Морфогенез и изменчивость одноклеточных волосков у растений рода Draba (крупки) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.03.05, кандидат наук Григорьева, Ольга Вадимовна

• Григорьева, Ольга Вадимовна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Григорьева, Ольга Вадимовна

Оглавление

Глава 1. Обзор литературы..................................................1

Систематика и биология крупок.............................................2

Морфология и изменчивость опушения....................................9

Морфогенез волосков у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh...............19

Материалы и методы.........................................................30

Глава 2. Зональная организация и изменчивость опушения

листа и соцветия крупок.....................................................38

Формирование плотности опушения листовой пластинки ...........39

Внутри-индивидуальная изменчивость густоты опушения, не связанная с размерами листовой пластинки............................................43

Полярная организация опушения листовой пластинки....................47

Опушение цветоноса и генеративных органов............................50

Заключение............................................................................52

Глава 3. Качественно-морфологический анализ морфогенеза и изменчивости волосков крупок.....................................................55

Морфогенез волосков D. sibirica..............................................57

Морфогенез волосков D. daurica................................................62

Морфогенез волосков D. borealis............................................67

Морфогенез волосков!), nemorosa...........................................71

Морфогенез волосков D. incana..............................................74

Морфогенез волосков D. nivalis................................................76

Заключение: единство морфогенеза волосковых клеток и морфологическая дивергенция волосков на основе непрерывной изменчивости........................................................................80

Взрослые волоски..................................................................89

Я-

)

Глава 4. Количественно-морфологический анализ изменчивости ветвления волосков крупок.........................................................97

Первичное и вторичное ветвление.............................................76

Количественные признаки, характеризующие ветвление волосков .........................................................................................104

Организация изменчивости ветвления по данным факторного анализа

........................................................................................109

Заключение........................................................................114

Глава 5. Геометрия, механика и эволюция морфогенеза волосков.....................................................................................119

Геометрия формообразования волосков у О. БШпса....................121

Морфогенетические осцилляции роста волосковых клеток..........126

Механика морфогенеза клеточной оболочки, вытекающая из его геометрии......................................................................................129

Эволюция развития волоска...............................................137

Заключение....................................................................145

Выводы.....................................................................146

Список литературы.....................................................148

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Морфогенез и изменчивость одноклеточных волосков у растений рода Draba (крупки)»

ГЛАВА I

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Большинство крупок - представителей семейства крестоцветных - являются травянистыми симподиально ветвящимися растениями с розеточными или полурозеточными побегами и терминальным соцветием. За исключением монокарпических видов, на одном и том же растении одновременно присутствуют побеги двух или более последовательных генераций с зелеными листьями и живой апикальной меристемой (Schulz, 1927).

Общий план строения побега у всех видов рода очень сходен (рис. 1.1), являясь прямым отражением сезонного ростового цикла, определяющего характер чередования длин междоузлий в пределах побега. Независимо от того, возникает ли побег из семени, или же из пазушной почки материнского побега, в начале его роста всегда образуется одно или несколько, в зависимости от видовой принадлежности и условий произрастания, удлинённых междоузлий, затем их размер уменьшается до долей миллиметра и формируется розетка. Розетка растёт в течение остального вегетационного сезона. Когда её диаметр достигает порогового диаметра (величина этого порога различна у разных видов), апикальная меристема становится флоральной и формирует зачаток соцветия, которое зацветает следующей весной. Таким образом формируется дициклический генеративный побег (Григорьева, 2005; 2006а; 2008а, б).

Розетка - обязательная стадия развития и, следовательно, обязательный элемент структуры побега всех без исключения крупок, так как только на стадии розетки вегетативная меристема может стать флоральной. Если помешать ее образованию (это возможно у видов с удлинёнными побегами), поддерживая в культуре постоянно высокую влажность и постоянную температуру, то соцветие не закладывается (Григорьева, 2008а).

В случае, когда диаметр розетки не достигает величины, необходимой для образования флоральной меристемы, побег остаётся вегетативным, и на следующий год повторяет тот же ростовой цикл, с образованием новой розетки после образования одного или нескольких, удлинённых междоузлий. Таким образом формируются три- и полициклические побеги.

Параллельно с развитием соцветия происходит заложение и развитие пазушных побегов - побегов возобновления, повторяющих ростовой цикл материнского побега.

Рис. 1.1. Схема строения побега ОтЬа

- растущий побег; ^ - корень; ^ - лист;

отмерший прошлогодний лист; - соцветие;

- отмершее прошлогоднее соцветие

н

Систематика и биология крупок.

Крупки (род Draba L.) относятся к семейству Brassicaceae Burnett (Cruciferae В.

Juss.).

В разное время делались попытки разделить это семейство на трибы на основании морфологических, прежде всего карпологических признаков. Хайек (Hayek, 1911) разделил семейство крестоцветных на 10 триб и отнёс род Draba к трибе Arabideae DC. Шульц (Schulz, 1936) выделил 19 триб и отнёс род Draba к трибе Drabeae O.E. Schulz. Дорофеев (2004), при построении надродовой системы семейства по карпологическим признакам, отнёс род Draba к трибе Arabideae DC., субтрибе Drabinae Hayek. В последние годы были проведены работы по ревизии выделяемых триб с помощью молекулярных методов исследования ядерной ДНК и ДНК пластид (Koch et al., 1999; 2001), которые показали, что триба Arabideae объединяет роды, далёкие друг от друга. Имеющиеся данные пока что не дают четкого деления семейства крестоцветных на трибы, а значит и вопрос о месте крупок в надродовой классификации остается открытым.

В настоящее время не существует ни одной надвидовой системы рода, которая могла бы считаться общепринятой. Наиболее полной обработкой мировой флоры Draba остаётся монография О. Е. Шульца «Cruciferae - Draba et Erophila» (1927). В ней род был поделен на 17 секций. Эта разбивка рода на секции (Буш, 1919; Schulz, 1927) не закрепилась в систематике рода, так как разные авторы понимали объём секций по-разному и одни и те же виды относили к разным секциям. Тем не менее, эта система так или иначе использовалась на протяжении 20 века, в том числе в крупных флористических сводках (Walters, 1964).

А.И. Толмачёв (1939), обработавший растения рода Draba флоры СССР, по-видимому, был последним автором, сделавшим попытку построения надвидовой системы рода, отказавшись от деления рода на секции и выделив ряды, «объединяющие действительно родственные друг другу виды». В его сводке, включающей 91 вид, виды сгруппированы в 21 ряд. Эта группировка, как показали дальнейшие исследования отдельных видов рода, является излишне дробной и содержит ряд ошибок. Например, близкие виды (.D. cinerea Adams и D. сапа Rydb., см. Mulligan, 1971) отнесены к разным рядам, а сильно различающиеся виды (D. сапа Rydb. и D. incana L.) помещены в один и тот же ряд. В настоящее время каждый автор группирует виды сам, в чём-то совпадая с предшественниками, в чём-то от них отходя. Нередко виды группируются на основании предполагаемого родства, без подтверждения его конкретными данными (Беркутенко,

Род Draba - один из самых крупных родов семейства Brassicaceae. В мировой флоре в середине 20 века насчитывалось около 300 видов (Толмачёв, 1975), а к концу 20 века - 350 видов (Rollins, 1993; Koch & Al-Shehbaz, 2002) произрастающих, преимущественно, в Евразии и Америке. В Африке виды рода немногочисленны. В Австралии представители рода отсутствуют (исключая заносные виды). Большинство видов рода - растения горные и тундровые. Например, из 91 вида флоры СССР (Толмачёв, 1939) вне горных и тундровых районов обитают всего два вида - D. nemorosa L. и D. sibirica (Pall.) Thell. Значительная часть видов Draba произрастают в северном полушарии. Около 30 видов имеют циркумполярные ареалы. В северном полушарии располагаются и два известных центра видового разнообразия крупок - один в Гималаях, другой - в Кордильерах, в районе гор Сьерра-Невада (Jordon-Thaden, 2009). В южном полушарии представители рода встречаются, преимущественно, в горах (Анды) и на субантарктических островах.

Крупки считались и считаются группой, трудной для систематики (Schulz, 1936; Толмачев, 1975; Rollins, 1993). Это связано, прежде всего, с очень высокой изменчивостью всех морфологических признаков у растений этого рода, как модификационной, так и генетической. При этом род включает очень большое число видов, которое продолжает возрастать как за счёт дробления прежде описанных видов, так и за счёт описания новых видов, преимущественно из горных районов Центральной Азии. Многие из них растут в отдалённых труднодоступных местах, что затрудняет их изучение. Поэтому в систематике крупок, за долгий период, когда, в ходе географических исследований описывались всё новые виды, возникла очень тяжёлая ситуация. Помимо легко определяемых экземпляров, в гербариях накапливались образцы с промежуточными признаками, которые долгое время рассматривались как межвидовые гибриды. Об изменчивости признаков, используемых для определения видов, систематики забывали начисто, и продолжают забывать, хотя уже в монографии Шульца (Schulz, 1927) об этом написано довольно много.

Результатом пренебрежительного отношения к изменчивости становится описание новых видов, реально не существующих. Вот только один пример. В Красную книгу Мурманской области включён вид D. insularis Pissauk, объявленный одним из немногочисленных эндемиков Кольского полуострова и прилегающих островов. Типовые образцы вида D. insularis представляют собой не что иное, как образцы вида D. daurica, собранные на месте гари, на хорошо удобренной почве, и потому очень крупные. Такие

L

¡ ¡ ','„.....'> M.W, ii\,,,i\\ ! 'l'íV' i.

i i.- ■К-'ЛЬ'- ■•т^. ^^..¿^."ГЛЬ^'и^.^гЛ'Д'м v-'-.'.^Vr'- -ÍSÍ..

растения встречаются и на островах Белого моря, на хорошо удобренных птицами участках. Описание таких видов вносит в систематику рода дополнительную путаницу.

Многие виды крупок морфологически очень сходны друг с другом. Проблем с идентификацией не возникает только для хорошо обособленных морфологически видов, таких, например, как D. nemorosa L. или D. sibirica (Pall.) Thell., которые легко отличить от «типичных» видов крупок. Когда речь идет о видах с типичным родовым обликом, опытный ботаник, глядя на конкретный образец, может безошибочно отнести растение к определенной группе видов. Однако, продвинуться дальше и точно определить конкретный вид гораздо труднее. Внутривидовая морфологическая изменчивость крупок такова, что признаки одного вида часто перекрываются с признаками другого, и часто только дополнительные (не морфологические) критерии позволяют разобраться в ситуации.

Примером может служить долгая дискуссия, следует ли объединять D. lactea Adams и D. jladnizensis Wulf. в один вид, или же это два разных вида. Ворошилов (1982) предлагал эти виды рассматривать как единый вид. Беркутенко (1979), ознакомившись с типовым образцом D. lactea, заключила, что это отдельный вид, отличающийся от D. Jladnizensis характером опушения, которое у D. lactea состоит из более разветвленных волосков. Рассматривая этот же образец, я обратила внимание на то, что большинство растений действительно имеет более разветвленные волоски, но на типовом гербарном листе есть экземпляр с таким же опушением, как у D. Jladnizensis. Кроме того, у обоих видов встречаются растения, лишённые опушения. Конец дискуссиям положило определение кариотипа обоих видов: 2n=16 у D. Jladnizensis и 2n=48 у D. lactea (Knaben, 1966; Жукова, Петровский, 1984). Данный вопрос был решен, но из приведенного примера ясно, что для точного определения одной морфологии бывает недостаточно. Иногда для точного определения видов крупок необходим количественный (кластерный) анализ множества морфологических, биохимических и хромосомных характеристик, возможный только в лабораторных условиях (Andersen et al, 2000).

Поэтому группы родственных и не всегда хорошо различающихся между собой видов обычно рассматриваются как видовые комплексы - например, комплекс «alpina» включающий около десяти видов (Brochmann et al, 1993), комплекс «hirta», включающий около 6 видов (Andersen et al, 2000), комплексы «rupestris» (Andersen et al, 2000), «borealis» и другие. Такой подход позволяет исследователю, не решая подчас неразрешимую даже для специалиста по данной группе задачу - только на основе морфологических признаков точно определить видовую принадлежность данного

и

растения - все же отнести вид к какой-то категории. Выделение комплексов, не имеющих определенного таксономического статуса, необходимо еще и потому, что виды, хорошо различающиеся в данной географической области, в другой области иногда неразличимы. Так, на Таймыре виды D. arctica и D. cinerea Adams не всегда можно отличить друг от друга по морфологическим признакам (Григорьева, неопубликованные наблюдения), тогда как в других местах, где эти виды также произрастают совместно (например, в Гренландии), их трудно спутать (Andersen et al, 2000).

Столкнувшись с тем, что в природе регулярно встречаются растения, сочетающие признаки растений разных видов, систематики предположили, что это межвидовые гибриды, и эта точка зрения продержалась почти до конца двадцатого века. Такого взгляда придерживались Буш (1919), Шульц (1927) и Толмачёв (1939, 1975). Толмачёв (1975) в частности, утверждал, что есть области, где гибридные растения встречаются чаще родительских форм.

Начиная с 30-х годов, в систематике растений стал использоваться новый для того времени метод - кариосистематика. Пик выхода работ, в которых определялись хромосомные числа различных растений, пришёлся на 60-70-е годы 20 века. Выяснилось, что у крупок основное хромосомное число 2п=16. Встречаются также тетраплоиды (2п=32), гексаплоиды (2п=48), октоплоиды (2п=64) и декаплоиды (2п=80). Максимальная плоидность отмечена для D. corymbosa (2n=128) (Brochmann et al., 1992, Brochmann 1993).

Хромосомные числа могут варьировать на межпопуляционном уровне. Например, для большей части популяций D. daurica 2п=64 (Жукова, 1967; Mulligan, 1976), но растения некоторых канадских популяций имели хромосомное число 2n=80 (Mulligan, 1976). В цитированных работах вид D. daurica выступал под названиями D. hirta L. (Жукова, 1967) и D. glabella Pursh (Mulligan, 1976). В настоящее время для этого вида используются синонимы D. daurica DC. и D. glabella.

