Особенности формирования пыльцы и характер кариотипической изменчивости у некоторых автономных апомиктов Asteraceae тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.01, кандидат биологических наук Демочко, Юлия Александровна

• Демочко, Юлия Александровна
• кандидат биологических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Демочко, Юлия Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПОСЛЕДСТВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАМЕТОФИТНОГО АПОМИКСИСА У ЦВЕТКОВЫХ (обзор литературы).

1.1 Гаметофитный апомиксис, полиплоидия и гибридогенез у цветковых.

1.2 Особенности микроспорогенеза у гаметофитных апомиктов.

1.3 Кариотипическая изменчивость в соматических и генеративных клетках у цветковых.

1.4 Генетический полиморфизм и гетерозиготность при гаметофитном апомиксисе.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Материал.

2.2. Методы исследования.

2.2.1 Цитологическое и цитогенетическое исследование микроспорогенеза у растений из популяций Р. о$1стагит.

2.2.2 Цитогенетическое исследование клеток апикальных меристем растений в популяциях ряда видов Аз1егасеае.

2.2.3 Статистическая обработка результатов.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ МИКРОСПОРОГЕНЕЗА У АВТОНОМНОГО АПОМИКТА РйоБеНа о/Дстагит.

3.1 Изменчивость половой структуры цветка в популяциях РИо8вПа о/Астагит.

3.2 Особенности развития клеток тапетума у РПоБеНа о/Астагит.

3.3 Микроспорогенез и процессы формирования пыльцы у РИояеНа о/Астагит.

3.4 Обсуждение результатов

Глава 4. КАРИОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ В КЛЕТКАХ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ НЕКОТОРЫХ АВТОНОМНЫХ

АПОМИКТОВ ASTERACEAE.

4.1 Изменчивость уровня плоидности в популяциях автономных апомиктов Asteraceae.

4.1.1 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Pilosella officinarum.

4.1.2 Изменчивость уровня плоидности растений в популяции Pilosella praealta.

4.1.3 Изменчивость уровня плоидности растений в популяции Pilosella х officinarum-vaillantii.

4.1.4 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Taraxacum officinale

4.1.5 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Chondrillajuncea

4.1.6 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Hieracium umbellatum

4.2 Анеуплоидия у растений в популяциях автономных апомиктов Asteraceae.

4.3 Миксоплоидия у растений в популяциях автономных апомиктов Asteraceae.Ill

4.4 Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности формирования пыльцы и характер кариотипической изменчивости у некоторых автономных апомиктов Asteraceae»

Актуальность темы. Проблема гаметофитного апомиксиса у покрытосеменных по-прежнему приковывает к себе пристальное внимание. Более того, в последнее время интерес к ней значительно возрос. Но даже использование самых современных методов исследования* пока не вносит ясности в решение большинства вопросов, связанных с этой проблемой. Гипотетичными остаются, например, представления о характере генетического контроля апомиксиса, хотя определенный прогресс в этом направлении очевиден (Koltunow, Grossnikiaus, 2003; Bicknell, Koltunow, 2004; Kantama et al., 2007).

Известно, что на протяжении онтогенеза у большинства изученных видовфастений происходит полиплоидизация соматических клеток в органах и тканях в процессе их дифференциации путём политении, эндомитоза и анеуплоидии. Но в клетках апикальных меристем видовое число? хромосом сохраняется неизменным, что и обеспечивает генетическую стабильность вида (Кунах, 2005; Гриф -2007). Исключение преимущественно составляют гибридные и- полиплоидные растения, у которых кариотипическая изменчивость, как правило, затрагивает не только дифференцирующиеся соматические клетки, но* и- клетки апикальных меристем (Кунах, 2005). При этом спонтанная гибридизация^ и полиплоидия — явления, значительно распространенные среди высших растений (Otto, Whitton, 2000). Более того, признано, что эволюция* цветковых осуществляется в значительной степени именно с участием этих механизмов (Цвелёв, 2000; Гриф, 2007; Grant, 1981; Masterson, 1994; Soltis, Soltis, 1999; Bennett, 2004;). При этом, с одной стороны, и амфи-, и автополиплоидия растений в природе осуществляется преимущественно с участием либо гаметофитного апомиксиса, либо апомейоза, как элемента апомиксиса, ведущего к формированию нередуцированных гамет (Кашин, 2006; Bretagnolle, Tompson, 1995; Roche et al., 2001), a с другой, - фактически все апомикты являются, полиплоидами, причём преимущественно; аллополиплоидами. (Grant, 1981). Как следствие, у них широко распространён кариотипический полиморфизм.

