На правах рукописи

ДОРОФЕЕВА Мария Михайловна

Эмбриологические особенности строения

и развития семязачатков и зародышевых

мешков некоторых видов рода Iris L.

подрода Limniris (Tausch) Spach

03.02.01 – ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Пермь – 2013

Работа выполнена на кафедре ботаники и генетики растений ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Научный руководитель:

доктор биологических наук, доцент Новоселова Лариса Викторовна

Официальные оппоненты:

Шамров Иван Иванович – доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена», заведующий кафедрой ботаники Доронькин Владимир Михайлович – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Центральный сибирский ботанический сад СО РАН», заведующий лабораторией систематики и флорогенетики

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в 15 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.189.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого cовета.

Адрес сайта: http://www.psu.ru E-mail: [email protected] Факс: 8 (342) 237-16-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Автореферат разослан 27 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Шибанова Наталья Леонидовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Род Iris L. относится к семейству Касатиковые (Iridaceae) и включает в себя более 200 видов, распространенных в большей части Северного полушария (Родионенко, 1961; Тахтаждян, 1977). На территории России произрастает 40 видов и 2 подвида. В Красную книгу Российской Федерации (2008) включено 12 видов рода.

В Красные книги регионального уровня занесено 38 видов, поскольку существует реальная угроза утраты их природного генофонда. Несмотря на большой объем рода и его широкое распространение, общепринятой системы и единого мнения по классификации рода Iris среди современных ученых до сих пор не существует. Основными причинами этого являются полиморфизм видов в природных условиях и большая роль гибридизации в эволюции рода в целом (Алексеева, 2003, 2005).

В качестве надежных критериев при выяснении дискуссионных вопросов систематики, филогении и эволюции цветковых растений используются эмбриологические признаки репродуктивных органов (Поддубная-Арнольди, 1976; Кордюм, 1971, 1978; Камелина, 1980, 2011; Терехин, 1981; Шамров, 2000, 2010). Это данные об особенностях строения семязачатка, а также ряд других эмбриологических признаков – число семядолей в зародыше, типы развития зародыша и эндосперма, строение тапетума, пыльцевого зерна. Эти структуры, а также процессы их становления устойчивы, консервативны, мало зависят от изменений среды, а значит, особенно важны для целей систематики (Камелина, 1980).

При определении объема или систематического положения семейств, родов или видов необходимо принимать во внимание весь комплекс эмбриологических признаков, поскольку любой из них может иметь важное значение при проверке и установлении систематических и филогенетических взаимоотношений как между крупными, так и между более мелкими таксономическими единицами (ПоддубнаяАрнольди, 1930, 1958, 1976; Магешвари, 1954; Кордюм, 1971).

В роде Iris наиболее неоднородным по составу считается подрод Limniris (Макаревич, 2001; Доронькин, 2004; Wilson, 2011), объединяющий более 45 видов. Несмотря на то, что многие виды подрода Limniris активно изучаются систематиками, их репродуктивные системы остаются мало исследованы или они не изучены совсем (Кайгородова, 2011). При моделировании филогенетических связей рода Iris используются такие таксономические признаки, как форма пыльцевых зерен, наличие борозд, скульптура экзины, характер поверхности мембраны, поверхность дна ячеек (Доронькин, 2004). Структурам семязачатка не уделяется достаточно внимания.

Цель работы – проведение сравнительного эмбриологического анализа строения и развития семязачатков и зародышевых мешков видов рода Iris, относящихся к подроду Limniris.

Объекты исследований. Объектами исследований являлись виды рода Iris L. подрода Limniris – I. setosa Pall. ex Link (серия Tripetalae (Diels) Lawrence); I. chrysographes Dykes (серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Chrysographes); I. sanguinea Hornem., I. sibirica L., I. typhifolia Kitag. (серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Sibiricae);

I. ensata Thunb., I. pseudacorus L. (серия Laevigatae (Diels) Lawrence).

Задачи исследований:

1. Охарактеризовать семязачатки по ключевым эмбриологическим признакам: особенности морфологического типа семязачатка, число интегументов, форма микропиле, наличие обтураторов, специфика строения нуцеллуса, наличие париетальных слоев.

2. Описать особенности мегаспорогенеза, строения и развития зародышевого мешка, начальных этапов развития зародыша и эндосперма.

3. Оценить возможность использования цитоэмбриологических признаков строения и развития семязачатков и зародышевых мешков для целей систематики и филогении.

Научная новизна. Впервые проведено цитоэмбриологическое исследование женской генеративной сферы I. setosa Pall. ex Link, I.

chrysographes Dykes, I. sanguinea Hornem., I. typhifolia Kitag., I. ensata Thunb. Получены новые сведения о развитии женской генеративной сферы I. sibirica L. и I. pseudacorus L. Установлены значения потенциальной и реальной семенной продуктивности I. sibirica L. в Пермском крае.

