Характеристика спорад микроспор у тетраплоидной линии кукурузы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристика спорад микроспор у тетраплоидной линии кукурузы

Л.П. Лобанова, А.Ю. Колесова, О.А. Шацкая, Ш.В. Магеррамов

Аннотация

Актуальность и цели. Исследование развития пыльцы у тетраплоидной линии кукурузы КрП-1 имеет большое значение для оценки возможности ее использования в селекционной работе. Цель работы заключалась в изучении спорад микроспор, а также особенностей их строения, которых в значительной степени определяют качество пыльцы и успешность оплодотворения.

Материалы и методы. Анализ тетрад микроспор у растений тетраплоидной линии кукурузы КрП-1 проводился на временных препаратах, окрашенных ацетокармином. Препараты анализировались на микроскопе “АхюБ1аг- р1ш” при увеличении 10^40. Фотографирование проводили при таком же увеличении с использованием программы визуализации “Zoombrowser”.

Результаты. Получены данные о количестве и качестве образовавшихся продуктов мейоза на стадии тетрад. Обнаружены тетрады микроспор с разными типами заложения клеточных перегородок и спорады с числом клеток, отличным от четырех. Образование аномальных структур в тетрадогенезе (монад, диад триад, тетрад с морфологическими отклонениями и полиад) может быть причиной частичной стерильности пыльцы или может привести к образованию нередуцированных и анеуплоидных гамет. Выявлена возможность образования микроспор аномально удлиненной формы в спорадах с различным числом клеток. Последнее предполагает наличие специфической мутации, изменяющей форму мейотических клеток у исследуемой линии кукурузы.

Выводы. Морфология спорад микроспор у тетраплоидных растений крайне разнообразна и обусловлена нарушениями деления ядер и заложения клеточных перегородок в мейозе. Однако высокий процент образования типичных тетрад микроспор свидетельствует о возможности образования у данной линии кукурузы достаточно большого количества фертильной пыльцы и эффективном ее использовании в селекции.

Ключевые слова: тетраплоидная кукуруза, микроспорогенез, аномальные спорады, нередуцированные и анеуплоидные микроспоры, атипичная форма микроспор.

Abstract

L.P. Lobanova, A. Yu. Kolesova, O. A. Shatskaya, Sh. V. Magerramov

CHARACTERISTICS OF MICROSPORES' SPORADES IN TETRAPLOID MAIZE LINE KrP-1

Background. The study of the pollen development in the tetraploid maize line KrP-1 is important for assessing the possibility of its usage in breeding work. The work aimed on the study of the microspores' sporades structure, the features of which largely determine the pollen quality and the fertilization success.

Materials and methods. The analysis of microspores tetrads in plants of the tetraploid maize line KrP-1 was carried out on temporary preparations stained with acetocarmine. The preparations were analyzed on an Axiostar-plus microscope at a magnification of 10*40. Photographing was performed at the same magnification using the Zoom browser visualization program.

Results. Data were obtained on the quantity and quality of the resulting meiosis products at the tetrad stage. Tetrads of microspores with different types of cell partitioning and sporades with a number of cells different from four were found. The formation of abnormal structures in tetradogenesis (monades, diades, triades, tetrades with morphological abnormalities and polyades) may cause partial sterility of pollen or lead to the formation of unreduced and aneuploid gametes. The possibility of the formation of microspores of anomalously elongated shape in sporades with different numbers of cells was revealed. The latter implies the presence of a specific mutation that changes the shape of meiotic cells in the studied maize line.

Conclusions. Sporades morphology in tetraploid plants are extremely diversified and are due to abnormalities in nuclear fission and cell walls initiation in meiosis. However, a high percentage of formation of typical tetrads of microspores indicates the possibility of the formation of a sufficiently large amount of fertile pollen in this line and its usage in breeding.

Keywords: tetraploid corn, microsporogenesis, abnormal Sporades, unreduced and aneuploid microspores, atypical form of microspores.

