К вопросу о происхождении сложного листа сои культурной Glycine max (L. ) Merrill. (Fabaceae Lindl. )

Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур 2004, вып. ]

С. В. Зеленцов,

кандидат сельскохозяйственных наук

С.С. Чукуриди,*

доктор биологических наук Е.В. Мошненко,

научный сотрудник

ВНИИ масличных культур "Кубанский госагроуниверситет

К ВОПРОСУ О ПРОИСХОЖДЕНИИ СЛОЖНОГО ЛИСТА сои КУЛЬТУРНОЙ GLYCINE МАХ

УДК 633.853.52:578.087.1

По вопросу происхождения сложного листа в семействе Fabaceae существуют различные взгляды. По мнению Г.П. Яковлева (1991), тройчатосложные листья бобовых могли произойти от непарноперистосложных и формироваться путем редукции боковых листочков, исключая верхнюю пару. Из этого логически вытекает, что тройчатосложно-му листу предшествовал лист с 5 и более листочками. Эта точка зрения поддерживалась рядом ботаников (Hutchinson, 1926; Parkin, 1953 (оба цит. по Я.И. Проханову «Проблемы филогении растений», 1965); Хржановский, 1982), полагающих, что сложный лист филогенетически более архаичен, чем простой. В качестве примера, подтверждающего данную гипотезу, можно привести примитивную трибу Софоровых (Sophoreae (Bronn) DC) с реликтовыми видами, отличающимися непарноперистосложным листом, и считающимися одними из самых древних бобовых, сформировавшихся в конце верхнего мела.

Однако в большинстве своем ботаники склонны к предположению, что, скорее всего, первые бобовые имели простой лист (Тролл, 1935; Корнер, 1954 (оба цит. по Я.И. Проханову, 1965)). Например, в той же трибе Софоровых встречаются тройчатосложные и «простолистные» виды, и определить, какой из видов софор древнее - с непарноперистосложным, гройчатосложным или простым листом, не представляется возможным.

Тройчатосложный лист представлен в семействе Fabaceae Lindl, в неродственных друг другу линиях эволюции (софороидный союз, генистоидный союз, многие трибы ми-леттиодного союза). К последнему относится триба Фасолевых (Phaseoleae DC), куда входит род Glycine Willd. (Яковлев, 1991).

Для всей трибы Фасолевых, включая подтрибу Глициниевых (Glycininae Benth.) типичными являются перисто-, реже пальчатотройчатосложные листья. Листочки сложного листа могут быть в ряде случаев лопастными, а боковые - часто асимметричными относительно главной жилки.

В генофонде вида Glycine max (L.) Merrill., отличающейся тройчатосложным листом встречаются отдельные формы с листьями, состоящими из 5-14 листочков (Сунь Син-Дун, 1958; Корсаков, 1973; Лещенко и др., 1987).

До настоящего времени практически не были изучены причины и механизм образования типов листа сои, отличных от видового и родового стандарта. Кроме того, исследование причин увеличения количества листочков или их редукции у реплоидов сои поможет понять механизм экспрессивности этого признака. Все это определило направленность наших исследований.

Исследования проводили на центральной экспериментальной базе ВНИИМК в период 2000-2003 гг. в полевых условиях и в фитотроне. Были изучены различные типы листьев диплоидных, тетраплоидных и реплоидных форм культурной сои сорта Вилана и диплоидной формы коллекционного сортообразца Т-245. Материал для изучения листьев

заготавливали в коллекционном питомнике в период полного налива семян, а также выращивали в условиях искусственного климата.

Боковые недифференцированные меристемы примордиальных узлов растений сорта Вилана обрабатывали водными растворами гиббереллина, ауксина и цитокинина в активных концентрациях соответственно 0,0001; 0,0002 и 0,0001%. Контролем служили растения, примордиальные узлы которых обрабатывали дистиллированной водой.