Теоретическое и практическое значение работы. Материалы эмбриологических исследований пополняют характеристику семейства Iridaceae и могут быть использованы для решения спорных вопросов систематики и филогении рода Iris.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены и доложены на II Московском Международном Симпозиуме по роду Ирис “Iris–2011” (Москва, 2011); на региональной студенческой научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии и экологии» (Пермь, 2012); на заседании Пермского отделения Русского ботанического общества (Пермь, 2012); на IV Международной школе для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Пермь, 2012); на XIII делегатском съезде Русского ботанического общества (Тольятти, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять работ, одна из которых – в научном издании из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Личное участие автора. В диссертации изложены результаты трехлетних исследований автора по эмбриологии видов подрода Limniris. Автор лично провел в 2011–2012 гг. сбор материалов для изучения. Цитоэмбриологический анализ материала полностью осуществлен автором. Зафиксировано около 500 завязей. За период работы изготовлено более 1500 постоянных препаратов. Анализ полученных результатов проведен автором самостоятельно. Текст иллюстрирован фотографиями и рисунками автора.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 160 страниц, содержит 11 таблиц, 17 рисунков, 7 таблиц приложений. Список литературы включает 155 источников, в том числе – на иностранных языках.

Благодарности. Автор благодарит куратора коллекции касатиковых Иридария Ботанического сада Ботанического института им. В.Л.

Комарова РАН к.б.н. Н.Б. Алексееву за предоставленную возможность сбора эмбриологического материала в Иридарии. Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю д.б.н. Л.В. Новоселовой.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СИСТЕМАТИКА РОДА IRIS (L.) (обзор литературы) В главе приведен обзор систем рода, начиная с первой монографии по роду Iris C.P. Thunberg (1782). Отмечено положение изученных видов в системах W.R. Dykes (1913), Г.И. Родионенко (1961, 2007), В.

Mathew (1981), В.М. Доронькина (2006), Н.Б. Алексеевой (2011). Приведены сведения о молекулярно-генетических исследованиях, позволяющих выявить филогенетические взаимоотношения видов рода Iris (Макаревич, 2001; Ikinci, 2011; Wilson, 2011). Отмечено отсутствие единой, общепринятой классификации рода. Сделан вывод о необходимости использования комплекса методов, включая эмбриологические и молекулярно-генетические, для понимания процесса эволюции рода и создания точной классификации.

2. ОСОБЕННОСТИ РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ

ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА IRIS L. (обзор литературы) В главе дается обзор литературы об особенностях морфологии и анатомии цветков, формирования окраски, строения андроцея и гинецея (Бурова, 1987; Родионенко, 1961, 1988; Алексеева, 2008; Игонина, 2009, 2010, 2011; Meckenstock, 2005), о степени изученности стадий развития цветка, процесса опыления, систем скрещивания (Троицкий, 1948; Бурова, 1970; Faegri, 1979; Zink, 1997; Lloyd, 1992; Kron, 1993; Wilson, 2001;

Arafeh, 2002; Sapir, 2002; Чугаева, 2006), об особенностях развития пыльника, микроспорогенеза, использовании морфологии пыльцевых зерен и ультраскульптуры поверхности для целей систематики (Schnarf, 1937; Куприянова, 1945, 1983; Faegri, 1950; Chuma, 1970; Мамонтова, 1971; Сурова, 1975; Родионенко, 1961; Copeland, 1981; Qi, 1987; Доронькин, 1988, 2010, 2011; Соколовская, 1990; Zhang, 2011), о степени изученности мегаспорогенеза и мегагаметогенеза (Haeckel, 1930; Riley, Yasui, 1940; 1942; Smith, 1956; Karagyozova, 1963; Оганезова, 1977;

Pande, 1981; Поддубная-Арнольди, 1982; Rudall, 1984; Соколовская, 1990; Камелина, 2011; Zhang, 2011), об особенностях оплодотворения, эмбрио- и эндоспермогенеза (Guignard, 1962; Olszewska, 1966; Соколовская, 1973, 1990; Соколов, 1974, 1983; Поддубная-Арнольди, 1976, 1982;

Яковлев, 1978), о степени изученности морфологии и анатомии семян, об использовании данных о структуре семени и семенной кожуры для систематики и филогении рода (Родионенко, 1955, 1961; Чайка, 1971;

Немирович-Данченко, 1985; Доронькин, 1987; Павлова, 1987; Оганезова, 1997; Rodionenko, 2005; Алексеева, 2007, 2010, 2011; Кравцова, 2008;

Wilson, 2006; Кайгородова, 2011).

