Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Обзор литературы 9
2.1. Динамика микротрубочек цитоскелета при образовании и функционировании фрагмопласта в различных типах растительных клеток 10
2.2. Функциональное значение фрагмопласта 21
2.3. Роль актина в построении и функции фрагмопласта 23
2.4. Формирование клеточной пластинки 25
2.5. Образование дочерних мембран 27
2.5.1. Основные морфологические процессы 27
2.5.2. Молекулярные механизмы образования дочерних мембран 29
2.6. Пространственная регуляция цитокинеза 30
2.6.1. Препрофазное кольцо микротрубочек 31
2.6.2. Регуляция плана деления в бесстеночных клетках 32
2.7. Клеточный цикл и цитокинез 33
2.8. Мутации, нарушающие цитокинез 35
2.9. Заключение 39
Глава 3. Материал и методы 41
Глава 4. Результаты и обсуждения 43
4.1. Преимущества использованных подхода и модели 45
4.2. Формирование системы МТ фрагмопласта на примере сукцессивного цитокинеза у однодольных растений 46
4.2.2. Динамика микротрубочек на этапе цитокинеза в нормальном мейотическом делении 48
4.2.3. Происхождение МТ фрагмопласта на примере аномального мейоза 50
4.3. Функциональное значение фрагмопласта при сукцессивном цитокинезе у однодольных 56
4.3.1 Образование клеточной пластинки и дочерней мембраны в нормальном мейотическом делении 56
4.3.2. Фрагмопласт без клеточной пластинки 56
4.3.3 Модель механизма центробежного движения фрагмопласта 60
4.4. Структурно-морфологические механизмы симультантного цитокинеза 63
4.4.1 Формирование интерзональной системы микротрубочек-аналога фрагмопласта при симультантном цитокинезе 64
4.4.2. Образование дочерних мембран при симультанном цитокинезе 70
4.4.3. Образование различных типов тетрад микроспор 73
4.5. Аномалии образования дочерних мембран и временная регуляция цитокинеза 77
4.5.1. Преждевременный цитокинез 78
4.5.2. Контакт с материнской мембраной - как фактор отключения цитокинеза 81
4.5.3. Феномен чрезмерного цитокинеза в фенотипе мейотической мутации раті кукурузы 85
4.5.4. Нарушение центробежного движения фрагмопласта/клеточной пластинки
4.5.5. Продолжение цитокинеза после формирования дочерних мембран
4.5.6. Механизм временной регуляции цитокинеза
4.6. Сравнительная характеристика симультанного и сукцессивного цитокинеза
4.7. Аномалии цитокинеза и мейотическая реституция
4.8. Систематизация аномалий цитокинеза
Заключение
Выводы
Список цитируемой литературы
- Функциональное значение фрагмопласта
- Пространственная регуляция цитокинеза
- Формирование системы МТ фрагмопласта на примере сукцессивного цитокинеза у однодольных растений
- Структурно-морфологические механизмы симультантного цитокинеза
Введение к работе
Актуальность проблемы. Процесс разделения цитоплазмы - цитокинеза или цитотомия, является таким же важным этапом клеточного цикла, как кариокинез и интерфаза. Именно в результате цитокинеза окончательно обособляются дочерние клетки. Но для растительных организмов важность этого процесса не ограничивается только репродукцией клеток. Так как клетки растений покрыты ригидной оболочкой и поэтому лишены подвижности, они не способны радикально менять свою форму. Вследствие этого для процессов роста и дифференцировки чрезвычайно важна точная пространственная ориентация каждого деления цитоплазмы, которое может быть продольным, поперечным, тангенциальным, симметричным, асимметричным и т. д. И зачастую от типа деления зависит не только морфология дочерних клеток, но и их онтогенетическая судьба.
