Глава 15. Цитоэмбриология растений. (В. А. Поддубная-Арнольди)

(См. более полный обзор с приложением литературы в статье: В. А. Поддубная-Арнольди. К истории цитоэмбриологии растений.- В сб.: "Из истории биологии", вып. 4. М., "Наука", 1973, стр. 3 - 40.)

Зарождение первоначальных знаний по цитологии и эмбриологии высших растений относится к далеким временам. Однако соответствующие дисциплины сформировались только в XX в.

До начала XX в. изучение эмбриональных процессов основывалось лишь на описательном методе. И только в начале века началось более детальное и глубокое исследование этих процессов, основными задачами которого стало сравнительное изучение различных эмбриологических признаков у представителей разных семейств и порядков. Оно диктовалось потребностями систематики, филогении, физиологии, биохимии, генетики и селекции. Ниже освещается история главным образом цитоэмбриологии покрытосеменных растений.

Строение пыльников и семяпочек

В начале XX в. особенно бурно стало развиваться изучение цитоэмбриологии покрытосеменных. Оно привело к накоплению новых интересных данных по развитию и строению пыльников и семяпочек, микро- и макроспор, мужского и женского гаметофитов, по прорастанию пыльцы и росту пыльцевых трубок, по оплодотворению, развитию и строению зародышей и эндосперма у представителей разных семейств.

Первое описание дифференциации пыльника было дано Е. Вармингом в 1873 г. Позднее многие исследователи описывали развитие пыльников у разных растений. В 1963 г. Т. Б. Батыгина, Э. С. Терёхин, Г. К. Алимова и М. С. Яковлев, исследуя пыльники некоторых представителей Gramineae и Ericaceae, пришли к заключению, что дифференциация тканей пыльника может происходить как в центробежном, так и в центростремительном направлениях, а тапетум может возникать как из париетального слоя, так и из ткани вторичного археспория. На этом основании они предложили различать четыре типа дифференциации стенки пыльника: I - Solanaceae, II - Ranunculaceae, III - Umbelliferae и IV - Ericaceae. Другую классификацию типов дифференциации стенки пыльника дала Г. Дэвис (1966). Основываясь на поведении вторичного париетального слоя, она различает базальный, двудольный, однодольный и редуцированный типы.

При изучении пыльников многие исследователи обращали особое внимание на тапетум - слой, наиболее близко примыкающий к спорогенной ткани. Были описаны секреторный и амебоидный типы тапетума. Существует мнение, что тапетум питает растущие и развивающиеся пыльцевые зерна, а также участвует в образовании экзины, так как на внутренней стороне клеток тапетума у представителей ряда видов были обнаружены сферические или слегка уплощенные овальные тельца ("тельца Убиша", или "орбикулы"), дающие реакцию на вещества, сходные со спорополенином (Дж. Роулей, 1963; К. Карниел, 1967).

Для многих покрытосеменных было описано развитие и строение семяпочек, даны классификации их типов, прослежена эволюция от более примитивных крассинуцеллятных с двумя покровами семяпочек к более высокоразвитым тенуинуцеллятным с одним покровом семяпочек (Ф. Нетолицкий, 1926; П. Махешвари, 1950; Г. Боке, 1959; Р. Капил, И. Вазил, 1963; М. И. Савченко, 1971).

Микро- и макроспорогенезы

У многих видов, гибридов, гаплоидов, полиплоидов, мутантов и апомиктов детально описаны разные фазы мейоза при микро- и макроспорогенезах; показаны особенности как нормального, так и нарушенного течения мейоза (Г. Д. Карпеченко, 1927 и позднее; Т. Гудспид 1954; К. Дарлингтон, 1937, 1965; А. Мюнтцинг, 1967; В. А. Поддубная-Арнольди, 1964, 1971). Эти данные значительно расширили и углубили представление о мейозе покрытосеменных.

Многочисленными современными исследованиями установлено, что нарушения нормального течения мейоза выражаются в образовании многоядерных археспориальных клеток, в перемещении хроматина из ядра в цитоплазму одной и той же или другой, рядом расположенной материнской клетки микроспоры (цитомиксис), в неодновременном расхождении хромосом к полюсам, в образовании мостов, уни- и поливалентов наряду с бивалентами, в выбрасывании хромосом за пределы веретена, в возникновении реституционных ядер, в образовании дополнительных ядер, отличающихся иногда ничтожно малыми размерами (микронуклеусы), в образовании наряду с тетрадами монад, диад, триад, полиад, клетки которых могут быть как одно-, двух-, трехъядерными, так и многоядерными.

Цитомиксис. Цитоплазматическая мужская стерильность

Цитомиксис был впервые описан Р. Гетсом в 1911 г. у Oenothera gigas. В настоящее время он изучен у многих покрытосеменных, причем установлено, что чаще всего он встречается у межвидовых и межродовых гибридов (К. А. Петрова, 1970). Кроме того, оказалось, что цитомиксис может быть вызван и неблагоприятными внешними условиями. В отношении причин цитомиксиса не существует, однако, единого мнения. Одни исследователи рассматривают его как артефакт, вызванный плохой фиксацией материала или механическим повреждением; другие считают его патологическим явлением, связанным с нарушением физиологического состояния ядра и цитоплазмы под влиянием гидридизации или неблагоприятных условий внешней среды; третьи указывают на то, что он может быть источником новообразований в потомстве, так как в результате цитомиксиса иногда образуются полиплоидные гаметы, а также гаметы, утратившие отдельные хромосомы или их фрагменты. Новейшие обзоры по цитомиксису принадлежат Ф. Вейлингу (1965) и Э. Л. Миляевой (1965, 1967).

Стало известно, что стерильность пыльцы не всегда связана с нарушениями правильности течения микроспорогенеза. Иногда и при правильном течении мейоза пыльца оказывается частично или полностью стерильной, как, например, у межвидовых гибридов, в роде Taraxacum (В. А. Поддубная-Арнольди, 1964), а также при молдавском и техасском типах цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС).

