Text
                    ЭМБРИ* «Г
ЦВ ТК« Ы
ACT И"
ТЕРМИНОЛОГИЯ
И КОНЦЕПЦИИ
МИР И СЕМЬЯ
СПб, 1997


ЭМБРИОЛОГИЯ ЦВЕТКОВЫХ РАСТЕНИИ ТЕРМИНОЛОГИЯ И КОНЦЕПЦИИ В 3-х томах СЕМЯ То м ТАТЬЯНА БОРИСОВНА БАТЫГИНА Редактор МИР И СЕМЬЯ-95 САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997
EMBRYOLOGY OF FLOWERING PLANTS TERMINOLOGY AND CONCEPTS Three volume edition SEED Volume 2 TATYANA B. BATYGINA Editor WORLD AND FAMILY-95 ST. PETERSBURG 1997 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Ботанический институт им. В. Л. Комарова ОТДЕЛ ЭМБРИОЛОГИИ И РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ Российский Фонд Фундаментальных Исследований Рецензенты Э. С. ТЕРЕХИН, И. П. ЕРМАКОВ Редакционная коллегия Е. В. АНДРОНОВА, Т. Б. БАТЫГИНА (редактор), В. Е. ВАСИЛЬЕВА, Г. Я. ЖУКОВА, Л. М. ПОЗДОВА, Г. Е. ТИТОВА, И. И. ШАМРОВ (секретарь) О RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES V. L. Komarov Botanical Institute DEPARTMENT OF EMBRYOLOGY AND REPRODUCTIVE BIOLOGY Russian Foundation for Fundamental Researches Reviewers E. S. TERYOKHIN, I. P. ERMAKOV Editorial board E. V. ANDRONOVA, Т. В. BATYGINA (editor), L. M. POZDOVA, I. I. SHAMROV (secretary), G. E. TITOVA, V. E. VASILYEVA, G. YA. ZHUKOVA
ББК 41.8 УДК 581.3 ISBN 5-86429-018-1 ЭМБРИОЛОГИЯ ЦВЕТКОВЫХ РАСТЕНИЙ. ТЕРМИНОЛОГИЯ И КОНЦЕПЦИИ. Т.2. СЕМЯ (ред. Т. Б. Батыгина). 2-й том 3-томного издания является юбилейным томом, посвященным 100-летию открытия С. Г. Навашиным двойного оплодотворения у покрытосеменных растений. В книге излагаются современные представления о строении семени, о процессах, участвующих в его формировании (сингамия, тройное слияние и др.), а также о постсеменном развитии (покой и прорастание семян) цветковых растений. Она содержит статьи авторов и иллюстрации в виде рисунков, графиков, схем, микрофотографий (СМ, ТЭМ, СЭМ). Текст включает авторские трактовки основных терминов и понятий, используемых в современной ботанической литературе при описании структурных элементов семени, происходящих процессов, а также ряд необходимых общебиологических терминов. Приводится семантика терминов, принципы классификации зародыша, эндосперма, зрелого семени и др., отражены вопросы гомологизацни, структурно-функциональные н кполюцнонныс аспекты. Авторы привлекают данные ультраструктурной, экологической и экспериментальной эмбриологии для уточнения понятий. Издание носит монографический и энциклопедический характер. Предназначено для эмбриологов, систематиков, физиологов* генетиков, селекционеров и ботаников широкого профиля. Рассчитано на научных сотрудников, аспирантов и студентов-бнологов. Бнбл. более 2500 назв. Илл. 2798. Публикация поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (№ издательского гранта 95-04-28565). Авторы: Е. В. Андронова, Г. М. Анисимова, О. В. Антипова, Т. Б. Батыгина, Е. А. Брагина, В. Б. Брюхин, В. Е. Васильева, М. А. Вишнякова, Т. Д. Вышенская, Е. Н. Герасимова-Навашина, |М. Ф. Данилова^ Н. А. Жинкина, Г. Я. Жукова, А. А. Захарова, О. П. Камелина, Л. В. Ковалева, С. Н. Коробова, Л. Г. Красников, С. С. Медведев, Н. М. Морозова, С. Г. Навашин, Т. Н. Наумова, 3. И. Никитичева, Н. В. Обручева, Т. А. Плющ, Л. М. Поздова, В. В. Полевой, М. В. Разумова, Т. С. Саламатова, М. П. Солнцева, Э. С. Терехин, Г. Е. Титова, О. А. Хведынич, И. И. Шамров, С. М. Щипарев, М. Cresti, О. Erdelska, W. E. Friedman, G. Jurgens, H. Kieft, A. A. M. van Lammeren, Y.-Q. Li, F. Ma, D. W. Meinke, J. Pare, B. Rodkiewicz, S. D. Russell, J. H. N. Schel, E. Szczuka, W. L. H. van Veenendaal, J. L. van Went, X. L. Ye, E. С Yeung, S. Y. Zee. Volume 2 of three-volume Edition is a jubilee, dedicated to the discovery of double fertilization in Angiospermae by S. G. Nawaschin. The book covers the up-to-date notions of seed structure, processes resulting to its formation (syngamy, triple fusion etc.), as well as of postseminal development (seed dormancy and germination). It contains the contributor's papers, illustrated with drawings, charts, diagrams, microphotos and electron micrographs (LM, ТЕМ, SEM). There are authors' explanations of both general biology terms and the basic terms and concepts used in the modern botanic literature for describing the main structural elements of seed and the processes occurring in it. The term semantics, classification principles of embryo, endosperm, mature seed etc. are emphasized. The homology of basic seed elements and functional and evolutionary aspects in their development are also included. To verify the concepts based on the classical embryology the current ultrastructural, ecological and experimental embryology data are drawn. This is a monographic and encyclopedic Edition. It will be of interest for embryologists, taxonomists, physiologists, geneticists, plant-breeders and botanists. The book is intendend both for scientists and for students. Its bibliography consists of more than 2500 sources. The text is provided with 2798 illustrations. Edition is snpported by the Russian Fonndation for Fundamental Researches (Grant № 95-04-28565). Authors: E. V. Andronova. G. M. Anisimova, O. V. Antipova, T. B. Batygina, E. A. Bragina, V. B. Brukhin, M. Cresti, IM. F. Danilova, IO. Erdelska, W. E. Friedman, E. N. Gerassimova-Navashina, G. Jurgens, O. P. Kamelina, O. A. Khvedynich, H. Kieft, S. N. Korobova, L. V. Kovaleva, L. Q. Krasnikov, A. A. M. van Lammeren, Y.-Q Li, F. Ma, S. S. Medvedev, D. W. Meinke, N. M. Morozova, T. N. Naumova, S. G. Nawaschin, Z. I. Nikiticheva, N. V. Obrucheva, J. Pare, T. A. Plyushch, V. V. Polevoy, L. M. Pozdova, M. V. Razumova, B. Rodkiewicz, S. D. Russell, T. S. Salamatova, J. H. N. Schel, I. I. Shamrov, M. P. Solntseva, S. M. Szcziparev, E. Szczuka, E. S. Teryokhin, G. E. Titova, V. E. Vasilyeva, W. L. H. van Veenendaal, M. A. Vishnyakova, T. D. Vyshenskaya, J. L. van Went, X. L. Ye, E. С Yeung, A. A. Zakharova, S. Y. Zee, N. A. Zhinkina, G. Ya. Zhukova. СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ 13 БЛАГОДАРНОСТИ 21 СЕРГЕИ ГАВРИЛОВИЧ НАВАШИН. Автобиография 23 ЧАСТЬ I — ДВОЙНОЕ ОПЛОДОТВОРЕНИЕ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ Феномен двойного оплодотворения (Т. Б. Батыгина). ........ 31 Результаты пересмотра процессов оплодотворения у Lilium martagon и Fritillaria tenella (С. Г. Навашин) 45 Об оплодотворении у сложноцветных и орхидных (С. Г. Навашин) 50 О самостоятельной подвижности мужских половых ядер у некоторых покрытосеменных растений (С. Г. Навашин) . . 56 Опыт структурного изображения свойств половых ядер (С. Г. Навашин) ' 67 Лилейные — классический объект дли изучения опыления и оплодотворения (Е. Н. Герасимова-Навашина, Т. Б. Батыгина) ... 86 ПРОГАМНАЯ ФАЗА ОПЛОДОТВОРЕНИЯ Проводниковый тракт пестика (М. А. Вишнякова) 107 Самонесовместимость: структурно-функциональные аспекты (М. А. Вишнякова) ИЗ Пыльцевая трубка (С. П. Коробова, Л. В. Ковалева) 120 Образование и рост пыльцевой трубки (Л. В. Ковалева) 121 Деление генеративной клетки и формирование спермиев (М. Cresti, Y.-Q. Li) 125 Мужская оплодотворяющая система (5. D. Russell) 127 Порогамия (Т. Н. Наумова) 136 Халазогамия (Т. Н. Наумова) 138 ОПЛОДОТВОРЕНИЕ Двойное оплодотворение (Т. Б. Батыгина) 140 Типы двойного оплодотворения (Е. Н. Герасимова-Навашина) . . 140 Сингамия (Т. Б. Батыгина, В. Е. Васильева) 143 Тройное слияние (Т. Б. Батыгина, Е. А. Брагина) 161 Передача цитоплазмы при оплодотворении (5. D. Russell) 169 Процесс двойного оплодотворения и митотический цикл клетки (митотическая гипотеза) (Е. Н. Герасимова-Навашина) 175
Типы двойного' оплодотворения в свете данных электронной микроскопии (Т. А. Плющ) 182 Механизмы оплодотворения (5. D. Russell) 186 Цитохимия процесса оплодотворения (О. А. Хведынич) 193 Гемигамия (М. П. Солнцева) 197 Опыление и оплодотворение у злаков (Г. Б. Батыгина) 200 Оплодотворение in vitro (5. D. Russell) 210- ЧАСТЬ II — ЭНДОСПЕРМ, ПЕРИСПЕРМ Эндосперм (Г. Я. Жукова) 212 Типы развития эндосперма: 218 — Нуклеариый (Г. Я. Жукова) 218 — Целлюлярный (Я. И. Шамров) 227 — Гелобиальный (Я. И. Шамров) 236 Развитие эндосперма у Brassica napus L. (по данным световой микроскопии) (А.А.М. van Lammeren, H. Kieft, F. Ma, W. L. H. van Veenendaal) •. 240 Клеточная дифференциация в перикарпе и эндосперме развивающейся зерновки кукурузы (Zea mays L.) (A. A. M. van Lammeren, H. Kieft, J. H. N. Schel) 245 Микропилярный гаусторий у Impatiens walleriana Hook, ex Am. (/. L. van Went ) 254 Эмбриогения семенных растений и эволюция эндосперма (W. Е. Friedman) 256 О возможности выделения тубифлорального типа развития эндосперма (О. П. Камелина) 281 Новый подход к типизации эндосперма в связи с проблемой его эволюции (Я. Я. Шамров) 284 Перисперм (Я. Я. Шамров) 291 ЧАСТЬ III — ЗАРОДЫШ ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ Зародыш (Э. С. Терёхин) 294 Эмбриогения (Я. Я. Шамров) 297 СТАДИИ РАЗВИТИЯ И СТРУКТУРЫ ЗАРОДЫША • Зигота (Т. Б. Батыгина, В. Е. Васильева) 307 Проэмбрио (Г. Е. Титова, И. И. Шамров) 321 Суспензор (3. И. Никитичева) 325 Ультраструктурные особенности суспензора (Г. Я. Жукова) 332 Функции суспензора (Е. С. Yeung, S. Y. Zee, X. L. Ye) 341 Протодерма (эмбриодерма) (Е. В. Андронова) 346 Гипофизис (Г. Е. Титова) 352 Эпифизис (Е. В. Андронова) 356 Зародышевый корень (\М. Ф. Данилова^) '. 358 Эпикотиль (Е. В. Андронова) 376 Семядоля (Т. Б. Батыгина ) 380 Вариации в развитии семядольного аппарата (Г. Е. Титова) 381 Дикотилия 381 Псевдодикотилия 382 Монокотилия 382 Псевдомонокотилия • • • 382 Синкотилия 383 Схизокотилия 396 Поликотилия 397 Акотилия 404 Гетерокотилия 407 Формирование оси в эмбриогенезе: гипотезы и факты (С. Jurgens) 412 Морфологическая классификация зародыша зрелого семени: критический обзор основных систем (Т. Д. Вышенская) 418 О принципах создания экологической классификации зародышей (Э. С. Терёхин, 3. И. Никитичева) 437 Редуцированные и недифференцированные зародыши (Э. С. Терёхин) 449 Хлорофиллоносность зародыша как признак для классификации цветковых растений (Г. Я. Жукова) 461 Новая концепция происхождения зародыша однодольных (Т. Б. Батыгина, Л. Г. Красников) 470 ТИПЫ ЭМБРИОГЕНЕЗА Принципы классификации типов эмбриогенеза (Я. Я. Шамров). . . 493 Типы эмбриогенеза 508 — Pi ре г ad (О. П. Камелина) 508 — Onagrad (Г. М. Анисимова ) 510 — Asterad (Г. Е. Титова) 512 — Solanad (H. А. Жинкина) 516 — Chenopodiad (H. А. Жинкина) 517 — Caryophyllad (H. А. Жинкина) 518 Новые типы эмбриогенеза 520 — Graminad (Т. Б. Батыгина) 520 — Paeoniad (Т. Б. Батыгина) 526 Эмбриогенез злаков (Т. Б. Батыгина) 528 Эмбриогенез пионовых (Т. Б. Батыгина, В. Б. Брюхин) 539 Эмбриогенез орхидных (Е. В. Андронова) 544 УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ И ГИСТОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭМБРИОГЕНЕЗА Ультраструктурные аспекты эмбриогенеза (Т. Н. Наумова) .... 557 Гистохимические и иммуногистохимические аспекты эмбриогенеза (В. Б. Брюхин). 568 Кутикула развивающегося зародыша (В. Rodkiewicz, E. Szczuka) 573
8 Эмбриогенез Striga hermonthica (Del.) Benth. (Scrophulariaceae), влияние гербицидов и других факторов (/. Pare) 575 ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭМБРИОГЕНЕЗА Автономность зародыша (В. Е. Васильева, Т. Б. Батыгина) 579 Прижизненные наблюдения зародыша (О. Erdelskd) 588 Перспективы генетического анализа эмбриогенеза (D. W. Meinke) . 593 Экспрессия генов в эмбриогенезе (Н: М. Морозова) 605 Полярность и эмбриогенез (С. С. Медведев) 617 ЭМБРИОИДОГЕНИЯ Эмбриоид (Т. Б. Батыгина) 624 Эмбриоидогения (Т. Б. Батыгина) 628 Параллели в развитии полового и соматического зародышей (Т. Б. Батыгина, А. А. Захарова) 635 ЧАСТЬ IV — СЕМЯ Семя (\М. Ф. Ланилова~\) 649 Семенная кожура (\М. Ф. Данилова]) 650 ЧАСТЬ V — ПОКОЙ И ПРОРАСТАНИЕ СЕМЯН Покой семян (Л. М. Поздова, М. В. Разумова) 656 Морфология и физиология прорастания семян (Н. В. Обручева, О. В. Антипова) 667 Щиток и его роль при прорастании (С. М. Щипарев) 681 Гормональная регуляция роста и развития проростков (В. В. Полевой, Т. С. Саламатова) 685 ЛИТЕРАТУРА 691 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ " 822 ИЛЛЮСТРАЦИИ 824 НА ВКЛЕЙКЕ: КЛАССИКИ МОРФОЛОГИИ И ЭМБРИОЛОГИИ; АВТОРЫ ТОМА CONTENTS PREFACE 17 ACKNOWLEDGEMENTS 22 S. G. NAWASCHIN. Autobiography 23 PART I — DOUBLE FERTILIZATION THE HISTORY OF THE DISCOVERY The phenomenon of double fertilization (Т. В. Batygina) 31 Revision of the fertilization process in Lilium martagon and Fritillaria tenella: results (5. С Nawaschin) 45 About fertilization in Asteraceae and Orchidaceae (S. C. Nawaschin) 50 On the motility of male germ nuclei in some angiosperms (5. С Nawaschin) 56 An experience of structural representation of germ nucleus properties (5. С Nawaschin) 67 Liliaceae — a classical experimental model for studying pollination and fertilization (E. iV. Cerassimova-N'avashiiia, Т. В. Batygina) 86 PROGAMIC PHASE OF DOUBLE FERTILIZATION Transmitting tract in the pistil (M. A, Vishnyakova) 107 Self-incompatibility: structural and functional aspects (M. A. Vishnyakova) ИЗ Pollen tube (S. N. Korobova, L. V. Kovaleva) 120 Pollen tube formation and growth (L. V. Kovaleva) 121 Generative cell division and sperm cell formation (M. Gresti, Y.-Q. Li) 125 Male germ unit (5. D. Russell) 127 Porogamy (7\ N. Naumova) 136 Chalazogamy (T. N. Naumova) 138 FERTILIZATION Double fertilization (Т. В. Batygina) 140 Types of double fertilization (E.N. Gerassimova-Navashina) 140 Syngamy (T. B. Batygina, V. E. Vasilyeva) 143 Triple fusion (T. B. Batygina, E. A. Bragina) 161 Cytoplasmic transmission during fertilization (5. D. Russell) 169 Double fertilization and mitotic cycle of the cell (mitotic hypothesis) (E.N .Gerassimova-Navashina) 175 Types of double fertilization in the light of electron microscopic evidence (T.A.Plyushch) 182
10 Fertilization mechanisms (5. D. Russell) 186 Fertilization cytochemistry (O. A. Khvedynich) 193 Hemigamy (M. P. Solntseva) . 197 Pollination and fertilization in Gramineae (Т. В. Batygina) 200 In vitro fertilization (5. D. Russell) 210 PART II — ENDOSPERM, PERISPERM Endosperm (G. Ya. Zhukova). 212 Types of endosperm development 218 — Nuclear (C. Ya. Zhukova) 218 — Cellular (/. /. Shamrov) 227 — Helobial (/. /. Shamrov) 236 Light microscopical study of endosperm formation in Brassica napus L. (A. A. M. van Lammeren, H. Kieft, F. Ma, W. L. H. van Veenendaal) 240 Cell differentiation in the pericarp and endosperm of developing maize kernels (Zea mays L.) (A. A. M. van Lammeren, H. Kieft, J. H. N. Schel) 245 The micropylar haustorium in Impatiens walleriana Hook, ex Am. (/. L. van Went ) 254 The evolution of embryogeny in seed plants and the developmental origin and early history of endosperm (W. E. Friedman) 256 About possibility of separation of tubifloral type of endosperm development (O. P. Kamelina) 281 A new approach to endosperm typification in relation to the problem of its evolution (/. /. Shamrov) 284 Perisperm (/. /. Shamrov) 291 PART III — EMBRYO GENERAL IDEA Embryo (E. S. Teryokhin) 294 Embryogeny (/. /. Shamrov) 297 DEVELOPMENTAL STAGES AND STRUCTURES OF THE EMBRYO Zygote (T. B. Batygina, V. E. Vasilyeva) 307 Proembryo (G. E. Titova, I. I. Shamrov). 321 Suspensor (Z. /. Nikiticheva) 325 Ultrastructural features of suspensor (G. Ya. Zhukova) 332 Suspensor functions (E. C. Yeung, S. Y. Zee, X. L. Ye) 341 Protoderm (embryoderm) (E. V. Andronova) 346 Hypophysis (G. E. Titova) 352 Epiphysis (E.V.Andronova) 356 Radicle (\M.F.Danilova\) 358 Epicotyl (E.V.Andronova) 376 Cotyledon (Т. В. Batygina) 380 Variations in the cotyledon apparatus development (G. E. Titova) . 381 Dicotyly 381 Pseudodicotyly 382 Monocotyly 382 Pseudomonocotyly 382 Syncotyly 383 Schizocotyly 396 Polycotyly 397 Acotyly 404 Heterocotyly 407 Axis formation in plant embryogenesis: cues and clues (G. Jurgens) 412 Morphological classification of embryo in mature seed: critical review of main systems (T. D. Vyshenskaya) 418 On the principles of ecological classification of embryos (E. S. Teryokhin, Z. I. Nikiticheva) . . . 437 Reduced and undifferentiated ("underdeveloped") embryos (E. S. Teryokhin) 449 Chlorophyll-bearing property of the embryo as a criterion for classifying flowering plants (G. Ya. Zhukova) 461 Origin of the monocotyledonous embryo: a new concept (Т. В. Batygina, L. G. Krasnikov) 470 TYPES OF EMBRYOGENESIS Principles of classificaton of embryogenesis types (/. /. Shamrov) 493 Types of embryogenesis 508 — Piperad (O. P. Kamelina) 508 — Onagrad (G. M. Anisimova) 510 — Asterad (G. E. Titova) 512 — Solanad (N. A. Zhinkina) 516 — Chenopodiad (iV. A. Zhinkina) 517 — Caryophyllad (iV. A. Zhinkina) 518 New types of embryogenesis 520 — Graminad (Т. В. Batygina) 520 — Paeoniad (Т. В. Batygina) 526 Embryogenesis in Gramineae (Т. В. Batygina) 528 Embryogenesis in Paeoniaceae (T. B. Batygina, V. B. Brukhin) . . . 539 Embryogenesis in Orchidaceae (E. V. Andronova) 544 ULTRASTRUCTURAL AND HISTOCHEMICAL ASPECTS OF EMBRYOGENESIS Ultrastructural aspects of embryogenesis (T. N. Naumova) 557 Histochemical and immunohistochemical aspects of embryogenesis (V. B. Brukhin) 568
12 The cuticle of developing embryo (5. Rodkiewicz, E. Szczuka) .... 573 Embryogenesis of Striga hermonthica (Del.) Benth. (Scrophularia- ceae), action of herbicides and other factors: an overview (/. Pare) 575 PHYSIOLOGICAL-BIOCHEMICAL AND GENETIC ASPECTS OF EMBRYOGENESIS Autonomy of the embryo (V. E. Vasilyeva, Т. В. Batygina) 579 Observations on living embryo (O. Erdelska) 588 Perspectives on genetic analysis of plant embryogenesis (D. W. Meinke) 593 Gene expression during embryogenesis (N. M. Morozova) 605 Polarity and embryogenesis (5. 5. Medvedev) 617 EMBRYOIDOGENY Embryoid (Т. В. Batygina) 624 Embryoidogeny (Т. В. Batygina) 628 Parallelism in the development of somatic and sexual embryos (T. 5. Batygina, A. A. Zakharova) 635 PART IV — SEED Seed (\M. F.Danilova\) . 649 Seed coat (\M. t. Danilova\) 650 PART V — SEED DORMANCY AND GERMINATION Seed dormancy (L. M. Pozdova, M. V. Razumova) 656 The morphology and physiology of seed germination (N. V. Obrucheva, O. V. Antipova) 667 Scutellum and its role in germination (S. M. Szcziparev) 681 Hormonal regulation of seedling growth and development (V. V. Polevoy, T. S. Salamatova) 685 REFERENCES 691 INDEX „ 822 ILLUSTRATIONS 824 INSETS: CLASSICS OF PLANT MORPHOLOGY AND EMBRYOLOGY; CONTRIBUTORS OF THE VOLUME Предисловие 13 Посвящается 100-летию открытия Сергеем Гавриловичем Навашиным двойного оплодотворения у покрытосеменных растений Семена — источник жнзни, ее начало и конец, результат прошлого урожая н залог будущего О. Л. Фриман. ПРЕДИСЛОВИЕ Открытие Навашина дало толчок многочисленным исследованиям оплодотворения не только у покрытосеменных, но и голосеменных растений. Одна из талантливейших его учениц — Елена Николаевна Герасимова- Навашина, разработала новые представления об этом процессе, в частности, о типах оплодотворения. Ее исследования также стали классическими. Традиции эмбриологической школы С. Г. Навашина и Е. Н. Герасимовой-Навашиной продолжают развиваться в разных лабораториях мира и, в первую очередь, в Отделе Эмбриологии и Репродуктивной Биологии Ботанического института иМ. В. Л. Комарова Российской Академии Наук. *, Мы сочли приятным долгом включить в это издание краткую автобиографию С. Г. Навашина, историю открытия двойного оплодотворения, а также некоторые его работы, опубликованные в русских и немецких журналах и ставшие библиографической редкостью. Эти исследования и до настоящего времени не утратили своего значения, поскольку в них детально описывается и иллюстрируется прекрасными рисунками процесс двойного оплодотворения на классических объектах. В последнее время очевидна тенденция к сближению эмбриологии с генетикой, физиологией и биохимией. Прогресс в области молекулярной биологии усилил эти взаимосвязи. Если раньше основным методом генетики был гибридологический анализ, позволяющий регистрировать те или иные альтернативные признаки, то в настоящее время внимание генетиков все больше привлекают вопросы проявления генетических признаков в процессе онтогенеза, закономерности кариогамии, плазмогамии и цитокинеза, равно как гистогенеза и органогенеза. В центре внимания многих генетиков стало изучение мутаций, проявляющихся на критических этапах развития мужских и женских генеративных структур и эмбриогенеза (например, нарушение асимметричного заложения перегородки в зиготе), что позволяет выявлять механизмы генной регуляции процессов развития и органогенеза. Найдены удачные модельные объекты для исследования мутаций (Arabidopsis thaliana, Zea mays).