В разных популяциях D. borealis DC. выявлены хромосомные числа 2п=64 (Жукова, Петровский, 1984) и 2n=80 (Mulligan, 1976). У вида/), kurilensis (Turcz.) Fr. Schmidt, который объединяли с D. borealis (Беркутенко, 1988), 2n=32 (Probatova et al., 2004; Баркалов и др. 2008). Полученное для D. kurilensis хромосомное число 2п=16 (Гурзенков, 1973) представляется результатом какой-то ошибки, возможно, на стадии определения исходного материала или более поздней путаницы с образцами, так как в комплексе «borealis» диплоидные виды отсутствуют.

Несмотря на некоторые неизбежные в любых исследованиях ошибки, кариосистематика дала мощный толчок для дальнейшего изучения этой группы. Иногда

именно кариотип позволяет решить вопрос о статусе данного вида, как в описанном выше примере с видами D lactea Adams и D fladnizensis. Весьма вероятно, что видов-двойников в роде Draba существует немало.

Пожалуй, самым важным последствием изучения кариотипов оказалось то, что оно привело к изучению скрещивания и опыления. Было выяснено, что в природе образование межвидовых гибридов крупок крайне затруднено, а искусственно полученные межвидовые гибриды стерильны (Mulligan, Findlay, 1970). По-видимому, для того, чтобы в результате межвидового скрещивания получились фертильные растения, необходимо, чтобы такое скрещивание сопровождалось аутополиплоидизацией (Brochmann et al, 1992; Brochmann 1993). Вероятность такого события существует, но всё же не настолько большая, чтобы гибридные особи встречались часто, и уж тем более - чтобы они преобладали над родительскими формами. Таким образом, основным «виновником» затруднений, с которыми сталкиваются систематики и флористы, остаётся внутривидовая изменчивость растений, а не межвидовая гибридизация.

Для крупок отмечено как перекрёстное опыление, так и автогамия, причём у большинства видов, особенно произрастающих в высокогорьях и высоких широтах, автогамия преобладает, или же используется как резервный вариант оплодотворения, если в течение некоторого времени после раскрывания бутона не произошло перекрёстного опыления. У ряда видов бывает так, что цветки в основании соцветия опыляются перекрёстно, а в верхней части соцветия происходит самоопыление (Brochmann et al., 1992; 1993). Особенностью многих крупок северо-востока Америки характерна протогиния (Mulligan, Findlay, 1970), то есть пестик становится восприимчив к пыльце раньше, чем раскрываются пыльники цветка. Нередко пестик торчит из ещё нераскрывшегося бутона. В этом случае у цветка есть некоторое время для перекрёстного опыления. Пыльники раскрываются тогда, когда рыльце еще восприимчиво к пыльце, и, если перекрёстное опыление не произошло, происходит самооплодотворение. Кроме того, нередки случаи протерандрии, когда ещё перед раскрытием цветка на рыльцах оказывается некоторое количество пыльцевых зёрен, то есть, пыльники начинают раскрываться раньше, чем цветок. Таким образом, возможность перекрёстного опыления существует, но у большинства высокоширотных и высокогорных видов преобладает самоопыление, что довольно естественно, учитывая погодные условия, часто препятствующие лёту насекомых-опылителей. В более низких широтах Северной Америке с достаточно высокой частотой встречаются облигатно энтомофильные виды крупок (Rollins, 1993).

Широкое распространение автогамии подтверждается молекулярно-биологическими исследованиями, показывающими высокий уровень гомозиготности природных популяций (Sheen et al., 2002). Он настолько высок, что растения одной локальной популяции могут считаться потомками одной или нескольких особей, семена которых завязываются при самоопылении. Поскольку в популяционной генетике по-прежнему считается, что это ведет к оскудению генофонда, в последнее время сделалась популярной гипотеза о происхождении видов крупок на основе политопной аллополиплоидии (Brochmann et al, 1992; Shehbaz et al., 2006). Гибридное скрещивание должно сочетаться с полиплоидизацией генома в самом начале эмбрионального развития, а так как вероятность каждого из этих событий достаточно мала, их сочетание является совсем уж редким событием.

Редкие события могут, тем не менее, играть важную роль в видообразовании. В настоящее время, в результате изучения ядерной ДНК и ДНК пластид с последующим кластерным анализом полученных данных, о крупках складывается представление как о группе, активно образующей новые виды. В частности, упоминавшиеся видовые комплексы, такие, как «alpina» и «hirta», рассматриваются как группы сравнительно недавно разошедшихся видов (Shehbaz et al., 2006). Видообразование может происходить и на основе географической изоляции, о чем говорят опыты со скрещиванием растений из отдаленных популяций одного вида. Так, у D. nivalis, при скрещивании растений из скандинавской и гренландской популяции, фертильными оказались только 30% растений первого поколения (Skrede et al, 2008).

Крайне низкий уровень морфологической дивергенции при видообразовании сочетается у крупок с образованием различных жизненных форм, причем изменчивость явно канализирована по небольшому числу направлений (Григорьева, 2006а; 20086). Эволюционно исходной жизненной формой крупок следует считать диплоидную малолетнюю (с продолжительностью жизни 4-7 лет) поликарпическую форму, со стержневым корнем и сравнительно небольшим диаметром розеток у побегов (Григорьева, Черданцев, 2012). Типичные представители малолетней поликарпической формы, такие как D. nivalis и D. fladnizensis, являются растениями с короткой прегенеративной фазой онтогенеза, на которой они представляют собой моноподиально нарастающий, не ветвящийся розеточный побег. С переходом растения в генеративную фазу онтогенеза оно образует верхушечный цветонос и переходит к симподиальному ветвлению с ежегодным образованием нескольких дициклических розеточных побегов возобновления у каждого цветущего побега, что ведёт к быстрому разрастанию особи. В

течение одного-двух последующих лет надземная часть растения достигает предельного размера, который возможен при имеющемся стержневом корне. После этого растение гибнет: сразу отмирает после обильного плодоношения или постепенно слабеет, образуя всё более мелкие побеги.

Из малолетних поликарпиков можно вывести все остальные жизненные формы крупок. По продолжительности жизни это монокарпическая (олигокарпическая) и однолетняя формы, формы со средней продолжительностью жизни, и настоящие многолетние растения с продолжительным прегенеративным периодом и обязательным обновлением корневой системы в ходе онтогенеза.

«Чистыми» монокарпическими видами у крупок являются только однолетние виды. У всех остальных изученных олигокарпических видов в пределах одной популяции встречаются и монокарпические, и поликарпические особи, и особи, часть побегов которых развивается как монокарпические (без образования жизнеспособных побегов возобновления), а часть - как поликарпические (олигокарпические), с образованием полноценных побегов возобновления. Их соотношение варьирует в зависимости от местообитания.

Однолетние виды крупок не образуют побегов замещения, каждый побег оканчивается соцветием. Но даже среди них, по крайней мере среди крупок, произрастающих в России (например, D. nemorosa, см. Григорьева, Черданцев, 2012), нет растений, полный цикл развития которых занимал бы всего один сезон. Семена прорастают, начиная с середины лета предыдущего года, образуется розеточный побег, формируется зачаток соцветия - словом, образуется типичный для крупок дициклический побег.

У поликарпических крупок со средней продолжительностью жизни (7-15 лет) образующих как удлиненные, так и укороченные побеги (D. borealis, см. (Григорьева, Черданцев, 2012) обычно непременно обнаруживается модификация, практически неотличимая от типичной формы малолетних поликарпиков. Увеличение срока жизни особи и её размера достигается за счет образования дополнительных придаточных корней.

Этот ряд завершается образованием настоящих многолетников (таких как D. sibirica, см. Григорьева, 2008а) с практически неограниченным сроком жизни. Внешне они очень различаются, среди настоящих многолетников есть растения-подушки и ползучие растения. Но у всех этих видов в ходе онтогенеза корневая система обязательно полностью обновляется.

8

м 1 I I/ ' 1 i í,«l '

w мЬИд „.И'-,;. ЧЛМ'^ inH/mV1 vi'- ; i; * ; \\!>/{'» ',»

¿11 i

При всем разнообразии видов и жизненных форм крупок, среди них практически нет сорных видов. Единственным видом, активно распространившимся в этом качестве и произрастающим в настоящее время в Северной Америке, Африке и Австралии, является D. nemorosa. Другой однолетний вид, D. muralis L., также в последние 100 лет расширил свой ареал, и стал гораздо шире встречаться в Западной Европе, перейдя с каменистых обнажений в сады и парки (Ratcliffe, 1960).

Особенности географического распространения крупок и типы ландшафта, в которых они обитают, позволяют рассматривать крупки как растения с очень низкой устойчивостью к межвидовой конкуренции. Фактически, все местообитания крупок являются местообитаниями с несомкнутым растительным покровом. При зарастании участка крупки, как правило, на нём исчезают. Исключением на территории России является D. sibirica, единственный вид, произрастающий в луговых степях вне нарушенных мест. Но и он относится к видам весенней синузии, активный рост и цветение которых происходит до отрастания трав. По собственным полевым наблюдениям, сделанным на Ямале, а также в опытах с пересадкой этих крупок на территорию Ботанического сада МГУ, в зарастающих местообитаниях рост крупок угнетается, что проявляется в уменьшении диаметра розеток побегов, упрощении формы листьев, сокращении числа цветущих побегов, уменьшении размера соцветия, а также в уменьшении числа и диаметра побегов возобновления.

По-видимому, именно низкой конкурентоспособностью крупок объясняется отмеченное еще Шульцем (Schulz, 1927) отсутствие у них специальных приспособлений для распространения семян. Ясно, что отбор в пользу таких приспособлений возможен лишь там, где растение способно конкурировать со своими соседями.

Крупки, по сути дела, обречены на существование в местообитаниях, мало пригодных для других растений. В то же время, их нельзя считать «пионерными» растениями, необходимыми для начала сукцессий. Принципиальная непредсказуемость условий существования и временный характер любого местообитания исключает отбор, направленный на сужение нормы реакции, чем, по-видимому, и объясняется сохранение широкого диапазона изменчивости, касающееся и морфологии опушения.

Морфология и изменчивость опушения

В систематике крупок признаки опушения используются очень широко (Schulz, 1927; Толмачев, 1939; Mulligan, 1971; 1976; Rollins, 1993). Это связано, в первую очередь,

Vi"' • ? '',<•',< '» ' м1 f'l1" I' inV \ ''."■' >'•" v '. ' i" ' '

с тем, что среди множества видов только у немногих из них есть яркие индивидуальные черты, сразу и хорошо заметные, и резко отличающие данный вид от других видов. У большинства видов Draba таких, хорошо дифференцирующих вид, макроморфологических признаков нет, и в ход идут признаки более мелких структур, среди которых важное место занимают признаки опушения. В частности, для определения видов в вегетативном состоянии признаки опушения - густота расположения и внешний вид волосков - используются очень часто.

В отличие от волосков, имеющих четко определенную и специализированную секреторную функцию, например, железистых (Duke, 1994), функция опушения крупок, образованного одноклеточными волосками, далеко не ясна и проблематична. Высказывались самые разные предположения, из которых можно выделить следующие (Johnson, 1975; Szymanski, 1998).

Опушение может выполнять терморегуляторную функцию, но это предположение не доказано, а по нашим собственным наблюдениям высокогорные виды и виды высоких широт не отличаются принципиально по густоте опушения от видов, произрастающих в более мягких условиях. Далее, можно предположить, что более густое опушение предохраняет растения от потери влаги, однако требования видов крупок к условиям увлажнения стандартны, а по густоте (плотности) опушения они могут различаться очень сильно.

Прямыми наблюдениями подкреплена лишь гипотеза, что опушение создает препятствия для поедания листьев жуками листоедами. Северные (Норвегия и Швеция) популяции Arabidopsis lyrata полиморфны по опушению листьев - в разных популяциях доля растений с опушенными листьями варьирует от 10 до 70%. В таких популяциях растения с опушенными листьями повреждаются листоедами с достоверно меньшей частотой (Loe et al., 2007). Однако, применительно к крупкам здесь можно говорить скорее о преадаптации, чем об адаптации, так как в высокогорных и высокоширотных районах, являющихся обычными местами произрастания крупок, листоедов и других фитофагов слишком мало, а, по моему опыту, даже в средних широтах относительно редко встречаются листья крупок, повреждённые фитофагами.

Поэтому вопрос о первоначальной функции опушения у крупок остается открытым, и, в принципе, нельзя исключить, что их опушение вообще не имеет специальной функции, и степень его развития является просто показателем физиологического состояния всего растения и (или) условий, в которых оно формировалось.

Структуры, изменчивость которых создает видовые различия, не обязательно адаптивны и часто используются в систематике. Для этого необходимы три условия -достаточный объем морфологического разнообразия, разрыв непрерывности (хиатус) в изменчивости количественно-морфологических признаков, и отсутствие у разных видов полностью совпадающих вариантов морфологического строения. Для одноклеточных волосков крупок первое условие, несомненно, выполняется, а вот со вторым и третьим возникают сложности. Разные морфологические варианты могут «перетекать» друг в друга в пределах не только индивидуальной, но и внутри-индивидуальной изменчивости, а волоски совершенно одинакового типа можно встретить не только у разных видов крупок, но и в разных родах семейства крестоцветных.

Не только у крупок, но, по-видимому, у всех крестоцветных (Rollins, 1993; Beilstein et al., 2006), одноклеточный волосок состоит из цилиндрической (не ветвящейся) проксимальной (по отношению к эпидермису) части (ножка волоска) и ветвящейся или заостренной дистальной части (верхушка волоска). Дальше волоски классифицируются в зависимости от длины ножки и ветвления верхушки. Верхушка либо заостряется, либо ветвится до третьего (иногда до шестого) порядка ветвления.

