Comparative study of the development of anther and pollen grain in some Dioscorea species, section Stenophora (Dioscoreaceae)

全文:

Род Dioscorea L. является самым крупным в семействе Dioscoreaceae, которое включает 644 вида в четырех родах: Dioscorea, Tacca, Stenomeris и Trichopus (Govaerts et al., 2007). Виды рода – это травянистые двудомные лианы, произрастающие в основном в тропиках и субтропиках, только единичные виды заходят в область умеренного климата. Большая часть видов Dioscorea известна как ямс, который имеет большое экономическое значение как пищевая культура во многих тропических регионах (Asiedu, Sartie, 2010); ряд корневищных видов используется в фармакологической индустрии как источник стероидных соединений (Liu et al., 2008; Shah, Lele, 2012; Price et al., 2016). Несмотря на большое экономическое и социально-культурное значение видов Dioscorea, остаются ограниченными сведения о систематике, филогении, разнообразии и генетике диких видов (Mignouna et al., 2007). Актуальность исследования продиктована еще и тем, что виды Dioscorea, произрастающие на территории РФ (D. nipponica и D. caucasica), являются редкими и занесены в Красную книгу РФ (Krasnaya…, 2008). Поэтому всестороннее изучение особенностей репродуктивной биологии у представителей рода продолжает оставаться актуальным.

Настоящее исследование процессов микроспоронегеза, развития пыльцевых зерен и пыльника охватывает 6 из 25 корневищных видов секции Stenophora, которая занимает базальное положение во всех молекулярно-филогенетических системах рода из Старого Света (Burkill, 1960; Kawabe et al., 1997; Wilkin et al., 2005; Hsu et al., 2013; Couto et al., 2018 и др.). Виды этой секции характеризуются большим разнообразием по целому ряду признаков: тип зародышевого мешка, массивность семязачатка, морфолого-анатомическое строение семян, степень дифференциации зародыша, характер уплощения семени, строение тычиночных и пестичных цветков, морфология пыльцевых зерен, строение вегетативных органов и др. (Prain, Burkill, 1936; Petrova, Safina, 1985; Schols et al., 2003, 2005; Chung, Chung, 2015; Titova, Torshilova, 2015; Vinogradova et al., 2022). Такое разнообразие значительно усложняет установление филогенетических взаимоотношений внутри секции. Молекулярные методы в целом позволяют это сделать, однако эмбриологические признаки также не потеряли своего значения, поскольку они наиболее консервативны и не подвержены фенотипической изменчивости (Kamelina, 2000, 2009; Poddubnaya-Arnoldi, 1982 и др.).

Анализ литературных данных показывает, что более широко у видов Dioscorea (sec. Stenophora) изучена женская сфера, при этом в мужской сфере остается не все известно. Показано, что у видов тычиночные цветки образуются в колосовидных соцветиях на мужских экземплярах, цветки 3-членные, актиноморфные, андроцей свободный, состоит из 6 тычинок в двух кругах по 3. Кроме того, выявлена видоспецифичность строения тычинок, их связников и расположение тек в наружном и внутреннем кругах околоцветника (Chung, Chung, 2015; Vinogradova et al., 2022). Пыльники тетраспорангиатные, 2-тековые. Микроспорогенез фрагментарно изучен у видов из различных секций (Xylinocapsa, Opsophyton, Lasiophyton, Testudinaria, Stenophora (D. oppositifolia, D. caucasica и D. balcanica). Он протекает сходно и описан как симультанный, тетрады тетраэдрального типа с толстой каллозной оболочкой, пыльцевые зерна однобороздные (Rao, 1953; Yurtsev, Yurtseva, 1973, 1982; Caddick et al., 1998). Что касается стенки гнезда пыльника, то ее формирование подробно описано у вида D. nipponica (sec. Stenophora) с внешней стороны гнезда и со стороны связника, начиная с примордиальных стадий, тип ее развития центростремительный (Torshilova, Batygina, 2005). Несмотря на наличие фрагментарных данных по отдельным видам, остается в стороне полный цикл развития пыльника вместе с микроспорогенезом и развитием пыльцевого зерна в сравнительном плане, а также ряд вопросов, касающихся морфогенетических корреляций в развитии гнезда пыльника.

