Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор литературы 7
1. Систематическое положение рода Rhododendron 7
2. Литературные данные по эмбриологии и репродуктивной биологии видов рода Rhododendron 10
3. Практическое значение видов рода Rhododendron 14
II. Материал и методы 19
III. Особенности биологии и экологии рододендронов 23
1. Характеристика мест естественного произрастания 23
2. Особенности интродукции 25
IV. Развитие и строение андроцея и пыльника у видов rhododendron 32
1. Развитие и строение андроцея 32
2. Развитие и строение пыльника 34
3. Обсуждение 54
V. Развитие и строение гинецея и семязачатка у видов rhododendron б 1
1. Развитие и строение гинецея 61
2. Развитие и строение семязачатка 62.
3. Обсуждение 75
VI. Антэкологические аспекты репродуктивной биологии видов rhododendron 79
1. Цветение и плодоношение 79
2. Системы опыления и скрещивания 81
3. Качество пыльцы 88
4. Обсуждение 96
VII. Развитие семени 104
1. Развитие и строение семени 104
2. Обсуждение 123
Заключение 128
Выводы 133
Список литературы 13 5
- Литературные данные по эмбриологии и репродуктивной биологии видов рода Rhododendron
- Характеристика мест естественного произрастания
- Развитие и строение пыльника
- Системы опыления и скрещивания
Введение к работе
Актуальность темы. Процессы воспроизведения и размножения цветковых растений всегда находятся в центре внимания исследователей. Одна из попыток комплексного решения этой проблемы была предпринята Р.Е.Левиной (1981), которая рассматривает репродуктивную биологию в виде нового синтетического подхода к изучению репродуктивных циклов. В рамках репродуктивной биологии растений крайне важно выявить основные параметры, которые определяют репродуктивный успех растений (Злобин, 2000). Особенно это касается растений в условиях интродукции, когда семенное размножение сопряжено с такими трудностями, как неадекватные условия произрастания, их нестабильность во время основных периодов развития, отсутствие необходимых переносчиков пыльцы во время цветения. Разработка теоретических основ семенного размножения растений, выявление пластичности систем репродукции являются залогом успешного применения новых нестандартных технологий в генетике, селекции и семеноводстве (Батыгина, 1974, 1987; Кордюм, 1978; Boesewinkel, Bouman, 1984; Терехин, 1996 и др.).
К растениям, плодоношение и семенная продуктивность которых в условиях интродукции являются малоэффективными, по сравнению с этими показателями в местах естественного произрастания, относятся и некоторые представители рода Rhododendron L. из сем. Ericaceae (Александрова, 1976; Александрова, Зорикова, 1974; Якобсон, 1969).
Рододендрон желтый (Rhododendron luteum Sweet) и рододендрон Шлиппенбаха (R. schlippenbachii Maxim.) относятся к ресурсным растениям. Оба вида рододендрона, как и большинство представителей этого рода, являются красивоцветущими кустарниками, поэтому основная область их применения - декоративное садоводство. Рододендрон Шлиппенбаха представляет особую ценность для озеленения, так как относится к группе раноцветущих рододендронов. Рододендрон желтый является еще и лекарственным растением, его листья содержат значительное количество танинов, а эфирные масла из цветков используются в парфюмерной промышленности (Александрова, 1970, 1975, 1989; Кондратович, 1981).
R. schlippenbachii включен в Красную книгу РФ с категорией статуса 2 и нуждается в сохранении. Лесные пожары, массовая выкопка растений и заготовка цветущих побегов рододендронов в местах их естественного произрастания для последующей выгонки и использования в производстве ведет к снижению численности или полному уничтожению популяций и ставит под угрозу существование вида (Александрова, 1975; Кондратович, 1981). Выкопка и срезка побегов растений производится, как правило, частными лицами и
4 носят массовый и неконтролируемый характер. В настоящее время почти все популяции R. schlippenbachii в пределах его ареала на территории России находятся под угрозой исчезновения, что связано главным образом с антропогенным воздействием; наибольшая сохранность растений наблюдается в труднодоступных для человека местах (Врищ, 2000). Для сохранения естественных популяций и упорядочения использования растений предлагается создать особые плантации рододендронов (Кондратович, 1981; Врищ, 2000).
Семенное размножение является наиболее доступным способом получения посадочного материала рододендронов. Этот способ, особенно при использовании семян местной репродукции, эффективен, так как при этом получается наиболее устойчивый к условиям района выращивания материал с хорошо развитой корневой системой. Благодаря генетическому разнообразию полученных растений возможно создание устойчивых искусственных насаждений и получение материала для селекционной работы. Растения обоих видов в местах естественного произрастания обильно цветут и плодоносят, дают самосев, однако в условиях интродукции в Санкт-Петербурге семенная продуктивность растений R. luteum и R. schlippenbachii существенно ниже (Александрова, 1976; Александрова, Зорикова, 1974; Якобсон, 1969).