14 Семя К сожалению, специалисты в области изучения наследования признаков не всегда учитывают фундаментальные достижения эмбриологии. Однако именно классическая эмбриология в лице таких ученых, как К. Schnarf, R. Soueges, D. A. Johansen, P. Maheshwari, В. М. Johri, J. S. Mestre, J. L. Guignard, A. Lebegue, С. Г. Навашин, М. С. Яковлев, E. H. Герасимова-Навашина и др., внесла значительный вклад в понимание основных закономерностей зарождения и первых этапов развития растительного организма. В резолюции XV Международного Конгресса по половой репродукции у цветковых растений (Австралия, 1996) была отмечена актуальность усиления работ в области классической эмбриологии как необходимого фундамента любого исследования по репродуктивной биологии. В предлагаемой книге большое внимание уделено морфологическим и функциональным аспектам процесса оплодотворения и эмбриогенеза, которые составляют основное ядро семенного воспроизведения. Важно отметить, что особый тип полового воспроизведения у цветковых растений, неразрывно связанный с семенной репродукцией, позволил им «завоевать» Землю и создать основу для развития и процветания нашей цивилизации. Именно семена являются основным источником питания для человечества, и поэтому невозможно переоценить значение научного прогресса в их изучении. Наряду с традиционными представлениями о развитии семени в книге изложены оригинальные концепции по проблемам происхождения, корреляций и эволюционных преобразований структур семени, которые содержат данные не только по покрытосеменным, но и голосеменным растениям. Достижения в области экспериментальной эмбриологии, касающиеся морфогенеза репродуктивных структур, в частности, развития соматического зародыша, позволили обсудить новую категорию бесполого размножения — эмбриоидогению. В книге представлены также новые типы эмбриогенеза и эндоспер- могенеза, классификации (и подходы) типов развития основных структур семени, разработанные сотрудниками Ботанического института им. В. А. Комарова РАН. Обобщены результаты исследований по экологической эмбриологии, хлорофиллоносности зародыша, его автономности и др. Авторы ставили своей задачей обобщение классических и современных экспериментальных данных о развитии генеративных органов цветка, процессах формирования и прорастания семени, о системе семенной репродукции в целом. Это особенно актуально в связи с необходимостью сохранения редких и исчезающих видов растений, создания банка семян и разработки новых биотехнологий для размножения ценных форм и сортов. Не менее важной является унификация эмбриологических терминов и понятий, которая будет способствовать дальнейшему развитию представлений о репродуктивных процессах, протекающих в ходе онтогенеза. Предисловие 15 В 1994 г. вышел из печати первый том трехтомного издания «Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции» — «Генеративные органы цветка», который был посвящен общему строению цветка и его основных генеративных органов — пыльника и семязачатка. Настоящая книга является вторым томом этого издания. Она состоит из 5 частей, в которых рассмотрены процессы развития всех структур, участвующих в формировании семени. При этом авторами учитывалась давно назревшая необходимость расширения границ эмбриологии растений как науки, которая из описательной превращается в каузальную дисциплину. Кроме традиционных разделов: «Оплодотворение», «Зародыш» и «Эндосперм», в книгу включены разделы, освещающие природу запасающей ткани — перисперма, строение семенной кожуры, а также перспективы генетического анализа эмбриогенеза, особенности постсемениого развития, включая покой и прорастание семян. При написании книги были использованы такие известные монографии, как: F. Netolitzky, «Anatomie der Angiospermen-Samen» (1926); К. Schnarf, «Embryologie der Angiospermen. Archegoniaten» (1929) и «Vergleichende Embryologie der Angiospermen» (1931); R. Soueges, «Les Lois du Developpement» (1937) и «Embryogenie et Classification» (1939); D. A. Johansen, «Plant Embryology» (1950); P. Maheshwari, «An Introduction to the Embryology of Angiosperms» (1950); П. А. Баранов, «История эмбриологии растений» (1955); А. Л. Тахтаджян, «Основы эволюционной морфологии покрытосеменных» (1964) и «Система Маг- нолиофитов» (1987), A. L. Takhtaia'n, «Outline of the Classification of Flowering Plants (Magnoliophyta)» (1980); В. А. Поддубная-Арнольди, «Общая эмбриология покрытосеменных растений» (1964) и «Цитоэмб- риология покрытосеменных растений. Основы и перспективы» (1976); G. Davis, «Systematic Embryology of Angiosperms» (1966); Т. Б. Батыгина, «Эмбриология пшеницы» (1974); Е. Corner, «The Seeds of Dicotyledons» (1976); Э. С. Терёхин, «Паразитные цветковые растения. Эволюция онтогенеза и образ жизни» (1977); V. Raghavan, «Experimental Embryogenesis in Vascular Plants» (1976) и «Embryogenesis in Angiosperms: A Developmental and Experimental Study» (1986); K. Esau, «Anatomy of Seed Plants» (1977); «Embryology of Angiosperms» (1984), под ред. В. М. Johri; «Сравнительная эмбриология цветковых растений» (1981, 1983, 1985, 1987, 1990), под ред. М. С. Яковлева и Т. Б. Батыгиной; М. F. Willson, «Plant Reproductive Ecology» (1983); В. M. Johri, К. Ambegaokar, P. S. Srivastava, «Comparative Embryology of Angiosperms» (1992) и др. Уточнение семантики терминов проводилось в соответствии со словарями: М. С. Cooke, «A Manual of Botanic Terms» ([1873?]); В. D. Jackson, «A Glossary of Botanic Terms» (1916); H. H. 3a- бинкова, М. Э. Кирпичников, «Латино-русский словарь для ботаников» (1957); М. Э. Кирпичников, Н. Н. Забинкова, «Русско- латинский словарь для ботаников» (1977); Биологический Энцикло-
16 Семя педический словарь (1986, 1989); The Oxford English Dictionary (1989) и др. В публикуемом издании сочетаются принципы построения энциклопедического словаря с монографическим описанием эмбриональных структур и процессов. Однако в отличие от традиционной структуры словарей, терминологические статьи в каждой из частей книги расположены не в алфавитном порядке, а по тематическому принципу в целях создания целостной картины о каждой из основных структур семени. В конце книги дается предметный указатель. Терминологические статьи составляют большую часть текстов. Они содержат: определение и семантику термина, его историю, сведения о происхождении, развитии, функциях и классификации описываемой структуры. Освещаются вопросы эволюционных преобразований эмбриональных структур и характер распространения эмбриологических признаков среди цветковых растений. Вторая группа статей объединяет концептуальные статьи, посвященные наиболее сложным и дискуссионным вопросам эмбриологии покрытосеменных. К ним относится и ряд текстов из работ отечественных классиков эмбриологии растений, сохранивших свою актуальность и до настоящего времени. Это статьи С. Г. Навашина и Е. Н. Герасимовой- Навашиной. Работы зарубежных авторов приведены на английском языке. Случаи разночтения в терминах указаны в сносках. Названия концептуальных статей, разделов и ряда подразделов выделены жирным шрифтом и отдельной строкой, а названия терминологических статей, также выделенные жирным шрифтом, напечатаны в начале строки без абзаца. В конце каждой статьи приведены основные литературные источники (автор и год издания). Они отсутствуют в тех случаях, когда высказывается общепринятое мнение или описывается широко распространенный признак. Полные библиографические данные представлены в конце книги. Большинство терминологических и концептуальных статей снабжено иллюстративными материалами в виде рисунков, микрофотографий (СМ, ТЭМ, СЭМ), схем и графиков. Порядковый номер иллюстрации указан в конце текста статьи. В книгу включены фотографии классиков морфологии и эмбриологии, а также авторов, принимавших участие в написании тома. Батыгина Т. Б. Никитичева 3. И. Предисловие 17 То S. G. Nawaschin the discoverer of double fertilization in angiosperms (100 anniversary) Seeds are the germ of life, a beginning and an end, the fruit of yesterday's harvest and the promise of tomorrow's. O. L. Freeman PREFACE Nawaschin's discovery has become stimulus for numerous investigations of fertilization not only in Angiospermae, but also in Gymnospermae. One of his most talanted pupils — E. N. Gerassimova-Navashina, has developed new notions about this process, specifically the idea of fertilization types. Her investigations became classical also. Their embryological school traditions nowadays are continued in different laboratories of the world and, primarily, in the Department of Embryology and Reproductive, Biology of Komarov Botanical Institute of the Russian Academy of Sciences. \ We considered it to be our pleasartt duty to include in this edition the short autobiography of S. G. Nawaschin, the history of double fertilization discovery and some of his works, "published in Russian and German journals, which are bibliographical rarities. These investigations have not lost their significance up to our time, because they contain the detailed descriptions of double fertilization process in classical objects. In recent time the tendency of consolidation of embryology with genetics, physiology and biochemistry is obvious. Progress in molecular biology has strengthened these relationships. Earlier the main genetical method was hybridological analysis, the one permitting to record these or those alternative features, and nowadays the attention of geneticists is more and more attracted to the questions of genetical feature expression during ontogenesis, regularities of caryogamy, plasmogamy and cytokinesis, as well as of histogenesis and organogenesis. For many geneticists of the world the centre of attention became the study of mutations which affect the first developmental stages of male and female generative structures and of embryogenesis (for example, the disturbance of asymmetrical initiation of the first wall in the zygote). This permits to reveal the action mechanism of genes in the processes of development and organogenesis. The successful models for studying mutations are found (Arabidopsis thaliana, Zea mays). Unfortunately, the specialists in the area of studying features inheritance do not consider enough the fundamental achievements of embryology. However, it was the very classical embryology, with such repre-
IS Семя sentatives as К. Schnarf, R. Soueges, D. A. Johansen, P. Maheshwari, B. M. Johri, J. S. Mestre, J. L. Guignard, A. Lebegue, S. G. Nawaschin, M. S. Yakovlev, E. N. Gerassimova-Navashina a.o., which has made significant contribution in the understanding the main regularities of the origin and early stages of individual development. In the resolution of XV International Congress on sexual reproduction in flowering plants (Australia, 1996) the necessity of intensification of the works in the area of classical embryology, as a basis of any investigation on reproductive biology, was noted. In the book, presented to readers, the great attention is paid to the morphological and functional aspects of fertilization process and embryogenesis, the ones which are the main subjects of investigation for the embryologists of St. Petersburg scientific school for many decades. This is connected with the fact. Besides, it is important that the very peculiar type of sexual reproduction closely connected in flowering plants with seed reproduction, has permitted the flowering plants «to conquer» the Earth and create the basis-for the development and flourishing of our civilization. Just the seeds are the main nutritive source for the mankind, and that is why it is impossible to overevaluate the significance of scientific progress in their studying. Together with the traditional ideas of seed development, the original notions on the problems of origin, correlations and evolutionary transformations of seed structures are presented in the book.The data are drawn not only for angiospermous, but also for gymnospermous plants. The new data in the area of experimental embryology, dealing with morphogenesis of reproductive structures, specifically, the development of somatic embryo, have permitted to discuss the new notion of asexual reproduction — embryoidogeny. The new classifications of the developmental types of main seed structures, worked over mainly by the researchers of Botanical Institute, are presented in tne book. Investigations on ecological embryology, embryo chlorophyll-bearing, it's autonomy and others are generalized. The new types of embryogenesis and endospermogenesis are also described. The task of the authors was the generalization of theoretical notions at the basis of the classical and experimental data about the development of flower generative organs, the process of seed formation and germination, the system of seed reproduction as a whole. It is especially urgent with the necessity to preserve the rare and vanishing plant species, to create a seed bank and to elaborate a new biotechnologies for multiplication of avaluable plant forms and varieties connected with the problems of seed reproduction. The unification of embryological terms and notions will promote the further development of ideas about the reproductive processes occurring during plant ontogenesis. Предисловие 19 The first volume of the three-volume edition «Embryology of Flowering Plants. Terminology and Concepts» was published in 1994. It was devoted to the common flower structure and the structure of main generative organs — the anther and ovule. The present book is the second volume of this edition. It consists of five parts and reflects the processes, which take part in the seed formation. The authors took into account the long ago matured broadening of plant embryology borders, the science which turns from descriptive into casual discipline. Becides the traditional chapters — «Fertilization», «Embryo» and «Endosperm», — in the book there are chapters, showing the nature of such storage tissue as peris- perm, the testa structure, and also perspectives on genetic analysis of plant embryogenesis the features of the postseminal development including the seed dormancy and germination. For preparing of the book we have used such well-known monographi- es, as F. Netolitzky «Anatomie der Angiospermen-Samen» (1926); K. Schnarf, «Embryologie der Angiospermen. Archegoniaten» (1929) and «Vergleichende Embryologie der Angiospermen» (1931); R. Soueges, «Les Lois du Developpement» (1937) and «Embryogenie et Classification» (1939); P. Maheshwari, «An Introduction to the «Embryology of Angiosperms» (1950); D. A. Johansen, «Plant Embryology» (1950); P. A. Baranov, «The History of Plant Embryology» (1955); A. L. Takhtajan, «Foundations of Evolutionary Morphology of Angiosperms» (1964), «Outline of the Classification of Flowering Plants» (1980) and «System Magnoliophyta» («1987); V. A. Poddubnaya-Arnol- di, «General Embryology of Angiosperms» (1964) and «Cytoembryology of Angiospermous Plants. Principles and Perspectives» (1976); G. Davis, «Systematic Embryology of Angiosperms» (1966); Т. В. Batygina, «Embryology of the Wheat» (1974); E. S. Teryokhin, «Parasytic flowering plants. Evolution of Ontogenesis and Mode of Life» (1977); E. Corner, «The Seeds of Dicotyledons» (1976); K. Esau, «Anatomy of Seed Plants» (1977); В. М. Johri (ed.), «Embryology of Angiosperms» (1984); M. S. Yakovlev, Т. В. Batygina (ed.), «Comparative Embryology of Flowering Plants» (1981, 1983, 1985, 1987, 1990); V. Raghavan, «Experimental Embryogenesis in Vascular Plants» (1976) and «Embryogenesis in Angiosperms: A Developmental and Experimental Study» (1986); M. F. Willson, «Plant Reproductive Ecology» (1983); B. M. Johri, K. Ambegaokar, P. S. Srivastava «Comparative Embryology of Angiosperms» (1992) and others. For the closer definition of terms' meaning the following dictionaries were used: M. C. Cooke, «A Manual of Botanic Terms» [1873?]; B. D. Jackson, «A Glossary of Botanic Terms» (1916); N. N. Zabinkova, M. E. Kirpichnikov, «Latino-Russian Dictionary for Botanists» (1957); M. E. Kirpichnikov, N. N. Zabinkova, «Latin-Russian Dictionary for Botanists» (1977), Biological Encyclopedical Dictionary (1986, 1989); The Oxford English Dictionary (1989) and others. I
20 Семя In this encyclopedical edition the principles of constructing the dictionary with monographic description of embryonic structures and processes are combined. However, unlike traditional dictionary structure, the terminological articles in every part of the book are disposed not in alphabetical order, but according to theme principle, so as to create the integrated picture about every of main seed structures. In the end of the book the subject index is given. The terminological articles consist the main part of the text. These articles include: the definition and semantics of the terms, their history, the main data about origin, development, functions and classification of described structure. In a number of cases the questions of evolutionary transformations and the character of distribution of embryological features among flowering plants are discussed. The second group of articles combines conceptional articles, devoted to the most complicated and being on discussion questions of angiosperm embryology. To these is related also a number of texts from the works by native plant embryology classics, which have preserved their acute meaning up to our time. These are the articles by S. G. Nawaschin and E. N. Gerassimova-Navashina. The studies of foreign authors, reflecting the methodical and theoretical achievements of the last years are presented in English. Some cases of difference between author's terms and terms accepted in this edition, are marked in footnotes. The titles of conceptional articles, chapters and number of subchapters are marked by heavy type and separate line, while the titles of terminological articles, which are also printed in bold type, are published in the beginning of the line without indention. In the end of every article the main short references are given (the author's name and the date of publication). The reference is absent in the cases when common opinion is given or broadly-spread feature is described. The full bibliographical data used are placed at the end of the volume. The majority of terminological and conceptional articles are supplied with illustrations such as drawings, microfotographs (LM, ТЕМ, SEM), schemes and graphs, the illustration number being indicated at the end of the article. The book includes the photoes of morphological and embryological science classics, and also of authors, who have taken part in it's creation. Tatyana B. Batygina Zinaida I. Nikiticheva Предисловие 21 БЛАГОДАРНОСТИ Выражаю искреннюю благодарность всему авторскому коллективу и особую признательность коллегам из разных стран мира, откликнувшимся на предложение участвовать в этой монографии: М. Cresti, Y.-Q. Li (Италия); S. D. Russell, W. E. Friedman, D. W. Meinke (США); A. A. M. van Lammeren, W. L. H. van Veenendaal, J. H. N. Schel, H. Kieft, F. Ma, J. L. van Went (Голландия); Е. С. Yeung (Канада), S. Y. Zee (Гонконг), X. L. Ye (Китай); G. Jurgens (Германия); J. Pare (Франция); В. Rodkiewicz, E. Szczuka (Польша); О. Erdelska (Словакия); О. А. Хведынич (Украина). Особую благодарность хотела бы выразить В. Е. Васильевой (редактору), И. И. Шамрову (секретарю издания), а также Г. Е. Титовой, Г. Я. Жуковой, Л. М. Поздовой, Е. В. Андроновой, Г. М. Анисимо- вой, О. П. Камелиной и Т. Н. Наумовой за их многостороннюю помощь в подготовке этого издания. Сердечно бл&годарна Н. А. Жинки- ной, А. А. Захаровой за прекрасные, репродукции многих рисунков и Л. М. Ротенфельд — за безукоризненное выполнение фотографий, а также Е. А. Брагиной, О. Н. Вороновой, М. А. Берлиной, Я. В. Осад- чему и Д. В. Суслову за техническую помощь при оформлении рукописи. Очень признательна Г. К. Лахману и Е. В. Драгуновой за неоценимую помощь при переводе отдельных материалов на английский язык. Я благодарна также сотрудникам издательства «Мир и семья-95» за доброжелательное отношение, эффективное и плодотворное сотрудничество. Монография смогла увидеть свет благодаря финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований. Т. Б. БАТЫГИНА -'Л2~828
I 22 Семя ACKNOWLEDGEMENTS As the editor of this volume, I would like to express my gratitude to the team of contributing authors. I am especially thankful to colleagues from different countries of the world who accepted our proposal to participate in the preparation of this book, namely: M. Cresti, Y.-Q. Li (Italy); S. D. Russell, W. E. Friedman, D. W. Meinke (USA); A. A. M. van Lammeren, W. L. H. van Veenendaal, J. H. N. Schel, H. Kieft, F. Ma, J. L. van Went (Netherlands); E. С Yeung (Canada), S. Y. Zee (Hong Kong), X. L. Ye (China); G. Jurgens (Germany); J. Pare (France); B. Rodkiewicz, E. Szczuka (Poland); O. Erdelska (Slovakia); O. A. Khvedynich (Ukraina). My special thanks are due to V. E. Vasilyeva (ed.), I. I. Shamrov (secretary), as well as to G. E. Titova, G. Ya. Zhukova, L. M. Pozdova, E. V. Andronova, G. M. Anisimova, O. P. Kamelina and T. N. Naumova for their great help in the preparation of the present edition. I am also grateful to N. A. Zhinkina and A. A. Zakharova for beautiful illustrations; to L. M. Rotenfeld for excellent photography; to E. A. Bragina, O. N. Voronova, Ya. V. Osadtchiy, D. V. Souslov and M. A. Berlina for their valuable technical assistance. Very grateful to G. K. Lakhman and E. V. Dragunova for invaluable help in the translation into English. I am also sincerely grateful to the colleagues of Publishing House «World and Family-95» for benevolence and effective collaboration. The financial support from the Russian Foundation for Fundamental Researches, without which the book would not have been printed, is gratefully acknowledged. TATYANA B. BATYGINA КЛАССИКИ МОРФОЛОГИИ И ЭМБРИОЛОГИИ и АВТОРЫ 2 ТОМА
КЛАССИКИ МОРФОЛОГИИ И ЭМБРИОЛОГИИ CLASSICS OF MORPHOLOGY AND EMBRYOLOGY .■" л. *L. л . 4b. ■»>■,.'■■: АМИЧИ Д. Б. AMICI G. В. (1786-1864) АРИСТОТЕЛЬ ARISTOTEL (384-322 до н.э.) Ш Ш %. . *$t*4u. SSIirfW: л- АРНОЛЬДИ В. ARNOLDI V. \ (1871-1924) ii '. .',*£ ■ -1 . . :'":'S&," ■ :. - .fJV". si»;:- . \$Ч БАРАНОВ П. А. BARANOV P. A. (1892-1962)
Г ' ч /Лиг БЕКЕТОВ А. Н. BEKETOV A. N. (1825-1902) БОРОДИН И. П. BORODIN LP. (1847-1930) ** V' ii* ГАНШТЕИН И. HANSTEINJ. (1822-1880) ГРЮ Н. GREW N. (1628-1711) J№< "^"" ■■i«4:S!#'* *-J5j;35-.-- ДАРВИН Ч. DARVIN Ch. (1800-1882) ДЖОРИ Б. IV JOHRI В. М. (род. 1909) --* ■*, КАМЕНСКИЙ Ф. М. KAMIENSKI F. М. (1851-1912) КЕМЕРЕР Р. CAMERARIUS R. (1665-1721)
КЕЛЬРЕЙТЕР И KOELREUTER J (1733 —1£ КЭМПБЕЛЛ Д. Г CAMPBELL D. Н. (1859-1953) k ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ LEONARDO DA VINCHl (1452-1519) ЗХ.Т -"-'r';''f- ЛИННЕЙ К. LINNAEUS К. (1707-1778) 7%, .-.■> ФА РОЗАНОВ С. М. ROSANOFF S. М. (1840-1870) СТРАСБУРГЕР Э. STRASBURGER E. (1844-1912) СУЭЖ Р. SOUEGES R. (1876-1967) ':.| ТРЕИБ М. TREUB М. (1851-1910)
mm ФЕОФРАСТ FEOFRAST (370-286 до н. э.) ЧИСТЯКОВ И. Д. TSCHISTIAKOFF I. D. (1843-1877) :^M ШЛЕИДЕН М. И. SCHLEIDEN M.J. (1804-1881) / ШНАРФ K. SCHNARF K. (1879-1947) —}■ / ТАХТАДЖЯН А. Л. TAKHTAJAN A. L. (род. 1910) ЯКОВЛЕВ М. С. YAKOVLEV M. S. (род. 1902)
АВТОРЫ 2 ТОМА AUTHORS OF VOLUME 2 £№& Андронова Е. В. Andronova E. V. г ж Анисимова Г. М. Anisimova G. М. .:> "* Батыгина Т. Б. Batygina Т. В. Брагина Е. А. Bragina E. А. 10Щт Брюхин В. Б. Brukhin V. В. Ван Ламмерен А. А. М. Van Lammeren A. A. M. Васильева В. Е. Vasilyeva V. E. щЛ [й---- -W%B ,- - .У \ Л Вишнякова М. А. Vishnyakova M. A. Вышенская Т. Д. Vyshenskaya Т. D. Гваладзе Г. Е. Gvaladze G. E. е Ч Sti- Герасимова-Навашина Е. Н. Е. N. Gerassimova-Navashina i.^r v.. Данилова М. Ф. Danilova M. F. Zft Ф Жинкина Н. A. Zhinkina N. A. Захарова A. A. Zakharova A. A. Зи С. Е. Zee S. Y. Ие К. Л. Ye X. L. Йенг Э. К. Yeung E. С. Камелина О. П. Kamelina О. Р.
