Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности формирования зародышей и классификация их типов у покрытосеменных и голосеменных растений in vivo и in vitro 8
Классификация эмбриональных типов у покрытосеменных растений 8
Классификация эмбриональных типов у голосеменных растений 14
Культивирование эксплантов в культуре in vitro 18
Глава 2. Характеристика района работ, объекты и методы исследования 33
Характеристика территории 33
Объекты исследования 34
Методы исследования 37
Цитоэмбриологические исследования 38
Морфометрия женских побегов и почек 40
Оценка семенной продуктивности 40
Стратификация семян 40
Культивирование эксплантов в культуре in vitro 41
Глава 3. Особенности эмбриогенеза сосны сибирской in vivo 45
Эмбриогенез в семяпочках 2-го года развития на прививочной плантации сосны сибирской на сосну обыкновенную в Красноярской лесостепи 45
Эмбриогенез в семяпочках 2-го года развития у типичных деревьев сосны сибирской из Западного Саяна 58
Глава 4. Развитие эмбриональных структур у «аномальных» деревьев сосны сибирской с однолетним циклом развития женской шишки 69
Морфогенез женских побегов 72
Структура урожая женских шишек 76
Цитоэмбриологические исследования 78
Глава 5. Особенности внутрисемейного роста зародышей у сосны сибирской при стратификации 86
Глава 6. Культивирование мегагаметофитов и изолированных зародышей сосны сибирской в культуре in vitro 92
Культивирование изолированных семяпочек и мегагаметофитов 93
Культивирование изолированных зиготических зародышей 98
Образование адвентивных почек 103
Выводы 113
Список литературы 115
Приложение 1 131
Приложение 2 132
- Классификация эмбриональных типов у покрытосеменных растений
- Эмбриогенез в семяпочках 2-го года развития на прививочной плантации сосны сибирской на сосну обыкновенную в Красноярской лесостепи
- Морфогенез женских побегов
- Культивирование изолированных семяпочек и мегагаметофитов
Введение к работе
Одной из главных проблем эмбриологии растений является исследование процессов образования и развития зародыша, который уже несет в себе организацию взрослого растения. К концу XX века накопились обширные данные по эмбриогенезу многих покрытосеменных и голосеменных растений.
Эмбриогенез у сосны сибирской {Pinus sibirica Du Tour) - одного из основных лесообразователей Южной Сибири, единственного вида продуцирующего орехи в данном регионе до сих пор изучен очень слабо (Третьякова, 1990). Исследование генеративных органов были направлены на изучение закономерностей формирования урожаев (Ирошников, 1974, 1978; Некрасова, 1981, 1983; Воробьев, 1974, 1984) и на анализ физиологических процессов, лежащих в основе формирования репродуктивных структур (Минина, Ларионова, 1979). При этом, выявлено, что для семян сосны сибирской характерны: высокая полиэмбриония, недоразвитость зародышей и даже полное выпадение стадии эмбриогенеза из цикла развития, отмеченное у «аномальных» особей с признаками акселерации репродуктивного процесса.
Для изучения закономерностей эмбриогенеза сосны сибирской и регуляции эмбриональных процессов большие перспективы открываются при использовании методов культуры тканей и органов, хорошо разработанных для покрытосеменных и значительно слабее для хвойных. Для регуляции эмбриональных процессов, направленных на преодоление стерильности семян и выращивание полноценных сеянцев у сосны сибирской, перспективным методом является культивирование мегагаметофитов и зародышей in vitro.
Этот метод: обеспечит возможность слежения за новообразованием элементов структуры зародыша, его морфогенезом, может способствовать снятию покоя зародыша семян, вызвать пролиферацию клеток; позволит
5 понять процесс дифференциации ткани и будет способствовать получению соматических эмбриоидов.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в изучении особенностей роста и развития мегагаметофитов и зародышей у сосны сибирской in vivo и в культуре in vitro. Задачи исследования:
сравнительное изучение морфогенеза зародыша в семяпочках прививок сосны сибирской на сосну обыкновенную и типичных деревьев сосны сибирской в условиях in vivo',
исследование морфогенеза побегов, женских шишек и эмбриологических структур «аномальных» особей с однолетним циклом развития мегастробилов;
выявление особенностей внутрисемейного роста зародыша в условиях стратификации;
исследование процессов роста и развития эмбрионов в мегагаметофитах и изолированных зародышей в культуре in vitro;
индукция адвентивного почкообразования и получение растений-регенерантов.