Для оценки успешности репродукции особое значение приобретает изучение андроцея, гинецея, пыльника, семязачатка, семени, нормальное прохождение процессов в которых обеспечивает формирование жизнеспособной пыльцы, фертильных семязачатков, а в дальнейшем — образование зародыша (спорофита нового поколения). Цветок является наиболее уязвимым органом растений при неблагоприятных факторах, а цветение, и плодоношение интродуцентов — важнейшие показатели их приспособления к новым условиям. В этой связи рододендроны представляют особый интерес для выявления особенностей эмбриологии и репродуктивной биологии, в том числе антэкологии.
R. schlippenbachii практически не изучен в эмбриологическом отношении. Из рододендронов умеренной зоны, выращиваемых на территории России, исследованы в разной степени R. mucronulatum, R. luteum, R. catawbiense. Чаще всего описываются отдельные черты строения гинецея, андроцея, морфология тычинок и отдельные стадии развития пыльника, семязачатка и семени (Александрова, 1975, 1989; Кондратович, 1981; Пачулия, 1982; Palser et al., 1991; Escaravage et al., 1997, 2001). Фрагментарны данные по формированию семязачатка и микроспорангия, состоянию завязи и пыльника во время осенне-зимнего и зимне-весеннего периодов вегетации, особенностям эндоспермо- и эмбриогенеза (Якобсон, 1969, 1976; Пачулия, 1982; Palser et al., 1991). Результаты по закономерностям образования стенки микроспорангия (Якобсон 1968, 1969, 1974; Hermann,
5 Palser, 2000) и генезису семязачатка (Якобсон, 1976; Palser et al., 1989) являются
дискуссионными.
Исследуемые виды имеют различное систематическое положение (в пределах рода) и географическое происхождение, различаются временем цветения, строением цветка.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы является изучение репродуктивной биологии и эмбриологии Rhododendron luteiim и R. schlippenbachii в условиях интродукции.
В связи с поставленной целью определены следующие задачи исследования:
1. Изучить строение генеративной почки, цветка и его основных органов (андроцея,
гинецея).
Исследовать формирование пыльника, выявить закономерности генезиса стенки микроспорангия, особенности микроспорогенеза и формирования пыльцевых зерен.
Провести детальное изучение структур семязачатка, мегаспорогенеза и развития зародышевого мешка.
4. Выявить некоторые аспекты антэкологии (цветение, опыление, прорастание пыльцы).
5. Изучить основные стадии развития зародыша и эндосперма и окружающих структур
семени.
6. Исследовать некоторые аспекты биологии прорастания семени.
Научная новизна. Репродуктивная биология R. schlippenbachii исследована впервые. Детально прослежена антэкология и составлена полная эмбриологическая характеристика рода Rhododendron с учетом оригинальных и литературных данных. Полученные данные вносят определенный вклад и в характеристику семейства Ericaceae в целом. Особенно это касается генезиса андроцея, гинецея, пыльника и семязачатка. На основании результатов проведенного исследования уточнен тип формирования стенки микроспорангия, тип гинецея и плацентации, генезис семязачатка на плаценте, его морфологический тип, строение нуцеллуса, тип развития зародыша и эндосперма.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы для разработки мер по улучшению семенной продуктивности рододендронов в условиях интродукции, при их культивировании и селекционной работе.
Апробация. Материалы, содержащиеся в диссертационной работе, были представлены на II Международной конференции по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 14—18 октября 2002 г.) и I Международной школе для молодых ученых «Эмбриология и биотехнология» (4-9 декабря 2005 г.), доложены на VII Молодежной конференции ботаников в Санкт-Петербурге (15-19 мая 2000 г.), I (IX) Международной
Конференции Молодых Ботаников в Санкт-Петербурге (21-26 мая 2006 г.), на заседаниях научного семинара Лаборатории эмбриологии и репродуктивной биологии.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них статей в рецензируемых журналах - 3, в сборниках трудов научных мероприятий - 3, тезисов 7.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и списка литературы (210 наименований, в том числе 76 на иностранных языках). Работа изложена на 150 страницах, включает 7 таблиц, 53 рисунка.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность Г.М. Анисимовой и С.Г. Сахаровой за помощь и консультации, Г.А. Фирсову, А.В. Холоповой, Т.Э. Потапович и СВ. Шевчуку за предоставленную возможность работать с коллекцией рододендронов, Е.В. Андроновой, А.А. Торшиловой, М.Н. Колдаевой, Т.А. Москалюк, И.М. Кокшеевой, М.В. Михалину и СВ. Нестеровой за сбор материала в Приморском крае. Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ РФ (проект № НШ-2096.2008.4), РФФИ (проект № 08-04-0076) и программы ОБН РАН «Биологические ресурсы России: фундаментальные основы рационального природопользования».