Большое значение в развитии пыльцевого зерна имеет процесс вакуолизации, поскольку вакуоли выполняют важную роль хранилища растворенных веществ, регуляции тургора, передачи сигналов и др. (Liu et al., 2008; Firon et al., 2012). Кроме того, размер вакуоли в развивающемся пыльцевом зерне влияет на его будущую форму. Так, у зрелых гидратированных пыльцевых зерен видов Dioscorea форма становится округлой с отсутствием четко выраженных границ апертур, что не всегда позволяет четко определить их размер и количество (Schols et al., 2003). Поэтому важно проследить процессы заложения апертур и их дальнейшую трансформацию при усилении вакуолизации в процессе формировании пыльцевых зерен.

Таким образом, целью работы является сравнительное изучение развития пыльника, хода микроспорогенеза и развития пыльцевого зерна у нескольких видов из секции Stenophora – D. caucasica, D. balcanica, D. deltoidea, D. nipponica, D. villosa и D. tokoro (Dioscoreaceae).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Бутоны и цветки видов Dioscorea balcanica, D. caucasica, D. deltoidea и D. villosa были собраны с растений, выращенных из семян и интродуцированных в открытом грунте Ботанического сада Петра Великого БИН РАН (Санкт-Петербург). Семена D. balcanica были получены из University Botanic Garden Ljubljana (Slovenia); D. villosa – из BG Ontario: CDN, Wentworth Co. Hamilton (Ontario, Canada); D. deltoidea – из ВИЛАР (Москва, Россия); семена D. caucasica были собраны в естественных условиях обитания в Абхазии.

Бутоны и цветки D. nipponica были собраны в естественных местах обитания в Уссурийском и Шкотовском районах Приморского края (2000–2001), а также с растений из коллекции открытого грунта Ботанического сада Петра Великого БИН РАН (Санкт-Петербург). Аналогичный материал D. tokoro был собран в июле 2009 г. в Atsugi Campus, Tokyo University of Agriculture, а также в нескольких местах на острове Хонсю в районах Kanagawa и Shizuoka (Japan).

Для приготовления постоянных препаратов тычиночные цветки и бутоны фиксировали в смеси FAA (70% этиловый спирт, ледяная уксусная кислота, формалин в соотношении 100 : 7 : 7). Препараты изготавливали по общепринятой цитоэмбриологической методике (Pausheva, 1980). Срезы толщиной 8 мкм были сделаны на микротоме Microm 325 (Carl Zeiss, Германия), окрашивали сафранином с подкраской алциановым синим.

Анализ препаратов проводили с помощью микроскопа Axioplan 2ie (Carl Zeiss, Германия), фотографии бутонов и цветков были сделаны на стереоскопическом микроскопе Stemi 2000-C камерой AxioCam MRc-5 (Carl Zeiss, Германия).

Типизация тапетума произведена по О.П. Камелиной (Kamelina, 1994).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Формирование пыльников начинается в бутонах тычиночных цветков в начальный период бутонизации, когда размер бутонов не превышает 1 мм (рис. 1, 1), и проходит этапы примордиального развития с образованием эндотеция, среднего слоя и тапетума. Эти самые ранние этапы здесь не исследуются, описание начинается со стадии спорогенной ткани, когда стенка гнезд пыльника уже сформирована и у всех исследованных видов представлена четырьмя слоями одинаковых слабо вакуолизированных и тонкостенных клеток – эпидермисом, эндотецием, средним слоем и тапетумом.

Рис. 1. Строение гнезд пыльников у видов Dioscorea на стадиях микроспороцитов и мейоза: 1 – фрагмент соцветия D. nipponica на начальных стадиях бутонизации; 2–7 – фрагменты гнезд на стадии микроспороцитов, сформированная стенка пыльника; 8–12 – фрагменты гнезд на стадии мейоза I.

2, 8 – D. villosa; 3 – D. tokoro; 4, 9 – D. nipponica;5, 10 – D. deltoidea; 6, 11 – D. caucasica; 7, 12 – D. balcanica; e – эпидермис; en – эндотеций; ml – средний слой; ms – микроспороцит; t – тапетум.

Масштабная линейка: 1 – 1 мм; 2–4, 6–8, 11, 12 – 20 мкм; 5, 9, 10 – 10 мкм.

Fig. 1. The structure of anther locules in Dioscorea species at the stages of microsporocytes and meiosis: 1 – fragment of D. nipponica inflorescence at initial stages of budding; 2–7 – fragments of locules at the microsporocyte stage, formed anther wall; 8–12 – fragments of locules at the stage of meiosis I.

