БАРНА Микола Миколайович

УДК 581.16:582.623+581.3+581.4

РЕПРОДУКТИВНА БІОЛОГІЯ ВИДІВ І ГІБРИДІВ

РОДИНИ ВЕРБОВИХ (SALICACEAE MIRB.)

03.00.05 — ботаніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

Київ — 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному педагогічному університеті імені Володимира Гнатюка, Міністерство освіти і нау-ки України.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор, член-кореспондент НАН України КОРДЮМ Єлизавета Львівна, Інститут ботаніки імені М.Г. Холодного НАН України, заступник директора, завідувач відділом клітинної біології та анатомії;

доктор біологічних наук, професор, член-кореспондент НАН України ЧЕРЕВЧЕНКО Тетяна Михайлівна, Національний ботанічний сад імені М.М. Гришка НАН України, директор;

доктор біологічних наук, професор СІКУРА Йосип Йосипович, Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра ботаніки, Кабінет Міністрів України, М.Київ.

Захист дисертації відбудеться “ 12 ” березня 2002 р. о 10.00 год. на з асіданні спеціалізованої вченої ради Д26. 211.01 Інституту ботаніки імені М.Г. Холодного НАН України за адресою: 01601, Київ, вул. Терещенківська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту ботані-ки імені М.Г. Холодного НАН України за адресою: вул. Велика Житомирська, 28

Автореферат розісланий “ 5 ” лютого 2002 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Ільїнська А.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

На сучасному етапі розвитку ботанічної науки внаслідок багатьох фундаментальних досліджень, проведених останнім часом, було з’ясовано, що становлення того чи іншого виду рослинних організмів, формування його конституції значною мірою визначається закономірностями та особливостями репродуктивної біології.

За останні роки репродуктивна біологія оформилася в один з нових і перспективних напрямків загальної біології, що досить швидко розвивається (Г.М.Козубов, 1971; В.О.Піддубна-Арнольді, 1976; Є.Л.Кордюм, 1978; Г.Т.Криницький, 1993; В.І.Ніколайчук,1998 та ін.).

Актуальність теми. Дослідження репродуктивної біології рослин, зокрема різних аспектів морфогенезу генеративних органів і ембріологічних процесів, є одним з важливих напрямків сучасної ботанічної науки. Вони мають вагоме значення для вирішення дискусійних питань філогенії та систематики рослин, прикладних завдань генетико-селекційних робіт, насінництва, інтродукції та акліматизації рослин.

У цьому відношенні значний науковий інтерес має родина Salicaceae, філогенетичне та систематичне положення якої на сьогодні залишається остаточно не з’ясованим. Різними авторами їй відводиться неоднакове місце в системах покритонасінних (C.E.Bessey, 1915; Б.М.Козо-Полянський, 1922; М.І.Кузнєцов, 1936; А.А.Гроссгейм, 1945; А.Engler, 1964; А.Л.Тахтаджян, 1987).

Види і гібриди родини Salicaceae широко використовуються для підвищення продуктивності лісових фітоценозів, створення постійної лісосировинної бази для целюлозно-паперової промисловості, в полезахисному лісорозведенні, для озеленення міст і промислових територій (П.Л.Богданов, 1965; Г.І.Редько, 1975; C.I.Barneoud, P.Bonduelle, 1979; А.П.Царьов, 1985; Т.М.Черевченко, 1997 та ін.). Це говорить про необхідність вирощування видів родів Populus і Salix на селекційно-сортовій основі.

Відомо ряд праць, присвячених різним питанням репродуктивної біології та ембріології видів родини Salicaceae (J.Graf, 1921; M.Nagaraj, 1952; О.С.Зонова, 1953; D.T.Lester, 1963; J.Pospiжil, 1966; З.П.Коц, 1972; О.С.Ніколаєва, 1982; М.М.Барна, 2000 та ін.). Водночас залишаються не до кінця вивченими динаміка росту і розвитку пагонів, закономірності морфогенезу генеративних структур, структурні та функціональні особливості етапів органогенезу квіток і суцвіть різних статевих типів, процеси спорогенезу і гаметогенезу, запилення, запліднення, ембріогенезу та ендоспермогенезу, формування насіння і плодів у різних видів родини Salicaceaе.

Вважаємо за доцільне об’єднати вивчення цих процесів в єдиний науковий напрямок – репродуктивна біологія, під якою розуміємо сукупність генетичних, морфологічних, структурнотвірних і функціональних процесів у зв’язку з еколого-фізіологічними і віковими змінами, що обумовлюють перехід апікальних меристем від вегетативного стану до утворення спеціалізованих статевих органів розмноження (N.N.Barna, 1989; М.М.Барна, 1997).