У всех видов рода Glycine, включая вид культурной сои, листья тройчатослож-ные с опушенными листочками и перистым жилкованием (рис. 1). Наблюдения за формированием листьев сои в онтогенезе показывает, что у всех видов первый надсемядоль-ный узел стебля имеет два простых листа (примордиальные листья). Эти первичные листья в соответствии с биогенетическим законом Мюллера-Геккеля рассматриваются как филогенетически более древние формы листьев (Васильченко, 1961) и могут служить косвенным подтверждением «простолистной» гипотезы.

С другой стороны, далеко не все бобовые имеют простые эмбриональные листья. Например, у представителей трибы Виковых (Vicieae (Adans.) DC) зародышевые листья парноперистосложные.

Рисунок 1. Типичный для рода Glycine Willd. тройчатосложный лист (на примере культурной сои G. мах).

Р- рахис (черешок сложного листа); Ур - узел рахиса; Ч - центральный черешочек;

Бч - боковой черешочек; Цж - центральная жилка; Бж - боковая жилка

Общим признаком для всех видов сои является наличие слаборазвитых шиловидных прилистников в основании рахиса и прилистничков в основании отдельного листочка.

У тройчатосложных, как и у 5-листочковых пальчатосложных листьев черешочек центрального листочка заметно длиннее боковых, что позволило Г.П. Яковлеву (1991) считать такие листья редуцированными непарноперистыми.

Изучая особенности жилкования можно видеть, что нижняя пара боковых жилок у всех листочков сложного листа расположена супротивно друг другу; вышерасположенные жилки отходят поочередно от центральной. У боковых листочков нижняя жилка более развита, что определяет несимметричность боковых пластинок (см. рис. 1).

Ранее предполагалось, что формирование 5-листочкового пальчатосложного листа обусловлено доминантным геном X. Рецессивный аллеломорф х образует 3 листочка в листе. В дальнейшем было показано, что признак 5-листочковости обусловлен рецессивным геном ¡/2. Полудоминантный ген I/, контролирует образование тройчатосложного листа (Дещенко и др., 1987).

В 2000 г. среди автотетраплоидов С2 целого ряда сортов сои нами были обнаружены 5-листочковые формы (рис. 2). Поскольку ни в одном из колхицинированных сортов сои диплоидный сортообразец Т-245 в качестве родительской формы не участвовал, признак 5-листочковости может определяться иными генами. Однако характер наследования этого признака изучить не удалось из-за слабой фертильности «ранних» тетрапло-идных растений. Тем не менее, сохранение признака 5-листочковости в потомстве свидетельствует о его генетической детерминированности (Зеленцов, 2002).

Рисунок 2. Пятилисточковый тип сложного листа у автотетраплоида сорта Вилана.

Исследование онтогенеза 5-листочковых форм сои показало, что как у диплои-дов (Т-245), так и тетраплоидов имеются общие особенности закладки и формирования сложных листьев.

Развитие растения с признаком 5-листочковости начинается с закладки в семени и последующего роста пары простых примордиальных листьев. Затем, по мере роста и развития растения, последовательно формируются 3-, 4- и 5-листочковые листья. С замедлением роста на верхних узлах наблюдается уменьшение числа листовых пластинок в начале до 4, а позже и до 3 листочков (рис. 3).

Количество 5-листочковых листьев на растениях сорта Т-245 зависит также от условий выращивания. В полевых условиях 2001 г. 5 пластинок в сложном листе образовалось в 4 узлах среднего яруса. При выращивании в сосудах емкостью 8 дм2 в условиях климатической камеры при длине дня 16 ч и освещенности 8-10 тыс. лк на этом сорте сформировался всего один 5-листочковый лист в 8 узле.

Динамика изменения количества листочков в сложном листе в онтогенезе сортооб-разца сои Т-245 во многом оказалась подобной дифференциальному виду широко известной в физиологии большой кривой роста. Для иллюстрации динамики роста сои в онтогенезе нами была измерена длина междоузлий. На рис. 3 можно выделить общие для кривой длины междоузлий и кривой количества листочков в сложном листе: лаг-фазу, экспоненциальный

рост, замедление роста. «Ступенчатость» кривых, характеризующих количество листочков в сложном листе, объясняется очевидной дискретностью в изменении их количества. В целом исследование сортообразца Т-245 показало, что признак 5-листочковости экспрессируется только в фазу интенсивного роста растения.