Литературные данные по эмбриологии и репродуктивной биологии видов рода Rhododendron
Развитие репродуктивных органов большинства рододендронов умеренной зоны охватывает два вегетационных периода. Во время первого периода в генеративных почках происходят процессы микро- и мегаспорогенеза, в течение второго - формирование пыльцы, зародышевого мешка, цветение, оплодотворение, формирование и созревание семян и плодов.
Тычинка. Для представителей рода Rhododendron характерны зигоморфные, обоеполые, спайнолепестные цветки. Тычинок 5-10, реже их число достигает 20 (Пачулия, 1982). Расположение тычинок циклическое, чаще они образуют два круга (Takhtajan, 1997), однако у некоторых видов наружный круг тычинок отсутствует (Жуковский, 1964). У многих видов Rhododendron описан диморфизм тычинок, проявляющийся в неодинаковом строении тычинок в пределах одного цветка (Macqueen Cowan, Davidian, 1948; Александрова, 1975, 1989; Кондратович, 1981; Escaravage et al., 1997, 2001; Danet, 2005).
Пыльник. Для ряда представителей семейства Ericaceae характерна инверсия пыльников, в результате которой морфологически нижний конец пыльника становится вторично апикальным. Время прохождения этого процесса различно - у Rhododendron он завершается на начальных стадиях формирования пыльников (Якобсон, 1968), тогда как у некоторых других представителей семейства (например, Enkianthus) - непосредственно перед цветением (Hermann, Palser, 2000).
Пыльник у видов рододендрона 4-гнездный, гнезда (микроспорангии) попарно объединены в 2 теки. Перед в скрыванием пыльника перегородки в теках разрушаются, и пары гнезд с каждой стороны связника объединяются. Генезис стенки микроспорангия подробно не изучен. Имеются данные о строении сформированной стенки микроспорангия, которая у многих представителей подсемейств Rhododendroideae, Ericoideae, Vaccinioideae сем. Ericaceae (Якобсон, 1983), образована 5-6 слоями: эпидермой, эндотецием, 2-3 средними слоями и тапетумом. Результаты по закономерностям ее образования противоречивы (Батыгина и др., 1963; Якобсон 1968, 1969, 1974; Hermann, Palser, 2000). Пыльники вскрываются апикальными порами, хотя для некоторых вересковых (Enkianthus) описан хорошо дифференцированный эндотеций, в результате чего вскрывание происходит по длине пыльника (Hermann, Palser, 2000).
У большинства представителей сем. Ericaceae тетраэдральные тетрады микроспор формируются по симультанному типу. Вокруг каждой микроспоры формируется мощная каллозная оболочка. Пыльца на всем протяжении развития сохраняется в тетрадах, у Enkianthus и Erica stricta пыльцевые зерна одиночные. Зрелая пыльца у многих видов 2-клеточная, однако у Enkianthus описана трехклеточная пыльца (Якобсон, 1983; Hermann, Palser, 2000). Спермиогенез в ходе прорастания пыльцевого зерна и образования пыльцевой трубки изучен у R. mucronulatum, R. luteum (тетраплоидная форма), R. smirnowii, R. ledebourii, который у них протекает сходным образом (Якобсон, 19686, Якобсон, 1969а).
Гинецей состоит обычно из 5, у некоторых видов до 17 плодолистиков, завязь верхняя (Palser et al., 1985). Иногда в пределах одного растения развиваются отдельные завязи с меньшим или большим, чем характерно для данного вида, числом плодолистиков (Palser et al., 1991). В литературе гинецей у рододендронов определяют как синкарпный (Пачулия, 1982; Palser et al., 1991). Плаценты у рододендронов массивные, плацентация осевая (Creech, 1955; Palser et al., 1991), а в некоторых случаях в верхней части завязи она характеризуется как париетальная (Palser et al., 1985).
Семязачаток. Для R. catawbiense (Якобсон, 1976), R. williamsii и R. schlippenbachii описана инициация семязачатков за счет периклинальных делений клеток субэпидермы плаценты (Palser et al., 1989). Дальнейшее формирование примордия семязачатка не прослежено. У изученных видов рододендрона интегумент возникает из клеток эпидермы. Семязачаток анатропный, тенуинуцеллятный (Якобсон, 1969, 1976; Пачулия, 1982; Palser et al., 1991). Из исследуемых нами видов фрагментарные данные по строению семязачатка имеются лишь для тетраплоидной формы R. luteum (Якобсон, 1976).
У R. mittallii выявлены нарушения в морфогенезе семязачатка. В этом случае возникает длинный фуникулус, который не срастается с интегументом (рафе не образуется), что приводит к формированию морфологического типа семязачатка, близкого к гемитропному (Palser et al., 1990).