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являлись виды рода Iris подрода Limniris (Tausch) Spach. В табл. 1 приведены данные о месте сбора метериала и происхождении образцов. Виды расположены согласно системе B.

Mathew (1981).

Ботаническая характеристика исследованных В разделе приводится ботаническая характеристика исследованных видов: особенности строения корневища, листьев, цветоносов, окраска и размер цветка и его частей, форма и размер коробочки, цвет и форма семян, сроки цветения и плодоношения I. chrysographes Dykes. – и. хризо- Иридарий Ботанического Выращены из семян SEAI EASI A.

I. sanguinea Hornem. – и. кроваво- Иридарий Ботанического Природные популяции, Лазовский I. typhifolia Kitag. – и. рогозоли- Иридарий Ботанического Выращены из семян sieger dir I. ensata Thunb. – и. мечевидный 2n = 24, 40 Иридарий Ботанического Природные популяции в Приморсада Ботанического инсти- ском крае, (Хассенский район Для изучения начальных этапов развития семязачатков и мегагаметогенеза фиксировались бутоны на разных стадиях развития с использованием фиксатора Кларка. Для изучения процесса оплодотворения, эмбрио- и эндоспермогенеза использовали метод темпоральных фиксаций, а также фиксацию завязей на разных стадиях развития после естественного опыления цветков. Для проведения темпоральных фиксаций проводили искусственное перекрестное опыление и самоопыление в пределах особи. Темпоральные фиксации проводили через 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168, 192 и 216 часов. Фиксация завязей проводилась с использованием фиксатора Навашина. Промывка и проводка фиксированного материала проводилась по общепринятой методике (Барыкина, 2004; Паушева, 1974; Прозина, 1960).

Изготовление постоянных препаратов проводилось в лаборатории цитогенетики и генетических ресурсов растений Пермского государственного национального исследовательского университета. Парафинирование материала проводилось с использованием автоматической системы для гистологической обработки тканей Leica TP 1020 карусельного типа.

Для изготовления срезов толщиной 7–10 мкм использовался ротационный микротом Leica RM. Окрашивание срезов проводилось с помощью галлоцианина – хромовых квасцов (Барыкина, 2004; Пирс, 1962) и методом тройного окрашивания с использованием реактива Шиффа, алцианового синего и гематоксилина Эрлиха (Камелина, 1992) с использованием универсального мультистейнера LEICA ST 2020. После окрашивания срезы заключали в синтетическую монтирующую среду БиоМаунт. Всего было сделано и проанализировано более 1500 постоянных препаратов. Фотографии c постоянных препаратов сделаны с помощью микроскопа Olympus BX-51 с цифровой видеокамерой Olympus Camedia C-300Zoom, с системой визуализации изображения визуализации изображений и программы CELL B. Увеличение 100–1500-кратное.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Развитие и строение женских генеративных структур В разделе приведены подробные описания развития и строения семязачатков и зародышевых мешков, данные о фертильности пыльцевых зерен исследованных образцов, таблицы с размерами семязачатков и зародышевых мешков на разных стадиях развития.

В бутонах длиной 20 мм в семязачатках происходит мегаспорогенез (рис. 1). Поворот семязачатка составляет 80–90. Нуцеллярный колпачок 2–3-слойный. Халазальная клетка диады крупнее микропилярной. Тетрада мегаспор линейная. В некоторых тетрадах, перегородка разделяющая 2 микропилярные мегаспоры, лежит под углом 45 к халазальной мегаспоре. Из-за неравномерного роста в области прикрепления интегументов происходит изгиб семязачатка в анатропное положение. Образуется фуникулярный обтуратор.

Рис. 1. Мегаспорогенез I. setosa: 1 – мегаспороцит и париетальная клетка; 2 – линейная тетрада мегаспор. Масштабная линейка: 50 мкм Рис. 2. Семязачаток I. setosa: 1 – анатропный семязачаток, 2 – 8ядерный, 7-клеточный зародышевый мешок. Масштабная линейка: 1 – В бутонах длиной 40 мм в семязачатках наблюдаются сформированные зародышевые мешки Polygonum-типа (рис. 2). В основании синергид различим нитчатый аппарат. Проводящий пучок доходит до халазы. Клетки постамента квадратные. Клетки подиума изодиаметрические, в латеральной части вытянутые. Наружный интегумент 5–6слойный, в области микропиле расширяется до 7–10 слоев, сужается к краю. Внутренний интегумент двухслойный, расширяется в обрасти микропиле до 6 слоев, образуя оперкулюм. Наружный интегумент длиннее внутреннего в среднем на 68±6 мкм, не смыкается в области микропиле.