В настоящее время установлено, что рост целого растения или его частей при прочих равных условиях определяется активностью синтеза эндогенных ростовых веществ, таких как ауксины, гиббереллины, цитокинины (Либберт, 1976; Лебедев, 1982; Чуб, 2003).

14 | 12 2 10 ¿1 8 6 4 2

-I----т- : -------- , ; ------ --------г - г 0

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Порядковый номер узла снизу

—О— в полевых условиях —О—в условиях искусственного климата —А—длина междоузлий в полевых условиях

Рисунок 3. Количество листовых пластинок сложного листа, сортообразец сои Т-245.

В физиологии растений хорошо известен параллелизм между интенсивностью роста и концентрацией ауксина. Гиббереллины, подобно ауксинам, стимулируют рост и деление клеток. Стимулирующий эффект цитокининов проявляется в ускорении клеточных делений.

Определенный параллелизм между большой кривой роста и динамикой онтогенетического изменения количества листочков в сложном листе позволяет предположить наличие связи между степенью формирования сложного листа и концентрацией одного из этих фитогормонов.

Для проверки данного предположения в условиях искусственного климата был заложен модельный эксперимент. У растений сорта Вилана, характеризующегося наличием только тройчатосложных листьев, в фазу 1 листа была удалена верхняя часть растения, расположенная выше узла с простыми примордиальными листьями. Боковые недифференцированные меристемы примордиапьных узлов обрабатывали водными растворами фитогормонов.

Было установлено, что ауксины в среднем на 2 недели задерживали дифференциацию и рост боковых побегов в примордиальном узле. В дальнейшем визуальный эффект ауксина исчезал и растения формировали боковые побеги с тройчатыми листьями.

Гиббереллины, наоборот, ускоряли развитие боковых побегов. Уже на 3-й день отмечалась дифференциация пазушных апикальных меристем. Вновь формируемые боковые побеги имели удлиненные междоузлия, размер листовых пластинок был меньше, чем у контрольных растений. Все листья на боковых побегах развивались тройчатосложными.

Применение водного раствора цитокинина приводило к усложнению тройчатого листа (рис. 4). Его эффект сохранялся короткое время и оказывал влияние только на формирование листьев первых двух образовавшихся узлов боковых побегов.

Под воздействием цитокинина у первого образовавшегося листа (рис. 4) сформировалось 4 обособленных листовых пластинки, причем левая (при виде с нижней стороны листа) боковая листовая пластинка имела вид сросшейся из двух листочков. Второй, позднее образовавшийся лист имел 3 листовых пластинки, однако у одного из боковых листочков сформировалось 2 центральных жилки, а листочек приобрел вид сросшейся пластинки.

Рисунок 4. Влияние экзогенного цитокинина на листообразование у сои,

сорт сои Вилана.

Ву1 - вторичный узел на боковом черешке; Ву2 - частично сформированный вторичный узел на боковом черешке; Омж/ - обособленная нижняя боковая жилка; Онж, - частично обособленная боковая жилка.

На рис. 4 видно, что под воздействием экзогенного цитокинина нижняя боковая жилка (Онж,) правого бокового листочка полностью обособилась, трансформировавшись в центральную жилку дополнительного листочка. При этом образовавшийся дополнительный узел прикрепления этого листочка (Ву,) несколько сдвинулся в сторону центрального узла рахиса, но не слился с ним. На левом боковом листочке процесс обособления нижней боковой жилки с образованием дополнительного листочка оказался не полностью завершенным.

Аналго результатов эксперимента с применением экзогенных фитогормонов позволяет сделать вывод о связи концентрации цитокинина с количеством листочков в сложном листе сои. Вероятно, что у 5-лисгочковых форм сои имеется генетически закрепленная повышенная концентрация эндогенных цитокининов.

