Гаметициды и их применение в селекции

Страница 2

зы, которые образуют матрикс с пектиновым материалом, ге-мицеллюлозой и незначительным количеством белка. До пол­ного созревания пыльцевое зерно покрывается различными производными распадающегося тапетума — каротиноидами, липидами, белками и другими соединениями [130]. При даль­нейших фазах развития пыльцы эффективность действия га-метоцидов снижается [47, 65, 75, 80, 102].

Ранние этапы развития пыльцы тесно связаны с функцио­нальной активностью тапетума. Цитохимические и ультра­структурные исследования свидетельствуют, что тапетум фун­кционирует как источник питательного материала при разви­тии пыльцевого зерна. У покрытосеменных установлено два основных типа тапетума: гландулярный, при котором клетки по мере развития пыльцевых зерен дегенерируют до П9лного автолиза, и амебоидный [76]. В последнем клетки теряют свою оболочку, и протопласт тапетума распределяется между раз­вивающимися пыльцевыми зернами, образуя тапетальный пе­риплазмодий [61]. Мембраны такого тапетума могут прони­кать в экзину пыльцы. Питательный материал транспортиру­ется из клеток та'петума (возможно, предварительно метабо-ли'аируется им) к пыльцевым зернам .[62]. Взаимодействие та­петума и развивающихся микроопор максимально проявляет­ся при растворении каллозных оболочек микроспор. Исчезно­вение каллозы сопровождается развитием каллазной актив­ности. Энзим локализован в везикулах цитоплазмы тапетума [130].

Исследование (3-1,3-глюканазной активности в течение мей-оза я распада тетрад показало, что активность энзима резко возрастала, начиная со II мейотдческого деления, достигала максимума в фазу освобождения микроспор из тетрад и со­хранялась затем в течение 48 ч [82, 131]. Доказательством взаимосвязи между развивающимися пыльцевыми зернами и тапетумом, а также подтверждением кардинальной роли та­петума в образовании пыльцы служат работы по ЦМС [59, Gl, 62, 76].

В связи с тем, что применение гаметоцидов имеет целью индукцию мужской стерильности растений, для выяснения предполагаемых механизмов действия веществ с гаметоцид-'ной активностью необходима сравнительная оценка и анализ морфологических, цитологических и физиолого-биохимиче-ских различий фертильных растений и линий с ЦМС. Срав­нительная анатомия и биохимия тканей пыльников нормаль­ных и стерильных растений свидетельствуют, что абортивность развивающихся пыльцевь»х зерен является результатом вклю­чения или выключения более чем одного механизма, а также нарушений регуляторных процессов на различных уровнях 6

контролирования метаболических путей [62, 94, 98, 111]. Отме­чено, что у всех изученных линий с ЦМС 90% растений обла^-дали нормальным ходом микроспорогенеза до определенной фазы, на которой начиналась абортивность пыльцы, и толь­ко у 10% растений анормальность проявлялась еще до ста­дии, обусловливающей абортивность в результате более ран­них нарушений нормальных метаболических циклов. У боль­шинства видов (около 70%) деградация микроспор приходи­лась на период, начиная с мейоза 1 и включая интерфазу микроспор [94].

Одной из причин, вызывающих ЦМС растений, являются функциональные нарушения в метаболизме тапетума. Тща­тельное изучение этой ткани у фертильных и стерильных ли­ний, а также у восстановителей фертильности сорго показало, что у фертильных линий после мейотической профазы I тапе­тум быстро уменьшался в радиальной протяженности [52]. В стерильных пыльниках радиально расширенный тапетум обусловливает абортивность микроспор, и период его разра­стания приходится на стадию вакуолизации микроспоры. Та­петум стерильных пыльников по протяженности (в ширине) и морфологии имеет более широкую шкалу изменчивости, чем у фертильных линий. 'Размеры ширины тапетума стерильных пыльников связывают с дегенеративными процессами в мик­роспорах [62, 109, 111].