Некоторые исследователи считают, что ЦМС связана с нарушением нормального развития тапетума, которое выражается в заметном утолщении тапетального слоя, в образовании на отдельных его участках периплазмодия, в гипертрофическом разрастании отдельных клеток, в патологическом характере вакуолизации цитоплазмы, и наконец, в задержке дегенерации. Л. И. Орёл (1971) на основании исследований in vivo пыльцевых зерен кукурузы и пшеницы, пораженных ЦМС, пришла к заключению, что дегенерация пыльцевых зерен в этом случае связана с патологической вакуолизацией их цитоплазмы.

Мужской гаметофит

У разных представителей покрытосеменных как на факсированном, так и на живом материале, были описаны разные типы развития и строения мужского гаметофита и спермиев, темпы их развития, а также эволюция от более примитивного, двухклеточного к более прогрессивному, трехклеточному типу пыльцы (П. Махешвари, 1938, 1950, 1963; В. А. Руми, 1960, 1969; В. А. Поддубная-Арнольди, 1964, 1971).

Большой интерес вызывают пыльцевые зерна, подобные зародышевому мешку, описанные у Hyacinthus, Ornithogarum и Leptomeria billardieri. Причину возникновения пыльцевых зерен, подобных зародышевому мешку, Дж. Стоу (1934) видел в присутствии некрогормонов, под влиянием которых в пыльце вместо доминантной "мужской, потенции" проявляется "женская потенция". С. Найтани (1937) считал, что причина этого - воздействие температуры, а Л. Гейтлер (1941), отрицая в этом случае влияние внешних условий, утверждал, что подобное явление обусловлено генетически. Все это требует дальнейших исследований.

В практику изучения пыльцы и пыльцевых трубок как в СССР, так и за рубежом вошла методика тотальных препаратов, не разрезанных бритвой, предложенная Д. А. Транковским (1929). Н. В. Цингер и Т. П. Петровская-Баранова (1961) показали, что оболочка пыльцы пронизана живыми белками цитоплазмы и что она играет роль живой физиологически активной структуры, выполняющей весьма ответственные функции во взаимодействии пыльцы с окружающей средой. А. Горска-Брилас (1965), Т. П. Петровская-Баранова и Н. В. Цинген (1966) описали строение сферосом пыльцы и показали, что эти образования являются сложно устроенными органеллами, способными благодаря наличию в них целого ассортимента гидролитических ферментов выполнять активные физиологические функции. По их данным, сферосомы принимают участие в возникновении каллозных пробок пыльцевых трубок.

В 50 - 60-х годах разгорелась большая дискуссия по вопросу о роли вегетативного ядра пыльцевого зерна. Одни исследователи считают, что оно стимулирует рост пыльцевых трубок; другие придерживаются мнения, что оно играет активную роль в образовании спермиев; третьи склонны видеть в его существовании проявление атавизма. В. В. Финн, К. Ю. Кострюкова, Ф. Е. Руденко и другие описали спермии-клетки у многих покрытосеменных.

Женский гаметофит

Многие исследователи описали разные типы женского гаметофита покрытосеменных и дали классификации, отражающие эволюцию зародышевого мешка от более примитивного моноспорического типа к более высокоорганизованному тетраспорическому (Б. Пальм, 1915; А. Чиаруджи, 1927; К. Шнарф, 1936; Ф. Фагерлинд, 1944; И. Д. Романов, 1945; П. Махешвари, 1950; А. Рутисхаузер, 1969; и др.).

Было установлено большое разнообразие в строении, форме и жизнедеятельности синергид и антипод зародышевого мешка. Оказалось, что у некоторых растений синергиды и антиподы отличаются гигантскими полиплоидными ядрами и политенными хромосомами. Дискутируется вопрос о роли самих синергид и антипод. Существует мнение, что синергиды как секреторные органы играют важную роль, с одной стороны, в привлечении пыльцевых трубок к зародышевому мешку, с другой - в растворении оболочки пыльцевой трубки и высвобождении ее содержимого с помощью вырабатываемых ими ферментов (цитазы и пектазы). Е. Н. Герасимова-Навашина и С. Н. Коробова (1959) пришли к заключению, что в функции синергид входит также обеспечение более точного проникновения спермиев в зародышевый мешок.

Некоторые исследователи считают антиподы секреторными органами, выполняющими функцию снабжения пищей при росте и формировании зародышевого мешка и даже зародыша и эндосперма; другие отрицают наличие у антипод жизненно важных функций и рассматривают их как рудимент заростка.

Опыление и оплодотворение

В течение последних двух десятилетий стали уделять большое внимание опылению и оплодотворению покрытосеменных.

При изучении оплодотворения Герасимова-Навашина (1951 и позднее) не ограничилась его конечной фазой - слиянием половых клеток в зародышевом мешке; она учла также условия опыления и качество пыльцы. Признавая содержимое пыльцевого зерна единой оплодотворяющей системой ("гамоцитом"), Герасимова-Навашина предложила различать три тесно связанные друг с другом процесса, идущие в женских органах цветка под воздействием множества пыльцевых трубок, врастающих в пестик после опыления: 1) непосредственная прямая взаимная ассимиляция половых элементов, т. е. двойное оплодотворение (ортоспермия); 2) ассимиляция зародышевым мешком содержимого пыльцевых трубок без прямого объединения клеток (параспермия); 3) ассимиляция содержимого пыльцевых трубок материнскими тканями цветка, отражающаяся на формировании плода (метаспермия).

И. М. Поляков (1955, 1964, 1971) рассматривает опыление и оплодотворение как единый процесс, разделенный на три фазы: прогамную ("предбрачную"), фазу гамогенеза ("зарождение путем брака") и постгамную. Это представление о трехфазовости процесса оплодотворения вошло в научную литературу.

Наряду с оплодотворением немало работ касается прорастания пыльцы и роста пыльцевых трубок в тканях столбика, завязи и семяпочек в норме, при совместимых и несовместимых скрещиваниях, под воздействием различных внешних факторов.