Рис. 3. Образование центрального ядра центральной клетки I. setosa:

1 – слияние полярных ядер, 2 – центральное ядро центральной клетки.

В бутонах длиной 60 мм в одной завязи в семязачатках можно наблюдать зародышевые мешки на стадии сближения полярных ядер и со сформированным вторичным ядром центральной клетки (рис. 3).

Оплодотвоение двойное, порогамное. Деление первичного ядра эндосперма предшествует делению зиготы. Эндосперм нуклеарный.

Наблюдается гетероморфизм ядер эндосперма (рис. 4, 1). Отмечено увеличение числа атипод до 4. Единично отмечены случаи образования зародыша путем свободных делений зиготы. На 9-й день после опыления в семязачатках можно наблюдать 2-клеточные зародыши (рис. 4, 2). Синергиды дегенерируют. Антиподы сохраняются. Характеристика семязачатков и зародышевых мешков представлена в табл. (приводится в качестве примера). При статистической обработке результатов обращает на себя внимание варьирование средних размеров длины и ширины семязачатков. Это свидетельствует о постепенном и неодновременном созревании семязачатков в завязи, данные статистики подтверждают эту биологическую особенность.

Рис. 4. I. setosa: 1 – зародышевый мешок после оплодотворения; 2 – двухклеточный зародыш: з – зигота, с – синергида, энд – эндосперм.

мм, диам. зародыше- 462± ления (дл. нуклеар- 1094± мм, диам. 8 досперма опыления зародыши 1949± диам. Серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Chrysographes В бутонах длиной 35 мм в семязачатках происходит первое и второе митотическое деление. Деления ядер происходят не синхронно. Париетальная ткань – 1–2-слойная. Нуцеллярный колпачок двухслойный.

Клетки эпидермы нуцеллуса кубической формы. Париетальная ткань дегенерирует на стадии одноядерного зародышевого мешка и к концу первого митоза полностью исчезает. Внутренний интегумент двухслойный, в микропилярной части расширяется до 3 слоев, образуя оперкулюм. Проводящий пучок проходит через халазу, заканчивается в середине наружного интегумента. Имеется фуникулярный обтуратор. Отмечены семязачатки без зародышевых мешков с одним интегументом.

В бутонах длиной 45 мм в зародышевых мешках происходит третье митотическое деление и цитокинез. Зародышевый мешок Polygonum-типа. Нитчатый аппарат в синергидах не выражен. После клеткообразования образуется центральное ядро центральной клетки. В нуцеллусе дифференцируется постамент, подиум. Наружный интегумент 8–9-слойный, по длине равен внутреннему. В части полноценно сформированных семязачатков отмечено отсутствие зародышевых мешков.

Оплодотвоение двойное, порогамное. На второй день после опыления можно наблюдать процесс погружения спермия в центральное ядро центральной клетки. Эндосперм нуклеарный. Синергиды деформируются.

Антиподы увеличиваются в размерах, имеют крупные ядра, густую цитоплазму без вакуолей и сохраняются продолжительное время.

Серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Sibiricae 4.1.3. I. sanguinea Hornem. – и. кроваво-красный В бутонах длиной 30 мм в семязачатках наблюдается процесс мегаспорогенеза. Тетрада мегаспор линейная. В некоторых семязачатках отмечено образование триады мегаспор. Внутренний интегумент опережает в развитии наружный. Имеется фуникулярный обтуратор. Поворот семязачатка составляет 100-120. Париетальная ткань 2–4слойная. В бутонах длиной 40 мм в семязачатках можно наблюдать митотические деления. Происходит изгиб семязачатка в анатропное положение. В нуцеллусе дифференцируются слои удлиненных клеток – постамент. Клетки латеральной зоны нуцеллуса неправильной формы образуют подиум. Клетки поверхностного слоя нуцеллуса образуют нуцеллярный обтуратор. После второго митотического деления париетальная ткань полностью разрушается. В бутонах длиной 60 мм в семязачатках можно наблюдать сформированные 8-ядерные, 7клеточные зародышевые мешки Polygonum-типа. В основании синергид различим нитчатый аппарат. Антиподы вытянутой формы. Внутренний интегумент двухслойный, расширяется в микропилярной части до 3–5 слоев, формируя оперкулюм. Наружный интегумент 5-слойный, по длине равен внутреннему интегументу. Проводящий пучок доходит до халазы. В некоторых полноценно сформированных семязачатках можно наблюдать недифференцированные ядра в недоразвитых зародышевых мешках.

Рис. 5. Семязачаток I. sanguinea. Масштабная линейка: 100 мкм Оплодотворение двойное, порогамное. Синергиды деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок.

Антиподы сохраняются.