Научная новизна. Впервые проведено сравнительное исследование особенностей эмбриогенеза женской шишки у прививок сосны сибирской на сосну обыкновенную, типичных (двухлетний цикл развития) и «аномальных» (однолетний цикл развития) деревьев in vivo; изучены эмбриональные процессы в мегагаметофитах и изолированных зародышах на ранних стадиях их онтогенеза в контролируемых условиях in vitro; получен органогенный каллус и индуцировано образование адвентивных почек в культуре in vitro сосны сибирской.
Практическое значение работы заключается в разработке методов микроклонального размножения при помощи культуры зародышей и индукции адвентивного почкообразования для плантационного выращивания ценных и уникальных генотипов сосны сибирской.
Защищаемые положения.
Завершение эмбриогенеза и формирование проростков у сосны сибирской в культуре in vitro зависят от стадии зрелости мегагаметофитов и воздействия определенных гормонов.
Акселерация эмбриональных процессов в женских шишках «аномальной» сосны сибирской обусловлена спецификой развития побегов женской сексуализации.
Апробация результатов. Материалы, составляющие основу диссертации, были представлены и докладывались на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях: XXXVI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1998), II Всероссийская научно-практическая конференция «Плодоводство, семеноводство, интродукция древесных растений» (Красноярск, 1999), II Всероссийская научная конференция студентов и молодых ученых «Агроэкология и устойчивое развитие регионов» (Красноярск, 2000), I межрегиональная научно-практическая конференция «Сохранение биологического разнообразия Приенисейской Сибири» (Красноярск, 2000), X международный симпозиум «Концепция гомеостаза: теоретические, экспериментальные и прикладные аспекты» (Красноярск, 2000), международная конференция «Классификация и динамика лесов Дальнего Востока» (Владивосток, 2001), конференция молодых ученых Института леса СО РАН "Исследования компонентов лесных экосистем Сибири" (Красноярск, 2001), Всероссийская научно-практическая конференция «Химико-лесной комплекс: проблемы и решения»
7 (Красноярск, 2001, 2002), II Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2001), III Российская конференция «Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока» (Красноярск, 2001), симпозиум «Tree seed technology, Physiology and tropical silviculture» (Филиппины, 2001), международная научная конференция «Биологические ресурсы и устойчивое развитие» (Пущино, 2001), международный симпозиум «Молекулярные механизмы генетических процессов и биотехнология» (Москва-Минск, 2001), международный симпозиум "Biotechnology approaches for exploitation and preservation of plant resources" (Yalta, Ukraine, 2002), международная конференция «Boreal Forests and Environment: Local, Regional and Global Scales» (Красноярск, 2002), II Международная конференция по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 2002), научно-практическая конференция «Кедровые леса Западной Сибири: современное состояние, использование и восстановление» (Томск, 2002), XI Съезд русского ботанического общества (Новосибирск, 2003), VIII Международная конференция «Биология клеток растений in vitro и биотехнология» (Саратов, 2003), XII Мировой лесной конгресс (Квебек, Канада, 2003)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ и 1 статья находится в центральной печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы, включающего 161 название, а также приложения. Работа изложена на 132 страницах и включает 17 таблиц и 50 рисунков.
Автор искренне признателен и выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.б.н. И.Н. Третьяковой за всестороннюю поддержку при выполнении работы и благодарен д.б.н. Е.Н. Муратовой, д.б.н. Л.И. Милютину, к.б.н. Ю.Н. Баранникову, к.б.н. Г.В. Кузнецовой и директору Западно-Саянского опытного лесного хозяйства Ю.А. Череповскому за многостороннюю помощь в научной работе.
Классификация эмбриональных типов у покрытосеменных растений
К концу XX века накопились обширные данные по эмбриогенезу многих покрытосеменных растений. Эти результаты были систематизированы и послужили основой для классификации эмбриональных типов развития.
