Актуальность тем. Род Tulipa L.насчитывает около 140 видов, них 66 видов (в том числе 48 -эндемы) произрастают в Средней Азии и Казахстане (Силина,1977). Средняя Азия является центром формообразования тюльпанов, многие из которых обладают высокими декоративными качествами (Еочанцева,I9S2). Огромное количество КУЛЬТУРНЫХ СОРТОВ СОЗДаНО. С участием таКИХ ВИДОВ, как ï.fosteri-ana Irv., T.greígii Regel, S.kaufmanniana Hegel, T.praestans Hoog ( Lefeber , i960). Несомненно, что надовой генофонд тюльпанов исчерпан далеко не полностью, свидетельство чему - ежегодно появляющиеся новые сорта с самими разнообразными свойствами, несущие явные признаки 'дикорастущих видов. В' связи с необходимостью сохранения видового разнообразия и естественных местообитаний тюльпанов многие виды уне взяты под охрану и занесены в Красные книги среднеазиатских республик так редкие и исчезающие. Ботаничес-ш сады призваны изучать такие ценные растения с целью их охраны, а такяе размножения, увеличения численности и создания базы для возможной в дальнейшем репатриации в природные местообитания (Ци~ цин,1975).
Основные работы по изучению дикорастущих тюльпанов принадлежат отечественным ученым. Исследовались вопросы систематики (Введенский, 1935; Силина, 1977) , эмбриологии (Романов,1944,1957,1965; Печеницьш,1972;Петрова,1977; Капинос и др.,1986), цитологии, морфологии (Бочанцева,1962; Данилова,Силина, 1962).биологии (Бочз;'-цеваД962; Шпак,1963; Абрамова,1965; Печеницын,1965; Шарипов, 1975) и физиологии тюльпанов (Каримов,1980; Сыртанова.Рахимбаев, 1983).
Как проблема сохранения и восполнения генофонда дикорастущих тюльпанов, гейетико-селекционной работы с ними, так и вопросы промышленного выращивания новых сортов выдвигают на первый план задачи познания факторов, влияющих на внутренние механизмы формообразовательных и эмбриональных процессов, а также сравнительно-эмбриологического изучения исходных форм, процесса гибридизации и гибридов.
Выявление закономерностей эмбриональных процессов у тюльпанов, обладающих различными типами тетраспорических зародышевых мешков, имеет существенное значение для.дальнейшего развития эволюционной эмбриологии, поскольку вопрос о прсисхотдеиии Lilioi-беае тесно связан с вопросом о возникновении зародышевого мепха
>гитаг1а -типа (Петрова, 1977).
Цель и задачи исследований. Целью работы явилось сравнительное и экспериментальное изучение морфологии и эмбриологии среднеазиатских видов тюльпанов для выявления общих закономерностей, присущих начальным этапам морфогенеза и развития генеративных структур, а также определения влияния внешних и-внутренних факторов на становление морфологических и эмбриональных, особенностей в онтогенезе и филогенезе.
Были поставлены задачи: провести комплексную оценку влияния пониженной температуры в различные сроки летнего периода покоя на морфобиологические особенности растений - от момента заложения монокарпического шбега до окончания его жизнедеятельности - с изучением морфогенеза и темпов роста каждого органа, коррелятивных связей между органами, деятельности пазушных меристем, пластичности изученных видов и проявления у них ответной реакции на пониженную температуру в. зависимости от времени воздействия и его продолжительности; исследовать развитие мужских генеративных . структур! установить возможности применения годичной пылыщ для селекции; провести сравнительное изучение развития всех пяти типов тетрасдорических зародышевых мешков у тюльпанов с выяснением особенностей распределения ядер мегаспор, двойного оплодотворения поведения нижнего полярного ядра и плоидности эндосперма, возможных причин встречающихся отклонений в развитии зародышевого мешка; выяснить эмбриональные аспекты межвидовой гибридизации и межвидовых .гибридов; исследовать 'влияние температуры, возраста цветет и положениясемяпочек в завязи на ход эмбриональных процессов, ■семенную продуктивность и наследование признаков при гибридизации; .разработать научные основы и рекомендации для интро-дукторов и селекционеров по активизации деятельности пазушных меристем, а также увеличению семенной продуктивности при внутри- и межвидовых опылениях.