Как правило, в ключах для определения видов крупок волоски делятся на простые, вильчатые и звёздчатые волоски (Буш, 1919; Schulz, 1927, Толмачев, 1939, 1975, Ворошилов, 1982, Малышев, 1984, Скворцов, 2000). В последнюю группу автоматически попадают все сложно разветвлённые волоски, независимо от их формы и степени разветвлённости. Такая упрощённая классификация, с одной стороны, не охватывает всего морфологического разнообразия, а с другой - существуют виды, у которых почти все эти типы волосков можно найти на одной листовой пластинке (Григорьева, 2006а; Grigorieva, Cherdantsev, 2010).

Впоследствии эта классификация была существенно модифицирована (Mulligan, 1976), причем автор иллюстрировал названия, использованные им в ключе для крупок Канады фотографиями, сделанными с помощью СЭМ. Он создал более дробную классификацию типов ветвления, выделив в особую группу крестовидные волоски (волоски с длинной ножкой и четырьмя лучами, расположенными примерно в одной плоскости). Помимо формы ветвления, он включил в характеристику волосков длину ножки - расстояние от зоны ветвления до основания волоска, и выделил, таким образом, звёздчатые волоски с короткой ножкой и звёздчатые волоски с длинной ножкой. Предложенные обозначения морфологических типов не стали общепринятыми, но автору

удалось добиться гораздо большей точности морфологических характеристик, по крайней мере, в собственных ключах для определения крупок.

В настоящее время чаще всего различаются следующие морфологические типы волосков (Mulligan, 1976; Rollins, 1993; Beilstein et al., 2006):

Простые волоски, то есть, волоски с неветвящейся заостренной верхушкой.

Вильчатые волоски с длинной ножкой, верхушка которых образует два луча первого порядка, причем для таких волосков допускается (Mulligan, 1976) вторичное ветвление лучей.

Волоски с длинной ножкой, беспорядочно и многократно ветвящиеся, образующие множество ветвей, до шестого порядка ветвления, «древовидные» волоски.

Волоски с длинной ножкой и четырьмя лучами, расположенными примерно в одной плоскости (крестовидные волоски).

Волоски с укороченной ножкой, верхушка которых образует множество ветвей первого, второго и третьего порядка, расположенных примерно в одной плоскости («звездчатые» волоски).

Волоски с укороченной ножкой, почти сидячие, верхушка которых образует два луча первого порядка, расположенных на расстоянии 180°, между которыми могут образовываться 2 более мелких ветви («мальпигиевы» волоски»).

Помимо морфологии самих волосков, отдельными и независимыми характеристиками опушения являются его густота, то есть, среднее число волосков на единицу площади, соотношение опушения верхней (адаксиальной) и нижней (абаксиальной) стороны листовой пластинки, и характер опушения цветоноса, цветоножек, чашелистиков и плодов.

Основной недостаток существующей морфологической классификации волосков очевиден и состоит в том, что речь идет о количественных (меристических) признаках, которые пытаются представить в виде дискретных морфологических вариантов без специального исследования реальной организации изменчивости. В многочисленных работах, выполненных на линиях дикого типа Arabidopsis thaliana (Uphof, 1962; Folkers et al., 1997; Oppenheimer, et al., 1998; Hülskamp, 2000; Schwab et al., 2000; Wagner et al., 2004), не ставилась задача описания изменчивости. Однако на оригинальных микрофотографиях видно, что на одной листовой пластинке, то есть, в пределах внутри-индивидуальной изменчивости, присутствуют волоски разного типа. На одном листе можно найти простые

12

• .¡s l'Y -7, i, ¡¡YS'V V " '>v 1 fY kf i lï .VV. *

(не ветвящиеся) волоски, волоски с симметричным или асимметричным дихотомическим ветвлением (вильчатые волоски), а также трехлучевые и четырехлучевые волоски (рис. 1.2).

На изображениях, полученных с помощью СЭМ (см. Folkers et al., 1997; Oppenheimer, 1999; Luo, Oppenheimer, 1999), видны также переходные формы между разными типами волосков. Например, легко прослеживается ряд переходов от простых волосков к волоскам с изломом, далее к волоскам, у которых излом заостряется и похож на зачаточную дополнительную ветвь волоска, далее к волоскам с асимметричным дихотомическим ветвлением, наконец, к вильчатым волоскам с одинаковыми ветвями.

То же самое относится и к вторичному ветвлению. У Arabidopsis большинство сложных (ветвящихся) волосков бывает либо вильчатыми (две симметричных ветви), либо одна из ветвей испытывает вторичное ветвление, и ветвящаяся часть волоска состоит из одной простой и одной вильчатой ветви (Folkers et al., 1997). Точно так же, как в случае с простыми и вильчатыми волосками, между волосками с вторично ветвящимся лучом и волосками с двумя неветвящимися лучами можно наблюдать все переходные формы. Это, в частности, доказывает гомологию простых и вильчатых волосков, а также гомологию первичного и вторичного ветвления. Такая гомология чрезвычайно естественна, но из нее следует, что в основе классификации форм волосков должны лежать количественно-морфологические, непрерывно варьирующие признаки.

Основной проблемой морфологической классификации волосков является отсутствие систематизированных данных по изменчивости. Дело в том, что один и тот же тип ветвления у одних видов может представлять настоящий морфологический тип с собственной изменчивостью, а у других - соответствовать маргинальным вариантам изменчивости другого морфологического типа. У видов крупок из видового комплекса «hirta» основным типом сложных волосков являются звездчатые волоски с короткой ножкой (Mulligan, 1976). Число первичных ветвей и порядок их ветвления варьируют, но отсутствуют переходные формы между звездчатыми и вильчатыми волосками.

Связь морфологии с филогенией. Филогенез триб и родов Brassicaceae обычно изучают, анализируя консервативные гены хлоропластов ndhF и фитохрома A (Beilstein et al., 2006; 2009). Большинство морфологических типов волосков не привязано к генеалогическим линиям, восстанавливаемым по общности нуклеотидных последовательностей этих генов. Это означает, что одни и те же типы возникали в ходе филогенеза неоднократно, то есть, на различной генетической основе. Исключением, возможно, являются звездчатые и, особенно, мальпигиевы волоски (Beilstein et al., 2006).

Рис. 1.2. Опушение листовой пластинки АгаЫ(!ор$1$ ИшИапа (дикий тип). Из ОррепЬеипег е! а1., 1997, с изменениями: 1 - простой, 2 -вильчатый, 3 - трехлучевой, 4 - четырехлучевой волосок.

Независимость морфологической эволюции волосков от филогении можно иллюстрировать следующим чрезвычайно ярким примером. В монографии Роллинза (Rollins, 1993) о крестоцветных растениях Северной Америки приводятся СЭМ фотографии волосков для видов рода Lesquerella S. Wats., далекого от рода Draba. Волоски некоторых видов не просто сходны, а морфологически идентичны волоскам D. daurica.

Густота и зональность опушения листовой пластинки. Шульц (Schulz 1927) относил густоту опушения крупок к числу изменчивых и ненадёжных признаков, хотя если опушение вообще имеет функциональную нагрузку, то прежде всего это должно относиться к его густоте. Ссылки на густоту (плотность) опушения часто встречаются в описаниях видов крупок (Толмачев, 1975; Беркутенко, 1988; Mulligan, 1976), однако общие закономерности изменчивости этого признака не изучены, и всегда возникает вопрос - является данная густота опушение следствием условий произрастания растений данной местности, или это свойство самих растений данной группы. Говоря о плотности опушения, нельзя забывать, что волоски возникают на внутрипочечной стадии развития листа, и в дальнейшем плотность их расположения уменьшается из-за увеличения размера (вытяжения) эпидермальных клеток в процессе роста листовой пластинки.

У Arabidopsis минимальное расстояние между волосковыми клетками (то есть, в момент появления волосков) в среднем составляет 3-4 клетки, а их распределение представляет нечто среднее между «кристаллическим» гексагональным распределением с равными расстояниями между элементами и случайным распределением (Hülskamp et al., 1994; Larkin et al., 1994; Hülskamp, Schnittger, 1998). Доля волосковых клеток от общего числа не волосковых эпидермальных клеток листовой пластинки в начале морфогенеза волосков у Arabidopsis чуть более 4% (Larkin et al., 1996), в дальнейшем, по мере роста листовой пластинки, она должна уменьшаться.

Если минимальное (начальное) расстояние между волосковыми клетками более или менее стандартно, и размер листьев тоже примерно одинаков, то густота опушения определяется просто абсолютным числом волосковых клеток. В разных линиях (экотипах) Arabidopsis по этому признаку наблюдаются различия. На листьях растений экотипа Ler трихом почти вдвое меньше, чем на листьях растений экотипа Col (Larkin et al., 1996). В момент появления волосковых клеток эти различия отсутствуют, но период, в течение которого возникают новые волосковые клетки, у экотипа Col длиннее. Таким образом, изменчивость густоты опушения может быть связана с генетически детерминированными (Larkin et al., 1996) различиями в периоде времени, в течение которого формируются

трихомы. Вообще же густота опушения является типичным непрерывно варьирующим полигенным признаком, на который влияет не менее семи генов разных локусов (Symmonds et al., 2005).

Для Arabidopsis не отмечено связи между числом образующихся волосков (густотой опушения, если минимальное расстояние между трихомами более или менее стандартно) и характером их ветвления (Hülskamp et al.,1994; Hülskamp, Schnittger, 1998), вероятно, в силу более ограниченной изменчивости этого признака, по сравнению с ветвлением волосков крупок. Для крупок такая связь существует (Григорьева, 2006а, б), а значит, варьирование силы этой связи (вплоть до полного ее отсутствия, как у Arabidopsis) образует еще одно потенциальное направление изменчивости опушения, и этот вопрос нуждается в дальнейшем исследовании.

Зональность опушения. Листовые зачатки появляются на латеральной поверхности апикальной меристемы в виде валиков, вытянутых поперек апикобазальной оси конуса нарастания и имеющие проксимодистальную (от основания к верхушке) и дорсо-вентральную (от верхней стороны будущего листа к нижней стороне) ось (Poethig, 1997). Встречающиеся в литературе утверждения, что на самой ранней стадии своего развития эти зачатки имеют «клювообразную» (peg-like) форму (Efroni et al., 2010) не вполне соответствуют их реальной форме, видимой на фотографиях, полученных самими авторами, где хорошо видно, что листовой зачаток никогда не бывает радиально симметричным. На следующей стадии развития он принимает форму лодочки, выпуклой на вентральной (нижней) и вогнутой на дорсальной (верхней) стороне, которая является естественной модификацией формы валика, вентральная сторона которого, расположенная дальше от апекса, растет быстрее его дорсальной стороны. Радиально симметричным листовой зачаток получается в опытах, в которых его отделяют от апекса неглубоким надрезом, ослабляя ингибирующее действие апекса на рост дорсальной стороны листовой пластинки (Sussex, 1955; Sachs, 1969; 2006).

Долгое время считалось, что у растений любое локальное утолщение растущей ткани означает повышение в этом месте пролиферативной активности клеток, но это неверно как в общем случае, так и для листовых зачатков (Green, 1980; 1996; Green et al., 1996; Poethig, 1997). В зоне инициации нового зачатка темпы пролиферации клеток не выше, а иногда ниже, чем в окружающей ткани (Efroni et al., 2010). Причины обособления зачатка до сих пор не ясны. В конусе нарастания обычно наблюдается чередование делений, плоскости которых ориентированы во взаимно-перпендикулярных направлениях. Первым признаком начала морфогенеза листового зачатка является

15

округление апикальной поверхности клеток, увеличение их объема и уменьшение краевых углов, то есть, углов между прилегающими друг к другу поверхностями соседних клеток (Meyerowitz, 1996). Такая перестройка говорит о выравнивании активного натяжения апикальных и контактных поверхностей (Черданцев, 2003). Поэтому, если в нормально натянутом поверхностном слое клеток преобладают антиклинальные деления с веретенами, ориентированными параллельно наружной поверхности, то на месте формирования будущего зачатка ориентация клеточных делений становится хаотичной, и, как следствие, возрастает доля периклинальных делений, веретена которых ориентированы по нормалям к наружной поверхности клеточного пласта. При этом, из-за увеличения размера и округления клеток, уменьшается среднее значение и увеличивается дисперсия такого параметра, как смежность, то есть, число соседей у каждой данной клетки (Маресин, 1982). Известно (Isaeva et al., 2012), что если в данном участке клеточного пласта смежность ниже, чем в окружающих участках, то такой участок должен выпячиваться. Сочетание двух факторов - увеличения частоты периклинальных делений и различий в величине смежности - может вести к возникновению у зачатка его собственной (проксимодистальной) оси роста (Meyerowitz, 1997).

У покрытосеменных растений клетки листового зачатка не является потомками одной или нескольких клеток-основателей, так как уже в момент своего появления зачаток представляет собой многоклеточное образовании, состоящее из нескольких рядов клеток, тянущихся от дистального края зачатка до его проксимальной зоны. Ростовая зона листового зачатка находится в его проксимальной части. Поэтому, в каждый момент времени, проксимальная зона моложе дистальной зоны (Poethig, 1997), что подтверждается прямыми наблюдениями за темпами морфологического созревания клеток (Efroni et al., 2010).

Точно так же дорсальная (адаксиальная, верхняя) сторона листового зачатка моложе вентральной (абаксиальной, нижней) части. Если на ранних стадиях развития листового зачатка сделать надрез, отделяющий дорсальную сторону этого зачатка от апекса, то получается цилиндрический зачаток, состоящий только из вентрального эпидермиса (Sussex, 1955). Наконец, неверным оказалось представление о краевой зоне листового зачатка как об источнике стволовых клеток, обеспечивающих рост листа. При ее удалении на ранних стадиях морфогенеза листовой пластинки образуется нормальный лист, причем структуры, в норме развивающиеся из краевой зоны, развиваются из центральной части зачатка (Poethig, 1997; Sachs, 2006). Лист растет не от периферии к

центру, как когда-то считалось, а наоборот, от центра к периферии, и краевая зона листа старше его центральной зоны.