Морфологическим особенностям формирующихся зародышей, выделению и характеристике эмбриональных типов, их классификации посвящены многие обзоры и монографии (Hofmiester, 1867; Schnarf, 1929; Soueges, 1937, 1938, 1948-1951; Johansen, 1945, 1950; Яковлев, 1950, 1951a, 19516, 1960, 1971; Модилевский и др., 1958; Maheshwari, Rangasnamy, 1965; Crete, 1963; Street, Opik, 1970, и др.). Наиболее детально проследил эмбриогенез большого числа представителей покрытосеменных растений и выявил общие закономерности в развитии зародышей Р. Суэж (Soueges. 1937-1948).
Ряд исследований посвящен недифференцированным зародышам (Грушвицкий, 1963; Терехин, 1962, 1973; Поддубная-Арнольди, 1964; Савина, 1965; Никитичева, 1970, 1971, и др.) В этих работах наряду с морфологией зародышей рассматривается взаимосвязь между степенью развитости зародыша и местом обитания растений, на которых образуются семена, содержащие слабо развитые зародыши.
Большой интерес представляет изучение зеленых зародышей (ПоддубнаяАрнольди, 1964; Жукова, 1968,1971,1972; Яковлев, Жукова, 1971; Кострикова, 1975; Николаева, 1975 и др.). Наиболее детально зеленые зародыши исследовались Г.Я. Жуковой и М.С. Яковлевым. Авторы обнаружили их у 428 видов покрытосеменных растений.
Электронно-микроскопически изучались в основном зрелые зародыши, и только в единичных работах анализировались зародыши на ранних стадиях эмбриогенеза (Setterfield et al., 1959; Nougarede, 1963; Nieuwdorp, 1963; Perner, 1965; Yatsu, 1965; Klein, Ben-Shaul, 1966; Paulson, Srivastava, 1968; Schulzjensen, 1968).
Зародыш по характеру своего развития достигает различных размеров и разной степени дифференциации. Обычно вегетативные органы растения закладываются уже в процессе развития зародыша, по крайней мере в виде соответствующих апикальных меристем. Зародыш состоит из оси, представляющей собой ось гипокотиль — корень и несущий на одном конце меристему корня, а на другом - семядолю (или семядоли) и меристему первого побега. Иногда у зародыша имеются: почечка, эпикотиль и зародышевый корешок. На конце корешка обычно развивается корневой чехлик (Эсау, 1969). У земляного ореха (Arachis hypogaea) зародыш имеет не только облиственный эпикотиль, но также и два примордия боковых побегов, возникших в пазухах семядолей. В семействе злаков зародыш высокодифференцирован и состоит из многих частей, включая примордии придаточных корней. Такие примордии имеются также и у зародышей некоторых двудольных растений (Steffen, 1955). Формирование зародыша начинается с деления зиготы. Зигота развивается полярно и имеет осевую симметрию. Физиологически полярность выражается в разной интенсивности обмена веществ: в верхнем (апикальном) конце зиготы она больше, чем в нижнем (базальном) (Банникова, Хведынич, 1982). Первое деление зиготы у покрытосеменных осуществляется поперечной перегородкой, при этом образуются апикальная и базальная клетки двухклеточного проэмбрио. Развитие у шаровидного проэмбрио заканчивается образованием эмбриодермы, после чего начинается формирование зародыша. Развитие и строение зародыша у разных представителей покрытосеменных растений при общем сходстве имеют и различия. В связи с этим рядом исследователей были предложены классификации типов развития зародыша. Первая классификация была дана К. Шнарфом (Schnarf, 1929), а затем Р. Суэжем (Soueges, 1938) и Д. Джогансеном (Johansen, 1945, 1950). В основу классификации типов развития зародышей положены способ возникновения 4-клеточного проэмбрио и степень участия этих клеток в образовании основных частей зародыша. Наиболее простой является классификация К. Шнарфа (Schnarf, 1929), построенная им на основании данных, полученных Р. Суэжем. К. Щнарф выделил пять типов развития зародышей: I — Cruciferae, II — Asteraceae, III — Solanaceae, IV - Chenopodiaceae, V — Caryophyllaceae. Общим для всех типов является то, что первое деление зиготы сопровождается заложением поперечной перегородки, в результате чего образуются апикальная и базальная клетки. В