Введение к работе
Актуальность темы» Несмотря на длительный период изучения проблемы апомиксиса, она до сиг пор не получила достаточно полного решения. Это касается многих аспектов проблемы, в том числе и оценки эволюционного значения этого способа размножения, относительно которого высгазшаяись прямо противоположные точки зрения. В связи о выявлением широкого распространения апомиксиса у цветковых, большой численность» и многообразием его форм, широтой ареалов ааомиктичееких видов большинством ученых Ccuatafsson, 1946-1947; Хохлов, 1946, 1950, 1967; Петров, 1964, 1979; BuUshauser, 1967; Левина, 1931) призваны несостоятельными прежние представления.об апомикси-се как о случайной аномалии, тупиковой линии эволюции. Но и сейчас, несмотря на это, иногда имеет место суждение о низком эволюционном потенциале апоыиктических видов (Грант, 1964; Дубинин, 1966).
Каковы бы ни были опенки эволюционного значения этого
способа размножения и его перспектив, все исследователи схо
дятся во мнении, что апомиксио у цветковых растений обладает
большим арсеналом пенных свойств, которые следует целена
правленно использовать в интересах общества. Именно поэтому
в последнее время обнаружилась тенденция к переходу от изу
чения чисто теоретических проблем апомиксиса к практическому
его использованию. Интенсивность исследований апомиксиса по
высилась потому, что решение зтой проблемы имеет огромное
значение для разработка принципиально новых методов селекции
растений. ~"~ ..
К настоящему времени уже выявлены наиболее фундаментальные генетические процессы, лежащие в основе явления апомиксиса. Апомиктические формы даст относительно константное потомство и в течение многих поколений сохраняют гетерозигот-ность, являющуюся основой гетерозиса. Апомикты, будучи менее зависимыми а сфере размножения от условий среды,производят большое количество семян даже в экстремальных условиях существования* Возможность создания популяций о большим числом особей с широкого их расселения о помощью семенного способа размножения способствует освоению апомиктами новых территорий и новых экологических ниш* Адомиксис обычно не бвва-
ет облигатным. Подавляющее большинство апомиктов сохраняет также способность к половому воспроизведению. Периодическое сочетание адомихсиса с амфшиксисом создает основу изменчивости апомиктов и обеспечивает быстрое закрепление новых генотипов в популяции. Эти особенности апомиктов, и прежде всего способность давать константное потомство привлекли.особое внимание исследователей и теперь уже используются в селекции для закрепления гетерозиса, быстрой стабилизации форм, полученных при отдаленной гибридизации, а также для массового получения гаплоидов, необходимых для создания чистых линий*
Цитоэыбриологические исследования позволили установить неоднородность апомиксиса и вскрыли многообразие его проявления у цветковых*Эти данные явились основой создания классификаций апомиксиса, с их помощью вскрыт ряд закономерностей этого способа размножения.Они прекрасно дают объяснение многим генетическим явлениям, которые были ранее непонятными. Они позволяют прогнозировать свойства потомства у той или иной апомиктической формы*
Несмотря на то, что уже накоплен большой объем знаний по эмбриологии апомиксиса, дальнейшие исследования в этом направлении являются актуальными. Исследование причин апомиксиса и его форм, цитоэмбриологичесхих и генетических особенностей * апомиктических видов, определения их места и.роли в эволюции позволяют найти новые подходы к решению ряда общебиологических проблем. Выявление новых видов апомиктов среди дикой флоры или форм, обладающих отдельными элементами апомиксиса, предоставляет более широкие возможности для обогащения популяций культурных растений и совершенствования методов их селекции.
Итоговые монографии, посвященные апомиксису (Sust*fn-son, 1946-1947; Rutiah&user, 1968) онубликоваш достаточно давно. Они уже не отражает современного состояния знаний в этой области* Монографии Д.Ф.Петрова (1964, 1979), одна из которых вышла в свет сравнительно недавно, наиболее полно освещают генетические аспекты апомиксиса, но мало касаются вопросов цитоэмбриологии апомиктов. Имеющиеся немногочисленные обзора по эмбриологии апомиксиса (Nygr«n, 1954; Batuglib, 1963; Поддубная-Арнольдв, 1968, 1974; Аэкег, 1979, I960; Nogier, 1984 и др.), появившиеся в разное время,.
также недостаточно полно освещают эмбриологические основы этого способа размножения.
Дальнейшая плодотворная разработка цвтоэмбриодогичесхих аспектов проблемы апомиксиса нуждается в подведении итогов и обобщении с учетом современных достижений в этой,области. Для втого необходимо критически проанализировать состояние исследование этой проблемы, пересмотреть некоторые обшиє полоненая в на основе накопленного опыта создать классификацию, пригодную для использования специалистами по генетике и селекции.