Кифт X. Kieft H. Коробова С. Н. Korobova S. N. 1» «J Крести М. Cresti M. "./ЛИЙ, - - 1ЛГ >** ■*:■* Г Медведев С. С. Medvedev S. S. Морозова Н. М. Morozova N. М. Наумова Т. Н. Naumova Т. N. Никитичева 3. И. Nikiticheva Z. I. Обручева Н. В. Obrucheva N. V. Паре Ж. Pare J. Поздова Л. М. Pozdova L. М. Разумова М. В. Razumova M. V. Расселл С. Д. Russell S. D. Родкевич Б. Rodkiewicz В. Л- Савина Г. И. Savina G. I. Солнцева М. П. Solntseva M. Р. .Гяу^кр* Терехин Э. С. Teryokhin E. S. Титова Г. Е. Titova G. Е. Шамров И. И. Shamrov I. I.
Шел Дж. X. Н. Schel J. H. N. A.^fc Щипарев С. М. Szcziparev S. М. V Щука Е. Szczuka E. Эрдельска О. Erdelska О. СЕРГЕИ ГАВРИЛОВИЧ НАВАШИН (1857-1930)
Предисловие 23 СЕРГЕЙ ГАВРИЛОВИЧ НАВАШИН1 Автобиография Родился я в 1857 г. 2 декабря, в с. Царевщине Саратовской губ. Вольского у. Отец мой, Гавриил Иванович Навашин, был главным врачом в имениях, обнимавших большую округу. В с. Царевщине была большая больница и аптека с аптекарским садом, которым заведовал врач, т. е. мой отец, имевший в помощь фельдшера и аптекаря. Отец имел медицинскую практику по всему уезду и делал нередко поездки. Мать моя, Елизавета Алексеевна, была родом из Москвы, из чиновнической семьи, духовного происхождения. Отец из дворян Калужской губ., из семьи обедневшей, без поместья, уже несколько поколений неизменно служившей на военной службе. Один из дядей отца, полковник Михаил Навашин, убит при штурме Севастополя, на Малахо- вом кургане. Брат отца, мой дядя, Андрей Навашин, также был военным, участвовал в кампаниях, был ранен, имел пенсию и за женой получил имение под Саратовом. Дяди по матери: один, Василий Клиентов, был художник, портретист; другие двое, Виктор и Владимир, были военными; Виктор убит в турецкую кампанию в 70-х годах при геройской защите Горного Дубняка. Старшая сестра матери, тетка моя, Анна Алексеевна, жила в нашей семье в помощь матери, ради большой семьи: братьев и сестер нас было семь человек. Отец, так же как и мать, состояния не имел, и семья жила на труды отца, его врачебную практику и жалованье врача в Царевщине. Это место, со смертью владельца имений, отцу пришлось оставить, и он переехал с семьей в Саратов, где получил от своей тетки, Бизяевой, в наследство небольшую усадьбу, на которой построил дом на ссуду из «Строительной комиссии». Эту ссуду долго выплачивала мать, потому что отец вскоре умер (1863), когда мне минуло 6 лет. Семья осталась Печатается по книге: С. Г. Навашин. Избранные труды. М.—Л.: Изд. АН СССР, 1951. Т. 1. С 13—20.
24 Семя без средств, но обе женщины, мать и тетка, своим трудом, — открыв маленькую школу для приготовления детей в учебные заведения, — дали возможность всем детям получить образование. Старшие в семье были мои сестры, учившиеся в Саратовском институте. Старшая сестра, Александра, увеличила упомянутую школу и, выйдя замуж за учителя гимназии И. И. Зелинского, вместе с ним открыла позже женскую гимназию, которая Пользовалась в Саратове весьма хорошей репутацией. Младшая сестра, Анна'," также трудилась по педагогической части и была известна как образцовая народная учительница. Из братьев я был старший. Второй — Николай — рано погиб, будучи еще гимназистом (самоубийство как следствие меланхолии); после смерти матери, через год после окончания мною гимназии. Мне и оставшемуся в живых другому брату, Андрею, пришлось кончать образование на собственные заработки, как водится, частными уроками, которые я, впрочем, начал уже давать 14 лет отроду. Я поступил студентом в славившуюся тогда Медико-хирургическую Академию (ныне Военно-медицинская) в Ленинграде. Гимназию я прошел легко, благодаря хорошей подготовке дома моей теткой. Поступил во 2 класс и до 4 учился старательно, включительно до «наград». С 4 класса учился «на тройку» и окончил курс с аттестатом сплошь из троек, только с одной четверкой по математике. К счастью, это тогда не было еще помехой для поступления в высшее учебное заведение. Экономия же сил в четырех старших классах, как я уверен, сохранила мне свежесть памяти и сообразительность, вообще способности для более серьезной работы. Я имел, кроме того, много досуга на чтение и всяческое любительство. С раннего возраста меня привлекало коллекционирование, устройство самодельных физических аппаратов, химических аппаратов, а летом поездки на лодке, рыбная ловля и охота с ружьем. Руководителей в этих занятиях я не имел, что, может быть, осталось моим уделом и позже, ибо я, ученый специалист, не принадлежу ни к чьей школе и считаю до сих пор, что книга и собственный опыт — лучшие учителя. В Медико-хирургической академии весьма интересовался общими науками, из которых, впрочем, лишь одна анатомия была представлена блестяще проф. Грубером и Ландцертом. Грубер произвел на меня неизгладимое впечатление человека, отдавшегося всецело науке и ушедшего ради нее «из мира». Ландцерт поражал художественным изложением «сухого» предмета — описательной анатомии. Первым годам в академии я обязан очень многим: студенчество было очень многолюдно (на. моем курсе свыше 300 чел.), и потому некоторые практические занятия были сделаны необязательными. Так, в химической лаборатории работали лишь студенты-«любители», всего десятка два. Со второго года я занимался, поэтому, химией по целым дням, отрываясь лишь для препаровочной Грубера. Так дело пошло и дальше, так что с 4 курса я почти не посещал клиник (кроме Боткинской и Склифосовского), а занимался уже по органической химии в лаборатории А. П. Бородина (он же известный композитор). Этот превос- Предисловие 25 ходный человек привлекал к себе всех и впоследствии был другом моей семьи. Он своим отношением ко мне дал мне понять, что медицина не по мне. Я, сдав экзамен за 4 курса, вышел из академии и поступил в Московский университет на 2 курс, сдав дополнительный экзамен. Продолжал здесь занятия у проф. Марковникова, но не особенно счастливо, несмотря на большое усердие. Весьма полезно оказалось для меня то, что я, по своей опытности в анализе, был старшим практикантом в помощь единственному лаборанту, милейшему и незабвенному Освальду Карловичу Мюллеру; помогал советами товарищам по аналитической химии. В это время самыми привлекательными лекциями были курсы по физиологии растений К. А. Тимирязева, также и его беседы со студентами в часы практических занятий. Мы слышали от него множество рассказов о неурожайности в Западной Европе, характеристики его учителей, каковы были Гофмейстер, Бунзен, Клод Бернар и др. Нас было на курсе 12 чел., и Тимирязеву легко было отметить меня как основательно знающего химию, по которой я имел тогда и заработок для жизни в Москве: я был ассистентом на лекциях по химии на тогдашних Высших женских курсах, называвшихся обычно Лубянскими. Многим воспользовался я при этом от проф. А. А. Колли, превосходного и очень требовательного демонстратора опытов. Тимирязев поэтому наметил меня в ассистенты, и по окончании курса я стал его помощником в университете и бывшей Петровской академии. Несмотря на это, я быд совершенно без подготовки по ботанике собственно. Пришлось очень много поработать, чтобы получить необходимые сведения по анатомии растений и по флоре, для занятий со студентами. «К тому времени я уже был женат на одной из слушательниц тех же Лубянских курсов, Александре Савельевне Сметаниной, подруге моей жизни по сей день. С нею были мои первые ботанические экскурсии, положившие начало моему знанию флоры, а также — повороту от химии к ботанике. Ради проверки гербария, собранного за лето, я обращался к тогдашнему лучшему знатоку флоры, математику-геометру В. Я. Цинге- ру, который своим образом страстного любителя живой природы дал мне направление в сторону биологии. Я до сих пор уверен, что биологу необходимо изучать предмет, начиная с прямого знакомства хотя бы с одной группой растений или животных. Наши физиологи, в сущности, либо химики, либо физики, а не биологи, что, конечно, зависит от состояния науки в данную эпоху, от ее потребностей. Как бы то ни было, с химией для меня было покончено моим «кандидатским рассуждением» «О конституции соляных растворов», — тема, вскоре попавшая в руки великана, знаменитого Вант-Гоффа. «Карьера» моя была этим определена, и я на всю жизнь остался доволен тем, что не был «оставлен при университете», а попал прямо на работу в качестве помощника хорошего учителя. В моей роли Тимирязев оставил мне широкую самодеятельность. За время моей службы в Петровской академии я сдал экзамен на магистра ботаники. 1/23-828
26 Семя Я чрезвычайно обязан К. А. Тимирязеву за то, что он потребовал от меня приступить к этому, оставив на время текущие лабораторные занятия. На самом деле, пора было сделать этот официальный акт, без которого продвинуться вперед тогда было невозможно. За два года, как раз к моим 30 годам, я подготовился к экзамену и держал его в Петербургском университете. Вновь изъявляю свою признательность К. А. Тимирязеву за ту рекомендацию, которой он снабдил меня моему главному экзаменатору, А. Н. Бекетову. Мой экзамен в факультете свелся лишь на экзамен по химии (экзаменатор — теперешний академик Д. П. Коновалов), тогда как оба другие экзаменатора, Бекетов и Гоби, были удовлетворены представленными мною конспектами и первыми моими научными статьями и докладами. Я, получив «степень» магистранта, мог объявить приватдоцентский курс. В Академии я читал в течение года курс патологии растений, а в Университете — введение в систематику грибов. Через год последовал знаменитый разгром Петровской академии и уход Тимирязева из ее состава. Я получил предложение из Санкт- Петербургского университета и перешел туда ассистентом по ботанике к проф. Бородину. Там я возобновил также свой приватдоцентский курс по патологии растений. Судьба свела меня здесь с тремя светлыми личностями: И. П. Бородиным, А. Н. Бекетовым и М. С. Ворониным. С последним у меня установилась тесная дружба, несмотря на большую разницу в летах (мне было только за 30, а ему за 50), сначала на почве нашей общей любви к исследованию грибов. Я работал с ним совместно и признаю его своим учителем по исследованиям истории развития низших существ. Ему же я был полезен знанием новейших приемов микроскопической техники. С ним совместно была мною сделана работа над одним интересным паразитом, и ему же я обязан темой для магистерской диссертации — о болезни сережек березы, которую я вскоре (1894) и «защитил» в буквальном смысле слова, потому что официальный оппонент, проф. Гоби, был крайне восстановлен, по разным причинам против меня. Попутно, изучая болезнь сережек березы, я проследил порядок оплодотворения у нее и наткнулся на открытие, сделавшее мое имя известным в Европе: на особенность прохождения пыльцевой трубки, так называемую «халацогамию», только что перед этим открытую известным М. Трейбом у экзотического семейства казуариновых. Трейб построил на этом чрезвычайно замысловатую теорию положения этого семейства в системе; мое же открытие разрушало построение Трейба и давало интересные выводы касательно процесса эволюции оплодотворения вообще. Отсюда мною была взята тема для диссертации на степень доктора ботаники, которую я закончил за два года, а в 1896 г. защищал в Одессе, уже будучи профессором Киевского университета. Особенности оплодотворения у березы обратили мое внимание на сродственные растения (лесной орешник, ольху), особенно на грецкий орех. Последний мне пришлось изучать только в более теплом климате, в Киеве, куда, на кафедру ботаники, я был назначен по защите своей магистерской диссер- Предислоеие 27 тации (в 1894 г.). Уже в Киеве мной был закончен ряд исследований по оплодотворению, приводивших меня к мысли, что вполне необходима ревизия этого процесса у тех растений, которые корифеями нашей науки (Шахтом, Гофмейстером, Страсбургером, Гиньяром) были поставлены образцом общей схемы процесса. Еще в Петровской академии, под впечатлением блестящих статей и красивых рисунков Гиньяра, я имел желание видеть все своими глазами; но попытки мои были безуспешны, что я объяснял высокой техникой работы Гиньяра и моим слабым искусством. В Киеве, по защите докторской диссертации, я принялся за повторение исследования Гиньяра по способам лучшим и убедился, что данные этого ученого как раз зависели от его малого искусства и от его пылкой фантазии, следовавшей слепо за открытиями в области зоологии, где дело оказалось вскоре тоже не без греха. Картин Гиньяра не оказалось вовсе на тех именно объектах, которые он брал; получилось также и не то, что представляли себе упомянутые корифеи, а нечто вовсе неожиданное в отношении образования белка семени, эндосперма: последний оказался также результатом оплодотворения, т. е. как бы близнецом зародыша. Этому исследованию я не мог, однако, отдать тогда достаточно времени, так как принял предложение Трейба, посетившего меня в Киеве, приехать к нему на Яву для занятий в знаменитом тропическом саду Бейтензорга. Для этого имелась стипендия Академии Наук, основанная по ходатайству Трейба. В тропиках я пробыл более полугода, где подтвердил свое открытие на орхидных. Особой выгоды в научнЬм отношении я от этой поездки не получил, если не считать за необходимость, чтобы натуралист раз в жизни видел океан и тропики.- Вернувшись с Явы, я возобновил свои исследования над оплодотворением, на сей раз у подсолнечника, т. е. в семействе, далеко стоящем от исследованных впервые однодольных (лилии и др.). Таким образом, явление, которое могло поначалу казаться особенностью лишь некоторых однодольных, следовало принять за признак, общий всему отделу покрытосеменных. Это составляло уже весьма крупный вклад в науку, именно как данные для характеристики отдела семенных растений, что и принято ныне всеми авторитетами ботаники. Де-Фризом было указано тогда естественное объяснение загадочного явления «ксений» у маиса на основании моего открытия. Около описываемого времени, еще до поездки на Яву, я предпринял исследование возбудителя рака у капусты («кила» капусты), 20 лет раньше открытого и описанного Ворониным. Я разъяснил, при помощи современных методов, цикл превращений паразита внутри клеток корня. Работа, ввиду интереса к злокачественным опухолям вообще, была встречена с большим вниманием в медицине. Берлинский клиницист, известный Лейден, даже командировал ко мне своего ассистента — ознакомиться с моими препаратами. На русском языке работа появилась в «Русском архиве патологии, медицины, бактериологии и пр.», редактировавшемся Подвысоцким. Мое участие в ходе нашей науки было оценено, впервые и одновременно, нашей Академией Наук, избравшей меня своим членом-корреспондентом (1901), немецким Ботаническим обществом, 723*
28 Семя почтившим меня таким же дипломом, и Венским зоолого-ботаническим обществом, избравшим меня своим почетным членом. В 1904 г. я был удостоен Академией Наук первой премии К. Ф. оэра за ряд исследований по эмбриологии семенных растений. В Киеве я имел возможность иметь учеников в своей лаборатории при Ботаническом саде. С самого начала таким явился Н. В. Цингер, сын известного московского математика, недавно безвременно умерший профессором в Харькове. Им была сделана у" меня его магистерская диссертация по эмбриологии конопли и хмеля, обратившая на себя внимание за границей. Дальнейшие его труды были из иной области (видообразование, естественный отбор у сорняков) и стяжали ему репутацию биолога, собственными наблюдениями, а не рассуждениями, вносящего новые вклады в учение Дарвина о значении отбора в эволюции видов. Свою докторскую диссертацию о сорняках льна он защищал также в Киеве. Другой мой ученик — Г. А. Левитский — цитолог и биометрик, заявил себя в науке точным исследованием отношения хондриосом к пластидам. Моими же учениками по Киеву являются: Финн, Фаворский, Делоне, мой сын М. Навашин, все сделавшие значительные вклады в современную цитологию и, так или иначе, принимающие участие в строительстве русского учения и науки. Русская академическая жизнь, особенно университетская, была сильно потрясена событиями 1905 — 1907 гг. Это подготовило участие профессуры в выборах в Государственную Думу. Я, в числе некоторых других граждан Киева, находившихся на государственной службе, подвергся «репрессиям». Для меня они, впрочем, значения не имели: я был всего лишь лишен производства в следующий чин, т. е. д. ст. сов., и очередных орденов, вплоть до 1917 г. В поселке Святошин под Киевом, где я жил, мне удалось еще до 1905 г. открыть народное училище (двухклассное), благодаря содействию земства, Министерства земледелия и весьма либерального тогдашнего попечителя Учебного округа, моего товарища по науке, бывшего проф. Беляева. Я был несколько лет почетным блюстителем этого училища и построил для него дом на ничтожные средства, данные казной, и лесной материал в виде «делянки» леса. С наступлением реакции я принужден был оставить это дело. Научные мои занятия я продолжал в это и последующее время и устроил домашнюю лабораторию и питомник растений на усадьбе, где жил с семьей в Святошине. Общее течение научной жизни заставило меня отступить от эмбриологии и обратиться к изучению клетки, именно сравнительному: клетки растительной и животной. За время от 1908 до 1914 г. я достиг достаточных познаний по литературе зоологической. Связь с западноевропейскими учеными и научными учреждениями более и более крепла: в 1907 г. я был избран почетным членом немецкого Ботанического общества, в 1908 г. — одновременно с несколькими русскими обществами естествоиспытателей — членом-корреспондентом Баварской Академии наук, в 1911 г. — иностранным членом Лондонского Линнеевского общества. Предисловие 29 Темою систематического исследования стала для меня в последующее время изменчивость строения ядра (специально, размеров хромосом и их взаимных отношений) у индивидов одного и того же вида. Мною было открыто, что по таким отличиям могут быть распознаваемы внутри вида две расы: одна с ядром симметричного строения, другая — с ядром асимметричным. В Святошине и в Ботаническом саду Киевского университета мной были установлены обширные культуры двух лилейных для выяснения генетических отношений этих рас. В 1912 г. основные факты были опубликованы мной в изданиях Академии Наук, а в 1916 г. — некоторые соображения по этому поводу теоретического свойства. С началом войны совпало ухудшение моего здоровья, а в 1915 г. я принужден был подвергнуться операции. Товарищи по университету, врачи настаивали на переезде моем с семьей в более теплый климат. Я выбрал местом жительства Тифлис как город, в котором есть крупные научные учреждения, между ними обширный Ботанический сад. В 1915 г. осенью я выехал в Тифлис, взяв с собой всю лабораторную обстановку (мою собственную). Работа, однако, благодаря этому оказалась нарушенной. Я с трудом нашел рабочее место на Тифлисской химико-бактериологической станции, а позже кочевал с одного места на другое. Несмотря на это, под моим руководством занимались, время от времени, слушательницы Тифлисских высших женских курсов, а из Москвы ко мне была командирована от Петровской с.-х. академии окончившая там курс и заведовавшая микроскопической лабораторией Селекционной станции А. Г. Николаева, ставшая одной из.моих лучших учениц, недавно безвременно скончавшаяся. В 1918 г. я был избран действительным членом Академии Наук, а также орд. Чл. Академии наук в Упсале. Условия жизни в Тифлисе становились более и более тяжелыми, прекратилась выслуженная мною пенсия и пособие (на научные исследования). Средства к существованию я имел лишь в плате за лекции в Грузинском университете и Тифлисском политехникуме. Лекций приходилось читать до 16 часов в неделю и лично вести практические занятия. Обзор моей деятельности (научно-исследовательской), равно как моих учеников и сотрудников с 1914 по 1923 гг., был представлен мной в виде статьи около 2 печ. листов, с таблицей рисунков, по предложению, полученному мной от акад. Северцова и Лазарева, в январе 1923 г. (Этот обзор остался не напечатанным). В 1923 г. весною я получил настойчивое предложение занять место директора только что возникшего Института им. Тимирязева и был таковым утвержден ГУС'ом. В институте я имею теперь школу молодых натуралистов (почти исключительно женщины), работающих коллективно под моим руководством в Отделении экспериментальной эволюции, заведующим которого я состою. 0—828 9 марта 1926 г. Москва.