Согласно имеющимся данным, женский археспорий у Rhododendron, как правило, одноклеточный. Однако у R. canadense описан многоклеточный археспорий (Bell, Burchill, 1955). Тетрады мегаспор линейные. Зародышевый мешок развивается по Polygonum-типу. Синергиды с нитчатым аппаратом и крючковидными выростами. Имеются 3 антиподы небольших размеров, которые сохраняются до образования халазального гаустория эндосперма. Полярные ядра сливаются до оплодотворения (Якобсон, 1969; Palser et al., 1971, 1989, 1991) Опыление, антэкология, число хромосом. Для видов рода Rhododendron характерна аллогамия. Механизмами, препятствующими автогамии, у разных видов являются пространственная и временная изоляция пыльников и рыльца (Kudo, 1993; Escaravage at al., 1997), а также самонесовместимость (Yamaguchi, 1980, Williams et al., 1984, Padrutt et al., 1997). Рододендроны - энтомофильные растениями, у которых преобладает мелиттофилия (Kudo, 1993; Ng, Corlett, 2000; Stout, 2007).
Для многих представителей рода Rhododendron характерно образование спонтанных межвидовых гибридов (Бакланова, 2005; Харадзе, Давлианидзе, 1969; Argent, 1985; Danet, 2005; Inobe, 1971; Milne et al., 1999, Zha et al., 2008). Однако при некоторых вариантах скрещиваний наблюдается подавление роста пыльцевых трубок в проводниковом тракте пестика (Creech, 1955; Williams et al., 1982, 1985), отсутствие нормального оплодотворения, нарушения в развитии зиготы, зародыша и эндосперма на разных стадиях развития семени (Kaul et al., 1986; Padrutt et al., 1992). Отмечено, что при существенном (в 5-6 раз) различии между родительскими видами по длине пестика, образование гибридных семян без дополнительных мероприятий по преодолению нескрещиваемости маловероятно (Williams et al., 1986; Williams, Rouse, 1988; 1990). Зафиксированы случаи нежизнеспособности проростков гибридного происхождения (Creech, 1955; Williams et al., 1985).
Различия в числе хромосом, как и интервал между периодами цветения различных видов, являются препятствиями для естественной межвидовой гибридизации. У большинства видов Rhododendron, в том числе R. schlippenbachii и R. luteum, 2n=26 (Janaki Ammal et al., 1950). У R. luteum существует тетраплоидная форма с 2n = 52 (Якобсон, 1968а, 1969а). У некоторых других видов Rhododendron: R. catawbiense — 26, R. macromdatum — 26 (Якобсон, 1968a), R.parvifolium - 26, R. dauricum - 26 (Числа хромосом..., 1990); R. adamsii - 26 (отмечено также 55-58), R. aureum - 26 (отмечено также 52), R. camtchaticam - 24, R. mucronulatum — 26, R. redovskianum — 26, R. sichotense — 26 (Крогулевич, Ростовцева, 1984; Числа хромосом..., 1990).
Характеристика мест естественного произрастания
Высотные пределы распространения рода Rhododendron на земном шаре доходят до 5400 м над уровнем моря. Rhododendron camtschaticum и R. lapponicum встречаются в горной тундре. Рододендрон — типично гидрофильное растение, которому необходимо обильное увлажнение в период вегетации, но особенно во время цветения и активного роста, а также при подготовке к зиме. При этом рододендронам необходим хороший дренаж почвы, так как при застойном избыточном увлажнении растения страдают от недостатка кислорода. В природных условиях они обычно обитают в районах с высокой влажностью воздуха, на влажной, хорошо дренированной почве, богатой калием и гумусом (Александрова, Возна, 1982; Александрова, 1984,1989).
Большинство рододендронов являются кальцефобами. Имеются виды, предпочитающие кислые почвы, однако встречающиеся и на нейтральных, богатых кальцием почвах. К таким видам относится R. dauricum, произрастающий на нейтральных почвах в некоторых районах Читинской области, а также R. caucasicum и R. ponticum. R. hirsutum растет на субстратах, под которыми имеется известковая горная порода. R. ledebourii произрастает в лиственничных лесах (опад лиственницы способствует накоплению кальция в верхних горизонтах почвы), R. hiteum - на почвах от кислых до слабощелочных (Александрова, Возна, 1982). Однако это не означает, что рододендроны хорошо переносят щелочную реакцию субстрата. Кальций рододендроны усваивают очень легко, и это тормозит поступление в организм растения других необходимых элементов питания — калия и магния. Добавив в субстрат для выращивания рододендронов калий, магний или железо в больших количествах, можно уменьшить отрицательное влияние кальция на развитие рододендронов. Рододендроны могут расти и на субстрате, рН которого превышает 7, при условии, что в нем содержится большое количество магния (Александрова, 1989).