Выполнение меродрияхий, предусмотренных принятой на майском (1983 г.) Пленуме ЦК КПСС Продовольственное программой СССР на период до 1920 г. и мерах ее реализации , настоятельно требует вовлечения апомиктичных растение в селекционный процесс. В этом случае он может быть ускорен в несколько раз. Точное и быстрое определение типов и форм адомиксиса у этих растений на основе предлагаемой классификации, несомненно, поможет успешной работе селекционеров.
Цели и задачи исследования. Цель работы - провести сравнительный анализ цитоэмбриологических явлений при апомиксисв, вскрыть причианоследствениые связи его различных типов и форм; обосновать принципы классификации и разработать эмбриологическую классификацию адомиксиса.
Конкретные задачи исследования состоят в следующем:
-
изучить особенности развития эмбриональных структур у представителей ряда семейств цветковых растений, характеризующихся различными фордами и типами апомиксиса;
-
выявить нарушения слорогенеэа и полового процесса у апомиктов и определить вероятность у них амфимиксиса;
-
разработать графическую схему классификации апомиксиса, основываясь ва. главных элементах семейного размножения - процессах.спорогенеза и полового воспроизведения, осуществляющихся в единой структуре (цветке);
-
оценить различные типы и формы апомиксиса с точки зрения генетических возможностей и определить место апомиксиса в системе размножения цветковых растений.
Доложенияд рндчиуаемые на защиту.
1. Эмбриологическая классификация апомиксиса цветковых,
отражающая двойственный характер семенного размножения. Эта классификация отражает многообразие явления адомиксиса и связывает нх в единую систему. Новое в ней то, что различаются две категории апомиксиса: типы и формы, рассматриваемые в единстве* Это позволяет характеризовать апомиксис у того иди иного объекта более глубоко и всесторонне. Классификация отражает неоднородность апомиксиса и вскрывает источники изменчивости, имеющиеся в салом этом способе размножения. Она позволяет прогнозировать свойства апомиктического потомства и его эволюционные перспективы.
2. Новое представление о геыигамии, заключающееся в том,
что роль спермин при этом процессе не ограничивается лишь за
пуском системы зиготы к дальнейшему развитии, но слершгй вы
полняет так же и генетическую функцию, хотя не всегда полно
стью реализованную. В результате обнаруженных автором ранее
неизвестных цигоэмбриологнческих явлении, проксходякаїх при
формировании зародыша, доказаны пути вознакяоьеігия химерных
зародышей, обладающих наследственными задатками разных роди
телей.
3. Гипотеза, говорящая о том, что апомиктичедкие растенИА
обладают генетической.особым способом сбалансированной сис
темой размножения в которой имеется воэмомиоить к создают
гетерозиготности и ее стабилизации. Возможность сочетания
разных способов размножения и определенное соотношение между
ними, регулируемое условиями среды, обеспечивает пластич
ность этой системы размножения и ее эволюционные перспективы.
Научная,„новизна,рабуты« Настоящая работа является первой в отечественной литературе монографией, посвященной эмбриологическим аспектам апомиксиса* Она явилась результатом собственных эмбриологических исследований всех существующих типов апомиксиса (кроме андрогенеза) и их сравнительного анализа. Впервые изучение типов апомиксиса произведено на представителях 7 семейств цветковых, произрастающих в пределах Советского Союза.
Разработана детальная эмбриологическая классификация адомиксиса цветковых, связывающая в единую систему все многообразие явлений апомиксиса, которая дозволяет более полно и точно характеризовать нарушения нормального протекания споро-
ген;-,за, главным элементом которого является мейоз. В классификации апомиксиса, относящейся к цветковым растениям, автором отражены: D ограничение апомиксиса только семенным размножением и исключение из него всех форм вегетативного раз-(шонещя; 2) регулярность (наоледуеі.гость) или нерегулярность (случайность) апомиктического размножения, что основывается, в основном, на наличии или отсутствии редукции числа хромо-сом при мейозе; 3) двойственный характер семенного размноке-ния цветковых, или его "двуедидость", когда s одной структуре (цветке) объединяется процессы бесполого размножения и полового процесса, наруаенного при апогаксисе; 4) произведенное впервые подразделение апомиксиса на типы и формы в соответствии с характером протекания полового процесса и мейоза. Принцип, положенный в основу подразделения апомиксиса на типы и формы позволяет более глубоко и точно характеризовать данный способ размножения и прогнозироиать возможные генетические последствия. В соответствии со степенью нарушения полового процесса, приняты следующие типы апо.'ликсиса: гемига-мия, андрогенез, псевдогамія, партеногенез, алогаметия, и адвентивная эмбриония. Предложено различать три формы апомиксиса, которые определяется характеров опорогенеза: эуспо-рическую, анэуспорическую с несколькими аариантами, а ело-спорическую. Для более полной характеристики апомжеиса у того или иного растения рекомендовано учитывать как (.гищмум его тип и форду, выражая их сочетанием суцестш вольного (название типа апомикоиса) и прилагательного (название его формы). Например, у гагпхаоша aletun акэуспоричешшй партеногенез, или точнее гемигетеротилякй партеногенез, а у ;ivdJw— r.kiA i--oiMfttf» гемигетеротшшая геї'игамая.