Научная новизна работы. Впервые проведено изучение'зависимости характера ответной реакции при воздействии пониженной температурой от систематической принадлежности вида к подроду Егз-оэ-temones или подроду Ье1о8Ъетопез .времени и продолжительности обработки, а также положения органа на монокарпическом побеге. Установлено наличке морфогенетических градиентов, различных регу-лягорных систем и критического периода на начальных этапах морфогенеза репродуктивного побега. Доказано стимулирующее влияние
кратковременной обработки пониженной температурой на активизацию деятельности пазушных меристем.
Изучено развитие мужских генеративных структур у 33 видов. Показана возможность использования пыльцы длительного срока хранения для межвидовой гибридизации тюльпанов.
Для 9 видов впервые описан тип развития зародышевого мешка. Выявлены тип и особенности двойного оплодотворения, пловдность эндосперма для всех пяти типов зародышевых мешков тюльпанов. Исследованы особенности распределения ядер мегаспор. Предложена новая схема эволюции зародышевого мешка в роде Tulipa и в подсемействе Iiilioideae.
Впервые для растений с постмитотическим типом двойного оплодотворения описаны особенности эмбриональных процессов при межвидовой гибридизации. Установлены отклонения в развитии зародышевых мешков у межвидовых гибридов.
Изучена микрофенология тюльпанов. Показано влияние температуры, возраста цветка и положения семяпочек в завязи на ход эмбриональных процессов и семенную продуктивность при внутри- и межвидовых опылениях.
Положения, выдвигаемые для зашиты:
I. Начальным этапам морфогенеза и развития генеративных ■структур присущ ряд общих закономерностей, к которым относятся характер морфогенетического градиента, наличие критических периодов и автономных программ развития, существование корреляций между ростовыми процессам! и деятельностью меристем.
р. Резкое снижение активизации пазушных меристем тюльпанов произошло под влиянием аридизации климата Древнего Средиземья, причем основная причина этого - несоответствие температурного режима для оптимального течения процессов утилизации накопленного в луковице запаса питательных веществ. Свойственные тюльпанам возможности сохранились в геноме и проявляются при подстановке соответствующих условий.
3. Эволюция тюльпанов шла по двум направлениям: микротермно-му - виды подродаEriosteoones и мезотермному - виды подрода Leiostemones . Первые распространились значительно шире, заняв северные части ареала рода Tulipa и области с умеренным климатом, освоив экологические ниши с наиболее ранним цветением и характеризуются градиентом ускорения морфогенетических процессов органов репродуктивного побега под влиянием пониженной температу-
ры в летний период, наличием Eriostemones -типа зародшевого мешка, 5-слоиной стенкой пыльника, ранними сроками залонения женского археспория, образования двуклеточной пщыщ и цветения. Для лодашшздего большинства видов подрода Leiostemones характерно: градиент торможения морфогенетических процессов органов репродуктивного побега под влиянием пониженной температуры летом, Pritil-laria -тип зародшевого мешка, 6-слойная стенка пыльника, более поздние сроки заложения ненского археспория, формирования'двуклеточной пыльцы и цветения.
4. Исходным, наиболее примитивным типом зародышевого мешка у тюльпанов является изобидолярный тетраспорлчэскиИ Adoxa -тип, эволюция которого шла дивергенгно в двух направлениях - Tulipa tetraphylla -тип —> Eriostemones -тип и Drusa -тип —t» Fritil-з.aria-тип, что является отражением общей эволюции рода Tulipa.
5. Исключение нижнего полярного ядра из процесса,двойного оплодотворения и диплоидность эндосперла у видов íulipa со всеми пятью типами зародышевых мешков свидетельствует- о целостности ■ как этого рода, так и всей трибы Tuiipeae.