Интерес к этой теме не ослабевает уже около ста лет, и, несмотря на полученный за это время огромный фактический материал, остаются серьезные пробелы в понимании этого процесса на всех уровнях его организации. В частности, нельзя считать законченным изучение структурно-морфологических основ цитокинеза. Недостаток морфологических данных ощущается особенно остро, когда необходимо точнее интерпретировать результаты молекулярных и биохимических исследований и поставить в соответствие молекулярным факторам определенные клеточные структуры или события. Кроме того, остаются не выявленными многие структурные механизмы, лежащие в основе работы цитокинезного аппарата. Неизвестно, как осуществляется пространственная регуляция цитокинеза, включение и отключение целого каскада событий, связанных с этим процессом, каков механизм центробежного движения клеточной пластинки и образования дочерних мембран. Восполнить недостаток этих данных может только детальная картина морфологических преобразований, происходящих во время деления цитоплазмы. В настоящее время идет интенсивный поиск подходов и методов, позволяющих детализировать процесс цитокинеза, разложить его на элементарные события и проанализировать с учетом динамики отдельных структур и компонентов (например, с точки зрения динамики элементов цитоскелета или мембран). Со своей стороны мы предложили достаточно эффективный, на наш взгляд, подход для решения целого ряда задач, связанных с изучением цитокинеза. Данный подход предусматривает использование в качестве модели аномальное мейотическое деление в материнских клетках пыльцы. Мы приняли во внимание следующие основные достоинства этой модели: во-первых, аномалии любого сложного, многофакторного процесса позволяют представить его в виде автономных событий, выявить значение той или иной структуры, установить связь или независимость отдельных компонентов; во-вторых, источник аномалий мейоза в материнских клетках практически неисчерпаем. Это могут быть отдаленные гибриды, мейотические мутанты, аллоплазматические линии, гаплоиды, полиплоиды и т.д. На сегодняшний день мы располагаем довольно обширной коллекцией мейотических аномалий, затрагивающих различные этапы цитокинеза.
Использование мейоцитов в качестве модельной системы дает возможность получить дополнительную информацию об особенностях мейотического деления у растений. Традиционно изучение мейоза сосредоточено на организации ядерного аппарата, хромосом и механизмах кариокинеза. Однако предпосылкой образования нормальных гамет является не только правильное расхождение хромосом, но и успешное деление цитоплазмы, тогда как последнему феномену не всегда уделялось достаточное внимание.
Кроме того, нарушения цитокинеза в материнских клетках пыльцы можно рассматривать как важный фактор мейотической реституции, что, в свою очередь, играет положительную роль в отдаленной гибридизации и имеет значение в эволюции растений.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение механизмов цитокинеза у высших растений посредством детального цитологического скрининга нормального и аномального мейоза в материнских клетках пыльцы. Это подразумевает анализ перестройки, динамики и взаимодействия различных субклеточных структур на этапе построения дочерней мембраны. Задачи исследования:
1. Анализ динамики микротрубочек цитоскелета в нормальном мейотическом делении материнских клеток пыльцы в период поздней анафазы-раннсго интсркинсза, то есть стадий перехода от веретена деления к фрагмопласта, построения фрагмопласта и клеточной пластинки, их центробежного движения, и, наконец, перехода от фрагмопласта к интерфазному цитоскелету.
2. Цитологический анализ аномального мейоза в коллекции растений, представленной мейотическими мутантами, отдаленными гибридами, а также отдельными экземплярами моносомных линий и галоидов.
3. Систематизация и распределение аномалий цитокинеза в соответствии с конкретными этапами этого процесса.
Научная новизна и практическая ценность работы. В настоящей работе представлены данные, полученные с помощью подхода, который может быть с успехом применен для решения широкого круга цитологических задач, связанных с изучением сложноорганизованных клеточных процессов.