Введение

В настоящее время тетраплоидные линии кукурузы нередко используются для создания ее тетраплоидных сортов и гибридов, превышающих диплоидные аналоги по продуктивности и устойчивости к биотическим и абиотическим факторам среды [1, 2]. Решающее значение в такой работе имеет выбор исходных тетраплоидных форм, проводящийся на основе их морфологических и цитологических характеристик. Для повышения семенной продуктивности большое значение имеют особенности течения мейоза и характеристика сформировавшихся микроспор. Общепризнано, что в мейозе тетраплоидных растений кукурузы наблюдаются различные нарушения, и их количество зависит от степени сбалансированности генома [3, 4].

Качество мейоза в значительной степени определяет последующие процессы формирования мужского и женского гаметофитов. Однако стадии мейоза, на которых осуществляются кариокинез и цитокинез, сравнительно кратковременны, и при анализе мейоза сложно анализировать большое количество клеток на нужной стадии. Наиболее длительной и доступной для изучения является стадия тетрад, позволяющая выявить аномальные продукты мейоза (монады, диада триады, тетрады аномального строения и полиады).

Сопоставление измененных продуктов мейотического деления с причинами, которые вызывают их формирование, может значительно облегчить цитологический анализ аномального мейоза [5]. В связи с этим предполагается, что более рационально вначале проводить анализ продуктов мейоза на стадии тетрад, а затем анализировать причины, приведшие к появлению именно таких продуктов.

Цель данной работы заключалась в оценке качества спорад микроспор у тетраплоидной кукурузы КрП-1.

Материалы и методы. Материалом исследования послужили спорады микроспор тетраплоидных растений кукурузы (Zea mays L.) линии КрП-1, которая была получена в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства и в течение ряда лет подвергалась отбору на повышение фертильности и скороспелости на кафедре генетики Саратовского госуниверситета.

Результатом мужского мейоза у кукурузы в норме является группа из четырех спор, образующих изобилатеральную тетраду (рис. 1,а). Вследствие различных нарушений карио- и цитокинеза в мейозе у тетраплоидной линии кукурузы КрП-1 формировались разнообразные аномальные спорады (табл. 1). При анализе были обнаружены тетрады микроспор нетипичной формы и спорады с числом клеток, отличным от четырех. В среднем количество спорад аномального строения в проанализированной выборке растений составило 23,8 %. С наибольшей частотой встречались тетрады с различными морфологическими отклонениями (11,4 %).

Рис. 1. Формы тетрад микроспор у тетраплоидной кукурузы: а - изобилатеральная; б - линейная; в - т-образная; г - с косыми перегородками; д, е - с неравными по величине клетками. Увеличение ^х 400

Частота спорад аномального строения у большинства растений близка к среднему значению и варьирует от 19,4 до 24,8 %. Однако были обнаружены два растения, у которых количество аномальных спорад значительно отличалось от среднего показателя и составило 6,8 и 50 %. Эти растения достоверно отличались по данному признаку от других растений.

Таблица 1 Результаты анализа спорад микроспор у тетраплоидных растений

У тетрад с морфологическими отклонениями в основном наблюдалось изменение расположения клеток относительно друг друга. Такие структуры образуются чаще в результате изменения позиции веретен деления в мейозе, что вызывает линейное, т-образное или промежуточное положение микроспор в тетраде (рис. 1,б-г). В ряде работ отмечается, что возможной причиной изменения ориентации веретена могут быть изменения формы микроспороцитов [7, 8]. Считается, что в большинстве случаев нарушения, изменяющие позиции веретен деления в мейозе II (на перпендикулярное или диагональное), являются инертными и не влияют на дальнейшее развитие предшественников пыльцы. Другой тип нарушений связан с аномалиями деления ядер. Отдельные хромосомы, находящиеся вне хромосомных групп, и неравное распределение хромосом между полюсами служат причиной образования микроядер и микроспор разной величины (рис. 1,д,е), что свидетельствует о возможности появления анеуплоидных микроспор [9, 10, 11]. пыльца тетраплоидный кукуруза микроспора

В настоящей работе, кроме тетрад, были обнаружены различные типы монад, диад, триад и полиад.