Следует подчеркнуть, что сказанное относится только к морфогенезу простых листьев. В настоящее время считается общепризнанным, что простые и сложные листья имеют разную программу развития (РоеЙ^, 1997; Ейгош е1 а1., 2010). Морфогенез сложного листа гораздо ближе к морфогенезу побега, когда старшей является не дистальная, а проксимальная часть листового зачатка. Но, если рассматривать рост отдельных листочков сложного листа, у них, как и у простых листьев, проксимальная часть листочка моложе его дистальной части. Поскольку рост побега является эволюционно исходной формой роста (Серебряков, 1952), естественно предположить, что простой лист - это производная форма.

Возрастные различия имеют, по-видимому, самую прямую связь с развитием опушения. Многоклеточные волоски (например, у табака) появляются на той стадии развития листового зачатка, когда он имеет форму «лодочки» с выпуклой вентральной и плоской дорсальной стороной. В дистальной зоне листового зачатка волоски образуются раньше, чем в проксимальной зоне, а на вентральной стороне - раньше, чем на дорсальной стороне листа (РоеЙй§, 1997). Таким образом, у табака появление волосков на листе происходит в той же последовательности, что и у крупок, и разница в строении волосков на этот процесс никак не влияет.

Одноклеточные волоски АгаЫс1орзгз появляются примерно на той же стадии, но образуются в основном на дорсальной стороне листовой пластинки (Ьагкт е1 а1., 1994). При этом, точно так же, как у табака, первые волоски появляются в дистальной зоне листового зачатка, клетки которой по своим морфологическим характеристикам являются более зрелыми, в частности, более крупными (СИ^оос! е1 а1., 2007). Возможно, что перенос опушения на дорсальную сторону у АгаЫйорзгз является родовым признаком, так как и у табака, и у крупок (СЫу/оос! е1 а1., 2007, Григорьева. 2006а, б) сильнее опушена вентральная поверхность листа. Связь между биологическим возрастом ткани и ее опушением прослеживается у растений разных родов и заслуживает дальнейшего изучения.

Опушение генеративных органов. Похоже, что у АгаЬк1ор815 степень опушения разных органов растения является таким же количественным признаком, как густота опушения листовой пластинки, зависящим от дозы гена, то есть, от числа в данном генотипе генов, оказывающих на развитие опушения однонаправленное влияние. Помимо листьев, опушенными бывают цветонос, чашелистики и плоды, причем опушение

генеративных органов гораздо беднее. При увеличении дозы гена GLABRA 1 (GL1), контролирующего детерминацию трихом, их число возрастает не только на листовой пластинке, но и на генеративных органах (Hülskamp, Schnittger, 1998). Из этого следует, что волоски, развивающиеся на генеративных органах, ничем не отличаются от волосков листовой пластинки, но вероятность их возникновения гораздо ниже.

Кроме того, при увеличении дозы GL1 образуются эктопические трихомы. Так называются трихомы, образующиеся на органах, на которых они отсутствуют в диком типе - на семядолях, пестиках и пыльниках, причем это типичные трехлучевые волоски, такие же, как на листовой пластинке. Наконец, если обычно трихомы формируются из эпидермальных клеток, то при увеличении дозы GL1 они часто образуются из клеток субэпидермального слоя, так что тканеспецифичность трихом также не является абсолютной.

У многих видов крупок опушен цветонос, или, хотя бы, его нижняя часть. У ряда видов могут быть опушены плоды, чаще, простыми или вильчатыми волосками. По нашим наблюдениям, в пределах вида густота опушения растений разных популяций может значительно отличаться. Например, у D. cinerea встречаются популяции растений с почти голыми плодами (Толмачев, 1975), и популяции, где растения опушены столь густо, что волоски есть даже на лепестках (Григорьева, собственные наблюдения). Косвенно это подтверждает, что у Draba, как и у Arabidopsis, степень опушения органов является количественным широко варьирующим признаком. Волоски, образующие опушение цветоноса и генеративных органов в сущности, должны быть одинаковыми, однако на самом деле волоски на цветоносе отличаются от волосков на листьях более длинной ножкой волоска и более хаотичным ветвлением. Это связано исключительно с особенностями развития цветоноса крупок: он формируется с осени, а весной, как только температура повышается, очень быстро растягивается. Достигается это во многом за счёт того, что клетки зачатка к весне сформированы и очень плотно упакованы. Волосковые клетки при этом тоже сильно сжаты, и растущая волосковая клетка выдавливается из пласта, меняя привычную форму. Ещё один интересный момент - распределение волосков различной степени ветвистости по генеративному побегу. У большинства видов наиболее разветвлённые волоски располагаются на розеточных листьях, а структуры, расположенные выше по побегу - листья цветоноса, чашелистики, створки плодов -опушены слабее и менее разветвлёнными волосками. Но есть вид D. baicalensis Tolm., у которого всё наоборот, самые разветвлённые волоски находятся на плодах, а розеточные листья опушены, преимущественно, простыми волосками.

18

Л

<ii I

I

' I. !

iViit/Ь

i(4 ?> )

t»,,

tf )>\t

IДМ!

н'А UY

ЧЧ1;,! Д|!

t

<( I

f IW1

<<fi

hiH

f I > <fl

r »,

U> 'J I Vt Vi*

I 0

4

1 T|

Ьцм t

i i 4А л *

Ц V'u

111 Л J

'iiy '

Из сказанного в этом разделе можно заключить, что существует две независимых морфогенетических (и генетических) системы контроля опушения, одна из которых отвечает за его густоту, определяя вероятность, с которой эпидермальная клетка становится волосковой клеткой, а другая контролирует собственно ветвление волосков. Эти системы потенциально независимы, но при некоторых, пока не известных условиях, между ними может устанавливаться связь. Третья, пока не изученная система, определяет зависимость развития волосков от их положения на генеративном побеге и его связь с особенностями морфогенеза конкретных органов растения.

Морфогенез волосков у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.

Детерминация волосковых клеток. В начале внутрипочечного развития листа эпидермальные клетки делятся путем обычных пролиферативных митозов, а затем переходят к эндоредупликации ДНК. Так делают все клетки, за исключением будущих клеток устьиц, клетки которых сохраняют исходную плоидность и образуют клеточные клоны, каждый из которых, после строго фиксированного числа митозов со строго определенным чередованием ориентации веретен последовательных неравных делений, образует замыкающие клетки одного устьица (Sachs, 1978). Поэтому на препаратах листовой пластинки мы видим эпидермальные клетки разного размера, и размерные различия нередко связаны с различиями в плоидности. Если С - количество ДНК в гаплоидном генотипе клетки, то самые мелкие эпидермальные клетки (родоначальники замыкающих клеток устьиц) имеют генотип 2С, клетки следующего размерного класса -генотип 4С, самые крупные клетки - генотип 8С, а волосковые клетки - генотип 32С, то есть, они проходят четыре цикла эндоредупликации (Hülskamp et al, 1998). Это не значит, конечно, что на препаратах видны дискретные размерные классы клеток. Хорошо различимы только крайние размерные классы, а так на растущем листовом зачатке размер эпидермальных клеток варьирует непрерывно, так как в каждый момент времени они находятся на разных стадиях эндоредупликации (Edgar, Orr-Weaver, 2001).

Самым ранним морфологическим признаком детерминации волосковых клеток является увеличение размеров ядра, которое становится заметным после третьего цикла эндоредупликации (Hülskamp et al, 1994). Период компетенции эпидермальных клеток к восприятию сигналов, индуцирующих образование волосковых клеток, начинается со смены пролиферативных митозов эндоредупликацией и заканчивается с прекращением пролиферативной активности клеток (Szymanski, 2000; Szymanski et al., 2000). Сама по себе эндоредупликация не решает судьбу клетки, так как происходит во всех клетках

19

эпидермиса, кроме клеток, клоны которых дают начало устьицам. Переход к эндоредупликации происходит под действием белка (циклин-зависимой киназы), переводящего клетку из фазы G2 в фазу М. Эта киназа блокируется продуктом гена SIM (Siamese), и в случае мутации этого гена эндоредупликация сменяется обычным митозом. При этом детерминация волосковых клеток остается прежней, но вместо одноклеточной возникает многоклеточная трихома, образующая многоклеточную ножку и ветви, каждая из которых также состоит из нескольких клеток (Walker et al., 2000; Schnittger et al., 2002; Ishida et al., 2008). Поэтому предполагается, что детерминация волосковой клетки происходит несколько раньше, а именно в S-фазе первого клеточного цикла, заканчивающегося эндоредупликацией, предположительно, под влиянием гиббереллинов (Schnittger, Hulskamp, 2002).

Это, однако, не решает главного вопроса - почему волосковой становится именно эта, а не какая-нибудь другая клетка. Ответ на него был получен в работе Ларкина и соавторов (Larkin et al., 1996), причем оказалось, что детерминация волосковых клеток идет строго по сценарию классической самоорганизации в реакционно-диффузионных системах, открытой Аланом Тьюрингом (Turing, 1952).

В опытах с генетически маркированными клонами эпидермальных клеток Ларкин и соавторы показали, что генеалогия волосковой клетки не имеет значения для ее детерминации, так как из двух клеток, имеющих одинаковую генеалогию, одна может образовать волосок, а другая стать соседней с ней эпидермальной клеткой. Таким образом, у будущих волосковых клеток нет детерминированных предшественников, для которых вероятность выхода клетки из пролиферативного цикла была бы выше, чем в любой другой клетке. Выбор клетки, из которой будет развиваться волосок, случаен: эпидермальная клетка становится волосковой, если концентрация продукта гена GL1 в силу малых случайных флюктуаций становится в этой клетке выше, чем в окружающих клетках.

Продукт гена GL1 является транскрипционным фактором, способным, в частности, усиливать транскрипцию самого этого гена, поэтому случайные положительные флюктуации его концентрации способны к автокаталитическому росту. Рост концентрации продукта GL1 (GL1 - аналог «локального активатора» в модели Тьюринга) активирует транскрипцию гена Tryptochon (TRY), продукт которого блокирует GL1 и быстро переносится в соседние клетки (аналог «дальнего ингибитора» в модели Тьюринга). Там его концентрация выше, чем концентрация GL1, что исключает повторения в них той же последовательности событий, то есть, образования еще одной волосковой клетки (Szymanski et. al., 1999; Szymanski et. al., 2000). Мутация гена TRY

ведет к образованию пучков трихом, развивающихся из соседних клеток листовой пластинки (Ishida et al., 2008). По своему действию ген TRY сходен с геном SIM. Оба гена являются антагонистами генов GLABRA, препятствуя переходу клетки к эндоредупликации. Фенотипические эффекты обоих генов могут перекрываться: пучок, состоящий из двух одноклеточных трихом, растущих рядом, может возникать под действием ингибитора (эффект гена TRY), или же при подавлении эндоредупликации (эффект гена SIM) (Walker et al., 2000).

Модель Ларкина объясняет, почему трихомы обязательно разделены группами обычных эпидермальных клеток (их число может зависеть от множества параметров, прежде всего от скорости переноса TRY от клетки к клетке) и практически решает вопрос о причинах возникновения трихом. Другое дело, что она не претендует на решение вопроса о причинах и характере самого формообразования.

Морфогенез волосковых клеток. Морфогенез волосковой клетки начинается с роста объема эпидермальной клетки с волосковой детерминацией. Площадь ее наружной поверхности растет за счет увеличения кривизны - плоская наружная поверхность клетки становится выпуклой и постепенно принимает полусферическую или параболическую форму (Uphof, 1962; Hülskamp et al., 1999; Hülskamp, 2000; Schwab et al., 2000). Количественно-морфологическое описание этой фазы морфогенеза отсутствует в литературе, возможно, из-за очень большой изменчивости, которая традиционно считается не подспорьем, а помехой в изучении формы.

На следующем этапе морфогенеза изменчивость также высока, но в клетке всегда можно выделить цилиндрическую проксимальную (ножка) и округлую дистальную часть (верхушка). Цилиндрическая часть клетки дает начало неветвящейся проксимальной ножке волоска, а дистальная верхушка либо заостряется, давая начала простому (неветвящемуся) волоску, либо ветвится, образуя первичные ветви (лучи) будущего волоска. Ядро располагается сначала в центре эпидермальной клетки, из которой формируется волосок, а после выделения в ней цилиндрической проксимальной и ветвящейся дистальной зоны оно оказывается на границе между ними, находясь примерно на равном расстоянии от начала всех формирующихся ветвей (Hülskamp, 2000).

У Arabidopsis, как правило, образуется два зачатка первичных ветвей, расположенных на противоположных сторонах поперечного сечения дистальной зоны, один более мелкий, начинающийся оформляться чуть раньше, и другой более крупный, развивающийся чуть медленнее (рис. 1.3). Более крупный зачаток всегда обращен к концу листовой пластинки, а более мелкий - к ее основанию (Schwab et al., 2000).

Рис. 1.3. Морфогенез волосков АгаЫйорь'к ЖаНапа (из ОррепЬенпег е! а1., 1997), а-в - стадии развития, г - взрослый волосок: I и II - первичные зачатки лучей, стрелка направлена к проксимальному краю листа, * - простой волосок, Л - вторичное ветвление луча.

Более крупный зачаток либо испытывает вторичное ветвление с образованием трехлучевого волоска (см. рис. 1.36), либо заостряется, и тогда получается двухлучевой волосок (ОррепИетег, 1998). Вторичное ветвление первичного зачатка происходит примерно так же, как первичное ветвление. Соотношение двухлучевых и трехлучевых волосков варьирует в разных линиях и экотипах АгаЫйоряиу (Ьио, ОррепИетег, 1999), однако характер частотного распределения этих типов (является ли он бимодальным или унимодальным) не изучен. Наконец, на оригинальных фотографиях волосков дикого типа (см., например, ОррепЬеппег, 1998, рис. 1.4) видны волоски, у которых ветвятся оба первичных зачатка ветвей, и которые почему-то не включают в перечень типичных волосков.

