Формирование женских репродуктивных структур у Ephedra arborea Lag. И Ephedra distachya L. (Ephedraceae) в Крыму

ФОРМИРОВАНИЕ ЖЕНСКИХ РЕПРОДУКТИВНЫХ СТРУКТУР

У EPHEDRA ARBOREA LAG. И EPHEDRA DISTACHYA L.

(EPHEDRACEAE) В КРЫМУ

РУГУЗОВА А.И., кандидат биологических наук

Введение

Во флоре Крыма описаны два местных вида рода Ephedra - Ephedra distachya L. и Ephedra arbórea Lag. E. distachya произрастает вдоль крымского побережья Черного моря, в прибрежной зоне, испытывающей повышенную антропогенную нагрузку. Под действием антропогенного фактора численность данного вида в Крыму неуклонно сокращается.

E. arbórea - аборигенный вид Крыма с очень ограниченным ареалом [6]. В Крыму он описан в окрестностях города Судак, поселка Новый Свет и на восточном склоне горы Аю-Даг, в бухте Панаир. Ботаники считают, что E. arbórea находится под угрозой исчезновения в Крыму, и рекомендуют включить данный вид в Красную Книгу Крыма [1, 2]. В связи с этим актуальным является вопрос о возможности семенного возобновления местных видов рода Ephedra в Крыму, что в свою очередь предполагает изучение репродуктивных структур данных видов, процессов опыления, оплодотворения, эмбриогенеза и формирования полноценных семян.

Целью данной работы было: выявить особенности формирования женских репродуктивных структур у E. arbórea и E. distachya в условиях их естественного произрастания.

Объекты и методы исследований

Исследования проводили на женских особях в естественных популяциях E. arbórea и E. distachya. Популяция E. arbórea находится на восточном склоне горы Аю-Даг, в бухте Панаир и насчитывает 26 растений: 11 женских и 15 мужских особей. Высота растений 30 - 60 см, диаметр куста 40 - 126 см.

Популяция E. distachya расположена на южных склонах Партенитской бухты. Женские экземпляры представлены небольшими кустами до 20 см высотой.

Фенологические наблюдения и сбор материала для эмбриологических исследований проводили от закладки мегастробилов до опыления через каждые 3 суток. Собранные образцы изучали под бинокуляром, измеряли и фиксировали по Карнуа (6:3:1). Фиксированный материал хранили в 70% этиловом спирте. Постоянные препараты готовили по общепринятой в цитоэмбриологии методике [5]. Для приготовления серий срезов использовали ротационный микротом. Толщина срезов 10 мкм. Препараты окрашивали метилгрюнпиронином по

Унна с подкраской алциановым синим [4, 7]. Время окраски отрабатывалось для каждой стадии развития и варьировало от 24 до 48 часов. Анализ препаратов проводили на микроскопе Jenaval. Рисунки выполняли с помощью рисовального аппарата РА-4.

Результаты и обсуждение

Женские репродуктивные органы у обоих видов дифференцируются ранней весной. Они представлены собраниями мегастробилов, расположенными на побегах, длиной 3 - 38мм. В одном узле у E. arbórea

может быть от 1 до 5 таких побегов, у E. distachya на одном узле, как правило расположены 1 -3 побега с собраниями мегастробилов, редко - 5. Собрание мегастробилов у обоих видов состоит из четырех пар стерильных чешуевидных зеленых листьев и двух

мегастробилов. Каждый мегастробил содержит один семязачаток, который закладывается в пазухе кроющей чешуи и состоит из нуцеллуса, окруженного наружным и внутренним интегументами. В пазухе чешуи сначала появляется бугорок нуцеллуса,

латерально начинают развиваться внутренний и наружный интегументы (рис. 1).

