Морфология растений / Шамров И.И. Семязачаток цветковых растений строение, функции, происхождение

140Шамров И.И. Семязачато цвет овых растений: строение, ф н ции, происхождение

Âгенезисе семязачатка Crepis tectorum выделены четыре фазы: 1 — семяза- чаток во время мегаспорогенеза (образование нуцеллуса и интегумента); 2 — семязачаток во время роста мегаспор и развития зародышевого мешка (образование проваскулярного тяжа от фуникулуса к халазе); 3 — семязачаток на стадии созревания зародышевого мешка (проводящий пучок продолжается в интегумент);

4— семязачаток во время развития зародыша (в проводящем пучке дифференцируются сосуды) (Герасимова-Навашина, 1957).

Âразвитии семязачатка Phalaroides arundinacea отмечены три этапа: 1 — формирование семязачатка (от дифференциации археспория до начала клеткообразования в зародышевом мешке); 2 — сформированный семязачаток (клеткообразование в зародышевом мешке); 3 — созревание семязачатка (образование зрелого зародышевого мешка) (Круглова, 1985).

На основании изменения темпов роста интегументов, нуцеллуса, зародышевого мешка, зародыша и эндосперма формирование семязачатка и семени у Butomus umbellatus было подразделено на 3 периода: 1 — развитие семязачатка до оплодотворения; 2 — период преимущественного роста эндосперма; 3 — период преимущественного роста зародыша (Красников, 1989).

Сравнительный анализ данных о развитии структур семязачатка и семени у различных видов цветковых растений позволил выделить 6 стадий: 1 — семяза- чаток с мегаспороцитом; 2 — семязачаток со зрелым зародышевым мешком; 3 — оплодотворенный семязачаток во время первых делений зиготы и эндосперма; 4 — семя с глобулярным зародышем; 5 — семя с зародышем в начале органогенеза;

6— зрелое семя (Nikiticheva, 1992).

Таким образом, морфогенезу семязачатка и семени, как и онтогенезу в целом, свойственна определенная периодичность. В нем имеется ряд стадий (фаз, периодов), различающихся по структурно-функциональным характеристикам и продолжительности. Каждому этапу развития семязачатка и семени свойственны определенные взаимосвязи между их основными элементами. Как считает Коробова (1984), по-видимому, существует система последовательного включения активности различных тканей семязачатка, что обеспечивает качественное прохождение различных этапов развития женских генеративных структур.

Критические стадии в развитии семязачатка и семени

Для обозначения периодов в онтогенезе растений, наиболее чувствительных к неблагоприятным условиям окружающей среды (температура, влажность) был введен термин «критические периоды» (Броунов, 1897). Наибольшее применение он получил в эмбриологии животных при описании периодов в развитии зародыша, характеризующихся максимальной скоростью роста (Stockard, 1921), наличием «узловых точек» пересечения кривых скоростей различных реакций (Goldschmidt, 1938). Светлов (1960, 1978) сформулировал основные положения теории крити-

ческих периодов: 1) развитие зародыша и его составных частей состоит из небольшого числа этапов, каждый из которых начинается относительно коротким крити- ческим периодом, после чего происходят видимые процессы развития (рост и дифференциация); 2) главным признаком, характеризующим критические периоды, является высокая чувствительность клеток зародышей к действию внешних факторов, обусловленная пониженной регулятивной деятельностью в эти периоды (особым состоянием белков цитоплазмы и ядра, при котором они повреждаются — Трифонова, 1949); 3) эмбриологический смысл критических периодов заключа- ется в том, что в эти периоды совершаются акты детерминации процессов развития. Отмечая в качестве наиболее важного критерия выделения критических периодов чувствительность клеток зародышей к воздействию окружающей среды, Светлов предлагал различать среду I порядка (внутреннюю среду организма — взаимоотношение его частей) и среду II порядка (наружную среду) и рассматривать их в комплексе как любое воздействие среды на онтогенез.

С этими представлениями созвучна точка зрения Назаретяна (2004) о «кризисе», который сопровождает любые биологические системы и разные сферы деятельности человека. По его мнению, устойчивое неравновесие представляет собой состояние системы, которое требует непрерывного противодействия уравновешивающему давлению среды. В существовании неравновесной системы наступает фаза опасного снижения устойчивости, когда, в силу изменившихся внешних и внутренних условий, наработанные ранее форматы жизнедеятельности способны привести к разрушению. Им были выделены три типа кризисов по соотношению внешних и внутренних причин: экзогенные (происходят из-за относительно случайных событий в среде — колебания солнечной и геологической активности, изменения климата и др.), эндогенные (обусловлены сменой генетической программы или исчерпанием программы в целом) и эндо-экзогенные (вызваны изменениями среды, спровоцированными собственной активностью системы).

