксис, полиплоидия, гибридогеиез и проблема таксономии 31
Полиморфизм и гетерозиготноеть при гаметофитном апомиксисе 34
Эволюционная роль гаметофитного апомиксиса у цветковых 38
Сальтационное формообразование и способы семенного
воспроизведения у покрытосеменных 43
1.3.5. Синтсзогенетическое формообразование при агамоспермии и
половом воспроизводстве 44
1.3.6. Проблема видообразования у цветковых: основные термины
и понятия, используемые в работе 46
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ 52
2.1. Изучение структуры популяций агамоспермных видов 52
2.1.1. Изучение параметров системы семенного размножения в популяциях.. .52
/ 2.1.2.Цитотаксогюмические и биосистематические методы изучения
структуры популяций 55
2.1.3. Цитоэмбриологическое исследование микроспорогенеза у растений
из популяций P. officinarum 56
2.1.4. Изучение аллозимной изменчивости в апомиктичных и половых
Ш популяциях методом гельэлектрофореза 56
Метод отдалённой гибридизации 59
Методы культуры in vitro 61
«Спасение» гибридных зародышей (embryo rescue) 61
Культивирование in vitro неоплодотворённых завязей проса посевного 62
Культивирование in vitro неоплодотворённых завязей половых и апомиктичных форм Asteraceae 63
2.4. Метод индукции партеногенеза in vivo 66
3. ЧАСТОТА АПОМИКСИСА В ПОПУЛЯЦИЯХ НЕКОТОРЫХ
ВИДОВ TARAXACUM, HJERACIUM, PILOSELLA И CONDRILLA 68
Частота апомиксиса в популяциях некоторых видов Taraxacum, Hieracium, Pilosella 68
Частота апомиксиса в популяциях некоторых видов Chondrilla 79
Характер нарушений в мужской генеративной сфере в популяциях агамного комплекса Pilosella 84
4. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗОГЕНЕЗА ПРИ ГАМЕТОФИТНОМ
АПОМИКСИСЕ (НА ПРИМЕРЕ ФРАГМЕНТА АГАМНОГО
КОМПЛЕКСА PILOSELLA) 90
Виды, формирующие фрагмент агамного комплекса Pilosella 90
Естественная межвидовая гибридизация 104
4.3.. Возможности гибридогенеза у половых форм 122
4.4. Изменение уровня плоидпости в популяциях и в потомстве
отдельных особей 128
Другие примеры интенсивности синтезогенетического формообразования в агамных комплексах 155
Переходы по уровням плоидпости и гибридогснез как непременные атрибуты гаметофитного апомиксиса 168
5. ДИНАМИКА КАРИОТИПИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ И
СЕМЕННОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ В СВЯЗИ С УСЛОВИЯМИ ОБИТАНИЯ ПОЛОВЫХ И АПОМИКТИЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ
4
АГАМНЫХ КОМПЛЕКСОВ ASTERACEAE 172
Динамика кариотипической изменчивости в популяциях апомиктичных и половых видов агамных комплексов Asteraceae 172
Динамика семенной продуктивности в апомиктичных и половых популяциях некоторых видов Asteraceae 190
6. ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ В АПОМИКТИЧНЫХ
И ПОЛОВЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ АГАМНЫХ
КОМПЛЕКСОВ ASTERACEAE 212
Идентификация локусов изоферментов 212
Частота встречаемости и число спектров энзимов в популяциях Taraxacum и Pilosella 220
6.3.Полиморфизм, гетерозиготность и внутрипопуляционное
разнообразие в исследованных популяциях 221
6.4. Обсуждение 225
7. РОЛЬ ФАКТОРОВ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ В
РЕАЛИЗАЦИИ ГАМЕТОФИТНОГО АПОМИКСИСА 231
Эпигенетические аспекты реализации апомейоза у покрытосеменных 231
Экспериментальная индукция дишю- и апоспории 233
Экспериментальная индукция партеногенеза 234
Индукция партеногенеза in vivo 234
Активация мегагамет и регуляция эмбриогенеза в культуре
in vitro неоилодотворённых завязей проса посевного 247