Рододендроны растут в сосновых, еловых, пихтовых, лиственничных, дубовых, грабовых, буковых, каштановых, березовых лесах. Они являются эдификаторами кустарниковых зарослей или подлеска. Под рододендронами в процессе их роста и развития формируются специфические торфянистые почвы. Высокогорные виды способны поселяться на первичных продуктах разложения горных пород. В дальнейшем, при разложении опада, под ними образуется довольно мощный (местами до 30-40 см) слой темноокрашенной кислой горно-торфянистой почвы. Мощность его зависит от возраста зарослей рододендрона (Александрова, Возна, 1982).
Для нормального развития рододендронов необходима микориза. Микотрофность является одним из важнейших факторов, благодаря которому растения семейства вересковых, в том числе рододендроны, способны произрастать на бедных субстратах (Шевчук, 2008). Имеются литературные данные по симбиозу рододендронов, в частности, выделен эрикоидный тип микоризы, характерный для представителей семейства Ericaceae. В то же время, в условиях интродукции в Латвии микориза у рододендронов обнаружена не была (Витолиня, 1972). В настоящее время, с появлением новых методов исследования, стали активно проводиться работы по изучению этого вопроса. Так, выявлена эндотрофная микориза эрикоидного типа на корнях сеянцев представителей Ericaceae, в том числе Rhododendron, установлено ее благоприятное влияние на всхожесть и биометрические показатели сеянцев (Нгуен Тхи Иен, 2008).
Корневая система рододендронов поверхностная, однако ее структура и глубина проникновения в значительной мере зависит от механического состава и влажности почвы. На тяжелых и очень влажных почвах корневая система проникает не так глубоко, как на легких и более сухих (Александрова, Возна, 1982). R. schlippenbachii распространен на Корейском полуострове и близлежащих островах, на Северо-Востоке Китая, в пределах России — в Хасанском районе Приморского края. В естественных условиях R. schlippenbachii растет под пологом смешанного леса, образованного Pinus densiflora, Tilia taquetii, Tilia koreana и Quercus dentata, где образует густой подлесок, и на открытых ландшафтах. Растения произрастают на каменистых горных склонах различной экспозиции, вершинах сопок среди крупноглыбовых россыпей, по каменистым россыпям, скалистым обрывам, ущельям гор, по сырым склонам берега моря. Вместе с R. mucronulatiim образует небольшие заросли. Светолюбив, нетребователен к почвенным условиям (Александрова, 1972; Врищ, 2000). Для района произрастания данного вида характерен муссонный климат. В летний период выпадают ливневые дожди, почва переувлажнена. В отдельные годы осадков выпадает мало, наблюдается сравнительно длительный засушливый период. Первая половина зимы часто бывает бесснежной, с сильной инсоляцией, затем устанавливается снежный покров, сохраняющийся до весны. Раннее установление снежного покрова чаще наблюдается после засушливого лета (Александрова, Зорикова, 1974). В течение зимы часто происходят кратковременные оттепели с последующим резким похолоданием. Естественный ареал R. luteum — Украинское и Белорусское Полесье, Кавказ, Польша, Малая Азия. Ареал дизъюнктивен, он распадается на "польский остров" и "малоазиатско кавказский остров". Встречается в подлеске, на опушках, на вырубках, на маломощных щебнистых почвах, в горах на высоте до 2000 м над уровнем моря (Александрова, 1989). На территории Украины этот вид распространен в основном в районе Словечанско-Овручского кряжа (Головко и др., 2005). На территории России R. luteum произрастает на юге Краснодарского и Ставропольского краев, в Кабардино-Балкарской Республике, Северной Осетии, Дагестане (Александрова, 1975). R. luteum входит в состав подлеска в разнообразных типах леса. Наиболее распространенными являются ассоциации с Pinus sylvestris, Quercus robur, Betula pendula, B. pubescens, Alnus glutinosa. Заросли R. luteum в полесском фрагменте ареала приурочены к пониженным элементам рельефа с легкими по механическому составу почвами и уровнем грунтовых вод 0,3-1,1 м, наиболее интенсивное цветение наблюдается на открытых участках с максимальной освещенностью (Козьяков, 1984).
В местах естественного произрастания R. luteum размножается в основном вегетативно, реже семенами. При этом он легко разрастается на вырубках и гарях, образует густой подлесок (Козьяков, Шабарова, 1969). В то же время в пределах своего естественного ареала растения данного вида обильно плодоносят. R. luteum успешно выращивается во многих пунктах интродукции и входит в число наиболее распространенных видов рододендрона в коллекциях ботанических садов (Александрова, 1976).