Детальный структурно-морфологический анализ нормальной и измененной цитологической картины позволил установить неизвестные ранее особенности и закономерности цитокинеза в клетках высших растений. В частности был детально описан механизм образования фрагмопласта с точки зрения реорганизации микротрубочек в мейозе однодольных и двудольных растений. Были получены убедительные доказательства того, что центробежный рост клеточной пластинки обусловлен динамикой микротрубочковых фибрилл фрагмопласта. Это опровергает существующие в настоящее время представления о том, что эти фибриллы пассивно раздвигаются маргинально растущей клеточной пластинкой. На основе полученных новых данных была предложена альтернативная модель центробежного движения фрагмопласта/клеточной пластинки. Нам удалось показать, что существует специфический сигнальный фактор, обеспечивающий временную регуляцию цитокинеза, и этот сигнал связан с определенными структурами и событиями на клеточном уровне.
Все описанные нами аномалии цитокинеза были систематизированы и соотнесены с определенными этапами этого процесса, что может иметь значение при интерпретации результатов цитологического анализа у различных мутантных форм, характеризующихся нарушениями деления цитоплазмы.
Апробация работы. Результаты данного исследования были доложены на Отчетной сессии ИЦиГ СО РАН 2001 года и международном симпозиуме «Cytoskeleton: A Key for Biotechnology» в Ялте (1998 г.).
Вклад автора. Автор самостоятельно занимался приготовлением препаратов методами световой, флуоресцентной и электронной микроскопии, а также принимал участие в сборе материала и поддержании коллекции некоторых использованных для работы растений. Анализ и обобщение полученных данных были сделаны совместно с руководителем диссертационной работы Шаминой Н.В.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит следующие главы; введение, обзор литературы, материалы и методы, результаты и обсуждение, выводы и список цитируемой литературы. Работа изложена на 133 страницах, содержит 21 рисунок (108 фотографий), 3 таблицы и список литературы из 191 ссылки.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность Шаминой Наталье Владимировне, руководителю диссертационной работы, а также всем сотрудникам Института цитологии и генетики, любезно предоставившим материал для цитологических исследований: к.б.н. A.M. Орловой, д.б.н., проф. А.И. Щаповой, д.б.н. Н.П. Гончарову, д.б.н., проф. СИ. Малецкому, к.б.н. С.Г. Вепреву, к.б.н. Е.Д. Дейнеко и сотруднику Омского аграрного университета к.б.н. Г.М. Серюкову. Автор также выражает благодарность за помощь в подготовке и оформлении диссертации д.б.н. Л.В. Высоцкой, к.б.н. СИ. Байбородину, к.б.н. О.А. Силковой, д.б.н. Л.И. Лебедевой, Е.У. Болоболовой, к.б.н. С.А. Федоровой, Д.И. Выпринцеву, СЮ. Дорогову.
Функциональное значение фрагмопласта
Функциональная роль фрагмопласта проявляется в двух формах двигательной активности: транспорт мембранных пузырьков и центробежное движение системы фрагмопласт/клеточная пластинка.
Любой внутриклеточный транспорт с участием МТ опосредуется специальными моторными белками. В частности, экзоцитозный транспорт диктиосомных пузырьков в направлении клеточной поверхности происходит с помощью кинезинов (Kruitzcr et al., 2000). Однако, все кинезиновые белки, обнаруженные во фрагмопласте, не вовлечены в процесс транспорта пузырьков, а отвечают за динамику МТ в процессе цитокинеза и организацию фрагмопласта. И в настоящее время неизвестно, какие белковые факторы могут участвовать в перемещении мембранных пузырьков в клеточную пластинку.
Для механизма центробежного движения необходимо динамическое обновление МТ на растущем крае клеточной пластинки за счет периодичных процессов их сборки и разборки. Предполагается, что те МТ, которые оказываются в области сформированной клеточной пластинки деполимеризуются, а на растущем крае собирается новая популяция МТ. Поскольку область динамической нестабильности МТ фрагмопласта полностью соответствует локализации растущего края клеточной пластинки, некоторые авторы полагают, что в составе ее матрикса есть компоненты, отвечающие за полимеризацшо/деполимериацию МТ.