30 Семя Двойное оплодотворение у Lilium martagon (Рисунок С. Г. Навашина, 1898) Двойное оплодотворение 31 ЧАСТЬ I — ДВОЙНОЕ ОПЛОДОТВОРЕНИЕ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ФЕНОМЕН ДВОЙНОГО ОПЛОДОТВОРЕНИЯ1 В 1998 году исполняется 100 лет со времени сделанного Сергеем Гавриловичем Навашиным крупнейшего открытия в биологии — двойного оплодотворения. Имя академика С. Г. Навашина (1857-1930 гг.) пользуется широкой известностью, его работы признаны классическими. С. Г. Нава- шин выделялся среди ученых самобытностью, ^независимостью научного творчества. В отличие от общепринятого в годы его молодости порядка, он не «совершенствовался» за границей, а развивал свои дарования, оставаясь на родине. Сергей Гаврилович впервые выехал за границу, будучи уже знаменитым ученым, и там с большим успехом пропагандировал достижения русской науки, приобретая искренних друзей среди зарубежных ученых. Классические труды С. Г. Навашина стали библиографической редкостью. В связи с этим в настоящее издание включено несколько его основополагающих работ, посвященных процессу оплодотворения. Публикация классических работ особенно важна для подготовки молодых специалистов, поскольку в них с максимальной яркостью проявляются все ценные качества С. Г. Навашина-исследователя: объективность, точность наблюдения, проницательность, интуиция и оригинальность. Важным элементом научного творчества С. Г. Навашина является исключительно тонкая передача открываемых им под микроскопом картин с помощью художественно выполненных рисунков. Иллюстрации его цитологических работ не только способствовали появлению совершенно новой для того времени области ботаники — «тонкое строение При написании данной статьи использованы материалы, опубликованные в книге «С. Г. Навашин. Избранные труды» (1951),а также данные,любезно предоставленные М. А. Гусаковской (Московский Государственный Университет).
32 Семя элементов клеточного ядра», изображавшихся ранее в виде бесформенных глыбок, но и по сей день считаются шедеврами по технике исполнения (часто он давал их в акварели). Как говорил С. Г. Навашин: «Рисунок — язык морфолога». В настоящее время . наряду с новыми техническими возможностями (ТЭМ, СЭМ, компьютерная реконструкция и т. д.) рисунок продолжает оставаться необходимым и важным этапом в познании истины. Особого внимания заслуживает работа, посвященная оплодотворению — «Опыт структурного изображения свойств половых ядер», которая не потеряла свою ценность до наших дней, являясь примером точности наблюдений и гениальной прозорливости. В данной работе С. Г. Навашин выступает как замечательный морфолог, изучающий детали структуры (клетки и ядра) для выявления функций. Хотя со времени ее публикации прошло почти 75 лет, один из важнейших вопросов, поставленных С. Г. Навашиным, до сих пор привлекает внимание исследователей, а именно: о причинах направленного движения спермиев к женским половым клеткам. Как пишет С. Г. Навашин (1927, с. 327), продолжает оставаться загадочным «...момент — разлучение обоих половых ядер, спермиев, лежащих временно бок о бок и последующее стремление их в противоположных направлениях: одного в яйцеклетку, другого — в протоплазму зародышевого мешка, к обоим полярным ядрам последнего, в это время уже сливающимся». Для решения этого вопроса он предложил оригинальную гипотезу энантиоморфизма. С. Г. Навашин считал, что имеется зер- кальноподобное расположение всех элементов в каждой паре спермиев и женских клеток (ядро яйцеклетки и микропилярное полярное ядро центральной клетки). После попадания спермия в зародышевый мешок в последнем создается сложная система из четырех ядер («различно настроенных тел»). В силу взаимодействия попарно настроенных ядер, образуется своего рода градиент, определяющий направление движения каждого ядра спермия к определенному ядру женской клетки. Таким образом, гипотеза энантиоморфизма основана на предположении, что в паре спермиев так же, как и в женских клетках (яйцеклетке и центральной клетке), одно ядро является левым, другое правым. Слияние происходит между соответствующими друг другу ядрами (правое с правым, левое с левым). С. Г. Навашин впервые подошел к важнейшей проблеме биологии — асимметрии цитоплазмы, обратив внимание на физиолого-биохимические различия D-и L-форм. Проблему асимметричности С. Г. Навашин рассматривал широко. Он писал: «Подобно тому, как асимметричное строение молекулы или кристалла находится в соотношении с оптической деятельностью данного тела, так асимметрия гаплоидного ядра является условием специфичного, половодеятельного состояния гаплоидных клеток, причем это состояние должно проявляться в двух противоположных формах, подобно тому, как проявляется оптическая деятельность в формах право- и левовра- щающих тел одной химической природы». В настоящее время иссле- Двойное оплодотворение 33 дователи придают большое значение асимметричным процессам как у растений, так и у животных (асимметричный цитокинез), происходящим в мейозе и в митозе (например, при делении микроспоры, зиготы, клеток зародыша). Эти вопросы рассматриваются на клеточном и субклеточном уровнях (см. Т. 1, Т. 2: Graminad-тип эмбриогенеза; Ультраструктурные аспекты эмбриогенеза). Кроме того, в этой работе С. Г. Навашин фактически впервые говорит о диморфизме мужских и женских клеток, установленном впоследствии и на ультраструктурном уровне (см. Т. 1: Спермий; Диморфизм спермиев). Примечательно, что еще в 1898 г., когда главное внимание С. Г. Навашина было привлечено к проблеме оплодотворения, он делает доклад «Диморфизм ядер у Plasmodiophora brassicae» (Зап. Киевск. Общ. Естествоисп., 1901, Т. XVII, вып. 1, с. 36). Несмотря на то, что прошло так много лет после опубликования этой работы, продолжают оставаться невыясненными механизмы, обеспечивающие процесс двойного оплодотворения (см. Механизмы оплодотворения). Можно только сожалеть, что эти работы С. Г. Навашина не известны зарубежным исследователям, т. к. его гипотеза энантиоморфизма и в настоящее время могла бы быть полезной при изучении этой сложной проблемы. Теория энантиоморфизма, как отмечает М. С. Навашин (1973), до сих пор не потеряла своего значения, т. к. является не только постулатом молекулярного уровня, но и точно отображена в надмолекулярных структурах. М. С. Навашин показал, что свойство энантиоморфизма присуще не только гаплоидным ядрам, но всем ядрам, образующимся при клеточном делении. Таким образом, М. С. Навашин не только подтвердил соображения С. Г. Навашина, но и показал универсальность этого процесса, тем самым углубив наши знания о природе клеточного деления. Гипотеза «ядерного энантиоморфизма» в настоящее время может быть рассмотрена как одна из гипотез, объясняющих механизм двойного оплодотворения. Открытие С. Г. Навашиным феномена двойного оплодотворения — «...замечательное достижение отечественной науки, которое по своему влиянию на дальнейшее развитие биологии можно сравнить лишь с открытием законов наследственности и механизма мейоза» (Поддуб- ная-Арнольди, 1976). Его значение настолько велико, что представляется необходимым остановиться на истории этого открытия. Величайший ботаник Hofmeister (1849) на основании изучения 38 видов из 19 родов покрытосеменных дал впервые целостную картину полового процесса. В своем труде «Die Entstehung des Embryo der Phanerogamen. Eine Reihe microscopischer Untersuchungen» он показал на живом материале (Orchis и Gymnadenia) прорастание пыльцы на рыльце и возможное участие пыльцевой трубки в оплодотворении (рис. 1). Однако он остался на позициях, согласно которым «мужское оплодотворяющее начало» поступает в яйцеклетку путем диффузии.
34 Семя Рис. 1. 1-4 — строение зрелого мешка и вхождение в него пыльцевой трубки у Orchis morio (1,2) и O.militaris (3,4); 5-7, 9 — развитие зародыша у Gymnadenia odoratissima и О.morio (8) (по: Hofmeister, 1849). Один из крупнейших ботаников того времени Karsten (1860) понимал, что оплодотворяющее вещество (франц. «matiere fecondante») должно попасть в яйцеклетку, чтобы зародился зародыш, но также продолжал объяснять процесс оплодотворения яйцеклетки через диффузию «оплодотворяющего начала» — сначала через стенку трубки в зародышевый мешок, а затем в яйцеклетку, где и должен совершиться акт оплодотворения. Наличие акта оплодотворения он логически доказывал тем, что если бы оплодотворение не совершалось, то повсеместно в растительном мире царствовал бы партеногенез, чего в действительности нет. Horkel (1836), Schleiden (1837, 1839), Schacht (1850), являющиеся ярыми поллинистами, считавшими, что зародыш возникает из кончика пыльцевой трубки, своим авторитетом настолько убедили всех в своей правоте, что Нидерландская Академия Наук присвоила Schacht премию за выдающиеся исследования в области процесса оплодотворения. Двойное оплодотворение 35 Рис. 2. Развитие зародыша из пыльцевой трубки Martynia lutea, п т — пыльцевая трубка, з — зародыш (по: Schacht, 1850). В подтверждение правильности своих воззрений Schacht привел рисунки по развитию зародыша из пыльцевой трубки Martynia lutea (рис. 2). Однако позднее, в 1856 г. поллинисты признали ошибочность своих убеждений. Горожанкин своими классическими работами по оплодотворению у голосеменных впервые опроверг господствующее в то время мнение о диффузном проникновении спермия в яйцеклетку. Он писал: «...оплодотворение хвойных совершается не диффузным путем происходит еще настоящая копуляция вторичного ядра яйцевого мешка со сперма- генами» (1880, с. 161). При этом он отметил, что этот процесс сходен с таковым у тайнобрачных.
36 Семя В 1877 г. Strasburger впервые наиболее полно описал процесс вхождения пыльцевой трубки через синергиду в зародышевый мешок у Monotropa hypopitys, обнаружив, что одна из двух мужских гамет, находящихся в пыльцевой трубке, входит в полость зародышевого мешка, осуществляя функцию оплодотворения яйцеклетки. По его мнению, второй спермий растворяется в пыльцевой трубке. Несмотря на многолетние прежние его утверждения, что «оплодотворяющее начало» лишь диффундирует через стенку пыльцевой трубки, он все же первым в мире определил роль одного спермия, т. е. фактически открыл сингамию — одинарное оплодотворение у цветковых. Судьба второго спермия продолжала оставаться загадкой. В 1886 г. L. Guignard, иллюстрируя этот процесс на примере представителей сем. Cactaceae, отмечал иной путь вхождения пыльцевой трубки в зародышевый мешок — пыльцевое содержимое входит непосредственно в яйцеклетку (минуя синергиды). Следует отметить, что классические исследования Горожанкина, Strasburger и Guignard ознаменовали конец длительной, почти двадцатилетней дискуссии с «поллинистами», утверждавшими, что зародыш развивается из кончика пыльцевой трубки. После открытия одинарного оплодотворения многие эмбриологи мира занимались детальным исследованием различных аспектов оплодотворения, в том числе и ростом пыльцевых трубок в пестике. Treub (1891) открыл феномен халазогамии (см. Халазогамия). Работая над проблемой халазогамии у Juglans regia, С. Г. Навашин (1895) впервые установил наличие двух спермиев в зародышевом мешке, представленных в виде растянутых спиралей. 24 августа (по старому стилю) 1898 года на X съезде русских естествоиспытателей С. Г. Навашин сделал сообщение на тему «Новые наблюдения над оплодотворением у Fritillaria tenella и Lilium martagon». Впервые в мире С. Г. Навашин показал, что обе мужские клетки проникают в протоплазму зародышевого мешка и имеют почти червеобразную форму, причем тело их изгибается в различных случаях «чрезвычайно прихотливо». Далее мужские ядра отделяются друг от друга, причем одно проникает в яйцеклетку, а другое «тесно прикладывается» к одному из неслившихся еще полярных ядер, т. е., как подчеркивал С. Г. Навашин, к сестринскому ядру яйцеклетки. С. Г. Навашин отмечал, что мужские ядра продолжают сохранять свою червеобразную форму, а «несколько позже полярное ядро, копулирующее с другим мужским ядром, направляется навстречу другому полярному ядру, с которым и встречается в середине зародышевого мешка». Только после значительного промежутка времени наступает полное слияние всех ядер в профазе деления. «...Вся группа ядер делится, как одно ядро». (См. Результаты пересмотра процессов оплодотворения у Lilium martagon и Fritillaria tenella). Это открытие (статья под названием «Resultate einer Revision der Befruchtungsvorgange bei Lilium martagon und Fritillaria Двойное оплодотворение 37 tenella») было вначале опубликовано на немецком языке в Известиях Академии Наук (Bull, de Г Acad, des Sci. de St.-Petersbourg, vol. 9, N. 4, November 1898, p. 377 — 382), а затем в «Botanisches Centralblatt» (1899, Bd 77, N 2. S. 62), вышедшем 4 января 1899 г. Таким образом, весь ученый мир узнал об открытии С. Г. Нава- шиным двойного оплодотворения у покрытосеменных растений. Крупнейшие русские ботаники — академики Фаминцын, Воронин, Тимирязев, Беляев — высоко оценили открытие С. Г. Навашина. В 1899 году вышла работа Guignard, который также описал двойное оплодотворение у лилейных и позднее у других видов покрытосеменных растений (1900, 1922). В своей работе «Sur les antherozoides et la double copulation chez les vegetaux angiosperms», он, к сожалению, не ссылается на открытие, сделанное С. Г. Навашиным в 1898 г., и ни словом не упоминает о полученных последним данных. В этой работе, вышедшей в апреле 1899 г., Guignard описывает явление двойного оплодотворения, вразрез с прежними собственными исследованиями. Встречающиеся до сих пор в зарубежной литературе указания на независимое и одновременное открытие Guignard двойного оплодотворения лишены потому всякого основания. Незаслуженной популярности французского ботаника, вероятно, немало способствовал известный немецкий ботаник Goebel, немедленно прореферировавший в своем журнале «Flora» (1899, Bd 86, S. 235) указанную статью, но ни слова не упомянувший об имевшихся задолго до Того трех публикациях С. Г. Навашина, опубликованных на немецком и русском языках. Следует отметить результаты исследований оплодотворения у цветковых растений, выполненных В. М. Арнольди и французским исследователем О. М. Mottier. Как совершенно справедливо пишет известный русский ботаник П. А. Баранов в своей книге «История эмбриологии» (1955): «История науки знает массу случаев, когда крупные открытия упускались учеными в силу гипноза традиционных представлений, воспринимавшихся как незыблемые истины. Ярким примером в этом отношении является случай с крупным русским эмбриологом В. М. Арнольди, получивший признание благодаря сообщению Финна (1931). В. М. Арнольди первым увидел на препарате семяпочки подснежника (Scilla sibirica) слияние мужских гамет с яйцеклеткой и с ядром центральной клетки зародышевого мешка, т. е. двойное оплодотворение у растений, но... он ие поверил своим глазам, посчитал вторую мужскую гамету случайно занесенной в зародышевый мешок и прошел мимо возможности сделать огромной важности открытие, которое чгрез несколько лет после Арнольди сделал С. Г. Навашин, обессмертив свое имя. То же самое повторилось и с Mottier, который видел картину двойного оплодотворения за год (в 1897 г.) до открытия его Навашиным, но счел это случайностью и не обратил на нее должного внимания».
38 Семя В одной из своих исторических работ «Пересмотр процессов оплодотворения у Lilium martagon и Fritillaria tenella», напечатанной в «Классиках естествознания» (книга 12, Госиздат, 1923), С. Г. Навашин впервые дал оценку открытого им явления — двойного оплодотворения. С. Г. Навашин с самого начала занял твердую позицию относительно половой природы эндосперма. К своему открытию он пришел через эмбриологические исследования разных видов. Начиная с этой работы, он всецело посвятил себя изучению процесса оплодотворения. Это нашло отражение в последующих статьях: «Об оплодотворении у сложноцветных и орхидных» (1900), «Ueber die Befruchtungsvorgan- ge bei einigen Dicotyledonen» (1900), «О самостоятельной подвижности мужских половых ядер у некоторых покрытосеменных растений» (1910) («Ueber das selbststandige Bewegungsvermogen der Spermakerne bei einigen Angiospermen», 1909), «Подробности об образовании мужских половых ядер у Lilium martagon» (1911) («Naheres iiber die Bildung der Spermakerne bei Lilium martagon», 1910), «К истории развития халацогамных Juglans nigra и Juglans regia» (1912) (совм. с В. В. Финном) («Zur Entwicklungsgeschichte der Chalazagamen, Juglans regia und Juglans nigra», 1913) и «Опыт структурного изображения свойств половых ядер» (1926/1927). В этих работах он впервые рассматривает следующие вопросы: половая сущность слияния ядра спермия со вторичным ядром центральной клетки, строение половых элементов в связи с их функциями, движение спермиев в зародышевом мешке, наличие цитоплазмы у мужских гамет и ее участие в оплодотворении. Многие из перечисленных аспектов двойного оплодотворения продолжают оставаться загадкой и в настоящее время. В последние годы своей жизни, будучи директором Биологического института им. К. А. Тимирязева и заведующим Отделением экспериментальной эволюции (1923), С. Г. Навашин продолжает научную деятельность, посвященную изучению цитологических аспектов процесса оплодотворения. К сожалению, большая часть этих работ осталась неопубликованной. Двойное оплодотворение в настоящее время описано более чем у 300 видов цветковых, относящихся к различным семействам, включая такие примитивные, как Casuarinaceae, Ceratophyllaceae, Ranuncula- ceae, Fagaceae, Betulaceae, Ulmaceae, и подвинутые — Umbelliferae (Apiaceae), Rubiaceae, Asteraceae и Orchidaceae. Данные о процессе оплодотворения обобщены в ряде монографий и работ (Sax, 1918; Schiirhoff, 1926; Dahlgren, 1927; Gerassimova, 1933; Schnarf, 1941; Герасимова-Навашина, 1947-1990; Модилевский, 1949, 1953, 1963; Поляков, 1950; Maheshwari, 1950; Steffen, 1963; Linskens, 1969). Каково же биологическое значение феномена двойного оплодотворения у покрытосеменных? Следует отметить, что его оценка обычно связывается с оценкой биологической сущности процесса оплодотворения в целом. Дарвин, Двойное оплодотворение 39 открывший «великий закон природы», говорил о прогрессивном значении появления полового процесса в истории органического мира, рассматривая при этом перекрестное опыление как источник поднятия жизнестойкости потомков и обогащения наследственности. В России представления Дарвина о значении полового процесса получили дальнейшее развитие. Известный русский ученый-дарвинист — ботаник А. Н. Бекетов в преддверии открытия двойного оплодотворения в своем учебнике «Ботаника» писал: «совокупление есть собственно вид специализированного питания», отмечая при этом, что «новая клеточка» одарена «высшей живучестью, а потому способна разрастаться в новое растение лучше всякой другой клеточки данного растения» (1883, с. 367). Как же сам С. Г. Навашин оценивал свое открытие? Исследование двойного оплодотворения у различных представителей однодольных (Liliaceae, Orchidaceae) и двудольных (Asteraceae, Ranunculaceae, Juglandaceae и др.), занимающих разные уровни филогенетического древа цветковых, позволило С. Г. Навашину высказать положение об универсальности этого процесса для всех покрытосеменных. Однако С. Г. Навашин отметил специфику его протекания у некоторых видов растений. В одной из своих работ «О процессе оплодотворения у некоторых двудольных» С. Г. Навашин писал: «...При слиянии мужского ядра с ядром эндосперма1 мы имеем дело с настоящим оплодотворением, и этот факт может найти филогенетическое объяснение» (см. Навашин, 1951, с. 232). В подтверждение половой природы эндосперма он приводит экспериментальные данные, полученные De Vries (1899) и Correns (1899), по опылению чужой пыльцой различных рас Zea mays. Эти ученые, как считал С. Г. Навашин, своими блестящими опытами показали, что «...свойства растения, дающего пыльцу, передаются не только зародышу, но и эндосперму. Возникновение при этом пары гибридных близнецов — гибридного зародыша и гибридного эндосперма — названные ученые объясняют тем, что здесь имеется настоящее оплодотворение центральной клетки зародышевого мешка» (1900, с. 235). Таким образом была более полно раскрыта сущность феномена «Ксений» у цветковых растений, так долго интриговавшего многих ботаников со дня его открытия (Focke, 1881). Это позволило С. Г. Навашину считать, что «...исчезают все практические основания искать различия между процессами при образовании зародыша и эндосперма. Скорее всякое теоретически постулируемое различие между этими процессами оказывается весьма проблематичным доказательством полноты наших современных знаний об истинной природе оплодотворения» (1900, с. 235). С. Г. Навашин называл продукт слияния двух половых ядер — «ядром эндос перма», а центральную клетку в этот момент — «клеткой зачатка эндосперма».
