ІНСТИТУТ БОТАНІКИ ІМЕНІ М.Г. ХОЛОДНОГО

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Гасинець Ярослава Степанівна

УДК 581.3:582.711.71

ЕМБРІОЛОГІЯ ДЕЯКИХ ВИДІВ ROSOIDEAE ТА MALOIDEAE (ROSACEAE) У ФЛОРІ УКРАЇНСЬКИХ КАРПАТ

03.00.05 – ботаніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі ботаніки Ужгородського національного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Мандрик Віра Юріївна

Ужгородський національний університет,

професор

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України,

Кордюм Єлизавета Львівна

Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного

НАН України, завідувач відділом

клітинної біології та анатомії

доктор біологічних наук, професор

Барна Микола Миколайович

Тернопільський державний педагогічний

університет ім. В. Гнатюка, завідувач

кафедри ботаніки хіміко-біологічного

факультету

Провідна установа: Інститут екології Карпат НАН України, м. Львів

Захист відбудеться 06.11.2006 р. о _14__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.211.01 Інституту ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України за адресою: 01601, м. Київ, вул. Терещенківська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту ботаніки
ім. М.Г. Холодного НАН України за адресою: м. Київ, вул. Велика Житомирська, 28.

Автореферат розісланий 03.10.2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Виноградова О.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Родина Rosaceae багата на великі за обсягом поліморфні та поліплоїдні роди – Fragaria L., Potentilla L., Cotoneaster Medik., Crataegus L., Alchemilla L., генезис яких ускладнений алогамією, ало- і автополіплоїдією.

Особливістю видів Rosaceae є наявність апоміктичного способу насінної репродукції в різних його формах. На популяційному рівні в факультативних апоміктів знаковим є утворення агамно-статевих комплексів. Алогамія, в межах таких комплексних видів, сприяє подальшій концентрації ознак, що визначають регулярний апоміксис. Більш глибоке розуміння процесу репродукції полягає в дослідженні: 1) структури і розвитку багатоклітинного жіночого археспорія та його похідних у межах нуцелуса насінного зачатка; 2) функціонування спорогенного комплексу як у напрямі статевого відтворення (трансформації в мегаспороцити), так і апоміктичного (диплоспорія, апоспорія); 3) шляхів розвитку еуспоричних і апоміктичних зародкових мішків; 4) способів розвитку зародка, що утворюється внаслідок запліднення або партеногенезу. Вказані ознаки є кардинальними питаннями при вивченні особливостей насінної репродукції.

Актуальність теми. Дослідження ембріональних процесів та з’ясування способів насінної репродукції представників родини Rosaceae із флори Українських Карпат полягає в необхідності вирішення проблем активного відновлення природних популяцій, цінних у господарському відношенні видів та використанні їх у селекційній практиці. Ембріологія великих поліморфних родів родини Rosaceae в умовах Українських Карпат за даними деяких дослідників (В.Ю. Мандрик, 1980; О.Б. Колесник, 1996; Х.Л. Крч, 2003) маловивчена, зокрема в частині способу репродукції та форм апоміксису.

В літературі (H. Kihara, 1930; C.F. Rudloff, 1930; М.П. Солнцева, 1957, 1961, 1965; Н.П. Березенко, 1970; Н.Б. Сухарева, 1970, 1976, 1978; Х.Л. Крч, 2003) є дані, які стосуються ембріології видів роду Fragaria. Вказівка на Fragaria viridis (Duch.) Weston зустрічається тільки в генетико-селекційних працях, де F. viridis є одною із батьківських пар при міжвидовому схрещуванні.

Аналіз робіт (A. Rutishauser, 1949, 1959, 1960, 1967; В.Ю. Мандрик, 1990; Х.Л. Крч, 2000-2003) з ембріології видів обширного роду Potentilla свідчить, що вид Potentilla aurea L. в ембріологічному аспекті і на популяційному рівні малодосліджений, а відомості з Potentilla obscura Willd. – відсутні.

Вивчення закономірностей розвитку, функціонування і мінливості репродуктивних структур у видів, що належать до складних за генезисом поліплоїдних родів Potentilla, Cotoneaster, Crataegus, Alchemilla необхідне як для встановлення способу репродукції в цілому, так і визначення форми апоміксису зокрема. Доцільність такого вивчення має значення не тільки для констатації наявності апоміксису як одного із способів, що призводить до насінної репродукції, але і для визначення його форми. Форма апоміксису зумовлена не тільки різним ступенем відхилення від статевого відтворення і визначається генетично, але є і показником впливу екологічних факторів, що обумовлюють адаптацію видів до умов навколишнього середовища. Показник ступеня віддаленості від статевого процесу і наближення до одної із форм апоміксису виражається в дії або відсутності впливу пилкової трубки та функції спермія на розвиток таких ключових і невід’ємних ембріональних структур насіння як ендосперм і зародок.

У такому плані види родів Cotoneaster, Crataegus, Alchemilla у Карпатському регіоні, враховуючи різноманітність форм апоміксису, є маловивченими, зокрема Crataegus oxyacantha L., Crataegus monogyna Jacq., Alchemilla glabra Neyg. досліджені фрагментарно, а для Cotoneaster horizontalis Decaisne, Crataegus corallina hort., Alchemilla flabellata Bus. відомості з ембріології відсутні.

Важливим є вивчення стану локальних популяцій факультативних апоміктів Potentilla aurea в напрямі можливості утворення агамно-статевих комплексів в умовах високогір’я, як діагностичного виду альпійського та субальпійського поясу (К.А. Малиновський, В.В. Крічфалушій, 2002), де екологічні фактори впливають на продуктивність видів з різним способом репродукції. Поєднання способів репродукції в свою чергу є вирішальним фактором відтворення, збереження і поширення природних популяцій видів в умовах високогір’я.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі ботаніки Ужгородського національного університету в рамках комплексної науково-дослідної теми кафедри: „Розробка наукових основ охорони рідкісних і корисних рослин Карпат; особливості насінної репродукції видів родини Rosaceae в природних умовах”, з проблематикою: „Рослинний покрив Українських Карпат, раціональне використання та охорона” № держреєстрації 0100U005355.