Практическая значимость -работы. Результаты экспериментального изучения морфогенеза тюльпанов показали определяющее значение температурного фактора в период летнего покоя растений. Выявлено стимулирующее влияние пониженной темпертуры на активизацию деятельности пазушных меристем. Методика обработки луковиц пониженной температурой, позволяющая значительно увеличивать коэффициент вегетативного размножения и массу образующихся луковиц,внедрена в технологию промышленного выращивания клоновых сортов T.kaufmán-,'. niana в Совхозе декоративного садоводства Ташгорисполкома с экю- • комическим эффектом с I га 27 тыс,рублей..Материалы эмбриологическихисследований.приведены в монографиях последних лет (Подцуб-ная-Арнольди,1964,1978,1982; Davis ,1966). Данные по изучению биологии пыльцы, эмбриональных особенностей и .экспериментальной эмбриологии тюльпанов используются в учебном процессе на кафедре высших растений биологического факультета Ташкентского государственного университета им.В.И.Ленина. Результаты работ по использованию годичной пыльцы для гибридизации, опылению разновозрастных цветков в целях повышения коэффициента семенной продуктивности при внутривидовом опылении и межвидовых-скрещиваниях используются при интрэдукционной и селекционной работе с тюльпанами в Цен-
тральном Ботаническом саду АН БССР и Центральном Ботаническом саду АН ТуркССР.
Публикация материалов исследований и апробация. Результаты исследований представлены в 21 печатной работе.
Материалы диссертации доложены на ХУП международном конгрессе по садоводству (США,1966); на Всесоюзной межвузовской конференции по морфологии растений (Москва,1968); на Всесоюзном симпозиуме по эмбриологии растений (Киев,1968); на У Всесоюзном совещании по эмбриологии растений (Кишинев,197I); на заседании Узбекского отделения ВБО (Ташкент,1287); на сессии Среднеазиатского регионального советаботанических садов (Самарканд,1587); на научном семинаре лаборатории эмбриологии Bffl им.В.Л.Комарова АН ' СССР (Ленинград,1989); на Всесоюзном совещании по интродукциирастений в аридную зону (Ашхабад,1989).
Объем работы. Диссертация изложена на 227 страницах машинописного текста и состоит из введения, 9 глав, заключения и выводов.. Список литературы содержит 333 работы отечественных и 116 -зарубежных авторов. Приложение (том 2) включает 113 рисунков и • 409 микрофотографий.
…
Заключение
Сравнительное и окепсргйлонталыюе изучение ^срГологип и омб-риологии среднеазиатских Ридов Tulipa позволило уст?!!о'?:'.ть, иго начальный этапам морфогенеза и рзнггпл геиегэг.::*ш:>: структур прпсупн такие otíiroso п-жоиоморнсс'и, кт-. хпр/.и-.-'.гг, ti'.'v:-;-
кого градиента, наличие критических периодов и автономных црог-рамм развития, существование корреляций между ростовыми процессами и деятельностью меристем.
При заложении и первоначальном росте органов морфогенетичес-кий градиент проявляется в изменении темпов морфогенеза год влиянием пониженной температуры, тогда как при развитии женского га-метофита этот градиент определяет ориентацию веретена в мейозе I, положение нижней пары ядер четырехспорового ценоцита, характер дефинитивного распределения ядермегаспор и локализацию ядер вторичного четырехъядерного и сформированного зародышевого мешка.
Критическими периодами в развитии системы, когда она наиболее уязвима к воздействию фактора среды или процесса гибридизации, являются периоды ускорения ростовых процессов или прохождения мейоза.
Автономные программы, подчиняющиеся генному контролю, это, по-видимому, наиболее узловые программы развития, позволяющие системе в достаточной степени не зависеть от изменений условий среды. К ним относится программа, вызывающая активизацию ростовых процессов при выходе из периода летнего покоя, а также программа, ответственная за прохождение митотического цикла при развитии женского гаметофита.
Существование связи между ростовыми процессами и деятельностью меристем проявляется в том, что каждый последующий орган по оси репродуктивного побега закладывается лишь при достижении предыдущим органом определенной величины, а также в зависимости хода развития мужских генеративньсх структур от роста развивающейся тычинки.
В целрм результаты нашей работы показали высокую чувствительность видов Tulipa к температуре как фактору среды. Выявле-. на видоспецифичность этой чувствительности, обусловленная как систематической принадлежностью к разным подродам, так и особенно стяг,ni межвидовых различий.
Температура в значительной мере влияет на ход морфогенеза, деятельность пазушныхмеристем, ритм развития, сроки наступления ф>енофаз, заложения археспория, скорость прохождения эмбриональных, процессов и, кроме того, является одним из модифицирующих факторов, Еызкваюшх отклонения в развитии зародышевого мешка.