Гипотеза о регулярном обновлении МТ в процессе центробежного движения основана на следующих экспериментальных наблюдениях: 1) Стабилизация МТ фрагмопласта таксолом или другими веществами, ингибирующими деполимеризацию, прекращает рост клеточной пластинки; 2) Функционирующий фрагмопласт активно включает меченый тубулин, при микроинъекциях последнего in vitro (Zhang et al., 1990; Vantard et al., 1990), и красится антителами к гамма-тубулину, который является обязательным компонентом МТОЦ в животных клетках (Liu, 1993; 1995; Joshi and Palewitz, 1996). Однако, вышеупомянутая гипотеза - не единственное возможное объяснение этих данных. Как показали работы Т. Асады с соавторами (Asada et al., 1997), в процессе центробежного движения происходит взаимное скольжение МТ фрагмопласта в направлении своих «-» - концов и одновременное их наращивание со стороны «+»-концов. Это скольжение происходит с помощью специального моторного белка TKRP-125, образующего мостики между соседними противоположно направленными МТ (Asada et al., 1997). Антитела к моторному домену этого белка сдерживают центробежное движение. В процессе взаимного скольжения МТ, область их перекрывания должна была бы неизбежно сокращаться, что, вероятно, предотвращается интенсивным присоединением новых тубулиновых субъединиц (Asada et al., 1997). Однако сам смысл этого процесса и его вклад в центробежное движение фрагмопласта/клеточной пластинки так и остается непонятным и никак не интерпретируется авторами эксперимента. Помимо МТ и мембран в цитокинезе принимают участие микрофиламенты (МФ) (Kilmartin, Adams, 1984; Clayton, Lloyd, 1985; Clayton, 1985; Scmit, Lambert, 1987; Cho, Wick, 1989; Staiger, Cande, 1991). Интерфазные нити актина образуют густую сеть, занимающую пространство между ядром и плазматической мембраной. Эта сеть сохраняется в профазе, сгущаясь вокруг ядра. В метафазе и ранней анафазе одна популяция МФ представлена в виде тонких нитей, совпадающих по направлению с МТ веретена, другая сконцентрирована на его полюсах (Traas et al., 1987, 1989; Van Lammeren et al., 1985; Staiger, Cande, 1991).
После сегрегации хромосом F-актин заполняет всю экваториальную зону веретена. Эти МФ полимеризуются de novo непосредственно на экваторе, а не перераспределяются из других регионов (Kakimota, Shibaoka, 1987, 1988; Palevitz, 1987; Schmit, Lambert, 1987; Traas et al.,1987, 1989). Позднее, во время роста клеточной пластинки, они вместе с МТ фрагмопласта удаляются из центра клеточной пластинки и локализуются на его растущем краю (Kakimota, Shibaoka, 1987; Palevitz, 1987; Schmit, Lambert, 1990).Большинство авторов считает, что F-актин фрагмопласта организуется в хорошо выраженную фибриллярную структуру (Kakimota, Shibaoka, 1987;
Пространственная регуляция цитокинеза
Считается, что в организации процесса деления клеточной цитоплазмы предусмотрен некоторый механизм, заблаговременно определяющий точное место построения фрагмопласта и клеточной пластинки. Иными словами, еще накануне деления планируется местоположение новых мембран и клеточной стенки и, следовательно, заранее определяется морфология будущих дочерних клеток (Newcomb, 1969; Gunning, Wick, 1985; Hcpler, 1985; Lloyd, 1987; Mineyuki, Gunning, 1990).