2, 8 – D. villosa; 3 – D. tokoro, 4, 9 – D. nipponica; 5, 10 – D. deltoidea; 6, 11 – D. caucasica; 7, 12 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, ml – middle layer, ms – microsporocyte, t – tapetum.

Scale bars: 1 – 1 mm; 2–4, 6–8, 11, 12 – 20 µm; 5, 9, 10 – 10 µm.

Деления спорогенных клеток, расположенных небольшой группой в центре гнезда, приводят к увеличению их количества в каждом микроспорангии и укрупнению гнезда пыльника. После активных делений спорогенные клетки преобразуются в микроспороциты. Происходят увеличение размеров клеток, а также ядер и уплотнение цитоплазмы.

С укрупнением гнезда и трансформацией спорогенных клеток в микроспороциты развиваются также примыкающие к ним клетки тапетума. Они становятся более широкими, но пока одноядерными у D. villosa и D. tokoro, и двуядерными у D. nipponica, D. deltoidea, D. caucasica и D. balcanica. Клетки эпидермиса небольшие, узкие, с утолщенной, слегка выпуклой наружной стенкой. Эндотеций и средний слой состоят из узких слабо вакуолизированных клеток, а тапетум к этой стадии представлен уже более широкими клетками с одним или двумя ядрами (рис. 1, 2–7). У видов D. caucasica и D. balcanica наряду с увеличением размеров клеток тапетума происходит также уплотнение цитоплазмы и уменьшение объема вакуолей.

Вступление микроспороцитов в профазу I мейотического деления сопровождается началом отложения каллозы. Завершение первого мейотического деления не сопровождается заложением клеточных перегородок у всех изученных видов (рис. 1, 8–12). После мейоза I происходит мейоз II, в конце которого после образования перегородок образуются тетрады гаплоидных микроспор. Тип микроспорогенеза – симультанный.

Специализация клеток тапетума секреторного типа в ходе мейоза усиливается, клетки становятся еще более крупными и 2-ядерными у всех видов, цитоплазма уплотняется, но кое-где еще остаются мелкие вакуоли, у D. balcanica вакуоли внешне не выявляются. Остальные слои стенки гнезда не претерпевают значительных видимых изменений.

Изменения в гнезде пыльника осуществляются одновременно с увеличением размеров бутонов (рис. 2, 1). В гнезде пыльника в результате микроспорогенеза формируются тетрады гаплоидных микроспор. Они окружены толстой каллозной оболочкой, которая к этому моменту достигает максимального развития. Тетрады тетраэдральные и изобилатеральные у D. villosa, D. nipponica и D. deltoidea, а у D. tokoro, D. caucasica и D. balcanica был обнаружен только тетраэдральный тип тетрад (рис. 2, 2–7).

Рис. 2. Строение гнезд пыльников у видов Dioscorea на стадиях тетрад и слабо вакуолизированных микроспор: 1 – фрагмент соцветия D. nipponica на стадии бутонов; 2–7 – фрагменты гнезд на стадии тетрад; 8–13 – фрагменты гнезд на стадии слабо вакуолизированных микроспор.

2, 8 – D. villosa; 3, 9 – D. tokoro; 4, 10 – D. nipponica; 5, 11 – D. deltoidea; 6, 12 – D. caucasica; 7, 13 – D. balcanica; e – эпидермис, en – эндотеций, m – микроспора, ml – средний слой, t – тапетум, tet – тетрада.

Масштабная линейка: 1 – 1 мм; 2, 4, 6 – 20 мкм; 3, 7, 9, 10, 12 – 10 мкм.

Fig. 2. The structure of anther locules in Dioscorea species at the stages of tetrads and weakly vacuolated microspores: 1 – fragment of D. nipponica inflorescence at the stage of budding; 2–7 – fragments of locules at the stage of tetrads; 8–13 – fragments of locules at the stage of weakly vacuolated microspores.

2, 8 – D. villosa; 3, 9 – D. tokoro; 4, 10 – D. nipponica; 5, 11 – D. deltoidea; 6, 12 – D. caucasica; 7, 13 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, m – microspore, ml – middle layer, t – tapetum, tet – tetrad.

Scale bars: 1 – 1 mm; 2, 4, 6 – 20 µm; 3, 7, 9, 10, 12 – 10 µm.