Мета і завдання дослідження. Метою нашої роботи було вивчення особливостей розвитку, функціонування чоловічих і жіночих генеративних структур та способів насінної репродукції видів родини Rosaceae із підродин Rosoideae та Maloideae в природних популяціях Українських Карпат.

У зв’язку з дослідженням особливостей насінної репродукції завданням дисертаційної роботи було:

1. Вивчити мікроспорогенез, визначити ступінь фертильності та причини стерильності пилкових зерен.

2. Дослідити структуру та функціонування багатоклітинного жіночого археспорія в напрямі реалізації як мейотичної потенції, так і апоміктичної активності спорогенного комплексу та апоміктичної тенденції соматичних клітин нуцелуса.

3. Встановити спосіб репродукції. В локальних популяціях факультативних апоміктів визначити можливу наявність агамно-статевих комплексів.

4. Порівняти розвиток та взаємозв’язок ендосперма і зародка в статевих та агамних видів.

5. Визначити форми апоміксису. Встановити наявність або відсутність адвентивної ембріонії, як форми апоміксису, що найбільш наближена до вегетативного способу репродукції.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше вивчено особливості ембріональних процесів, що призводять до насінної репродукції в Fragaria viridis, Potentilla obscura, Cotoneaster horizontalis, Crataegus corallina, Alchemilla flabellata. Істотно доповнено уявлення про розвиток і функціонування чоловічих та жіночих генеративних структур у Potentilla aurea, Crataegus oxyacantha, Crataegus monogyna, Alchemilla glabra.

Вперше на популяційному рівні, у межах родини Rosaceae, на прикладі дев’яти видів із п’яти родів, проаналізований послідовний процес реалізації репродукції від статевого відтворення (Fragaria viridis) до факультативного апоміксису (Potentilla aurea), псевдогамії (Potentilla obscura), включно до апоміктів, у яких спостерігається автономна його форма (Cotoneaster horizontalis, Crataegus oxyacantha, C. monogyna, C. corallina, Alchemilla glabra, A. flabellata). Встановлено наявність агамно-статевих комплексів у факультативного апомікта Potentilla aurea. Вперше виявлено псевдогамію в Cotoneaster horizontalis та видів роду Crataegus. Визначено, що типовою для видів роду Alchemilla є адвентивна нуцелярна ембріонія.

В залежності від особливостей насінної репродукції встановлено показник фертильності та вказано причини стерильності пилкових зерен.

Вперше, в досліджуваних видів, з’ясовано видові особливості структури і функціонування багатоклітинного жіночого археспорія у напрямі як мейотичної потенції, так і апоміктичної активності спорогенного комплексу та апоміктичної тенденції соматичних клітин нуцелуса.

Встановлено, що в автономних апоміктів утворенню ендосперма передує розвиток зародка, що і є стимулюючим фактором ендоспермогенезу.

Практичне значення отриманих результатів. Цитоембріологічні дослідження необхідні як для глибокого розуміння онтогенезу, з метою вирішення питань систематики, філогенії і еволюції рослин, так і процесів репродукції. Отримані вперше результати щодо особливостей насінної репродукції та виявлення форм апоміксису істотно доповнюють існуючі відомості з ембріології видів Rosaceae в цілому. Одержані результати представляють інтерес для вирішення питань як таксономії в межах великих поліморфних родів і подальшої стратегії видів, так і репродуктивної біології.

В прикладному аспекті відомості про особливості репродукції на популяційному рівні є необхідними для виявлення шляхів до активного відновлення природного стану популяцій цінних у господарському відношенні й характерних для високогір’я Карпат видів родини Rosaceae, а також для визначення фертильності пилкових зерен і оцінки придатності їх, у зв’язку з наявністю тої чи іншої форми апоміксису як вихідного матеріалу для селекційних робіт. Матеріали можуть бути використані при читанні спецкурсу з цитоембріології рослин, зокрема в розділах „Апоміксис” та „Репродуктивна біологія” рослин у цілому.

Особистий внесок здобувача. Дослідження, представлені в дисертаційній роботі, виконані автором самостійно. Види Fragaria viridis, Potentilla aurea, P. obscura, Cotoneaster horizontalis, Crataegus oxyacantha, C. monogyna, C. corallinа, Alchemilla glabra, A. flabellata зібрано та опрацьовано безпосередньо здобувачем. Виготовлено та проаналізовано близько 2500 постійних препаратів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались на: конференціях Ужгородського національного університету (Ужгород, 2003-2006), ІІ Міжнародній конференції „Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти” (Львів, 2004), конференції молодих учених-ботаніків „Актуальні проблеми ботаніки та екології” (Канів, 2004), конференції молодих учених-ботаніків „Актуальні проблеми дослідження та збереження фіторізноманіття” (Умань, 2005), конференції присвяченої 60-тій річниці кафедри ботаніки Ужгородського національного університету (Ужгород, 2005).