Образование монад возможно при комбинации нарушений карио- и цитокинеза, поэтому морфологическая характеристика типов монад очень разнообразна. Их общая частота у разных растений варьирует от 0 до 30,3 %. Монады с числом ядер от одного до четырех образуются при разной степени блокировки процессов карио- и цитокинеза в ходе мейотических делений (рис. 2,а-в). Считается, что причиной формирования многоядерных монад являются множественные веретена и выпадение цитокинеза, или асинаптический мейоз с отсутствием цитокинеза (рис. 2, г). Появление монад с «тоннельным цитокинезом» или «рассеченных» монад с насечкой с внешней стороны определяется аномалиями веретена деления и неполным цитокинезом в мейозе I, а также полным выпадением цитокинеза в мейозе II (рис. 2,д-и) [5, 12].

Рис. 2. Типы аномальных спорад у тетраплоидной кукурузы КрП-1: а-г - монады с различным числом ядер; д, е - монады с тоннельным цитокинезом; ж, и - рассеченные монады; к - диада с 1-ядерными клетками; л - диада с одной 2-ядерной клеткой; м - диада с двумя 2-ядерными клетками; н-р - триады с 1-2-ядерными клетками; с - триада с рассеченной микроспорой; т, у - пентады; ф, х - гексады; ц - гептада. Увеличение ^х 400

Диады любого типа на стадии тетрад представляют собой аномальное явление и означают формирование у тетраплоидов 4п гамет. Образование различных по морфологии диад также является комбинацией двух и более типов нарушений в ходе мейоза. У тетраплоидной кукурузы КрП -1 зарегистрировано несколько типов диад. Диады с равноценными ядрами в обеих клетках являются результатом реституции ядер в результате выпадения первого или второго деления мейоза (рис. 2,к). Диады с одной двуядерной клеткой могут образоваться при выпадении второго мейотического деления в одной из клеток диады микроспор и нарушении цитокинеза во второй клетке (рис. 2,л). Диады с двумя двуядерными клетками образуются при подавлении цитокинеза в телофазе II (рис. 2,м).

Триада состоит из трех дочерних клеток. Отдельные микроспоры триады часто являются нередуцированными или анеуплоидными. Триады с линейным положение микроспор бывают двух типов. Линейная триада с одной двуядерной клеткой является результатом подавления цитокинеза в одной из клеток в телофазе II (рис. 2,н). Линейная триада из трех одноядерных клеток может образоваться в результате блокировки второго мейотического деления в одной из клеток диады (рис. 2,«). Т-образная триада с одной двуядерной клеткой появляется при комбинации двух аномалий: изменения взаимной ориентации веретен в метафазе II с параллелного положения на перпендикулярное и отсутствия образования клеточной перегородки в тело-фазе II (рис. 2,р). Предполагаем, что обнаруженная триада с насечкой в одной трехъядерной клетке могла сформироваться в результате образования трехполюсного веретена во втором делении и неполного цитокинеза (рис. 2,с).

Полиады микроспор включают разное число клеток, количество которых более четырех. У тетраплоидной линии кукурузы КрП-1 частота полиад у разных растений варьирует от 0 и до 5,3 %. Чаще всего встречались пентады, реже гексады и как единичные структуры - гептады. Число ядер в обнаруженных полиадах не всегда бывает равно числу клеток. Нередко клетки полиад кукурузы содержат по два ядра. Поскольку основной причиной появления полиад являются нарушения деления ядер в мейозе, то многие клетки являются анеуплоидными.