Один из аспектов пространственной регуляции цитокинеза -цитологический - связан с выявлением структур и механизмов, обеспечивающих правильную ориентацию и координацию в объеме клетки каждого деления цитоплазмы. Изучение этой темы актуально и с точки зрения проблемы морфогенеза растительной ткани. Поскольку клетки растений окружены ригидной оболочкой и лишены подвижности, их форма — это в основном результат действия факторов, определяющих место закладки клеточной стенки. Иногда от того, в каком районе пошел цитокинез, зависит и дальнейшая судьба дочерних клеток.Так в результате асимметричного деления возникают клетки, способные впоследствии дифференцироваться. В частности, замыкающие клетки устьиц, генеративные клетки пыльцы и клетки корневых волосков развиваются из меньших по величине продуктов асимметричного деления.В настоящее время в качестве наиболее значимого фактора пространственной регуляции цитокинеза рассматривается препрофазное кольцо (ППК) МТ. Но эта структура образуется только при митотическом делении клеток, покрытых клеточной стенкой. В бесстеночных клетках специализированные структуры, участвующие в пространственной регуляции цитокинеза, не были обнаружены.
ППК микротрубочек - структура примерно от 1 до 3 мкм шириной, располагается в кортикальном слое цитоплазмы и в виде плотного кольца опоясывает клетку в том месте, где предстоит разделение цитоплазмы. Время существования этой структуры ограничено препрофазой. ППК формируется в G2- периоде и окончательно деиолимеризуется накануне митоза. Эта структура характерна для всех типов растительных клеток, покрытых клеточной стенкой, и независимо от того, будет ли деление симметричным или асимметричным, поперечным или продольным, положение ППК всегда заранее соответствует плоскости деления. Такая особенность ППК и послужила причиной широкого изучения этой структуры как фактора пространственной регуляции цитокинеза, детерминирующего расположение, ориентацию и направленное движение системы фрагмопласт/клсточная пластинка (Pickett-Heaps, Northcote, 1966; Pickett-Heaps, 1969, 1972; Gunning, Hardham, 1982; Lloyd, 1987; Cho, Wick, 1989; Mineyuki, Gunning, 1990).
Хотя MT препрофазного кольца деполимеризуются накануне митоза, область кортикальной цитоплазмы, которую они ограничивали, сохраняет функциональное значение. В этом участке, называемым «сайтом деления», происходит слияние клеточной пластинки с материнской мембраной и клеточной стенкой. Центробежный рост клеточной пластинки идет ориентированно в направлении к «сайту деления». Смещение растущей клеточной пластинки относительно плана деления посредством центрифугирования предотвращает ее взаимодействие с этим участком и блокирует заключительный этап цитокинеза (Galatis et al., 1984).Существование регулирующего влияния ППК на события цитокинеза было многократно показано с помощью различных факторов, вызывающих дезорганизацию этой структуры. В результате химического или физического воздействия на ППК цитокинез происходит аномально, с формированием искривленной клеточной пластинки(Успусг1оо ct al., 1984, Vcnverloo, Libbenga, 1987). Кроме того, нарушения в структуре или ориентации ППК, вызванные отдельными мутациями, приводят к серьезным изменениям в морфологии отдельных органов или далее целых растений.
Множество фактов, демонстрирующих постоянное соответствие положения ППК и плана деления, позволяют предполагать существование особого механизма, благодаря которому реализуется координирующая связь ППК с клеточной пластинкой - структурой, отделенной от ППК во времени и пространстве. Возможно, эта связь опосредуется F-актином, который взаимодействует с МТ в структуре ППК и, в отличие от них, не деполимеризуется в начале митоза. Кроме того, микрофиламенты располагаются в цитоплазме делящейся клетки таким образом, что связывают сайт деления с ядром - в профазе, с экватором веретена деления - в метафазе-анафазе, и с растущим краем клеточной пластинки - в тслофазе (Wick, Duniec, 1983, 1984; Clayton, Lloyd, 1984; Hepler, 1985; Lloyd et al., 1985; Mineyuki, Palevitz, 1990).