Одним из возможных механизмов этого может быть изменение дозы гена за счет дупликации локусов, кодирующих синтез эндогенных цитокининов. Такое явление мо-

а

б

жет быть следствием рекомбинационных процессов в мейозе у ранних автотетраплоид-ных и реплоидных форм сои.

Если допустить, что 5-листочновость является следствием дупликации локуса, кодирующего синтез цитокинина, то можно ожидать появления форм растений с редукцией числа листовых пластинок, которые могут определяться делецией или дефишенси по этому же локусу.

Подтверждением этому было обнаружение в 2001 г. среди полиплоидных форм С3 сортов сои Вилана нескольких растений с упрощенными листьями, состоящими из одной-двух листовых пластинок, ранее в роде Glycine Willd. практически не известными. Позже, в реплоидном потомстве этих растений были обнаружены диплоидные формы сои с 1-2 листочками (рис. 5). Косвенным подтверждением недостатка эндогенных цито-кининов у таких растений являлась их карликовость (высота растений - 25-35 см).

Рисунок 5. Особенности морфологии разных типов простых листьев у сои.

а, б - простой примордиапьный лист; в, г - вторично простой лист, Сч ~ сочленение; П - прилистничек;

Р - рахис; Ч,- простой черешок; Чг - черешочек.

Сравнительный морфологический анализ представленных на рис. 5 простых листьев, сформировавшихся в примордиальном узле (а, б) и в верхней части реплоидных форм (в, г) с признаком редукции числа листовых пластинок свидетельствует о заметных различиях между ними.

Истинно простой (примордиапьный) лист сои состоит из простого черешка и цель-нокрайней листовой пластинки, тогда как вторично простой лист реплоидной формы пред-

ставляет собой предельно редуцированную форму сложного листа. Подтверждением этому является наличие сочленения (Сч) в верхней части черешка, разделяющего его на рахис (Р) и черешочек (Ч2). Доказательством полноценности рахиса у такого листа является также наличие в его узле прилистничков (/7). Морфология листовой пластинки вторично простого листа не имеет существенных различий с простым примордиальным листом за исключением формы пластинки, определяемой как генотипом, так и положением на побеге (временем формирования в онтогенезе).

На реплоидных растениях сои с признаком редукции сложного листа формируются также 2-листочковые сложные листья (рис. 6).

Морфологической особенностью такого листа является полное обособление левой нижней жилки центральной листовой пластинки с образованием полноценного бокового листочка. Одновременно с этим произошла деградация мезофилла центрального и бокового листочков в зоне прикрепления левой нижней боковой жилки к центральной жилке с образованием общего узла прикрепления образовавшихся черешочков.

Рисунок 6. Особенности морфологии 2-листочкового сложного листа сои.

Р-рахис; У- узел рахиса; Ч,- боковой черешочек; Нж- непарна« нижняя жилка; Цж - центральная жилка бокового листочка.

На примере морфологии этого листа можно сделать принципиальный вывод: формирование тройчатого листа у сои могло происходить за счет обособления нижних боковых жилок листовой пластинки, а не за счет редукции непарно перистосложного листа, как это предполагалось у Хатчинсона (1926) или Яковлева (1991).

Детальный анализ типа прикрепления листовых пластинок сои к рахису, особенно 5-листочковых сложных листьев, не позволяет отнести их к пальчатосложным листьям (рис. 7).

Рисунок 7. Характер прикрепления боковых и добавочных листочков к рахису у 5-листочкового сортообразца сои Т-245.

Цу - центральный узел рахиса; Бу - боковые узлы прикрепления дополнительных листочков

На рис. 7 видно, что, как и у тройчатого листа, к центральному узлу рахиса 5-листочкового листа прикрепляются черешочки только двух боковых листочков. Чере-шочки добавочных листочков в свою очередь прикрепляются к боковым черешочкам боковых листовых пластинок. Схематично такой тип прикрепления боковых и добавочных листочков приобретает вид двух завитков, симметрично направленных наружу от центральной оси рахиса (рис. 8).