Изменения в стенке гнезда пыльника касаются только среднего слоя и тапетума. Средний слой утончается, а тапетум наоборот становится крупным и образует плотный слой клеток вокруг тетрад. Клетки широкие, удлиненные, с плотной цитоплазмой, без видимых вакуолей и с двумя ядрами у D. villosa, D. tokoro, D. deltoidea и D. nipponica. У D. caucasica и D. balcanica клетки тапетума содержат 3, иногда 4 ядра, размер клеток и количество ядер со стороны связника наибольшее, при этом у них в тапетуме начинают появляться мелкие и крупные вакуоли (рис. 2, 2–7). У вида D. deltoidea вакуоли в тапетуме были во время мейоза и сохранились после него к стадии тетрад.

Ко времени растворения каллозной оболочки вокруг тетрад у каждой микроспоры тетрады происходит заложение апертуры – борозды на ее наружной стороне. В гнезде появляется локулицидная жидкость, благодаря которой микроспоры, высвободившись из тетрад, получают возможность свободно перемещаться и поворачиваться бороздой в сторону клеток тапетума, приближаясь к нему на близкое расстояние. Микроспоры мелкие, овальные. Ядро, первоначально располагающееся в центре, начинает смещаться в сторону от борозды, поскольку в микроспоре формируется сеть небольших вакуолей – стадия слабо вакуолизированной микроспоры (рис. 2, 8–13). В оболочке микроспоры начинают выделяться два тонких слоя: светлый наружный слой – первичная экзина, и тонкий полисахаридный внутренний слой – интина с характерным голубым окрашиванием алциановым синим, что наиболее отчетливо выявляется у D. balcanica.

В стенке гнезда пыльника, а именно в клетках эпидермиса и эндотеция, особых изменений не наблюдается, кроме D. deltoidea и D. caucasica, у которых клетки эндотеция становятся более крупными. Средний слой совсем истончается, но еще присутствует в гнезде у всех видов. Тапетум крупный, с плотной цитоплазмой, у D. deltoidea, D. caucasica и D. balcanica в нем уже имеются вакуоли, количество и объем которых возрастает, особенно у D. balcanica (рис. 2, 8–13).

Набухание бутонов с последующим их раскрытием (рис. 3, 1) свидетельствует о появлении в пыльниках 2-клеточных пыльцевых зерен. Митотическому делению в микроспоре предшествует процесс значительного увеличения ее размеров за счет роста вакуоли – стадия сильно вакуолизированной микроспоры (рис. 3, 2–14). Мелкие вакуоли, находящиеся в протопласте микроспоры, начинают сливаться в одну крупную центральную вакуоль, размер которой постепенно увеличивается, пока она не займет больше половины объема клетки, при этом ядро с частью цитоплазмы концентрируются на максимальном удалении от борозды. Цитоплазма расположена вдоль стенки тонким слоем. Поскольку объем вакуоли возрастает, то вогнутая внутрь борозда, проходящая вдоль всей микроспоры овальной формы и буквально разделяющая ее на две половинки (рис. 3, 8, 9), сначала выпрямляется под давлением вакуоли, а затем начинает раскрываться навстречу клеткам тапетума, к которым она примыкает (рис. 3, 2–7, 10–12). В районе апертуры свободным от экзины оказывается образованный ранее слой интины, который начинает накапливать вещества (полисахариды), поступающие из тапетума. Это проявляется в возникновении на этом месте четкого синего пятна как результат окраски алциановым синим (рис. 3, 13). Одновременно с этим происходит увеличение объема микроспоры за счет синтеза цитоплазмы, при этом микроспора принимает округлую форму. Во время этого одна крупная вакуоль разбивается на несколько более мелких вакуолей, объем каждой из которых постепенно сокращается. Одновременно с этим происходит усиление полисахаридного слоя в районе апертуры, развитие интины (рис. 3, 14) и утолщение экзины.

Рис. 3. Строение гнезд пыльников у видов Dioscorea на стадии сильно вакуолизированных микроспор. Последовательные стадии развития микроспоры и пыльцевого зерна: 1 – фрагмент соцветия D. nipponica на стадии раскрытия бутонов; 2–7 – фрагменты гнезд на стадии сильно вакуолизированных микроспор; 8–14 – последовательные стадии развития микроспоры (8 – невакуолизированная микроспора сразу после распада тетрад; 9, 10 – слабо вакуолизированная микроспора; 11–14 – сильно вакуолизированная микроспора); 15, 16 – стадии развития 2-клеточного пыльцевого зерна; 17 – гнездо зрелого пыльника с пыльцевыми зернами, демонстрирующее расположение пыльцевых зерен.