Тюльпаны рассматриваются как крайнее звено эволюционного ряда луковичных растений, обладающих наибольшей суммой.
прогрессивных признаков (Хохряков,1975; Баранова,1986). Но при воздействии пониженной температурой у них возрастает метамер-ность побега, увеличивается длительность вегетации, возникает многоцветковость, развитие монокарпического побега завершается без периода покоя. Все эти признаки в эволюционном отношении являются более древними.
По-видимому, определяющая роль температуры проявляется не только в онтогенезе, но и в эволюционном процессе тюльпанов, связанном с развитием ксерофильной флоры Древнего Средиземья (Попов, 1949). В связи с аридизацией климата области значительно возросли колебания суточных и годовых температур, лето стало сухим и .знойным. Под влиянием этих факторов предки Tulipa стали принимать эфемероидный облик. В связи с этим возникла необходимость резкого ускорения хода эмбриональных процессов в весенний период, характеризующийся крайней неустойчивостью погодных условий во время короткого периода вегетации. Одним из звеньев этого процесса нам еидится инактивация нижнего полярного ядра, в результате чего значительно ускорилось развитие зиготы, которая в этих случаях приступает к делению намного раньше, чем у видов с тройным слиянием (Гваладзе,1976), что рассматривается как прогрессивный признак (Смирнов, 1982). На'важность исключения нижнего полярного дцра из процесса оплодотворения указывает тот факт, что информация об этом заложена не только в геноме, но и продублирована в спермии.
Дальнейшая эволюция тюльпанов шла по двум направлениям: ми-крот^рмному для видовподрода Briostemones , и мезотермному для видов подрода Leiostemones . Первые распространились значительно шире, заняв северные части ареала рода Tulipa и области с умеренным климатом, освоив экологические ниши с наиболее ранним цветением. Для них характерен градиент ускорения морфогенетичес-1шх процессов органов репродуктивного побега под влиянием пониженной температуры, наличие Eriostemones -типа зародышевого мешка, ранние сроки заложения женского археспория, образования двуклеточиои пыльцы и цветения. Виды подрода leiostemones стали характеризоваться градиентов.! торможения морфогенетических процессов органов репродуктивного побега под влиянием пониженной температуры, в основном Fritiiiaria -типом зародышевого мешка, более поздними сроками заложения женского археспория, образования двуклеточиои пилъпк и цветения.
В ходе эволюции зародышевые мешки Fritiilaria - и Erioste-mones -типов приобрели значительную устойчивость к колебаниям температуры по сравнению с исходным Adoxa -типом. Drusa -тип является сохранившимся промежуточным этапом эволюции зародышевого мешка
Определяющим фактором эволюционного изменения типов зародышевых мешков Tulipa .кроме изменения климата Древнего Средиземья, служило также усиление депрессии халазальногоконца и передвижение сроков ее проявления на более ранние этапы развития. Этот процесс, являясь отражением редукции антиподалыюго аппарата, в конце концов приводит к усилению депрессии уже инактивированного нашего полярного ядра тюльпанов.
Вероятно, что утрата тюльпанами способности к вегетативному размножению, свойственная большинству из них одностебелыюсть и одноцветковость, сйижение числа листьев и уменьшение их размеров, приведшее к измельчанию луковиц и снижению у них числа чешуй, -всё это следствие резкого снижения активизации пазушных меристем. Основная причина этого, по-видимому, не только и не столько в увеличении'дефицита Еяаги, сколько в значительном .повышении температуры именно в период летнего покоя.
В ходе эволюции у тюльпанов выработалась масса приспособле-/ ник для запиты от неблагоприятных условий внешней среды. Данные, подученнуе при сравнительном и экспериментальном изучении морфологии и эмбриологии, дают возможность понять биологическую сущность этих приспособлений - большинство из них оказываются нап-раг%ленныш в первую очередь на снижение влияния высоких летних и низких зимних температур и резкого перепада суточных температур.
Это прежде всего столоны, всевозможные типы покровных чешуй с различной степеньюопушения, а также приуроченность отдельных • видов строго к определенным местообитаниям, и, наконец, переселение тюльпанов в предгорья, нижний к средний пояса гор.
Как защиту от неблагоприятных воздействий вившей-среды можно рассматривать и сдвиг критических периодов в развитии растений на могленты с более константными температурными условиями. Сюда же можно отнести и выработку различных независимых друг от друга ре-гуляториюс систем, швыиавдих экологическую пластичность вида.