Однако^ несмотря на то, что кариотипическая нестабильность апомиктов ■ давно известна, масштабы её, особенно у автономных' апомиктов, остаются* недостаточно изученными. Для автономных апомиктов, ранее не: проводилось, специальных исследований по выявлению характера кариотипической нестабильности; в апикальных меристемах: Остаётся неясным № то-. насколько стабильным по уровню плоидности у автономных, апомиктовшвляется микрогаметофит:.Очевидно, что исследованияшодобногол рода могут быть в дальнейшем базой: для молекулярно-генетического изучения природыгаметофитногоапомиксиса.

Цель исследования. Выявление особенностей!: микроспорогенеза и характера кариотипической изменчивости при гаметофитном апомиксисе у растений некоторых автономных факультативных апомиктов ^/егасеае. Для достижения цели решались следующие задачи: выявить половую структуру цветков, в популяциях Pilosella officinarum B. Schultz et Sch. Bip:;:

Iфоследить особенности формирования клеток таиетума в пыльниках Р: officinarum; изучить особенности! , микроспорогенеза автономного апомикта P. officinarwn\

-выявить, характер изменчивости уровня плоидности растений популяцийшекоторых автономных,апомиктов Asteraceae; исследовать особенности проявления анеуплоидии в клетках апикальных меристем растений?автономных апомиктов Asteraceae; установить частоту миксоплоидии в апикальных меристемах растений автономных апомиктов Asteraceae:

Научная новизна. Впервые на примере растений вида Р. о^гс'тагит показано, что микрогаметофит автономных апомиктов может быть стабильным по уровню плоидности, оставаясь равным 1х независимо от уровня плоидности растений. Установлено, что у исследованных автономных апомиктов Аз1егасеае даже в потомстве одного материнского растения с высокой частотой встречаются особи разных уровней плоидности. Впервые выявлена геномная нестабильность в клетках апикальных меристем данных видов, выражающаяся в анеу- и миксоплоидии. При этом обнаружено, что частота анеу- и миксоплоидов в апикальных меристемах изученных апомиктов столь высока, что есть все основания' говорить* о ней как о характерной, свойственной автономным апомиктам особенности генезиса клеток их апикальных меристем.

Научно-практическая значимость, работы. Полученные данные могут быть использованы для сравнительного анализа при изучении других апомиктичных видов. Изложенные в диссертационной работе сведения будут полезны при разработке спецкурсов« по цитогенетике, репродуктивной биологии, эмбриологии растений. Результаты исследования' характера кариотипической-изменчивости в клетках апикальных меристем апомиктов могут быть в дальнейшем базой для молекулярно-генетического изучения природы гаметофитного апомиксиса и особенностей регуляции клеточного цикла в апикальных меристемах апомиктов.

Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ№ 00-04-49376, 05-04-49001, 08-04-00319.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на науч. генетической конф., посвящ. 100-летию со дня рождения А.Р. Жебрака (Москва, 2002); Междунар. конф. «Интродукция растений. Охрана и обогащение биологического разнообразия» (Воронеж, 2002); II науч. конф. МОГИС, посвящ. 115-летию со дня рождения Н.И. Вавилова, (Москва, 2003); Междунар. совещ. по филогении растений (Москва, 2003); III съезде ВОГиС

Москва, 2004); Междунар. конф. «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006); IV Междунар. науч. конф. «Факторы экспериментальной эволюции организмов» (Алушта, Украина, 2008); V Междунар. науч. конф. «Геном растений» (Одесса, Украина, 2008); Междунар. конф. «Генетика и биотехнология XXI века: Фундаментальные и прикладные аспекты» (Минск, Белоруссия^ 2008); III Междунар. школе молодых ученых «Эмбриология; генетика и биотехнология» (Саратов, 2009); XII Московском, совещ. по филогении растений, посвящ>. 250-летию со дня рождения Георга-Франца Гофмана (Москва, 2010); Всеросс. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня» рождения С.С. Хохлова (Саратов, 2010); Междунар. конф. «Биология? развития: морфогенез репродуктивных структур и роль-стволовых клеток^ в онтогенезе и эволюции» (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации. По теме диссертации» опубликовано 19 работ, пять из, которых - в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

Декларация личного участия автора. Автор лично в 2002 — 2007 гг. провёл экспедиционные исследования по сбору материала. Цитологический- и цитогенетический анализы материала полностью' осуществлены автором. Анализ шолученных результатов проведён автором самостоятельно по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в подготовке и написании совместных публикаций составляет 30 - 50 %.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем работы 161 страница, содержит 25 таблиц, 8 рисунков. Список литературы включает 386 источников, в том числе 247 на иностранных языках.