В клетках, лишенных клеточной стенки, например, в мейоцитах или эндосперме ППК не образуется. Следовательно, эта структура не является обязательной составляющей цитокинезного аппарата. Тем не менее, некоторые авторы считают, что образование ППК является непременным условием дифференцировки растительной клетки, которая часто сопровождается делением цитоплазмы в различных плоскостях (Васильев, 1996). Однако, дифференцировка мужского гаметафита возможна только в результате строго детерминированного положения дочерней мембраны, которое задается без участия ППК. Как известно, после первого пыльцевого митоза должны сформироваться две морфологически неоднородные клетки (вегетативная и генеративная), различающиеся по внешней форме и по содержимому цитоплазмы. Эти различия вызваны неравным, асимметричным цитокинезом, который сопровождается построением изогнутого фрагмопласта, определяющего аналогичную форму клеточной пластинки. Последняя в процессе цитокинеза окружает в виде полусферы генеративное ядро (Brumfild, 1941; Heslop-Harrison, 1968, Brown, Lemmon, 1991a, 1991b; 2000).В многоядерных синцитиях, каковыми являются эндосперм и некоторые меиоциты, деление цитоплазмы происходит одновременно в нескольких, но определенным образом ориентированных, плоскостях. Следовательно, и в этих
Формирование системы МТ фрагмопласта на примере сукцессивного цитокинеза у однодольных растений
Организация микротрубочкового каркаса фрагмопласта достаточно всесторонне исследована в митотически делящихся клетках, хотя вопрос о происхождении этих МТ до сих пор остается темой для дискуссий. Какие МТ входят в состав мейотического фрагмопласта, как он организован и функционирует фактически неизвестно. Предполагается, что при сукцессивном цитокинезе в мейозе у однодольных механизм деления цитоплазмы аналогичен таковому в соматических клетках (Staiger, Cander,1993). Поскольку, как и в этих клетках, фрагмопласт в МКП однодольных по форме напоминает полый цилиндр, а дочерняя мембрана образуется в двуядерной клетке (в отличие от симультантного цитокинеза). Однако, процесс образования фрагмопласта, его строение и функциональная активность с точки зрения динамики МТ не изучался.
Мы проанализировали этот аспект цитокинеза на примере мейотического деления в МКП представителей семейства злаков: кукурузы (Zea mays L.) и пырея (Elytrigia elongatum L.). У всех привлеченных нами объектов был обнаружен одинаковый структурный механизм перестройки и реорганизации МТ на этапе цитокинеза. Для анализа этого процесса были использованы методы световой и флуоресцентной микроскопии. Меченные флуоресцеином антитела к тубулнну позволяют выявлять далее отдельные нити МТ, не входящие в состав толстых пучков или фибрилл, а также обнаружить отдельные сайты полимеризации новых МТ и определить направления их роста. В свою очередь, визуализация цитоскелета классическими методами (фиксация по Навашину и окраска ацетокармином) дает возможность проследить реорганизацию и перегруппировку в объеме клеточной цитоплазмы уже сформированных ансамблей МТ.
Начало цитокинеза (как в первом, так и во втором делении) совпадает с ранней телофазой мейоза: вокруг групп разошедшихся хромосом еще не сформировались ядерные оболочки, а в мидзоне сохраняются микротрубочковые фибриллы центрального веретена. Именно эти фибриллы начинают транспортировать первые порции мембранных пузырьков в центральную зону экваториальной области клетки (рис. 3 а, б). Мембранные пузырьки образуют монослой клеточной пластинки и постепенно заполняют область, занятую МТ остаточного веретена деления. Затем МТ перераспределяются так, что окружают клеточную пластинку по периферии в виде полого цилиндра, то есть формируют фрагмопласт (рис. З в). В средней телофазе начинается центробежное движение фрагмопласта/клеточной пластинки к мембране материнской клетки, и при этом МТ не теряют связь с телофазными группами хромосом. По мере дальнейшего роста клеточной пластинки, окружающие ее фибриллы изгибаются и приобретают бочонкообразную форму (рис.3 г-е).В поздней телофазе, когда фрагмопласт/клеточная пластинка практически полностью пересекают цитоплазму клетки, начинается рост новых пучков МТ. Они полимеризуются в направлении кортикальной зоны от полюсных районов, где расположены телофазные группы хромосом (рис.3 ж, з; г, д). Эти МТ не принимают участие в цитокинезе, а являются частью восстанавливающегося радиального цитоскелета, характерного для стадии интеркинеза (4 е-з, м). Таким образом, в процессе цитокинеза в материнских клетках пыльцы злаков микротрубочковый цитоскелет перестраивается из одной конфигурации в другую: веретено деления — фрагмопласт — радиальные пучки интерфазного цитоскелета.