Публікації. Опубліковано вісім праць, зокрема одна в Українському ботанічному журналі, три в Науковому віснику Ужгородського національного університету та тези з міжнародної конференції, конференцій молодих-учених ботаніків та конференції присвяченої 60-тій річниці кафедри ботаніки Ужгородського національного університету.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку літератури та додатку (загальний об’єм – 207 сторінок). Основний зміст роботи викладено на 107 сторінках машинописного тексту. В дисертації міститься 7 таблиць та 132 рисунка. Список літератури включає 188 назв, у тому числі 119 джерел іноземною мовою.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

РОЗДІЛ 1

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

Літературні відомості, що торкаються розвитку чоловічої генеративної сфери переважно носять генетичний характер (C.F. Rudloff, 1930; A. Rutishauser, 1945; J.S. Sax, 1954; H. Hjemquist, 1956; A. Muntzing, 1958; R. Czapik, 1962; R. Ismailow, 1984; K. Ptak, 1986). Питання розвитку та особливості функціонування чоловічих репродуктивних структур, у досліджуваних нами представників родини Rosaceae, залишаються маловивченими. Зокрема малодослідженими є процеси, які відбуваються при проростанні мікроспор у чоловічі гаметофіти, що переважно у видів Rosaceae призводять до утворення фертильних або стерильних пилкових зерен.

Основні літературні відомості (S. Murbeck, 1901; G. Boos, 1917; A. Rutishauser, 1947; J.S. Sax, 1954; H. Hjemquist, 1962; М.П. Солнцева, 1965; К.П. Глазунова, 1983; R. Ismailow, 1994; B. Eriksen, M. Fredrikson, 2000) стосуються розвитку і структури жіночої репродуктивної сфери. Дискутивними залишаються питання, що пов’язані з особливостями функціонування спорогенного комплексу та соматичних клітин нуцелуса. Нез’ясовані межі спорогенного комплексу в латеральній зоні нуцелуса, а отже, і походження диплоспоричних та апоспоричних апоміктичних зародкових мішків.

Не всі наявні ембріологічні дослідження, що стосуються дикорослих видів Rosaceae, були проведені на популяційному рівні. Інформація в такому аспекті досить обмежена. Скандинавські, середньоєвропейські та британські популяції видів Potentilla вивчались A. Hakansson (1946), B. Eriksen, M. Fredrikson (2000), H.R. Hunziker (1954), G.L. Smith (1963). Види роду Alchemilla були взяті тільки з окремих географічних областей – скандинавських (S. Murbeck, 1901), середньоєвропейських (E. Strasburger, 1905), південноамериканських (G. Boos, 1917), африканських (H. Hjelmquist, 1959). К.П. Глазунова (1981-1983) досліджувала ембріологію східноєвропейських видів Alchemilla. R. Czapik (1962), R. Ismailow (1986) вивчали види Potentilla та Alchemilla, що зростають на території Польщі. Способи репродукції в досліджуваних нами видів із Українських Карпат не вивчались.

Відсутні літературні відомості, що торкаються утворення зародка і ендосперма у видів з різною формою апоміксису, зокрема взаємозв’язку розвитку зародка і ендосперма.

РОЗДІЛ 2

ОБ’ЄКТИ, МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ТЕРМІНОЛОГІЯ

Об’єкти досліджень. Об’єктами вивчення були взяті дев’ять видів, які входять до п’яти родів родини Rosaceae, зокрема Fragaria viridis, Potentilla aurea, Potentilla obscura, Crataegus oxyacantha, Crataegus monogyna, Alchemilla flabellata, Alchemilla glabra, що природно зростають в Українських Карпатах та декоративні види – Cotoneaster horizontalis, Crataegus corallina, які широко культивують в парках та ботанічному саду Ужгородського національного університету.

Методика досліджень. Для цитоембріологічних досліджень проводили темпоральну фіксацію матеріалу в період від початкових стадій розвитку насінних зачатків до завершення цвітіння та утворення ендосперма і зародка. Матеріал фіксували сумішшю С.Г. Навашина, ФОС та Карнуа на місці збору матеріалу (Н.А. Наумов, В.Е. Козлов, 1954; З.П. Паушева, 1970). Зрізи фарбували за Фельгеном та залізним гематоксиліном за Гейденгайном, підфарбовуючи цитоплазму світлим зеленим та 0,5%-ним водним розчином еритрозину. Опрацьовано близько 2500 постійних препаратів. Для встановлення стерильності пилкових зерен використовувалась ацетокармінова методика (С.С. Хохлов, М.И. Зайцева, П.Г. Куприянов, 1978). Життєздатність пилкових зерен вивчалась шляхом пророщування їх на поживному середовищі агар-агар з концентраціями глюкози 15 та 20 відсотків. Мікрофотографії та рисунки є оригінальними та зроблені автором із власно виготовлених постійних та тимчасових препаратів за допомогою мікроскопу CARL ZEISS-JENA та CARL ZEISS AXIOSKOP, цифрової фотокамери Olympus „Camedia” C-450 Zoom і рисувального апарату РА-3. При цьому були використані об’єктиви та окуляри – 100?10, 40?10, 40?16.

Термінологія. Поняття ембріологічних термінів викладено у вигляді підрозділу в розділі 2.

РОЗДІЛ 3

ЧОЛОВІЧІ ГЕНЕРАТИВНІ СТРУКТУРИ

Розвиток і структура стінки пиляка. Стінка мікроспорангія у видів Rosaceae розвивається за типом дводольних (G.Z. Davis, 1966) і складається з ендотеція (фіброзного шару), двох середніх шарів та тапетуму. Тапетум секреторного типу. Особливістю для видів роду Crataegus є утворення трьох середніх та двох тапетальних шарів.

Особливості мікроспорогенезу та фертильність пилкових зерен. Мікроспорогенез, у досліджуваних нами видів родини Rosaceae, відбувається з значними порушеннями, які призводять до утворення нежиттєздатних пилкових зерен або дегенерації мікроспорангіїв у цілому, за винятком Fragaria viridis та статевих особин у популяціях Potentilla aurea. Аномалії проявляються на різних етапах розвитку мікроспорангіїв, а саме на: спорогенному, мікроспороцитному, мікроспоровому, гаметофітному. Найбільш ранні аномалії виникають на спорогенному етапі до утворення мікроспороцитів, який характеризується дегенерацією клітин спорогенної тканини або вже сформованого спорогенного комплексу.