Исследованиями Герасимовой-Навашиной было установлено наличие премитотического, постмитотического и промежуточного типов оплодотворения в зависимости от характера поведения ядер спермиев при их проникновении в женские ядра. Автор детально описала не только развитие и строение мужских гамет, прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок, но и изменение спермиев по мере их движения к женским гаметам и при двойном оплодотворении у ряда покрытосеменных. Она впервые обнаружила проникновение в зародышевые мешки Crepis capillaris и Taraxacum kok-saghyz большого числа пыльцевых трубок (до 10) и спермиев (до 20), а также описала случаи диспермии. Вхождение нескольких пыльцевых трубок в зародышевые мешки Myosurus minimus, Helianthus annuus, Taraxacum kok-saghyz, Calendula officinalis и ряда видов Veronica было обнаружено также М. В. Чернояровым (1915), Е. И. Устиновой (1951), В. А. Поддубной-Арнольди (1954) и другими.

Большая дискуссия развернулась вокруг вопроса о характере движения (пассивном или активном) генеративной клетки и спермиев в пыльце, пыльцевой трубке и в зародышевом мешке.

При изучении прорастания пыльцы, роста пыльцевых трубок в тканях пестика и оплодотворения при отдаленной гибридизации у гибридов и полиплоидов были обнаружены нарушения нормального течения этих процессов, выражающиеся в замедлении прорастания пыльцы, роста пыльцевых трубок и движения спермиев, в запаздывании и даже отсутствии их слияния с женскими ядрами, в дегенерации спермиев и т. д.

По оплодотворению покрытосеменных имеются обзоры О. Дальгрена (1927), Б.Вазара (1955, 1958), И. М. Полякова (1950, 1955), Е. Н. Герасимовой-Навашиной (1955), К. Штефена (1953), П. Махешвари (1960), В. А. Поддубной-Арнольди (1964), А. Рутисхаузера (1969).

Зародыш и эндосперм

В настоящее время как отечественные, так и зарубежные эмбриологи уделяют большое внимание изучению строения и развития гаусториев, зародышей, подвесков и эндосперма (на фиксированном и живом материале).

Наиболее выдающимися являются работы французского ученого Р. Суэжа, в течение более полувека исследовавшего развитие и строение зародышей у представителей многих семейств покрытосеменных и описавшего и классифицировавшего ряд их типов. Другие классификации типов зародышей были даны в обзорах К. Шнарфа (1929), Д. Джохансена (1950), П. Крэтэ (1963) и А. Рутисхаузера (1969). Направление исследований Суэжа и Крэтэ в настоящее время продолжают их ученики Ж. Гиньяр, Ж. Местр, М. Гурза и другие.

Уже много лет внимание исследователей привлекает зародыш злаков ввиду его необычайной сложности и своеобразия. Исследования подобного рода актуальны еще и потому, что имеют непосредственное отношение к проблеме происхождения однодольности. Оживленную дискуссию вызвали работы М. С. Яковлева (1951), М. С. Яковлева и М. Д. Иоффе (1951 и позднее), которые описали у пиона новый тип образования зародыша, названный ими типом пионовых. Как известно, у покрытосеменных, в отличие от голосеменных, каждое деление ядра у зародыша сопровождается образованием клеточной перегородки; у пиона же, как и у голосеменных, образуется многоядерный ценоцит, прежде чем начнут возникать клеточные перегородки. Некоторые исследователи описали развитие и строение зародышей у многих эфемеров, эпифитов, сапрофитов и паразитов (Б. Свами, 1942 и позднее; Л. Г. Маркова, 1949 и позднее; В. А. Поддубная-Арнольди, 1964; 3. И. Никитичева, 1971; и др.) и показали, что у этих жизненных форм в связи с их образом жизни зародыши обычно бывают нерасчлененные, редуцированные, т. е. такие, которые до полного созревания остаются недифференцированной клеточной массой. У некоторых древних покрытосеменных описаны очень маленькие, неполно развитые, но дифференцированные зародыши, развитие которых происходит после отделения семени от материнского растения, что указывает на их примитивность (И. В. Грушвицкий, 1961; И. А. Иванова, 1967).

Рене Суэж (1876 - 1967)

К. Уардлоу в книге "Эмбриогенез у растений" (1955) описал строение и развитие зародышей у водорослей, мхов, хвощей, плаунов, папоротников, голосеменных и покрытосеменных. Он показал, что развитие и строение яйцеклетки, зиготы и зародыша зависит от генетических, физических, химических и физиологических факторов, что зигота - очень сложная реактивная система, которая могла возникнуть только в процессе длительной эволюции. Многими исследователями описаны нарушения нормального течения эмбриогенеза, вызванные неблагоприятными внешними условиями, гибридизацией и полиплоидией и могущие приводить к частичной или полной стерильности (В. А. Поддубная-Арнольди, 1964).

Обстоятельные обзоры о строении и функции эндосперма принадлежат Р. Бринку и Д. Куперу (1947), П. Махешвари (1950), Я. С. Модилевскому (1950), Р. Вундерлих (1959), Р. Чопра и Р. Сахару (1963), М. И. Худяк (1963). В них описаны разные типы строения и развития эндосперма (нуклеарный, целлюлярный и гелобиальный), отмечена важная роль эндосперма в развитии зародыша, семени и плода, обсуждается вопрос его эволюции. В эндосперме часто отмечают нарушения правильного течения митоза и образование высокополиплоидных ядер.

Апомиксис

Уже в конце XIX в. было описано не связанное с оплодотворением апомиктичное развитие зародышей и эндосперма. Однако детальное исследование апомиксиса началось только с начала XX в.

В настоящее время известны следующие основные типы апомиксиса: партеногенез редуцированный и нередуцированный - развитие зародыша из яйцеклетки без оплодотворения с гаплоидным или диплоидным числом хромосом; апогаметия редуцированная и нередуцированная - развитие зародыша без оплодотворения из клеток синергид или антипод с гаплоидным или диплоидным числом хромосом; апоспория - развитие зародышевого мешка из клеток нуцеллуса или покрова семяпочки; нуцеллярная эмбриония - развитие зародыша из клетки нуцеллуса; интегументальная эмбриония - развитие зародыша из клетки покрова семяпочки (А. Густафсон, 1946 - 1947; В. А. Поддубная-Арнольди, 1964; А. Рутисхаузер, 1969; С. С. Хохлов, 1970; Д. Ф. Петров, 1963).