Вопрос о происхождении и названии «наружный интегумент» у видов Ephedra является дискуссионным. Часто его называют «покровом» или «околоцветником» [15, 10, 3]. Некоторые исследователи считают, что наружный интегумент сформировался в результате срастания двух листьев «околоцветника». Согласно нашим исследованиям, наружный слой интегумента представлен клетками эпидермиса с утолщенными оболочками, с внутренней стороны (обращенной к нуцеллусу семязачатка) под эпидермой расположен хорошо развитый слой гиподермальной склеренхимы, которая также встречается в листьях некоторых голосеменных растений [9]. На ранних стадиях развития семязачатков эти склеренхимные клетки имеют слегка утолщенные оболочки и живое содержимое (ядро, цитоплазму), однако, к моменту опыления их оболочки

Рис. 1. Начальные этапы формирования семязачатка E. arbórea

начинают утолщаться, а содержимое дегенерирует. В это время между клетками формируются хорошо заметные межклетники. В ткань наружного интегумента входят проводящие пучки. Наши наблюдения показали, что у E. distachya в наружный интегумент входят три проводящих пучка, однако, один из них поднимается только до середины семязачатка, тогда как два других заканчиваются в верхней части наружного интегумента. В то же время в наружный интегумент E. arbórea входят только два проводящих пучка и оба поднимаются до его верхней части. В литературе имеются данные, что у E. gerardiana в наружный интегумент входят три проводящих пучка [19]. В проводящих пучках ксилема обращена к адаксиальной стороне, а флоэма - к абаксиальной. Проводящие пучки окружены трансфузионной тканью, состоящей из живых паренхимных клеток с неодревесневшими оболочками и тонкостенных, но имеющих одревесневшие оболочки, трахеид с окаймленными порами. Трансфузионная ткань встречается в листьях голосеменных растений, но обнаруживает различное пространственное расположение по отношению к проводящим пучкам [11, 12]. Таким образом, анатомическое строение наружного интегумента имеет много общего с листьями голосеменных растений. Результаты наших исследований подтверждают мнение ряда ученых [10, 3] о том, что наружный интегумент формируется в результате срастания двух листьев. Что касается термина, то мы считаем правомерным использование термина «наружный интегумент», который отвечает сути и функциям данной структуры.

Внутренний интегумент состоит из двух рядов прямоугольных клеток с интенсивно окрашенным ядром с ядрышком и светлой цитоплазмой. Клетки внутреннего интегумента периклинально делятся, и он очень быстро начинает возвышаться над нуцеллусом и наружным интегументом, который состоит из 5-6 рядов прямоугольных клеток. Клетки наружного интегумента тоже делятся периклинально. В процессе развития женского гаметофита оба интегумента быстро растут. К моменту опыления внутренний интегумент формирует микропилярный канал, который возвышается над чешуями, окружающими семязачаток, на 1,5 мм и заканчивается воронковидным микропиле. В этот период содержимое клеток, формирующих микропилярный канал, дегенерирует, стенки клеток наружного слоя остаются тонкими, а радиальные и внутренние стенки клеток внутреннего слоя значительно утолщаются.

Рис. 2. Дифференция археспориальной клетки E. arbórea

На ранних стадиях развития нуцеллус у обоих видов развивается благодаря делению субэпидермальных клеток нуцеллуса, тогда как у некоторых видов Ephedra нуцеллус формируют

периклинально делящиеся эпидермальные клетки [18]. Когда нуцеллус состоит из нескольких десятков клеток, в субэпидермальном слое

дифференцируется археспориальная инициаль. Это крупная клетка, с плотной цитоплазмой и большим интенсивно окрашенным ядром (рис. 2). Археспориальная инициаль делится и дает начало спорогенной и париетальной клеткам. Последняя многократно делится, формируя париетальную ткань, и оттесняя спорогенную клетку вглубь нуцеллуса. P.N. Mehra [15] считает, что у E. intermedia археспориальная клетка не делится, а дифференцируется в материнскую клетку мегаспор. Хотя у E. foliata [14], E. americana var. andina [17], E. gerardiana [19] наблюдали деление археспориальной клетки и формирование спорогенной ткани. У E. arborea и E. distachya, как и у некоторых других видов рода Ephedra [13] спорогенная ткань не образуется, а спорогенная клетка

дифференцируется в

материнскую клетку мегаспор. Эта клетка содержит хорошо окрашенное ядро с крупным ядрышком, окруженное

плотной цитоплазмой. Перед делением мегаспороцита в халазальной части клетки формируется крупная вакуоль и оттесняет ядро к клеточной стенке (рис.3).