Мейоз при мікроспорогенезі, зокрема стадія синапсису профази першого поділу мейозу, є критичною і після якої мікроспороцити дегенерують; подальші аномалії в мейозі проявляються в утворенні уні- і тетравалентів, а відтак у нерівномірному розподілі хромосом у анафазі I та у виникненні ядер з незбалансованим числом хромосом. Результатом вказаних аномалій є утворення поліад – мікроспор, яких буває більше, ніж чотири. Такі мікроспори містять одне або декілька макро- чи мікроядер, що відрізняються за набором хромосом і згодом дегенерують.

Відхилення на гаметофітному етапі розвитку чоловічого гаметофіта проявляються в період проростання зовнішньо морфологічно нормальних мікроспор і призводять до: 1) утворення двох вегетативних і одного генеративного ядер; 2) одного вегетативного і двох генеративних або різної асоціації таких ядер у різній кількості; 3) відсутності генеративної клітини або в утворенні двох – трьох рівних за величиною ядер.

У Fragaria viridis середній показник фертильних пилкових зерен у популяціях коливається від 82 до 90 %. Для видів роду Potentilla притаманна незначна кількість стерильних пилкових зерен 18-38 %. Рід Crataegus та Cotoneaster характеризуються значним відсотком стерильних пилкових зерен, а саме: від 62 до 68 % (Crataegus) та 56 % (Cotoneaster). Виняток складає Crataegus corallina у якого середнє значення стерильності пилкових зерен становить лише 26 %. Значний відсоток фертильних пилкових зерен у C. corallina можна пояснити тим, що даний вид у природі виник внаслідок алополіплоїдії з послідуючою автополіплоїдізацією. Наявність життєздатних пилкових зерен, які проростають на штучному поживному середовищі дає підстави вважати, що для цих родів, очевидно, можливе статеве відтворення та псевдогамія. У видів роду Alchemilla спостерігається значний відсоток стерильних пилкових зерен – 62-78 %, що дає підставу вважати, що пилкові зерна є аномальними та стерильними.

Наявність життєздатних пилкових зерен, зокрема в Fragaria viridis – 39-54 %, Potentilla aurea – 40-47 %, Potentilla obscura – 40 %, Cotoneaster horizontalis – 5,6 %, Crataegus oxyacantha – 4,9 %, Crataegus monogyna – 5,4 % , Crataegus corallina –
26 %, Alchemilla flabellata 0-0,5 %, які проростають на штучному поживному середовищі дає підстави вважати, що для цих родів, очевидно, можливе статеве відтворення та псевдогамія. В Alchemilla glabra життєздатних пилкових зерен не виявлено.

Найбільше значення середнього арифметичного діаметра пилкових зерен (в мкм) серед досліджуваних нами представників родини Rosaceae з різних популяцій спостерігається в Crataegus corallina (Ужгород) – 47,29±1,66, а найменше в Fragaria viridis (Оноківці) – 16,37±0,66. Показник діаметра серед гігантського пилку коливається від 23,49±1,33 у Fragaria viridis (Ужгород) до 77,84±4,27 Crataegus corallina (Ужгород). Найменше значення дегенерованого пилку знаходимо в Alchemilla glabra (пол. Рівна) – екваторіальний діаметр – 12,96±0,70, полярна вісь – 14,37±1,13, а найбільший у Crataegus corallina (Ужгород) – екваторіальний діаметр – 27,31±1,37, полярна вісь – 32,24±1,13 (табл. 1).

Таблиця 1

Середнє арифметичне діаметра пилкових зерен у досліджуваних видів

родини Rosaceae (в мкм)

№

п/п | Назва виду | Місцезростання | Нормаль-ні пилкові зерна | Аномальні пилкові зерна

Гігантсь-кі пилкові зерна | Карликові пилкові зерна

Екваторіаль-ний діаметр | Полярна вісь

1. | Fragaria viridis L. | Ужгород | 16,77±0,64 | 23,49±1,33 | 12,40±0,68 | 19,48±1,30

2. | Оноківці | 16,37±0,66 | 23,61±0,83 | 11,92±0,19 | 21,97±0,80

3. | Potentilla aurea L. | Близниці | 18,41±1,70 | 32,86±1,43 | 13,02±0,64 | 17,26±0,77

4. | Говерла | 17,85±1,20 | 32,59±1,24 | 12,86±0,48 | 17,59±1,32

5. | Піп-Іван Чорногірський | 18,03±1,39 | 32,78±1,09 | 13,02±0,45 | 17,91±1,48

6. | Potentilla obscura Willd. | Чорна гора | 22,78±1,35 | 31,00±1,13 | 13,95±0,69 | 17,88±1,72

7. | Cotoneaster horizontalis Decaisne. | Ужгород | 27,64±0,74 | 39,37±1,28 | 17,69±1,04 | 25,13±0,94

8. | Crataegus oxyacantha L. | Оноківці | 29,80±0,82 | 43,89±0,78 | 20,10±1,23 | 36,76±2,00

9. | Crataegus monogyna Jacq. | Оноківці | 30,76±1,11 | 45,79±1,44 | 21,03±1,13 | 32,19±1,81

10. | Crataegus corallina hort. | Ужгород | 47,29±1,66 | 77,84±4,27 | 27,31±1,37 | 32,24±1,13

11. | Alchemilla flabellata Bus. | пол. Рівна | 22,36±1,07 | 36,75±0,57 | 14,63±1,15 | 18,35±3,32

12. | Говерла | 21,41±0,88 | 29,16±1,82 | 13,21±0,59 | 14,93±1,11

13. | Alchemilla glabra Neyg. | підніжжя пол. Рівної | 22,48±0,76 | 32,24±1,37 | 12,96±0,70 | 14,37±1,13

14. | пол. Рівна | 18,69±0,59 | 29,06±1,75 | 13,09±0,86 | 14,81±1,34

РОЗДІЛ 4

ЖІНОЧІ РЕПРОДУКТИВНІ СТРУКТУРИ

Жіночий археспоріальний комплекс, структура та особливості функціонування. Властивістю жіночого археспорія Rosaceae є здатність первинних археспоріальних клітин до мітотичного поділу, в результаті якого утворюються клітини вторинного археспорія та двошаровий покривний комплекс. У Cotoneaster та Crataegus покривний комплекс дво-чотиришаровий.