Электронномикроскопический анализ фрагмопласта/клеточной пластинки выявил следующие особенности их организации. Микротрубочковые пучки, участвующие в образовании фрагмопласта перекрываются «+» -концами на экваторе, образуя узкую электронноплотную зону (рис. 5 а). Именно в этой области формируется клеточная пластинка (рис.5 б), которая до контакта с материнской мембраной остается в виде монослоя мембранных пузырьков, окруженного по периметру МТ фрагмопласта (рис. 5 в).При формировании дочерних мембран происходит разъединение «+»-концов МТ фрагмопласта и интеграция их в систему радиальных пучков (рис. 3 ж, и). На этом заканчивается этап микротрубочкового цикла, связанный с цитокинезом, и восстанавливается система МТ интерфазного цитоскелета.
Анализ динамики МТ в нормальном мейотическом делении показал, что накануне цитокинеза происходит реорганизация фибрилл центрального веретена в структуру фрагмопласта. В процессе центробежного движения эти МТ перемещаются из центральной области к периферии клеточной пластинки как целостные фибриллы, а не возникают вновь на ее растущем крае. Иммуноокрашивание на р-тубулин также не обнаруживает появления новых МТ со стороны ядерной оболочки. Хотя, но мнению многих авторов, именно МТОЦ-активность ядерной оболочки вносит решающий вклад в образование фибриллярной структуры фрагмопласта (см. обзор литературы, главу 2.1). Однако цитологический анализ мсйоза в линии ППГ №14-2 (Т. aestivum L. сорт Новосибирская 67 х A. glaucum) показал, что организация цитокинезного аппарата не зависит от ядерной оболочки или хромосом. Характерной чертой
Структурно-морфологические механизмы симультантного цитокинеза
В мейозе двудольных цитокинез происходит после второго мейотического деления, когда, сформировались телофазные ядра. Фрагмопласт и клеточная пластинка, в том виде как они образуются при соматическом цитокинезе, в этих клетках не были обнаружены. Функцию фибриллярного каркаса, обеспечивающего разделение цитоплазмы, выполняет радиальная система МТ, отходящих от каждого из телофазных ядер, как сестринских так не сестринских. Область перекрывания этих МТ Р. Браун и Б. Леммон (Brown, Lemmon, 1997, 2001) называют споровыми доменами, так как именно здесь впоследствии располагается оболочка, разделяющая микроспоры в тетрадах. Эти же авторы подробно теоретически и экспериментально обосновали функции радиальных систем МТ в структурировании цитоплазмы в процессе клеточного деления. Однако, неизвестно, как в мейозе двудольных происходит переход от веретена деления к цитокинезному аппарату и какова дальнейшая судьба радиальных фибрилл при наступлении интерфазы. Мы проследили динамику микротрубочковой системы от начала распада веретена деления в поздней анафазе до восстановления интерфазного цитоскелета в мейотическом делении следующих представителей двудольных растений: картофеля {Soianum tuberosum L.), томата (Lycopersicum esculentum L.), сарептской горчицы (Brassica juncea L.), люцерны (Medicago sativa L.), бобов (Viciafaba L.), табака (Nicotiana tabacum), сахарной свеклы {Beta vulgaris L).