У науково-практичному відношенні велике значення має пошук можливих шляхів спрямованої дії постійного магнітного поля (ПМП) на хід ембріологічних процесів для подолання деяких бар’єрів міжвидової несумісності та розробка цитологічних основ раннього прогнозування гетерозису в гібридів родів Populus i Salix. Успішне використання гетерозису деревних рослин відкриває широкі можливості для підвищення продуктивності штучних фітоценозів з метою одержання високоякісної деревини.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в межах планових держбюджетних тем кафедри ботаніки Тернопільського державного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка і входила в розділ 2.33.1.5. “Судинні рослини: систематика, морфологія, біохімія, біологія, географія і еволюція” проблеми 2.33.1. “Біологічні основи раціонального використання, перетворення і охорони рослинного світу” (1973-1991 рр.), О держреєстрації 01.88.0090246. Окрім того, з 1989 р. робота продовжувалася в межах розділу 1.2. “Ембріологічне вивчення рослин важливіших таксонів” (підрозділ 1.2.3. “Ембріологія малодосліджених таксонів вищих рослин у зв’язку з питаннями філогенії і систематики”) всесоюзної програми фундаментальних досліджень “Рослинний світ: вивчення, охорона і раціональне використання” на 1989-2000 рр., що документально підтверджено.

Мета і задачі дослідження. На основі вивчення структурних і функціональних особливостей генеративної сфери встановити закономірності морфогенезу генеративних органів, подати розгорнуті ембріологічні діаграми видів родини Salicaceae, визначити рівень еволюційного розвитку цієї родини та розробити теоретичні основи гібридизації і селекції видів родів Populus і Salix. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні завдання.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведене дослідження репродуктивної біології 21 виду родини Salicaceae, з них 10 видів роду Populus L., 10 – роду Salix L. і 1 – монотипного роду Chosenia Nakaі. Розроблена оригінальна класифікація типів бруньок і пагонів, в основу якої покладені морфоструктурні особливості формування вегетативних і генеративних органів. Встановлено, що морфогенез генеративних структур зумовлений діяльністю латеральних апексів і значною мірою залежить від екологічних факторів. Вперше для видів родини Salicaceae визначені етапи органогенезу різних статевих типів квіток і суцвіть, зокрема в розвитку чоловічої генеративної сфери встановлено 9, а в розвитку жіночої – 12 етапів органогенезу. Дістало подальший розвиток положення, згідно з яким тип диференціації генеративних меристематичних апексів визначає спеціалізацію закладання елементів квіток у представників різних секцій одного і того самого роду, який є стійкою таксономічною ознакою, набутою в процесі еволюції.

Уперше вивчена ембріологія монотипного роду Chosenia, міжвидових гібридів “Новоберлінський”, “Дружба”, “Олімпійський вогонь”, подані розгорнуті ембріологічні діаграми 21 виду родини Salicaceae, виявлена наявність примітивних і прогресивних ембріологічних ознак, які свідчать про те, що родина Salicaceae сьогодні знаходиться на етапі активних формотвірних процесів. Дістала подальшого розвитку концепція, що міжвидова несумісність у родах Populus i Salix виявляється на етапах взаємодії чоловічого гаметофіту з тканинами маточки та ембріологічного розвитку. Вперше встановлено, що спрямована дія ПМП певної напруженості на генеративну сферу досліджених видів родини Salicaceae прискорює або сповільнює фізіолого-біохімічні процеси і дозволяє, змінюючи параметри поля, усувати деякі бар’єри міжвидової несумісності.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена класифікація типів вегетативних, генеративних і вегетативно-генеративних бруньок і пагонів використовується в проведенні гібридизаційних робіт з видами родів Populus і Salix. У селекційній практиці науково-дослідних установ лісогосподарського профілю застосовуються розроблені автором методи підбору батьківських форм та прогнозування гетерозису гібридів лісових деревних рослин.

Результати вивчення морфогенезу генеративних структур та ембріологічних досліджень видів родини Salicaceae були використані в 12 томі “Topole. Populus L.” багатотомного видання “Nasze Drzewa Leжne” (1973), в монографіях Н.В.Старової (1980), В.О.Піддубної-Арнольді (1982), в II томі багатотомного видання “Порівняльна ембріологія квіткових рослин” (1983), у написанні автором словника “Ботаніка. Терміни. Поняття. Персоналії” (1997) та навчальних посібників і методичних рекомендацій.

Матеріали дисертації використовуються під час читання лекцій та проведення лабораторних занять з курсу “Ботаніка. Морфологія та анатомія рослин” у Тернопільському державному педагогічному університеті імені Володимира Гнатюка, а також впроваджені в навчальний процес кафедрами ботаніки ряду вищих навчальних закладів України, про що свідчать акти впровадження.

Особистий внесок здобувача. На основі багаторічних досліджень автором обгрунтована тема дисертації і розроблена методологічна стратегія її виконання. Дисертація є особистою науковою працею автора. Автор, як науковий керівник тем і безпосередній виконавець, особисто визначав напрямки, розробляв програму, підбирав методики досліджень, брав участь у зборі експериментального матеріалу, проводив різні варіанти схрещувань видів родів Populus i Saliх, здійснював обробку матеріалу, узагальнював отримані результати, давав їм науково-теоретичну інтерпретацію, готував наукові публікації. В окремих випадках до проведення спостережень у природі за біологією цвітіння видів роду Salix залучалась аспірантка М.І.Шанайда, науковим керівником якої є сам дисертант, і в співавторстві з якою опубліковані наукові праці, результати яких частково використані в дисертації. Частина матеріалів дослідження опублікована із співавторами: у 2-х навчальних посібниках (авторський внесок складає 11 друк. арк.); 2-х методичних рекомендаціях (авторський внесок – 1,5 друк. арк.); 5 статей, надрукованих у фахових виданнях із М.І.Шанайдою (авторський внесок 1,0 друк. арк.).