2, 15 – D. villosa; 3, 13 – D. tokoro; 4, 16, 17 – D. nipponica; 5, 9, 11, 12 – D. deltoidea; 6, 8, 14 – D. caucasica; 7, 10 – D. balcanica; e – эпидермис, en – эндотеций, ex – экзина, i – интина, m – микроспора, t – тапетум, v – вакуоль.

Масштабная линейка: 1 – 1 мм; 2, 5–7; 17 – 20 мкм; 8 – 5 мкм; 9–16 – 10 мкм.

Fig. 3. The structure of anther locules in Dioscorea species at the stage of highly vacuolated microspores. Successive stages of microspore and pollen grain development: 1 – fragment of D. nipponica inflorescence at the stage of bud opening; 2–7 – fragments of locules at the stage of highly vacuolated microspores; 8–14 – successive stages of microspore development (8 – non-vacuolated microspore immediately after the tetrad disintegration, 9, 10 – weakly vacuolated microspores, 11–14 – highly vacuolated microspores); 15, 16 – stages of development of 2-celled pollen grain; 17 – a locule of mature anther with pollen grains, showing the arrangement of pollen grains.

2, 15 – D. villosa; 3, 13 – D. tokoro; 4, 16, 17 – D. nipponica; 5, 9, 11, 12 – D. deltoidea; 6, 8, 14 – D. caucasica; 7, 10 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, ex – exine, i – intine, m – microspore, t – tapetum, v – vacuole.

Scale bars: 1 – 1 mm; 2, 5–7, 17 – 20 µm; 8 – 5 µm; 9–16 – 10 µm.

В стенке пыльника также отмечаются определенные изменения: эпидермис становится более выпуклым, рельефным, клетки эндотеция также становятся более широкими, но пока сохраняют ядра у всех видов кроме D. balcanica, у которой в отдельных клетках появляются фиброзные утолщения. Средний слой отсутствует. Клетки тапетума сжимаются, принимают деструктивный вид, но пока присутствуют у видов D. villosa, D. tokoro, D. nipponica и D. deltoidea. У D. caucasica и D. balcanica клетки тапетума подверглись почти окончательной деструкции и в гнезде присутствуют лишь их остатки (см. рис. 3, 2–7).

Митотическое деление ядра микроспоры происходит на максимальном удалении от апертуры. В результате деления ядра и последующего цитокинеза образуются две клетки разных размеров: меньшая – генеративная, и большая – вегетативная. Образуется 2-клеточное пыльцевое зерно (рис. 3, 15). Генеративная клетка линзовидной формы, в ней имеется ядро с одним ядрышком, которое по размеру меньше ядра вегетативной клетки. Вокруг ядра имеется небольшой слой цитоплазмы. Генеративная клетка одной стороной плотно прилегает к оболочке пыльцевого зерна и расположена на максимальном удалении от апертуры. Вегетативная клетка округлая, с более крупным ядром, занимает большую часть объема пыльцевого зерна. Обе клетки с плотной цитоплазмой без вакуолей, за исключением D. villosa, у которой небольшие вакуоли еще сохраняются в вегетативной клетке, отделены друг от друга тонкой оболочкой. У D. caucasica и D. balcanica на данной стадии отмечается появление запасных веществ в цитоплазме вегетативной клетки, особенно в области апертуры, а также усиливается полисахаридный слой.

В стенке пыльника изменения касаются только видов D. villosa, D. tokoro, D. nipponica и D. deltoidea, у которых клетки тапетума к данной стадии подверглись окончательной деструкции и в гнезде присутствуют их лизированные остатки.

Пыльцевые зерна, по-прежнему примыкающие областью апертуры к тому, что раньше было клетками тапетума – к их остаткам и, вероятно, продолжающие поглощать эти остатки (рис. 3, 16, 17), начинают накапливать запасные вещества у всех остальных видов. Генеративная клетка отделяется от оболочки зерна и перемещается в цитоплазму вегетативной клетки. Продолжающееся поступление веществ в пыльцевое зерно через район апертуры приводит к образованию второго слоя интины, покрывающего мощный первый слой, свободный от экзины, при этом сама зона экзины оказывается значительно сдвинутой в противоположную сторону и образует небольшие загибы, более отчетливо заметные у D. deltoidea.