Для волосковых клеток АгаЫйорз15 не решены и даже не поставлены основные для понимания морфогенеза вопросы - почему, в большинстве случаев, выделяется два первичных зачатка, почему один из них получается более крупным и почему для более крупного зачатка более вероятно вторичное ветвление. В таких случаях принято ссылаться на гены, контролирующие ветвление (об этом см. ниже), но, не зная механики морфогенеза, нельзя понять, что именно эти гены делают (ВеЬизэоу, 1998; 2012). Между тем, даже для волосков АгаЫйорз 15, одного из модельных объектов современной биологии развития, нет точного описания геометрии формообразования, и даже не известно, насколько закономерной является обычно наблюдаемая последовательность морфологических преобразований. Эти вопросы взаимосвязаны, так как, для того чтобы знать, являются ли две формы индивидуальными вариантами, или же последовательными стадиями развития, необходимо знать изменчивость нормального морфогенеза, которая вообще не изучена.

Для АгаЫс1ор$1$ обычно выделяются следующие стадии развития волосковых клеток (Бгутапэк!, 2000):

I. Увеличение размера клетки

и. Проксимодистальное вытяжение клетки

III. Ветвление верхушки

IV. Вытяжение ветвей

V. Заострение ветвей

VI. Образование папилл, то есть, микрорельефа клеточной оболочки,

означающее ее затвердение и неспособность к дальнейшему росту,

Такая последовательность стадий действительно хорошо воспроизводится, но в ней пропущены самые главные для понимания механики морфогенеза переходные стадии

Рис. 1.4. Изменчивость ветвления волосков в линии дикого типа у АгаЫ(1ор$1$ гкаИапа (из ОррепИеппег, 1998, ): 1 - вильчатый волосок с одним простым и одним вторично ветвящимся лучом, 2 - волосок с двумя ветвящимися лучами.

Рис. 1.5. Ориентация микротрубочек в морфогенезе зачатков ветвей (лучей) волоска у АгаЫйоръгз ИшНипа (из МаИшг, С1ша, 2000): а - кольцевая ориентация микротрубочек молодого зачатка луча (стрелка), б - переход к спиральной ориентации в ходе продольного вытяжения зачатка (стрелки)

развития. По-видимому, они отсутствуют именно из опасения спутать последовательные стадии развития с его индивидуальными вариантами. Для изучения нормальной изменчивости развития волоски Arabidopsis не очень удобны из-за слишком явного преобладания основного типа развития - образования трехлучевого волоска из двух первичных зачатков, один из которых испытывает вторичное ветвление. Не ясно, является ли такой тип развития базовым с точки зрения механики морфогенеза волосковой клетки, или это частный случай, закрепленный в данной группе на генетическом уровне. Наличие, в пределах нормальной изменчивости, других вариантов говорит о том, что такая последовательность событий не обязательна, но частота этих вариантов очень низка, что затрудняет их изучение. Самый важный вопрос - является ли выделение проксимальной и дистальной зоны результатом самоорганизации, или же оно запрограммировано генетически - нельзя решить из-за ограниченности морфологического разнообразия.

Именно поэтому в качестве модели мы выбрали морфогенез волосков крупок, который, судя по общей морфологии волосков, принципиально не отличается от их морфогенеза у Arabidopsis, но морфологическое разнообразие гораздо шире, не только на родовом уровне, но также на уровне внутривидовой и внутри-индивидуальной изменчивости.

Роль цитоскелета. Прямые наблюдения за перемещением меченых участков клеточной поверхности говорят о том, что при образовании лучей волоска площадь клеточной поверхности растет не в отдельных точках роста, где возникают зачатки ветвей, а на всем своем протяжении (Schwab et al., 2000). Известно, что молодая («первичная») клеточная стенка растительной клетки может пассивно растягиваться, что связано с разрывом связей между мицеллами целлюлозы и их латеральным перемещением, и активно расти за счет образования и встраивания новых мицелл (Rayle, Cleland, 1992).

Оба процесса должны зависеть от микротрубочек и от связанных с ними транспортных белков типа кинезина, переносящих эти структурные элементы от ядерной мембраны к наружной поверхности клетки (от - конца микротрубочки к ее + концу).

При деполимеризации микротрубочек резко уменьшается отношение поверхности клетки к ее объему, и способность к ветвлению утрачивается. При их стабилизации, когда деполимеризация блокируется, и микротрубочки утрачивают способность к изменению ориентации подавляется вторичное ветвление зачатков, и образуются только простые (неветвящиеся) волоски, или вильчатые волоски, образующие два неветвящихся луча (Mathur, Chua, 2000). Мутация гена Zwishel (ZWI), кодирующего белок (или белки) из семейства кинезинов, ведет к редукции ветвления: трехлучевые волоски становятся

вильчатыми, вильчатые - простыми волосками, а ножка волоска укорачивается (Oppenheimer et al., 1997; Mathur, Chua, 2000). Ген ZWI и другие гены, влияющие на сборку-разборку микротрубочек и активный транспорт, считываются не только в волосковых клетках, но и в других тканях, где мутация этого гена не вызывает никакого видимого эффекта (Oppenheimer, 1998), возможно потому, что там нет такого заметного роста площади и объема клетки, как при образовании волоска.

Основным принципом пространственной организации микротрубочек в морфогенезе является их ориентация по силовым линиям максимального механического напряжения клеточной поверхности (Белоусов, 1987), а у растительных клеток (например, у одноклеточной водоросли ацетабулярии) к этому добавляется ориентация по этим же силовым линиям мицелл целлюлозы, формирующих клеточную оболочку (Мартынов, 1982; Kropf et al., 1998). При обычном цитокинезе растительной клетки образованию клеточной перегородки предшествует сборка кольца микротрубочек, опоясывающего клетку, а этому, в свою очередь, предшествует дифференциация клетки на сферические полюса и цилиндрическую экваториальную зону, где будет закладываться клеточная перегородка (Meyerowitz, 1997). Таким образом, кольцевая ориентация микротрубочек -прямое и чисто геометрическое следствие того факта, что в цилиндрической экваториальной зоне кольцевые упругие напряжения выше, чем меридиональные напряжения (Тимошенко, Войнаровский-Кригер, 1966).

У Arabidopsis образование ветвей волоска начинается с локального вздутия клеточной поверхности. До тех пор, пока оно имеет параболическую форму, микротрубочки образуют кольца вокруг вершины параболы (Mathur, Chua, 2000), то есть, выстраиваются по линиям максимальной кривизны, соответствующим линиям максимального упругого напряжения клеточной поверхности. После того, как вздутие принимает форму цилиндра с закругленной верхушкой, в цилиндрической части клетки микротрубочки выстраиваются в виде спирали, закрученной вокруг длинной оси цилиндра (Mathur, Chua, 2000, рис. 1.5), и точно так же закручиваются мицеллы целлюлозы при образовании стебля у ацетабулярии (Мартынов, 1982). В растущем в высоту цилиндре максимальные напряжения сжатия приходятся на его образующие, и переход к спиральной ориентации энергетически выгоден. Простейший пример -превращение упругого стержня в спираль при его продольном сжатии (Тимошенко, Войнаровский-Кригер, 1966).

Сборка микротрубочек фиксирует «силовые линии» механических напряжений, делая анизотропную форму механически равновесной, а разборка нарушает механическое

равновесие, создавая новые потенциальные направления роста. Полярность микротрубочек определяет направление транспортировки новых структурных элементов, пополняющих клеточную оболочку, что ведет к активному росту ее площади, без которого невозможно усложнение формы клетки. Роль F-актина, и в этом, по-видимому, основное отличие растительных клеток от клеток животных, ограничивается его участием в активном транспорте, так как мутации генов, кодирующих актин-связывающие белки вызывают практически такой же эффект, как мутация ZWI (Mathur et al., 2003).

Генетическая регуляция морфогенеза волосковых клеток. Этому разделу нужно предпослать общее замечание, отчасти повторяющее то, что говорилось о морфологической классификации волосков. Признаки, характеризующие их ветвление, являются по своей сути количественно-морфологическими полигенными признаками, так как, например, между вильчатыми и простыми волосками существует полный спектр переходов. Несмотря на это, по методическим и другим причинам, генетический анализ пока ограничивается анализом эффекта отдельных мутаций и их комбинирования, так, как это делается в отношении «сильных генов», действие которых сильнее влияния генетического фона и модификационной компоненты изменчивости (Falconer, 1981). Поэтому, несмотря на открытие множества генов, контролирующих морфогенез волосков, мы не нашли работ, в которых бы оценивалась величина наследуемости морфологических характеристик, как она понимается в количественной генетике (отношение аддитивной генетической дисперсии к общей фенотипической дисперсии, см. Falconer, 1981). В этом разделе мы попытаемся проследить, как предлагаемые модели генетической регуляции морфогенеза волосковых клеток постепенно эволюционировали от моделей с небольшим числом сильных генов, однозначно связанных с контролируемыми ими морфологическими признаками к полигенным моделям.

В одной из первых предложенных моделей (Folkers et al., 1997) постулировалась прямая связь между альтернативными путями развития ветвей волоска - наличием или отсутствием вторичного ветвлениями - и группами генов, одна из которых переключает развитие на один, а другая на другой путь. Эпидермальная клетка приобретает волосковую детерминацию при активации гена GL1 (локальный активатор), а автокаталитический рост концентрации его продукта блокируется геном TRY (дальний ингибитор, см. предыдущий раздел). Продукты генов GL1 и TRY конкурируют друг с другом за присоединение к транскрипционному комплексу GL3/EGL3, причем, если выигрывает GL1, то активируются гены GL2 и GL3, и из клетки будет формироваться

волосок, а если выигрывает TRY, то она останется обычной эпидермальной клеткой (Oppenheimer, 1998; Ishida et al., 2008).

После включения генов GL2 и GL3 открываются два пути развития волосковой клетки. Если работает ген STI, то его продукт, вместе с продуктами генов GL2 и GL3, активируют ген AN, и тогда один из первичных зачатков (наиболее крупный) испытывает вторичное ветвление. Если же вместо гена AN включается ген STA, то вторичное ветвление отсутствует. Таким образом, в исходной модели (Folkers et al., 1997) первичное и вторичное ветвление имеют собственную генетическую регуляцию - существует ген (гены) первичного ветвления волосковых клеток и ген (гены) вторичного ветвления первичных зачатков.

По мере накопления генов, мутации которых влияют на ветвление, граница между генами, контролирующими первичное и ветвление стала постепенно размываться. Оказалось, что в зависимости от генетического фона, гены AN и STA могут влиять как на первичное, так и на вторичное ветвление, а кроме них, на первичное и вторичное ветвление влияют по крайней мере еще шесть генов, гены FRC1, FRC2, FRC3, FRC4, ZWI, NOK и SUZ2.

Взятые по отдельности гены FRC1, FRC2 и FRC3 действуют как ген AN (вторичное ветвление), а ген FRC4 действует как ген STA (первичное ветвление). Однако, любая комбинация гена AN с генами группы FRC дает простые волоски, а любая комбинация гена STA с генами этой группы - вильчатые волоски, то есть, в сочетании с другими генами гены AN и STA влияют на первичное ветвление. Таким образом, с генетической точки зрения первичное и вторичное ветвление неразличимы. Перед нами типичная полигенная система наследования количественно-морфологического признака, осложненная сильным взаимодействием влияющих на него генов.

Такие системы генетики называют вырожденными, так как сходный эффект вызывают гены, влияющие на совершенно разные морфогенетические процессы. Так, от гена (генов) ZWI зависит, как мы уже знаем, участие микротрубочек в активном транспорте, от генов группы FRC - сборка (разборка) микротрубочек, а от гена NOK -число циклов эндоредупликации. И наоборот, действие одного и того же гена оказывается плейотропным, даже в случае, когда он кодирует не регуляторный, а структурный белок. Ген ZWI кодирует один из кинезинов, но этот белок имеет сродство к кальмодулинам (Oppenheimer, 1998), белкам, регулирующим внутриклеточную концентрацию кальция, которая, в свою очередь, влияет на соотношение темпов сборки-разборки практически любых полимеров. Поэтому ген ZWI влияет не только на пополнение клеточной оболочки

новыми структурными элементами, но и на скорость изменения ориентации микротрубочек, а через нее - на ориентацию главных осей роста первичных и вторичных ветвей волоска.

Величина коэффициента наследуемости таких характеристик, как вероятность вторичного ветвления первичных зачатков, пока не измерена так, как это принято в количественной генетике, но заранее ясно, что она должна быть ниже, чем в обычной полигенной системе. Причинами являются плейотропия действия генов, их взаимодействие, и тот факт, что значительная часть изменчивости является внутри-индивидуальной. Это объясняет высокий уровень нормальной морфологической изменчивости волосков даже у Arabidopsis, где он гораздо ниже, чем у большинства крупок. Прямой отбор в пользу той или иной формы волосков мало эффективен, даже если бы эта формы имела собственную адаптивную ценность. Поэтому, если выяснится, что в ходе эволюции крупок одни формы ветвления закономерно сменяются другими, то объяснение придется искать за пределами прямых или коррелятивных эффектов естественного отбора (Cherdantsev et al., 1996).

Предполагаемая связь между одноклеточными и многоклеточными трихомами. Мутация гена SIM делает одноклеточные волоски многоклеточными, снимая блокаду цитотомии (Walker et al., 2000), и оказывается, что образование клеток практически не влияет на морфологический облик волоска. Ножка волоска сохраняет цилиндрическую форму из-за того, что плоскости клеточных делений ориентируются перпендикулярно её проксимодистальной оси, зачатки ветвей тоже возникают как локальные вздутия дистальной верхушки, но только отделяются клеточными перегородками, ориентированными перпендикулярно оси роста каждой ветви (Hülskamp. 2000; Ishida et al., 2008). При этом у одноклеточных волосков геометрия движения клеточной поверхности сначала при формировании ножки, а затем ветвей волоска, очень близка к геометрии премитотического движения поверхности делящейся клетки, главной осью которого является ось веретена (Schwab et al., 2000). Наконец, когда при ветвлении верхушки волоска возникают новые направления движения (изменения формы) клеточной поверхности, в точках изменения своей ориентации микротрубочки выглядят практически так же, как звезды митотического веретена (Mathur, Chua, 2000). Отсюда возникла гипотеза об эволюционной вторичности одноклеточных волосков, то есть, об их происхождении от многоклеточных волосков путем замещения пролиферативного митоза эндоредупликацией, для чего достаточно изменения всего одного гена (Walker et al., 2000; Hülskamp. 2000; Schwab et al., 2000).