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи подавалися і доповідалися на: 5-ти міжнародних конгресах, конференціях і симпозіумах (Ленінград, 1975, 1990; Воронеж, 1989; Полтава, 2000; Тернопіль, 2001); 8-ми всесоюзних і Всеукраїнських з’їздах ботаніків (Харків, 1977, 2001; Ялта, 1982; Донецьк, 1983; Івано-Франківськ, 1987; Алма-Ата, 1988; Дніпропетровськ, 1992; Полтава, 1997); 14-ти всесоюзних і Всеукраїнських наукових конференціях, нарадах і симпозіумах (Полтава, 1978, 1998; Київ, 1978, 1983; Ялта, 1980; Ташкент, 1982; Ленінград, 1983; Петрозаводськ, 1983; Сімферополь, 1983; Телаві, 1984; Кишинів, 1986; Перм, 1987; Воронеж, 1988; Умань, 1991; Тернопіль, 1998); 2-х з’їздах генетиків і селекціонерів України (Київ, 1976; Умань, 1986); Всеукраїнських наукових читаннях, присвячених 100-річчю відкриття С.Г.Навашиним подвійного запліднення у покритонасінних рослин (Київ,1998) та багатьох науково-технічних конференціях, засіданнях кафедр і наукових товариств.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 76 робіт, з них: 3 навчальні посібники, 3 методичні рекомендації, 21 стаття у фахових виданнях, 4 – у збірниках наукових праць, 2 авторські свідоцтва, 43 – матеріали і тези доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Матеріал роботи викладено на 349 сторінках машинопису, з них власне текст займає 292 сторінки. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота містить 35 рисунків, 24 таблиці, 31 мікро---і макрофотографію, 7 формул. Список літератури містить 641 найменування, в тому числі 120 латинськом шрифтом.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

СТАН ВИВЧЕННЯ ПРОБЛЕМИ

Аналітичний огляд наукової літератури виявив недостатність фактичного матеріалу, присвяченого дослідженню морфогенезу генеративних структур, органогенезу квіток і суцвіть, біології цвітіння та екології запилення, запліднення, розвитку зародка та ендосперму, формування насіння і плодів у видів родини Salicaceae. Відсутні дослідження з репродуктивної біології видів родини Salicaceae в плані генетико-селекційних і гібридизаційних робіт. Комплексний підхід до вивчення репродуктивної біології видів родини Salicaceae з використанням порівняльно-ембріологічного, морфометричного, цитологічного та гістохімічного методів дослідження дає широкий матеріал для таксономії, систематики, філогенії. Теоретичне обґрунтування цих питань та надання допомоги практикам лісового господарства дозволить успішно проводити гібридизаційні роботи з швидкорослими лісовими деревними рослинами.МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Об’єктами досліджень були види роду Populus L.: P. bolleana Lauche, P. X canescens (Ait.) Smith, P. deltoides March., Р. іtalica (DuRoi) Moench., P. nigra L., P. balsamifera L., P. laurifolia Ledeb., P. trichocarpa Torr. Еt Gray, P. X berolinensis (C. Koch) Dipp., P. pruinosa Schrenk; роду Salix L.: S. alba L., S. fragilis L., S. triandra L., S. pentandra L., S. aurita L., S. caprea L., S. cinerea L., S. purpurea L., S. rosmarinifolia L., S. viminalis L. і вид монотипного роду Chosenia Nakai – Ch. arbutifolia (Pall.) A. Skvorts. родини Salicaceae, а також міжвидові гібриди: “Новоберлінський” (Populus italica Х Р. laurifolia), “Дружба” (Populus trichocarpa Х Р. laurifolia), “Олімпійський вогонь” (Salix alba Х S. fragilis).

Дослідження проводили в природних і лабораторно-тепличних умовах. Матеріалом для дослідження були вегетативні, генеративні та вегетативно-генеративні пагони та бруньки, а також суцвіття і квітки, насіння і плоди на різних етапах їх розвитку. Матеріал був зібраний протягом 1975-2000 pp. у лісгоспзагах Тернопільської, Львівської та Полтавської областей, в парках м. Львова, Алушти, Ялти. Матеріал з Chosenia arbutifolia зібраний в Ботсаду МДУ ім. М.В.Ломоносова, матеріал з Populus pruinosa нам надала професор Н.В.Старова, за що їй висловлюємо глибоку вдячність. Збір матеріалу з міжвидових гібридів здійснювали на Кобилякському (Полтавська обл.) і Львівському селекційних пунктах, а гібридизаційні роботи проведені в лабораторних умовах кафедри ботаніки Тернопільського державного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка.

Морфологію різних статевих типів квіток, хід процесу цвітіння квіток і суцвіть, сезонну і добову ритміку цвітіння та характер запилення проводили за методикою (А.М.Пономарьов,1960). Мікро–і макроспорогенез, розвиток жіночого гаметофіту вивчали на матеріалі, що брали безпосередньо в природі, а також за штучного виганяння гілок. Для вивчення процесів проростання пилку на приймочках маточок та росту пилкових трубок матеріал фіксували через 1,3,5,7, 10, 15, 20, 24, 36, 40, 48 годин після запилення. Процеси запліднення, ембріо-та ендоспермогенезу вивчали на матеріалі, що брали за штучного та вільного запилення в природі, а також за штучного запилення в лабораторно-тепличних умовах (toС +18 – +22). З цією метою матеріал фіксували через 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 28, 32, 36, 40 діб після штучного і вільного запилення. Гілки заготовляли завдовжки до 1 м і завтовшки в місці зрізу 1,5 – 2 см. Штучне запилення проводили за методикою (Н.В.Старова, 1962).