7.3.3. Развитие мегагамет агамоспермпых и половых видов Hieracium и
Taraxacum в культуре in vitro неоилодотворённых завязей 263
8. ВОЗМОЖНЫЕ ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ
ГАМЕТОФИТНОГО АПОМИКСИСА У ПОКРЫТОСЕМЕННЫХ 272
8.1. Гаметофитный апомиксис - нестабильная система семенного
размножения 274
8.2. Анализ структуры некоторых агамных комплексов 278
5
H 8.3. Возможная роль гаметофитного аномиксиса в восстановлении
сбалансированности генома 292
Кроссинговер как механизм восстановления электростатически равновесного состояния молекул ДНК 292
Причины непроявления гаметофитного апомиксиса
на диплоидном уровне 294
8.3.3. Гаметофитный апомиксис как возможный механизм выхода
за границы «разрешённой» мейозом изменчивости 295
8.3.4. Гаметофитный апомиксис как система размножения, имеющая
тенденцию к достижению устойчивого состояния через
восстановление сбалансированности генома 296
Трансформация агамоспермного вида в биологический вид 302
Возможная роль агамоспермии и полового размножения в хромосомном видообразовании 304
8.6. Видообразовательный потенциал агамоспермии у цветковых 312
8.6.1. Некоторые эволюционные парадоксы 312
л 8.6.2. Характер и механизмы изменчивости при агамоспермии 322
8.7. Циклические преобразования в системах семенного размножения
покрытосеменных (гипотеза) 327
8.8. Стадии развития и пути эволюции агамных комплексов у цветковых 331
9. ВИД И ЕГО СТРУКТУРА ПРИ ГАМЕТОФИТНОМ АПОМИКСИСЕ 339
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 347
ВЫВОДЫ 351
# ЛИТЕРАТУРА 353
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В последние пятнадцать лет интерес к проблеме гаметофитного апомиксиса возрос в связи с наметившимся прогрессом в исследовании природы этого уникального явления. Генетический анализ показал относительно простую генетическую природу апомейоза (Savidan, 1982; Nogler, 1984). Интенсивные исследования по локализации гена(ов) апомиксиса с целью их передачи методами генной инженерии культурным растениям (Bicknell, Borst, 1994, Kindiger е.а., 1996; Grossniklaus et al., 2001) порождают надежду на возможность широкого использования этого явления в селекции и семеноводстве в недалёком будущем. Это важно для решения задач сохранения гетерозисного эффекта в ряду поколений, стабилизации отдалённых гибридов и уникальных генных комбинаций и т.п., что обещает настоящую революцию в растениеводстве (Savidan, 1995; Vielle Calzada et al., 1996).
Но увлечение активным поиском генов, инициированное возросшими возможностями и достижениями молекулярной генетики и генной инженерии, невольно ведёт к упрощению самой проблемы гаметофитного апомиксиса, как системного явления, полного динамизма процессов определения пути семенной репродукции. А между тем нет ясности в вопросах о причинах перехода растений на этот способ семенного воспроизводства и о возможности возврата к облигатно половому воспроизводству. Настораживает, что в природе обли-гатный гаметофитный апомиксис не обнаружен, на диплоидном уровне и на базе хромосомно сбалансированных геномов фактически не реализуется. Запутанным остаётся вопрос о реальности категории вида при гаметофитном апо-миксисе. По-прежнему не ясно, к каким популяционно-генетическим последствиям ведёт гаметофитный апомиксис и что он собой представляет в эволюционном плане. А понимание этого важно и для осознания потенциальных возможностей использования гаметофитного апомиксиса в селекции, и для развития общих представлений о факторах и механизмах эволюции цветковых.
