КУЛЬТУРА ИЗОЛИРОВАННЫХ ПЫЛЬНИКОВ ЗЛАКОВ: ТОЧКА ЗРЕНИЯ ЭМБРИОЛОГА. 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МОРФОГЕННОЙ МИКРОСПОРЫ

Н.Н.Круглова, О.А.Сельдимирова

Институт биологии Уфимского научного центра РАН, Уфа

Открытие андрогенеза in vitro у растений [7] – образования растения-регенеранта из микроспоры можно охарактеризовать как одно из самых значительных в биологии растений за последние 35 лет. Данный феномен лег в основу метода культуры изолированных пыльников и микроспор. К настоящему времени накоплен значительный эмпирический материал по изучению различных аспектов андрогенеза in vitro. Разрабатываются и эмбриологические основы этого интереснейшего феномена. Привлечение эмбриологической информации в данном случае совершенно необходимо. В сфере внимания именно эмбриологии находятся проблемы индивидуального развития растительного организма, познания сущности и причин происходящих при этом формообразовательных процессов как in vivo, так и in vitro [1].

Различают два пути морфогенеза в культуре пыльников злаков [3]: эмбриоидогенез (растение-регенерант возникает из микроспоры через формирование эмбриоида - зародышеподобной структуры) и каллусогенез (микроспора сначала формирует недифференцированный каллус, который дает начало растению-регенеранту после переноса на среду, индуцирующую органогенез).

Данная статья, состоящая из двух частей, посвящена эмбриологическому анализу культуры изолированных пыльников злаков. В первой части статьи будет дана характеристика микроспоры как инициальной клетки андрогенеза in vitro. Вторая ее часть будет посвящена анализу эмбриоида. Статья основана на данных, полученных сотрудниками лаборатории генетики и цитологии растений Института биологии Уфимского научного центра РАН при методической помощи д.б.н. Т.Б.Батыгиной (БИН РАН, Санкт-Петербург).

С эмбриологических позиций проблема образования морфогенных структур в культивируемых пыльниках связана с решением проблемы "переключения" развития микроспоры с обычного для нее гаметофитного пути на принципиально иной - спорофитный - путь развития.

Уже на ранних этапах работы по изучению андрогенеза in vitro возникло представление о существовании в пыльниках особой фракции морфогенетически компетентных микроспор, способных развиваться по спорофитному пути [15]. Вопрос о том, приобретается ли компетентность к спорофитному развитию только в условиях in vitro или морфологическим эквивалентом компетентных микроспор являются различного рода аномальные микроспоры, уже присутствующие в пыльниках in vivo, до культивирования, пока не решен однозначно, хотя имеется немало данных в пользу именно последнего предположения [4; и др.].

Характеристика морфогенной микроспоры как инициальной клетки - важный момент в понимании путей морфогенеза и способов формирования морфогенных структур. Морфогенная микроспора должна быть сходна с зиготой, дающей зиготический зародыш в случае амфимиксиса, и с клетками зародышевого мешка, нуцеллуса и интегумента, образующими адвентивные зародыши в случае апомиксиса. В ряде наших работ [6, 9, 11-14] действительно показано такое сходство. Можно полагать, что несмотря на специфичность систем размножения, строение всех инициальных клеток, дающих начало новым организмам, универсально.

Многочисленные исследования свидетельствуют, что благоприятная для инокуляции пыльников фаза развития микроспор (и, естественно, благоприятный в этом отношении период развития пыльника в целом) - один из основных факторов, определяющих успешное культивирование изолированных пыльников как злаков, так и представителей других семейств. Микроспоры реагируют на условия культивирования только в пределах ограниченного промежутка времени, который можно назвать "морфогенным окном".

Некорректны с точки зрения эмбриологии часто употребляемые термины "одноядерная микроспора" (это тавтология) и "одноядерное пыльцевое зерно" (такой фазы в развитии пыльцевого зерна нет).