Необходимо также подчеркнуть, что в эмбриологии животных наряду с термином «критические периоды» используется термин «периоды детерминации» (термин подчеркивает ступенчатый характер детерминации). По мнению Светлова, периоды детерминации являются в то же время критическими, однако периоды с повышенной чувствительностью не обязательно являются периодами детерминации. Существует точка зрения (Wareing, Phillips, 1978), что последовательные стадии развития следует рассматривать как процесс, при котором в различных критических точках времени и пространства происходит переключение на альтернативные пути, а те или иные части организма становятся «детерминированными» в отношении их дальнейшей дифференциации.

Токин (1989) отмечал, что споры о критических периодах — это споры не о существе явлений, а скорее терминологического характера. Все существующие гипотезы свидетельствуют о том, что в ходе онтогенеза наступают периоды, характеризующиеся большим своеобразием. Он полагал, что в аспекте теории крити- ческих периодов отдельные моменты развития оказываются связанными с пере-

142 Шамров И.И. Семязачато цвет овых растений: строение, ф н ции, происхождение

стройкой интеграционных механизмов, происходящей в определенные периоды в зародыше в целом и в отдельных его частях.

Что касается эмбриологии растений, то анализ морфогенетических корреляций

èдинамики крахмала, танинов и общих белков в развитии семязачатка и семени ряда видов (Ceratophyllum demersum, Gentiana cruciata, Nelumbo nucifera, Nuphar lutea, Triticum aestivum) позволил выделить общие и таксоноспецифические критические стадии (периоды) (Batygina et al., 1992). Общие критические стадии для крассинуцеллятных семязачатков: мегаспороцит перед мейозом, зрелый зародышевый мешок, зигота, глобулярный зародыш с дерматогеном (эмбриодермой), ранний органогенез, поздний органогенез, зрелое семя; для тенуинуцеллятных — примордий семязачатка с археспориальной клеткой, профаза I мейоза, функционирующая мегаспора, зрелый зародышевый мешок, зигота, ранний глобулярный зародыш, начало органогенеза в зародыше и зрелое семя.

При формировании семени Nelumbo nucifera на основании морфогенетических

èморфофизиологических корреляций в развитии зародыша, семенной кожуры, перикарпа и цветоложа установлено несколько критических стадий: формирование зиготы; бластомеризация (= проэмбриональная фаза) — от деления зиготы до выделения эмбриодермы в проэмбрио; инициация семядолей и апекса побега; формирование первого листового примордия плюмулы, проводящей системы в семядолях и апекса корня; формирование второго листового примордия плюмулы; формирование пластинки первого листа плюмулы; формирование третьего листового примордия плюмулы; формирование пластинки второго листа плюмулы (Vasilyeva et al., 1987).

Äëÿ Butomus umbellatus было показано, что скорости роста зародыша, эндосперма и нуцеллуса скоррелированы со структурно-функциональной перестройкой в их тканях и могут быть использованы для характеристики критических стадий в эмбриогенезе: первая стадия — начало развития зародыша и эндосперма и дифференциация латеральной зоны нуцеллуса; вторая — выделение эмбриодермы в зародыше; третья — инициация семядоли, переход зародыша к интенсивному росту, появление крахмала в базальной клетке подвеска, начало клеткообразования в эндосперме; четвертая — формирование апекса побега, заложение примордия первого листа плюмулы, дифференциация прокамбиальных тяжей в семядоле, появление крахмала в клетках зародыша и начало интенсивного разрушения клеток эндосперма и нуцеллуса (Красников, 1989).