Развитие и строение пыльника
Пыльник у изученных видов рододендрона 4-гнездный, гнезда (микроспорангии) попарно объединены в 2 теки. Перед вскрыванием пыльника перегородки в теках разрушаются, и пары гнезд с каждой стороны связника объединяются. Пыльник имеет различное строение на поперечных срезах: на полюсах (нижний и верхний, ближе к апикальным порам) теки отделены друг от друга, затем они оказываются объединенными за счет тканей связника и, наконец, в области инверсии видны 2 проводящих пучка (рис. 3, 7-8; 7, 2а, За; 12, 1-4).
Генезис пыльника наиболее подробно изучен нами у R. schlippenbachii в условиях интродукции. На ранних этапах развития, когда уже произошла дифференциации тычинки на пыльник и тычиночную нить, пыльник состоит из однородных клеток, окруженных эпидермой. В дальнейшем в субпидермальном слое каждого гнезда пыльника дифференцируется группа инициальных клеток, которые образуют как слои микроспорангия, так и археспориальные клетки (рис.б, 1). После периклинально го деления центральной, субэпидермальной клетки наружу отделяется археспориальная клетка, а внутрь - клетка, из которой формируется проксимальная (ближайшая к связнику) часть стенки микроспорангия (рис.6, 2). Латеральные субэпидермальные инициальные клетки за счет делений образуют латеральные части стенки микроспорангия. В результате периклинальных делений археспориальных клеток возникают наружный (париетальные клетки) и внутренний (спорогенные клетки) слои микроспорангия (рис. 6, 3). Клетки париетального (постенного) слоя формируют дистальную часть стенки микроспорангия (рис. 6, 4). Как уже было отмечено, к моменту образования спорогенных клеток в микроспорангии завершается инверсия пыльников (рис. б, 3, За).
Спорогенные клетки претерпевают ряд делений и становятся микроспороцитами, или материнскими клетками микроспор. Клетки париетального слоя делятся периклинально, при этом образуются 2 слоя, имеющие различную судьбу. Внутренний слой, примыкающий к микроспороцитам, преобразуется в тапетум. Клетки наружного слоя, продолжая делиться в том же направлении, образуют эндотеций и средний слой (рис. 7, /, 2). В дальнейшем деления отмечаются только в среднем слое, в результате чего в стенке микроспорангия формируются 2-3 средних слоя (рис. 7, 3; 8, 7). Следует отметить, что в ходе всех этих трансформаций происходит постепенное морфологическое обособление тычиночной нити от пыльника в области изгиба тычинки (рис.7, 2а, За; 8, 1а). Таким образом, сформированная стенка микроспорангия представлена 5-6 слоями: эпидермой, эндотецием, 2-3 средними слоями и тапетумом (рис.8,7).
Сравнительный анализ развития пыльника показал, что со стадии сформированной стенки пыльника до вскрывания пыльника и высыпания пыльцы все процессы происходят у обоих видов в целом сходным образом (хотя, как мы увидим далее есть и некоторые отличия), как в условиях интродукции в ботанических садах Санкт-Петербурга, так и при выращивании в дендрариях Приморского края.
Микроспорогенез. Микроспороциты крупные, вытянутой формы, плотно примыкают друг к другу. Их количество на поперечном срезе составляет 35-40 (рис. 8, 1; 9, 7). Между плазмалеммой и оболочкой микроспороцитов, прежде всего клеточных стенок со стороны тапетума, в начале профазы I начинает откладываться каллоза (рис. 9, 2). Тетрады микроспор формируются по симультанному типу. После первого деления мейоза образуется 2-ядерная клетка (рис. 9, 3), после второго деления - 4-ядерная (рис. 9, 4, 5). Затем происходит цитокинез и образование тетрады микроспор. Двуядерная клетка уже имеет полную каллозную оболочку. Цитокинез осуществляется бороздованием от периферии к центру будущей тетрады и сопровождается образованием каллозных оболочек вокруг каждой, микроспоры (рис. 9, б). В тетрадах микроспоры располагаются тетраэдрально (рис. 9, 7). У Rhododendron тетрады не распадаются и сохраняются на всем протяжении функционирования пыльцы. Кроме того, тетрады зрелых пыльцевых зерен соединены клейкими висциновыми нитями.