На стадии полного раскрытии цветка в пыльниках уже находятся зрелые пыльцевые зерна (рис. 3, 16, 17; рис. 4, 1). Зрелое пыльцевое зерно округлое, двуклеточное. Вегетативная клетка крупная, ее цитоплазма содержит запасные питательные вещества. Генеративная клетка меньших размеров, с более мелким ядром, расположена внутри вегетативной клетки, вблизи ядра последней. Оболочка пыльцевого зерна состоит из экзины и интины, причем экзина покрывает лишь часть зерна, не доходя до района апертуры. В районе апертуры пыльцевое зерно покрыто двуслойной интиной, нижней более толстой, и верхней более тонкой.

Рис. 4. Строение гнезд зрелых пыльников у видов Dioscorea с пыльцевыми зернами: 1 – цветок D. nipponica; 2–7 – фрагменты гнезд зрелого пыльника.

2 – D. villosa; 3 – D. tokoro; 4 – D. nipponica; 5 – D. deltoidea; 6 – D. caucasica; 7 – D. balcanica; e – эпидермис, en – эндотеций, p g – пыльцевое зерно, st – тычинка.

Масштабная линейка: 1 – 1 мм; 2, 6 – 25 мкм; 3 – 10 мкм; 4, 5, 7 – 20 мкм.

Fig. 4. The structure of locules of mature anthers in Dioscorea species with pollen grains: 1 – flower of D. nipponica; 2 – 7 – fragments of locules of mature anther.

2 – D. villosa; 3 – D. tokoro; 4 – D. nipponica; 5 – D. deltoidea; 6 – D. caucasica; 7 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, pg – pollen grain, st – stamen.

Scale: bars 1 – 1 mm; 2, 6 – 25 µm; 3 – 10 µm, 4, 5, 7 – 20 µm.

Стенка зрелого пыльника представлена эпидермисом и эндотецием. Эпидермис пыльника становится высокоспециализированной покровной тканью, эндотеций представлен крупными клетками с фиброзными утолщениями (рис. 4, 2–7).

Вскрывание тек пыльников происходит продольными щелями.

ОБСУЖДЕНИЕ

Проведено сравнительное исследование развития стенки гнезда пыльника со стадии спорогенных клеток, микроспорогенеза и развития пыльцевого зерна у шести видов Dioscorea из секции Stenophora: D. villosa, D. tokoro, D. nipponica, D. deltoidea, D. caucasica, D. balcanica. Развитие в целом протекает сходно, выявлен ряд общих признаков для всех изученных видов, таких как строение сформированной стенки пыльника на стадии спорогенных клеток, состоящей из четырех слоев: эпидермиса, эндотеция, среднего слоя и тапетума; существование среднего слоя до стадии слабо вакуолизированной микроспоры; строение зрелой стенки перед вскрыванием пыльника, состоящей из эпидермиса и эндотеция; симультанный тип микроспорогенеза; формирование 2-клеточных пыльцевых зерен с хорошо развитой экзиной и 2-слойной интиной. Результаты по микроспорогенезу согласуются с имеющимися литературными данными (Yurtsev, Yurtseva, 1973, 1982; Caddick et al., 1998).

Наряду с общими чертами, выявлен и ряд особенностей. У видов D. caucasica, D. balcanica, D. nipponica и D. deltoidea ядра в клетках тапетума начинают делиться до мейоза, при этом у D. caucasica и D. balcanica деления продолжаются и во время мейоза, а у D. villosa и D. tokoro только начинаются во время мейоза. Так, раннее начало специализации клеток тапетума у D. caucasica и D. balcanica с образованием полиплоидных 3–4-ядерных клеток к стадии тетрад и появление в них признаков деструкции уже к началу распада тетрад свидетельствуют об их коротком периоде функционирования (до стадии сильно вакуолизированной микроспоры). У других видов – D. nipponica и D. deltoidea, наоборот, выявлено более длительное функционирование 2-ядерных клеток тапетума до стадии деления в пыльцевом зерне. У D. villosa и D. tokoro так же, как и у D. caucasica и D. balcanica период функционирования короткий, при этом начало деления сдвинуто на стадию мейоза, а деструкция клеток – на стадию деления в пыльцевом зерне.

Интересно, что ситуация с ускоренными темпами развития и сроками функционирования тапетума как питательной ткани и элемента стенки пыльника в тычиночном цветке гармонирует с женской сферой у D. caucasica и D. balcanica. Ранее было показано (Vinogradova et al., 2022), что у этих видов развивается тетраспорический зародышевый мешок, при этом время существования париетальной ткани укорочено. Она разрушается раньше – во время мейоза, чем у видов с моноспорическим зародышевым мешком (который присутствует у ряда других видов, париетальная ткань там функционирует до стадии 2–4-ядерного зародышевого мешка).