Б диссертации представлены полученные автором новые данные, относящиеся к'разным типам апомиксиса, которые позголили разработать более полные характеристики всех выше названных типов апомиксиса. На основании цигоэмйриологического анализа выдвинуто положение, что диплоидноеть зародышевых мешков, возникающая в результате разных форм апомиксиса (анэуспории, с ее вариантами, а также эуспории, при'условии диплоидизации ядер во время последующего развития гаметофята) и обусловливающая регулярность апомиктического размножения, не всегда предопределяет генетическую идентичность потомства аломиктич-ных особей. Разработанная классификация типов развития заро-
дышевых мешков у апомиктичных растений, выявляющая сути формирования неганлоидных гаметофитов, способствует пониманию генетической разнородности апомикгического потомства.
В результате проведенного сравнительного исследования разныхтипов апомиксиса расширена и уточнена характеристика большинства типов апомиксиса - гемигамии* псевдогамии, партеногенеза, апогаметии и адвентивной змбрионии.
Іешгамия впервые обнаружена у У-х родов семейства Ато-ryllidaoeae и подтверждена у одного вида A3ter&oeae, впервые изученного п условиях Ленинградской области.
Сравнительное исследование гемкгамии у представителей разных семейств цитоэмбриологическим методом лозволило вскрыть ряд важных деталей поведения спермин в зиготе и его производных в зародыше. Это способствовало разработке нового представления о гшигамии как о тиле апомиксиса, при котором в потомстве могут появляться химерные растения с признаками разных родителей, а иногда и "гибридные". Обнаружение ряда важных деталей поведения сперлая при гемигамии позволило установить, что при этом типе апомшссиса функция спермин не ограничивается лиыь стимуляцией ядра яйцеклетки к делению, но им выполняется также и генетическая функция, хотя ока и не всегда полностью реализуется. При гемигамии ядра спершев и их производные,принимая большее или меньшее участие в построении проэмбрио, могут или оставаться гаплоидными, или диплоидизи-роваться, или сливаться с ядрами, производными ядра яйцеклетки. В результате этого возникают полиплоидные "гибридные" ядра (триплоидные и гексадлоидные). Ядра производные спермня и "гибридные" могут оказаться в любой части зародыша, в том числе и апикальной. Морфологические возможности клеток с такими ядрами в зависимости от их местоположения в зародыше различны. Высказана гипотеза, что химерноеть зародыша, возникающая на ранних стадиях развития может сохраниться и в дальнейшем. Клетки, содержащие ядра отцовского и гибридного происхождения, могут стать инициальными при образовании плшулы зародыша или ее части, то есть могут участвовать в построении взрослого растения и его потомков. Эта гипотеза, сформулированная нами на основе цитоэмбриологического исследования, нашла подтверждение в генетическом эффекте гемигамии (то есть наличии у гомигамних форм химерности по плоидности и наслед-
ственнш признакам), установленном у рудбеквв, хлопчатника в койке варубеЕшш авторами* Составлен список всех известных видов гемигамных растений.
Сравнительный анализ так называемого индуцированного партеногенеза у разных видов мятликов позволил установить наличие у них не индуцированного, а автономного партеногенеза, ори котором развитие зародыша не стимулируется даже опылением. Однако дальнейшее нормальное развитие зародыша осуществляется ори формировании эндосперма половое природа. Партеногенез у арктических видов мятликов, произрастающих в пределах Советского Союза, научен впервые.
* ' Обнаружено, что автономный партеногенез, сопрововдаакиО-ся апомикгкческнм развитием эндосперма у Tareucaoum officinale вд., включающем ыикровид T.Aiatum, не является*абсолютно облвгатныя, как считалось ранее. Степень сексуальности у i.&iatum в условиях Ленинграда прямо пропорщоиальт температурным условиям, во время разввтия репродуктивных структур в» в первую очередь, в момент меДоза.
