Гаметициды и их применение в селекции

каллозных оболочек микроспор. Исчезно¬вение каллозы сопровождается развитием каллазной актив¬ности. Энзим локализован в везикулах цитоплазмы тапетума [130].

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

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

контролирования метаболических путей [62, 94, 98, 111]. Отме¬чено, что у всех изученных линий с ЦМС 90% растений обла^-дали нормальным ходом микроспорогенеза до определенной фазы, на которой начиналась абортивность пыльцы, и толь¬ко у 10% растений анормальность проявлялась еще до ста¬дии, обусловливающей абортивность в результате более ран¬них нарушений нормальных метаболических циклов. У боль¬шинства видов (около 70%) деградация микроспор приходи¬лась на период, начиная с мейоза 1 и включая интерфазу микроспор [94].

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

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

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

Различный уровень метаболической активности тапетума в нормальных и стерильных пыльниках и продолжительность его функционирования контролируется цитологами реакцией Фёльгена. Ядра клеток тапетума нормальных пыльников ин¬тенсивно окрашиваются до формирования материнской мик¬роспоры, после чего окраска прогрессивно уменьшается по мере коллапсирования тапетума. В тканях тапетума стериль¬ных пыльников окрашивание ядер продолжает осуществлять¬ся интенсивно после формирования тетрад и незначительно снижается в процессе развития микроспор [94]. Следователь¬но, функция тапетума неразрывно связана с его определен¬ной ролью при абортивности микроспор. У нормальных пыль¬ников тапетум получает необходимый питательный материал, поставляемый растением, и преобразует его для формирую¬щихся микроспор, что подтверждается поступлением Фёль-ген-положительных веществ в материнскую микроспору во время мейоза [93]. Тапетум стерильных пыльников имеет бо¬лее низкий уровень метаболической активности, о чем сви¬детельствует как низкая энзиматическая активность, так и изменение поступления Фёльген-положительного материала в спорогенные клетки в критические периоды их формирова¬ния.

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

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

8

ного синтетического пула ДйК, необходимого для нормаль¬ного развития материнской клетки пыльцы и микроспор. На¬рушение деятельности тапетума при снабжеаии питательным ^материалом спорогенной ткани, вызванное различными при¬чинами, обусловливает начало процессов деградации мате¬ринской клетки пыльцы [134, 137].

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

•отмечена обратная корреляция во взаимодействии микроспор .и тапетума. Большинство микроспор становятся крупными, сильно вакуолизированньши, с ядром, прижатым к клеточной .стенке. Клетки тапетума образуют плотную оболочку вокруг

•полости пыльцевого мешка. Часть микроспор дегенерирует до вакуолизации, но большее их количество абортируется при цветении [94].

Аберрация микроспорогенеза в результате продленного дня, по-видимому, связана с ранним распадом клеток тапету¬ма. Подобный эффект может быть достигнут путем обработ¬ки ауксином, высокая концентрация которого обнаружена в тканях растений при длительном фотопериоде [78]. Это под¬тверждает гипотезу о влиянии фотопериода на пол путем ре¬гуляции метаболизма ауксинов в растительных тканях [84, 88].

Считают также, что нарушение функций тапетума в пита¬нии развивающихся микроспор не является непосредственной и единственной причиной абортивности пыльцы [46, 107].

При сравнительных исследованиях пыльцы и развития

•пыльников линий пшеницы с ЦМС и нормальных растений установлено, что деградативные процессы в развивающихся пыльцевых зернах начинаются с несбалансированного поступ¬ления питательных веществ в тапетум в результате наруше¬ний функциональной активности васкулярной системы тычи¬ночных нитей [31, 32, 87]. Последние у стерильных растений имели слабо дифференцированные васкулярные тяжи (либо они отсутствовали), в то время как у нормальных тычинок сосудистые элементы были хорошо дифференцированы на

9

ксилему и флоему. Наблюдаемое снижение аккумулирования крахмала в тканях тапетума и отсутствие запасного крахма¬ла в зрелых микроспорах является следствием редукции пе¬редвижения растворов (в частности углеводов) в тычинки стерильных растений [87]. Нарушение структуры васкулярных элементов при воздействии веществ с гаметоцидной активно¬стью может быть одним из аспектов их действия, тем более, что обработка гаметоци.д'а'ми, как правило, сопровождается уменьшением размеров пыльников и длины тычиночных ни¬тей [20, 59].

Преждевременное деградирование тапетума 'или. более длительное существование интактных клеток тапетума в пыльниках с мужской стерильностью, индуцированной хими¬ческими препаратами, по-видимому, является результатом взаимосвязи химически активных веществ с деградативными энзимами (несвоевременная их индукция или блокирование) [56, 60, 74].

При исследовании причин абортивности пыльцы установ¬лено повышение активности кислых фосфатаз в тканях нор¬мальных пыльников до стадии тетрад, после которой актив¬ность энзимтав резко