Ускоренные темпы развития тапетума у D. caucasica и D. balcanica, более короткое время его существования и быстрая деструкция клеток к стадии сильно вакуолизиорванной микроспоры коррелируют с более ранним созреванием пыльцевых зерен у данных видов. У них появление запасных веществ в пыльцевом зерне отмечается сразу после митотического деления ядра, тогда как у остальных видов это происходит только с началом перемещения генеративной клетки внутри вегетативной. Кроме того, быстрая деструкция клеток тапетума у D. balcanica коррелирует также с началом формирования фиброзных утолщений в клетках эндотеция. Зависимость начала специализации эндотеция от тапетума была описана, например, у некоторых видов Euphorbiaceae (Anisimova, 2019; Shamrov et al., 2019). Таким образом, выявленные морфогенетические корреляции в развитии пыльника у видов D. caucasica и D. balcanica позволяют четко отделить эти два вида от остальных четырех, имея ввиду темпы созревания структур стенки пыльника и пыльцевых зерен.

У изученных видов Dioscorea из секции Stenophora пыльцевые зерна однобороздные, что согласуется с литературными данными (Schols et al., 2003, 2005). Единственная борозда закладывается на наружной стороне микроспоры в тетрадах перед самым их распадом. Установлено, что борозда под давлением растущей вакуоли постепенно раскрывается, при этом вакуоль, не переставая расти, частично выталкивает наружу содержимое зерна, покрытое двойной интиной в районе апертуры. При этом границы апертуры становятся неочевидными. Сам процесс вакуолизации микроспор у изученных видов одноразовый, синтез цитоплазмы способствует раздроблению вакуоли на несколько более мелких, объем каждой из которых постепенно сокращается, пока они не исчезнут совсем к стадии 2-клеточного пыльцевого зерна. Но есть исключение: у D. villosa вакуоли на этой стадии еще пока сохраняются как остатки прежних вакуолей. Есть данные, что у некоторых растений – Lycopersicum peruvianum и Prunus avium – происходят не одно, а два события вакуолизации в пыльцевом зерне, первое – на стадии микроспоры, и второе – на двухклеточной стадии (в незрелом зерне) (Firon et al., 2012). Вероятно, это связано с необходимостью контроля объема зерна и процессов обмена веществ.

Изученные процессы развития показали, что морфолого-анатомическое разнообразие различных признаков, присущее видам секции в женской сфере (Prain, Burkill, 1936; Burkill, 1960; Petrova, Safina, 1985; Titova, Torshilova, 2015; Vinogradova et al., 2022), а также частично в мужской сфере (Chung, Chung, 2015; Vinogradova et al., 2022), в основном, не распространяется на конфигурацию структур гнезда пыльника, за исключением тапетума, микроспор и пыльцевых зерен, что показано на примере шести видов секции Stenophora (D. villosa, D. tokoro, D. nipponica, D. deltoidea, D. caucasica, D. balcanica). Поскольку процессы развития у видов протекают более или менее сходно, разнообразие касается лишь частных особенностей строения структур и времени их функционирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный анализ развития пыльника и пыльцевого зерна у шести видов рода Dioscorea из секции Stenophora (D. villosa, D. tokoro, D. nipponica, D. deltoidea, D. caucasica, D. balcanica) позволил выявить различие видов по ряду признаков: строение тапетума, период функционирования тапетума, сроки появления запасных веществ в пыльцевом зерне. На основании этих признаков изученные виды подразделяются на две группы: 1) D. caucasica и D. balcanica с более ранним (до мейоза микроспороцитов) началом развития крупных 3–4-ядерных клеток тапетума и более коротким периодом их функционирования (до стадии сильно вакуолизированной микроспоры), а также более ранними сроками начала накопления запасных веществ в пыльцевом зерне – на момент завершения митотического деления ядра; 2) D. villosa, D. tokoro, D. nipponica, D. deltoidea с 2-ядерными клетками тапетума, коротким (D. villosa, D. tokoro) и длинным (D. nipponica, D. deltoidea) периодом его функционирования, и более поздним началом накопления запасных веществ в пыльцевом зерне – на момент перемещения генеративной клетки внутри вегетативной. Также выявлены общие для всех изученных видов признаки: строение сформированной и зрелой стенок пыльника, симультанный тип микроспорогенеза, тетраэдральный тип тетрад. У D. villosa, D. nipponica и D. deltoidea выявлен также изобилатеральный тип тетрады. Пыльцевые зерна однобороздные, 2-клеточные, с хорошо развитой экзиной и 2-слойной интиной в области открытой апертуры.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа проведена в рамках государственного задания Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН № 124013100862-0 “Поливариантность морфогенетических программ развития репродуктивных структур растений, регуляция морфопроцессов in vivo и in vitro”.