Вторинні археспоріальні клітини родини Rosaceae повторно мітотично поділяються і утворюють дво-триярусний спорогенний комплекс клітин. У спорогенному комплексі можна виділити: центральні, латеральні та парієтальні клітини. В мегаспороцити трансформуються центральні та латеральні клітини. Парієтальні клітини мітотично поділяються на дочірні – еквівалентні, які набувають видовженої форми і мейотичної тенденції не проявляють. Такі клітини є межею спорогенного комплексу, по відношенню до соматичних, в латеральній частині нуцелуса.

Потужний красинуцелятний насінний зачаток складається з нуцелярного ковпачка. Кількість шарів нуцелярного ковпачка є видоспецифічною ознакою і варіює від двох до одинадцяти шарів клітин.

Кількість спорогенних клітин, що здатні трансформуватись у мегаспороцити варіабельна (від одної до чотирьох) і залежить від способу репродукції виду – статевого відтворення або апоміксису. Тетради мегаспор лінійні. Зародковий мішок розвивається із халазальної (Fragaria, Potentilla, Crataegus) або епіхалазальної (Potentilla, Cotoneaster, Crataegus, Alchemilla) мегаспори. В межах нуцелуса зустрічаються еуспоричні зародкові мішки дво-чотириядерної стадії розвитку, що розвиваються із мегаспор одної чи декількох тетрад.

Мегаспороцити в F. viridis виникають як із центральної вторинної археспоріальної клітини, так і з латеральних спорогенних клітин.

Функціонально в спорогенному комплексі Potentilla aurea та P. obscura можна виділити: клітини з мейотичною потенцією, які в статевих особин трансформуються у мегаспороцити та клітини, які в апоміктичних особин безпосередньо, мітотично, розвиваються в апоміктичні диплоспоричні зародкові мішки. Мейоз здійснюють один-два мегаспороцити, виникає одна-дві тетради мегаспор. Функціонує, як правило халазальна мегаспора, але потенційно життєздатні всі мегаспори тетради. В апоміктичних особин мегаспороцити і тетради часто дегенерують.

На ранніх етапах розвитку Cotoneaster horizontalis спорогенний комплекс має мейотичну тенденцію. Подальше функціонування спорогенних клітин здійснюється в двох напрямах: 1) клітини трансформуються в мегаспороцити, 2) стають ініціалями диплоспоричних зародкових мішків.

Особливістю видів Crataegus є закладання чотирьох-п’яти первинних та утворення одної-п’яти вторинних археспоріальних клітин. Виявлено кілька варіантів функціонування вторинних археспоріальних клітин: 1) безпосередньо трансформуються в мегаспороцити, здійснюють мейоз, виникають тетради мегаспор, які згодом дегенерують; 2) мiтотично поділяються на похідні клітини, з яких мiкропiлярні – верхні – стають мегаспороцитами, сягають стадії синапсису і дегенерують; 3) ядра їх, мітотично поділяючись, дають початок апомiктичним зародковим мішкам диплоспоричного характеру, які теж підлягають дегенерації.

В мегаспороцити у видів роду Alchemilla перш за все трансформується центральна клітина вторинного археспорія, у випадку її дегенерації – латеральні чи їх похідні. В мегаспороцити перетворюються дві-три спорогенні клітини, про що свідчить стадія синапсиса. Стійка тенденція до мейозу притаманна і для латеральних ярусів клітин, але в випадку утворення мегаспороцитів із центральної клітини вторинного археспорія чи її похідних, мейози в латеральних клітинах спостерігаються рідко. Мегаспороцитна стадія є найбільш тривалою. На даному етапі види роду Alchemilla не відрізняються від статевих видів. Тенденція до мейозу проявляється у наявності декількох мегаспороцитів і в тривалості їх існування. Одночасно цю стадію, очевидно, можна розглядати і як критичну в процесі мегаспорогенеза. Спорогенний комплекс і його похідні – мегаспороцити дегенерують витісняючись ініціальними клітинами апоміктичних апоспоричних зародкових мішків, що розвиваються із соматичних клітин нуцелуса в халазальній частині.

Аналізуючи розвиток, структуру та функціонування спорогенного комплексу Rosaceae, слід відмітити чотири етапи: 1) закладання первинного археспорія; 2) утворення вторинних археспоріальних клітин, їх похідних та покривного комплексу; 3) трансформацію спорогенних клітин у мегаспороцити; 4) мегаспорогенез та формування тетрад мегаспор.

Для видів родини Rosaceae притаманні два способи утворення і примноження спорогенних клітин: 1) тільки за рахунок латеральних клітин, які мітотично поділяються, в той час як центральна клітина вторинного археспорія безпосередньо трансформується в мегаспороцит; 2) всі клітини вторинного археспорія поділяються мітотично, внаслідок чого спорогенний комплекс набуває дво-триярусної структури.