Нами установлена асинхронность процессов в генезисе пыльников в зависимости от типа тычинок. Верхние тычинки, как правило, раньше вступают в мейоз и раньше заканчивают его. У R. luteum указанные процессы протекают одновременно во всех тьиинках, однако в пределах пыльника вступление микроспороцитов в мейоз происходит также асинхронно. При этом в верхней части пыльника наблюдается анафаза І, в нижней части - профаза I. Однако основные различия между тычинками R. schlippenbachii касаются достижения микроспорами одной из критических стадий в морфогенезе пыльника - стадии сильновакуолизированньгх микроспор. Во всех типах тычинок сначала идут схожие процессы формирования микроспор при переходе их от мейотического к постмейотическому периоду (в исследовании использована периодизация развития пыльника, предложенная О.П.Камелиной, 1981). Микроспоры обычно принимают округлую форму, увеличиваются в размерах, и в них идет активный синтез мелких вакуолей (рис. 9, 7; 10, 1-2). В средних и нижних (коротких) тычинках в таком состоянии микроспоры остаются на всем протяжении зимнего покоя. В верхних (длинных) тычинках микроспоры продолжают развиваться. К окончанию первого периода вегетации они увеличиваются в размерах, и в них возрастает толщина каллозной оболочки. Наблюдается агрегация мелких вакуолей в одну крупную центральную вакуоль, при этом ядро в каждой микроспоре смещается к центру тетрады (рис.9, 8). Именно на этой стадии развития значительная часть микроспор (1, 2 и даже все 4 в тетраде) подвергаются деструкции, что сопровождается разрушением ядра и содержимого цитоплазмы (рис.9, 9-11; 10, 3). В микроспорах, не подвергшихся процессам деструкции, ядра могут переместиться к периферии тетрады. Однако, подобное строение микроспор (перед делением), чаще всего наблюдается весной. В средних и нижних тычинках стадия сильновакуолизированных микроспор и сопутствующая ей дегенерация выявляются только с началом второго периода вегетации. Следует отметить, что процессы стерилизации микроспор в них выражены слабее по сравнению с верхними тычинками.
Характеристика слоев стенки микроспорангия. Сформированная стенка микроспорангия у R. schlippenbachii, как и у многих представителей подсемейств Rhododendroideae, Ericoideae, Vaccinioideae семейства Ericaceae (Якобсон, 1983), образована 5-6 слоями: эпидермой, эндотецием, 2-3 средними слоями и тапетумом (рис.8, 1). В ходе развития в слоях стенки происходят следующие структурные изменения.
В эпидерме еще на стадии микроспороцитов перед мейозом начинают утолщаться клеточные оболочки, а в клетках накапливается крахмал (рис.7, 3). В дальнейшем становятся более отчетливыми утолщения радиальных и внутренних тангентальных стенок, а содержимое клеток заполняется слизистыми веществами, вероятно, полисахаридами. Утолщения клеточных стенок и накопление слизи обнаруживается не только в клетках эпидермы стенки микроспорангия, но и в большинстве клеток вокруг проводящего пучка (рис. 8, 1, 1а). Такое состояние пыльника сохраняется на всем протяжении первого периода вегетации (рис. 10, 1, 2), что, вероятно, является адаптацией растений к условиям продолжительной холодной зимы. После перезимовки утолщенными оказываются все стенки клеток, а слизистые вещества постепенно резорбируются (рис. 11,7, 2).
Системы опыления и скрещивания
Обычно описывают формирование стенки микроспорангия за счет деления клеток париетального слоя. В огромном числе работ по эмбриологии париетальными клетками как при развитии пьшьника, так и семязачатка, принято называть клетки, которые образуются при делении археспориальных: наружу - париетальные клетки, а внутрь — спорогенные. При этом париетальные клетки формируют лишь часть стенки микроспорангия (с наружной стороны) или сегмент в апикальной области нуцеллуса над формирующимся мегаспороцитом. Слои стенки микроспорангия возникают либо в центробежном (тапетум возникает первым в стенке микроспорангия - Warming, 1873), либо в центростремительном (тапетум является конечным продуктом делений производных париетального слоя - Carniel, 1961) направлении. Считается, что со стороны связника слои микроспорангия образуются из клеток прилегающей меристемы (например, Steffen, Landmann, 1958; Камелина, 1994). Существует точка зрения (Carniel, 1961; Батыгина, 1974; Bhandari, Khosla, 1982), что и с внутренней стороны дифференцируется париетальный слой, возникающий из меристемы связника, т.е париетальный слой имеет двойственное происхождение. Подобное компромиссное решение не позволило ответить на вопрос, как возникает подобный единый слой клеток, однако привлекло внимание к проблеме дифференциации слоев стенки» микроспорангия, так как оказалось, что уже с ранних стадий вокруг спорогенной ткани формируется кольцо клеток, имеющих схожие структурные характеристики.