С эволюционной точки зрения эта гипотеза имеет очевидные изъяны. Одно дело -мгновенное («еальтационное») превращение одной не очень важной для приспособленности структуры в другую, столь же не важную, и совсем другое - редукция структуры, имеющей собственную адаптивную ценность. Во всех случаях, когда нам известны функции волосков, речь идёт как раз о многоклеточных, а не об одноклеточных волосках (Szymanski, 2000).

Гипотеза, скорее всего, основана на очень распространенной логической ошибке, когда общую зависимость А и В от С принимают за непосредственную связь А и В. В данном случае А - многоклеточный, В - одноклеточный волосок, а С - общая для них геометрия движения клеточной поверхности. Из наблюдений за движением меченых участков поверхности одноклеточных волосков (Schwab et al., 2000) видно, что увеличение площади клеточной поверхности происходит не непрерывно, а порциями, возможно, согласованными с циклами эндоредупликации. Тогда нет ничего удивительного в том, что замена эндоредупликации обычным митозом принципиально не изменяет морфологической организации.

Вероятнее всего, что одноклеточные и многоклеточные волоски возникали в разных филогенетических линиях параллельно и независимо друг от друга на общей морфогенетической основе. При этом основной интерес представляют причины ритмических осцилляций роста, которые, по-видимому, следует искать в механизмах морфогенеза, нередко общих для клетки и многоклеточных зачатков.

В заключение обзора отметим основные пробелы, существующие в описании морфогенеза волосковых клеток у Arabidopsis, на которые мы будем обращать особое внимание, изучая их морфогенез у крупок. Это, прежде всего, недостаточная изученность ранних этапов формирования волосковых клеток и практически полное отсутствие описания геометрии формообразования. Последний вопрос имеет принципиальное значение, так как теоретически возможны два разных понимания причин усложнения формы клетки. Согласно одному из них, явно не формулируемому, но подразумеваемому в большинстве современных работ, усложнению формы предшествует субклеточная молекулярная разметка, которая «наносится» на клетку, лишенную каких-либо геометрических особенностей. Согласно другому взгляду (Мартынов, 1982; Beloussov, 2012; Cherdantsev, Grigorieva, 2012), источниками разметки на субклеточном уровне являются геометрические особенности клеточной поверхности, возникающие на основе самоорганизации, когда пространственно однородная форма по каким-либо причинам утрачивает устойчивость.

Не менее важным и нерешенным даже для АгаЫс1ор513 вопросом является вопрос о гомологии ветвей одноклеточных волосков, в частности, вопрос о гомологии первичных и вторичных ветвей. По имеющимся данным трудно сказать, соответствует ли образование ветвей разного порядка разным морфогенетическим процессам, или это модификации одного и того же алгоритма формообразования. Отсутствие независимой генетической регуляции первичного и вторичного ветвления (ОррепИетег, 1998) делает более вероятной вторую гипотезу, но не является ее доказательством. Решение этого вопроса имеет принципиальное значение для морфологической классификации волосков, а значит, и для понимания причин их морфологической изменчивости и факторов эволюции их морфогенеза.

Исходя из сказанного из этого, в своей работе мы ставим следующие задачи:

1. На живом и гербарном материале описать динамику формирования и изменчивость опушения листа и побега.

2. С помощью СЭМ выделить и описать последовательные этапы морфогенеза одноклеточных волосков у различных видов крупок.

3. На качественном и количественно-морфологическом уровне описать нормальную изменчивость процессов формообразования и ее связь с изменчивостью взрослых волосков.

4. С помощью количественно-морфологического анализа геометрии развития волосков попытаться выяснить механизмы формообразования

5. Построить физическую модель морфогенеза волосковой клетки, основанную на взаимодействии механических напряжений, возникающих под действием тургорного давления и активного роста клеточной поверхности.

6. Показать связь между механикой морфогенеза и организацией нормальной морфологической изменчивости волосков.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Морфология и изменчивость взрослых одноклеточных волосков крупок была изучена на гербарных образцах, хранящихся в коллекциях МГУ, ВИЛАР, ГБС, БИН и ДВО РАН, гербарном материале сборов с Таймыра, любезно предоставленных И. Поспеловым, материале собственных сборов автора из природных локальных популяций и на живом материале, привезенным из этих мест и поддерживаемым в культуре в Ботаническом саду МГУ. Были изучены следующие виды:

1. D. aizoides L.

2. D. aleutica Ekman

3. D. alpina L.

4. D. arctica J. Vahl

5. D. baicalensis Tolm.

6. D. borealis DC. (incl. D. kurilensis (Turcz.) F. Schmidt)

7. D. bruniifolia Steven

8. D. сапа Rydb.

9. D. cardaminiflora Kom.

10. D. cinerea Adams

11. D. daurica DC. (D. hirta L.)

12. D. elisabethae N. Busch

13. D. eriopoda Turcz.

14. D. ßadnizensis Wulf.

15. D. glacialis Adams

16. D. groenlandica Ekman

17. D. hispida Willd.

18. D. incana L.

19. D. insularis Pissjauk. (D. valida Pissjauk.)

20. D. juvenilis Kom.

21. D. kamtschatica (Ledeb.) N. Busch

22. D. kuznetsovii (Turcz.) Hayek

23. D. lactea Adams

24. D. macrocarpa Adams

25. D. magadanensis Berkut. et Khokhr.

26. D. mongolica Turcz.

27. D. nemorosa L.

28. D. nivalis Liljebl.

29. D. norvegica Gunn.

30. D. ochroleuca Bunge

31. D. parvisiliquosa Tolm.

32. D. paucißora R. Br.

33. D. pilosa DC.

34. D. pseudopilosa Pohle

35. D. sachalinensis (Fr. Schmidt) Trautv.

36. D. sibirica (Pall.) Thell.

37. D. siliquosa Bieb.

38. D. stenopetala Trautv.

39. D. subamplexicaulis С. A. Mey.

40. D. subcapitata Simm.

41. D. supravillosa Khokhr.

42. D. ussuriensis Pohle

43. Erophilla verna (L.) Bess.

44. Nesodraba grandis Greene (D. grandis Langsd.)

Собственные гербарные образцы, использованные в работе, были собраны в следующих точках (звездочкой помечены точки, из которых был взят посадочный материал для интродукции в Ботаническом саду МГУ):

I. D. sibirica (Pall.) Thell.

1. *Московская обл., Луховицкий р-н, суходольный луг возле полотна Казанской железной дороги между ст. Луховицы и пл. 142 км. Сборы 1991, 1992, 1998, 2000, 2004 годов.

2. Курская обл., Центрально-Чернозёмный заповедник им. Алёхина, Стрелецкая

степь.

1) Степь с ежегодным сенокошением (только вдоль дороги)

2) Степь с сенокошением раз в два года

3) Степь с пастбищным режимом

4) Петрин лог, склоны

Все сборы 1991 года.

3. Республика Хакасия

Аскизский р-н

1) Луговая косимая степь в 6 км к юго-западу от д. Казановка.

2) Северо-восточный и восточный склоны г. Хызыл-Хая, лугово-степные склоны.

3) Левый берег р. База, лесные поляны, на которых производится выпас коров.

4) Правый берег р. База, травяной склон северо-западной экспозиции с разреженно растущими соснами и берёзами.

5) Левый берег р. База, молодые сосновые посадки (возраст сосны около 6 лет).

6) *Правый берег р. Аскиз, 2 км к югу от д. Бирикчуль. Выпасы вдоль ручья в разреженном березняке.

Таштыпский р-н, обочина дороги на Таштыпском перевале (выс. 976 м н. у. м.). Щебнистая осыпь с разреженной растительностью под скалами.

4. * Тюменская обл., п-ов Ямал, строящаяся железная дорога к Бованенковскому месторождению, 165 км. Рядом с мостом через р. Ензор-яха. Насыпь моста и обочина дороги, на границе с сырой кустарниковой тундрой.

5. Карачаево-Черкесская республика, Тебердинский государственный заповедник, г. Малая Хатипара. Субальпийский пестроовсянницево - разнотравный луг.

II. D. daurica DC.

1. Тюменская обл., п-ов Ямал, территории вдоль 140-165 км строящейся железной дороги к Бованенковскому газо-конденсатному месторождению.

1) Мраморная сопка Ензор-седа. Нижняя часть склона южной экспозиции, на мелкозёмных и щебнистых участках.

2) Сибил ейская мраморная гряда, скальные полочки южной экспозиции.

3) *Окрестности оз. Юнто. Отсыпка грунтовой дороги.

2. *Хакасия, Западный Саян, дорога на Ак-Довурак, Саянский (100-й) перевал (выс. 2224 н. у. м.), граница Хакасии и Тувы, в 50 м от перевала по дороге со стороны Хакасии, щебнистая осыпь у подножья склона у обочины дороги.

3. Тюменская обл., п-ов Ямал, окрестности Бованенковского газо-конденсатного месторождения. Нижнее течение р. Мордыяха, гряды бугров пучения, склоны с разреженной растительностью.

4. Полярный Урал, водораздел рек Уса и Собь. Мраморные скалы к юго-западу от ж. д. станции «Полярный Урал». На скальных полочках юго-восточной экспозиции.

III. D. fladnizensis Wulf.

1. Тюменская обл., п-ов Ямал, территории вдоль 140-165 км строящейся железной дороги к Бованенковскому газо-конденсатному месторождению.

1) *Сопка из красноватого песчаника, место, откуда брали камень. Каменистая площадка с очень разреженной растительностью.

2) Окрестности рабочего посёлка «Скальный», за карьером, около триангулятора. Выходы скальной породы чёрного цвета. Скальные полочки с южной стороны.

3) Хребет Нява-Пэ, луговые склоны с Hierochloe alpina (Liljebl.) Roem. et Schult., Oxytropis sórdida (Willd.) Pers., Hedysarum arcticum B. Fedtsch. и Pedicularis amoena Adams.

2. Полярный Урал, водораздел рек Уса и Собь

1) * Берега временных водотоков, бегущих из-под снежника.

2) Скальные выходы к северо-западу от ж. д. станции «Полярный Урал». На скальных полочках юго-восточной экспозиции.

IV. D. baicalensis Tolm.

Республика Хакасия, Аскизский р-н, окрестности дер. Казановка.

1) *Гора Аар-таг, скалы северной и северо-западной экспозиции.

2) Гора Аар-таг, щебнисто-мелкозёмная осыпь северо-восточной экспозиции у грунтовой дороги на правом берегу р. Аскиз, напротив турбазы.

V. D. cana Rydb.

1. *3ап. Саян, дорога на Ак-Довурак, Саянский (100-й) перевал (выс. 2224 н. у. м.), граница Хакасии и Тувы, в 100 м от перевала по дороге со стороны Хакасии. Щебнистый склон у дороги.

2. Камчатская обл., Быстринский р-н, окрестности пос. Эссо.

1) Скалы на левом берегу р. Быстрая в 2 км от пос. Эссо вверх по течению. Нижняя часть склона.

3. *В 24 км от пос. Эссо по дороге на Мильково. Каменистая осыпь над дорогой.

VI. D. borealis DC.

1. Камчатская обл., окрестности Петропавловска-Камчатского, бухта Завойко, прибрежные скалы.

1) *Подножье щебнистой осыпи. Довольно сухо, рядом проходит тропа к морю.

2) *Нависающий пласт почвы на корнях каменной берёзы.

3) * Сырые скальные полочки с насыпавшейся сверху почвой.

2. О. Сахалин, окрестности г. Корсаков, побережье залива Анива, прибрежные

скалы.

VII. D. nemorosa L.

1. Московская обл., Серпуховской р-н, окр. дер. Лужки

2. Московская обл., Зарайский р-н, крутой склон пойменного берега р. Осётр.

3. Республика Хакасия, Аскизский р-н, дер. Казановка. Степные стравленные участки, дворы и огороды.

4. Камчатская обл., Быстринский р-н, пос. Эссо, на грунтовых дорогах к сенокосам.

5. *Камчатская обл., Быстринский р-н, в 24 км от пос. Эссо по дороге на Мильково. Каменистая осыпь над дорогой.

VIII. D. nivalis Liljebl.

1. *Камчатская обл., Петропавловский р-н, Авачинская сопка, юго-восточный склон, 1800 м н. у. м. Каменистые склоны с небольшими пятнами растительности.

2. Тюменская обл., п-ов Ямал, окрестности Бованенковского газо-конденсатного месторождения.

1) *Верховья р. Мордыяха, гряды бугров пучения.

2) Нижнее течение р. Мордыяха, гряды бугров пучения.

IX. *D. lactea Adams

Тюменская обл., п-ов Ямал, окрестности Бованенковского газо-конденсатного месторождения. Верховья р. Мордыяха, гряды бугров пучения. Совместно с D. nivalis.

X. Erophilla verna (L.) Bess. Абхазия, г. Пицунда. На клумбах, как сорное растение.

У 25 видов крупок и Nesodraba grandis Greene (D. grandis Langsd.) взрослые волоски были изучены как на гербарном материале, так и на материале СЭМ. Виды крупок, изучавшиеся на материале СЭМ: D. arctica J. Vahl, D. borealis DC. (incl. D. kurilensis (Turcz.) F. Schmidt), D. bruniifolia Steven, D. cana Rydb., D. cardaminiflora Kom., D. cinerea Adams, D. daurica DC. (D. hirta L.), D. fladnizensis Wulf., D. glacialis Adams, D. groenlandica Ekman, D. incana L., D. insularis Pissjauk. (D. valida Pissjauk.), D. kamtschatica (Ledeb.) N. Busch, D. lactea Adams, D. norvegica Gunn., D. nemorosa L., D. nivalis Liljebl., D. parvisiliquosa Tolm., D. pseudopilosa Pohle, D. sibirica (Pall.) Thell., D. siliquosa Bieb., D. subcapitata Simm., D. supravillosa Khokhr.