первом типе при образовании 4-клеточного проэмбрио в апикальной клетке перегородка закладывается продольно, а в базальной -поперечно. Основные части зародыша (семядоли, подсемядольное колено, зачатки стебля и корня) развиваются из апикальной клетки. Из базальной клетки развиваются только подвесок и гипофизис. Во втором типе апикальная клетка тоже делится продольной перегородкой, а базальная - поперечной. Из апикальной клетки образуются лишь семядоли, а подсемядольное колено, корешок и подвесок формируются из базальной. Третий тип характеризуется делением апикальной и базальной клеток поперечными перегородками. Основные части зародыша образуются из апикальной клетки, а из базальной возникают подвесок и гипофизис. В четвертом типе базальная и апикальная клетки делятся поперечно, и обе принимают участие в образовании основных частей зародыша. Тип 5 характеризуется тем, что все органы зародыша и даже клетки подвеска образуется из апикальной клетки, которая делится в начале поперечной перегородкой. Базальная клетка не делится вообще и входит в состав подвеска. Классификация Д. Джогансена (Johansen, 1945, 1950) несколько отличается от классификации К. Шнарфа (Schnarf, 1929). Отличие заключается в том, что Д. Джогансен в свою классификацию включает не только двудольные, но и однодольные растения, поскольку он считает, что развитие их зародыша происходит очень сходно. Для более легкого распознавания типов развития зародыша Д. Джогансен расписал свою классификацию в виде ключа:
Эмбриогенез в семяпочках 2-го года развития на прививочной плантации сосны сибирской на сосну обыкновенную в Красноярской лесостепи
В процессе исследования вегетативных и генеративных органов сосны сибирской, произрастающей на прививочной плантации и в естественных древостоях, были использованы эмбриологические, морфометрические, цитологические методы исследования и метод культуры тканей и органов.
Для исследования закономерностей формирования семян сосны сибирской с опытных деревьев, произрастающих на клоновых плантациях и в естественных древостоях, проводился сбор шишек 2-го года развития в период, предшествующий оплодотворению, в период оплодотворения и последующим формированием проэмбрио и эмбрио. Исследования были начаты в конце мая. Сбор образцов шишек осуществлялся систематически через каждые 3 дня до I декады июля и далее раз в 10 дней до конца августа (срок созревания семян).
Из каждой шишки извлекались семяпочки, и затем семяпочки каждого сбора делились на две партии: одна из которых шла для эмбриологического исследования, а другая вводилась в культуру in vitro. 2.3.1. Цитоэмбриологические исследования
При эмбриологическом изучении в основном использовалась та же методика, что и при исследовании покрытосеменных растений (Поддубная-Арнольди, 1976). Для цитологических и цитохимических исследований применялась фиксирующая смесь Навашина (Паушева, 1980). Дальнейшая обработка материала проводилась по общеизвестной методике (Прозина, 1960). Парафинированные образцы резались на ротационном микротоме. Толщина срезов 7-12 мкм.
Для окрашивания тканей использовались цитохимические методы исследования. Они включают ряд приемов, направленных на выявление специфических веществ и характер распределения их в клетках. Срезы окрашивали проционовыми красителями (Иванов, Литинская, 1967; Иванов, 1982), гематоксилином по Гейденгайну (Дженсен, 1965), реакцией Фельгена-Шиффа (Паушева, 1980).
Окрашивание проционовыми красителями проводилось на депарафинированных срезах. Комбинированная окраска белков и углеводов осуществлялась проционом ярко синим RS и проционом ярко красным 2 RS (Иванов, Литинская, 1967). Промытые водой срезы помещались в 0,1 % раствор проционового ярко синего в фосфатном буфере с рН 5,6-6,0 в течение 1 часа при температуре 56С-60оС. Срезы промывались и окрашивались 0,1 % содовым (МагСОз) раствором проционового красного в течение 25 мин. при комнатной температуре. Далее их промывали дистиллированной водой, обезвоживали и бальзамировали.