Зібраний матеріал фіксували в сумішшях Карнуа (6:3:1) і (3:1), Навашина (10:4:1). Зрізи фарбували залізним гематоксиліном за Гайденгайном, реакцією ШІФФа, застосовували реакцію Фельгена та різні барвники (ліхтгрюн, еозин). Преперати виготовляли за загальноприйнятою в цитоембріології методикою (З.П.Паушева, 1974; Г.Г.Фурст, 1979). Дослідження впливу ПМП різної напруженості на формування генеративних структур та процеси ембріологічного розвитку проводили в двох напрямках: шляхом безпосередньої дії на генеративні структури і шляхом опосередкованої дії “намагніченої” води на ембріологічні процеси за штучного виганяння гілок. Бруньки, сережки, квітки і пилок піддавали дії ПМП напруженістю 500, 1000 і 2500 Е. “Намагнічену” воду одержували шляхом пропускання звичайної питної води через ПМП напруженістю 3700 Е з експозицією 10, 30 і 60 сек. Контролем були гілки, закладені в посудини такої самої місткості зі звичайною питною водою.

Вміст крохмалю, білків, жирів та активність окисно-відновних ферментів (пероксидази, цитохромоксидази та сукцінатдегідрогенази) в чоловічих і жіночих генеративних структурах до запилення та за внутрішньовидових схрещувань і міжвидової гібридизації в родах Populus і Salix за дії ПМП різної напруженості та “намагніченої” води з різною експозицією визначали за методами (У.Дженсен,1965; Й.А.Паламарчук, Т.Д.Веселова, 1965; X.Луппа, 1980).

Морфометричні дослідження проводили за методиками (Р.М.Клейн, Д.Т.Клейн,1974; В.А.Кокунін,1975) з використанням методів математичної статистики (Г.Ф.Лакін, 1990). Дослідження на постійних мікропрепаратах, а також прижиттєві спостереження за будовою окремих елементів квіток і суцвіть проводили в основному візуально за допомогою мікроскопа МБИ-3. Найтиповіші ознаки, або аномалії в розвитку тих чи інших органів замальовували за допомогою рисувального апарата РА-4 та фотографували за допомогою мікрофотонакладки МФН-1. Макрооб’єкти (пагони, вегетативні та генеративні бруньки, сережки, квітки, або окремі їх елементи) фотографували за допомогою фотоапарата “Зеніт-10” і макрофотонакладки МФН-2. За період експериментальних досліджень проведено 46 варіантів схрещувань, запилено понад 183500 квіток, виготовлено 7350 тимчасових і постійних мікропрепаратів.

ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

ЗАКОНОМІРНОСТІ МОРФОГЕНЕЗУ ГЕНЕРАТИВНИХ ОРГАНІВ

Закладання і розвиток бруньок і пагонів та їх класифікація. Аналіз одержаних результатів свідчить, що процес закладання бруньок зумовлений активністю термінальних та латеральних апексів, унаслідок органогенної діяльності яких формуються вегетативні та генеративні структури. Ранні етапи морфогенезу генеративних структур зумовлені комплексом біогенних факторів, що діють у латеральних апексах. У процесі розвитку бруньок вегетативні апекси переходять у генеративний стан, що супроводжується появою в їх базальній частині меристематичних горбочків – зачатків брактей (рис.1). Виділені термінальні і латеральні типи бруньок. Останні за походженням розділені на: аксилярні і адвентивні. Аксилярні бруньки за функціональним значенням розділені на такі типи: вегетативні, генеративні жіночі, генеративні чоловічі, генеративні бісексуальні, полімонойкістичні, вегетативно–генеративні (жіночі), вегетативно–генеративні (чоловічі), вегетативно–генеративні (бісексуальні), вегетативно–генеративні (полімонойкістичні).

Розроблено класифікацію материнських пагонів, згідно якої виділено 9 типів: вегетативні, жіночі, чоловічі, бісексуальні, полімонойкістичні, вегетативно–жіночі, вегетативно–чоловічі, вегетативно–бісексуальні, вегетативно–полімонойкістичні. Відмінності між видами родів Populus, Salix i Chosenia за основними структурними ознаками виділених типів бруньок і пагонів полягають у якісних (наявність того чи іншого типу бруньок і пагонів) і в кількісних показниках (кількість бруньок на пагоні, співвідношення жіночих і чоловічих квіток у бісексуальних бруньках тощо), які варто враховувати під час заготівлі пагонів для збору пилку та підбору батьківських форм для проведення генетико–селекційних і гібридизаційних робіт.

Структурні особливості закладання генеративнихяорганів. У видів різних підродів одного і того самого роду виявлена спеціалізація органогенних процесів чоловічих і жіночих квіток, зумовлена депресією різних зон меристематичних апексів, що дозволило виділити два типи диференціації примордіїв андроцея та гінецея:

1.

2.

