Эмбриология Papaver bracteatumlindl. И рар Aver orientale L. (Papaveraceae)

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2004 Биология Вып. 2

УДК 581.3

ЭМБРИОЛОГИЯ PAPAVER BRACTEATVM LINDL. И РАРAVER ORIENT ALE L.

М. А. Данилова

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Излагаются результаты сравнительного изучения эмбриологии двух видов рода Papaver. Установлено, что развитие мужской и женской сфер сходно у обоих видов и существенно не отличается от описанного в литературе для других-представителей этого семейства.

Papaver bracteatum Lindl. и Papaver orientale L.

- многолетние маки из секции Oxytona. Оба вида высокодекоративны, обладают крупными и яркими одиночными цветками (Попов, 1937). Кроме того, P. bracteatum используется для промышленного получения алкагюидов, которые применяются в современной медицине (Sedding et al., 1982). В естественных условиях этот вид произрастает на Северном Кавказе и находится под угрозой исчезновения (Денисова, 1984).

Эмбриологические данные относительно рода Papaver касаются, прежде всего, P. somniferum, Р. rhoeas и P. argemone (Ильина, 1981). Из секции Oxytona частично изучен P. paucifoliatum (Житарь и др., 1995). Эмбриология P. bracteatum и P. orientale ранее не изучалась.

Исследования показали, что эмбриологическое развитие P. bracteatum и P. orientale протекает похоже. У обоих видов пыльники 4-гнездные, вскрывающиеся продольно. Формирование стенки гнезда пыльника происходит по типу однодольных, центростремительно. Сформированная стенка гнезда пыльника состоит из 5 слоев: тапетума, двух средних слоев, эндотеция и эпидермиса (рис. 1).

Рис. 1. Недифференцированная стенка пыльника P. bracteatum, мсп - микроспо-роциты

Развитие тапетума идет по секреторному типу. Его клетки сильно увеличиваются в размерах и содержат два или четыре крупных ядра. Первое деление ядра, не сопровождающееся цитокинезом, происходит на стадии микроспороцитов. В течение микроспорогенеза ядра становятся полиплоидными. Лизис тапетума начинается на стадии тетрад микроспор и завершается ко времени вскрывания пыльника.

Мы наблюдали в некоторых пыльниках Р. bracteatum раннюю дегенерацию тапетума - еще до начала мейоза в микроспороцитах. Такое поведение тапетума является аномальным и, возможно, служит одной из причин снижения фертильности пыльцы. Дисфункция тапетума вследствие его раннего лизиса может быть и причиной длительного сохранения средних слоев, так как клетки тапетума, будучи физиологически активными, ассимилируют клетки средних слоев по мере их развития. Причины преждевременной дегенерации тапетума не ясны.

Средних слоев два. В семействе Papaveraceae они описаны как эфемерные (Ильина, 1981), дегенерирующие к моменту раскрытия пыльника. Первым разрушается внутренний средний слой, прилегающий к тапетуму. В норме это происходит на стадии высвобождения микроспор. Внешний средний слой сохраняется до формирования двуклеточных пыльцевых зерен и даже обнаруживается затем во вскрывшемся пыльнике. У P. orientale в стенке гнезда зрелого пыльника часто обнаруживался внешний средний слой, а иногда - оба средних слоя.

Эндотеций остается недифференцированным до стадии одноклеточной пыльцы. Его клетки на ранних стадиях развития стенки пыльника практически не отличаются от клеток других слоев стенки пыльника. Фиброзные утолщения образуются не ранее стадии обособления микроспор и формирования одноклеточных пыльцевых зерен (рис. 2).

© М.А. Данилова, 2004

Рис. 2. Зрелая стенка пыльника Р. ЬгаМеаШт

Микроспороциты формируются после ряда митотических делений спорогенных клеток. Это крупные изодиаметрические клетки. Их цитоплазма очень густая и выглядит темноокрашенной. Ядра крупные, отчетливо видно ядрышко, часто ядрышек бывает несколько. Параллельно с митотическим делением ядер клеток тапетума микроспороциты вступают в мейоз. При этом их размеры, как и размеры ядер, увеличиваются. Начиная с метафазы первого деления мейоза, вокруг них откладывается каллоза. Каллозная оболочка постепенно утолщается, достигая максимума развития на стадии тетрад микроспор. Тетрады микроспор образуются симультанно. Мы наблюдали тетраэдрические и, реже, изобилатеральные тетрады микроспор. В семействе Рартегасеае у однолетних маков отмечены также крестообразные тетрады (Ильина, 1981). При анализе метафазных и ана-фазных пластинок мы обнаружили, что у Р. Ьгас-1еашт наблюдается отставание хромосом при их расхождении к полюсам клетки в анафазе I мейоза.