Среди известных типов апомиксиса особое место занимает семигамия, впервые описанная У. Батталиа (1947) у Rudbeckia Laciniata и R. speciosa. При этом явлении спермий входит в нередуцированную диплоидную яйцеклетку, но не сливается с ее ядром, а делится независимо от него, образуя несколько ядер. В результате возникает химерный зародыш, в котором одни ядра диплоидные, возникающие в результате деления ядра яйцеклетки, другие гаплоидные, образовавшиеся при делении спермия. Данные Э. Батталиа были подтверждены С. Н. Мовсесян (1968) и М. П. Солнцевой (1970).

Партенокарпия и полиэмбриония

Детальное цитоэмбриологическое исследование партенокарпии было проведено П. А. Барановым (1946) и М. И. Ивановой-Паройской (1938) для винограда; О. И. Рыбченко (1960) - для томатов и А. К. Дзевалтовским (1963) - для ряда тыквенных. Наиболее интересные обзоры по партенокарпии принадлежат Ф. Густафсону (1942), Б. Вазару (1955) и Л. А. Лудниковой (1970). Они подводят итог всему, что известно по партенокарпии, уделяют большое внимание выяснению причин ее возникновения и содержат классификацию ее типов.

По полиэмбрионии особенно интересны работы Дж. Осава (1912), А. Эрнста (1918), К. Шнарфа (1929), Дж. Уебера (1940), Б. Свами (1942 - 1949), А. Лебега (1952), М. С. Яковлева (1957), П. Махешвари и Р. Сахара (1963) и Т. Н. Наумовой (1971), которые не только значительно обогатили эмбриологию новыми данными, но и дали обзоры по полиэмбрионии, осветили вопрос о причинах ее возникновения и предложили классификацию ее типов.

Электронно-микроскопические исследования

В последнее время в исследовании цитоэмбриологических признаков высших растений получила применение электронная микроскопия. Особенно широко этот метод используется при изучении генеративных органов голосеменных. Первыми объектами субмикроскопических исследований эмбриологических признаков покрытосеменных были пыльца и пыльцевые трубки (Р. Шардар, 1958; Г. Боп-Хассенкамп, 1960). В настоящее время на субмикроскопическом уровне исследуются стенки пыльника, покровы семяпочки, микро- и макроспоры, мужской и женской гаметофиты, зародыш и эндосперм у разных представителей покрытосеменных.

И. Роулей, К. Мюлеталер и А. Фрей-Вислинг (1959), изучая оболочку пыльцы некоторых злаков, установили, что она пронизана каналами, через которые цитоплазматические нити (плазмодесмы) сообщаются с окружающей их цитоплазмой тапетума. Кроме того, они показали, что электронный микроскоп позволяет различить в структуре экзины очень тонкие детали, которые особенно интересны для полинологов. В клетках тапетума пыльника обнаружены эндоплазматический ретикулум, митохондрии, пластиды и диктиосомы.

М. Сассен (1964), А. А. Чеботарь (1968, 1970), Б. Вазар (1969, 1971) и другие показали, что генеративная и вегетативная клетки пыльцы, как и любая клетка организма, содержат митохондрии, пропластиды, пластиды, диктиосомы, сферосомы, рибосомы, эндоплазматический ретикулум, липидные глобулы и вакуоли.

В настоящее время особенно интенсивно метод электронной микроскопии для изучения эмбриологических признаков покрытосеменных использует У. Дженсен. По данным Дженсена (1964 и позднее), центральная клетка зародышевого мешка, яйцеклетка, синергиды, антиподы, зародыш и эндосперм у хлопчатника имеют эндоплазматический ретикулум, рибосомы, митохондрии, пластиды, аппарат Гольджи и пузырьки неизвестной природы. Оболочки ядер яйцеклетки, синергид и эндосперма имеют поры. Пластиды образуют крахмал, являясь, следовательно, амилопластами. Митохондрии имеют кристы. У более развитых зародышей пластиды приобретают ламеллы и становятся прохлоропластами. Яйцеклетка хлопчатника, по мнению Дженсена (1965), одета клеточной оболочкой не полностью, а только со стороны микропиле. Халазальный ее конец, как и центральная клетка, одета лишь плазменной мембраной. Яйцеклетка находится на низком уровне активности, о чем свидетельствуют ее недостаточно развитые митохондрии и диктиосомы. Органеллы центральной клетки более развиты, что указывает на ее высокую активность. Разница в уровне активности яйцеклетки и центральной клетки оказывает влияние на развитие зародыша и эндосперма.

В последнее время предпринимаются попытки исследовать на субмикроскопическом уровне и процесс двойного оплодотворения. По мнению У. Дженсена и Д. Фишера (1968), изучавших этот процесс у хлопчатника, одна из синергид дегенерирует перед вхождением пыльцевой трубки в зародышевый мешок, и именно в эту дегенерирующую синергиду пыльцевая трубка изливает свое содержимое. Эти исследователи категорически утверждают, что цитоплазма спермиев не входит ни в яйцеклетку, ни в центральную клетку и что при оплодотворении сливаются только ядра. Дженсен и Фишер предполагают, что цитоплазма спермиев остается в дегенерирующей синергиде. Дегенерация синергид проявляется в разрушении мембран, в результате чего плазмалемма, эндоплазматический ретикулум и органеллы становятся неразличимыми. При электронно-микроскопическом исследовании зародышевого мешка льна Ж. Вазар (1969, 1971) получила подтверждение, что одна из двух синергид дегенерирует перед вхождением пыльцевой трубки в зародышевый мешок и что это вхождение осуществляется именно через дегенерирующую синергиду.

