АНДРОКЛИННЫЙ ЭМБРИОИД И ЗИГОТИЧЕСКИЙ ЗАРОДЫШ ПШЕНИЦЫ: ЧЕРТЫ СХОДСТВА И РАЗЛИЧИЯ
Н.Н.Круглова
Институт биологии Уфимского НЦ РАН
Метод культуры пыльников - один из наиболее перспективных биотехнологических подходов в современных генетико-селекционных исследованиях растений. В основе метода лежит явление андроклинии - образования гаплоидного растения из микроспоры или клеток пыльцевого зерна. Этот уникальный феномен связан с переключением развития спорогенных клеток с обычного для них гаметофитного пути на принципиально иной - спорофитный - путь развития. Смены поколений, характерной для условий in vivo, не происходит. Микроспоры или клетки пыльцевого зерна ведут себя подобно зиготам, формируя эмбриоиды – зародышеподобные структуры, которые далее дают начало растениям-регенерантам. Андроклиния рассматривается как особая нетрадиционная система репродукции растений.
В течение ряда лет нами изучаются эмбриологические аспекты явления андроклинии на примере коллекции генотипов яровой мягкой пшеницы. На наш взгляд, привлечение эмбриологической информации в данном случае совершенно необходимо. Описание развития пыльника на клеточном, тканевом и органном уровнях - необходимая методологическая основа для дальнейшего теоретического исследования андроклинии и успешного использования метода культуры пыльников в биотехнологической практике.
Накопленный экспериментальный материал позволяет включиться в дискуссию о роли и значении андроклинии в теоретическом анализе систем репродукции. Основная проблема в этой области исследования - системный подход в выявлении сходства и различий основных этапов морфогенеза зиготического зародыша in vivo
и андроклинного эмбриоида in vitro.Одна из основных задач – характеристика инициальных клеток, поскольку именно их развитие обусловливает последующий ход эмбрио- и эмбриоидогенеза. Детальный цитологический анализ инокулированных пыльников пшеницы в процессе культивирования свидетельствует о том, что инициальной клеткой андроклинии является микроспора на предмитотической сильновакуолизированной фазе развития (по разработанной нами периодизации). Эта клетка способна под действием факторов индукции (главным образом, адекватной концентрации гормона 2,4-Д в составе питательной среды) переключать программу своего развития с гаметофитной на спорофитную. Такую компетентную микроспору мы называем морфогенной, тогда как предмитотическую фазу расцениваем как критическую в онтогенезе этой клетки. По своей структурной организации (с точки зрения полярности и меристематичности) морфогенная микроспора сходна с зиготой – инициальной клеткой зародыша. Таким образом, по-видимому, можно говорить о некой универсальности в строении инициальных клеток различных систем размножения.
Дальнейший цитолого-гистологический анализ морфогенной микроспоры и зиготы пшеницы в динамике их развития с применением как световой, так и электронной (сканирующей и трансмиссионной) микроскопии позволяет сделать вывод о том, что эмбриоиду присущи основные признаки, установленные для зиготических зародышей (полярность, дискретность развития, клеточная и гистогенная дифференциация, автономность). Однако полного совпадения всех этапов морфогенеза зиготического зародыша
in vivo и микроспориального эмбриоида in vitro пшеницы не наблюдается. Сходство в развитии отмечено лишь на начальных этапах развития этих структур, вплоть до глобулярного. Дальнейшее развитие эмбриоида и зародыша происходит весьма своеобразно. Зародыш пшеницы проходит фазы дифференциации и органогенеза с формированием таких специфические для злаков органов, как щиток, колеоптиль, мезокотиль, колериоза, эпикотиль, лигула, эпибласт, а в целом – развитием типичного зрелого однодольного зародыша. Эмбриоид, берущий начало от морфогенной микроспоры пшеницы - представителя класса однодольных, развивается по двум направлениям: аналогично зародышу однодольных (с формированием характерных для злаков органов) и аналогично зародышу двудольных (с прохождением не характерных для злаков фаз сердечковидного, торпедовидного, изогнутого зародыша и с формированием зрелого двусемядольного зародыша). По-видимому, процесс культивирования in vitro создает благоприятные условия для реализации многих резервов морфогенной микроспоры пшеницы, как явных (развитие аналогично зиготе однодольных), так и скрытых (развитие аналогично зиготе двудольных).Таким образом, существует определенный параллелизм в морфогенезе андроклинного эмбриоида и зиготического зародыша пшеницы, однако полного сходства этих типов морфогенеза не наблюдается. Можно говорить лишь о сходстве инициальных клеток и начальных этапов эмбриоидогенеза
in vitro и эмбриогенеза in vivo.В целом, на наш взгляд, есть все основания выделять у пшеницы, как и у ряда других растений, особый тип вегетативной гомофазной (воспроизведение без мейоза и оплодотворения, т.е. без участия гамет и полового процесса) репродукции в условиях in vitro - эмбриоидогению.
С другой стороны, полученные нами данные позволяют включиться в еще одну важную дискуссию - обсуждение проблемы происхождения однодольных. Принято считать (например, "Эмбриология цветковых растений", 1981), что однодольные происходят от двудольных, и зародыш однодольного растения есть не что иное, как претерпевший раннюю девиацию зародыш двудольного растения, у которого произошло уменьшение числа симметрично расположенных боковых зачатков семядолей. Наши данные о сходстве развития части эмбриоидов пшеницы - однодольного растения и зародыша двудольных свидетельствуют, скорее, о том, что однодольные и двудольные эволюционировали параллельно, возможно, имея общего предка. Безусловно, этот важный вопрос требует дальнейшего исследования.
Вызывает интерес тот факт, что андроклинные эмбриоиды в ряде случаев формируют вторичные эмбриоиды. Детальный цитологический анализ вторичных эмбриоидов свидельствует о том, что они берут начало от эпидермальных или субэпидермальных клеток первичных эмбриоидов, которые, в свою очередь, характеризуются аномальным развитием и строением. Формирование вторичных эмбриоидов в культуру изолированных пыльников свидетельствует, по нашему мнению, об исключительно высокой степени тотипотентности морфогенных микроспор в условиях in vitro: к морфогенезу оказываются способны структуры, сами полученные в культуральных условиях за счет свойства тотипотентности клеток изначальных структур. Кроме того, тот факт, что вторичные эмбриоиды формируются только на аномальных первичных эмбриоидах, можно трактовать как реализацию скрытых резервов морфогенной микроспоры изучаемого злака.
Таким образом, эмбриологическая информация - необходимая основа как для теоретического исследования андроклинии, так и для превращения метода культуры пыльников в гарантированный биотехнологический прием.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 99-04-48496).