Мегаспороцит

мейотически делится, формируя линейную тетраду мегаспор. Три верхние

Рис. 3. Клетка мегаспороцита перед делением у E. arborea

клетки тетрады очень быстро дезинтегрируют, а

халазальная мегаспора

увеличивается в размерах (рис. 4) и дает начало свободноядерному женскому гаметофиту, поскольку

деление ядер не

сопровождается цитокинезом (рис. 5 А, Б). Ядра женского гаметофита со светлой кариоплазмой и несколькими ядрышками расположены по периферии полости женского гаметофита и окружены плотной цитоплазмой, в центре формируется крупная вакуоль.

Количество кариокинезов при формировании

свободноядерного женского гаметофита различно у разных видов рода Ephedra.

Рис. 4. Тетрада мегаспор у E. arbórea

к. н.

к. ж. г.

А

Б

Рис. 5. Развитие женского гаметофита у E. arbórea: А- четырехядерный женский гаметофит (продольный срез), Б - 16-ти ядерный женский гаметофит (поперечный срез), В - начало формирования клеточного гаметофита (продольный срез) (к.н. -клетки нуцеллуса, к.ж.г. - клетки женского гаметофита, я.ж. - ядра женского гаметофита.

P.N. Mehra [15] в работе, посвященной изучению женского гаметофита E. intermedia, отмечал, что до стадии 64 ядерного женского гаметофита деления происходят синхронно, но при дальнейшем развитии синхронность нарушается, а на последней стадии развития свободноядерного гаметофита одно или несколько ядер могут не делиться, что влияет на конечное количество ядер женского гаметофита. У E. arbórea и E. distachya проходит 8 кариокинезов и формируется 256 ядер. После этого между ядрами начинают закладываться поперечные перегородки (рис. 5 В). Ядра, соединенные между собой тяжами цитоплазмы, расположены на внутренней стороне открытых клеток, удлиненных к центру гаметофита альвеол. В это время полость женского гаметофита имеет конусовидную форму, а сам гаметофит окружен

мегаспориальной мембраной, которая описана у E.distachya на ультраструктурном уровне [16]. Поскольку в халазальном конце полость женского гаметофита намного уже, чем в микропилярном, альвеолы здесь очень быстро встречаются и образуют небольшие клетки. В микропилярной части женского гаметофита альвеолы длинные, со светлой цитоплазмой и интенсивно окрашенным ядром. Некоторые альвеолы не достигают центра, а образуют небольшие треугольные клетки (рис. 6). Как только альвеолы встречаются в центре полости женского гаметофита, они сразу же начинают делиться, при этом закладываются поперечные

перегородки.

В микропилярной части женского гаметофита несколько альвеол не делятся, их ядра увеличиваются, цитоплазма вокруг ядер уплотняется - дифференцируются архегониальные инициали (рис. 6). У E. arbórea их, как правило, три, а у E. distachya - 2 - 4. Каждая архегониальная инициаль делится периклинально и дает начало центральной клетке архегония и инициали шейки архегония (рис. 7), которая впоследствии многократно делится и образует многоклеточную шейку архегония.

и. ар.

Рис. 6. Клеточный гаметофит E. arbórea

и.ш.ар.

.к.ар. . об.

.ж.г.