На основании литературных данных можно указать еще на ряд стадий в развитии зародыша, которые характеризуются сменой структурных и функциональных характеристик. Одной из них является стадия двуклеточного зародыша, размеры клеток которого детерминированы. Так, мутация gnom ó Arabidopsis thaliana связана с заменой асимметричного деления зиготы на равное (Mayer et al., 1991, 1993). Подобное нередко наблюдается при развитии соматических зародышей Triticum aestivum в культуре in vitro (Batygina et al., 1993; Батыгина, 1997б). Очень длительной стадией эмбриогенеза является глобулярная, во время которой проис-

ходит гистогенез и подготовка к органогенезу. Поэтому внутри этой стадии выделяют несколько промежуточных стадий, каждая из которых может быть переломной. Первая стадия — ранний глобулярный зародыш, в котором происходит дифференциация протодермы (эмбриодермы) (Батыгина, 1974; Яковлев, 1981; Mansfield, Briarty, 1991). Это связано с началом экспоненциального роста и накопления меченого уридина (Nagato, 1979) и достижением клетками зародыша минимального объема (Vallade, 1989). Вторая стадия (среднеглобулярный зародыш) охватывает глобулярный зародыш во время гистогенеза, а третья (поздний глобулярный зародыш) — зародыш перед началом органогенеза (Mansfield, Briarty, 1991; Marilyn et al., 1993; Laux, Jьrgens, 1994). Переломной стадией эмбриогенеза является также сердечковидная стадия, которая связана с установлением билатеральной симметрии, формированием семядолей и проваскулярной ткани в зародыше (Natesh, Rau, 1984; Laux, Jьrgens, 1994). Экспериментально подтверждено, что переход от радиальной к билатеральной симметрии обусловлен полярным транспортом ауксинов, блокировка которого ингибиторами может привести к образованию аберрантных зародышей (Liu et al., 1993a). Одной из важнейших является стадия автономности зародыша, начиная с которой происходит переход зародыша на самостоятельный путь развития, что проявляется в приобретении им независимости от экзогенных гормонов и способности к прорастанию. Это свойство обнаруживается у разных видов растений на различных этапах эмбриогенеза (Vasilyeva et al., 1987; Васильева, Батыгина, 1997).

К настоящему времени разработаны основные положения теории критических периодов в онтогенезе растений и рассмотрены ключевые факторы при их определении: критическая масса клеток, морфогенетические поля, морфофизиологические корреляции и др. (Batygina, 2002; Batygina, Vasilyeva, 2003). Установлены общие закономерности в развитии пыльников и семязачатков — наличие трех критических периодов (премейотический, мейотический и постмейотический) и семи критических стадий (дифференциация археспория, деление археспориальных клеток на спорогенные и париетальные, детерминация способа формирования стенки спорангия, мейоз и образование тетрад микро- и мегаспор, деление микро- и мегаспор, гаметогенез).

Развитие яйцеклетки-зиготы характеризуется наличием трех критических периодов (клеткообразование и организация клеток яйцевого аппарата, процесс оплодотворения и зиготогенез, переход зиготы к делению) и семи критических стадий (ядро будущей яйцеклетки, инициаль яйцеклетки, незрелая яйцеклетка, зрелая яйцеклетка, инициаль зиготы, незрелая зигота, зрелая зигота). В эмбриогенезе выделены две общие фазы (проэмбриональная, или бластомеризация, и эмбриональная, или органогенез) и пять критических периодов (зигота и проэмбрио, глобулярный, сердечковидный, торпедовидный, зрелый зародыш) (Batygina, 2002; Batygina, Vasilyeva, 2003).

Содержание термина «критические периоды» составляют прежде всего взаимосвязи структур семязачатка на разных этапах его развития (от археспориальной

144 Шамров И.И. Семязачато цвет овых растений: строение, ф н ции, происхождение

клетки до зрелого зародыша), проявляющиеся в различного рода структурно-фун- кциональных перестройках. Весь комплекс имеющихся корреляций обусловливает существование семязачатка как сложной координированной системы.

Отрезки времени, характеризующиеся своеобразным развитием семязачатка и семени, мы, как и другие авторы (Vasilyeva et al., 1987), называем «критическими стадиями» (Шамров, Никитичева, 1992; Шамров, Анисимова, 1993в; Шамров, 1995б, 1997д; Shamrov, 1996; Shamrov, Anisimova, 2003a), поскольку генезис эмбриональных структур чаще всего соотносится с понятием «стадия развития». При их анализе мы исходим из морфогенетических и морфофизиологических корреляций в развитии репродуктивных структур, так как не всегда можно провести эксперимент, подтверждающий чувствительность изучаемых структур к определенным факторам среды. Стадии, на которых выявляются изменения в организации и функционировании структур семязачатка или семени, произошедшие под влиянием эндогенных факторов (в книге речь будет идти в основном о них), и стадии, чувствительные к неблагоприятным внешним воздействиям, могут не совпадать. «Критические стадии» («стадии структурно-функциональной перестройки», или «переломные стадии») — относительно короткие отрезки времени в процессе развития. Более продолжительные интервалы времени с относительно постоянным характером развития структур предлагаем называть периодами (но не критическими) (Shamrov, Anisimova, 2003b).