У видів з апікальним типом диференціації зачатки андроцея та гінецея закладаються раніше, ніж диск, а у видів з латеральним типом диференціації меристематичних апексів, навпаки – формування диска випереджає закладання елементів андроцея та гінецея. Тут яскраво виявляється генотипова гістологічна гетерогенність різних зон апікальної меристеми генеративних апексів. Звідси витікає, що апікальна та латеральна зони меристематичного купола бруньок є важливими органогенними та мобілізаційними центрами, які відповідають за хід формотвірних і метаболічних процесів на різних етапах органогенезу чоловічих і жіночих квіток. Органогенез квіток і суцвіть різних статевих типів у видів і гібридів родів Populus і Salix. Дотримуючись термінології Є.Л.Кордюм і Г.І.Глущенко (1976) та залежно від статі квіток і їх розміщення на осі суцвіття в досліджених видів родини Salicaceae, виділені такі типи сережки: чоловіча ( ), жіноча ( ), моноецічна ( + ): а – містить жіночі і чоловічі квітки по всій осі суцвіття, б – з жіночими квітками на верхівці суцвіття, в – з чоловічими квітками на верхівці суцвіття; андромоноецічна ( + ), гіномоноецічна ( + ), полімонойкістична ( + + ). Перші два типи сережки характерні для всіх досліджених видів; інші – відмічені у Populus deltoides, P. bolleana, Salix alba, S. fragilis та ін. Органогенез суцвіть різних статевих типів ми розділили на етапи, у виділенні яких виходили з того, що поступові зміни в біохімічних і фізіологічних процесах періодично приводять до морфологічних змін в онтогенезі суцвіття і вичленовують межі його основних етапів (Ф.М.Куперман,1973).

У циклі розвитку чоловічої сережки виділено 9 етапів органогенезу: ЧС1 – закладання вегетативного апекса; ЧС2 – формування генеративної бруньки чоловічого типу; ЧС3 – закладання брактей; ЧС4 – закладання примордіїв чоловічих квіток; ЧС5 – закладання примордіїв тичинок; ЧС6 – закладання мікроспорангіїв; ЧС7 – формування мікроспор; ЧС8 – формування мікрогаметофіту; ЧС9 – утворення мікрогамет. В циклі розвитку жіночої сережки виділено 12 етапів органогенезу: ЖС1 – закладання вегетативного апекса; ЖС2 – формування генеративної бруньки жіночого типу; ЖС3 – закладання брактей; ЖС4 – закладання примордіїв жіночих квіток; ЖС5 – закладання примордіїв плодолистків; ЖС6 – закладання насінних зачатків; ЖС7 – закладання археспорія; ЖС8 – формування макроспор; ЖС9 – формування макрогаметофіту; ЖС10 – запилення і запліднення; ЖС11 – розвиток зародка і ендосперму; ЖС12 – утворення насіння і плодів. Отже, етапи органогенезу ЧС1 –ЧС3 і ЖС1 – ЖС3 приводять до формування вегетативних, ЧС4 – ЧС5 і ЖС4 – ЖС5 – генеративних,ЧС6 – ЧС9 і ЖС6 – ЖС9 – гаметогенних структур.

ФОРМУВАННЯ СТАТІ ТА БІОЛОГІЯ ЦВІТІННЯ

Біологія та екологія цвітіння досліджених видів родини Salicaceae. Питання виникнення статі та біології цвітіння становлять велику та цілком самостійну проблему в сучасній ботанічній науці (Є.Л.Кордюм, Г.І.Глущенко, 1976; М.Х.Чайлахян, 1988). Початок і тривалість цвітіння досліджених видів роду Salix залежать від їх біологічних особливостей та від екологічних факторів, вирішальне значення з яких мають температура і вологість повітря. З року в рік один і той же вид займає свою, властиву лише йому, екологічну нішу, що характеризується наявністю оптимальних умов (відповідної температури повітря, необхідної вологості, освітленості тощо), за яких відбувається процес цвітіння. В умовах Тернопільської області першою завжди зацвітає Salix caprea, відтак – S. cinerea і т. д. Серед досліджених видів є такі, що цвітуть задовго до появи листків (Salix acutifolia, S. aurita, S. caprea, S. cinerea), майже одночасно з розкриванням вегетативних бруньок (S. purpurea, S. rosmarinifolia, S. viminalis) або ж одночасно з розпусканням листків (S. alba, S. fragilis, S. triandra). Масове цвітіння видів починається на 2-й – 4-й день з моменту його настання. Добовий ритм розпускання квіток у досліджених видів – денний (М.М.Барна, М.І.Шанайда, 1999). Квітки починають розкриватися вранці (з 8-10 год.) і цей процес продовжується протягом дня. Розкривання чоловічих, жіночих та гінандроморфних квіток відбувається вздовж сережки в акропетальному напрямку, тобто від базальної до апікальної її частини. Правда, в моноецічних сережках S. alba з різною послідовністю розташування чоловічих і жіночих квіток уздовж суцвіття ця закономірність зміщується в бік розташування чоловічих квіток. У всіх досліджених видів період цвітіння чоловічих квіток триває в середньому 2-3 доби, жіночих – 3-4, а гермафродитних – від 5 до 10 діб. Чоловічі особини зацвітають на 1-2 доби раніше, ніж жіночі. У видів, в яких формуються гінандроморфні квітки, період їх цвітіння триває – 5-8 діб. Залежно від кліматичних умов період цвітіння квіток різних статевих типів може скорочуватися, або подовжуватися на 2–4 доби (М.М.Барна, М.І.Шанайда, 1998). Між інтенсивністю цвітіння та утворенням насіння в досліджених видів достовірного прямолінійного кореляційного зв’язку не виявлено.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СТАТЕВОГО ПРОЦЕСУ