На ранних стадиях развития в семязачатках археспориальная клетка образует париетальную клетку и мегаспороцит. Поворот семязачатка составляет 100–120. Имеется фуникулярный обтуратор. Тетрада мегаспор линейная. Париетальная ткань 2-слойная. В ходе развития семязачатка происходит его изгиб на 180°, что характеризует семязачаток как анатропный. В фуникулусе дифференцируется проводящий пучок. Нуцеллярный колпачок двухслойный.

Зародышевый мешок образуется из халазальной мегаспоры. Клетки, выстилающие микропиле, радиально удлиняются и вакуолизируются, образуя интегументальный обтуратор. В нуцеллусе дифференцируется постамент и подиум. Клетки постамента вытянутые. Деления ядер во время митозов происходят не синхронно. Зародышевые мешки Polygonum-типа. В синергидах различим нитчатый аппарат. Часть семязачатков дегенерирует, в них происходит аномальное разрастание тканей в халазальной области, зародышевые мешки не развиваются.

Отмечены зародышевые мешки с недифференцированными ядрами.

Единично наблюдались случаи образования двух семязачатков с общим наружным интегументом. В некоторых зародышевых мешках после опыления число антипод достигает 4. Оплодотвоение двойное, порогамное. Деление первичного ядра эндосперма предшествует делению зиготы. Эндосперм нуклеарный. Синергиды полностью дегенерируют к стадии 4-клеточного зародыша.

4.1.5. I. typhifolia Kitag. – и. рогозолистный На ранних стадиях развития в семязачатках поисходит процесс мегаспорогенеза. Тетрада мегаспор линейная. Париетальная ткань 2слойная. Семязачаток к стадии мегаспорогенеза полностью сформирован. Поворот семязачатка составляет 180°, интегументы сформированы. Наружный интегумент 6–8-слойный, короче внутреннего. Внутренний интегумент двухслойный, в области микропиле расширяется до 4 слоев, формируя оперкулюм. Имеется фуникулярный обтуратор.

Клетки постамента вытянутые (их длина в 3–4 раза превышает ширину). Клетки подиума изодиаметрические. Зародышевый мешок Polygonum-типа развивается из халазальной мегаспоры. Деление ядер во время митозов происходят не синхронно. Вскоре после клеткообразования происходит формирование центрального ядра центральной клетки, которое размещается вблизи антипод. К моменту раскрытия цветка в завязи можно наблюдать семязачатки овальной формы с 7ядерными, 7-клеточными зародышевыми мешками. Проводящий пучок доходит до халазы. Наружный интегумент разрастается до 9 слоев, по длине равен внутреннему. Слои париетальной ткани к этому времени полностью дегенерируют. Клетки паренхимы наружного интегумента вакуолизированные, крупнее клеток эпидермы в 2–3 раза.

В некоторых полноценно сформированных семязачатках наблюдается отсутствие зародышевых мешков. Нуцеллус в таких семязачатках дифференцирован на постамент и подиум, имеются слои париетальной ткани. На месте зародышевого мешка сдавленные дегенерирующие клетки нуцеллуса.

В бутонах длиной 35 мм в семязачатках можно наблюдать мейоз мегаспороцита. Халазальная клетка диады в 2 раза больше микропилярной. Тетрада мегаспор линейная. В одной завязи можно наблюдать семязачатки как на стадии диады, так и семязачатки, в которых уже завершилось образование тетрады мегаспор после второго деления мейоза.

Семязачаток изогнут на на 180°, имеет квадратные очертания, проводящая семязачатка дифференцирована, интегументы сформированы. Внутренний интегумент образован двумя слоями клеток, в области микропиле разрастается до 3 слоев. Наружный интегумент 4–6слойный, короче внутреннего. В нуцеллусе в халазальной зоне дифференцируется постамент и подиум. Клетки постамента вытянутые. Париетальная ткань 1–2-слойная. Нуцеллярный колпачок 2-слойный.

Имеется фуникулярный обтуратор.

В бутонах длиной 40 мм отмечено увеличение халазальной мегаспоры, начало дегенерации париетальной ткани. В одной завязи можно наблюдать семязачатки как на стадии тетрады, так и на стадии двуядерного зародышевого мешка. В бутонах длиной 50–60 мм в семязачатках наблюдаются двуядерные зародышевые мешки. Париетальная ткань полностью разрушается.

В бутонах длиной 70 мм в семязачатках проходят второе и третье митотические деления. Деления ядер происходит не синхронно. Наружный интегумент 8–9-слойный, по длине равен внутреннему. К моменту раскрытия цветка зародышевый мешок состоит из яйцевого аппарата, центральной клетки с центральным ядром, трех антипод.