Доля пентад у отдельных растений может быть довольно высокой - до 5 % от общего числа просмотренных спорад. У тетраплоидных растений были обнаружены пентады с одноядерными клетками неравноценными по размеру, с одно- и двуядерными микроспорами и пентады с безъядерными цитопластами (рис. 2,т,у).

Гексады и гептады содержали соответственно шесть и семь клеток одинакового или разного размера, с одним или двумя ядрами (рис. 2,ф-ц). Гексады присутствовали у всех растений, которые содержали пентады. Гептады удалось наблюдать только дважды у разных растений.

Главная причина появления полиад - нарушение сегрегации хромосом и последующее образование дополнительных ядер. У злаков, с характерным для них последовательным цитокинезом, в разные клетки в норме расходятся только сестринские группы хромосом, находящиеся на полюсах одного и того же веретена. Несестринские ядра (например, микроядра) отделиться друг от друга при таком механизме цитокинеза не могут. Поэтому нарушения структуры биполярного веретена, приводящие к аномальному расхождению хромосом и образованию микроядер в мейозе однодольных, обычно вызывают образование спорад с дополнительными ядрами или микроядрами [12].

Считается, что появление полиад у однодольных возможно за счет формирования дополнительных случайно ориентированных клеточных пластинок на беспорядочно ориентированных фибриллах цитоскелета. Образовавшиеся затем дочерние клеточные мембраны рассекают клетку случайным образом независимо от того, как в ней располагаются микроядра. Ряд авторов полагают, что это единственный механизм формирования полиад в аномальном мейозе у однодольных [5, 12].

В этом плане образование трехполюсных веретен во втором мейотическом делении, обнаруженное у линии КрП-1 [13], вполне могло обеспечить появление спорад с числом клеток более 4 (пентад и гексад). Единичные гептады появляются, возможно, в результате образования разбросанных по клетке фибрилл цитоскелета. Следует отметить, что в этом случае многие микроспоры являются анеуплоидными.

На стадии сформировавшихся тетрад у всех растений были зарегистрированы спорады с различным числом клеток, одна из которых имела атипичную удлиненную форму. Аномально удлиненные микроспоры были обнаружены в диадах (рис. 3,а), триадах (рис. 3,6), тетрадах (рис. 3,в,г), пентадах (рис. 3,6) и гексадах (рис. 3,е).

Рис. 3. Атипичная форма микроспор в спорадах тетраплоидных растений: а - диаде; 6 - триаде; в, г - тетрадых; д - пентаде; е - гексаде. Увеличение ^х 400

Частота обнаружения спорад, содержащих микроспору аномальной формы, у растений линии КрП-1 варьировала от 0,2 до 7,6 %. Наиболее часто такие микроспоры встречались в тетрадах.

Образование спорад с микроспорами атипичной формы представляет значительный интерес, поскольку данные о формировании подобных структур в литературе не обнаружены. У линии КрП-1 они встречаются у всех проанализированных растений, и частота их образования у большинства растений превышает 3 %, что свидетельствует о неслучайных причинах появления этого признака. На неслучайный характер образования клеток аномальной формы указывает также присутствие у данной линии на всех стадиях мейотического деления микроспороцитов нетипичной удлиненной формы [13] и обнаруженная нами возможность передачи аномального признака при скрещивании линии КрП-1 с диплоидными линиями триплоидному потомству. Возможно, такие изменения формы микроспор вызваны специфической мутацией, влияющей на форму мейотических клеток. Можно предположить, что цитологической причиной появления таких клеток послужили нарушения в формировании цитоскелетных структур, одна из функций которых - определение формы клетки [14].