Рисунок 8 . Схема образования боковых и дополнительных осей у сложного листа сои.

1 - центральная ось рахиса; 2 - оси боковых листочков, 3, 4 - оси дополнительных листочков

На основании схемы закладки осей сложного листа сои можно предопределить положение следующей пары дополнительных листочков, например для 7-листочковой формы, известной в генетической коллекции ВИР как сортообразец Т-255.

Такой тип сложного листа (см. рис. 7 и 8) ранее не был описан в ботанической литературе, по всей вероятности из-за низкой частоты встречаемости 5- и 7-листочковых форм у видов сои и других фасолевых, и не имеет своего названия.

Морфологически данный тип листа, как уже было сказано, представляет собой два симметрично направленных наружу, относительно главной оси рахиса, завитка, состоящих

из вторичных (тройчатосложная конструкция) и третичных (5-листочковая конструкция) осей сложного листа.

Из-за близкого расположения центрального и вторичных узлов прикрепления черешочков, маскирующих пространственную конфигурацию осей, новый тип сложного листа визуально близок к пальчатосложному типу и, соответственно, получил название «псевдопальчатосложный»

В целом, проведенные исследования позволяют сделать ряд принципиальных предположений и выводов:

1. Количество листочков в сложном листе сои зависит от концентрации эндогенных цитокининов. Их избыток приводит к дальнейшему усложнению тройчатого листа, а недостаток - к его редукции до вторично простого листа.

2. Образование боковых и дополнительных листочков происходит путем обособления нижней пары боковых жилок у центрального листочка и нижней наружной жилки у боковых листочков.

3. Формирование тройчатого листа у сои в филогенезе могло происходить за счет обособления нижних боковых жилок листовой пластинки, а не за счет редукции непар-ноперистосложного листа, как это предполагалось ранее.

4. На основании изучения сложного листа сои с различным количеством листочков впервые описан морфологически новый тип сложного листа, получивший название «псевдопальчатосложный».

Литература

1. Василъченко И.Т. О соотношении онтогенеза и филогенеза у высших растений. //Ботанический журнал.-Т. 46.- 1961. -№ 12.-С. 1735-1739.

2. Зеленцов С. В. Полиплоидная рекомбинация генома как фактор формообразования у высших растений. // Электронный журнал «Исследовано в России», 35, 357-370, 2002. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles /2002/035pdf

3. Корсаков Н.И. Каталог генетической коллекции сои. - Л.: ВИР. - Вып. 115.-1973.-69 с.

4. Лебедев С.И. Физиология растений. // М.: «Колос». - 1982. - С. 364-370.

5. Лещенко А.К. Соя. (Генетика, селекция, семеноводство) // А.К. Лещенко, В.И. Сичкарь, В.Г. Михайлов, В.Ф. Марьюшкин. -Киев.: Наукова думка, 1987. - С. 18.

6. Либберт Э. Физиология растений. -М.: Мир, 1976. - С.344-487.

7. Проханов Я.И. Эволюция листа деревянистых двудольных растений. / В кн.: Проблемы филогении растений. - М.: Наука, 1965. - С. 71-109.

8. Серебряков ИГ. Морфология вегетативных органов высших растений. - М.: Советская наука, 1952. - С. 314-336.

9. Сунь Син-Дун. Соя. - М.: Сельхозиздат, 1958.-248 с.

10. Хржановский В.Г. Курс общей ботаники. Часть 2. Цитология, гистология, органография, размножение. - М.: Высшая школа. - 1982. - С. 241-247.

11. Чуб В В. Рост и развитие растений./ МГУ. - 2003./http://herba.msu.ru/ russian/ departments/physiology/ spezkursi/chub/ index-7.html.

12. Яковлев Г.П. Бобовые земного шара. -Л.: Наука, 1991. 142 с.