В бутонах длиной 40 мм в семязачатках происходят митотические деления. В одной завязи в семязачатках можно наблюдать первое, второе, третье митотическое деление или начало цитокинеза (рис. 6, 1).

Нуцеллярный колпачок двухслойный. Проводящий пучок доходит до халазы. Наружный интегумент 5–6- слойный, короче внутреннего на 73±4 мкм. Имеется фуникулярный обтуратор. Клетки постамената вытянутые, длина в 2-3 раза превышает ширину.

В бутонах длиной 60 мм в анатропных семязачатках можно наблюдать зародышевые мешки Polygonum-типа (рис. 6, 2). Наружный интегумент расширяется до 7 слоев. Внутренний интегумент расширяется в микропилярной части до 3–5, образуя оперкулюм. Оплодотвоение двойное, порогамное. Деление первичного ядра эндосперма предшествует делению зиготы и происходит на вторые сутки после опыления. Эндосперм нуклеарный. Гетероморфизм ядер наблюдается по всей периферии ценоцита эндосперма. На 6-й день после опыления в семязачатках можно наблюдать 2-клеточные зародыши. На этой стадии синергиды полностью разрушены. Антиподы сохраняются.

Рис. 6. Семязачаток I. pseudacorus. 1 – 4-ядерный зародышевый мешок, – 8-ядерный, 7-клеточный зародышевый мешок. Масштабная линейка Эмбриологические особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мешков некоторых видов рода Iris Формирование и развитие семязачатков у I. setosa, I.

chrysographes, I. sanguinea, I. sibirica, I. typhifolia, I. ensata, I.

pseudacorus происходит сходно (табл. 3). Гинецей изученных видов синкарпный, завязь нижняя. Семязачатки расположены в шахматном порядке, попарно, в каждом из трех гнезд коробочки и имеют центрально-угловую плацентацию. У I. setosa отмечены единичные случаи расположения семязачатков по трое.

Цитоэмбриологические особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мешков I. setosa Pall. 820±55 2 слоя нуцелляр- двухслойный, на доходит до 3-4, сохра- деформиру- нуклеарный, ex Link.

chrysograph Hornem I. sibirica L. 1136±3 2 слоя нуцелляр- двухслойный, на доходит до 3-4, дегене- сохраняются нуклеарный Kitagawa.

Thunb.

Семязачатки изученных видов анатропные, битегмальные, фуникулярные. Поворот семязачатка в анатропное положение у I. ensata и I.

typhifolia происходит на ранних стадиях. К началу мегаспорогенеза семязачаток изгибается на 180°, проводящий пучок дифференцирован, оба интегумента развиты, микропиле сформировано. У видов I.

sanguinea, I. setosa, I. sibirica мегаспорогенез происходит, когда поворот семязачатка составляет 90–100°, внутренний интегумент не выходит за пределы нуцеллуса, а наружный – только начинает развиваться.

Наружный интегумент изученных видов многослойный. У I. sanguinea, I. typhifolia, I. chrysographes наружный интегумент по длине равен внутреннему, у I. pseudacorus, I. ensata и I. sibirica, короче внутреннего минимум на 48±2 мкм, у I. setosa – длиннее внутреннего на 68±16 мкм.

Внутренний интегумент у изученных видов двухслойный, в микропилярной части разрастается. Микропиле образовано внутренним интегументом. Длина микропилярного канала варьирует от 101±9 мкм (I.

setosa) до 243±9 мкм (I. sanguinea). У всех изученных видов формируется оперкулюм. У I. sibirica отмечено развитие радиально удлиненных вакуолизированных клеток, выстилающих микропиле, образующих интегументальный обтуратор. Такие же радиально удлиненные клетки в области микропиле были отмечены у I. tenax, который также относится к подроду Limniris (Wilson, 2001).

Проводящая система семязачатков изученных видов хорошо развита. Проводящий пучок дифференцируется по направлению к халазе и состоит из нескольких слоев удлиненных густоплазменных клеток, часть которых трансформируется в сосуды с кольчатыми и спиральными утолщениями. По строению и развитию нуцеллуса семязачаток изученных видов является крассинуцеллятным и характеризуется дифференциацией в нуцеллусе париетальной ткани, постамента, подиума. У некоторых видов отмечено образование нуцеллярного колпачка, нуцеллярного обтуратора. Образование слоев париетальной ткани происходит во время мегаспорогенеза. Сдавливание слоев париетальной ткани начинается на стадии одноядерного зародышевого мешка. К концу первого митотического деления париетальные слои полностью дегенерируют.