Заключение диссертации по теме «Ботаника», Демочко, Юлия Александровна

выводы

1. В популяциях автономного апомикта РИойеИа о/Дстагит обнаружены растения 2-х типов: 1) с гермафродитными цветками, несущими пестик и 5 пыльников; 2) с женскими цветками, содержащими вместо пыльников стаминодии. Доля растений с женскими цветками в-разные годы варьировала в интервале 41.17 — 100%.

2. В популяциях Р. о£Астагит в отношении уровня плоидности микрогаметофит является относительно стабильным элементом системы семен-ного размножения. Он имеет уровень плоидности, близкий или равный 1х.

3. Наблюдающиеся в микроспорогенезе нарушения и формирование стерильной пыльцы у автономного апомикта Р. о/Астагит не связаны с функционированием тапетума. Развитие клеток тапетума происходит обычным для Аз1егасеае путём.

4. В- различные годы наблюдений материнских растений, исследованных апомиктов Аз1егасеае и их потомства, полученного в условиях различных режимов цветения, имела место существенная изменчивость < как спектра' уровней плоидности растений, так и долей растений каждого уровня плоидности.

5. В потомстве индивидуальных- растений, особенно у апоспоровых апомиктов рода РИозеНа, даже при цветении в условиях беспыльцевого режима уровень плоидности зачастую был на 1х-3х выше или ниже уровня плоидности материнских растений: А в потомстве, полученном при свободном цветении или при цветении в условиях изоляции некастрированных цветков, превышение уровня плоидности потомков над уровнем плоидности материнских растений в том числе и у Р. о/Астагит зачастую было больше, чем на 1х.

6. При изучении цитогенетических особенностей генезиса клеток апикальных меристем обнаружена высокая частота анеу- и миксоплоидов у растений исследованных автономных апомиктов Asteraceae (до 60 % от числа исследованных растений или их потомков). Это указывает на не спонтанное, а регулярное, закономерное их возникновение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В обеих исследованных популяциях Р. о£рстагит в разные годы встречались растения: 1) с гермафродитными цветками; 2) с женскими цветками, содержащими вместо пыльников 5 стаминодиев. У растений с гермафродитными цветками наблюдали значительные нарушения процессов микроспо'рогенеза. Характер нарушений мейоза почти полностью, совпадал у изученных растений, но частота нарушений значительно варьировала как между растениями; так и в разных цветках одного растения. У всех изученных растений часть клеток на разных стадиях микроспорогенеза дегенерировала, что вело к, формированию стерильных пыльцевых зёрен (до 50-60%).

Процессы, ведущие к образованию стерильных пыльцевых зёрен у Р. о/Астагат связаны, в- основном, с нарушениями микротрубочкового аппарата в- материнских клетках микроспор, скорее1 всего; как вторичного эффекта нарушения конъюгации в профазе I. Большой процент стерильной пыльцы при нормально формирующемся тапетупе указывает на то, что причинамик стерильности являются« именно отклонения* в нормальном течении мейоза и- гаметофитогенеза, вызванные несбалансированностью генома, а не нарушениями питающей функции, клеток тапетума.

В исследуемом материале' очень редко* встречались явления, которые могли бы»привести к существенному варьированию уровня1 плоидности среди изредка формирующихся фертильных пыльцевых зёрен. Многочисленные отставания хромосом в ана-телофазе первого и второго делений; вероятнее всего, приводили к образованию анеуплоидии по нескольким* хромосомам, результатом чего является формирование нежизнеспособных пыльцевых зёрен. Участие или- неучастие гаплоидных пыльцевых зёрен- в оплодотворении редуцированных или нередуцированных зародышевых мешков у Р. аЦгстагит должно приводить к возникновению1 зародышей с уровнем плоидности, равном материнскому, а также на 1х выше или ниже такового.

В исследованных популяциях P. officinarum, в отношении кариотипической изменчивости микрогаметофит является относительно стабильным элементом. Он несёт гаплоидный набор хромосом и формируется только у растений« с диплоидной спорогенной тканью через мейоз. Большое число аномалий микроспорогенеза и микрогаметофитогенеза указывает на то, что даже такие растения имеют несбалансированный геном и высокий процент анеуплоидов. Нормальное течение мейоза у них затруднено. При оплодотворении такой пыльцой уровень плоидности у потомков по отношению к родительским растениям мог увеличиваться лишь на 1х.