Многообразие цитоэмбриологических признаков

По мере развития цитоэмбриологии покрытосеменных было обнаружено значительное многообразие цитоэмбриологических признаков и установлено, что такие признаки, как типы развития и строения тапетума пыльников, микроспор, мужского гаметофита, семяпочки, макроспор, женского гаметофита, прохождения пыльцевых трубок, оплодотворения, эндосперма, зародыша, подвеска, гаусториев, апомиксиса, партенокарпии и полиэмбрионии, характеризуя определенным образом ту или иную группу покрытосеменных, являются признаками систематическими и филогенетическими. При этом одни из них оказались примитивными, другие прогрессивными. Другие группы высших растений - мхи, плауны, хвощи, папоротники, цикадовые и хвойные - характеризуются иными чертами эмбрионального развития и строения, чем покрытосеменные, но и здесь признаки развития и строения мужского и женского гаметофитов с их антеридиями и архегониями, сперматозоидами и яйцеклетками, а также признаки развития и строения начальных стадий спорофита характерны для каждой отдельной группы и также имеют значение для систематики и филогении.

О происхождении покрытосеменных высказано много различных гипотез, но этот вопрос ввиду его чрезвычайной сложности и недостаточности наших знаний, прежде всего об ископаемых растениях, до сих пор не решен (см. также главу 2). Данные цитоэмбриологии пока только лишь вскрыли специфические особенности различных отделов высших растений, показав, что между покрытосеменными и высшими растениями любых других отделов существуют большие различия, причем наименьшее различие обнаружено между покрытосеменными и голосеменными. Согласно представлениям ряда исследователей, из всех голосеменных гнетовые обнаруживают наибольшее сходство с покрытосеменными, что, возможно, указывает на общность их происхождения.

При решении вопроса о происхождении покрытосеменных важно выяснить происхождение зародышевого мешка и двойного оплодотворения. Систематики, придерживающиеся гипотезы монофилетического происхождения покрытосеменных, считают, что зародышевые мешки и двойное оплодотворение являются настолько своеобразными и специфическими явлениями, что они могли возникнуть только однажды и в одном месте. К этому представлению склоняются и многие цитоэмбриологи.

Герасимова-Навашина (1958) высказала иную точку зрения. Она считает, что ни зародышевый мешок, ни двойное оплодотворение покрытосеменных не являются образованиями sui generis, что их возникновение основано на общих закономерностях клеточного деления и что они могли образоваться не один раз и в разных местах. Такое представление согласуется с мнением тех систематиков, которые отстаивают гипотезу полифилетического происхождения покрытосеменных. Для объяснения происхождения механизма двойного оплодотворения Герасимова-Навашина (1947) выдвинула "митотическую" гипотезу, согласно которой в основе этого процесса лежат те же факторы, которые действуют при всяком митотическом делении ядра и клетки.

В истолковании сущности двойного оплодотворения с самого начала открытия этого явления мнения ученых резко разошлись. Одни из них (Я. С. Модилевский, 1953; Н. В. Цингер, 1958; и др.) вслед за С. Г. Навашиным рассматривают оба слияния, происходящие при двойном оплодотворении, как половые, другие же (Э. Страсбургер, 1900; Э. Сержан, 1900; О. Порш, 1907; П. Шюргоф, 1926; Б. М. Козо-Полянский, 1949) расценивают второе звено двойного оплодотворения - слияние вторичного ядра зародышевого мешка со спермием как "вегетативное оплодотворение", как "стимул к росту", как заросток или как своеобразный "ментор". По мнению Р. Бринка и Д. Купера (1947), двойное оплодотворение является как бы компенсацией крайней редукции женского гаметофита; оно повышает активность эндосперма, давая этой ткани физиологические преимущества гибридизации.

В представлениях о происхождении зародышевого мешка покрытосеменных долгое время господствовала архегониальная гипотеза О. Порша (1907), согласно которой в зародышевом мешке Polygonum-типа имеются два полярно расположенных архегония, гомологичных архегониям голосеменных. В последнее время архегониальную гипотезу отстаивает французский ученый М. Фавр-Дюшартр (1964 - 1968, 1970), по в отличие от Порша он признает наличие у них не двух, а трех архегониев, из которых один одноядерный (яйцеклетка), а два других двухъядерные (синергида + верхнее полярное ядро и синергида + нижнее полярное ядро). Другие исследователи утверждают, что эти гипотезы противоречат известным теперь фактам о развитии и строении зародышевых мешков, особенно би- и тетраспорических типов.

В противовес архегониальной гипотезе происхождения зародышевого мешка выдвинута гнетовая гипотеза, которую настойчиво отстаивал Ф. Фагерлинд (1947). По мнению Махешвари (1948), гнетовая гипотеза наиболее привлекательна. Она могла бы стать рабочей гипотезой для стимуляции дальнейших исследований по вопросу о происхождении зародышевого мешка покрытосеменных. Согласно гнетовой теории, все клетки верхней части зародышевого мешка равноценны и каждая из них может дать начало зародышу; в зародышевом мешке покрытосеменных, как и гнетовых, архегонии отсутствуют. Некоторые исследователи считают, что редукция мужского и женского гаметофитов покрытосеменных зашла настолько далеко, что образование у них антеридиев и архегониев стало невозможным (Е. Н. Герасимова-Навашина, 1958).

Несмотря на наличие ряда гипотез происхождения зародышевого мешка и двойного оплодотворения, из которых здесь упомянуты наиболее интересные, вопрос этот не может считаться решенным.

Важное значение цитоэмбриологии для систематики внутри покрытосеменных впервые отмечено К. Шнарфом, который в своей книге "Сравнительная эмбриология Angiospermae" (1931) обобщил все известные к этому времени данные по эмбриологии покрытосеменных, расположив их по системе Р. Веттштейна (1924), и указал на те семейства, которые оказались недостаточно исследованными или вовсе не исследованными со стороны цитоэмбриологии. После этого появилось много работ по сравнительной цитоэмбриологии разных классов, порядков, семейств, родов и видов покрытосеменных (В. А. Поддубная-Арнольди, 1944 и позднее; М. С. Яковлев, 1950 и позднее; Г. Б. Родионова, 1967; Л. В. Кудряшов, Е. И. Савич, 1968; Е. Л. Кордюм, 1968; Г. М. Ильина, 1968; Н. Г. Афанасьева, 1971).

Для развития сравнительной цитоэмбриологии покрытосеменных особенно важное значение имели работы Махешвари (1950 - 1959) и его учеников, а также указанная ранее книга Г. Дэвис (1966) по систематической эмбриологии.