В результате периклинальных делений поверхностного слоя нуцеллуса образуется нуцеллярный колпачок. У I. ensata, I. sibirica, I.

chrysographes, I. pseudacorus – 2 слоя, у I. setosa – 2–3 слоя. У I.

sanguinea клетки поверхностного слоя нуцеллуса радиально удлиняются, образуя нуцеллярный обтуратор. У всех изученных видов в основании фуникулуса образуется фуникулярный обтуратор.

4.2.2. Мегаспорогенез и развитие зародышевого мешка На ранних стадиях развития семязачатка у исследованных видов выделяется археспориальная клетка, которая после периклинального деления отделяет париетальную клетку и мегаспороцит. Мегаспороцит характеризуется крупным ядром, плотной цитоплазмой. После первого мейотического деления мегаспороцита образуется диада мегаспор. У I.

setosa первая перегородка закладывается высоко, образуя две неравные клетки. У I. ensata, I. typhifolia халазальная клетка диады в 2 раза больше микропилярной. После второго мейотического деления образуется линейная тетрада мегаспор. У I. sanguinea в некоторых семязачатках образуется триада мегаспор вследствие того, что в верхней клетке диады выпадает второе деление мейоза. У I. setosa в некоторых тетрадах перегородка, разделяющая 2 микропилярные мегаспоры, лежит под углом 45 к халозальной мегаспоре. Зародышевый мешок изученных видов развивается из халазальной мегаспоры. После первого митотического деления образуется двуядерный ценоцит. Деление ядер сопровождаются образованием центральной вакуоли. В результате второго митотического деления образуется 4-ядерный зародышевый мешок. Ядра остаются на полюсах и снова делятся митотически, в результате чего образуется 8-ядерный ценоцит. С прекращением митотических делений в микропилярном и халазальном концах зародышевого мешка вокруг полярных групп ядер локализуется цитоплазма и начинается клеткообразование. Период дифференциации элементов зародышевого мешка начинается сразу после клеткообразования и сопровождается интенсивным ростом зародышевого мешка.

Дифференциация яйцевого аппарата начинается с вакуолизации клеток. Две синергиды располагаются рядом, с ядрами в центральной части и с вакуолями в апикальной части. Нитчатый аппарат в синергидах хорошо различим у I. sibirica и I. sanguinea. Яйцеклетка имеет другую поляризацию – ядро располагается в апикальной части клетки, а вакуоль в базальной. Центральная клетка пронизана тяжами цитоплазмы, между которыми располагаются вакуоли. В результате слияния полярных ядер образуется центральное ядро центральной клетки. В халазальной части зародышевого мешка дифференцируются 3 антиподы. У I. sibirica и I. setosa отмечено увеличение числа антипод до 4.

Таким образом, зародышевый мешок у изученных видов в семязачатках развиваются по Polygonum-типу.

Анализ строения и развития семязачатков позволяет выделить следующие эмбриологические признаки: наличие или отсутствие радиально удлиненных клеток внутреннего интегумента, выстилающих микропиле (интегументальный обтуратор), наличие или отсутствие нуцеллярного колпачка, нуцеллярного обтуратора, число слоев наружного интегумента, длина наружного интегумента относительно внутреннего, прохождение проводящего пучка в тканях семяпочки, увеличение числа антипод (табл. 3).

Оплодотворение, начальные стадии развития зародыша и 4.2.3.

Оплодотвоение двойное, порогамное. У I. chrysographes, I.

pseudacorus, I. setosa, I. sanguinea синергиды деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок. У I. sibirica сохраняются до образования многоядерного нуклеарного эндосперма.

У изученных видов деление первичного ядра эндосперма предшествует делению зиготы. Эндосперм нуклеарный. Ядра располагаются в цитоплазматических тяжах, пересекающих центральную вакуоль. Ядра имеют 1–3 ядрышка, у I. pseudacorus до 7. У I. setosa и I. pseudacorus отмечен гетероморфизм ядер по всей периферии ценоцита эндосперма.

Зигота проходит короткий период покоя после двойного оплодотворения. У I. setosa период покоя зиготы длится около 7 дней с момента оплодотворения.

Во время первого деления зиготы клеточная перегородка закладывается поперечно. Двухклеточные зародыши в семязачатках I.

pseudacorus можно наблюдать на 6-й день после опыления, у I. setosa – на 9-й день. В 4-клеточном зародыше расположение клеток Тобразное.

Аномалии в развитии семязачатков и зародышевых 4.2.4.