Выявление ДНК проводилось с помощью реакции Фельгена-Шиффа. Депарафинированные срезы подвергались гидролизу 1н НС1 и помещались в реактив Шиффа на 8-12 часов. Способ приготовления реактива Шиффа следующий: 1 грамм чистого основного фуксина соединяют с 200 мл кипящей дистиллированной воды и кипятят 5 минут, затем охлаждают до 50С, профильтровывают и добавляют к фильтрату 20 мл 1н НС1. И снова охлаждают до 25С и добавляют 1 грамм метабисульфита Na (№28205), оставляют в темноте на 24 часа. После чего добавляют 2 грамма активированного угля и встряхивают в течение 1 мин и фильтруют. Хранят фильтрат в темноте при 0-4С. Перед употреблением доводят до комнатной температуры. После окрашивания препараты выдерживаются в серной воде, промываются дистиллированной водой и подкрашиваются метиленовым зеленым, обезвоживаются и бальзамируются.
При окрашивании гематоксилином депарафинированные срезы протравливались в растворе 4 %-ных железо-аммонийных квасцов в течение 4-8 часов. Потом срезы промывались в проточной воде 1-2 ч и в дистиллированной воде. Затем препараты опускались в краситель на 1,5 -2 ч и снова промывались в дистиллированной воде. Дифференцировка срезов осуществлялась в 2 %-ных квасцах под микроскопом. После промывки, проводки через смеси абсолютного спирта и ксилола, препараты бальзамировались.
Просмотр микроскопических образцов осуществлялся на микроскопах МБИ-6, СССР и KS 300 Imaging System, Германия. Замеры эмбриональных структур проводили при помощи окуляр-микрометра с последующим переводом полученных единиц в мкм. Морфологические изменения фиксировались цифровой видеокамерой Nikon и фотоаппаратом «Зенит».
Статистическая обработка материала проводилась вариационно-статистическим методом (Рокицкий, 1973) и с помощью пакета программ Microsoft Excel.
Для исследования онтогенеза женских побегов и почек проводилось изучение морфологических параметров приростов текущего года, и осуществлялся гистологический анализ женских почек. При исследовании морфологических параметров приростов текущего года замерялась протяженность побега (L), протяженность побега, занятого хвоей (1), определялась степень охвоенности побегов (отношение 1/L, выраженное в %), подсчитывапось число брахибластов на побеге и измерялась длина хвои.
При гистологическом анализе женских почек, на постоянных цитологических препаратов, проводилось описание характера заложения метамерных органов: кроющих чешуи, укороченных побегов (брахибластов) и мегастробилов.
Морфогенез женских побегов
Таким образом, процесс эмбриогенеза у сосны сибирской можно разделить на 3 микроскопически видимых стадии: проэмбриогенез, стадию раннего эмбриогенеза и позднего эмбриогенеза. Формирование проэмбрио у данного вида идет по USE-типу характеризуется свободным делением ядер, миграцией их к основанию архегония, образованием 16-клеточного четырех-ярусного проэмбрио. Вся проэмбриональная стадия продолжается 7 дней. Стадия раннего эмбриогенеза включает внедрение инициалей эмбрио в зародышевый канал, их кливаж (через 7 дней после оплодотворения) и дифференциации зародышевой оси на семядоли, гипокотиль и зародышевый корешок. Зародыши в таком состоянии имеет вид «точки», длина его достигает 1-1,5 мм. Стадия позднего эмбриогенеза (30 дней после оплодотворения) характеризуется интенсивным ростом зародышевой оси. В этот период у зародыша четко выделяются семядоли, гипокотиль и зародышевый корешок.
Зародыши зрелых семян сосны сибирской характеризуются незавершенностью эмбриогенеза, длина зародышевой оси занимает от Vi до 3А длины зародышевого канала и составляет 5-7 мм. Доразвитие и внутрисемейной рост зародышей происходит в течение 3-5 мес в процессе стратификации.
Эмбриогенез у сосны сибирской на прививочных плантациях (Красноярская лесостепь) и в естественном древостое (Западный Саян) происходит одинаково. Различия возникли лишь в сроках прохождения эмбриональных событий. Стадии оплодотворения и эмбриогенеза в Западном Саяне в оптимуме произрастания у сосны сибирской опережают аналогичные стадии у деревьев из Красноярской лесостепи на 5 дней.