Нормальное мейотическое делениеАнализируя процесс нормального мейоза, мы обратили внимание, что характер образования интерзональных фибрилл в телофазе 1 и телофазе 2 в основном сходен, только в первом делении эти фибриллы не участвуют в построении клеточной пластинки, поскольку дочерние мембраны на этом этапе не образуются.
После расхождения хромосом к противоположным полюсам веретено деления не исчезает, но его состав кардинально меняется. Поскольку кинетохорные фибриллы деполимеризуются и укорачиваются в ходе анафазы, в ранней телофазе в составе веретена остаются практически одни центральные фибриллы с небольшой долей очень коротких остаточных кинетохорных МТ. Полюса веретена в ранней телофазе сохраняют ту же структуру , которую они имели в метафазе: (-)-концы центральных фибилл сходятся в одну точку (рис.8 а). Хромосомы располагаются между центральными фибриллами, вблизи точки конвергенции. В средней телофазе на полюсах начинается массовая полимеризация новых микротрубочковых пучков. Они отходят от точки конвергенции и растут по направлению к экватору, так что система новообразованных растущих от полюсов микротрубочек имеет форму зонтика (рис. 8 б-г). Постепенно удлиняясь, пучки микротрубочек от противоположных полюсов достигают экватора и объединяются там своими (+)-концами. В поздней телофазе эта система образующихся интерзональных фибрилл заполняет всю цитоплазму (рис. 8 е-ж). Состоит она из центральных фибрилл веретена и новообразованных пучков МТ. В процессе формирования интерзональной системы МТ вокруг телофазных групп хромосом восстанавливается ядерная оболочка, цитоскелет исключается из области, занимаемой хромосомами, и пучки микротрубочек оказываются отходящими от поверхности ядерной оболочки (рис. 8 з). Такой вид биполярной системы фибрилл, соединяющих дочерние ядра и заполняющих практически всю цитоплазму, имеет цитоскелет в интеркинезе. Процесс построения интерзоналыюй системы МТ во втором делении мейоза значительно не меняется. Только телофазное веретено уже имеет не биполярную, а четырехполюсную форму, а МТ, отходящие радиально от полюсных районов имеют вид не зонтиков, а звезд (рис. 9 в, д, ж). Микротрубочковые пучки каждой такой звезды соединяются дистальными концами со звездой соседнего веретена и связывают не только сестринские, но и несестринские телофазные группы хромосом. Микротрубочковые пучки соединяются (+)-концами на равном расстоянии от каждого ядра. В результате все четыре ядра оказываются соединенными системами МТ, аналогичными телофазному веретену, и образуется характерная тетраэдрическая фигура телофазы 2 двудольных (рис. 9 г, м). Процесс полимеризации новых микротрубочковых пучков продолжается до тех пор, пока вся цитоплазма мейоцита не оказывается ими заполненной (рис. 9 г). В это же время заканчивается формирование ядерных оболочек, а после этого наступает довольно длительная пауза, во время которой никаких морфологических изменений не происходит.
Если в мейозе двудольных не происходит разделения цитоплазмы после первого деления, то какую функцию выполняет система мощных интерзональных фибрилл, возникающая в телофазеї? Одну из функций этой системы нам удалось выявить, анализируя мейоз у некоторых асиналтических мутантов картофеля {Solanum tuberosum L.) СЕЮ, ВЕ1050, у мутанта as6 томата (Lycopersicum esculentum L.), в гаплоидах сарептской горчицы (Brassica juncea L.). Очень часто при асинаптическом мейозе формируется изогнутое веретено деления, что приводит к аномальному сближению телофазных ядер. Если подобное нарушение встречается в мейозе однодольных растений в совокупности с отсутствием цитокинеза, то происходит мейотическая