Роль гаметофитного апомиксиса в эволюции анализируется преимущественно в отношении эволюционной пластичности апомиктов (Battaglia, 1963; Хохлов, 1970; Мэйнард Смит, 1981; Грант, 1984; Рубцова, 1989 и др.). Доминирует при этом представление о том, что они могут иметь лишь временное адаптационное преимущество. Однако, на наш взгляд, гаметофитный апомиксис может являться фактором, существенно ускоряющим сами темпы формо- и видообразования даже в том случае, если переход на него оказывается временным. Такое понимание его роли в эволюции могло бы снять целый ряд противоречий, с которыми сталкиваются при разработке пунктуалистских воззрений на видообразование (Оно, 1973; Stanley, 1979; Carson, 1982; Татаринов, 1988; Алтухов, 1989). Но роль гаметофитного апомиксиса в видообразовании не признаётся, так как не допускается возможность возврата апомиктов к облигатно-му половому воспроизводству (Darlington, 1932; Stebbins, 1950; Wet de, Harlan, 1970; Грант, 1984). Одной из причин, не позволяющей признать роль апомиксиса в видообразовании является то, что остаются неизвестными механизмы переключения с амфи- на апомиксис и в обратном направлении, роль в этом различных эндогенных и экзогенных факторов.
Всё вышеизложенное говорит об особой актуальности изучения проблемы гаметофитного апомиксиса, особенно в отношении причин и последствий его реализации в популяциях растений.
Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках НТП "Разработать и внедрить биотехнологические методы повышения эффективности растениеводства" (шифр 0.СХ.01.01.01.Н6), темы РАСХН (шифр 0.25.05.25), ГНТП "Приоритетные направления генетики" (грант 5.32) и "Университеты России" (грант 015.07.01.14), проектов РФФИ № 97-04-49032 и № 00-04-49376, гранта Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области естественных наук Е 00-6.0-42.
Цель и задачи исследований. Целью работы было исследование причин и последствий реализации у цветковых гаметофитного апомиксиса как неус-
тойчивой системы семенного размножения на примере популяций ряда видов агамных комплексов Asteraceae.
Для достижения цели решались следующие задачи:
Выявить степень устойчивости основных параметров системы семенного воспроизводства при гаметофитном апомиксисе в различных условиях обитания на примере популяций ряда видов Pilosella, Taraxacum, Chondrilla и Hieracium.
Исследовать особенности генетической структуры апомиктичных и половых популяций ряда видов агамных комплексов Pilosella и Taraxacum.
Изучить возможные причины неустойчивости апомиктичной системы семенного воспроизводства и отдельные физиологические факторы переключения с амфи- на апомиксис на примере некоторых апомиктичных и половых видов Роасеае и Asteraceae.
Теоретически обосновать возможные эволюционные последствия реализации гаметофитного апомиксиса у цветковых.
Научная новизна полученных результатов. Показано, что в агамном комплексе изменчивость уровня плоидиости даже в локальных популяциях всех форм зачастую имеет место в потомстве большинства (до 60-80%) вегети-рующих растений и существенно варьирует по годам. Это говорит о том, что всем формам агамокомплекса, включая и виды, обычно считающиеся облигат-но половыми, свойственна чрезвычайная динамичность процессов определения пути семенной репродукции (апо-амфимиксис), позволяющая отнести их к формам с неустойчивой системой семенного размножения. Показано, что изменчивость уровня плоидиости в апомиктичных популяциях имеет место не только за счёт реализации различных путей семенной репродукции, но и за счёт некратной редукции числа хромосом.
Впервые изучена изменчивость параметров частоты апомиксиса, семенной продуктивности при различных режимах цветения, кариотипической изменчивости, гибридогенеза, выраженности алло- и автогамии в одних и тех же ло-
кальных популяциях агамокомплекса по годам. Показано, что динамика карио-типической изменчивости и степени выраженности гаметофитного апомиксиса в популяциях находится в непосредственной зависимости от условий внешней среды: экстремальные условия обитания ведут к большей неустойчивости системы семенного размножения.
Показано, что в агамном комплексе в постоянно идущий процесс гибридо-генеза втянуты все контактирующие между собой виды с перекрывающимися сроками цветения, но его последствия для формообразовательного процесса значительно выше при участии в гибридогенезе апомиктичиых, а не половых форм. Обосновано, что многие клоны и популяции в пределах ареала гибридного агамовида имеют независимое происхождение.