К настоящему моменту исследователи не пришли к единому мнению о фазе развития микроспор, адекватной для начала культивирования пыльников. Согласно нашим данным [2] и данным большинства исследователей (например, [8]), оптимальной для индукции андрогенеза in vitro у злаков (в частности, пшеницы) является сильновакуолизированная фаза развития микроспор. Однако ряд исследователей сообщают об иных фазах микроспорогенеза, оказавшихся благоприятными для индукции андрогенеза in vitro у тех или иных видов злаков. Таким образом, данный вопрос остается дискуссионным.

К сожалению, исследования, включающие данные о состоянии стенки гнезда в момент инокуляции пыльников злаков, единичны. Между тем, на наш взгляд, учитывая подход к пыльнику как к интегрированной системе, такие данные совершенно необходимы: важно учитывать особенности состояния отдельных тканей стенки гнезда, взаимодействие их как друг с другом, так и с микроспорами. Так, по нашим данным, для стенки гнезда пыльника пшеницы в момент инокуляции характерны начало дегенерации клеток тапетума и среднего слоя, начало формирования фиброзных поясков в оболочках клеток эндотеция, начало кутинизации оболочек клеток экзотеция [3]. Кроме того, и собственно процессы развития эмбриоида и каллуса зависят от состояния тканей стенки гнезда пыльника в ходе культивирования [11].

Таким образом, роль соматических тканей в индукции и(или) ингибировании андрогенеза in vitro очевидна. Однако эта важнейшая проблема весьма далека от окончательного решения. В связи с этим необходимо развивать перспективный подход к культивируемым пыльникам как к сложным интегрированным системам.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 99-04-48496).

3. Горбунова В.Ю., Круглова Н.Н., Потапова Н.Н. Эмбриоидогенез в культуре изолированных пыльников пшеницы: цитолого-гистологические аспекты. Уфа, 1992, 64 с.

7. Guha S., Maheshwari S. In vitro production of embryos from anther of Datura // Nature. 1964, v. 204, N 4957, p. 497.

8. Hassawi D.S., Liang G.H. Effect of cultivar, incubation temperature and stage of microspore development on anther culture in wheat and triticale // Plant Breed. 1990, v. 105, N 4, p. 335-339.

10. Kruglova N.N. Morphogenic microspore as the initial cell of morphogenesis in wheat anther culture in vitro // Bulg. Journ. Plant Physiol., special issue. Varna, 1998, p. 37.

11. Kruglova N.N., Gorbunova V.Yu. Pollen embryoid and sexual embryo in wheat: similarity and difference // Proceed. XII Intern. Congr. on Sexual Plant Reproduction. Ohio, 1992, p. 36.

12. Kruglova N.N., Gorbunova V.Yu. Androgenesis in vitro and amphimixis: comparative analysis of the early stages in wheat // Proceed. XIV Intern. Congr. on Sexual Plant Reproduction. Lorne, 1996, p. 146.

14. Kruglova N.N., Gorbunova V.Yu., Potapova N.N. Cytological aspects of wheat anther culture // Proceed. XI Intern. Sympos. "Embryology and seed perpoduction". St.Petersburg, 1992, p. 292-293.

15. Sunderland N. Anther and pollen culture // Proceed. IV John Innes Sympos. "The plant genome". Norwich, 1980, p. 171-183.

КУЛЬТУРА ИЗОЛИРОВАННЫХ ПЫЛЬНИКОВ ЗЛАКОВ: ТОЧКА ЗРЕНИЯ ЭМБРИОЛОГА. 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МОРФОГЕННОЙ МИКРОСПОРЫ

Н.Н.Круглова, О.А.Сельдимирова

ANTHER ISOLATED CULTURE OF CEREALS: THE OPINION OF EMBRYOLOGIST. 1. CHARACTERISTIC OF MORPHOGENIC MICROSPORE