При подсчете- числа хромосом в апикальных меристемах одних и тех же растений популяций P. officinarum было выявлено »значительное варьирование уровня,плоидности (2х—1х)не только на внутрипопуляционном уровне, но и в потомстве индивидуальных растений, полученном при. разных режимах цветения (свободном опылении, при цветении в условиях беспыльцевого режима и при цветении в условиях изоляции* некастрированных цветков). До 50 - 70% потомства имело уровень» плоидности« ниже или выше уровня плоидности< материнских растений! Существенной была доля, растений, потомство которых было представлено растениями нескольких уровней плоидности. Во» многом сходная картина кариотипической изменчивости у растений, вегетирующих в популяциях, и. в их семенном потомстве обнаружена и-у растений популяций остальных исследованных апомиктов.

У растений, вегетирующих в популяциях ряда видов Asteraceae, и в, их потомстве, обнаружено, что для растений, как апоспоровых (различные виды Pilosella), так и диплоспоровых (виды Taraxacum, Hieracium и Chondrilla) автономных апомиктов, в значительной мере свойственна ещё и анеу-, и миксоплоидия. Степень распространения анеу- и миксоплоидов столь высока до 30 - 60% от числа исследованных растений или их потомков), что нет оснований говорить о спонтанном, нерегулярном их возникновении.

В* исследуемых популяциях отмечены многочисленные случаи, когда уровень плоидности потомков по отношению к вегетирующим в популяциях растениям возрастал более чем на 1х. Это могло происходить только-за. счёт изменения уровня плоидности в соматических клетках меристем или их производных - апоспоровых инициалях, так как даже при« формировании нередуцированных зародышевых мешков и их оплодотворении гаплоидной пыльцой уровень плоидности потомков1 должен возрастать по отношению к уровню плоидности материнского растения лишь на- 1х. На то, что изменчивость-уровня-плоидности именно в» соматических клетках меристем растений в значительной степени свойственна исследованным, апомиктам, указывают и полученные данные по высокой частоте встречаемости у них в апикальных меристемах миксоплоидии.

Увеличение плоидности клеток, анеу- и миксоплоидия у высших растений в онтогенезе - обычное явление, но оно, как правило, не затрагивает стволовые клетки апикальных меристем, а реализуется лишь в процессе дифференциации! клеток: Как следует, из, вышеизложенного, в* случае автономных апомиктов А^егасеае обычным** явлением становится изменение уровня плоидности; анеу- и миксоплоидия,в клетках апикальных меристем? при- наличии, в* пределах одного апекса клеток до 3-4 разных уровней плоидности, зачастую» ещё и с числом хромосом, некратным основному числу. Всё это в комплексе говорит о закономерном сопровождении гаметофитного апомиксиса явлениями анеу- и миксоплоидии и о геномной нестабильности- апомиктов, проявляющейся* на уровне соматических клеток меристем.

Ранее нестабильность генома и изменение уровней плоидности растений у факультативных апомиктов. в ряду поколений связывали исключительно с поведением хромосом в мейозе при микро- и мегаспорогенезе (Ра§егНпс1, 1944, ЯиизЬаиБег, 1967) и с альтернативностью

124 выбора различных- путей; реализации на двух ключевых этапах процесса семенного воспроизводства (эуспория — апомейоз, зиготия — апозиготия) (Д'Амато, 1990; Кашин, 2006; >^1ег, 1984); Явление миксоплоидии, обнаруживаемое в клетках апикальных меристем в; партеногенетических потомствах растений объяснялось феноменом геномных «онто- или эпимутаций», приводящим к спонтанному возникновению полиплоидных клеток среди диплоидных- клеток меристем растений! Этот: феномен должен завершаться быстрой»: диплоидизацией популяции клеток апикальной меристемы с возвратом растений на прежний уровень плоидности (Малецкий, Малецкая, 1996; Малецкий, Колодяжная, 1999).