Основним показником функціонування спорогенного комплексу є трансформація його клітин у мегаспороцити. Вказана ознака притаманна як для видів із статевим відтворенням (Fragaria viridis), так із апоміктичним способом розмноження – псевдогамним і автономним апоміктам (Potentilla aurea, P. obscura, Cotoneaster horizontalis, Crataegus oxyacantha, C. monogyna, C. corallina Alchemilla glabra, A. flabellatа).

Діагностичною ознакою для статевих видів є значна кількість мегаспороцитів. Мейотична потенція у межах спорогенного комплексу спадає від центру до периферії нуцелуса. Таке явище спостерігається і в апоміктичних видів. A. Rutishauser (1954) та H. Hjelmqust (1964) вважали, що вторинні археспоріальні клітини та їх похідні, які утворюють спорогенний комплекс, поступово соматизуються від периферії до центру нуцелуса. Таким чином, у мегаспороцити трансформуються, як правило, тільки центральні клітини спорогенного комплексу. Згідно проведених нами досліджень, спостерігаються явища коли центральні мегаспороцити дегенерують, а латеральні спорогенні клітини вступають у мейоз. Отже, очевидно, археспоріальні клітини та їх похідні не соматизуються від периферії до центру, а набувають здатності здійснювати мейоз у випадку дегенерації центрального мегаспороцита.

В статевих видів два-три мегаспороцити завершують мейоз, внаслідок чого формуються тетради мегаспор. Халазальні мегаспори розвиваються в зародкові мішки Polygonum-типу.

Особливості утворення та диференціювання жіночого гаметофіта. Розвиток еуспоричних та апоміктичних зародкових мішків. Для кожного роду і, навіть виду, можна накреслити особливості функціонування спорогенного комплекса, що корелюється із способом утворення еуспоричних – гаплоїдних чи апоміктичних – диплоїдних зародкових мішків (диплоспорія). Утворення апоміктичних зародкових мішків у Rosaceae поєднується з такою формою апоміксису як нередукований партеногенез.

Здатність подальшого функціонування соматичних клітин нуцелуса проявляється в утворенні апоспоричних зародкових мішків (Cotoneaster, Crataegus, Alchemilla) та адвентивної нуцелярної ембріонії (Alchemilla).

Розвиток жіночого гаметофіта – зародкового мішка здійснюється у статевих видів і статевих особин факультативних апоміктів із мегаспори за типом Polygonum. Яйцевий апарат розташований в апікальній зоні зародкового мішка. Антиподи ефемерні. Центральна клітина зародкового мішка містить два полярних ядра, які тривалий час контактують.

У нормі, в Fragaria viridis, у межах одного нуцелуса розвиваються один-два зародкові мішки. Генезис таких зародкових мішків можливий як із однієї тетради мегаспор, так і з халазальних мегаспор двох тетрад. Утворення диплоспоричних та апоспоричних зародкових мішків не виявлено.

Для видів Potentilla aurea та P. obscura характерне утворення еуспоричних, диплоспоричних та апоспоричних зародкових мішків. У статевих особин P. aurea халазальні мегаспори декількох тетрад здатні утворювати два, зрідка три, гаплоїдні еуспоричні зародкові мішки. В окремих насінних зачатках еуспоричні зародкові мішки дегенерують, що, очевидно, є стимулюючим фактором для диплоспорії. Для P. obscura характерний мітотичний розвиток диплоспоричних апоміктичних зародкових мішків із клітин спорогенного комплексу (диплоспорія), та, зрідка, соматичних клітин нуцелуса (апоспорія). Повної диференціації в статевих особин P. aurea досягають один-два еуспоричні зародкові мішки, а у псевдогамних P. aurea та P. obscura – один-два, зрідка, три диплоспоричні зародкові мішки.

На стадії розвитку зародкових мішків у Cotoneaster horizontalis функціонування клітин мегаспорангія в одному і тому ж нуцелусі можна розділити на три періоди: 1) еуспоричний, 2) диплоспоричний, 3) апоспоричний. Перший період пов’язаний з ранньою дегенерацією центрального мегаспороцита, здатністю латеральних спорогенних клітин трансформуватись у мегаспороцити, розвитком еуспоричних, гаплоїдних зародкових мішків. Другий період обумовлений активним розвитком із спорогенних клітин диплоспоричних зародкових мішків паралельно з дегенеруючим центральним мегаспороцитом або гаплоїдним еуспоричним зародковим мішком. Диплоспоричні зародкові мішки, як правило, досягають двоядерної стадії розвитку. Завершальним, третім, – є період утворення апоспоричних зародкових мішків, що розвиваються із соматичних клітин нуцелуса. В халазальній частині нуцелуса виникають ініціальні клітини (дві-п’ять) апоспоричних зародкових мішків, які в процесі розвитку витісняють всі структури спорогенного комплексу, в тому числі еуспоричні та диплоспоричні зародкові мішки.

У видів роду Crataegus спостерігаються два способи розвитку зародкових мішків: 1) еуспоричний, 2) апоспоричний. Розвиток жіночого гаметофіта відбувається із халазальної мегаспори. В C. corallina найбільш тривалу життєздатність, після халазальної, має мікропілярна мегаспора. Ознаки дегенерації у неї з’являються пізніше, ніж у середніх. У C. oxyacantha та C. monogyna три верхні мегаспори дегенерують швидко, а халазальна розвивається в зародковий мішок. Диплоспорія у досліджуваних видів не спостерігалась. В халазальній зоні нуцелуса виникають дві-три апоспоричні ініціалі, із яких розвиваються два апоспоричні зародкові мішки, що досягають повної диференціації.