Применение эксперимента в цитоэмбриологии. Изучение цветения, опыления и плодоношения

Экспериментальный метод в исследовании эмбриональных процессов зародился совсем недавно, но с каждым днем его проникновение в эту область усиливается. Особое значение он приобретает в связи с развитием генетики. При помощи этого метода исследуют у многих покрытосеменных развитие пыльцы и зародышевого мешка, жизнеспособность пыльцы и рылец, прорастание пыльцы на рыльце, рост пыльцевых трубок в тканях пестика, оплодотворение, развитие зародыша и эндосперма через разные промежутки времени до и после опыления и оплодотворения. Многие исследователи анализируют влияние различных условий среды на течение эмбриональных процессов, пытаются объяснить причины несовместимости, часто наблюдаемой при межвидовых и межродовых скрещиваниях и при самоопылении перекрестноопыляющихся растений, а также выяснить причины стерильности. Этим методом изучают развитие пыльцы и зародышевого мешка, прорастание пыльцы, рост пыльцевых трубок, развитие зародыша и эндосперма при само- и перекрестном опылении, при опылении разным количеством пыльцы и пыльцесмесями, при отдаленной гибридизации, мутагенезе, гаплоидии и полиплоидии, при исследовании разных половых форм цветков и превращения одного пола в другой, при апомиксисе, полиэмбрионии и партенокарпии. Многие цитоэмбриологи, особенно советские, занимаются исследованием эмбриональных процессов у различных культурных растений для пополнения данных по биологии цветения и плодоношения, от знания которой зависит выбор того или иного метода генетико-селекционной работы с этими растениями.

В результате цитоэмбриологических исследований представления о биологии цветения, опыления и плодоношения многих культурных и дикорастущих полезных растений значительно расширились и стали более точными. Установлено также, что неблагоприятные внешние условия, мутагенез, гибридизация, гаплоидия и полиплоидия нарушают правильность течения эмбриональных процессов и приводят к понижению фертильности.

В настоящее время ученые не только описывают те или иные эмбриональные процессы, объясняют причины таких явлений, как нескрещиваемость, стерильность, изменение пола, гаплоидия, полиплоидия, апомиксис и т. д., но и пытаются воздействовать на них и добиться возможности управлять ими. Преодоление нескрещиваемости и стерильности, экспериментальное получение в одних случаях и подавление в других апомиксиса и полиэмбрионии, получение гаплоидии, полиплоидии и партенокарпии, продление жизнеспособности пыльцы и рылец - все это проблемы очень сложные; они являются в сущности не только цитоэмбриологическими, но и общебиологическими.

Длительное время цитоэмбриологические исследования культурных растений велись несистематически. Многие из них остаются до сих пор слабо исследованными или вовсе не исследованными в этом отношении. Ввиду того, что цитоэмбриологический анализ углубляет познание биологии цветения, опыления и плодоношения, планомерное изучение цитоэмбриологии культурных и дикорастущих полезных растений приобретает актуальное значение.

Физиология эмбриональных процессов

Цитоэмбриология покрытосеменных, становясь экспериментальной наукой, оказывается связанной не только с генетикой и селекцией, но также с физиологией и биохимией. Изучению физиологии и биохимии эмбриональных процессов способствует применение цито- и гистохимической методик. При помощи этих методик в клетках тапетума пыльника удалось обнаружить яркие положительные реакции на некоторые пластические и физиологически активные вещества, ферменты и витамины, что свидетельствует о физиологической активности этой ткани.

В настоящее время особенно много сделано в изучении физиологии и биохимии пыльцы, что получило отображение в обзорах Р. Бринка (1924), Дж. Иванами (1956, 1959), Б. Джори и И. Вазила (1961), И. Н. Голубинского (1961, 1971), X. Линскенса (1964, 1967), У. Розена (1968), Ж. Дексхеймера (1971). В своей обстоятельной работе по физиологии пыльцы и пыльцевых трубок Голубинский (1971) указывает на наличие взаимного влияния пыльцы в пыльцесмесях, проявляющегося в каждом отдельном случае по-разному.

А. Кубо (1956) и И. Вазил (1959, 1963) добились прорастания на искусственных питательных средах пыльцы ряда тыквенных, злаков, сложноцветных, вересковых и других растений, чего до сих пор не удалось сделать другим исследователям. В пыльце и пыльцевых трубках многих покрытосеменных обнаружены различные пластические, минеральные, физиологически активные вещества, ферменты и витамины.

В настоящее время показано, что пестики ряда покрытосеменных содержат хемотропические вещества, способствующие привлечению пыльцевых трубок к зародышевому мешку, однако химический состав этих веществ не выяснен. X. Линскенс (1969) объясняет направленный рост пыльцевых трубок к зародышевому мешку положительным гидротропизмом.

Н. В. Цингер, Т. П. Петровская, Н. Н. Полунина и В. А. Поддуб-ная-Арнольди (1961) при помощи гистохимической методики исследовали локализацию и динамику накопления пластических, минеральных и физиологически активных веществ, а также ферментов и витаминов в пыльце и пыльцевых трубках многих покрытосеменных. Они показали, что кончик пыльцевой трубки по сравнению с остальной ее частью отличается наибольшей физиологической активностью. Некоторые исследователи, считая, что пыльца богаче витаминами и ферментами, чем другие органы растений, ставят вопрос об ее использовании в медицине (Л. Цедруп, 1954).

По физиологии оплодотворения особого внимания из работ советских ученых заслуживают труды Е. А. Бритикова (1951 и позднее), И. Н. Львовой (1950, 1953), И. М. Полякова (1950, 1955) и С. И. Лебедева (1949, 1953).

Применение цито- и гистохимических методик показало, что опыление вызывает подъем физиологической активности и приток большого количества пластических, физиологически активных веществ, ферментов и витаминов к растущим и развивающимся женским генеративным органам.