Заключение

Результаты проведенного исследования стадии тетрад микроспор тетраплоидной линии кукурузы КзП-1 позволили сделать следующее заключение:

- морфология спорад микроспор у линии КрП-1 крайне разнообразна и включает образование монад, диад, триад, типичных и аномальных тетрад, пентад, гексад и гептад;

- в тетрадах с морфологическими отклонениями наблюдаются изменения положения микроспор относительно друг друга (линейное, т-образное, промежуточное), а также образование неравных по размеру клеток, иногда с дополнительными ядрами;

- у всех изученных растений обнаружены спорады с различным числом клеток, одна из которых имела атипично удлиненную форму;

- формирование до 76 % типичных тетрад свидетельствует о возможности образования у данной линии достаточно большого количества фертильной пыльцы и использования ее в качестве донора диплоидных гамет и, в меньшей степени, полиплоидных и анеуплоидных гамет.

Библиографический список

1. Хатефов, Э. Б. К вопросу селекции тетраплоидной кукурузы / Э. Б. Хатефов, В. С. Щербак // Аграрная Россия. - 2011. - № 4. - С. 44-50.

2. Хатефов, Э. Б. Тетраплоидная кукуруза как перспективное направление в селекции / Э. Б. Хатефов, А. В. Хачидогов, Р. А. Гажева // Международные научные исследования. - 2015. - № 3 (24). - С. 166-171.

3. Семенов, В. И. Изучение характера конъюгации хромосом и анеуплоидии в связи с плодовитостью автотетраплоидной кукурузы / В. И. Семенов, Е. В. Семенова, Л. Ф. Капицына // Генетика. - 1969. - Т. V, № 10. - С. 67-83.

4. Хатефов, Э. Б. Семенная продуктивность тетраплоидной кукурузы и пути ее повышения в условиях Кабардино-Балкарии: автореф. дис. ... д-ра биол. наук / Хатефов Э. Б. - СПб., 2012. - 45 с.

5. Шамина, Н. В. Диагностикум аномалий растительного мейоза по его продуктам / Н. В. Шамина // Цитология. - 2006. - Т. 48, № 6. - С. 486-494.

6. Юдакова, О. И. Методы исследования репродуктивных структур и органов растений / О. И. Юдакова, О. В. Гуторова, Ю. А. Беляченко. - Саратов: Изд-во Саратов. гос. ун-та им. Н. Г. Чернышевского, 2012. - 38 с.

7. Penet, L. Premeiotic microsporocyte cell shape influences shape of tetrads during microsporogenesis / L. Penet // Int. J. Plant Sci. - 2012. - № 173 (4). - P. 375-381.

8. Volkova, O. A. A developmental study of pollen dyads and notes on floral development in Scheuchzeria (Alismatales: Scheuchzeriaceae) / O. A. Volkova, M. V. Re- mizowa, D. D. Sokoloff, E. E. Severova // Botanical Journal of the Linnean Society. - 2016. - Vol. 182, № 4. - P. 791-810.

9. Тырнов, В. С. Гаметофитные мутации / В. С. Тырнов, Н. Х. Еналеева // Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции. Т. 3. Системы репродукции. - СПб.: Мир и Семья, 2000. - С. 378-384.

10. Шамина, Н. В. Цикл реорганизации цитоскелета в делении растительной клетки: автореф. дис. . д-ра биол. наук / Шамина Н. В. - Новосибирск, 2005. - 32 с.

11. Ricci, G. C. L. Microsporogenesis in inbred line of popcorn (Zea mays L.) / G. C. L. Ricci, N. Silva, M. S. Pagliarini, C. A. Scapim // Genet. Mol. Res. - 2007. - № 6 (4). - P. 1013-1018.

12. Дорогова, Н. В. Структурная и функциональная организация цитокинеза у высших растений на примере мейотического деления в материнских клетках пыльцы: автореф. дис. . канд. биол. наук / Дорогова Н. В. - Новосибирск, 2003. - 18 с.

13. Магеррамов, Ш. В. Некоторые возможности статистического анализа для характеристики мейоза тетраплоидной кукурузы / Ш. В. Магеррамов, Л. П. Лобанова, А. Ю. Колесова // Специалисты АПК нового поколения (экономические науки): сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. - Саратов, 2016. - С. 457-460.