Среди особей сосны сибирской в древостоях Западного Саяна встречаются отдельные уникальные формы с признаками акселерации развития женских шишек. Созревание женских шишек и формирование семян у данных форм деревьев происходит в год опыления в течение 1,5-2,5 месяцев (вместо 14-15 месяцев) (рис. 21). Формируются беззародышевые семена с развитым эндоспермом (Ирошников, 1974; Минина, Ларионова, 1979; Третьякова, 1990). Внешне «аномалии» проявляются в локализации зрелых женских шишек на кончиках побегов там, где обычно располагается озимь (рис. 22).
По данным физиолого-биохимических исследований однолетние женские шишки уникальных особей сосны сибирской характеризуются активным метаболизмом: содержали большое количество ауксинов и гибберелинов, а также накапливали свободные аминокислоты и низкомолекулярные углеводы (Минина, Ларионова, 1979).
Цитоэмбриологические исследования И.Н. Третьяковой (1990) показали, что заложение генеративных структур, микро- и макроспорогенез, начальные этапы формирования гаметофитов происходили также как у типичных деревьев. Однако через 1 месяц после опыления у «аномальных» особей резко возрастала активность женского гаметофита, через 2 месяца появлялись архегонии, и формировалась яйцеклетка, однако оплодотворения яйцеклетки не происходило из-за отсутствия роста пыльцевых трубок или их медленного роста. Таким образом, «аномальные» особи не могут быть размножены семенным путем.
В начале 70-х г и в конце 90-х г в древостоях Западного Саяна А.И. Ирошниковым и Ю.А. Череповским были обнаружены еще две особи сосны сибирской с «аномальными» однолетними женскими шишками. Акселерация женских шишек у данных особей была еще более заметной по сравнению с описанными выше деревьями. Уже через 1,5 месяца после опыления (конец 2-ой декады июня) у данных особей женские шишки были хорошо заметны в кроне деревьев на кончиках однолетних побегов. Общей морфологической характеристикой деревьев, отличающих их от описанных выше «аномальных» деревьев (Ирошников, 1974; Минина, Ларионова, 1979) является внешний вид женских побегов, несущих однолетние шишки - большая часть таких побегов была лишена хвои. Хвоя располагалась в апикальной части женских побегов, прилегающей к женским шишкам.
Исследования показали, что рост побегов у деревьев сосны сибирской заканчивался в конце второй декады июля. Женские генеративные почки после окончания роста побегов у «аномальных» форм сосны сибирской были хорошо сформированы и составляли 12-15 мм в длину. Проведенное гистологическое исследование показало определенную последовательность в заложении метамеров по оси женской почки (рис. 23). В основании почки формировались несколько рядов (3-5) стерильных чешуи, начиная с середины оси происходило заложение зачатков укороченных побегов (брахибластов), последними в апикальной части оси побега закладывались 2-3 зачатка мегастробилов. В целом, морфогенез женских генеративных почек у «аномальных» особей отличался от типичных деревьев сосны сибирской (Минина, Ларионова, 1979; Некрасова, Воробьев, 1982) отсутствием зачатков брахибластов в нижней базальной части оси женской почки.
Культивирование изолированных семяпочек и мегагаметофитов
Архегонии в семяпочках у деревьев с однолетним циклом развития № 1ш и № 100 оставались без изменений около 7 сут. За этот период у чуть больше половины семяпочек (53 %) возобновлялся вторичный рост пыльцевых трубок к архегониям. На отдельных препаратах видны ядра спермия в непосредственной близости от архегониев (рис. 29). Однако оплодотворение обнаружить не удалось. В ряде случаев наблюдался митоз ядра яйцеклетки, т.е. шло его гаплоидное деление, однако ядра проэмбрио не обнаруживались, т.е. деление яйцеклетки оставалось не реализованным. Впоследствии ядро яйцеклетки подвергалось деструкции и лизировало.