У 6 видов - D. nivalis, D. borealis, D. incana, D. nemorosa, D. daurica, D. sibirica и на материале СЭМ подробно изучены последовательные стадии развития волосков и изменчивость их морфогенеза. Препараты СЭМ были получены еще для трех видов - D. aizoides L., D. hispida Willd., Erophilla verna (L.) Bess., но так как недостаток материала, а также скудость опушения фиксированных листьев не позволяло полностью воссоздать морфогенез волосков у этих видов, мы не включили их в результаты работы.

Методика СЭМ. Листовые зачатки вместе с зачатком цветоноса, а также молодые, ещё не развернувшиеся листья фиксировали смесью 4% глютаральдегида и 2% раствором осмиевой кислоты 1:1 в течение 18-20 часов при температуре 9°С, затем переносили в 4% раствор глютаральдегида на однократном фосфатном буфере. Такой метод фиксации был рекомендован нам H.H. Лучинской (личное сообщение). Фиксированный материал отмывали однократным фосфатным буфером и проводили через серию спиртов с возрастающей концентрацией и ацетон. Сушку материала проводили после 100% ацетона методом «критической точки». Высушенный материал наклеивали на столики для электронной микроскопии, напыляли золотом и анализировали с помощью СЭМ «Hitachi» или «Cam Scan».

Опыты с пересадкой растений из природных популяций. Для изучения модификационной компоненты изменчивости опушения растения D. sibirica, D. daurica, D. borealis, D. nivalis, D. alpina и D. nemorosa были взяты из природных популяций и высажены в Ботаническом саду МГУ. Для некоторых видов (D. nivalis, D. lactea, D. fladnizensis и D. сапа) из природных популяций были привезены и посеяны семена. В течение первого и последующих сезонов вегетации регистрировали изменения общего габитуса растений (размер листьев, высоту цветоноса, число листьев розетки и листьев цветоноса) и изменения характера опушения листьев и генеративных органов.

Методы количественно-морфологического анализа изменчивости взрослых волосков. Для количественной оценки морфологической изменчивости взрослых

волосков и межвидовых различий оценивали длину ножки волоска и характер его ветвления. Изучали характер опушения на обеих (верхней и нижней) сторонах листовой пластинки листьев розетки и цветоноса, опушения самого цветоноса, а также чашелистиков, плодолистиков и лепестков. Методика количественно-морфологической оценки изменчивости ветвления подробно описана в главе 4 этой работы: у отдельных волосков подсчитывали число простых (неветвящихся) первичных лучей, число ветвящихся лучей, общее число первичных лучей, и общее число всех концов лучей волоска. Выделенные таким образом меристические признаки позволяют сравнивать разветвленные волоски разных видов по среднему числу первичных зачатков лучей и по вероятности (частоте) их ветвления, то есть по вероятности образования из данного зачатка не простого, а вильчатого луча. Более сложные типы ветвления лучей, например, образование «трезубцев», то есть трех ветвей одного луча, мы не рассматривали, так как они встречаются сравнительно редко и не влияют на общую картину изменчивости.

Все перечисленные признаки мы анализировали как на гербарном материале, так и на материале СЭМ. Всего, в зависимости от вида, учитывали от 50 до 900 волосков на небольшом (от 2 до 5) числе растений.

Количественно-морфологический анализ эпидермиса листового зачатка и зачатка цветоноса. На полученных с помощью СЭМ микрофотографиях, используя для анализа изображений пакет программ AxioVision, измеряли площадь и величину максимального диаметра эпидермальных (не волосковых) и волосковых клеток листового зачатка перед началом морфогенеза волосковых клеток. Аналогичные измерения производили на зачатке цветоноса. Отдельно измеряли волосковые и не волосковые эпидермальные клетки, расположенные в дистальной и проксимальной зоне листового зачатка. Всего таким образом были изучены 5 видов крупок, у каждого вида измерено не менее 60 эпидермальных клеток, включая волосковые клетки, на листовых зачатках одного растения.

Количественно-морфологический анализ геометрии морфогенеза на ранних стадиях развития простых и разветвленных волосков. Геометрию морфогенеза волосков на ранних стадиях их развития анализировали на микрофотографиях СЭМ с помощью пакета программ AxioVision. Для анализа развития простых волосков анализировали волосковые клетки, развивающиеся на цветоносе, для анализа развития разветвленных волосков - клетки, развивающиеся в центральной зоне листовой пластинки. При этом мы анализировали только клетки, обращенные к наблюдателю либо своей боковой стороной, когда видимый контур клетки точно соответствует профилю ее продольного сечения,

либо верхней стороной, когда видимый контур клетки лежит в одной плоскости, перпендикулярной ножке формирующегося волоска (обычно, но не обязательно, параллельной плоскости листовой пластинки).

Во избежание повторений и для удобства читателя, схемы измерения геометрических характеристик приводятся в главах 4 и 5, где обсуждается геометрия формообразования. Вкратце, для ранних стадий морфогенеза волосковой клетки (до начала выделения первичных зачатков лучей) с помощью пакета программ AxioVision измеряли величины нормальных радиусов кривизны поверхности в геометрическом центре наружной (апикальной) поверхности и ее краевых точках. Измеряли максимальную высоту клетки, т. е., максимальное расстояние от основания клетки до вершины ее поверхности, максимальный диаметр (величину расстояния между противоположными краями клетки), наконец, угловую величину этого расстояния. При различии величин радиуса у противоположных краев клетки, выбирали край, находящийся на более ранней стадии морфогенеза, то есть край с меньшей кривизной. По такой же методике изучали геометрию вторичного морфогенеза (вторичного ветвления) первичных лучей волоска - измеряли площадь и линейные размеры верхушки зачатка луча и всей клетки. Там, где это было необходимо для более тщательного анализа, были использованы дополнительные геометрические построения, связанные с разделением клетки на отдельные фрагменты (см. главу 5).

Пользуясь наличием в программе Axio Vision соответствующих опцией, оценивали величину и направление отклонения формы фрагментов клеточной поверхности от фрагментов сферы, а также измеряли величину отношения периметра фрагментов клеточной поверхности к их площади как плоскостной аналог величины отношения площади поверхности к ее объему.

Все линейные величины выражали в микронах, угловые величины в угловых градусах, величины площади - в квадратных микронах. Для линейных и угловых измерений погрешность принимали равной 0,01 mem, а для измерений площади - 0,1 mem2.

Форму клетки или ее фрагментов на последовательных стадиях морфогенеза волосков воссоздавали с учетом реальной (внутри-индивидуальной) изменчивости. Мы строили усредненный контур клеточной поверхности, исходя из средних значений и дисперсии геометрических характеристик формы волосковых клеток, развивающихся на одной листовой пластинке и образующих волоски сходной формы. Анализируя изменчивость морфогенеза, всегда отмечали положение волосковой клетки на листовой

пластинке. Для обработки количественно-морфологических данных использовали пакет статистических программ БТАТИТЮА 6.0.

Заключение диссертации по теме «Биология развития, эмбриология», Григорьева, Ольга Вадимовна

ВЫВОДЫ

1. Описана динамика формирования опушения листьев, отмечена связь между продолжительностью пролиферативного роста эпидермальной ткани, долей волосковых клеток в эпидермисе и степенью разветвленности волосков.

2. По данным СЭМ описан ход морфогенеза волосков у 6 видов крупок. Описана связь между изменчивостью взрослых волосков и изменчивостью их морфогенеза, выделены два пути развития, ведущие к образованию волосков с длинной и короткой ножкой.

3. Для всех изученных видов крупок выделены одни и те же узловые этапы морфогенеза: образование апикального купола волосковой клетки и развивающихся из его поверхности

11-образных трубок - цилиндров с округлой верхушкой. Вторичное ветвление первичных зачатков лучей происходит по той же схеме, что и первичное ветвление верхушки и~ образной трубки.

4. Для всех изученных видов показано, что типичную для данного вида форму волоска можно представить только в виде рядов внутрииндивидуальной изменчивости. Из-за перекрывания изменчивости и отсутствия дискретных типов морфогенеза любая классификация форм волосков является искусственной.

5. Путем количественно-морфологического анализа геометрии роста и морфогенеза волосков построена физическая модель морфогенеза волосковой клетки, основанная на взаимодействии пассивных механических напряжений, возникающих под действием тургорного давления, и активного роста клеточной поверхности.

6. Установлена прямая зависимость широты и организации изменчивости от механики морфогенеза волоска. Сравнительно-морфологический анализ количественных признаков показывает, что эволюция идет в сторону упрощения и стабилизации ветвления, в частности, в сторону замещения ветвящихся лучей волоска простыми лучами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Григорьева, Ольга Вадимовна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Баркалов В.Ю., Пробатова Н.С., Рудыка Э.Г., Кожевникова З.В. 2008. Кариология флоры Сахалина и Курильских островов: дальнейшее изучение. С. 14-17//Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века. Ч. 3. Петрозаводск.

Белоусов Л.В, 1987. Биологический морфогенез. М.: МГУ.239 с.

Беркутенко А.Н. 1979. К систематике рода Draba (Brassicaceae) на Северо-востоке СССР. // Новости систематики высших растений. Т. 16. С. 119-125

Беркутенко А.Н. 1988. Род крупка - Draba. II Сосудистые растения советского Дальнего Востока. Т. 3. Стр. 79-94

Буш Н. 1919. Род Draba (Dill.) L. 11 Флора Сибири и Дальнего Востока, издаваемая

Ботаническим музеем Российской Академии Наук. Вып. 3. Петроград. С. 292-393.

Ворошилов В.Н. 1982. Определитель растений советского Дальнего Востока. М.: Наука. 672 с.

Григорьева О.В., 2005. Некоторые вопросы морфогенеза и сезонного роста побегов Draba sibirica (Pall.) Thell. II Бюлл. МОИП, биология. Т. 110. Вып. 2. С. 58-64.

Григорьева О. В., 2006а. Изменчивость развития морфологических структур у Draba hirta L. (Brassicaceae) и определяющие её факторы. // Бот. Журн., Т. 91, № 9. С. 13411353.

Григорьева О.В., 20066. Род Крупка - Draba L. (3, 79) // Флора Российского Дальнего Востока. Дополнения и изменения к изданию «Сосудистые растения Дальнего Востока» Т.1-8 (1985-1996). Владивосток. «Дальнаука». С. 116-119. Григорьева О.В., Скворцов В.Э. 2006. Род Незодраба - Nesodraba Greene //Флора Российского Дальнего Востока. Дополнения и изменения к изданию «Сосудистые растения Дальнего Востока» Т.1-8 (1985-1996). Владивосток. «Дальнаука». С. 120-122.

Григорьева О. В., 2008а. Крупка сибирская // Биологическая флора Московской области. Вып. 16. Отв. ред. серии В.Н. Павлов. Ред. Выпуска М.Г. Вахрамеева, Н.Г. Уланова, Ю.Е. Алексеев. - М. Гриф и Ко. С. 104-127

Григорьева О. В., 20086. Новый метод анализа взаимодействия модулей растения на примере растений рода Draba И Вестник ТвГУ, Вып. 9, № 25 (85), С. 50-54.

Григорьева О. В., Чердаицев, В. Г., 2012. О роли внутри-индивидуальной изменчивости в морфологической эволюции растений рода Draba L. Бюлл. МОИП, Биология, т. 117, Вып. 6, в печати.

Гурзенков H.H. 1973. Исследование хромосомных чисел растений Юга Дальнего Востока. // Комаровские чтения. Вып. 20. С. 47-62. Владивосток.

Джеффрис Дж. 1981. Введение в факторный анализ: применение в экологии. М.: Мир, 260 с.

Дорофеев В. И. 2004 Система семейства Cruciferae В. Juss. (Brassicaceae Burnett). Turczaninowia, Т. 7, с. 43-52.

Жмылёв П.Ю., Алексеев Ю.Е., Карпухина Е.А., Баландин С.А. 2002. Биоморфология растений: иллюстрированный словарь. М.: МГУ, 240 с.

Жукова П. Г. 1967 Числа хромосом у некоторых видов растений Крайнего Северо-востока СССР II // Ботанический журнал. Т. 52. № 7. С. 983-987.

Жукова П. Г., Петровский В. В. 1984. Цитотаксономическое изучение некоторых видов крестоцветных (Brassicaceae) из Северной Азии. // Ботанический журнал. Т. 69. № 2. С. 236-240.

Креславский А. Г. 1977. Некоторые закономерности изменчивости и эволюции рисунков на надкрыльях жуков-листоедов. Зоол. Журн., Т. 56, с. 1043-1056.

Креславский А. Г. 1987. Отбор по структурированным признакам и направления эволюции. ЖОБ. Т. 49, с. 24-250.

Малышев Л.И. Род Draba. L. - Крупка. // Флора Сибири. Т. 7 - Новосибирск: ВО Наука, 1994. С. 108-134.

Маресин В.М. 1986. Геометрия формирования биологических тканей. // Математическая билогия развития. М.: Наука. С. 112-126.

Мартынов JI.A. 1982. Роль макроскопических процессов в формообразовании (физические и математические модели). // М.: Наука. С. 135-155.

Нотов А. А., 1999. О специфике функциональной организации и индивидуального развития модульных объектов // ЖОБ, Т. 60, № 1, С. 60-79.

Серебряков И. Г. 1952. Морфология вегетативных органов высших растений. М.: Наука, 392 с.

Скворцов В.Э. Атлас-определитель сосудистых растений таёжной зоны Европейской России. Гринпис России, 2000. 587 с.

Тимошенко С.П., Войнаровский-Кригер С. 1966. Пластины и оболочки. М., Наука, 1966, 300 с.

Толмачев А.И. Род Крупка - Draba L. // Флора СССР. Т. 8. M.-JL: Изд-во АН СССР. 1939. С. 371-454.

Толмачёв А.И. Род Draba L. - Крупка. // Арктическая флора СССР. Вып. 7. JI. 1975. С. 106-155.

Уоддингтон К. X. 1966. Морфогенез и генетика // М.: Мир, 450 с. Холдэн Дж. Б. С., 1935. Факторы эволюции. M.-JL: Биомедгиз. 303 с. Черданцев В. Г. 2003. Морфогенез и эволюция. М.: КМК, 356 с.