Многими учеными установлено, что в зависимости от возраста и химизма пестиков рост пыльцевых трубок протекает нормально, замедленно, ускоренно или останавливается. Успешному прорастанию пыльцы, росту пыльцевых трубок в тканях рыльца, столбика и завязи способствует наличие ауксинов в пестике. Поляков (1955) отметил, что наличие в тканях пестика веществ группы витамина В является одним из важных условий прорастания пыльцы и роста пыльцевых трубок. Совместно с А. И. Дмитриевой (1959) он предложил новый метод исследования процесса оплодотворения при помощи маркирования пыльцы радиоактивными изотопами.

По изучению избирательности оплодотворения, закономерностей и механизмов этого явления много сделано Поляковым с сотрудниками (1950 - 1959) и П. В. Михайловой (1962).

В обзоре по "Физиологии опыления и оплодотворения растений" Бри-тиков (1957) показал, что обоюдная разнокачественность мужского и женского гаметофитов так же, как и различия в характере обмена веществ в разных частях пестика, способствует осуществлению взаимной избирательности в процессе оплодотворения.

П. М. Жуковский (1948, 1949) и С. И. Лебедев (1949, 1953) отметили важную роль каротиноидов в процессах спорогенеза и оплодотворения. Цингер и Поддубная-Арнольди (1956), обнаружив большое количество жира в момент оплодотворения у некоторых орхидных, также пришли к выводу, что этот жир выполняет не только трофическую функцию, но и является растворителем каротиноидов, играющих стимулирующую роль при оплодотворении.

Гистохимическая методика применяется теперь не только для исследования тапетума пыльника, пыльцы, пыльцевых трубок и оплодотворения, но и для исследования семяпочек, зародышевого мешка, зародыша, эндосперма, семени и проростков, что способствует познанию их физиологических и биохимических особенностей. В этом отношении в Советском Союзе больше всего сделано Цингер (1958), которая изучила физиологию семяпочек, семян и плодов некоторых покрытосеменных растений. Совместно с Н. В. Цингер Т. П. Петровская, Н. Н. Полунина, Т. С. Кантор и В. А. Поддубная-Арнольди (1961) провели гистохимическое исследование локализации и динамики накопления некоторых пластических, физиологически активных веществ и ферментов у отдельных представителей орхидных, бобовых, льновых и сложноцветных на разных фазах развития их генеративных органов.

Наряду с использованием цито- и гистохимических методик, способствующих пониманию физиологии и биохимии эмбриональных процессов, в последнее время начинают применять микрокиносъемку.

Применение искусственной питательной среды

За последнее время все более и более широкий размах приобретают работы по выращиванию цветков, соцветий, зародышей, эндосперма, завязей, семяпочек, пыльников и пыльцы на искусственной питательной среде in vitro в контролируемых условиях. Культивируя in vitro целые цветки или их части, ученые пытаются выявить факторы, ответственные за их развитие и дифференциацию, влияние на них различных химических веществ и показать, как проходят эмбриональные процессы in vitro и in vivo. Для преодоления нескрещиваемости в настоящее время разработаны методы искусственного опыления внутри завязи и искусственного оплодотворения цветков, отделенных от материнского растения и культивируемых на искусственной питательной среде.

В этом направлении особенно ценны работы индийских ученых школы Махешвари.

Панчанан Махешвари (1904 - 1966)

Махешвари и его учениками (1962) установлено, что при инъекции суспензии пыльцы в завязи Papaver somniferum, Eschscholzia californica, Agremone mexicana и A. ochroleuca пыльца хорошо прорастает непосредственно на семяпочках; пыльцевые трубки входят в них и производят оплодотворение, в результате чего образуются нормальные плоды и семена, хотя и несколько в меньшем числе, чем в естественных условиях. И. М. Поляков и В. П. Деревянко (1971), применив аналогичную методику, добились массового получения полноценных семян у Papauer somniferum путем "внутризавязного опыления".

При одновременной культуре пыльцы и неоплодотворенных семяпочек Papauer somniferum, Eschscholzia californica, Agremone mexicana, Nicotiana rustica, N. tabacum, Dicranostigma tranchetianum и некоторых видов семейства Caryophyllaceae на питательных средах Нича и Уайта в пробирках обнаружено прорастание пыльцы, оплодотворение, развитие зародышей, эндосперма, семян и взрослых растений (Н. Рангасвами, 1963; П. Махешвари и К. Канта, 1964; М. Ценктелер, 1969; Б. Джори, 1971). Опыление и оплодотворение семяпочек табака в культуре с последующим получением нормальных проростков было успешно проведено А. И. Здруйковской-Рихтер (1971). Подобное же наблюдалось и у гибридных растений.

Ценктелер (1969, 1970) применял технику искусственного опыления и оплодотворения в пробирке не только в тех случаях, когда пыльца и семяпочки принадлежали разным видам одного и того же семейства, но и в тех случаях, когда пыльца и семяпочки относились к разным семействам. Опыляя семяпочки Melandrium album пыльцой Datura stramonium, он наблюдал оплодотворение и образование двухклеточного проэмбрио, который, однако, вскоре дегенерировал. Эти приемы открывают новые перспективы для преодоления нескрещиваемости при несовместимости пыльцы отцовского растения с рыльцами, столбиками или самой завязью материнского растения.

Для селекционеров и генетиков особенно интересен метод культуры зародышей на искусственной питательной среде, так как он позволяет получить гибридные зародыши от таких скрещиваний, которые в обычных условиях не удаются (например, скрещивание пшеницы с элимусом), дает возможность преодолеть период покоя и ускорить прорастание труднопрорастающих семян (например, ириса) и получить раннеспелые сорта персика, черешни, вишни и миндаля в тех случаях, когда в обычных условиях зародыши абортируют в семенах.

Кроме того, этот метод помогает подойти к познанию физиологии и биохимии зародыша.

Дополнительным средством преодоления трудностей получения in vitro проростков из недоразвитых зародышей является культура соцветий, цветков и завязей. Она полезна также для понимания действия опыления, оплодотворения и вегетативных частей цветка (околоцветника) на развитие плода. Кроме того, эти опыты ставились многими исследователями для изучения влияния на женскую генеративную сферу различных веществ - кинетина, колхицина, тиамина, биотина, гиббереллина, казеинового гидролизата, томатного сока, дрожжевого экстракта и т. д. По культуре соцветий, цветков и завязей особенно успешными были опыты Ж. Нича (1949 и позднее) и П. Машехвари с учениками (1958, 1961 - 1963).