Причины остановки эмбрионального развития у «аномальных» особей сосны сибирской с ускоренным формированием женских структур шишек при полном созревании мужского и женского гаметофита остаются неясными. Значительная активация физиолого-биохимических процессов «аномальных» особей женских шишек, установленная Е.Г.Мининой и Н.А.Ларионовой, вероятно, является предпосылкой для рассматриваемых аномалий. Возможно усиление синтетической деятельности тканей семяпочки, вызванное вторичным ростом пыльцевой трубки, оказывается токсичным для зрелой яйцеклетки. Ее ядро инактивируется и утрачивает способность к сингамии. Можно допустить также, что гаусториальная функция пыльцевых трубок ослаблена, вследствие чего нарушается синхронность созревания мужского и женского гаметофитов, т.е. происходит несовпадение стадии созревания яйцеклетки со временем внедрения мужских гамет. Дегенерирующая яйцеклетка оказывается неспособной к выполнению свойственных ей половых функций и вскоре гибнет, несмотря на наличие подошедших к ней пыльцевых трубок. В результате возникает несовместимость.
Гаплоидное деление ядра в неоплодотворенных яйцеклетках сосны сибирской заслуживает особого внимания. Это явление говорит о проявлении партеногенеза, одного из разновидностей апомиксиса. Прежде считалось, что апомиксис у хвойных отсутствует, партеногенетическое деление яйцеклеток было описано только у покрытосеменных растений. При этом указывалось, что апомиктичные виды обладают высокой физиологической активностью семяпочек (Цингер, Петровская-Баранова, 1965; Хохлов, 1967,1970) и относятся к эволюционно перспективным. Не исключено, что высокая физиологическая активность женских шишек, акселерация цикла развития и гаплоидное деление яйцеклетки у описанных выше «аномальных» форм сосны сибирской являются доказательством их эволюционной продвинутости (Минина, Ларионова, 1979).
Рассматривая причины появления «аномальных» форм у сосны сибирской нельзя не обратить внимание на ряд отличий в прохождении цикла развития у данного вида по сравнению с другими соснами. Прежде всего, эти отличия связаны с акселерацией развития эмбриологических структур у данного вида. Первое из них проявляется в период формирования женского гаметофита при опылении семяпочек. В этот период женский гаметофит у сосны сибирской находится в свободно-ядерной стадии развития, в то время как у других сосен свободно-ядерная стадия формирующегося женского гаметофита осуществляется только после опыления (Третьякова, 1990). Второе отличие связано с акселерацией развития мужского гаметофита. Мужской гаметофит сосны сибирской в год опыления развивается до 3-х клеточной структуры, (т.е. проходит 4-ый митоз из 5), в то время как у других сосен развитие мужского гаметофита идет до 2-х клеточной структуры. Таким образом, семяпочки сосны сибирской отличаются признаками продвинутости среди сосен. Об этом же свидетельствует и появление форм - акселератов у сосны сибирской, прохождение эмбрионального цикла за один вегетационный период (вместо двух). И особенно факты гаплоидного деления ядра яйцеклетки, свидетельствующего о том, что семяпочка сосны сибирской может развиваться по пути апомиксиса, на что указывала Е.Г. Минина (Минина, Ларионова, 1979).
До сих пор нет удовлетворительного объяснения природы возникновения уникальных особей сосны сибирской с однолетним циклом развития семян без зародышей в год пыления. Одни авторы (Ирошников, 1974) относят появления таких форм у сосны сибирской к реликтовым, сохранившимся в оптимальных условиях существования вида, другие (Минина, Ларионова, 1979; Третьякова, 1990) считают, что данные особи обладают чертами прогрессивности (акселерация цикла развития и в целом женских шишек и наличие апомиксиса).
Таким образом, цикл развития у «аномальных» генотипов завершается за 16 месяцев, вместо 27 месяцев. Однако процесс оплодотворения у рассматриваемых форм сосны сибирской с однолетним циклом развития не происходит. Эмбриональное развитие у данных форм сосны сибирской прекращалось, и развивались только мегагаметофиты, в которых зародыш не обнаруживался. Следовательно, уникальные формы сосны сибирской не могут быть размножены семенным путем.
В целом, «аномальные» формы сосны сибирской с ускоренным циклом развития являются ценным материалом не только для биологических и генетико-селекционных исследований по изучению закономерностей семенного размножения, но и представляют большой интерес для изучения эволюционного процесса у хвойных.