При выделении критических стадий немаловажное значение имеет рассмотрение гистохимических аспектов: динамики накопления белков, углеводов (включая крахмал, декстрины и лигнин), танинов в отдельных тканях. Сопоставление гистохимических реакций с морфологическими изменениями позволило оценить темпы дифференциации и функциональную активность разных типов тканей, уточнить последовательность стадий развития семязачатка и семени. Подобный структурнофункциональный анализ, проведенный для злаков, выявил изменения содержания гетероауксина, основных белков и нуклеиновых кислот во время критических периодов (Батыгин, 1986).

Анализ взаимосвязей между характером аккумуляции веществ и строением тканей семязачатка во время критических стадий был проведен на четырех модельных объектах: Gentiana cruciata è Swertia iberica (Gentianaceae), Gymnadenia conopsea (Orchidaceae) è Luzula pedemontana (Juncaceae)1. Эти растения, имеющие

1 Обработка материала производилась по общепринятой цитоэмбриологической методике (Паушева, 1974). Были использованы различные гистохимические методики: 1) ШИК-реакция (Дженсен, 1965) на полисахариды клеточных оболочек, а также на крахмал (параллельно реакция с раствором йода в йодистом калии) и продукты его неполного распада — декстрины (Цингер, Поддубная-Арнольди, 1959; Березов, Коровкин, 1983), или мальтосахариды (Manners, 1974); число крахмальных зерен подсчитывали на центральных срезах клеток; 2) окраска проционовыми красителями для одновременного выявления белков (ярко-синий RS) и нерастворимых углеводов (ярко-красный 2BS) (Иванов, Литинская, 1967); окраска метиловым зеленымпиронином по Браше для совместного выявления ДНК и РНК (контроль на РНК — 1N раствор

паракарпный гинецей и анатропный семязачаток, различаются по строению семязачатка, динамике распределения некоторых пластических веществ, а также по числу и характеристике критических стадий. Ниже для каждого вида приведены перечень основных структур семязачатка, время их инициации, исчезновения и наличие в зрелом семени.

Gentiana cruciata. Гинецей состоит из двух плодолистиков. Завязь верхняя и одногнездная. В ее стенке формируются 6 проводящих пучков. От них в плаценты ответвляются мелкие проводящие пучки, которые в семязачатках не дифференцируются. Примордии семязачатков развиваются на четырех париетальных плацентах. Семязачаток тенуинуцеллятный, унитегмальный, мезохалазальный и сессильный. Археспориальная клетка преобразуется в мегаспороцит без отделения париетальной клетки. Тетрада мегаспор линейного типа. Зародышевый мешок развивается из халазальной мегаспоры по Polygonum-типу. Эндосперм нуклеарный. Зародыш развивается по Solanad-типу. В зрелом семени он небольших размеров, но хорошо дифференцирован на органы (рис. 46–52; табл. 1).

На основании структурно-гистохимического исследования установлены следующие периоды и критические стадии в развитии семязачатка и семени

G.cruciata.

Периоды:

•заложение семязачатка на плаценте;

•формирование примордия семязачатка и осевого ряда клеток в нем под мегаспороцитом;

•формирование основных структур семязачатка (интегумента, нуцеллуса, халазы и гипостазы) и линейной тетрады мегаспор;

•полная дегенерация клеток нуцеллуса и дифференциация эндотелия во время ценоцитной стадии развития зародышевого мешка;

•начало деструкции клеток эндотелия во время первых делений ядер в эндосперме;

•почти полное исчезновение эндотелия и гипостазы на этапе начала целлюляризации в эндосперме;

•начало дегенерации клеток интегументальной паренхимы во время завершения клеткообразования в эндосперме;

•почти полная деструкция клеток интегументальной паренхимы и халазы.