14. Ченцов, Ю. С. Введение в клеточную биологию / Ю. С. Ченцов. - М.: Академкнига, 2004. - 495 с.

References

1. Khatefov E. B., Shcherbak V. S. Agrarnaya Rossiya [Agrarian Russia]. 2011, no. 4, pp. 44-50.

2. Khatefov E. B., Khachidogov A. V., Gazheva R. A. Mezhdunarodnye nauchnye issle- dovaniya [International scientific research]. 2015, no. 3 (24), pp. 166-171.

3. Semenov V. I., Semenova E. V., Kapitsyna L. F. Genetika [Genetics]. 1969, vol. V, no. 10, pp. 67-83.

4. Khatefov E. B. Semennaya produktivnost' tetraploidnoy kukuruzy i puti ee povysheniya v usloviyakh Kabardino-Balkarii: avtoref dis. d-ra biol. nauk [Seed production of tetraploid maize and ways of its improvement in Kabardino-Balkaria: author's abstract of dissertation to apply for the degree of the doctor of biological sciences]. Saint-Petersburg, 2012, 45 p.

5. Shamina N. V. Tsitologiya [Cytology]. 2006, vol. 48, no. 6, pp. 486-494.

6. Yudakova O. I., Gutorova O. V., Belyachenko Yu. A. Metody issledovaniya reproduk- tivnykh struktur i organov rasteniy [Methods of researching plants' reproductive structures and organs]. Saratov: Izd-vo Saratov. gos. un-ta im. N. G. Chernyshevskogo, 2012, 38 p.

7. Penet L. Int. J. Plant Sci. 2012, no. 173 (4), pp. 375-381.

8. Volkova O. A., Remizowa M. V., Sokoloff D. D., Severova E. E. Botanical Journal of the Linnean Society. 2016, vol. 182, no. 4, pp. 791-810.

9. Tyrnov V. S., Enaleeva N. Kh. Embriologiya tsvetkovykh rasteniy. Terminologiya i kontseptsii. T. 3. Sistemy reproduktsii [Embryology of flowering plants. Terminology and conceptions. Vol. 3. Reproductive systems]. Saint-Petersburg: Mir i Sem'ya, 2000, pp. 378-384.

10. Shamina N. V. Tsikl reorganizatsii tsitoskeleta v delenii rastitel'noy kletki: avtoref. dis. d-ra biol. nauk [Cytoskeleton reorganization cycle in plant cell fission: author's abstract of dissertation to apply for the degree of the doctor of biological sciences]. Novosibirsk, 2005, 32 p.

11. Ricci G. C. L., Silva N., Pagliarini M. S., Scapim C. A. Genet. Mol. Res. 2007, no. 6 (4), pp. 1013-1018.

12. Dorogova N. V. Strukturnaya i funktsional'naya organizatsiya tsitokineza u vysshikh rasteniy na primere meyoticheskogo deleniya v materinskikh kletkakh pyl'tsy: avtoref. dis. kand. biol. nauk [Structural and functional organization of cytokinesis in higher plants by the example of myotic fission in pollen mother cells: author's abstract of dissertation to apply for the degree of the candidate of biological sciences]. Novosibirsk, 2003, 18 p.

13. Magerramov Sh. V., Lobanova L. P., Kolesova A. Yu. Spetsialisty APK novogo pokole- niya (ekonomicheskie nauki): sb. st. Vseros. nauch.-prakt. konf. [Agricultural sector specialists of new generation (economic sciences): proceedings of an All-Russia scientific and practical conference]. Saratov, 2016, pp. 457-460.

14. Chentsov Yu. S. Vvedenie v kletochnuyu biologiyu [Introduction into cell biology]. Moscow: Akademkniga, 2004, 495 p.

Размещено на Allbest.ru