Формування тичинки. Мікроспорангій. У чоловічих квітках спочатку закладається блюдцеподібний (чашечкоподібний) диск, а відтак формуються тичинки. Услід за С.О.Рєзніковою (1984) ми розглядаємо пиляк як інтегровану, саморегулюючу систему – цілісний спеціалізований орган, в якому утворюються чоловічі гамети. Сформований пиляк чотиригніздий (тетраспорангіатний) і є прогресивною в еволюційному відношенні структурою. Мікроспорангії об’єднані попарно в дві теки за допомогою в’язальця. Дещо пізніше внаслідок інтеркалярного росту формується тичинкова нитка, яка є варіабільною за формою та розмірами ознакою.

Стінка мікроспорангія у видів родини Salicaceae формується за однодольним типом (Є.Л.Кордюм, 1978). У видів роду Salix і в Chosenia arbutifolia, як правило, формується один середній шар. У видів роду Populus формується один-два, а у Populus deltoides i P. Х berolinensis нами відмічено три середні шари. Наявність у стінці мікроспорангія кількох середніх шарів часто розглядається як ознака примітивної організації (Є.Л.Кордюм, 1967; В.О.Піддубна-Арнольді, 1976). Якщо прийняти до уваги цю точку зору та наявність третього шару в деяких видів роду Populus можна дійти висновку, що процес еволюції цих видів у напрямку зменшення кількості середніх шарів ще не завершений і за цією ознакою види роду Populus в еволюційному відношенні примітивніші, ніж види родів Salix i Chosenia. Тапетум у досліджених видів родини Salicaceae секреторного типу (рис. 3).

Мікроспорогенез. Мікроспорогенез відбувається за симультанним і сукцесивним типами. У видів роду Salix і Chosenia arbutifolia спостерігається лише симультанний тип утворення тетрад мікроспор. У Populus X berolinensis i P. italica нами відмічені одночасно обидва типи утворення тетрад: і симультанний, і сукцесивний. Мікроспори в тетраді розташовуються частіше тетраедрично, рідше – ізобілатерально. Після розпадання тетради на окремі мікроспори, чотири дочірні клітини-мікроспори відокремлюються одна від одної і набувають округлої форми, в центрі кожної із них міститься ядро.

Формування пилку – це складний морфо-функціональний процес, який об’єднує в собі ряд послідовних етапів. У досліджених видів в процесі розвитку пилку мають місце три із п’яти етапів, виділених В.Р.Челаком (1991), а саме: 1) процес підготовки одноядерного пилкового зерна до поділу; 2) поділ одноядерного пилкового зерна; 3) процес підготовки генеративної клітини до поділу. Ядро одноядерної мікроспори приступає до поділу, коли мікроспора досягла значних розмірів і вже має добре розвинену інтину. До початку поділу ядро переміщується з центру мікроспори дещо ближче до оболонки. Внаслідок поділу ядра мікроспори утворюється вегетативна та генеративна клітини. Остання значно менших розмірів, ніж вегетативна, але має густішу цитоплазму, яка забарвлюється інтенсивніше. Стиглі пилкові зерна у всіх досліджених видів – двоклітинні, вкриті багатошаровою спородермою. Ділення генеративної клітини (сперміогенез) відбувається в пилковій трубці в процесі її росту в тканинах зав’язі.

Розвиток жіночої генеративної сфери. Закладання та розвиток насінних зачатків. У досліджених видів формується верхня паракарпна зав’язь, яка у видів родів Salix i Chosenia складається з 2, а у видів роду Populus – 2-4 плодолистків. У міру того, як розростаються плодолистки і формується зав’язь, на плацентах закладаються горбочки майбутніх насінних зачатків. Анатропні красинуцелятні однопокривні насінні зачатки характерні для видів родів Salix, Chosenia і для деяких видів роду Populus. У тих видів роду Populus (P. deltoides, P. laurifolia, P. pruinosa), у яких формуються два інтегументи, загальний розвиток насінних зачатків характеризується тим, що на ранніх етапах їх онтогенезу, крім зовнішнього, закладається і внутрішній інтегумент, який порівняно зі зовнішнім, значно відстає в розвитку, стаючи згодом майже непомітним. Потужний макроспорангій з одноклітинним і багатоклітинним археспорієм, з одним і двома інтегументами, з добре вираженим фунікулюсом, з 3-4-шаровою парієтальною тканиною, з провідним пучком, який з фунікулюсу заходить в інтегумент і проходить по його дорсальному боці та рядом інших ознак примітивної організації у видів родини Salicaceae нами віднесений до I типу – Casuarina (Є.Л.Кордюм, 1978).