На стадии высвобождения микроспор некоторые тетрады микроспор остаются соединенными общей оболочкой. Такие образования тетраэдрической формы часто встречаются среди стерильной пыльцы. Их содержимое дегенерирует, обычно видны только оболочки клеток.

Исследованным макам свойственна двуклеточная, трехбороздная пыльца, опыление происходит двуклеточной пыльцой, генеративное ядро делится уже в пыльцевой трубке при прорастании. Во вскрывшихся пыльниках как Р. Ьгас1еа1ит, так и Р. опеШаЫ, отмечены также единичные трехклеточные пыльцевые зерна. Зрелая пыльца обнаруживается за два - три дня до раскрытия цветка.

По нашим данным, фертильность пыльцы Р. ог\еЫа1е составила 88,87±0,85%, Р. ЬгасСеаШт -14,88±2,73% (таблица). Фертильность пыльцы Р. ЬгааеаШт значительно ниже, чем Р. ог1еша1е, но достаточна для оплодотворения. Семенная продуктивность мака прицветникового высока.

Фертильность пыльцы изученных видов

Вид М+ш, % Су, % 1 Р,%

Р. ог1еп1а1е 88,87+0,85 5,22 104,87 0,95

Р. ЬгаМеаМт 14,88+2,73 71,01 5,45 18,33

Форма стерильной пыльцы разнообразна. Во-первых, наблюдаются неразошедшиеся тетрады микроспор с частично или полностью дегенерировавшим содержимым (только оболочки клеток). Во-вторых, отмечены сильно деформированные одноклеточные пыльцевые зерна. Наконец, мы наблюдали веретеновидные безъядерные пыльцевые зерна.

Возможны разные причины образования стерильной пыльцы, проявляющиеся на разных стадиях развития. Мы отметили отклонения в ходе мейоза при образовании микроспор, которые могут вести к образованию аномальных микроспор, не способных к дальнейшему развитию. Одна из причин - образование неразошедшихся тетрад. Известно, что часть пыльцы может дегенерировать на стадиях формирования пыльцевых зерен, причем мейоз может протекать абсолютно нормально (Крупнов, 1973).

Женская сфера у обоих исследованных видов развивается позднее, чем мужская. Семяпочки начинают развиваться после образования тетрад микроспор в пыльниках. Закладка семяпочки начинается с появления бугорка нуцеллуса. Затем закладывается первый, внутренний интегумент, а после - второй. Таким образом, семяпочки исследованных видов битегмальные.

Внутренний интегумент трехслойный, внешний

- двуслойный. Полностью -сформированная семяпочка относится к гемикампилотропному типу (рис. 3).

Археспориальная клетка дифференцируется в

Рис. 3. Семяпочка Р. ог1еЫа1е

нуцеллусе очень рано. Она закладывается субэпи-дермально. На стадии закладки интегументов археспориальная клетка преобразуется в мегаспоро-цит. У Р. ЬгаШШит обнаружены единичные семяпочки с двумя мегаспороцитами.

Определены разнообразное строение и развитие женского археспория для разных родов семейства Рартегасеае. У однолетних видов рода Ра-рскег описан самый редуцированный тип, когда единственная археспориальная клетка непосредственно становится мегаспороцитом, не отделяя кроющей клетки (Ильина, 1981). Многолетние маки, изученные нами, обнаружили эту же особенность.

Мегаспороцит приступает к мейозу после появления обоих интегументов, в процессе их роста.

Эмбриология Рардуег ЬгаіїеаШт Ппсії. и Рарауег огіепіаіе Ь.

59

Тетрада мегаспор линейного типа. Мегаспоры обособляются последовательно.

Микропилярные клетки мегаспор дегенерируют и деформируются, их содержимое разрушается, халазальная мегаспора, напротив, увеличивается в размерах. В семействе маковых отмечено формирование зародышевых мешков разных типов. У изученных многолетних маков мы наблюдали развитие зародышевого мешка Ро^опит-тпа. Сначала формируется двуядерный зародышевый мешок. В пыльниках цветка в этот период времени происходит высвобождение микроспор.

Образовавшиеся ядра расходятся по полюсам зародышевого мешка, и в центре формируется вакуоль. После второго митотического деления образуется четырехъядерный зародышевый мешок. В только что раскрывшихся цветках семяпочки содержат, как правило, 2- или 4-клеточные зародышевые мешки, которые завершают свое развитие после раскрывания цветка. Возможно, незрелые зародышевые мешки в уже раскрывшемся цветке -это препятствие для самоопыления. Полное формирование зародышевых мешков у исследованных видов происходит через 12-36 ч после распускания цветка. Созревание, дифференциация клеток зародышевого мешка проявляются в увеличении его размеров преимущественно в продольном направлении и вакуолизации цитоплазмы. Изменяются состояние, размер и расположение клеток яйцевого аппарата и антипод (рис. 4).