Таким образом, у видов Tulipa эволюция морфологических структур и эмбриональных особенностей шла параллельно, в ходе приспособления к мешшткся климатическим условник. В результате тюльго-Ш1 заняли г.исп.та ступень в эволвшшиш ряду- луковичных растений..
Выводы
1. Сравнительное и экспериментальное изучение морфологии и эмбриологии среднеазиатских видов Tulipa позволило установить, что начальным этапам морфогенеза и развитиягенеративных структур присущи такие общие закономерности, как характер морфогене-тического градиента, наличие критических периодов и автономных программ развития, существование корреляций между ростовыми процессами и деятельностью меристем.
2. Тюльпаны обладают высокой чувствительностью к температуре как фактору среды. Видоспецифичность этой чувствительности обусловлена как систематической принадлежностью к разным подро-дам, так и особенностями межЕядоЕых различий.
3. Инактивация нижнего полярного ядра возникла у предков Tulipa в связи со становлением у них эфемероидности. Информация об исключении нижнего полярного ядра из процесса двойного оплодотворения продублирована в спермии.
4. Исходным типом зародышевого мешка в роде Tulipa является Adoxa -тип, характеризующийся следующими примитивными особенностями развития: изобиполярность, распределение.ядер за счет продольного роста ценопита, гаплоидность всех ядер, сближение полярных ядер до оплодотворения, активизация деятельности антипод, позднее проявление депрессии хала зального коша.
5. Эволюция зародышевого мешка тюльпанов шла дивергентно
в направлениях Fritillaria -типа и Eriostemones -типа, которые являются наиболее подвинутыми как б роде Tulipa , так и среди Lilloideae .Определяющими факторами этого процесса служили изменение климата Древнего Средиземья и усиление депрессии хала-зального конца.
6. Дефинитивное распределение ядер мегаспор определяется различиями в физиологическом состоянии микропилярного и хала-залыюго концов.ценоцита, при этом ядра располагаются в местах с наиболее интенсивными метаболическими процессами.
.7. Эволюция тюльпанов шла по двум направлениям: микротермно-му - виды подрода Eriostemones , и мезотерлному - виды подрода Leiostemones . Первые распрострашшись значительно шире, заняв северные части ареала рода Tulipa и области с умеренным климатом, освоив экологические ниши с наиболее ранним цветением и ха-
растеризуются градиентом ускорения морфогенетических цроцессов органов репродуктивного побега под влиянием пониженной температуры в летний период, наличием Ег1<^етопее -типа зародышевого мешка, 5-слойной стенкой пыльника, ранними сроками заложения женскогоархеспория, образования двуклеточной пыльцы и цветения.
Подавляющее большинство видов подрода Ье1с^етапез характеризуются градиентом торможения морфогенетических процессов органов' репродуктивного побега под влиянием пониженной температуры летом, Рг^Шагаа -типом зародышевого мешка, 6-слойной стенкой пыльника, более поздними сроками заложения женского археспория, формирования двуклеточной пыльцы я цветения.
8. Резкое снижение активизации пазушных меристем тюльпанов произошло под влиянием аридизеции климата Древнего Средиземья, причем основная причина этого - несоответствие температурного режима для оптимального течения процесса'утилизации накопленного в луковице запаса питательных веществ. Свойственные тюльпанам возможности сохранились в геноме и проявляются при подстановке соответствующих условий.
Практические рекомендации
При селекционно-генетической и интродукционной работе с видами ТиНранеобходимо учитывать следующие моменты:
1. Пыльца тюльпанов при Хранении ее в холодильнике над хлористым кальцием сохраняет свою жизнеспособность свыше года и может быть после этого использована для гибридизации.
2. Опыление зрелых цветков'повышает коэффициент семенной продуктивности в 1,5-2,5 раза.
3. Оптимальной для хода эмбриональных процессов тюльпанов является среднесуточная температура 14-18°С.
4. Использование разновозрастных цветков при скрещивании позволяет менять характер.наследования цризнаков у гибридного потомства. . ..
5. Наибольшее количество отклонений проявляется при Воздействии модифицирующими факторами в критические периоды развития.