40 Семя Однако вопрос о биологическом значении двух звеньев оплодотворения (сингамии и тройного слияния) вызвал широкую дискуссию. Guignard считал, что второе звено (оплодотворение клетки зачатка эндосперма) в двойном оплодотворении является ложным оплодотворением (une sorte de pseudo-fecondation) в отличие от истинного оплодотворения (une fecondation vraie). Strasburger полагал, что слияние ядра спермия со вторичным ядром центральной клетки является лишь большим стимулом к развитию эндосперма, поэтому он назвал его вегетативным оплодотворением («vegetative Befruchtung»), в отличие от генеративного — оплодотворения яйцеклетки, которое имеет целью, по его выражению, передачу наследственных свойств. Сам С. Г. Навашин, признавая сингамию и тройное слияние половым актом, тем не менее считал оплодотворение полярных ядер своего рода полиэмбрионией, сходной с таковой у голосеменных. Продукт тройного слияния он называл белковой зиготой, а образующийся из нее эндосперм приравнивал к видоизмененному зародышу. Основная функция этого «близнецового зародыша», по мнению С. Г. Навашина, — трофическая, т. е. эндосперм, по существу, играет роль питательной ткани. В общем сходное мнение было высказано и Strasburger. Позднее Sargant (1900) рассматривала образование эндоспермального зародыша как стимул к его активному росту, a Porsch (1907) — как «питательный зародыш». Некоторые исследователи (Schurhoff, 1919) считают, что эндосперм покрытосеменных подобен заростку так же, как и эндосперм голосеменных. Cooper и Brink (1947) подчеркивали физиологическое преимущество триплоидного эндосперма, образование которого является как бы ком- ' пенсацией крайней редукции женского гаметофита. В этом аспекте двойное оплодотворение рассматривается многими учеными мира. По мнению Козо-Полянского (1949), появление гибридного эндосперма покрытосеменных — одно из звеньев двойного оплодотворения, которое значительно повысило жизнеспособность и адаптивные возможности полового зародыша покрытосеменных. Это и явилось причиной широкого распространения цветковых растений в современную геологическую эпоху. Тахтаджян (1978), оценивая роль двойного оплодотворения, считал его характерной особенностью цветковых, резко отличающей их от остальных групп растений. Он рассматривал слияние одного из двух, образующихся в мужском гаметофите спермиев с яйцеклеткой, как собственно оплодотворение, а результат тройного слияния — первичное ядро эндосперма как питательную ткань, характерную для цветковых растений, и служащую для питания развивающегося из зиготы зародыша. Известная талантливая русская исследовательница Цингер (1958) считала, что двойное оплодотворение — половой процесс в обоих его звеньях. Хотя физиологический механизм ядерных слияний при образовании эндосперма — половой, но биологическое его значение — трофическое, так как ядерные слияния повышают физиологическую активность тканей, ускоряя подачу к ним питательных веществ. Двойное оплодотворение 41 С. Г. Навашин дает следующую оценку двойного оплодотворения: «Рядом со своим бесспорным значением в систематике, процесс этот, — по существу физиологический, как это ни странно, в физиологии игнорируется до сего времени почти совершенно. Мне известны лишь немногие слабые попытки морфологов, в том числе и моя собственная, подвергнуть физиологическому анализу самое существеннейшее в этом своеобразном процессе, почти не имеющем себе аналогий ни в других типах растительного царства, ни в царстве животных: различие поведения мужских половых ядер, т. е. обоих спермиев, перед слиянием с женскими ядрами.» Однако Pearson (1929), Герасимова-Навашина (1958) и ряд других исследователей сообщали, что у некоторых голосеменных (например, у Abies balsamea, Ephedra fragilis, Thuja и др.) кроме яйцеклетки архегония изредка оплодотворяется ядро брюшной канальцевой клетки. Продукт слияния спермия с последней напоминает эндосперм покрытосеменных. Поддубная-Арнольди (1976) категорично высказывалась против этой гипотезы, обосновывая свое убеждение тем, что ядро брюшной канальцевой клетки не гомологично вторичному ядру центральной клетки зародышевого мешка. Кроме того продукт слияния ядра брюшной канальцевой клетки с ядром спермия у голосеменных является диплоидным, а не триплоидным, как у большинства цветковых. Герасимова-Навашина утверждала, что двойное оплодотворение (как и зародышевый мешок) не представляет собой нового, присущего лишь покрытосеменным явления, хак как в ег0 основе лежат общие закономерности, присущие любой клетке (см. Процесс двойного оплодотворения и митотический цикл клетки (митотическая гипотеза)). Герасимова-Навашина выступала против представлений об однократном и одноместном возникновении двойного оплодотворения. Она рассматривала этот вопрос в связи с возникновением цветковых растений, поддерживая теорию их полифилетического происхождения. Смирнов (1982) и Терёхин (1991) выступили против уникальности феномена двойного оплодотворения у цветковых. Смирнов считал, что «...лишь в том случае, когда эндосперм цветковых рассматривается, как «запоздавшая» в своем развитии ткань заростка, «композиция системы» полового воспроизводства оказывается по существу изомерной таковой у голосеменных и других высших растений». Его мнение сходно с мнением Schurhoff (1919), высказывавшегося в пользу того, что эндосперм у цветковых — не что иное, как ткань заростка. Терёхин (1991) в своей работе «Проблемы эволюции онтогенеза семенных растений» пришел к заключению, что «...центральная клетка зародышевого мешка цветковых растений гомологична инициальным структурам трофической (центральной) части проталлия голосеменных растений, а антиподы — его гаусториальной (базальной) части. Следовательно, центральная клетка зародышевого мешка не является второй женской гаметой и не гомологична какой-либо иной половой структуре».
42 Семя На основании этого Терёхин приходит к выводу, что оплодотворение у цветковых растений по своей биологической сущности не является двойным, а скорее оно одинарное с триггером, в роли которого выступает второй спермий, т. е. фактически поддерживает точку зрения Strasbur- ger, рассматривавшего акт второго оплодотворения как ростовой стимул. Friedman (1990, 1993, 1994, 1995) показал, что двойное оплодотворение не является уникальным и встречается не только у цветковых, но и у голосеменных. Особенно ярко оно выражено у представителей Cnetales {Ephedra, Cnetum и Welwitschid). Он считает, что двойное оплодотворение у цветковых и у Ephedra — синапоморфное («synapomorphic — evolutionary homologous»). Согласно точке зрения Friedman, эндосперм цветковых подобен таковому у голосеменных и проходит через промежуточную стадию «diploid supernumerary embryos», образующуюся в результате второго звена двойного оплодотворения (см. Эмбриогения семенных растений и эволюция эндосперма). Все вышесказанное свидетельствует о том, что важнейший вопрос о биологической роли двойного оплодотворения продолжает оставаться дискуссионным. В первую очередь это относится ко второму звену двойного оплодотворения — оплодотворению вторичного ядра центральной клетки зародышевого мешка. Можно соглашаться или не соглашаться с той или иной точкой зрения о биологической роли двойного оплодотворения и его отдельных этапов, но нельзя не признать, что само открытие С. Г. Навашиным феномена «двойного оплодотворения» у покрытосеменных растений — ключевой стадии в онтогенезе — позволило совершенно с иных позиций рассмотреть происхождение покрытосеменных растений. И. Н. Горожанкин и С. Г. Навашин создали Московскую, Киевскую и Санкт-Петербургскую школы эмбриологов, обогатившие мировую науку многими ценными сведениями; среди последователей С. Г. Навашина — А. Г. Николаева, М. Гургенова, М. С. Навашин, Е. Н. Герасимова-Навашина, В. А. Поддубная-Арнольди, И. Д. Романов и многие другие. Особое внимание заслуживают исследования Е. Н. Герасимовой-Навашиной, которая не только активно развивала идеи С. Г. Навашина о двойном оплодотворении у цветковых, но и сама получила много интересных фактов и выдвинула ряд замечательных идей. В 1933 г. вышла ее фундаментальная работа о процессе оплодотворения у Crepis, сразу получившая широкую известность за рубежом. Впервые перед глазами исследователей таинственный процесс оплодотворения у цветковых растений предстал в виде наглядных, последовательно расположенных во времени картин, демонстрирующих самые различные стороны этого процесса. Во многих зарубежных монографиях и учебниках в разделе «Оплодотворение у растений» опубликованы классические ювелирные рисунки Елены Николаевны, которые еще раз доказывают, что рисунок — инструмент познания. Венцом цикла работ Герасимовой-Навашиной по оплодотворению у покрытосеменных стала ее знаменитая митотичес- Двойное оплодотворение 43 кая гипотеза (см. Процесс двойного оплодотворения и митотический цикл клетки (митотическая гипотеза)). В дополнение к двум гипотезам С. Г. Навашина (активной подвижности спермия и энан- тиоморфизма половых ядер) митотическая гипотеза двойного оплодотворения остается и до настоящего времени одной из интереснейших гипотез, претендующей на объяснение поведения спер- миев в зародышевом мешке. Сейчас кажется естественным, что Герасимова-Навашина, развивая идеи С. Г. Навашина о биологической роли двойного оплодотворения у цветковых растений, вышла в итоге на ряд кардинальных проблем биологии: происхождение покрытосеменных, механизм двойного оплодотворения и его устойчивость, онтогенез гамет и т. д. Но даже и сейчас продолжает удивлять нетривиальная идея Герасимовой-Навашиной о том, что причины всех особенностей двойного оплодотворения следует искать в общих клеточных закономерностях. Рассматривая процесс двойного оплодотворения у покрытосеменных растений с точки зрения общих закономерностей, лежащих в основе клеточного цикла, Е. Н. Герасимова-Навашина (1968, 1969, 1971, 1982, 1990) пришла к заключению, что у Crepis capillaris гаметы контактируют в периоде G\ своего прерванного митотического цикла, заканчивая последний в зиготе, где вступают в периоды S и Gi интерфазы. В Петербурге в Ботаническом институте им. В. Л. Комарова Академии Наук Елена Николаевна создала школу классической эмбриологии и заложила основы по экспериментальному изучению процесса оплодотворения у покрытосеменных (воздействие рентгеновских лучей, температуры, отдаленная гибридизация и т. д.). Ее учениками с гордостью могут назвать себя многие отечественные и зарубежные специалисты: Г. К. Алимова, Т. Б. Батыгина, Н. В. Беляева, М. А. Гу- саковская, И. П. Ермаков, С. Н. Коробова, С. А. Резникова, Г. А. Савина, И. А. Стожарова, Э. С. Терёхин, О. А. Хведынич, Т. А. Плющ, P. Kapil, N. N. Bhandari и другие. Многие из них впервые детально (на световом уровне) изучили процесс оплодотворения в широком смысле (sensu lato) на целом ряде покрытосеменных (пшеница, кукуруза, арахис, пролеска, хлопчатник, лилейные, орхидные, паразитные и др.), что дало много нового и интересного для изучения поведения спермиев в пыльцевой трубке, пестике и зародышевом мешке в норме и при экспериментальных воздействиях. Они показали весь цикл изменений спермиев во время их движения к зародышевому мешку и в процессе сингамии и тройного слияния. Прошло сто лет со дня открытия «Великого закона природы» — двойного оплодотворения у цветковых растений. Этот большой срок еще раз показал, насколько сложен и многогранен процесс оплодотворения у цветковых. Получено много новых интересных фактов благодаря использованию различных методов исследования (цейтраферная съемка, цитохимия, ТЭМ, СЭМ и др.), предложены новые гипотезы, касающиеся различных аспектов двойного оплодотворения.
44 Семя Применение электронной микроскопии позволило уточнить ряд данных, полученных на светооптическом уровне, и дать новую трактовку отдельным этапам процесса оплодотворения у некоторых таксонов. На ультраструктурном уровне было впервые показано двойное оплодотворение у цветковых, строение так называемого «нитчатого аппарата», выявлен диморфизм спермиев, их цитоскелет (наличие микротрубочек и микрофиламентов), наличие цитоплазмы у спермиев в экстрацеллю- лярном пространстве (щели) зародышевого мешка, подтверждена роль синергид в оплодотворении. Кроме того рассмотрена кариогамия в зародышевом мешке и показан ряд последовательных событий этого процесса (Larson, 1965; Diboll, 1968; Jensen, Fisher, 1968; Schulz, Jensen, 1968; Гуляев, Герасимова-Навашина, 1968; Cass, Jensen, 1970; Went van, 1970; Чеботарь, 1972; Jensen, 1973; Татинцева, 1975, 1984; Cass, 1981; Mogensen, 1982, 1988; Russell, 1983, 1985, 1986, 1993; Mogensen, Rusche, 1985; Тарасенко, Банникова, 1986; Плющ, 1987, 1992; Russell et al., 1990; Dumas et al., 1994). В связи с изучением механизма двойного оплодотворения были проведены экспериментальные исследования по выделению спермиев из пыльцевых зерен и пыльцевых трубок и осуществлению оплодотворения in vitro (Russell, 1986; Dupius et al., 1987; Matthys-Rochon et al., 1987; Cass, Fabi, 1988; Wagner et al., 1989a, b; Mogensen et al., 1990; Dumas, Mogensen, 1993; M6l et al., 1994; Kranz et al., 1994). Однако следует сказать, что электронно-микроскопические исследования внесли определенный вклад в познание различных аспектов двойного оплодотворения. Тем не менее, отсутствуют, например, детальные темпоральные исследования двойного оплодотворения у представителей разных таксонов, контрастирующих по способу образования спермиев (дву-и трехклеточные пыльцевые зерна), по количеству цитоплазмы спермиев, по типу оплодотворения и т. п., также отсутствует сравнительный анализ детальных данных, полученных при световых и электронно-микроскопических исследованиях. Большое значение имеет цитофотометрическое изучение процесса оплодотворения. Первые данные в этом направлении получены с помощью реакций Фельгена, Унна, Браше, что позволило охарактеризовать состояние хроматина спермиев на протяжении всего их сложного морфогенетического пути от попадания в зародышевый мешок до кариогамии (Герасимова-Навашина, 1952, 1959, 1971; Кахидзе, 1954; Vazart, 1958; Батыгина, 1959, 1960, 1962а, б, 1974; Коробова, 1959; Фурсов, 1964; Банникова, Хведынич, 1982). С помощью цейтраферной кинофотосъемки обнаружен ряд интересных особенностей двойного оплодотворения, свидетельствующих, в частности, об активном движении спермиев у Calanthus nivalis (Erdelska, 1978, 1983). Можно только удивляться великой прозорливости и интуиции С. Г. Навашина, который почти сто лет назад очертил круг проблем, связанных с изучением открытого им явления, которые и в настоящее время Двойное оплодотворение 45 продолжают быть актуальными: механизм двойного оплодотворения, уникальность этого явления и его биологическая сущность. Банникова, Хведынич, 1982; Баранов, 1955; Батыгина, 1959, 1962, 1974; Бекетов, 1883; Герасимова-Навашина, 1947а-д, 1952, 1955, 1958, 1959, 1968, 1969, 1971а-в, 1990; Горожанкин, 1880; Гуляев, Герасимова-Навашина, 1968; Кахидзе, 1954; Козо-- Полянский, 1949; Коробова, 1959; Модилевский, 1949, 1953, 1958, 1963; Навашин М. С, 1973; Навашин С. Г., 1895а-в, 1898, 1900, 1901; 1909, 1910, 1911, 1926/1927, 1927, 1951; Навашин С. Г., Финн, 1912; Плющ, 1987, 1992; Поддубная-Арнольди, 1976; Поляков, 1970; Смирнов, 1982; Тарасенко, Банникова, 1986; Татинцева, 1975, 1984; Тахтаджян, 1978; Терёхин, 1991; Финн, 1931; Фурсов, 1964; Хведынич и др., 1971; 1981; Цингер, 1958; Чеботарь, 1972; Cass, 1981; Cass, Fabi, 1988; Cass, Jensen, 1970; Cooper, Brink, 1947; Correns, 1899; Dahlgren, 1927; Diboll, 1968; Dumas, Mogensen, 1993; Dupuis et al., 1987; Erdelska, 1978, 1983; Focke, 1881; Friedman, 1990, 1993, 1994, 1995; Gerassimova, 1933; Gerassimova-Navashina, 1982; Goebel, 1899; Guig- nard, 1886, 1899a, b, 1900, 1922; Hofmeister, 1849; Horkel, 1836; Jensen, 1973; Jensen, Fisher, 1968a, b; Karsten, 1860; Kranz, Lorz, 1994; Larson, 1965; Linskens, 1969; Ma- heshwari, 1950; Matthys-Rochon et al., 1987; Mogensen, 1982, 1988; Mogensen, Rusche, 1985; Mogensen et al., 1990; M61 et al., 1994; Nawaschin, 1898a, b, 1900, 1909, 1910; Nawaschin, Finn, 1913; Pearson, 1929; Porsch, 1907; Russell, 1983, 1985a, 1986, 1993; Russell et al., 1990a, b; Sargant, 1990; Sax, 1918; Schacht, 1850; Schleiden, 1837, 1839; Schnarf, 1941; Schulz, Jensen, 1968a, b; Schiirhoff, 1919, 1926; Steffen, 1963; Strasbur- ger, 1877, 1880, 1884; Treub, 1891; Vazart, 1958; De Vries, 1899; Wagner et al., 1989a; Went van, 1970a-c. РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРЕСМОТРА ПРОЦЕССОВ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ У LILIUM MARTAGON И FRITILLARIA TENELLA *' 2 На Съезде русских естествоиспытателей и врачей* который собирался в конце августа этого года в Киеве, я сделал доклад о моих наблюдениях над оплодотворением у Lilium martagon и Fritillaria tenella с демонстрацией многочисленных рисунков и препаратов. Вследствие моего близкого отъезда на долгое время в Бейтензорг я не смог Эта и три следующие статьи печатаются по книге С. Г. Навашина «Избранные труды. М. — Л., Изд. АН СССР, 1951, т. 1» с сокращениями комментариев и оригинальной транскрипцией фамилий цитируемых авторов. Статья С. Г. Навашина (S. G. Nawaschin) впервые напечатана на немецком языке в «Известиях» Академии Наук (Bull, de l'Acad. des Sci. de St.-Petersbourg, vol. 9, N 4, Novembre 1898, pp. 377-382), под заглавием «Resultate einer Revision der Befruchtungsvorgange bei Lilium martagon und Fritillaria tenella». На русском языке впервые напечатана под заглавием «Пересмотр процесса оплодотворения у Lilium martagon и Fritillaria tenella» в книге «Классики естествознания» (кн. 12, Госиздат, 1923) под редакцией В. М. Арнольди. Представляет первое полное сообщение С. Г. Навашина об открытии им двойного оплодотворения.