50 мкм

i-1

Центральная клетка быстро увеличивается в размерах, в цитоплазме видны крупные вакуоли, ядро большое с одним или несколькими ядрышками,

кариоплазма светлая. Вокруг каждого архегония

дифференцируются два ряда клеток обкладки. Это небольшие клетки с очень плотной цитоплазмой и ядром с несколькими ядрышками (рис. 7). На ранней стадии развития клетки обкладки одноядерные, позже они становятся двуядерными и многоядерными. Женский гаметофит быстро растет за счет активных митозов в его

Рис. 7. Формирование архегониев у E. arbórea

халазальной части и продвигается вглубь семязачатка, почти достигая гипостазы. Как и у большинства видов рода Ephedra [18], у E. arbórea и E. distachya гипостаза хорошо развита. На поздних стадиях развития она имеет подковообразную форму и состоит из нескольких рядов клеток, содержимое которых полностью лизировало. Основная функция гипостазы у видов рода Ephedra, очевидно, трофическая. Поскольку у большинства голосеменных растений гипостаза не формируется, то ее функции очень мало обсуждаются в литературе по эмбриологии голосеменных, значительно лучше эти вопросы освещены в работах по эмбриологии покрытосеменных растений [8]. Считается, что гипостаза - многофункциональная структура: секретирует энзимы и регуляторы роста, поддерживает водный обмен, выполняет механические, защитные и гаусториальные функции, но основная ее функция трофическая. Специализированные клетки гипостазы осуществляют транспорт метаболитов к спорогенным и гаметофитным структурам.

Во время развития архегония и интенсивного роста женского гаметофита клетки нуцеллуса, расположенные над архегониями, начинают дезинтегрировать и лизируют. Этот процесс начинается с верхушки нуцеллуса и заканчивается у женского гаметофита - образуется глубокая пыльцевая камера конусовидной формы, нижний край которой достигает архегониев. Ко времени опыления женский гаметофит хорошо развит, дифференцирован на три зоны: верхнюю фертильную, состоящую из больших клеток со светлой цитоплазмой, среднюю запасающую и нижнюю гаусториальную. Архегонии содержат многоклеточную шейку,

состоящую из небольших клеток, и крупную центральную клетку. Пыльцевая камера достигает архегониев. Микропилярная трубка возвышается над наружным интегументом.

Процессы развития женских репродуктивных структур E. arbórea и E. distachya в условиях Крыма проходят без существенных отклонений вне зависимости от гидротермических условий в этот период и места произрастания. К моменту опыления количество нормально развитых семязачатков у обоих видов составляет 95-100%.

Выводы

1. В условиях Крыма нарушения в процессе формирования женских репродуктивных структур у видов E. arbórea и E. distachya не являются лимитирующим фактором при формировании полноценных семян, поскольку к моменту опыления 95-100% семязачатков нормально развиты и готовы к приему пыльцы.

2. Существенных отличий при формировании репродуктивных структур E. arbórea и E. distachya не выявлено. Собрание мегастробилов у обоих видов состоит из четырех пар стерильных листьев и двух мегастробилов. Каждый мегастробил содержит один атропный, крассинуцелятный двупокровный семязачаток.

3. Археспориальная клетка у обоих видов дифференцируется в субэпидермальном слое нуцеллуса и дает начало париетальной и спорогенной клеткам. Последняя, не формируя спорогенную ткань, дифференцируется в мегаспороцит, который делится и формирует линейную тетраду мегаспор.

4. Женский гаметофит формирует халазальная мегаспора. В своем развитии он проходит свободноядерную, альвеолярную и клеточную стадии. Формирование альвеол начинается после 8 синхронных кариокинезов и образования 256 ядер женского гаметофита.

5. В микропилярной зоне клеточного гаметофита у E. arbórea развивается три архегония, у E. distachya - от 2 до 4 архегониев. Халазальная зона гаметофита у обоих видов почти достигает гипостазы.

6. Ко времени опыления женский гаметофит хорошо развит, архегонии содержат шейку и крупную центральную клетку, над архегониями сформирована пыльцевая камера и микропилярная трубка возвышается над наружным интегументом.