В литературе существуют данные, посвященные особенностям генезиса стенки микроспорангия именно у представителей сем. Ericaceae. Был выделен особый, Ericaceae-тип формирования стенки микроспорангия: дифференциация париетального слоя происходит в центростремительной последовательности, при этом тапетум возникает из ткани вторичного археспория (Батыгина и др., 1963). Чтобы отразить специфику генезиса тапетума при Ericaceae-типе, авторы предложили оригинальную трактовку ряда понятий: первичный археспорий - ткань, производная меристемы пыльника, а вторичный археспорий - ткань, производная первичного археспория, которая может давать начало только спорогенным клеткам либо спорогенным клеткам и тапетуму. Следует упомянуть, что в большинстве современных работ понятия «первичный археспорий» и «вторичный археспорий» не употребляются. Вместо них используются термины «археспорий» (клетки субэпидермального слоя лопасти пыльника, из которых формируются спорогенная ткань и слои стенки микроспорангия) и «спорогенная ткань» (формируется в результате периклинальных делений археспориальньгх клеток) (Эмбриология..., 1994). Кроме того, в новую классификацию типов формирования стенки микроспорангия, предложенную позднее (Терехин и др., 1993), было решено не включать Ericaceae-тип в связи с дискуссионностью возможности образования тапетума из клеток вторичного археспория.
Тем не менее, представления о первичном и вторичном археспории в пыльнике были использованы, хотя и несколько в ином смысле, и при описании развития его стенки у некоторых видов Rhododendron: R. catawbiense, R. luteum, R. mucronulatum (Якобсон, 1968, 1969, 1974). На стадии заложения гнезд пыльника Л.Я. Якобсон выявила в субэпидерме 3 особые клетки, которые после периклинальных делений образуют два слоя первичных археспориальньгх клеток. Внутренние первичные археспориальные клетки в дальнейшем образуют внутреннюю часть париетального слоя и так называемые первичные центральные клетки, а наружные - наружную часть париетального слоя и спорогенные клетки. Из клеток париетального слоя в центростремительной последовательности образуется эндотеций, 3-4 средних слоя и тапетум. Центральные клетки создают второй слой тапетума во внутреннее части микроспорангия. К началу мейоза все клетки тапетума, независимо от происхождения, приобретают сходную морфологию и функции.
Исследование, проведенное у Calluna vulgaris, Kalmia latifolia, Enkianthus campanulatus и Vaccinium stamineum (Hermann, Palser, 2000) показало, что в субэпидемальном слое каждого формирующегося микроспорангия выделяются 3-6 клеток, каждая из которых преобразуется в археспориальную и делится периклинально на первичную париетальную и первичную спорогенную клетки. Первичные париетальные клетки также за счет периклинальных делений образуют все слои стенки микроспорангия. Были обнаружены различия между видами и нестабильность в поведении слоев, производных наружного вторичного париетального слоя, вследствие чего было сделано заключение о невозможности типизировать особенности формирования стенки микроспорангия в соответствии с классификацией, предложенной G.Davis (1966). Поскольку во многих работах подробные данные по генезису пыльника отсутствуют, авторы не смогли определить тип формирования стенки микроспорангия и у других ранее изученных представителей сем.Егісасеае (Ganapathy, Palser, 1964; Stushnoff, Palser, 1969; Venkateswarlu, Maheshwari Devi, 1973).
Таким образом, существуют различные точки зрения на происхождение слоев внутренней области стенки микроспорангия. С другой стороны, имеющиеся данные по развитию пыльника у представителей сем. Ericaceae не однозначны в своей интерпретации. В свете представлений И.И.Шамрова (2006) и, исходя из полученных нами результатов, мы считаем, что все слои микроспорангия, а также спорогенная ткань возникают на базе клеток (чаще всего они закладываются в числе 3), дифференцирующихся на самых ранних стадиях формирования бутона в субэпидерме каждого формирующегося микроспорангия. Судьба этих клеток, делящихся сначала преимущественно периклинально, различна: центральная субэпидермальная клетка отделяет внутрь инициаль проксимальной части стенки микроспорангия и наружу археспориальную клетку, которая образует затем спорогенную и париетальную клетки (последняя инициирует образование всех слоев с дисталыюй стороны микроспорангия); латеральные субэпидермальные клетки образуют латеральные части стенки микроспорангия. Эти представления во многом совпадают с трактовкой данных, полученных Якобсон (1968, 1969, 1974). Но в отличие от наших результатов, Якобсон считала археспориальными не только наружные клетки, которые образуются при делении инициальных субэпидермальных клеток, но и внутренние, чтобы обосновать париетальное происхождение слоев стенки микроспорангия со стороны связника. Аналогичные данные были получены недавно при изучении пыльника у Dioscorea пірропіса (Торшилова, Батыгина, 2005). Эти авторы, как и Якобсон, слои стенки микроспорангия с проксимальной стороны также называют париетальными. Как было ранее показано в исследованиях И.И.Шамрова (1999, 2002, 2006), процессы генезиса слоев стенки гнезда пыльника могут быть поняты исходя из общности в строении и развитии микро- и мегаспорангия цветковых растений. Все составные элементы как микроспорангия, так мегаспорангия имеют общее происхождение: возникают из клеток субэпидермального слоя зачатка гнезда пыльника или плаценты.