Рис. 4. Зародышевый мешок Р. ЬгаМеаШт

Яйцевой аппарат формируется в микропиляр-ной части зародышевого мешка. Он состоит из яйцеклетки и двух синергид. При образовании зародышевого мешка они схожи по форме и размерам. В зрелом зародышевом мешке синергиды в отличие от яйцеклетки приобретают плотную темноок-рашивающуюся цитоплазму и вакуолизируются в той части клетки, которая обращена в полость зародышевого мешка. Яйцеклетка вакуолизируется в части клетки, обращенной к микропиле, ядро яйцеклетки несколько крупнее, чем в синергидах, и содержит больше хроматина.

Полярные ядра центральной клетки в недифференцированном зародышевом мешке располагаются в ее центре либо ближе к антиподам. Перед оплодотворением они сливаются, образуя центральное ядро, располагающееся в тяже цитоплазмы у апикального конца яйцеклетки.

Главной особенностью зародышевых мешков мака прицветникового и мака восточного являются строение и срок жизни антипод. Антиподы располагаются на подиуме и имеют крупные размеры. По мере развития их размеры возрастают, а цитоплазма вакуолизируется. Размеры ядер антипод увеличиваются, происходит политенизация хромосом. Клетки подиума, как и подстилающие их клетки нуцеллуса, постепенно дегенерируют, так как антиподы обладают высокой физиологической активностью. Дегенерация антипод у мака прицветникового происходит только на стадии многоклеточного зародыша, через 60-72 ч после распускания цветка. У Р. опеЫа1е в отдельных случаях мы наблюдали антиподы через 96 ч после распускания цветка.

Для исследованных видов характерна порога-мия. Проникновение пыльцевой трубки в клетку происходит через одну из синергид. Ее содержимое лизируется, темнеет. Один из спермиев сливается с центральным ядром, давая начало эндосперму. Второй сливается с яйцеклеткой. Оплодотворение происходит в интервале от 32 до 48 ч после раскрывания цветка.

Эндосперм изученных видов нуклеарного типа. Он опережает зародыш в своем развитии. Зигота приступает к делению через 72 ч после раскрытия цветка, т.е. когда в зародышевом мешке образуется нуклеарный эндосперм.

Первое деление зиготы происходит с образованием поперечной перегородки между клетками. Зародыш формируется из апикальной клетки, подвесок - из базальной клетки. Дифференциация многоклеточного зародыша начинается через 84 ч после распускания цветка. Зародыш развивается по Бо1апас1-типу. Позднее эндосперм реорганизуется в клеточный, этот переход к клеточной фазе в роде Рарсп>ег происходит позже, чем у других маковых (ЕгёеЬка, 1985).

Таким образом, микроспорогенез, развитие стенки пыльника и пыльцевых зерен у родственных видов Р. опепш1е и Р. ЬгаМеашт практически одинаковы. Отличия наблюдаются в фертильности пыльцы. Было установлено, что отклонения в развитии пыльника единичны, а фертильность пыльцы высока. В развитии зародышевых мешков, зародыша и эндосперма мака прицветникового и мака восточного мы не обнаружили значительных отклонений от хода развития, описанного в литературе, представителей других видов и родов данного семейства.

Библиографический список

Денисова Л.В. Рарачег ЬгаЫеаЫт 1лпс11. // Красная книга СССР: Редкие и находящиеся под угрозой исчезновения виды животных и растений. М., 1984. Т. 2. С. 301-302.

Житарь Б.Н., Михеев А.Д., Челомбитько В.А., Денисенко О Н. Морфофизиологические особенности цикла репродуктивных фаз Рарауег раи-Ы/оИаШт II Биологическое разнообразие. Интродукция растений: Мат-лы науч. конф. СПб., 1995. С. 74-75.

Ильина Г. М. Порядок РарамегаШ И Сравнительная эмбриология цветковых. Wmteraceae-Juglanda-

сеае / Отв. ред. М.С. Яковлев. Л., 1981. С. 142— 150.

Крутов В.А. Генная и цитоплазматическая мужская стерильность растений. М.: Колос, 1973.

Попов М.Г. Род Papaver L. // Флора СССР. М.; Л., 1937. Т. 7. С. 616-621.

Erdelska О. Dynamics of the development of embryo and endosperm I (Papaver somniferum, Nicotiana tabacum, Jasione Montana) // Biologia (CSSR). 1985. Vol. 40, №1. P. 17-30.

Sedding M, Jolliff G.D., Calhoun W„ Crane J.M. Papaver bracteatum, potential commercial source of codeine // Economic Botany. 1982. Vol. 36, № 4. P. 433-441.

Embryology of Papaver bracteatum Lindl. and Papaver orientate L.

M.A. Danilova

In this article the results of comparative study of embryology of two Papaver species have been introduced. The development of anthers and ovules is similar in both species and have not significant deviations from the family characteristic.