Было установлено, что зародыши могут возникать не только из половых, но и из соматических клеток каковыми являются клетки нуцеллуса и покровов семяпочки. В этой связи следует отметить работы Ф. Стьюарда и его учеников (1958 - 1967). Они показали, что при культуре изолированных клеток флоэмы моркови in vitro последние начинают делиться; образуются клеточные массы, подобные зародышам (эмбриоиды), которые развиваются во взрослые растения. В настоящее время доказано, что можно культивировать in vitro изолированные клетки почти любой живой ткани растения, за исключением, может быть, только древесины. Таким образом, растительные клетки отличаются тотипотентностью. В Советском Союзе работы Стьюарда и его школы были успешно повторены и продолжены Р. Г. Бутенко (1964, 1970).

Немало внимания уделяют в последнее время культуре пыльников, микроспороцитов и пыльцы на искусственной питательной среде (Дж. Тейлор, 1950; А. Шпароу, 1959; И. Вазил, 1959, 1963; Б. Джори, 1971; С. А. Резникова, 1970, 1971). Исследованиями по культуре in vitro изученных пыльников установлено, что на искусственной питательной среде мейоз, развитие микроспор и мужского гаметофита протекают так же, как и в естественных условиях, поэтому такая методика открывает перспективы для исследования физиологии и биохимии этих процессов в контролируемых условиях.

Искусственное получение апомиктов

За последнее время появились исключительно интересные работы с описанием образования эмбриоидов из пыльников и пыльцевых зерен при их культуре на искусственной питательной среде (С. Гуха и С. Махешвари, 1964 и позднее; Ж. Нич, 1967, 1969; К. Наката и М. Танака, 1968). У некоторых видов Datura и Nicotiana на искусственных питательных средах получены эмбриоиды не только из пыльников, но и из пыльцевых зерен.

В последнем случае они имели отцовский гаплоидный набор хромосом и потому были названы андрогенными.

Эмбриоиды из пыльцевых зерен, возникшие в результате повторного деления последних, сначала проходили глобулярную, а затем двусемядольную стадии. Затем они превращались во взрослые гаплоидные растения и цвели, но оставались стерильными. В дальнейшем, культивируя in vitro отрезки стеблей андрогенных гаплоидов, Ничу (1969) удалось удвоить число хромосом в их клетках и получить фертильные растения у некоторых видов Nicotiana. Культура пыльников и пыльцы in vitro открывает широкие перспективы для массового получения гаплоидных растений. Последние представляют большую ценность для генетиков и селекционеров, так как облегчают получение гомозиготных линий.

Экспериментальное получение гаплоидных растений возможно не только при помощи указанного метода. Их получают также в результате межвидовых и межродовых скрещиваний, при воздействии высокой и низкой температур, опылении рентгенизированной пыльцой, рентгенизирования яйцеклетки и т. д. В настоящее время не только получены гаплоидные растения у многих видов пшеницы, риса, ржи, ячменя, кукурузы, табака, дурмана, паслена, хлопчатника, скерды и многих других, но и сделаны попытки использования редуцированного партеногенеза в целях селекции. Г. Д. Карпеченко (1930, 1935) и М. С. Навашин (1933) первые указали на возможность применения гаплоидов в практической селекции. С. Чейз (1952) осуществил ее, получив у кукурузы большое число гаплоидов, а от них - гомозиготных диплоидов.

Искусственно удалось стимулировать также нуцеллярную и интегументальную эмбрионию (Г. Хаберланд, 1921; Я. С. Модилевский, О. В. Мартьянович, 1939). Однако зародышей, способных развиваться и превращаться в растения, в этих опытах получено не было.

Наибольший интерес представляет искусственное возбуждение нередуцированного партеногенеза, так как он дает нормальную плодовитость, повторяется в потомстве и сохраняет относительную константность. А. Мюнтпинг, А. Рутисхаузер и М. Христов, скрещивая между собой частично апомиктичные виды Potentilla, Ranunculus, Poa и Hieracium, получили в потомстве одновременно половые и апомиктичные растения. Они пришли к заключению, что апомиксис - сложное биологическое явление, обусловленное специфическими генами.

Обзоры по цитоэмбриологии

С накоплением знаний по цитоэмбриологии растений появились обзоры по общей и сравнительной цитоэмбриологии покрытосеменных. Первый из них, опубликованный в 1912 г., принадлежит американским ученым Дж. Культеру и Э. Чемберлену. Затем вышли обзоры П. Шюргофа (1926), К. Шнарфа (1927 - 1929; 1931), Р. Суэжа (1934), К. И. Мейера (1937, 1948, 1958), П. Махешвари (1950), Д. Джохансена (1950), Я. С. Модилевского (1953, 1956, 1963), П. А. Баранова (1955), В. А. Поддубной-Арнольди (1964), Е. И. Устиновой (1965), Г. Дэвис (1966), Д. Джори с соавторами (1967), А. Рутисхаузера (1969), И. А. Паламарчук (1970) и другие. Кроме того, опубликованы сводки по многим частным разделам цитоэмбриологии и руководства по технике цитоэмбриологических исследований.

Несмотря на то, что цитоэмбриология покрытосеменных в XX в. достигла значительного развития, многое предстоит еще сделать. Сравнительно-цитоэмбриологические исследования в настоящее время развиты недостаточно. Изучение физиологии и биохимии эмбриональных процессов, применение экспериментального метода пока еще только начались. Даже наиболее старый и заслуженный описательный метод как при световой, так и особенно при электронной микроскопии, далеко не исчерпал своих возможностей в изучении эмбриональных процессов. Несмотря на то что в ближайшем будущем особое внимание должно быть обращено на дальнейшее развитие экспериментального метода, его применение в изучении эмбриональных процессов не должно противопоставляться исследованию средствами описательной морфологии. Оба метода исследования одинаково важны и должны вестись параллельно. Только это может обеспечить дальнейший прогресс цитоэмбриологии растений.