6. Кратковременная обработка луковиц пониженной температурой в период летнего покоя значительно увеличивает коэффициент вегетативного размножения и массу образующихся луковиц.
По материалам диссертации опубликованы следующие таботы:
1. Печеницын В.П. Годичная пыльца тюльпанов и результаты использования ее для опыления.ДАН СССР.-1961.-Т. 141.-JE 2.-С.492-494.
2. Печеницш В.П. Биология пыльцы тюльпанов. Научные труды ТашГУ им.В.И.Ленина.-1962.-Вып.210.Биология.-С.133-141.
3. Печеницын В.П. К вопросу об эмбриогенезе тюльпана Введенского. Вопросы биол. и краевой медицины.-1963.-Вып.4.-С.239-243.
4. Печеницын В.П. Результаты использования годичной пыльцы тюльпанов при межвидовой гибридизации. Доклады АН УзССР.-1965.-JÉ II.-С.53-56.
5. Печеницын В.П. Влияние сроков опыления на результаты межвидовой гибридизации тюльпанов. Интродукция и акклиматизация растений. -1965. -Вып. 3. -С. 175-182.
6. Печеницын В.П. К эмбриологии тюльпана Введенского. Узбекский биологический журнал.-1965.-JJ 2.-С.53-57.
7. Печеницын В.П. Пыльца хранится год. Цветоводство.-1965.-JÉ 9.-С.20.
8. Печеницын В.П. Вегетативное размножение диких видов тюльпанов при окультуривании. Интродукция и акклиматизация расте-ний.-1966.-Вып.4.-С.77-90.
9. Печеницын В.II. Некоторые результаты применения эмбриологического метода при селекции тюльпанов. Доклады советских ученых к ХУП Международному конгрессу по садоводству (Мэриленд, США). М. ,1966. -С*.538-544.
10. Печеницын В.П. Влияние термического фактора в период летнего покоя на морфогенез, тюльпанов. Рефераты докладов Всесоюзной межвузовской конф. по морфологии растений. М.,1968.-С.225-226.
11. Печеницын В.П. Развитие зародышевого мешка и двойное оплодотворение у некоторых видов Tulipa . Материалы Всесоюзн.симпозиума по эмбриологии растений. Киев. ,1968.-С.167-170.
12. Печешшын В.П. Морфогенез тюльпанов. Интродукция и акклиматизация растений. - 1969.-Вып.5.-С.93-109.
13. Печеницын. В.П. Фенология и биология цветения некоторых среднеазиатских тюльпанов. Интродукция и-акклиматизация растений. 1971.-Вып. 8. -С. 129-140.
14. Печеницын В.П. Женский гаметофит и двойное оплодотворение у тюльпанов с зародышевым мешком Drusa -типа. Т Всесоюзное совещание по эмбриологии растеши.-Кишинев, 1971.-С. 133-135.
15. Печеницын В.П. Развитие зародышевого мешка íritiila-ria-типа у некоторых среднеазиатских видов Tulipa .Ботанический журнал. -1972. -T.57.-J!? 2.-С. 221-229.
16. Печеницын В.П. Двойное оплодотворение у видов Tulipa с Fritiilaria -типом зародышевого мешка. Ботанический журнал. 1972.-Т.57.-Л 5.-С.465-469.
17. Печенипдн В.II. Тюльпаны. Цветоводство.-1977.-Л 9.-С.8.
18. Печеницын В.П. Влияние возраста цветка-на темпы оплодотворения и завязываемость семян при межвидовой гибридизации тшьпанов. Доклада Aíl УзССР.-1988.-й 3.-С.56-57.
19. Печеницын В.П. Термоморфозы цветка среднеазиатских ' тюльпанов. Узбекский биологический журнал.-1988.-й 5.-С.32-36.
20. Печеницын В.П. Влияние температурного фактора в период летнего покоя на деятельность пазушных меристем и нарастание луковиц среднеазиатских тюльпанов. Опыт и перспективыинтродукции декоративных многолетников (Тезисы докладов).-Минск.■ -1989.~ С.44-46.
21. Печеницын В,П. Значение эмбриологических исследований при интродукции и селекции среднеазиатских тюльпанов. Интродукция растений в аридную зону. Тезисы докладов Всесоюзного совещания. Ашхабад.-1989.-C.I08-I09. '