Шишкин М. А. 1984. Индивидуальное развитие и естественный отбор // Онтогенез, Т. 15, с. 115-136.

Шмальгаузен И. И. 1946. Факторы эволюции. M.-JL: изд-во АН СССР, 396 с.

Andersen В., Elven R., Nordal I., Spjelkavik S. Species in the Draba «hirta» complex in the north atlantic area. // 2000. http://www.toyen.uio.no/panarcticflora/papers/SpDraba/

draba.htm

Beilstein M.A., Al-Shehbaz I.A., Kellogg E.A. 2007. Brassicaceae phylogeny and trichome evolution. American Journal of Botany. V. 93. N 4. P. 607-619.

Beloussov L.V. 1998. The dynamic architecture of a developing organism. Kluwer Acad. Publishers.

Beloussov L. V. 2012 Morphogenesis as a macroscopic self-organizing process // Biosystems, V. 109, p. 262-279.

Brochmann, C., Soltis, D.E. & Soltis, P.A. 1992. Electrophoretic relationships and phylogeny of Nordic polyploids in Draba (Brassicaceae). - Plant Systematics and Evolution V. 182. P. 35-70.

Brochmann C. 1993. Reproductive strategies of diploid and polyploid populations of Arctic Draba (Brassicaceae). Plant Systematics and Evolution.V. 185. P. 55-83.

Brochmann, C., Borgen, L., Stedje, B. 1993. Crossing relationships and chromosome numbers of Nordic populations of Draba (Brassicaceae), with emphasis on the D. alpina complex. Nordic J. Bot. V.13. P. 121-147.

Cherdantsev V.G., Kreslavsky A.G., Severtsov A.S. 1996. Episelective evolution // Evolutionary Theory. V. 87. P. 57-85.

Cherdantsev V. G. The dynamic geometry of mass cell movements in animal morphogenesis // Int. J. Dev. Biol., 2006, 50, 169-182

Cherdantsev V. G., Grigorieva, O. V. 2012 Morphogenesis of active shells. Biosystems, V. 109, p. 314-328.

Cherdantsev V. G., Scobeyeva V. A. Morphogenetic origin of natural variation. Biosystems, V. 109, p. 299-313.

Chitwood D.H., Guo M, Nogueira F.T., Timmermans M.C. 2007. Establishing leaf polarity: the role of small RNAs and positional signals in the shoot apex // Development. V. 134. N. 5. P. 813-23.

Duke, 1994 Commentary glandular trichomes: A focal point of chemical and structural interactions. International Journal of Plant Science. V. 155. P. 617-620.

Edgar B.A., Orr-Weaver T.L. 2001. Endoreduplication cell cycles: More for less // Cell, V. 105, p. 297-306.

Efroni I., Eshed Y., Lifshitz E. 2010. Morphogenesis of simple and compound leaves: A critical review // Plant Cell, V. 22, p. 1019-1032.

Goethe J.W. The Metamorphosis of Plants. 1790. MIT Press, 2009.

Goodwin, B.C. How the Leopard Changed Its Spots. The Evolution of Complexity, London: Weidenfeld and Nikolson, 1994.

Green, P.B. 1980 Organogenesis—a biophysical view // Annual Rev. Plant Physiol., V. 31, p. 51-82.

Green P. B. Transductions to generate plant form and pattern: an essay on cause and effect // Annals of Botany, 1996, V.79, p. 269-281.

Green, P.B., Steele, C.S., and Rennich, S.C. 1996. Phyllotactic patterns: A biophysical mechanism for their origin // Ann. Bot. V. 77, 515-527.

Falconer D.S. 1981. Introduction to Quantitative Genetics. London: Longman. 420 p.

Folkers U., Berger J., Hulskamp M. 1997. Cell morphogenesis of trichomes in Arabidopsis:

differential regulation of primary and secondary branching by branch initiation regulators and cell size. Development, V. 124, p. 3779-3786.

Hayek A.V. 1911. Entwurf eines Cruciferen - Systems auf phylogenetischer Grundlage // Beihefte zum Botanischen Centralblatt.:Cassel, Jena, Dresden. T. 27. S. 127-335

Hulskamp M., Misera S., Jiirgens G. 1994. Genetic dissection of trichome cell development in Arabidopsis. Cell V. 76. P. 555-566

Hulskamp M, Schnittger A. Spatial regulation of trichome formation in Arabidopsis thaliana. H Cell & Developmental Biology. V. 9. 1998. P. 213-220.

Hulskamp M., Schnittger A. and Folkers U. 1999. Pattern formation and cell differentiation: trichomes in Arabidopsis as a genetic model system // Int. Rev. Cytol. V. 186. P. 147178.

Hulskamp M., 2000. How plants split hairs // Current Biology. V. 10. R308-

R310.

Ishida T., Kurata T., Okada K., Wada T. 2008. A genetic regulatory network in the development of trichomes and root hairs // Annual Rev. Plant Biol. V. 59, p. 365-386

Johnson H. B. 1975. Plant pubescence: an ecological perspective // Bot. Rev. V. 41, p. 233-258.

Jordon-Thaden I. 2009. Species and Genetic Diversity of Draba: Phylogeny and

Phylogeography. //Dissertation submitted to the Combined Faculties for Natural Sciences and for Mathematics of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany for the degree of Doctor of Natural Sciences. 126 p.

Knaben G., 1966. Cytotaxonomical studies in some Draba species. // Botaniska Notiser V. 119: P. 427-444.

Koch M., I. A. Al-Shehbaz. 2002. Molecular data indicate complex intra- and intercontinental differentiation of American Draba (Brassicaceae). Ann. Missouri Bot. Gard. V. 89. N 1. P. 88-109.

Koch M., I. A. Al-Shehbaz, K. Mummenhoff 2003. Molecular systematics, evolution and population biology in the mustard family (Brassicaceae). // Annals of the Missouri Botanical Garden 90: 151-171.

Kropf, D.L., Bisgrove, S.R., and Hable, W.E. 1998. // Cytoskeletal control of polar growth in plant. Curr. Opin. Cell Biol., V. 10, p. 117-122.

Larkin J.C., Oppenheimer D.G., Lloyd A., Paparozzi E.T. and Marks M.D. 1994. The roles of GLABROUS1 and TRANSPARENT TESTA GLABRA genes in Arabidopsis trichome development. // Plant Cell N 6. P. 1065-1076.

Larkin J. C., Young N., Prigge M. and Marks M.D. The control of trichome spacing and number in Arabidopsis. Development, 1996. V. 122, P. 997-1005.

Luo D. and Oppenheimer D.G. 1999. Genetic control of trichome branch number in Arabidopsis: the roles of the FURCA loci. Development V. 126. P. 5547-5557.

Loe G., Torang P., Gaudeul M., Agren J. Trichome production and spatiotemporal variation in herbivory in the perennial herb Arabidopsis lyrata. Oikos, 2007. V. 116:, P.134-142.

Mathur J., Chua NH. 2000 Microtubule stabilization leads to growth reorientation in Arabidopsis trichomes // Plant Cell, V. 12, p. 465-477.

Mathur J., Mathur N., Kemebeck B., Hiilskamp M. 2003. Mutations in actin-related proteins 2 and 3 affect cell shape development in Arabidopsis II Plant Cell, V. 15, p. 1632-1645.

Meyerowitz E. M. 1996. Plant development: Local control, global patterning. // Curr. Opin. Genet. Dev., V. 6, p. 475-479.

Meyerowitz E. M. 1997. Genetic control of cell division patterns in developing plants. // Cell, V. 88, p. 299-308.

Mulligan G.A. The genus Draba in Canada and Alaska: key and summary. Can. J. Bot. V. 54. N.12. 1976. P.1386-1393.

Mulligan G.A., Findlay J.N. Sexual reproduction and agamospermy in the genus Draba. Can. J. Bot. V. 48. 1970. N. 2. P. 269-270.

Mulligan, 1971. Cytotaxonomic studies of the closely allied Draba cana, D. cinerea, and D.

groenlandica in Canada and Alaska. // Canad. J. Bot. V. 49. P. 89-93.

Oppenheimer D. G., Pollock M. A., Vacik J., Szymanski D. B., Ericson B., Feldmann K, Marks D. M. 1997. Essential role of a kinesin-like protein in Arabidopsis trichome morphogenesis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, V. 94, p. 6261-6266.

Oppenheimer D. G. 1998. Genetics of plant cell shape. Curr. Opin. Plant Biol., V. 1, p. 520-524.

Poethig R. S. 1997. Leaf morphogenesis in flowering plants // Plant Cell, V. 9, p. 1077-1087.

Probatova N.S., Barkalov V. Yu., Rudyka E.G. 2004. Chromosome numbers of selected vascular plant species from Sakhalin, Moneron and the Kurile Islands // Biodiversity and

Biogeography of the Kuril Islands and Sakhalin. Vol. 1. P. 15-23. Sapporo, Japan: The Hokkaido University Museum. Ed. H. Takahashi

Rayle D. L., Cleland R. E. The Acid Growth Theory of auxin-induced cell elongation is alive and well. Plant Physiol., 1992, V. 99, pp. 1271-1274.

Ratcliffe D. Draba muralis L. Journal of Ecology, 1960. Vol. 48, No. 3, p. 737-744.

Rollins R.C. The Cruciferae of continental North America: systematics of the mustard family from the Arctic to Panama. Stanford University Press, Stanford, California, 1993. 976 p.

Sachs T. 1978 The development of spacing patterns in the leaf epidermis. In: The clonal basis of development (ed. S. Subtelny and I. M. Sussex), pp. 161-183. New York: Academic Press.

Sachs T. 1969. Regeneration experiments on the determination of the form of leaves // Israel J. Bot. V. 18, p. 21-30.

Sachs T. 2006. The plasticity of organ size and anatomy // Israel. J. Plant Sci. 54: 257-264.

Scobeyeva V. A. The natural variability of morphogenesis: a tool for exploring the mechanics of gastrulation movements in amphibian embryos. Int. J. Dev. Biol., 2006, 50, 315-322.

Sheen A.C., Elven R., Brochmann C. 2002. A molecular-morphological approach solves

taxonomic controversy in arctic Draba (.Brassicaceae). Can. J. Bot. V.80. N 1. P. 59-71.

Schnittger A., Hülskamp, M. 2002. Trichome morphogenesis: a cell-cycle perspective // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B357, p. 823-826.

Schnittger A., Schobinger U., Stierhof Y. D., Hülskamp, M. 2002. Ectopic B-type cyclin

expression induces mitotic cycles in endoreduplicating Arabidopsis trichomes. Curr. Biol., V. 12, p. 415-420.

Schulz O.E. 1927 Cruciferae - Draba et Erophilla. In Engler A., Prantil K. [eds.]. Das Pflanzenreich. V. 4 (105): Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann. 396 p.

Schulz O.E. 1936. Cruciferae. In A. Engler, H. Harms [eds.]. Die natiirlichen Pflanzenfamilien. Wilhelm Engelmann, Leipzig, Germany. 799 p.

Schwab B., Folkers U., Ilgenfritz H., Hülskamp M. 2000. Trichome morphogenesis in Arabidopsis II Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 355, P. 879-883.

Skrede I., Brochmann C., Borgen L., Rieseberg L.H. 2008. Genetics of intrinsic postzygotic

isolation in a circumpolar plant species, Draba nivalis (Brassicaceae). II Evolution. N 8. P. 1840-1851.

Sussex, I.M. 1955. Morphogenesis in Solanum tuberosum L.: Experimental investigation of leaf dorsoventrality and orientation in the juvenile shoot. // Phytomorphology, V5, 286-300.

Symmonds, V.V., V. Godoy, T. Alconanda, J. Botto, T. Juenger, J. Casal, and A.M. Lloyd. 2005. Mapping quantitative trait loci in multiple populations of Arabidopsis thaliana identifies natural allelic variation for trichome density.// Genetics 169: 1649-1658.

Szymanski D.B. and Marks M.D. 1998. GLABROUS 1 overexpression and TRIPTYCHON alter the cell cycle and trichome cell fate in Arabidopsis. Plant Cell. N 10. P. 2047-2062.

Szymanski D.B. 2000. The role of actin during Arabidopsis trichome morphogenesis: In: Actin: a dynamic framework for multiple plant cell functions (Staiger, C.J et al., eds.).

Szymanski D.B., Lloyd A.M., Marks M.D. 2000. Progress in the molecular genetic analysis of trichome initiation and morphogenesis in Arabidopsis // Trends Plant Sci. V. 5. P. 214219.

Turing A.M. 1952. The chemical basis of morphogenesis. Proc. Roy. Soc. Lond. B, 1952, V. 237, p. 37-72.

Uphof J.C.T. 1962. Plant hairs (ed. W. Zimmermann & P. G. Ozenda), V.5, p. 1-205.

Valen van L. Homology and causes // Journal of Morphology, 1982, 173, 305 - 312.

Waddington C. H. 1940. Organizers and Genes. Cambridge University Press, 350 p.

Waddington C. H. 1961. Genetic assimilation // Advances in Genetics. V. 10, P. 257-290.

Waddington C. H. Form and Information // Towards a Theoretical Biology, Edinburgh University Press, V. 4, p. 109-141.

Wagner G.J., Wang E., Shepherd R.W. 2004. New approaches for studying and exploiting on old protuberance, the plant trichomes // Ann. Bot. V. 93. P. 3-11.

Walker J. D., Oppenheimer D. G., Concienne J., Larkin J. C. SIAMESE, a gene controlling the endoreduplication cell cycle in Arabidopsis thaliana trichomes. Development, 2000. V. 127, p. 3931-3940.

Walters S.M. 1964. Draba L. In Tutin T.G., Heywood V.H., Burges N.A., Valeytine D.H., Walters S.M., Webb D.A. [eds.]. Flora Europaea. V. 1. P. 307-312. - Cambridge: Cambridge University Press.

Weismann A., 1893. The Germ-Plasm: A Theory of Heredity. London: Walter Scott. 477 p.

Wolpert L. (1996). One hundred years of positional information. Trends in Genetics, 12, 359-