Установлено более широкое, чем считалось ранее, распространение алогамвгаи. Впервые обнаружена синергидная апога-МЄТИЯ у Hudbeokla laolnlata, Taraxaeua alatum, Argjropsta Candida, Sternbergia fis^herlana, Carya іlllnoІнвазіє, Cephal&rla glgantea , Fragarla aneneasa. Редкое явление ан-типодноп апогаметии обнаружено у Ru-ibtokia laolnlata. На основании литературных в собственных цятоамбриологических данных составлены списки видов, у которых имеется редуцированная и нередуцированная синергидная и антиподная апогаме-тия.
Впервые установлено, что у цитрусовых с нуцеллярной зм-брионией (Poncirus trifoiiat*)имеются два источника развития нуцеллярных зародышей - из инициальных клеток париетальной ткани нуцеллуса, развившейся к моменту формирования зрелого гаметофита, в из клеток новой меристематической ткани, возникающей после оплодотворения в микролдлярной зоне нуцеллуса, прилегающей к зародышевому мешку. В обоих случаях они образуются из отдельных инициальных клеток, обособляющихся от других клеток нуцеллуса толстой клеточной оболочкой. Развивающиеся клеточные комплексы вначале разрастаются в пределах этой материнской оболочки. Дальнейшее развитие и дифференциация нуцеллярных зародышей связаны с проникновением этих клеточных
комплексов s зародышевый мешок при наличии в нем эндосперма*
Выдвинута гипотеза о том, что апомиктические растения обладают определенным образом сбалансированной генетической системой размножения, которая имеет элементы, создающие и закрепляющие гетерозиготності* Гетерогенность у этих растений создается не только во время чередования апомиктвчесвого и полового процессов у растения,или у части растений в популяции,или в разных частях ареала (постоянно иди эпизодически),но и при рекомбиногенезе во время невоэа. Неравнозначность в генетическом отношении типов и форм апомиксиса и лабильность этого способа размножения определяет возникновение гетерозиготних генотипов, а способность повторять в ряде семенных поколений появившиеся генотипы обеспечивает их закрепление в потомстве. Возможность сочетания разните способов размножения и определенное соотношение между ними, регулируемое условиями среды, обеспечивает эволюционные преимущества аловдктов и способствует их микроэволюции и, возможно, прогрессивной эволюции.
Теоретическая.и.практическая.ценность работы. Получена новые данные по эибриологии ряда апоминтических видов, которые вносят определенный вклад как в частную, гак и в общую змбрислегив растений. Обнаружение новых апомиктвческих видов, изучение эмбриологических особенностей апомиктов и их амфимик-тических сородичей, позволили вскрыть ряд важных закономерностей становления и развития апомиктического способа размноже-. кия. Переисследованне известных типов апомиксиса, проведенное вами, способствовало обнаружению ряда деталей, что существенно дополняет характеристику явления апомиксиса в целом и дает возможность объяснить ряд важных генетических явлений при атом способе размножения. Сравнительный анализ развития эмбриональных структур у растений, обладающих разными типами апомиксиса позволил разработать детальную эмбриологическую классификацию апомиксиса (представив ее графически), которая характеризует это явление более полно, чем это делалось ранее. Она дает возможность вскрыть составляющие его процессы и тем самым обнаружить истоки генетической неоднородности потомства апомиктов. Это очень важно как в теоретическом, так и в практическом аспектах. Выявленные новые детали поведения спермин и его производных при гемигамии позволяют объяснить генетический эффект гемигамии и привлечь к
ней внимание г направлении практического использования этого, явления в селекции.
Обнаруженные новые факты и явления, обсуждаемые в свете современник представления об апомиксисе, значительно расширяют ваши знания о его закономерностях и дозволили автору сформулировать гипотезу о том, что аяомиктвческие растении обладает сбалансированное генетическое системой размножения. Эта система размножения, являясь основой для михроэволвцни, может, вероятно, лежать в основе прогрессивное эволюции, если в иен осуществляется сочетание ало- и амфимвктического размножения; направление и скорость эволюции зависит от сбалансированности этих процессов, регулируемых условиями среды.