Види роду Alchemilla характеризуються дегенерацією центрального мегаспороцита. Латеральні клітини здатні ставати мегаспороцитами, утворювати тетради мегаспор і еуспоричні зародкові мішки. У A. glabra та A. flabellatа центральні, латеральні мегаспороцити або тетради мегаспор дегенерують. Одночасно окремі латеральні клітини в межах спорогенного комплексу розвиваються мітотично в апоміктичні – диплоспоричні зародкові мішки, які рідко досягають повної диференціації. Весь спорогенний комплекс та його похідні дегенерують і витісняються апоспоричними зародковими мішками, що розвиваються із соматичних клітин зони халази. Повної диференціації досягає один, зрідка, два апоспоричні зародкові мішки.

Особливістю апоміктів із родини Rosaceae є здатність спорогенних клітин безпосередньо, мітотично поділяючись і диференціюючись, утворювати диплоїдні апоміктичні – диплоспоричні зародкові мішки. За діагностичними ознаками апомікти характеризуються: 1) незначною кількістю (один-три) мегаспороцитів; 2) дегенерацією центрального мегаспороцита, який на стадії синапсиса (зиготени) профази першого поділу мейозу дегенерує; 3) розвитком та диференціюванням диплоспоричних зародкових мішків; 4) утворенням та диференціюванням апоміктичних – апоспоричних зародкових мішків із соматичних клітин нуцелуса, що супроводиться дегенерацією всього спорогенного комплекса та його похідних в цілому.

Порівнюючи диференціацію гаплоїдних еуспоричних зародкових мішків, що утворюються із мегаспор за типом Polygonum, із диплоїдними, які мають спорогенне походження (диплоспорія) та диплоїдними зародковими мішками, які розвинулись із соматичних клітин нуцелуса (апоспорія), можна зробити висновок, що відмінність їх полягає в плоїдності. Диплоїдні зародкові мішки більші за розмірами, але за структурою такі зародкові мішки подібні до еуспоричних.

Отже, в розвитку, структурі та функціонуванні клітин нуцелуса насінного зачатку можна виділити такі етапи: 1) розвиток і функціонування нуцелуса як мегаспорангія, який включає – диференціацію жіночого археспорія, примноження клітин спорогенного комплекса, трансформацію спорогенних клітин у мегаспороцити та мегаспорогенез (мейоз); 2) мегагаметофітогенез – розвиток та утворення зародкових мішків (із мегаспори однієї тетради чи із різних тетрад), диференціацію елементів зародкового мішка притаманну статевому способу відтворення; 3) розвиток та функціонування в межах одного нуцелуса ембріональних жіночих статевих та апоміктичних структур у апоміктів, свідчить про потенційну здатність клітин нуцелуса розвиватись у зародкові мішки як із мегаспори, так і мітотично.

РОЗДІЛ 5

НАСІННА РЕПРОДУКЦІЯ ВИДІВ РОДИНИ ROSACEAE

В ПРИРОДНИХ ПОПУЛЯЦІЯХ

При вивченні способів репродукції на популяційному рівні необхідно враховувати такі важливі властивості як: 1) наявність у окремих видів тільки статевого процесу; 2) притаманність факультативного апоміксису, коли в межах виду є статеві і, паралельно, апоміктичні особини; 3) автономність апоміксису, в випадку якого, в межах окремих поліморфних родів є види, репродукція яких здійснюється без впливу пилкової трубки і функції сперміїв.

Статева репродукція. Серед досліджених видів, у якого виявлений виключно статевий спосіб відтворення, є Fragaria viridis.

Спільними ознаками для статевих видів F. viridis та статевих особин факультативного апомікта Potentilla aurea є: розвиток зародкового мішка за типом Polygonum, будова елементів зародкового мішка, проникнення пилкової трубки в зародковий мішок через мікропіле (порогамія) та вивільнення вмісту пилкової трубки в одну з синергід. Потрійне злиття відбувається в часі значно раніше, ніж запліднення яйцеклітини.

Факультативні апомікти і агамно-статеві комплекси. До факультативних апоміктів належить P. aurea, апоміктичні особини якої є псевдогамними (індукований партеногенез). Ембріональні процеси і структури притаманні видам із статевим способом репродукції здатні в одному і тому ж насінному зачатку замінюватись на апоміктичні – агамні, свідченням чого є наявність дегенеруючих і деструктивних структур – мегаспороцитів, тетрад мегаспор, еуспоричних зародкових мішків. У апоміктичних особин P. aurea зародкові мішки здатні мітотично розвиватись із спорогенних клітин (диплоспорія).

P. aurea в межах локальних популяцій утворює агамно-статеві комплекси, з наявністю як статевих, так і апоміктичних особин. Різне співвідношення статевого відтворення і апоміксису в популяціях, відповідно вертикальній зональності їх зростання – 78-22 % (г. Близниці), 68-32 % (г. Говерла), 60-40 % (г. Піп-Іван Чорногірський) свідчить, що у P. aurea домінує статевий спосіб репродукції.

P. obscura – псевдогамний вид, для якого характерна диплоспорія – партеногенез та апоспорія – партеногенез. Зародок розвивається партеногенетично. Злиття спермія з яйцеклітиною виявлено не було, оскільки спермій дегенерує. Ендосперм розвивається внаслідок потрійного злиття.

Агамоспермія. Автономний апоміксис (облігатний апоміксис). До автономних апоміктів належать види, яким, незважаючи на наявність у них ембріональних структур, зв’язаних із статевим способом репродукції, притаманний автономний апоміксис у таких його формах як диплоспорія – партеногенез, апоспорія – партеногенез. Від гаплоїдного, еуспоричного, апоспоричний зародковий мішок відрізняється наявністю крупних елементів яйцевого апарата, величиною полярних ядер, а пізніше і розмірами ядра центральної клітини, що зміщується у її мікропілярну зону. В окремих насінних зачатках Cotoneaster та Crataegus паралельно з автономним апоміксисом (апоспорія – партеногенез) встановлено контакт спермія і полярних ядер та злиття спермія з ядром центральної клітини, що характерно при псевдогамії. Особливістю автономних апоміктів є тривале зближення і контактування полярних ядер, а в результаті їх злиття, швидкий поділ ядра центральної клітини без участі спермія. Отже, досліджувані види Cotoneaster та Crataegus, на нашу думку, тільки умовно можна віднести до автономних апоміктів, оскільки в них нами виявлена і псевдогамія – утворення первинного ядра ендосперма внаслідок потрійного злиття полярних ядер і спермія.