46 Семя закончить эту работу во всех подробностях; поэтому я хочу в настоящем кратком сообщении опубликовать главные результаты моего исследования, чтобы дать им более широкое распространение. Я предпринял изучение оплодотворения у названных растений, которым, как известно, за последние 8 лет было уделено с разных сторон больше внимания, чем каким-либо другим объектам, с целью, на основании собственного опыта в отношении этих многократно изученных объектов, получить правильную ориентировку в исследовании оплодотворения у «безлепестных». Временно я оставил мои исследования этого процесса у грецкого ореха из-за исключительной трудности объекта (мужские половые ядра1 здесь очень малы, а семяпочки2 недостаточно хорошо фиксируются какими бы то ни было обычными средствами) в надежде вернуться к нему позже с большим успехом. Я фиксировал маленькие кусочки завязи Fritillaria tenella из здешнего ботанического сада и Lilium martagon, дико растущей в окрестностях Киева, преимущественно флемминговской жидкостью. После известной тройной флемминговской окраски приготовлялись многочисленные препараты из серий срезов. Оба растения многократно испытывались и в более позднее время года. Это испытание показало, что семена Fritillaria вначале развиваются вполне нормально, с образованием нормального зародыша и обильного эндосперма, хотя потом и подвергаются по большей части дезорганизации, причем их содержимое в той или иной мере резорбируется; напротив, у Lilium martagon я находил во множестве коробочки с нормально развитыми и зрелыми семенами. Оба растения были, таким образом, вполне пригодны как материал для наблюдения нормального оплодотворения, что выяснилось тотчас же и при исследовании микроскопических препаратов. В полном согласии с данными известного исследования Guignard над оплодотворением у Fritillaria meleagris и Lilium martagon, как и с работой Overton (1891) над оплодотворением у последнего растения, я мог установить на обоих выбранных мною видах тот факт, что весь процесс оплодотворения продолжается чрезвычайно долго, так что здесь имеется возможность особенно ясно наблюдать отдельные его фазы. Многие из моих результатов, которые кратко изложены ниже, существенно отличаются от данных вышеупомянутых авторов. 1. Каждый раз, когда пыльцевая трубка наблюдалась в соприкосновении с зародышевым мешком, оба мужские половые ядра также наблюдались в содержимом зародышевого мешка. Мужские ядра имеют почти цилиндрическую или длинноконическую форму, всегда чер- Спермии (ред.) Семязачатки (ред.) Двойное оплодотворение 47 веобразно изогнуты и лежат оба в протоплазме зародышевого мешка, сначала свободно и так близко друг от друга, что по большей части представляются единым целым. 2. Мужские ядра затем отделяются друг от друга, причём одно проникает к яйцеклетке, а другое тесно прикладывается к одному из еще не слившихся в это время полярных ядер, именно к сестринскому ядру яйцеклетки. При этом оба мужские ядра еще сохраняют свою червеобразную форму. Это поведение половых ядер Lilium martagon наблюдалось уже Mottier (1898). Этот автор рассматривает данное явление как ненормальное. По его наблюдениям «казалось», что находящееся в яйцеклетке мужское ядро никогда не сливается с ядром яйцеклетки: через 96 ч после опыления зародышевые мешки показывали признаки дезорганизации, а испытание многих «зрелых» коробочек показывало, что семена «созрели ненормально». Наблюдались ли пыльцевые трубки в семяпочках, зародышевые мешки которых имели признаки дезорганизации или, по крайней мере, констатировались ли в соответствующих завязях, и действительно ли с самого начала отсутствовали зародыши в более молодых созревающих семенах, т. е. могло ли действительно иметь место оплодотворение, но несмотря на возможность его оно не происходило, из текста не видно. Вероятно, ' Mottier имел дело с тем явлением, которое мне встретилось у Fritillaria tenella, семена которой, как было упомянуто выше, в здешнем саду не вызревают нормально, хотя и содержат в первый период развития нормально возникающий зародыш. В действительности оплодотворение как у Lilium martagon, так и у Fritillaria tenella происходит постоянно и следующим образом. 3. В то время как мужское ядро ' которое собственно и должно было бы называться генеративным, все более и более тесно прилегает к ядру яйца , полярное ядро, копулирующее с другим мужским ядром, направляется навстречу ко второму полярному ядру, с которым и встречается в середине зародышевого мешка. 4. Все эти три ядра, которые теперь лежат близко друг от друга в сгущенной протоплазме, остаются до профазы своего деления обособленными и некоторое время легко отличимы друг от друга; мужское ядро, которое тем временем потеряло свою червеобразную форму, меньше, чем полярные ядра, но зато богаче хроматином; его хроматиновый скелет грубее, чем у полярных ядер, которые отли- «Щели» (ред.). Ядро спермия (ред.). Яйцеклетки (ред.).
48 Семя чаются друг от друга по величине, причем нижнее «антиподальное ядро» значительно больше, чем верхнее «яйцевое полярное ядро». Состав этой группы ядер, как и особенности отдельных ее частей, я наблюдал на большом числе оплодотворенных семяпочек, так что нет никакого сомнения, что мы имели здесь дело с вполне постоянным явлением; на каждом сколько-нибудь удавшемся срезе этот факт к тому же необычайно легко констатировать, так что подобный препарат я мог демонстрировать при 3-м объективе. 5. Только после прохождения профазы деления, которая во всех трех ядрах совершается одновременно, ядра сливаются, причем многочисленные хромосомы располагаются в одну общую экваториальную пластинку; таким образом, вся группа ядер делится, как одно ядро. За первым делением быстро следуют второе и третье. 6. Во время первых делений ядер эндосперма постепенно изменяется вид копулирующего с ядром яйцеклетки генеративного ядра, и оба ядра принимают, наконец, вид покоящегося клеточного ядра. Если препарат был хорошо фиксирован, плоскость, разделяющая оба копулирующие ядра, бывает хорошо различима, следовательно, во время состояния покоя полного слияния ядер не наблюдается. Во время профазы первого деления, которое в оплодотворенной яйцеклетке наступает к моменту приготовления ядер эндосперма к третьему делению, я уже не мог различить отдельных ядерных полостей в ядре яйца. По всем признакам, следовательно, слияние мужского ядра с женским происходит не во время состояния покоя, как Mottier (1898) указывает для Lilium candidum, а во время профазы деления как Guignard впервые наблюдал у L. martagon. 7. Как выше уже было сказано, в семяпочках обоих изученных растений развитие зародыша и эндосперма идет нормальным путем. Только после того, как зародыш в семенах Fritillaria достигнет трети своей нормальной величины, замечались признаки рассасывания эндосперма и отмирания зародыша. Напротив, зрелые семена Lilium martagon заключали нормальный зародыш. Некоторые из здесь приведенных результатов вполне совпадают с моими прежними сообщениями об оплодотворении у грецкого ореха; в моей первой статье (Nawaschin, 1895) по этому вопросу сказано следующее: «Во многих случаях я находил половые ядра в разных местах содержимого зародышевого мешка лежащими обыкновенно попарно в его протоплазме». «Этот факт едва ли можно объяснить иначе, как предположив, что половые ядра блуждают в протоплазме зародышевого мешка до тех пор, пока одно из них не встретится с женским ядром и не сольется с ним.» У Juglans я постоянно находил вместо развитого яйцевого аппарата только свободные ядра в верхней части зародышевого мешка, потому я и указал тогда на известную аналогию процесса у грецкого ореха и у Gnetum (по данным Karsten, 1902). Позже я сделал Двойное оплодотворение 49 более подробное сообщение по этому вопросу на основании моих дальнейших исследований в СПб. обществе естествоиспытателей (Навашин, 1897), причем я главным образом обращал внимание на форму половых ядер, их я находил всегда по два в протоплазме, окружающей яйцеклетку , при этом под конец (после совершившегося оплодотворения, наблюдая ядра, оставшиеся лишними после проникания одного из них в яйцо) «в виде более или менее растянутых спиралей». Такие факты, касающиеся столь различных по своему систематическому положению растений, как виды Juglans, Fritillaria и Lilium, показывают согласно, что есть случаи, когда пыльцевая трубка заставляет переходить в зародышевый мешок не одно из своих половых ядер, как принималось раньше, а оба своих генеративных ядра. Далее мне кажется возможным сделать на основании формы этих ядер заключение, что мужские ядра, пока они еще находятся в протоплазме зародышевого мешка в свободном состоянии, имеют способность к самостоятельному передвижению, которое можно сравнить с движением извивающегося червя. Наконец, у Fritillaria и Lilium выясняется изумительный факт, что совершенно нормально развивающийся эндосперм возникает вследствие процесса, который начинается слиянием одного из мужских ядер с сестринским ядром ядра яйцеклетки, т. е. с одним из двух женских ядер. Этот процесс может быть поэтому назван с тем же правом, как и оплодотворение яйца, половым актом. Здесь мы имеем, следовательно, дело с некоторого рода полиэмбрионией, которая является в виде образования пары различно развивающихся близнецов: в то время как один из них развивается в высоко расчлененное высшее растение, другой остается в виде талл*ома и в конце концов поглощается первым. При современном состоянии учения об оплодотворении у покрытосеменных вышеизложенные факты могут рассматриваться только как исключение из общего правила. Необходимо здесь, однако, заметить, что в той же области учения об оплодотворении голосеменных совсем еще недавно, на почве наблюдений Беляева на Taxus baccata, возникли сначала сомнения в правильности прежнего понимания содержимого пыльцевой трубки, а затем вскоре произошло и полное изменение этого понимания «самым поразительным образом» (Strasburger, 1892). Поэтому я хочу уже теперь высказать предположение, что открытые мною факты у видов Liliaceae, которые всеми сделанными до сих пор исследованиями были замечательным образом просмотрены, окажутся существующими и у других покрытосеменных, изучение которых, как известно, значительно труднее. Это кажется мне тем правдоподобнее, что мое толкование процесса оплодотворения у Lilium и Fritillaria как своего рода полиэмбрионии При более удачной фиксации зародышевого мешка мне удалось, однако,установить присутствие дифференцированной яйцеклетки. 4—828
50 Семя имеет также и филогенетическое основание. Я хочу отметить здесь замечательную аналогию всего явления с процессом оплодотворения у Gnetum, у которого, по новейшим данным (Lotsy, 1898), мы имеем дело с подобного рода полиэмбрионией. Здесь, как и там, оплодотворение состоит в том, что каждая из пыльцевых трубок (у Gnetum, как и у Juglans, в зародышевый мешок проникает от одной до нескольких пыльцевых трубок) вводит оба свои генеративные ядра в зародышевый мешок и каждое мужское ядро сливается с женским, так что каждой пыльцевой трубке соответствует всегда пара продуктов копуляции. Таким образом возникшие «зиготы» превращаются у Gnetum в проэмбрионы, в то время как у Liliaceae одна из зигот превращается в «эндосперм». У Gnetum немногие из оставшихся свободными ядер зародышевого мешка окружаются протоплазмой и целлюлозной оболочкой, таким образом, по мнению автора, возникает «рудиментарный эндосперм». По моему мнению, это явление соответствует скорее образованию антипод у покрытосеменных, чем эндосперма, который в своем возникновении имеет много своеобразного. Из краткого сопоставления результатов исследования Lotsy можно заключить, что род Gnetum занимает совсем обособленное положение в семействе, причем в высшей степени вероятно, что он представляет переход к покрытосеменным. Если теоретическое значение вышеприведенных моих данных и может быть подвергнуто сомнению, то, во всяком случае, моя работа ясно показывает, что в данных, как будто бы совершенно точно обоснованных, могут оказаться существенные пробелы. Навашин, 1897; Karsten, 1902; Lotsy, 1898; Mottier, 1898; Nawaschin, 1895; Overton, 1891; Strasburger, 1892. ОБ ОПЛОДОТВОРЕНИИ У СЛОЖНОЦВЕТНЫХ И ОРХИДНЫХ Х В своем первоначальном сообщении об оплодотворении у Lilium martagon и Fritillaria tenella (Nawaschin, 1898b) я высказал предположение, что открытое мною у этих растений «двойное оплодотворение», а также строение и свойства мужских генеративных клеток могут оказаться нормальными явлениями для покрытосеменных вообще. Я считал себя вправе на такое предположение на основании фактов, добытых мною относительно двух видов Juglans, у которых я видел уже раньше (Навашин, 1895; Nawaschin, 1897), как и у названных обоих Liliaceae, проникание в зародышевый мешок обеих Статья С.Г. Навашина напечатана в «Известиях» Имп. Академии Наук (октябрь 1900 г., т. XIII, N 3, с. 335-340). В этой статье впервые появляется термин «двойное оплодотворение», с этих пор навсегда укоренившийся в науке как определение одной из характернейших биологических особенностей покрытосеменных растений. Двойное оплодотворение 51 генеративных клеток и указал на особенности в форме последних, делающие их сходными с сперматозоидами. Мой отъезд в Бейтензорг помешал мне тотчас же подробно изложить мои наблюдения над оплодотворением у Liliaceae; тем не менее я наметил себе, в виду важности обнаруженных фактов, тогда же дальнейшую задачу — распространить свои наблюдения на большее число растений, чтобы выяснить прежде всего следующие два обстоятельства: 1. Каким образом и не иначе ли, чем у Liliaceae, происходит оплодотворение в семействах, наиболее отдаленных в системе от Liliaceae. 2. Происходит ли слияние мужской генеративной клетки с ядром зародышевого мешка и в тех случаях, когда эндосперма не образуется. Положительное решение первого вопроса позволило бы с большею вероятностью обобщить факты, наблюдаемые у Liliaceae, на все покрытосеменные. Что же касается второго пункта, то решение его представлялось мне весьма важным в виду возможности различных толкований факта слияния мужской генеративной клетки с ядром зародышевого мешка. Мое предположение, что это слияние есть слияние половое и что эндосперм происходит вследствие оплодотворения, подобно зародышу, встретило иное определение этого явления со стороны Guignard (1899b), подтвердившего фактическую сторону моего исследования спустя всего пять месяцев после появления моего сообщения. Ученый этот называет это4, пока загадочное явление «ложным оплодотворением» (pseudo-fecondaAion), полагая, по-видимому, что мы имеем уже вполне ясное представление о природе «настоящего» оплодотворения у семенных растений. Не разделяя этих мнений почтенного французского ученого, я полагаю теперь только своевременным обратиться к детальному изучению как «настоящего», так и «ненастоящего» оплодотворения, так как мне удалось, как я думаю, излагаемыми ниже наблюдениями поставить почти вне сомнения, что двойное оплодотворение пред- . ставляет нормальное явление для всех покрытосеменных, как однодольных, так и двудольных, а также, что слияние мужской генеративной клетки с ядром зародышевого мешка не происходит в том случае, когда не образуется эндосперма, и, следовательно, у большинства растений, по результату своему, действительно вполне аналогично оплодотворению. Для своих исследований я избрал семейства Ranunculaceae и Compositae как такие, которые представляют достаточный контраст и между собою и с Liliaceae. Из Ranunculaceae Delphinium elatum, изученный мною подробно, показал мне много интересного касательно стро- Здесь и далее — с вторичным ядром центральной клетки (ред.). 4*
52 Семя ения полового аппарата и мужских генеративных клеток, которые у этого растения мне удалось, однако, наблюдать только перед выходом из пыльцевой трубки в зародышевый мешок, а также после копуляции их с ядрами яйца и зародышевого мешка1. Двойное оплодотворение и чер- вевидная форма мужских генеративных клеток оказались присущими и этому растению; но более полно и на лучших препаратах мне удалось наблюдать то же самое у двух сложноцветных: Helianthus annuus и Rudbeckia speciosa, почему я и ограничусь здесь изложением лишь касающихся этих растений фактов. Семяпочки обоих этих растений фиксируются чрезвычайно хорошо, благодаря легкой проницаемости покрова, состоящего из почти опорожненных тканей, и, наоборот, обилию содержимого самого зародышевого мешка. Относительно развития и строения зародышевого мешка у Helianthus я почти не имею ничего прибавить к исследованию Merrell (1900) над другими видами сложноцветных (Silphium), не исключая особенностей в строении антипод и прямого деления их ядер. Ядро зародышевого мешка представляет в этом семействе продукт полного слияния обоих полярных ядер, происходящего задолго до оплодотворения, т. е. содержится так же, как у прочих изученных до сих пор покрытосеменных, кроме Liliaceae. Это ядро у Helianthus бедно хроматином и тесно соприкасается с яйцом, которое иногда даже, несколько вдавлено в него. В момент опорожнения пыльцевой трубки обе мужские клетки вступают в протоплазму зародышевого мешка со стороны обеих синергид, из которых одна оказывается измененною, после чего одна из мужских клеток проникает сбоку в протоплазму яйца, а другая копулирует с ядром зародышевого мешка. Обе мужские клетки имеют одну и ту же форму, напоминающую сперматозоиды, и одинаковое строение: это — длинные нити, несколько сплюснутые и расширенные в середине и по концам, чрезвычайно богатые хроматином, представляющим плотную, губчатую массу. Это строение в сущности таково же, каким я наблюдал его у червевидных мужских клеток Liliaceae, где последние никогда не бывают гомогенными или спирально полосатыми, как ошибочно утверждает Guignard (1899b), но рыхло губчатыми, почти сетчатого строения, как изобразил их впервые Mottier (1898). Таково же строение мужских клеток и у Silphium по рисунку Merrell (1900), видевшего их, однако, только внутри пыльцевых клеток. Первой наступает копуляция одной мужской клетки с ядром зародышевого мешка, чем, может быть, и объясняется более рано наступающее деление ядра эндосперма. Рис. 1, представляемый мною здесь, дает понятие о строении и форме мужских генеративных клеток у Helianthus и об их отношениях к яйцу и ядру зародышевого мешка в момент оплодотворения. Центральной клетки (ред.). Двойное оплодотворение 53 Рис. 1, 2: 1 — продольный разрез зародышевого мешка Helianthus annuus, вверху генеративные клетки (увелич.); 2 — зародышевый мешок Phajus blumei после оплодотворения; ek — ядра зародышевого мешка (= полярные ядра, вторичное ядро центральной клетки зародышевого мешка, ядро эндосперма — ред.), ет — зародыш, ov — яйцо (яйцеклетка), ps — пыльцевая трубка, s, si и S2 — синергиды, spl и sp2 — мужские генеративные клетки (= спермин — ред.).
54 Семя У Rudbeckia все части зародышевого мешка несравненно крупнее, чем у Helianthus. В громадном яйце ее мне удалось дважды найти мужскую генеративную клетку как раз в тот момент, когда она приближается к ядру яйца, тогда как другая мужская клетка уже слилась с ядром зародышевого мешка и видима в нем как более плотное тельце, окруженное густою массою хроматина. Мужские генеративные клетки этого растения также перекручены спирально, но гораздо короче и толще, чем у Helianthus, и с более ясным, характерным, губчатым строением хроматина. Таким образом, загадочное явление «двойной копуляции» при оплодотворении оказывается свойственным и таким отдаленным от Lilia- сеае семействам, каковы Ranunculaceae и в особенности Compositae. Можно, следовательно, признать это явление для всех покрытосеменных как за нормальное или за правило, подлежащее разве очень редким исключениям. Одно из таких редких исключений, по-видимому, обнаружено мною у Orchidaceae и является как нельзя более поучительным, ввиду того что это семейство представляет, как известно, и другое исключение из общего правила: у Orchidaceae вовсе не образуется эндосперма. Будучи в Бейтензорге, я изучал оплодотворение у трех видов из этого семейства, именно у Phajus blumei, Phajus sp. и Arundia speciosa, и нашел у всех них приблизительно одинаковые отношения после оплодотворения, которые представлены мною на прилагаемом рис. 2. Оба полярные ядра у этих растений не сливаются до оплодотворения, вопреки показанию Strasburger (1884), изучившего оплодотворение у европейских Orchidaceae. Эти ядра остаются не слившимися, а лишь тесно прижатыми друг к другу и после оплодотворения, во время которого к ним присоединяется третье ядро, как я думаю, ядро мужской генеративной клетки. Во всех случаях и на всех стадиях развития зародыша я находил в зародышевом мешке постоянно одну и ту же группу из трех ядер, соответствующую такой же группе у Liliaceae, причем вначале можно было отличать мужское ядро от обоих полярных ядер, как это представляет левый зародышевый мешок на рис. 2. Таким образом, мы имеем здесь также двойную копуляцию, сочетание обеих мужских клеток, одной — с яйцом, другой — с элементами эндосперма; но последнее сочетание не ведет к полному слиянию, т. е. к оплодотворению, три ядра остаются обособленными, и вследствие этого эндосперм не образуется. Принимая во внимание этот исключительный факт наряду с постоянным явлением слияния мужского ядра с ядром зародышевого мешка у других растений, трудно усмотреть существенное различие между образованием зародыша и эндосперма: и эндосперм, как зародыш, является вслед за актом полового характера, после оплодотворения центральной клетки зародышевого мешка, как можно было бы назвать его протоплазму с срединным ядром. Двойное оплодотворение 55 Нечто подобное найденному мною у упомянутых орхидных наблюдал Strasburger (1884) у Orchis latifolia. Он замечает, что часто ядро зародышевого мешка после оплодотворения состоит из нескольких частей, которые, по его мнению, представляют свободные ядра антипод, приставшие к ядру зародышевого мешка. Я полагаю, что представленные мною рисунки достаточно ясно показывают истинный характер явления и что мое толкование более вероятно. Что в слиянии одной из мужских генеративных клеток с ядром зародышевого мешка мы должны видеть акт оплодотворения не только с морфологической точки зрения, но и с точки зрения физиологической, т. е. передачу наследственных признаков со стороны отца при посредстве генеративной клетки, показали недавно в своих чрезвычайно интересных сообщениях de Vries (1899) и Correns (1899). Как извещают эти ученые, им удалось при помощи опыления пыльцой мучнистой разновидности маиса женских цветков маиса сахарного получить «гибридный эндосперм» с явственными свойствами с отцовской стороны, т. е. с мучнистым содержимым. Такое явление едва ли нуждается теперь в ином более естественном объяснении, кроме объяснения, предлагаемого авторами сообщений, утверждающими, что свойства эндосперма появились здесь путем участия в оплодотворении обеих мужских генеративных клеток, т. е. вследствие оплодотворения первоначальной клетки эндосперма. Таким образом, следует, по-видимому, признать, что, во-первых, «двойное оплодотворение» представляет нормальное явление для покрытосеменных; что, во-вторых, если и окажутся исключения из общего правила, они найдут себе объяснение, вроде данного мною для случая у Orchidaceae, и что, в-третьих, форма и строение генеративных клеток у двудольных и однодольных одинаковы, причем клетки эти весьма походят на сперматозоиды споровых растений. Найти более осязательные доказательства способности к самостоятельному движению мужских генеративных клеток, которое мне и теперь представляется вне сомнения, проследить их развитие и изучить детально механизм поступления их в половой аппарат, а также условия слияния женской и мужской клеток — составляет задачу теперешних моих исследований, о результатах которых я надеюсь известить в скором времени. Навашин, 1897; Correns, 1899; Guignard, 1899b; Merrell, 1900; Mottier, 1898; Nawaschin, 1895, 1898b; Strasburger, 1884; Vries de, 1899.
О САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДВИЖНОСТИ МУЖСКИХ ПОЛОВЫХ ЯДЕР У НЕКОТОРЫХ ПОКРЫТОСЕМЕННЫХ РАСТЕНИЙ 1 Настоящая статья содержит описание отдельных наблюдений, сделанных мною в различное время при исследовании оплодотворения у различных растений. Первоначально эти исследования имели целью лишь доказать наличность «двойного оплодотворения» в нескольких семействах двудольных и однодольных растений. Подобная цель достигается сравнительно легко, именно, наблюдением самого слияния мужских половых ядер с ядром яйцеклетки и ядром зародышевого мешка на фиксированных препаратах. Таково содержание большинства работ, посвященных другими авторами той же цели, например, целый ряд работ Guignard (1899Ь, 1900, 1901а, Ь, с, 1902 и др.) над представителями из различных семейств двудольных и однодольных. Лишь Strasburger (1900) принадлежит попытка (не удавшаяся мне с орхидными) увидеть на живом материале процесс достижения мужскими половыми ядрами их места назначения и самое слияние их с соответственными ядрами женского аппарата. В результате своих наблюдений над живыми семяпочками Monotropa hypopitys автор пришел к отрицанию какой-либо самостоятельности в передвижении мужских половых ядер внутри зародышевого мешка и, наоборот, к убеждению в существовании приспособления для буксирования этих ядер протоплазмою, по крайней мере, одного из них к ядру зародышевого мешка. У Monotropa hypopitys одно из мужских половых ядер, по Strasburger, движется пассивно к вторичному ядру зародышевого мешка, увлекаемое течением в толстом протоплазматическом тяже, идущем от полового аппарата ко дну зародышевого мешка, где и лежит упомянутое только что ядро. Это наблюдение Strasburger дало повод Koernicke (1903) высказаться отрицательно касательно существовавших взглядов на подвижность мужских половых ядер, а именно следующим образом: «Из своеобразно извитой, даже штопоровидной формы генеративных Статья С. Г. Навашина напечатана в «Записках» Киевского общества естествоиспытателей (1910, т. 20, вып. 4, с. 321-336; отд. оттиск 1909 г.). Та же работа в предыдущем году вышла на немецком языке под заглавием: «Ueber das selbst- standige Bewegungsvermogen der Spermakerne bei einigen Angiospermen» (Oester. Bot. Ztschr., Bd 59, 1909, N 12, pp. 457-467). В этой работе впервые опубликованы рисунки картин двойного оплодотворения у Fritillaria ienella и Lilium martagon, по- видимому, предназначавшиеся для задуманной полной работы о двойном оплодотворении, так и не написанной С. Г. Навашиным. Один из этих рисунков широко использован в учебниках и сводках. После помещенных в данной работе рисунков С. Г. Навашин уже не иллюстрировал картин оплодотворения, хотя и возвращался к этой проблеме позднее. Двойное оплодотворение 57 ядер было выведено заключение касательно самостоятельной подвижности их. Однако об этом, как и вообще о самостоятельном движении ядер, не существует особенно подробных наблюдений. Возможно, что изогнутые формы генеративных ядер, как и эллипсоидные или чечеви- цеобразные ядра Monotropa hypopitys, у которой Strasburger наблюдал двойное оплодотворение в живых семяпочках, передвигаются течениями протоплазмы внутри зародышевого мешка к его полярным ядрам». Итак, с одной стороны, многочисленные картины и описания готовых «зигот», т. е. продукта копуляции мужских и женских ядер в яйце и зародышевом мешке, с другой стороны, едва ли не единственное наблюдение Strasburger касательно возникновения этих зигот, т. е. способа, каким мужские половые ядра достигают женских. Такова в коротких словах характеристика наших сведений об интересующем нас здесь процессе, недостаточность которых тем более очевидна, что мы до сих пор из них не знаем, каким образом и куда собственно изливается содержимое пыльцевой трубки и каково значение наблюдаемого при этом постоянно явления того загадочного изменения одной из синергид, которое отмечается всеми под названием «помутнения» си- нергиды, «участвующей» при оплодотворении. Изливается ли содержимое пыльцевой трубки прямо в зародышевый мешок и в таком случае в протоплазму его, или в промежуток между последней и половым аппаратом, или же это содержимое проходит сквозь помутневшую синергиду и лишь оттуда — к месту назначения? Сколько я могу помнить, и то, и другое мнение приводилось вскользь лишь у немногих авторов, по моему суждению, однако, без достаточных оснований. Причина недостаточности этих сведений кроется, конечно, в самом существе дела; явления, связанные с оплодотворением, все, за исключением, быть может, самого слияния копулирующих ядер, должны быть признаны совершенно мимолетными, так как они совершаются каждый раз однажды и в крайне ограниченном пространстве. Уловить момент каждого такого явления на фиксированном препарате есть дело редкого случая, а следовательно, решить поставленную задачу во всех деталях может помочь лишь исключительное счастье. Не претендуя даже на сколько-нибудь приблизительное решение вопроса о способе доставления мужских половых ядер в женский половой аппарат во всех деталях этого вопроса, я тем не менее хотел бы настоящею статьею заявить, что несколько раз был так счастлив, что напал именно на «редкий препарат», в котором мог видеть мужские половые ядра еще на их пути к женским. Такие редкие случаи я' и хочу описать, предоставляя, конечно, читателю сделать из них свой собственный вывод; скажу, однако, наперед, что мой вывод из них сложился в определенное убеждение в том, что мужские половые ядра должны быть непременно одарены самостоятельною подвижностью для того, чтобы быть в состоянии пройти и тот короткий путь, который остается им сделать внутри зародышевого мешка.
58 Семя За этими немногими разъяснениями перехожу к изложению своих наблюдений. Зародышевый мешок у Fritillaria tenella в состоянии, близком к оплодотворению (рис. 1 и 2), чрезвычайно ясно обнаруживает полную независимость и обособленность как яйцевого аппарата, так и антипод от протоплазмы зародышевого мешка — факт, неоднократно отмеченный и другими наблюдателями (Mottier, 1904). Благодаря действию реактивов и среды, в которую заключен препарат (ксилол, канадский бальзам), содержимое зародышевого мешка несколько сокращается и отступает от оболочки последнего. Протоплазма зародышевого мешка с обоими готовыми слиться полярными ядрами явственно представляется самостоятельною клеткою и заслуживает поэтому с полным правом особого названия, которое указывало бы на назначение этой клетки. Я буду называть ее далее клеткою зачатка эндосперма или, короче, зачатком Рис. 1-7: 1 — Fritillaria tenella. Верхняя часть зародышевого мешка в продольном разрезе. Почти готовый половой аппарат, часть вачатка эндосперма и в нем верхнее полярное ядро. Клетки полового аппарата почти не отличаются друг от друга. Вследствие сокращения протопластов между клетками явственно заметна их первичная оболочка в виде тончайшей пленки. Между половым аппаратом и зачатком эндосперма, по той же причине, образовался значительный промежуток; 2 — Fritillaria tulipaefolia. Нижняя часть вародышевого мешка приблизительно в той же стадии развития, как на предыдущем рисунке, в продольном разрезе. Протоплазма зачатка эндосперма содержит нижнее полярное ядро и явственно обособленна от группы антипод, из которых нижняя с размножившимися ядрами; 3, 4 — Fritillaria tenella: 3 — верхняя часть зародышевого мешка перед самым оплодотворением. На месте яйцеклетки (слева) в разрезе лишь соответственный просвет; справа помутневшая синергида и содержимое пыльцевой трубки с х-телами. В протоплазме зачатка эндосперма — оба мужских половых ядра, почти перекрученные друг около друга; 4 — верхняя часть зародышевого мешка в самом начале оплодотворения (копуляция половых ядер). Мужские половые ядра разошлись; одно проникло в яйцеклетку и копулирует с ядром последней, другое только что коснулось верхнего полярного ядра. Сквозь яйцеклетку просвечивает ядро неизменной синергиды и одно из х-тел; 5 — Lilium martagon. Верхняя часть зародышевого мешка перед оплодотворением. Справа видна часть яйцеклетки с малым отрезком протоплазмы и ядра. Слева, соответственно промежутку между половым аппаратом и зачатком вндосперма (ср. деталь 1), находится излившаяся масса содержимого пыльцевой трубки с частями обоих мужских половых ядер (срезы, попавшие в этот разрез) и многочисленными кругловатыми, красными зернами. Направо ниже видна часть верхнего полярного ядра; 6, 7 — Juglans nigra: 6 — фиксировано алкогольным раствором сулемы с уксусной кислотой. Окрашено in toto сафранином и в разрезах гематоксилином. Яйцеклетка в продольном сечении перед оплодотворением. Изображена противоположная зрителю половина яйцеклетки; по ее поверхности толстым слоем (внизу и справа слой виден в сечении) — излившееся содержимое пыльцевой трубки; в нем видна проврачная, бесцветная, почти бисквитообразная вакуоля или капля, содержащая в себе оба овальные мужские половые ядра, сильно покрашенные гематоксилином. Внутри яйцеклетки — его ядро как бы с бугристой поверхностью; 7 — обработка та же, что и в предыдущем. Справа — часть яйцеклетки с протоплазмой и ядром; слева — мутная масса, на краю которой — прозрачная вакуоля, наполовину перерезанная бритвою (нижняя часть вскрыта, верхняя лишь просвечивает). В вакуоле — оба мужских половых ядра яйцевидной формы, слегка изогнутые и ваостренные, в различных положениях. Внизу — верхнее полярное ядро. Двойное оплодотворение 59
60 Семя эндосперма. Клетка эта представляется совершенно голым протопластом, т. е., самое большее, с неявственно развитым кожистым слоем. Иначе дело обстоит с клетками яйцевого аппарата и группы антипод. Как между клетками яйцевого аппарата, так и между антиподами на наших рис. 1 и 2 совершенно явственно обозначаются первичные оболочки клеток — факт, также вскользь указываемый в литературе, но, на мой взгляд, недостаточно оцененный. Особенно ясно это на рис. 1 в яйцевом аппарате, где, благодаря сокращению протопластов, местами видна изолированная первичная оболочка между двумя соседними клетками. Таковы, следовательно, условия для готовящихся совершиться событий, после того как мужские половые ядра поступят в зародышевый мешок; каждое из этой пары ядер должно направиться в соответственную женскую клетку: одно — в яйцеклетку, другое — в зачаток эндосперма, и проникнуть внутрь тела последних; но мы не видим решительно никаких приспособлений или подготовленных для этого наперед путей, а ско- Рис. 8-15 — Helianthus annuus (12-14 окрашены фуксином с йодной зеленью): 8 — верхняя часть зародышевого мешка перед оплодотворением. Симметрично развитые синергиды, левая с ядром; нижняя часть яйцеклетки, также с ядром. Протоплазма зачатка эндосперма явственно отстала от яйцеклетки. Ядро зачатка эндосперма попало в разрезе лишь частью; 9 — препарат, подобный предыдущему. Между яйцеклеткою и вторичным ядром зачатка эндосперма в протоплазме последнего видно углубление, входящее и в ядро зачатка эндосперма; 10 — а и с — два последовательных продольных разреза из одной и той же серии, на которых видны те же части, что и в предыдущих препаратах; Ь — сильно увеличенные ядра синергид; d — часть препарата (с) при более сильном увеличении: сверху — дно яйцеклетки, внизу — часть ядра зачатка эндосперма с углублением в нем. Как показывает сравнение разрезов а и с, углубление, изображенное на предыдущем рисунке, есть сечение срединной ямки (а не складки или бороздки) на поверхности ядра; 11 — поперечные разрезы через один и тот же половой аппарат после оплодотворения: а — на уровне выше положения ядер синергид; Ь — на уровне этих ядер, с — на уровне основания яйцеклетки (место ее прикрепления); d и е — еще ниже проведенные разрезы. Везде е означает яйцеклетку, s] — неизмененную, s2 — помутневшую и спавшуюся синер- гиду, end — эндосперм. В рис. Ь синергида s] содержит ядро; спавшаяся синергида $2 сохранила, по-видимому, лишь ядрышко своего ядра; в рис. d по периферии синергиды S2, а в рис. е под самым дном ее заметна обильная зернистая масса, по-видимому, содержимое пыльцевой трубки; 12-14 сняты с продольных разрезов зародышевых мешков, в которых оплодотворение только что произошло: 12 — справа — яйцеклетка, слева — неизмененная синергида, внизу — вторичное ядро зачатка эндосперма. Внутри ядра яйцеклетки и в ядре зачатка эндосперма, в первом внизу, а в последнем наверху, заметны части спиралью свернутой ленты мужского полового ядра. В ядре зачатка эндосперма, кроме того, видно округлое, гомогенное тельце, как бы завернутое в скрученную оболочку ядра; от тельца вправо, к спирали мужского полового ядра, тянется скрученная складочка той же оболочки. Хроматин ядра зачатка эндосперма собран в нижней трети ядра; 13 и 14 — видны те же отношения, что и в предыдущем рисунке. На рис. 13 не изображено мужское половое ядро в ядре зачатка эндосперма, потому что оно не попало в этот разрез и находится в следующем; 15 — поперечный разрез через половой аппарат на уровне прикрепления яйцеклетки (сверху). Обе синергиды содержат сходные ядра и совершенно симметрично образованы. Двойное оплодотворение 61 ^d sat— MfW*i-: жгожа
62 Семя pee — находим препятствия в виде оболочки, окружающей яйцеклетку и способной, конечно, оказать некоторое сопротивление проникающему сквозь нее телу. Обратимся к моменту, критическому для всего процесса, который мне удалось наблюдать всего один раз между несколькими сотнями препаратов зародышевого мешка такого классического объекта для исследования оплодотворения, какова Lilium martagon. Рис. 5 дает нам изображение верхней части зародышевого мешка этого растения, очевидно, тотчас после поступления содержимого пыльцевой трубки в зародышевый мешок (ср. подробное описание рис. 5). Между яйцеклеткою и зачатком эндосперма содержится мутная, почти неокрашенная, гомогенная масса излившегося содержимого пыльцевой трубки вместе с тяжем и зернами ярко покрашенного сафранином, более плотного вещества, природу которого определить ближе затруднительно. Здесь же, между красными зернами, видны те части обоих мужских половых ядер, которые попали в данный разрез. Сравнивая этот рисунок с рис. 1, невольно приходишь к заключению, что масса, содержащая в себе оба мужских половых ядра, изливается не куда-либо иначе, как в промежуток между яйцевым аппаратом и зачатком эндосперма. Отсюда- то, из совершенно индифферентного места, и предстоит обоим мужским половым ядрам проникнуть: одному в яйцеклетку, другому в тело зачатка эндосперма. Допустим пока, что мужские половые ядра содержатся при этом вполне пассивно и что, наоборот, протоплазма соответственных женских клеток является исключительным двигателем всех элементов, участвующих в процессе. Очевидно, нам придется допустить, что протоплазма зачатка эндосперма должна сама прежде проникнуть внутрь массы, содержащей мужские половые ядра, для того чтобы оттуда извлечь последние; но придется сделать при этом и дальнейшее предположение, которое должно объяснить, почему названная протоплазма извлекает из содержимого пыльцевой трубки только половые ядра, а зерна, окружающие их, оставляет, как лишние в процессе, на месте? Этот факт представляет нам рис. 3, снятый также с единственного в своем роде, т. е. очень редкого препарата зародышевого мешка Fritillaria te- nella. Оба мужских половых ядра находятся здесь в самом теле зачатка эндосперма и лежат настолько тесно, что кажутся закрученными один вокруг другого, как я описал это раньше, в своей первой статье о двойном оплодотворении (Nawaschin, 1898b). Такое перемещение мужских половых ядер из одной среды в другую, конечно, совершающееся и у Lilium martagon, может быть объяснено едва ли чем иным, как их собственным, самостоятельным движением, с одной стороны, и некоторою вязкостью содержимого пыльцевой трубки, с другой: последнее обстоятельство обусловливает то, что все зерна содержимого пыльцевой трубки остаются на месте и лишь активные элементы его, т. е. половые ядра, пробиваются наружу, попадая в протоплазму зачатка эндосперма. Какого бы, однако, объяснения мы ни дали совершившемуся до сих пор, дальнейшая доставка обоих мужских половых ядер и теперь еще Двойное оплодотворение 63 не обеспечена. Естественным образом возникает теперь вопрос, каким образом оба половых ядра покинут друг друга, для чего им необходимо почти расплестись из общего свертка? Почему не оба они будут увлечены течением протоплазмы в одну сторону, а, наоборот, поодиночке отбуксированы один к яйцеклетке, другой к полярному ядру? Мало того, исходя из представления о пассивности и неподвижности половых ядер, следовало бы совершенно определенно предположить, что их присутствие внутри протоплазмы зачатка эндосперма возбуждает противоположные течения последней, быть может, подобие водоворота, которыми оба ядра центробежно разводятся. Для такого предположения, однако, едва ли нашлись бы основания, тем более, что таковые не объяснили бы нам определенного направления течений, а следовательно и направления движений обоих половых ядер, а также не устранили бы последнего затруднения: объяснить механизм самого проникания одного из мужских ядер в яйцеклетку. Чтобы проникнуть в яйцеклетку, одно из мужских ядер должно пробить себе путь сквозь кожистый слой этой клетки, само собою понятно, если и в этом случае не вмешается активно сама протоплазма яйцеклетки. Последнему ни на чем не основанному предположению противоречат все многочисленные изображения «двойного оплодотворения», которые представляют протоплазму яйцеклетки и протоплазму зачатка эндосперма в течение этой стадии процесса, так же как и раньше, совершенно изолированными друг от друга, как это передает и мой рис. 4 для Fritillaria tenella. Таким образом, единственное предположение о самостоятельной подвижности мужских половых ядер, \хорошо согласуемое с изменчивостью формы последних, освобождает нас от необходимости сделать целый ряд предположений, которые понадобились бы иначе, чтобы объяснить доставление мужских половых ядер к месту их назначения силами окружающей среды, т. е. протоплазмы. Как я имел случай объяснить однажды, я намеревался, по выяснении процесса оплодотворения у лилейных, возвратиться к изучению этого процесса у видов Juglans (Nawaschin, 1898b). В настоящее время мною закончено это исследование, и оно должно появиться в печати в будущем году. Пока же я хочу воспользоваться лишь двумя рисунками оттуда, достаточными, чтобы несколько иначе осветить разобранный выше вопрос. Рис. 6 представляет яйцеклетку Juglans nigra, разрезанную на препарате пополам вдоль. Яйцеклетка содержит немного протоплазмы и ядро с неявственным хроматином и ядрышком. С поверхности, отвращенной от наблюдателя, яйцеклетка как бы облита слоем зернистой, вакуолистои, густой массы, о толщине которой можно судить по нижнему краю яйцеклетки, где этот слой перерезан. В этом слое содержится как бы вакуоля значительной величины и овальной формы, заключающая, по-видимому, каплю совершенно не красящегося гиалинового вещества, а в ней — оба мужских половых ядра, сильно покрашенных гематоксилином. Рис. 7 показывает такую же вакуолю у Juglans regia в сечении
64 Семя и сбоку: часть ее вполне вскрыта бритвою и поэтому бесцветна, другая же лишь просвечивает сквозь вещество, аналогичное веществу слоя, лежащего по стенке яйцеклетки в описанном выше препарате. Здесь, у обоих видов Juglans, мы встречаемся с обстоятельствами, значительно отличающимися от изображенных нами у лилейных, — с обстоятельствами, подробное изъяснение которых я дам в другом месте; здесь же я укажу лишь, что изображенная на обоих рисунках одна и та же стадия процесса оплодотворения, в противоположность такой же стадии у многих известных мне растений, весьма длительна и поэтому попадается весьма часто. Можно думать поэтому, что мужские половые ядра у видов Juglans попадают в зародышевый мешок.еще не вполне зрелыми в массе общей протоплазмы, оставшейся от их материнской клетки и еще заметной в виде гиалиновой капли. Здесь они дозревают, имея вначале почти округлую форму (рис. 6), позднее же становятся удлиненно-яйцевидными, слегка изогнутыми (рис. 7) и напоминают какие-то зооспоры или сперматозоиды, лишенные ресничек. В этом состоянии, как мне кажется, половые ядра получают способность двигаться, подобно многим зооспорам, движущимся еще внутри материнской клетки; активными движениями они освобождаются из заключающей их вакуоли и направляются каждое к соответственной женской клетке. Такая аналогия кажется мне во всяком случае более правдоподобной сама по себе и более отвечающей действительно наблюдаемым отношениям, нежели предположение, которое и на этот раз делало бы протоплазму женской клетки ответственной за всевозможные удобства на пути мужских половых ядер к их месту назначения. Что мужские половые ядра у Juglans лишены органов движения, т. е. ресничек, как можно думать по моим препаратам, по моему мнению, не должно мешать такой аналогии: во-первых, следует помнить, с каким вообще трудом сохраняются реснички у зооспор при фиксировании их внутри клеток; во-вторых, существуют случаи временного и мимолетного образования ресничек зооспорами; поэтому, может быть, и у Juglans мужские половые ядра лишь кажутся лишенными ресничек. Действительно, они настолько малы, что и самое строение их выясняется с большим трудом, и предстояло бы еще решить, состоят ли они целиком из ядра, как это теперь принимается, по-видимому, всеми для оплодотворяющих элементов у покрытосеменных растений (Koernike, 1903), или же содержат в своем теле часть протоплазмы, необходимой по нашим теперешним представлениям для движения вообще. Этого я думаю коснуться в другой готовящейся к печати моей работе по развитию мужских половых ядер у Lilium martagon. С тех пор как я опубликовал свои исследования над оплодотворением у сложноцветных (Nawaschin, 1900), я несколько лет продолжал наблюдения над этим процессом у Helianthus annuus, желая выяснить роль синергид при поступлении содержимого пыльцевой трубки в зародышевый мешок. Пересмотрев множество своих препаратов, а также тех, которые были изготовлены из моего материала моими учениками Двойное оплодотворение 65 с целью практики микротома, я составил предлагаемые здесь рисунки, дающие, как мне кажется, достойные внимания намеки касательно интересующих нас здесь вопросов. Зародышевый мешок Helianthus annuus и особенно яйцевой аппарат устроены весьма определенно и постоянно. Я прошу читателя обратиться к подробному объяснению рис. 8-10, изображающих продольное сечение верхней части зародышего мешка этого растения, желая здесь отметить лишь одно обстоятельство: постоянную наличность более или менее глубокой впадины между яйцеклеткой и вторичным ядром зачатка эндосперма (рис. 9 и 10, с, d). Эта впадина, судя по постоянству ее размера и формы, едва ли может быть сведена на сокращение соответственных элементов на препаратах; я склонен рассматривать ее как временное помещение для принятия обоих мужских половых ядер вместе с частью содержимого пыльцевой трубки. Действительно, как раз в этом месте происходит внедрение одного из мужских половых ядер во вторичное ядро зачатка эндосперма, как это показывает мой рисунок к только что цитированной статье, а также рис. 12-14 настоящей статьи, о которых речь будет еще ниже. Но проследим сначала те изменения, которые постигают яйцевой аппарат в течение всего процесса оплодотворения, чтобы иметь право судить о достоверности такой догадки. На рис. 15 мы видим яйцевой аппарат до оплодотворения в поперечном сечении. Как и на продольных разрезах, мы видим здесь обе совершенно симметрично развитые синергиды, отчасти обнимающие узкое основание яйцеклетки. На поперечных разрезах яйцевого аппарата после оплодотворения (рис. 11, а-е) одна из синергид оказывается значительно спавшеюся, мутною и содержащей внутри гомогенное тельце, по-видимому, ядрышко разрушенного ядра (рис. 11, Ь), а по своей периферии — обложенною зернистою массою (рис. 11, d), собирающейся особенно на дне синергиды (рис.. 11, е). Мне думается, что эту зернистую массу можно отождествить с менее обильною зернистостью в соответствующем месте зародышевого мешка Lilium martagon (красные зерна на рис. 5) и, следовательно, принять за излившееся содержимое пыльцевой трубки. Весь процесс поступления содержимого пыльцевой трубки в зародышевый мешок у Helianthus annuus представляется мне на основании всего мною виденного следующим образом: когда пыльцевая трубка минует канал микропиле и ткань ядра семяпочки и достигнет своим концом вершины зародышевого мешка, одна из синергид, находящихся видимым образом в напряженном состоянии (давление внутри типичной вакуоли внизу синергиды), внезапно лопается в своем остром конце и изливает часть своего содержимого в канал микропиле. Вследствие этого на месте одной синергиды оказывается полупустой мешок, что в свою очередь должно иметь следствием внезапное понижение гидростатического давления в этом пространстве. Это должно повлечь за собою опорожнение пыльцевой трубки, причем через открывшийся конец ее часть ее содержимого перельется в зародышевый мешок в 5-828