•При цитологических исследованиях клонов ежи сборной с ЦМС не было отмечено отклонений в развитии пыльника в течение архиспориальной стадии и стадии материнской клет­ки пыльцы по сравнению с нормальными растениями [94, 117]. Первые признаки различий в развитии появлялись в началь­ные фазы мейоза, что выражалось в разрушении некоторых микроспороцитов, в результате чего образовывалось малое количество тетрад у растений с ЦМС. Одновременно у сте­рильных растений наблюдалось более быстрое дегенерирова-ние тапетума, чем у фертильных. При сравнительном иссле­довании микроспорогенеза и развития пыльцы у фертильных и стерильных растений льна установлено, что стерильность пыльцы у этого растения достигалась анормальным разрас­танием клеток тапетума, которые медленно дегенерировали по сравнению с тапетумом фертильных растений, у которых величина этой ткани быстро уменьшалась, особенно после стадии тетрад. Очевидно, преждевременное или позднее вклю­чение деградативньгх механизмов тапетума может быть при­чиной функциональной мужской стерильности. У разных ви­дов растений эти механизмы имеют свой специфический ха­рактер, что необходимо учитывать при подборе гаметоцидов, их доз и сроков обработки.

• Цитологические исследования пшеницы показали, что на клеточном уровне ЦМС выражается в уменьшении размеров и числа органелл, характеризующихся низкой физиологиче­ской активностью и довольно быстрым дегенерированием [59]. У фертильных пыльцевых зерен органеллы клеток обиль­ны.

Различный уровень метаболической активности тапетума в нормальных и стерильных пыльниках и продолжительность его функционирования контролируется цитологами реакцией Фёльгена. Ядра клеток тапетума нормальных пыльников ин­тенсивно окрашиваются до формирования материнской мик­роспоры, после чего окраска прогрессивно уменьшается по мере коллапсирования тапетума. В тканях тапетума стериль­ных пыльников окрашивание ядер продолжает осуществлять­ся интенсивно после формирования тетрад и незначительно снижается в процессе развития микроспор [94]. Следователь­но, функция тапетума неразрывно связана с его определен­ной ролью при абортивности микроспор. У нормальных пыль­ников тапетум получает необходимый питательный материал, поставляемый растением, и преобразует его для формирую­щихся микроспор, что подтверждается поступлением Фёль-ген-положительных веществ в материнскую микроспору во время мейоза [93]. Тапетум стерильных пыльников имеет бо­лее низкий уровень метаболической активности, о чем сви­детельствует как низкая энзиматическая активность, так и изменение поступления Фёльген-положительного материала в спорогенные клетки в критические периоды их формирова­ния.

В процессе 'химической индукции мужской стерильности может происходить включение тех же механизмов, что и пр.и абортивности мужского гаметофита стерильных аналогов, где стерильность обусловлена ЦМС. Обработка растений кори­андра, вики и лука 0,01%-ным раствором ГМК вызывала 100%-ную стерильность у всех трех растений [60, 89, 90]. Пос­ле нанесения гаметоцида на растения кориандра тапетум уве­личивался и существовал вплоть до стадии вакуолизации микроспор. У контрольных растений тапетум дегенерировал после мейоза. У лука Г1МК, включался в процессы формиро­вания пыльцы, способствуя преждевременному дегенерирова-нию спорогенной ткани и материнских клеток пыльцы. У ко­риандра химическое индуцирование мужской стерильности проявлялось цитологически — размер ядер не изменялся, а клетки тапетума значительно удлинялись.

Предполагают, что вмешательство различных факторов в метаболизм клеток тапетума приводит к деградации и'х со­держимого и, в первую очередь, дезокоирибозидов — основ-

8

ного синтетического пула ДйК, необходимого для нормаль­ного развития материнской клетки пыльцы и микроспор. На­рушение деятельности тапетума при снабжеаии питательным ^материалом спорогенной ткани, вызванное различными при­чинами, обусловливает начало процессов деградации мате­ринской клетки пыльцы [134, 137].

Цитологические исследования пыльников растений с аук-син-индуцированной стерильностью, выращенных при про­должительном освещении, показали, что химические и физи­ческие факторы могут способствовать преждевременному де-генерированию тапетума с последующим снижением нормаль­ного передвижения питательного материала к спорогенной ткани. В процессе нормального развития пыльцы в начальных (самых ранних) этапах микроспорогенеза ткани тапетума разрастаются и только после завершения формирования мик­роспор в материнской клетке пыльцы дегенерируют. При гор­мональной индукции мужской стерильности гиббереллином (ГКз) и в условиях длительного естественного освещения