Во время выполнения данной работы был разработан совместно с В.ШЛевкобским способ приготовления достоянных препаратов тотальных зародышевых мешков, защищенный авторским свидетельством изобретения реализация. Работа явилась составной частью исследования, проводимого в Ботаническом институте им.В.Л.Комарова АН СССР в 1970-1975 гг. до теме "Специализированные типы размножения донрыгосеменных растение" Jf 7I0I55I7, с 1976-60 гг. "Эмбриологические основы апомиксиса" Л 76047243, координируемое планом ВИР АН СССР х ВАСЗОШ на 1975-90 гг., а также по теме "Сравнительная эмбриология цветковых4 Jf 7707685 1980-1985 хт. Положения выводы и.рекомендации, изложенные в диссертации, опубликованные ранее во многих научных статьях, использованы в ряде учебников н справочных руководствах как в нашей стране так и за рубежом: Поддубная-Арнодьдя В*А. "Цн~ тоэмбриологня покрытосеменных", М., 1976; Поддубвая-Арволь-да В.А. "Общая эмбриология покрытосеменных растение", Ы., 1964; Поддубвая-Арнольди В.А. "Характеристика семейств покрытосеменных растение по цитоамбриологическим признакам'', М., 1982; Ванникова В.Я., Хведынич О.А. "Основы эмбриологии растений", Киев, 1982; "Сравнительная эмбриология цветковых", Л., T.I, 1981, Т.2, 1983, Т.З, 1985, Т.4, 1987; Bodkiewioe В. "IintriologiA roslln Kwiatkowyoh*, Warwsavra, 1973; "ВаЪгуоЗо-ву of Angloзрегю»" *a. BjJ.Johri, 1984. Выводы, подученные в наших работах, касающиеся закономерностей гемигамии, и обь-ясняицие ее генетический эффект, были использованы иностранными учеными в эмбриологических исследования: с рудбекией СКо80іП8кл-Гл)аіс, I960, 1982, 1983, 1985) и селекционно-генетических с хлопчатником CTurootte, Feaster, 1974) и коик-сом СЯ'-о, Narayana, 1980). Полученные новые данные по эмбриологии апомиктичных видов, схема классификации и вывода работы используется преподавателями вузов в лекционных курсах и на практических занятиях по ботанике, генетике, эмбриологии и морфологии растении. Они внедрены в учебный процесс в Ленинградском, Московском,- Свердловском, Пермском, Ужгородском Государственных университетах и в некоторых педагогических институтах. Способ приготовления тотальных препаратов внедрен в Ботаническом институте АН СССР им.В.Л.Комарова, во Всесоюзном научно-исследовательском институте растениеводства им.Н.И.Вавилова, в Научно-производственном объединении по зерновым и крупяным культурам, во Всесоюзном научно-исследовательском институте прикладной молекулярной биологии и генетики, в Ужгородском Государственном университете, в Уральском Государственном университете им.А.ШЪрького и в Мордовском государственном педагогическом институте им.Ы.Е.Евсевьева, Публикация. По теме диссертации опубликовано 53 работы, в том числе 7 публикации за рубежом. Адрдбадия. Материалы диссертации доложены на Ш Международном ботаническом конгрессе (1975), на ХЕУ Международном генетическом конгрессе (1978), на трех международных коллоквиумах в симпозиумах по эмбриологии растении (в I960 г. в Париже; в 1978 г. ва Индийско-Советском симпозиуме по эмбриологии в Дели; в 1977 г. на Советско-Индийском симпозиуме в Ленинграде), на совещаниях по филогении растение, 1981 и 1988 г., на ІУ-Ж эмбриологических совещаниях и симпозиумах, ва Всесоюзной межвузовской конференции по морфологии растении, Москва, 1968 г.; на І-Ш совещаниях по адомиксису растении (Саратов, 1966, Новосибирск, 1968, Тбилиси, 1371); на 2-х Всесоюзных совещаниях по щтодогозмбрпологическим осно— вам опыления и оплодотворения у растений (Ялта, 1980, Ленин Объем и структура диссертации. Диссертация состоит нэ введения, восьми глав, выводов, списка цитируемой литературы (I том) и приложений (II той). Материал изложен на 301 стр. -машинописного текста, 2.страницы занимают практические рекомендации* Слисок литературы насчитывает 808 источников,, из них 370 отечественных и 438 иностранных. И том состоит >з , словаря терминов апомиксиса, используемых в работе; 75<таблиц рисунков, включавших 272 микро- и макрофотографий, 250' рисунков, описаний к ним, 10 схем и таблиц, списков растений, у которых обнаружен тот или иной тип апомиксиса.'
град, 1983); на заседании Ленинградского отделения Всесоюзно
го генетического общества, 1979; на отчетной сессии Ученого
совета Ботанического института им.В.Л.Комарова, АН СССР,
1973;. на научных семинараг отдела морфологии того же инсти
тута; на совместном заседании отдела анатомии и цитологии и
лаборатории клеточной инженерии в культуры тканей Всесоюзного
научно-исследовательского института растениеводства им.Н*И.
Вавилова» -