Переход от одного периода к другому сопровождается структурно-функцио- нальной реорганизацией структур семязачатка, семени, завязи и плода, что позво-

хлорной кислоты) (Дженсен, 1965). По интенсивности окраски препаратов условно выделили 5 уровней содержания этих веществ в клетках различных тканей: очень высокий (++++), высокий (+++), средний (++), низкий (+), отсутствие веществ (0). Для определения танинов использовали 1%-ный раствор хлорида трехвалентного железа в 0.1 N соляной кислоте, общих липидов — раствор судана III, лигнина в клеточных оболочках — насыщенный раствор флороглюцина в 20%-ной соляной кислоте (Дженсен, 1965).

146 Шамров И.И. Семязачато цвет овых растений: строение, ф н ции, происхождение

Таблица 1

Характеристика структур семязачатка и семени Gentiana cruciata

ляет выделять критические стадии. Названия критических стадий даны по основной эмбриональной структуре, которая в данный момент образуется, проявляет дальнейшую дифференциацию или наибольшую функциональную активность.

Археспориальная клетка (стадия 1). В археспориальной клетке отсутствуют белки и много крахмальных зерен по сравнению с окружающими клетками. В клетках плаценты обнаруживается высокое содержание крахмала и белков (рис. 46, 1; 47, 1; 50, 2).

Мегаспороцит перед мейозом (стадия 2). В цитоплазме мегаспороцита происходит снижение числа крахмальных зерен и начинают накапливаться белки. В - оболочке мегаспороцита видна каллоза. В примордии семязачатка крахмал локализован преимущественно в базальной части, а белки — в апикальной, при этом высокий уровень их содержания (+++) особенно выявляется в тех клетках, которые становятся инициалями интегумента. В клетках осевого ряда появляется интенсивная реакция на декстрины. Обнаруживаются в большом количестве крахмал в стенке завязи и белки в плаценте (рис. 46, 2; 47, 4; 50, 5).

Тетрада мегаспор (стадия 3). В мегаспорах, особенно в халазальной, появляется большое количество крахмала, при этом в них отмечается слабая реакция на белки. В большинстве клеток семязачатка накапливается значительное число крахмальных зерен. Белки аккумулируются только в гипостазе и внутренней эпидерме интегумента. В клетках базальной части рафе и дегенерирующего нуцеллуса обнаруживается высокое содержание (+++) декстринов. Почти полностью исчезают крахмальные зерна из стенки завязи и белки из плаценты (рис. 46, 3; 47, 6; 50, 10).

Развивающийся зародышевый мешок (стадия 4). В развивающемся зародышевом мешке обнаруживаются крахмал и белки. Во время созревания женского гаметофита крахмал исчезает из синергид и антипод, а содержание белков умень-

1

2

ï ï ï

3 ï ï ç

4

5

Рис. 46. Динамика содержания крахмала в стенке завязи, плаценте и семязачатке Gentiana cruciata (по: Шамров, 1990б).

1 — завязь во время формирования примордия семязачатка и дифференциации археспориальной клетки; 2, 3 — часть завязи во время дифференциации структур семязачатка и мегаспороцита; 4, 5 — часть завязи с семязачатками, в которых происходит развитие зародышевого мешка; крахмал показан точками; ï ï ç — проводящий пучок завязи, ï ï ï — плацентарный проводящий пучок. Масштабная линейка: 1 — 100 ìêì, 2, 3 — 200 ìêì, 4, 5 — 300 ìêì.

148 Шамров И.И. Семязачато цвет овых растений: строение, ф н ции, происхождение

2

1 í è

ã

ïð ê

Рис. 47. Динамика содержания крахмала и декстринов в семязачатке Gentiana cruciata на начальных стадиях развития (по: Шамров, 1990б).

1, 2 — дифференциация примордия семязачатка и археспориальной клетки; 3 — примордий семязачатка на стадии мегаспороцита перед мейозом; 4 — дифференциация интегумента и нуцеллуса и начало мейоза в мегаспороците; 5, 6 — формирование структур семязачатка (гипостазы и прокамбиального тяжа клеток в рафе) во время мегаспорогенеза и начало дегенерации клеток нуцеллуса; крахмал показан в виде гранул, декстрины — в виде точек; ã — гипостаза, è — интегумент, ê — каллоза, í — нуцеллус, î ð ê — осевой ряд клеток, ïð ê — прокамбиальные клетки. Масштабная линейка — 30 мкм.