Результаты наших; исследований указывают на то, что геномная изменчивость в клетках апикальных меристем у апомиктов не является; результатом случайных эпимутаций; а есть следствие характерной для таких форм нестабильности генома? в этих; клетках на всех стадиях онтогенеза растений: Эта нестабильность генома в меристематических клетках растений; апомиктичных видов на всех стадиях их онтогенеза; вероятно; является, следствием/гибридношищолиплоиднойщрироды гаметофитньгх апомиктов: В1 пользу этого говорит, с одной? стороны; - то, что все они являются полиплоидами; ш зачастую полиплоидами; гибри до генной природы, а, с другой стороны; то, что преимущественно лишь у гибридных или полиплоидных растений геномная: изменчивость затрагивает не только дифференцирующиеся соматические клетки, но и апикальные, меристемы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Демочко, Юлия Александровна, 2011 год

1. Абрамова Л.И. Определение числа хромосом и описание их морфологии в меристеме и пыльцевых зёрнах культурных растений. Л, 1988. 61 с

2. Айала Ф., Кайгер Д. Современная генетика Т.З. М., 1988. 331с.

3. Алтухов Ю. П. Генетические процессы в популяциях. М., 2003. 432с.

4. Алтухов Ю.П. Популяционная генетика рыб. М, 1974. 245 с.

5. Алтухов Ю.П., Победоносцева Е.Ю. Особенности* генетического процесса в экспериментальной популяционной системе Drosophila melanogaster II Журнал общей биологии. 1979. Т. 40, № 6. С.916-923.

6. Бажина Е.В., Квитко О.В., Муратова E.H. Мейоз при микроспорогенезе и жизнеспособность пыльцы у пихты сибирской в среднегорье Восточного Саяна//Лесоведение. 2007. №1. С.57-64.

7. Банникова В.П. Цитоэмбриология межвидовой несовместимости у растений. Киев, 1975.

8. БатыгинаТ.Б. Хлебное зерно. Л., 1987. 103 с.

9. Батыгина Т.Б. Эмбриоидогения новая категория способов размножения цветковых растений // Проблемы репродуктивной биологии семенных растений / Тр. БИН РАН. Вып. 8. СПб., 1993t С. 1525.

10. Батыгина Т.Б. Генетическая гетерогенность семян: эмбриологические аспекты // Физиол. раст. 1999. Т. 46, № 3. С. 438-454.

11. Батыгина Т.Б. Эмбриоидогения новый тип вегететивного размножения // Эмбриология цветковых растений: Терминология и концепции! Т. 3. Системы репродукции. СПб., 2000. С. 334-350.

12. Бобров Е.Г. Об интрогрессивной гибридизации и ее значении в эволюции растений // Бот. Журн. 1980. Т. 65, № 8. С. 1065-1070.

13. Богуславский Р.П;, Жуков В.И. Спонтанная гибридизация у видов рода Aegilops Ь. в условиях Дагестана // Бюлл. ВНИИ растениеводства. 1978. № 84. С. 65-68. .

14. Бормотов В:Е., Загрекова В.Н. Создание тетраплоидных форм сахарной свеклы: с помощью, нередуцирую щих гамет // Апомиксис и цитоэмбриология. Саратов, 1978. №. 5. С. 102-103.

15. Буторина А.К., Кормильцына К.В. Цитогенетические и анатомические особенности березы повислой из тридцатикилометровой зоны Нововоронежской АЭС // Онтогенез. 2001. Т. 32, №6. С. 4218-4233.

16. Валеева З.Т., Тимин Н.И. Различие форм мужской; стерильности5 тетраплоидного типа цветков моркови // Тр. ВНИИ селекц. и Семенов, овощ., культур. 1980. № 12. С. 94-98.

17. ГлазкоВ.И., ГлазкоГ.В. Русско-англо-украинскийтолковый словарь по прикладной генетике, ДНК-технологии и- биоинформатике. Киев, 2001. 588с. '

18. Глазунова?К.Ж.; Микроспорогенез^/с/гет///«^ЬшсезсепБ Жа\\г. II Вестн. Моск. ун-та. Сер. биол., почв. 1981. Т. 4. С. 31-35.

19. Глазунова К.П. Апомиксис у восточноевропейских представителей рода А1скетШа Ь.: Автореф. дисс.— канд. биол. наук. М., 1984. С. 1-17.

20. Глазунова К.Г1. Образование зародышевых мешков у агамных видов манжетки (АкИетШа Ь.) // Бюлл. МОИП. Отд. Биол. 1987. Т. 92, № 51 С. 96-110.

21. Голубовская И.Н. Генетический контроль поведения хромосом в мейозе // Онтогенез. 1975. Т. 6, № 2. С. 127-139:

22. Готшалк В: Полиплоидия в эволюции высших растений // Современные достижения молекулярной; биологии хромосом и клеток. Алма-Ата, 1989. С. 7-45.

23. Гриф В.Г. Мутагенез и филогенез растений // Цитология; 2007. Т. 49, № 6. С.435-440.24.