Развитие аберрантных семязачатков отмечено у большей части изученных видов. У I. chrysographes часть семязачатков отличается мелкими размерами, отсутствием зародышевых мешков, вместо двух интегументов развивается единственная структура. Такое аномальное развитие, по-видимому, связано с нарушениями дифференциации инициалей интегументов. У I. sibirica отмечены случаи дегенерации семязачатков вследствие аномального разрастания тканей в халазальной области, зародышевые мешки отсутствуют. Единично у I. sibirica наблюдались случаи образования двух семязачатков с общим наружным интегументом. У I. typhifolia в некоторых полноценно сформированных семязачатках, с развитым нуцеллусом, наблюдалось отсутствие зародышевых мешков. Нуцеллус в таких семязачатках дифференцирован на постамент и подиум, имеются слои париетальной ткани. На месте зародышевого мешка плотно сомкнутые клетки нуцеллуса.

У видов I. sibirica, I. setosa и I. sanguineа в части полноценно сформированных семязачатков в недоразвитых зародышевых мешках наблюдалось отсутствие дифференциации ядер. Часть семязачатков I.

setosa после оплодотворения дегенерируют, сильно деформируются, сдавливаются. В них не происходит деления первичного ядра эндосперма. У I. setosa отмечены единичные случаи образования зародыша путем свободных делений зиготы в сдавленных семязачатках на стадии нуклеарного эндосперма.

ВЫВОДЫ

1. У пяти видов рода Iris L. подрода Limniris (Tausch) Spach: I.

setosa Pall. ex Link, I. chrysographes Dykes, I. sanguinea Hornem., I.

typhifolia Kitag., I. ensata Thunb., изученных впервые и двух видов I.

sibirica L. и I. pseudacorus L., по уточненным данным, выявлены характерные эмбриологические признаки – анатропный, битегмальный, крассинуцеллятный семязачаток, одноклеточный археспорий, несколько слоев париетальной ткани, линейные тетрады мегаспор, зародышевый мешок Polygonum-типа, нуклеарный эндосперм, которые являются типичными для семейства Iridaceae.

2. Эмбриологические признаки строения и развития семязачатков: число слоев наружного интегумента, длина наружного интегумента относительно внутреннего, расположение проводящего пучка в тканях семязачатков, наличие интегументального и нуцеллярного обтураторов, число слоев париетальной ткани – различны у изученных видов подрода Limniris (Tausch) Spach.

3. Расположение проводящего пучка в наружном интегументе у I. chrysographes Dykes, образование интегументального обтуратора на ранних стадиях у I. sibirica L., образование нуцеллярного обтуратора у I. sanguinea Hornem. могут быть использованы для целей систематики.

4. Различные аномалии в развитии семязачатков и зародышевых мешков: развитие одной структуры вместо двух интегументов, аномальное разрастание тканей семязачатка в халазальной области, образование двух семязачатков с общим наружным интегументом, отсутствие зародышевых мешков в полноценно сформированных семязачатках, отсутствие дифференциации ядер зародышевых мешков выявлены у культиваров видов I. setosa Pall. ex Link, I. chrysographes Dykes, I.

sanguinea Hornem., I. typhifolia Kitag. в условиях интродукции и у I.

sibirica L. – в природе.

Публикация из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

Дорофеева М.М. Эмбриологическое исследование видов рода Iris L. подрода Limniris (Tausch) // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5;

URL: http://www.science-education.ru/111-10746 (дата обращения: 12.11.2013).

Другие публикации:

1. Дорофеева М.М., Новоселова Л.В. Особенности семенной продуктивности Iris sibirica L. // Материалы 2-го Московского международного симпозиума по роду Ирис «Iris-2011». Москва, 14–17 июня 2011 г. / Отв. ред. Новиков В.С. М.: МАКС Пресс, 2011. С. 61–63.

2. М.М. Дорофеева, А.Н. Глухова, Л.В. Новоселова Развитие семязачатков Iris sibirica и Iris sanguinea // Эмбриология, генетика и биотехнология:

материалы IV Международной школы для молодых ученых "Эмбриология, генетика и биотехнология" (3–9 дек. 2012 года) / под общ. ред. Л.В. Новоселовой; Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь; Ижевск: ИП Пермяков С.А., 2012.

C.158–163.

3. М.М. Дорофеева, А.Н. Глухова Женская генеративная сфера Iris sibirica / Фундаментальные и прикладные исследования в биологии и экологии: материалы регион. студ. науч. конф. (16-21 апреля 2012 г.) / гл. ред. Н.И.

Литвиненко; отв. ред. С.А. Овеснов; Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь, 2012. С.

6-10.

4. Дорофеева М.М., Глухова А.Н., Новоселова Л.В. Развитие женской генеративной сферы у видов рода Iris L. // Современная ботаника в России. Тр.

XIII делегат. съезда Русского ботан. о-ва и конференции «Научные основы охраны и рационального использования растительного покрова Волжского бассейна» (Тольятти 16-22 сентября 2013). Т. 1: Эмбриология. Структурная ботаника. Альгология. Микология. Тольятти: Кассандра, 2013. С. 13–14.