Диференціація жіночого археспорія. Визначаючи тип жіночого археспорія, ми виходили з того, що вслід за Я.С.Модилевським (1963) та Є.Л.Кордюм (1968), археспоріальними вважаємо такі клітини, які здатні приступати до мейозу або в яких протікають хоч би перші його етапи. Власні дослідження свідчать, що у видів роду Salix жіночий археспорій одноклітинний. Що стосується жіночого археспорія у Chosenia arbutifolia, то за нашими даними (Н.Д.Шанайда, М.М.Барна, 1978) жіночий археспорій також одноклітинний (рис. 4). Найбільша розбіжність у літературі спостерігається щодо типу жіночого археспорія для видів роду Populus. Проведені нами детальні дослідження жіночого археспорія у видів роду Populus дозволили встановити, що у P. bolleana, P. X canescens, P. nigra, P. italica, P. deltoides, P. balsamifera, P. trichocarpa формується одноклітинний, у P. laurifolia, P. pruinosa – багатоклітинний, а в P. X berolinensis – “потенційно багатоклітинний” тип жіночого археспорія.

Аналіз цитоембріологічного дослідження 21 виду родини Salicaceae дозволив встановити структурну різноманітність жіночого археспорія у видів родів Salix, Chosenia і Populus і на цій основі скласти схему можливого напрямку еволюції археспорія в межах родини Salicaceae, яка відбувається за рахунок редукції кількості клітин (напрямок еволюції позначений стрілками).

Схема напрямку еволюції жіночого археспорія в родині Salicaceae

Багатоклітинний > “потенційно багатоклітинний” > одноклітинний

Рід Populus —> Рід Populus —> Рід Populus —

> Рід .Salix —

> Рід Chosenia

З наведеної схеми видно, що у видів роду Populus утворюються всі три типи жіночого археспорія і чітко простежується напрям його еволюції від багатоклітинного до одноклітинного. Одноклітинний археспорій характерний і для всіх досліджених видів родів Salix і Chosenia. На наш погляд, “потенційно багатоклітинний” археспорій є свого роду проміжним етапом на шляху редукції кількості його клітин і говорить про те, що процес формування жіночого археспорія в роді Populus ще не завершений.

Розвиток зародкового мішка. Проведені детальні дослідження макроспорогенезу та розвитку зародкового мішка 21 виду родів Salix, Populus і Chosenia свідчать про те, що у видів родини Salicaceae розвиток зародкового мішка відбувається за Polygonum-типом. Макроспорогенез завершується утворенням тетради макроспор. Три мікропілярні макроспори дегенерують, а халазальна – збільшується за розмірами і стає ініціальною клітиною зародкового мішка. Її ядро приступає до поділу, внаслідок якого утворюється двоядерний ценоцит, який супроводжується інтенсивним лізисом макроспор тетради. На стадії двоядерного ценоциту новоутворені ядра відходять до протилежних полюсів, формуючи довгувато-еліптичну структуру, в центральній частині якої утворюється велика центральна вакуоля. Згодом ядра двоядерного ценоциту приступають до поділу, внаслідок якого утворюється спочатку чотириядерний (рис.5,а), а відтак – восьмиядерний ценоцит. Ценоцитна фаза розвитку зародкового мішка після досягнення певної стадії змінюється клітинною (рис.5,б). У мікропілярній частині розміщений яйцевий апарат, до складу якого входить грушоподібної форми яйцеклітина та дві дещо вужчі синергіди. Центральна клітина містить, ближче до яйцевого апарату, два полярні ядра, які зливаються до запліднення. У завуженій частині зародкового мішка містяться три антиподи. Ми схильні вважати, що в процесі тривалої еволюції всі досліджені види зберегли вихідний тип розвитку зародкового мішка – Polygonum-тип, який підтверджує єдність їх еволюційного процесу.

Запилення. Встановлено, що у видів роду Populus за оптимального запилення в природних умовах на приймочку маточки попадає від 20 до 45, а за штучного запилення в лабораторно-тепличних умовах – від 35 до 120 пилкових зерен залежно від виду. У видів роду Salix у суху теплу погоду на приймочку маточки попадає від 12 до 30, а за штучного запилення від 20 до 85 пилкових зерен. Велика кількість пилкових зерен на приймочці, особливо за штучного запилення, у зв’язку з ембріологічною селективністю пилкових трубок у зав’язі, підвищує ступінь запліднення та зав’язування плодів. Позитивний ефект великої кількості пилкових зерен спостерігається на ранніх етапах їх проростання. Залежно від виду вже через 30-85 хв. після запилення пилок набухає, а ще через 30-45 хв. починає утворювати пилкові трубки. У видів родів Salix і Chosenia, в яких формуються пилкові зерна з порами, пилкові трубки виходять через пори, а у видів роду Populus, у яких утворюються пилкові зерна без пор, при їх проростанні екзина розтріскується, а інтина випинається в пилкову трубку. Дружне проростання пилку на приймочці маточки спостерігається за оптимального запилення унаслідок дії популяційного ефекту. У зв’язку з селективністю пилкові трубки утворюються у 3,4-62,7% пилкових зерен, у приймочку проникали 2,6-38,2% пилкових трубок і проростали в тканинах стовпчика 6,8%-24,7%, але до насінного зачатка доростає, як правило, лише одна пилкова трубка. Для всіх досліджених видів характерна порогамія, проте у Populus Х canescens нами в кількох насінних зачатках відмічено явище халазогамії. Період між запиленням і заплідненням у видів роду Salix триває 24-30 годин, а в родів Populus і Chosenia – 48-60, зрідка, за несприятливих погодних умов, – 72-80 годин.