Список литературы

1. Голубев В.Н. Биологическая флора Крыма (второе издание) / Никит. ботан. сад. - Ялта, 1996.- 125 с.

2. Голубев В.Н., Ена Ан.В., Сазонов А.В. Список видов биоты, рекомендуемых для включения в Красную Книгу Крыма. Высшие сосудистые растения // Вопросы развития Крыма. Научно-практический дискуссионно-аналитический сборник. - 1999. - Вып. 13. - С. 35-47.

3. Жизнь растений: В 6 т. / М., 1978. - Т. 4: Папоротники и голосеменные растения. - 447 с.

4. Методические рекомендации по рациональному использованию крымского генофонда Juniperus foetidissima Willd / сост. Л.У. Склонная, И.А. Ругузов, В.П. Костина. Никит. ботан. сад - Ялта, 1992. - 41 с.

5. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений - М.: Колос, 1980. - 304 с.

6. Флора Европейской части СССР: В 9 т. / Л., 1974. - Т.1. - С.195-

204.

7. Шевченко С.В., Чеботарь А.А. Особенности эмбриологии маслины европейской (Olea europaea) // Труды Никит. ботан. сада - 1992. - Т.113. -С. 52-64.

8. Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции: В 3 т. / Бот. ин-т им. В.Л. Комарова РАН. - СПб., 1994. - Т. 1: Генеративные органы цветка. - 508 с.

9.Эсау К. Анатомия растений / пер. с англ. А.Е. Васильева, М.Ф. Данилова, Н.В. Первухина, Н.С. Снигиревская / под ред. проф. Л.В. Кудряшова - М., 1969. - 564 с.

10.Eames A.J. Relationships of the Ephedrales // Phytomorphology. -1952. - N 2. - P. 79-100.

11. Gathy P. Les fleuilles de Larix. Etude anatomique // Cellule. - 1954. -Vol. 56. - P. 331-353.

12.Lederer B. Vergleichende Untersuchungen uber das Transfusionsgewebe einiger rezenter Gymnospermen // Bot. Studien Heft. -1955. - N 4. - P. 1-42.

13.Lehmann-Baelts M. Etude sur les Gnetales - XII. Ovule, gametophyte, femelle et embryogenese chez Ephedra distachya L. // Cellule. - 1967. - Vol. 67. - P.53-87.

14. Maheshwari P. Contributions to the morphology of Ephedra foliata Boiss. I The development of the male and female gametophytes // Proc. Indian Acad. Sci. - 1935. - Vol. 1. - P. 586-606.

15. Mehra P.N. Occurrence of hermaphrodite flowers and the development of female gametophyte in Ephedra intermedia Shrenk et May. // Ann. Bot. (London) N.S. - 1950. - Vol.14. - P. 165-180.

16. Moussel B., Moussel C. Evolution rhythmique de lappariel de golgi et du plasmalemme en liason avec la croissance de la paroi enveloppant le prothalle femelle cenocytique de Ephedra distachya L. // Caryologia. - 1973. -Vol. 25 (suppl.) - P. 97-108.

17. Pankov H. Histogenetische Studien an den Bluten einiger Phanerogamen // Bot. Studien. - 1962. - Vol. 13. - P. 1-106.

18. Singh H. Embryology of Gymnosperme. Encyclopedia of Plant Anatomy X (2) - Berlin, Stuttgart, 1978. - 304 p.

19. Singh H., Maheshwari K. A contribution to the embryology of Ephedra gerardiana Wall // Phytomorphology. - 1962. - Vol. 12, N 3. - P. 361-372.

Formation of female reproductive sphere in Ephedra arbórea Lag. and Ephedra distachya L. (Ephedraceae) in the Crimea

Ruguzova A.I.

The description of female gametophyte formation in E. arbórea has been given in this article. Some specific features of female gametophyte formation in Ephedraceae have been discussed.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Автономной Республики Крым