Автор выражает благодарность с. н. с. Лаборатории эмбриологии и репродуктивной биологии Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН Г.Ю. Виноградовой за ценные советы в написании статьи, а также ботаникам кафедры Высших растений Московского университета им. М.В. Ломоносова проф. Д.Д. Соколову, ст. преподавателю М.В. Ремизовой и К. Кондо за предоставленный материал для исследований вида D. tokoro.

作者简介

A. Torshilova

编辑信件的主要联系方式.
Email: altorsh62@mail.ru
俄罗斯联邦, Prof. Popov Str., 2, St. Petersburg, 197022

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. The structure of anther locules in Dioscorea species at the stages of microsporocytes and meiosis: 1 – fragment of D. nipponica inflorescence at initial stages of budding; 2–7 – fragments of locules at the microsporocyte stage, formed anther wall; 8–12 – fragments of locules at the stage of meiosis I. 2, 8 – D. villosa; 3 – D. tokoro, 4, 9 – D. nipponica; 5, 10 – D. deltoidea; 6, 11 – D. caucasica; 7, 12 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, ml – middle layer, ms – microsporocyte, t – tapetum. Scale bars: 1 – 1 mm; 2–4, 6–8, 11, 12 – 20 µm; 5, 9, 10 – 10 µm.

下载 (110KB)

索引源数据

3. Fig. 2. The structure of anther locules in Dioscorea species at the stages of tetrads and weakly vacuolated microspores: 1 – fragment of D. nipponica inflorescence at the stage of budding; 2–7 – fragments of locules at the stage of tetrads; 8–13 – fragments of locules at the stage of weakly vacuolated microspores. 2, 8 – D. villosa; 3, 9 – D. tokoro; 4, 10 – D. nipponica; 5, 11 – D. deltoidea; 6, 12 – D. caucasica; 7, 13 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, m – microspore, ml – middle layer, t – tapetum, tet – tetrad. Scale bars: 1 – 1 mm; 2, 4, 6 – 20 µm; 3, 7, 9, 10, 12 – 10 µm.

下载 (95KB)

索引源数据

4. Fig. 3. The structure of anther locules in Dioscorea species at the stage of highly vacuolated microspores. Successive stages of microspore and pollen grain development: 1 – fragment of D. nipponica inflorescence at the stage of bud opening; 2–7 – fragments of locules at the stage of highly vacuolated microspores; 8–14 – successive stages of microspore development (8 – non-vacuolated microspore immediately after the tetrad disintegration, 9, 10 – weakly vacuolated microspores, 11–14 – highly vacuolated microspores); 15, 16 – stages of development of 2-celled pollen grain; 17 – a locule of mature anther with pollen grains, showing the arrangement of pollen grains. 2, 15 – D. villosa; 3, 13 – D. tokoro; 4, 16, 17 – D. nipponica; 5, 9, 11, 12 – D. deltoidea; 6, 8, 14 – D. caucasica; 7, 10 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, ex – exine, i – intine, m – microspore, t – tapetum, v – vacuole. Scale bars: 1 – 1 mm; 2, 5–7, 17 – 20 µm; 8 – 5 µm; 9–16 – 10 µm.

下载 (90KB)

索引源数据

5. Fig. 4. The structure of locules of mature anthers in Dioscorea species with pollen grains: 1 – flower of D. nipponica; 2 – 7 – fragments of locules of mature anther. 2 – D. villosa; 3 – D. tokoro; 4 – D. nipponica; 5 – D. deltoidea; 6 – D. caucasica; 7 – D. balcanica; e – epidermis, en – endothecium, pg – pollen grain, st – stamen. Scale: bars 1 – 1 mm; 2, 6 – 25 µm; 3 – 10 µm, 4, 5, 7 – 20 µm.

下载 (54KB)

索引源数据