Запліднення. Пилкова трубка проникає в зародковий мішок через одну із синергід, в яку виливає свій вміст разом із сперміями та продуктами розпаду вегетативного ядра, синергіда руйнується. Спермії через апікальний кінець синергіди виходять в проміжок між яйцеклітиною і центральною клітиною. Під час контакту спермія з яйцеклітиною його конусоподібна форма поступово змінюється: він набуває овальної форми, збільшується за об’ємом, його хроматин розрихлюється і занурюється в ядро яйцеклітини. Внаслідок об’єднання гамет утворюється диплоїдна зигота.

Другий спермій контактує і зливається з диплоїдним ядром центральної клітини. Злиття спермія з ядром центральної клітини відбувається аналогічно злиттю спермія з ядром яйцеклітини. Внаслідок об’єднання ядра спермія з ядром центральної клітини утворюється первинне триплоїдне ядро ендосперму. Процес сингамії відбувається дещо пізніше від початку потрійного злиття. Потрійне злиття в контрольованих умовах (tоС +20 – +22) залежно від виду продовжується 8-14 годин, а процес сингамії – 16-28 годин. У досліджених видів родини Salicaceae запліднення відбувається за премітотичним типом (О.М.Герасимовa-Навашинa, 1957). Вивчення процесу сингамії та потрійного злиття у видів родини Salicaceae показало їх подібність, що підтверджує єдність їх еволюційного процесу.

Ендоспермогенез. Ендосперм виникає завдяки поділу первинного ядра ендосперму, який передує поділу зиготи в середньому на 6-10 годин. У видів роду Salix первинне ядро ендосперму ділиться через 36-38 годин після запилення, у монотипного роду Chosenia – Ch. arbutifolia – через 40-42, а у видів роду Populus – через 56-66 годин. На час першого поділу зиготи у видів родів Salix і Chosenia в зародковому мішку міститься 2-4, у видів роду Populus – від 4 до 12 ядер ендосперму. У всіх досліджених видів ендосперм нуклеарний (рис. 6). Через 10-14 діб після запилення в мікропілярній частині ядерного ендосперму спостерігається процес клітиноутворення. Ендосперм представлений в процесі розвитку як єдина індивідуальна тканина статевого походження з високою фізіолого-біохімічною активністю, пристосованою в процесі еволюції видів родини Salicaceae до сукупного із зародком розвитку і забезпечення останньому життєдіяльності.

Ембріогенез. Ядро зиготи деякий час перебуває в інтерфазному стані (рис. 7). Перший поділ зиготи у видів родів Populus, Salix і Chosenia приводить до утворення двох генотипно ідентичних клітин, які відрізняються між собою за формою, розмірами та функціонально (рис. 8). Унаслідок численних мітотичних поділів, зініційованих апікальною клітиною, формується глобулярна структура зародка з базипетальним виникненням ембріодерми в апікльній його частині. Такого стану розвитку зародок досягає в різних видів у середньому через 8-12 діб після запилення. Через 10-14 діб у глобулярній структурі відбуваються процеси гістогенезу. Згодом через 14-20 діб після запилення починається диференціація зародка, внаслідок якої закладаються зачатки сім’ядолей. Зрілий зародок у всіх досліджених видів прямий, зеленого ко-льору (містить хлоропласти) та запасні речовини: жири, вуглеводи та білки. Ембріогенез у видів родів Salix і Chosenia відбувається за Asterad-типом, у видів роду Populus – P. pruinosa, P. deltoides – за Onagrad-типом, у P. bolleana, Р. X canescens, P. italica, P. X berolinensis, P. nigra, P. laurifolia, P. balsamifera, P. trichocarpa – за Asterad-типом. У досліджених видів родини Salicaceae нами виділені такі етапи ембріогенезу: Е1 – етап зиготи; Е2 – етап апікальної і базальної клітин; Е3 – етап глобулярного росту; Е4 – етап гістогенезу; Е5 – етап органогенезу; Е6 – етап фізіологічної зрілості зародка. Протягом усього ембріогенезу зародок і ендосперм виступають як єдина система, але потенційні можливості зародка виявляються за умови розвитку нормального ендосперму. В процесі росту і розвитку зародок живиться за рахунок ендосперму, про що свідчить близьке його розташування навколо активної апікальної частини зародка, лізис запасаючої тканини під час диференціації зародка.

ФІЛОГЕНІЯ, ЕВОЛЮЦІЯ ТА МІСЦЕ РОДИНИ SALICACEAE

В СИСТЕМІ КВІТКОВИХ

Філогенетичні зв’язки родини Salicaceae. У своїй філогенетичній системі А.Л.Тахтаджян (1987) зазначає, що порядок Salicales дуже близький до Violales, особливо до родини Flacourtiaceae. Причому зв’язки з Flacourtiaceae настільки тісні, що родина Salicaceae без особливих труднощів могла би бути включена в Violales.

Порівнюючи “ембріологічні діаграми” родин Salicaceae та Flacourtiaceae, ми дійшли висновку, що цитоембріологічні дані не заперечують філогенетичну близькість цих родин, оскільки між Salicaceae і Flacourtiaceae існує достатньо велика кількість подібних цитоембріологічних ознак (пиляк з 4 мікроспорангіями, 4-5-шарова стінка мікроспорангія, секреторний тапетум, клітини якого містять від двох до чотирьох ядер, тетраедральні