Диференційовані зародкові мішки у A. glabra та A. flabellata апоспоричного походження. Входження пилкової трубки в зародковий мішок виявлено не було. Запліднення яйцеклітини, а також злиття спермія з ядром центральної клітини чи з одним із полярних не спостерігалось. Синергіди проявляють тривалу життєздатність і до дегенерації, як правило, приступають не раніше, ніж зародок досягає дво-, чотириклітинної стадії розвитку. Синергіди зберігають свої обриси, що свідчить про відсутність входження до них пилкових трубок.

Ядро центральної клітини функціонально відповідає і може розглядатися як еквівалент первинного ядра ендосперма, приступає до поділу на різних стадіях розвитку зародка. Певної закономірності у взаємовідношенні розвитку зародка, злитті полярних ядер і утворенні ендосперма саме в такій послідовності як це характерно для статевих і псевдогамних видів, у яких поділ первинного ядра ендосперма завжди передує поділу зиготи і утворенню зародка, не спостерігається.

Таким чином, для всіх популяцій досліджуваних видів Alchemilla характерний диплоїдний партеногенез, а апоміксис в цілому може визначатись як автономний. У виду A. glabra виявлена адвентивна нуцелярна ембріонія.

РОЗДІЛ 6

РОЗВИТОК ЕНДОСПЕРМА І ЗАРОДКА

Розвиток ендосперма. Статевий та апоміктичний способи репродукції Rosaceae обумовлюють різні вихідні шляхи розвитку ендосперма. Реалізація утворення первинного ядра ендосперма, при наявності різних способів репродукції, здійснюється в статевих видів Fragaria viridis та особин Potentilla aurea такими шляхами: 1) об’єднання спермія з одним (верхнім чи нижнім) з полярних ядер, після чого завершується потрійне злиття; 2) одночасне злиття спермія з полярними ядрами; 3) спермій зливається з ядром центральної клітини. В факультативного апомікта P. aurea та псевдогамного виду P. obscura, у яких апоміксис індукований і зародок розвивається партеногенетично, первинне ядро ендосперма утворюється внаслідок потрійного злиття (псевдогамія). При автономному апоміксисі Cotoneaster horizontalis, Crataegus oxyacantha, C. monogyna, C. corallina, Alchemilla glabra, A. flabellatа розвиток ендосперма започатковується злиттям тільки полярних ядер центральної клітини, що виключає вплив пилкової трубки і дію спермія на утворення первинного ядра ендосперма. Зрідка, в Cotoneaster horizontalis та видів Crataegus, спостерігається утворення ендосперма в результаті контактування або злиття полярних ядер чи ядра центральної клітини зі спермієм. У статевих видів та факультативних апоміктів утворення ендосперма передує розвитку зародка. Для агамних видів, у яких виявлений автономний апоміксис, розвиток зародка передує утворенню ендосперма. Розвиток зародка у видів Alchemilla glabra та A. flabellata здійснюється в нерозкритій пуп’янці, ще задовго до цвітіння і, очевидно, є стимулюючим фактором розвитку ендосперма, що розвивається без потрійного злиття. Ендосперм у представників родини Rosaceae нуклеарного (ядерного) типу, хоча в своєму кінцевому розвитку набуває клітинної структури.

Розвиток зародка. Ембріогенез у видів родини Rosaceae, згідно з класифікацією R. Soueges (1939), здійснюється за типом Geum, а за D.A. Jogansen (1950) відповідно до класифікації зародків дводольних – за типом Asterad var. Geum. Зародок в основному формується із апікальної клітини (са).

Для позначення складових частин зародка R. Soueges були введені спеціальні позначення у вигляді ключа, який позначається буквами латинського алфавіту. Із похідних апікальної клітини (са) виникають сім’ядолі (рсо) та верхівкова меристема стебла (pvt), що позначається: ca = pco + pvt.

Базальна клітина (cb) утворює підсім’ядольне коліно (phy), центральний циліндр кореня (icc), ініціальну клітину первинної кори кореня (iec), кореневий чохлик (co) та підвісок (s): cb = phy + icc + iec + со + s.

У виду Potentilla obscura нами виявлений розвиток зародка і за Solanad-типом var. Nicotiana (D.A. Jogansen, 1950). Згідно з класифікацією типів розвитку зародків (R. Soueges, 1939) всі клітини похідні апікальної клітини (са) утворюють всі основні частини зародка, а саме точку росту стебла (рvt), сім’ядолі (pco), гіпокотиль (phy), центральний циліндр (icc), кору кореня (iec): са = рсо + pvt + phy + icc + iec, а з базальної клітини (cb) формується тільки колеориза (со) та підвісок (s): cb = со + s.

В межах роду Alchemillа виявлена поліембріонія, а в А. glabra і адвентивна нуцелярна ембріонія. Апогаметія у видів Alchemillа зустрічається рідко. Поліембріонія у Potentilla зустрічається спорадично, а в Cotoneaster та Crataegus не виявлена.

Отже, як при статевому розмноженні, так і при апоміксисі, зокрема при гаметофітному апоміксисі, виникає взаємозв’язана система – ендосперм-зародок. Таку систему, в залежності від способу репродукції, можна класифікувати на: 1) ендосперм-зародок, де зародок і ендосперм виникає в результаті злиття сперміїв з ядром яйцеклітини і ядром центральної клітини – що характерно для статевих