С использованием изоферментного анализа на примере популяций апомиктичиых и половых видов Pilosella и Taraxacum показано, что уровень генетической изменчивости в апомиктичиых популяциях может быть сравним с уровнем изменчивости в половых популяциях. Впервые показано, что в популяциях видов агамных комплексов уровень генетической изменчивости выше, чем обнаруживается в популяциях видов растений, не входящих в них.
Впервые показано, что лимитирующим фактором переключения на путь апозиготии из фитогормонов являются цитокииины, что указывает на опосре-дованность неустойчивости системы семенного размножения при апомиксисе динамикой ауксин-цитокининового баланса в завязях на критических этапах репродуктивного развития.
Теоретически обосновано, что факультативно апомиктичная форма в состоянии вернуться к облигатно половому процессу и интегрироваться в био-огический вид. Показано, что в переходе на гаметофитный апомиксис и в возврате к половому размножению существенная роль принадлежит механизмам физиологической регуляции. Обосновано, что оптимальные условия для саль-тационного видообразования складываются не при облигатно половом размножении, а при установлении в системе семенного размножения динамиче-
ского равновесия между апо- и амфимиксисом. Предложены оригинальная модель структуры вида при гаметофитном аномиксисе с иерархией внутривидовых таксономических категорий и оригинальная схема путей эволюции агам-ных комплексов у цветковых.
Практическая значимость полученных результатов. Разработанная техника культивирования in vitro нсоплодотворенных завязей проса может быть использована для изучения механизмов переключения пути семенной репродукции, в частности активации мегагамет к партеногенетическому развитию, а также регуляции эмбриогенеза.
Разработанная техника получения межвидовых гибридов проса с доращи-ванием незрелых гибридных зародышей in vitro, а также амфидиплоидов, может быть использована для получения отдалённых гибридов в роде Panicum.
Результаты и выводы работы могут использоваться в курсах по эволюции
растений, системам размножения и апомиксису у растений, экспериментальной
эмбриологии растений, клеточной биотехнологии, читаемых студентам и аспи
рантам университетов и аграрных ВУЗов. /
Основные положения, выносимые на защиту.
гаметофитный апомиксис является неустойчивой системой семенного воспроизводства, стабилизация которой возможна только с возвратом к обли-гатно половому воспроизводству при постепенном достижении хромосомной сбалансированности геномов за счёт переходов по уровням плоидности;
зависимость динамики кариотипической изменчивости и степени выраженности гаметофитного апомиксиса от факторов внешней среды стрессового характера с повышением степени неустойчивости системы семенного размножения в экстремальных условиях обитания популяций;
существенная зависимость определения пути семенного воспроизводства (амфи - апомиксис) от динамики ауксин-цитокининового баланса в женских генеративных органах на критических этапах генеративного развития (споро-
11 генез, гаметогенез), что и может являться причиной неустойчивости этой системы семенного воспроизводства;
высокий уровень гибридогенеза и изменчивости уровня плоидности даже в локальных популяциях всех без исключения форм агамокомплекса, свидетельствующий о постоянно идущем в нём интенсивном процессе синтезогенети-ческого формообразования. Это ведёт к независимому происхождению многих клонов и популяций в границах ареала отдельных гибридогенных и полиплоидных агамовидов и сложности структуры этих видов;
гипотеза о том, что у отдельных групп покрытосеменных в системе семенного воспроизводства в масштабах эволюционно значимого времени под воздействием условий внешней среды и с участием генетических и физиологических регуляторных механизмов имеют место циклические преобразования, при которых период облигатного полового воспроизводства растительной формы сменяется периодом динамического равновесия апо- и амфимиксиса с последующим возвратом к облигатно половому воспроизводству. При этом в период облигатного полового воспроизводства происходит стабилизация формы на уровне биологического вида, в период динамического равновесия апо-амфимиксиса - интенсивный процесс сальтационного формообразования и возникновения микровидов. При стабилизации системы семенного размножения на базе полового процесса микровиды трансформируются в биологические виды;