66 Семя непосредственной близости с лопнувшей синергидой, покрыв последнюю с поверхности более или менее толстым слоем (зернистость по периферии). Отсюда уже оба мужских половых ядра пробиваются при помощи активных движений во впадину между яйцеклеткой и ядром зачатка эндосперма и только отсюда отправляются одно внутрь яйцеклетки, другое во вторичное ядро зачатка эндосперма. Форма мужских половых ядер у Helianthus annuus как нельзя более благоприятствует толкованию в вышеприведенном смысле, т. е. допущению самостоятельной способности их к передвижению (ср. выше цитированную мою статью). Это штопорообразные нити или даже скорее спирально скрученные ленты, которые, то скручиваясь, то распрямляясь, должны вращаться и двигаться в то же время поступательно. Некоторое косвенное доказательство их вращательного, сверлящего движения я вижу в весьма постоянных и своеобразных картинах начала слияния одного из них с весьма крупным вторичным ядром зачатка эндосперма. Рис. 12- 14 изображают один и тот же весьма редкий момент этого слияния: остатки спирали обоих мужских половых ядер заметны и в ядре яйца, и в ядре зачатка эндосперма (кроме рис. 13, где спираль не попала в изображенный разрез); но, кроме частей хроматиновой спирали, каждый раз в ядре зачатка эндосперма замечается еще округлое гомогенное тельце, как бы связанное с упомянутой спиралью изогнутою тонкою полоскою. Гомогенное тельце это легко отличается от ядрышка своею неспособностью краситься: оно остается совершенно бесцветным при разнообразных способах окраски; полоска же, тянущаяся от гомогенного тельца к хроматиновой спирали мужского ядра, есть оптическое выражение складки оболочки ядра зачатка эндосперма, втягиваемой и скручиваемой мужским ядром при внедрении последнего в первое. Это легко констатировать на препарате с помощью перемены установки микроскопа, причем полоска характерным образом смещается взад и вперед, соответствуя в каждый данный момент оптическому сечению наклонно помещенной или вогнутой перепонки. Нетрудно, кроме того, убедиться, что эта складка, как по окраске, так и по толщине, совершенно тождественна со складочками, находящимися на поверхности ядра как раз над гомогенным тельцем, и здесь уже видимым образом переходящим в оболочку ядра. Я представляю себе, что мужское половое ядро сверлящим движением углубляется в ядро зачатка эндосперма и не сразу прорывает его оболочку, но впячивает ее перед собою и скручивает ее складками, увлекая за собою часть какого-то полужидкого вещества, находившегося во впадине ядра вместе с обоими мужскими ядрами: остаток этого полужидкого вещества в виде округлой капли и есть «гомогенное тельце», видимое на препаратах. К сожалению, явление это, о сущности которого довольно легко судить, глядя в микроскоп, трудно поддается изображению на словах и на рисунке. Я прошу поэтому читателя помочь моему объяснению опытом, положив на платок какое-нибудь округлое тело и стараясь его провести сквозь платок при помощи вращательного движения. Двойное оплодотворение 67 Я слишком далек от того, чтобы придавать сообщенным в этой статье фактам значение, достаточное для окончательного решения вопроса: каким образом достигают мужские половые ядра соответственных женских клеток? Но мне кажется, что изложенное способно возбудить внимание наблюдателей к некоторым частностям столь сложного процесса оплодотворения, остававшимся до сих пор в тени. Кроме того, я убежден, что другим могут попасться как более удобные объекты для исследования, так и различные средства для фиксирования, которые при удачной комбинации, быть может, окажут лучшие услуги, чем, правда, заслуженная флеммингова жидкость, которой я почти исключительно пользовался. Конечно, наши сведенияо частностях в процессе оплодотворения должны развернуться далеко за теперешние рамки. В особенности же мне хотелось в этой статье указать те довольно тонкие, но характерные отличия, которыми разнообразится процесс оплодотворения у различных представителей покрытосеменных. Сравнительное изучение процесса есть верный способ постижения его существеннейших свойств. Guignard, 1899b, 1900, 1901а, Ь, с, 1902; Koernicke, 1903; Mottier, 1904; Nawaschin, 1898b, 1900; Strasburger, 1900. ОПЫТ СТРУКТУРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ СВОЙСТВ ПОЛОВЫХ ЯДЕР 1 V Процесс оплодотворения у покрытосеменных обладает вполне своеобразной формой, благодаря чему ему присвоено даже особое наименование «двойного оплодотворения», по мнению многих, впрочем, не соответствующее природе этого явления. Можно сказать, что значение этого процесса до сих пор ограничивается значением признака систематического. Действительно, двойное оплодотворение, установленное теперь у представителей весьма многих семейств дву- и односемядольных, едва ли не в качестве единственного вполне категорического различия полагает естественную и резкую грань между голосеменными и покрытосеменными; тогда как даже тот признак, который послужил для наименования обоих этих подотделов, именно, устройство женского цветочного органа, таков, что в истории нан!ей науки терпел неоднократно небезосновательную критику. Рядом со своим бесспорным значением в систематике процесс этот, — по существу физиологический, — как это ни странно, в физиологии игнорируется до сего времени почти совершенно. Мне Статья С. Г. Навашина впервые напечатана в юбилейном сборнике, посвященном И. П. Бородину (1927, с. 94—114). 5*
68 Семя известны лишь немногие слабые попытки морфологов, в том числе и моя собственная (Навашин, 1910), подвергнуть физиологическому анализу самое существеннейшее в этом своеобразном процессе, почти не имеющем себе аналогий ни в других типах растительного царства, ни в царстве животных — различие поведения мужских половых ядер, т. е. обоих спермиев, перед слиянием с женскими ядрами. Между тем, казалось бы, как раз в зародышевом мешке покрытосеменного растения половой акт совершается в необычайно упрощенной обстановке, притом точно определенной и доступной анализу: всего два женских ядра сливаются здесь с двумя же мужскими, так что женской гамете не представляется выбора между множеством гамет, как это бывает чаще всего у низших растений и у животных; для этого выбора при двойном оплодотворении всегда налицо одна пара ядер, спермиев1, т. е., как можно думать, ровно столько, сколько «необходимо и достаточно» (по выражению математиков) для условий нормальной функции всего аппарата. До открытия двойного оплодотворения полагали, что в условиях процесса кроется нечто несовершенное, так как один из спермиев казался излишним, и думали видеть его так или иначе задержанным перед входом в зародышевый мешок. Оказалось, наоборот, что он- таки надобен, что без его участия не обходится развитие эндосперма. По крайней мере, у гибридов на эндосперме сказывается резко отцовское влияние, что не может быть, конечно, истолковано иначе, как влиянием того спермия, который мы видим сливающимся со вторичным ядром зародышевого мешка. Было обнаружено наконец, что это слияние не есть простое «заглатывание» спермия женским ядром, но слияние, вполне подобное половому слиянию ядер, ибо было показано (Навашин, 1915), что число хромосом в продукте слияния равно сумме таковых в привходящих трех ядрах: двух женских, так называемых «полярных», и мужского ядра спермия. Функция спермия при образовании эндосперма, следовательно, неотличима от таковой при образовании зародыша, как с генетической, так и с морфологической точки зрения. Итак, хотя по результату мы должны считаться с крупными различиями между образованием зародыша и эндосперма, однако едва ли можно сомневаться в том, что по началу оба процесса существенно сходны: что оба спермия, как истинные мужские половые ядра, направляются к соответственным половым женским ядрам, следуя некоторым специфичным импульсам. За этой областью, доступною нам в разбираемом явлении, и лежит, наконец, момент, разъяснение которого пока не поддается нашему анализу. Мой личный опыт в этом отношении таков, что именно тогда, Здесь и далее под термином «спермий» понимается лишь его ядро (ред.) Двойное оплодотворение 69 когда удается наилучшим образом, в малейших деталях изучать явление на микроскопических картинах, именно тогда его существеннейший момент и является наиболее загадочным... Этот момент — разлучение обоих половых ядер, спермиев, лежащих временно бок о бок, и последующее стремление их в противоположных направлениях: одного — в яйцеклетку, другого же — в протоплазму зародышевого мешка, к обоим полярным ядрам последнего, в это время уже сливающимся. Наилучшие препараты, которые мне приходилось видеть и с которых сняты подробнейшие рисунки, были получены в последние годы одной из моих учениц Гургеновой, работа которой выйдет вскоре из печати (Гургенова, 1928). Почти в кинематографической последовательности на этих препаратах можно видеть, как вначале оба спермия помещаются в промежутке между протоплазмой яйца и протоплазмой зародышевого мешка вместе с большим числом гомогенных, сильно красящихся глыбок, очевидно, — продуктом изменения содержимого пыльцевой трубки; как затем оба спермия покидают это временное пристанище, в котором, однако, остаются, как на фильтре, все упомянутые глыбки или зерна; позже один спермий непосредственно попадает в яйцо, тогда как другой можно наблюдать на нескольких этапах его пути в направлении к полярным ядрам, как бы самостоятельно пролагающим свой путь через протоплазму. О самостоятельной подвижности спермиев в данном случае не может, однако, быть и речи. В отличие от спермиев у лилейных, где эти ядра имеют изменчивую, червевидную форму, в описываемом случае, у Phelipaea ramosa, они не что иное как совершенно округлые, покоящиеся (мелкозернистые) ядра без малейшего следа протоплазматичес- кой оболочки. Последнее необычайно явно тогда, когда спермий несколько вдается в вакуолю протоплазмы зародышевого мешка: при этом край ядра, спермия, рисуется на совершенно прозрачном фоне вакуоли, и не возможно было бы не заметить слоя его протоплазмы, если бы она на самом деле была бы им сохранена. Спермий у Phelipaea, очевидно, принадлежат к бесплазменным, т. е. подобны известным мне по исследованию лилейных, чем, конечно, не отвергается существование спермиев, одетых собственной плазмой (Finn, 1926). В протоплазме зародышевого мешка на пути этого спермия мы не видим также ничего, кроме вакуоль (о значении которых ниже), в особенности же ничего такого, что было бы подобно тому, что видел в живом состоянии Strasburger у Monotropa hypopitys, и что дало этому наблюдателю повод толковать перемещение спермиев как результат действия потоков протоплазмы (Strasburger, 1900). Естественно, в объяснение наблюдаемого процесса в целом, в воображении рисуется нечто весьма сложное, что ведет (1) к освобождению обоих спермиев из их заточения, (2) к отделению их от видимо мертвых тел, т. е. глыбок и зерен, и (3), что самое главное и загадочное, — к разлучению спермиев и направлению их по противоположным путям.
70 Семя К тому, что мне было известно о двойном оплодотворении по чужим исследованиям, я должен добавить здесь из новейшей литературы данные Haberlandt (1921) и Wylie (1921), довольно запоздало попавшие в мои руки. Маститый физиолог, упоминая о двойном оплодотворении, указывает совершенно справедливо на крупные проблемы в описании его, бросающиеся до сих пор в глаза в изложении руководств ботаники. Превосходное описание американского натуралиста дает совершенно новую, так отчетливо до сих пор невиданную картину образования спермиев в виде полных клеток, настоящих гамет. Но первый останавливает свое внимание на причине стимула деления оплодотворенной яйцеклетки, а второй вовсе не касается того, что представляется мне особо загадочным и важным: способа передвижения спермиев. Дело остается, следовательно, до сих пор неподвинутым. Для меня очевидно, что физиология в учении о направлении самоподвижных клеток не содержит положений, которые могли бы служить опорой при анализе данной комбинации отношений: для выяснения, что за механизм, который распределяет в нашем случае неподвижные тела, каковы оба спермия и мертвые зерна, отделяя те и другие в точности друг от друга? Особенно дело затрудняется в дальнейшем тем, что с морфологической точки зрения оба спермия представляются тождественными дочерними ядрами одного и того же материнского ядра, т. е. генеративной клетки пыльцевого зерна. То же самое следует принять для ядер яйцеклетки и зародышевого мешка, по крайней мере, если иметь в виду ближайшее к яйцу «северное полярное» ядро. Раз мы становимся, однако, на динамическую точку зрения в отношении анализируемого процесса, дело меняется: невольно мы умозаключаем, что если нет видимой непосредственно разницы в паре занимающих нас ядер, то не зависит ли их различная судьба все-таки от обстоятельств, лежащих лишь в данный момент за сценой действия или только что миновавших? Последнее естественнее, и я остановился на нем: причина, по моему убеждению, лежит в предшествующем делении генеративной клетки, которое дает спермиям существенно неодинаковое, или, вернее, — «противоположное настроение». Если мы, далее, представим себе то же самое касательно обоих ядер, являющихся различной целью стремления обоих спермиев и одинаково оказывающихся также сестринскими ядрами, то перед нами выступит картина системы, состоящей из четырех тел, об условиях равновесия которой позволительно рассуждать, исходя из нашего допущения о различном настроении одинаковых по происхождению ядер. Если мы при этом не забудем, что обе протоплазмы, являющиеся ареной действия, будучи смежны, все же должны быть различно настроены, каждая соответственно индукции со стороны обоих различно настроенных ядер, то перед нами откроется возможность сравнения данной природной системы с некоторыми мертвыми моделями или системами, равновесие которых, конечно, определить и анализировать легче. Двойное оплодотворение 71 Я представляю себе, например, каплю тонкой эмульсии масла в воде, рядом с другой каплей масла с мелко раздробленной в нем водою, т. е. такую же эмульсию, но с обратным отношением фаз: в первом случае dispersum масло и dispergens вода, во втором — жидкости поменялись ролями. Вообразим, что обе капли касаются друг друга. В обеих каплях должен идти процесс «отмешивания», собирания взвешенной жидкости в более крупные капли, что, конечно, случится и на поверхности соприкасания капель. Я полагаю, что должно здесь случиться то же, что мы видим при отстаивании эмульсий вообще: становящиеся крупнее капельки масла будут переходить, как в отстаивающейся эмульсии, туда, где масло dispersum, а капельки воды — туда, где вода dispergens. К сожалению, такая модель неосуществима и не показательна, так как видимости обоюдной миграции капель масла и воды мешает различие в удельном весе этих жидкостей, т. е. влияние тяжести. Разбирая далее условия, мыслимые в нашей задаче о механике движения обоих спермиев, мы, конечно, покинем приведенное сравнение: оно слишком грубо, и не физические данные в своей элементарности могут обусловить, на самом деле, поведение живых элементов данной системы. Нечто общее с воображаемым примером эмульсий оказывается в зародышевом мешке лишь тогда, если мы примем, что пограничные плазмы яйцеклетки и зародышевого мешка отличны и что в том же роде отличны в своих свойствах сестринские ядра одной и той же пары. Последнего условия, впрочем, уже достаточно, так как ведь им определяется и первое: протоплазма находится неизбежно под влиянием своего ядра, и, стало быть, две протоплазмы, коих ядра различны, должны быть в некотором роде различны сами. Представим себе теперь, что некий гормон X истекает из ядра яйца, представим вновь довольно грубо, что он, в конечном результате, разжижает цитоплазму яйца и что сходным гормоном обладает один из спермиев, тогда как подобное же влияние на протоплазму зародышевого мешка принадлежит гормону У северного полярного ядра и другого спермия. Итак, я принимаю, что спермин отличны друг от друга в одной и той же паре по своим гормонам; а этого, в связи с допущенным отличием ядер соседних протоплазм, как мне кажется, достаточно, чтобы решить нашу задачу. Явно, что при таком условии протоплазма яйца окажется в одной из своих частей под совокупным действием гормона своего ядра и спермия, в части, ближайшей к этому спермию; здесь она будет, предположительно, разжиженной, и спермий поступит туда, как засасывается какое-нибудь тело в воронку водоворота, или, вернее, как потонуло бы оно на размягченном пятне желатина. Соображение это подтверждается тем, что реально можно видеть на описанном отчасти выше уже пути второго спермия; все пространство между тем местом, где вначале лежат оба спермия, и полярными ядрами зародышевого мешка представляется сильно вакуолизированным. Таков вид
г72 Семя этой полосы протоплазмы, конечно, на фиксированном препарате; но, восстанавливая в воображении прижизненную картину, мы скорее всего должны заключить лишь об избытке в этом месте «клеточного сока», иначе — о разжижении. Само собою, в нашем рассуждении гормоны X и У — лишь символы, какими, может быть, они окажутся во многих случаях, которые мы вообще претендуем толковать с подобающей точностью биохимии; но, каково бы на самом деле ни было взаимодействие мужских и женских ядер и отношение их к соответственным протоплазмам, я полагаю, что своим изображением хода явления я сделал приемлемым положение: причина, по которой один спермий поступает в яйцо, а другой в смежную полость зародышевого мешка, состоит в том, что спермин одной и той же пары не одинаковы, так же как отличны друг от друга участвующие в процессе женские ядра; и это несмотря на то, что и та, и другая пара ядер суть ядра сестринские, т. е. происходят от деления одного материнского ядра, каковое деление в морфологической науке принято до сих пор считать вообще эквационным. Этого рода соображения привели меня к тому, чтобы искать возможность тонких, большею частью скрытых отличий в свойствах ядер, происшедших таким делением, и в воображении рисовалась возможность видеть это отличие не в составе ядра и характере его элементов, каковые должны быть тождественны, а лишь во взаимном расположении элементов, хромосом, в момент возникновения каждого из дочерних ядер, т. е. в некотором «структурном» отличии ядер, в своего рода изомерии, именно, стереоизомерии ядра. Спешу здесь пойти навстречу вполне основательному возражению. Мне скажут, конечно: какое значение может иметь расположение хромосом в мета-, ана- и телофазе (где оно легко распознается), там, где, как в покоящемся ядре, сами хромосомы вовсе не приметны, где они, по мнению многих (а также и по моему), распыляются на свои элементы? Я отвечу на это ссылкою на последующее, где будет указано, что кристаллическая форма многих тел обуславливает также и свойства растворов их, по гипотетическому представлению, как бы форму молекул или комплексов таковых, т. е. тех элементов, на которые кристалл распадается по растворении. Покоящееся состояние ядра я приравниваю, следовательно, к раствору хромосомной массы, к ее золю. Опираясь в дальнейшем на аналогию, которую мне представляется возможным провести между происхождением, строением и свойствами половых ядер и соответственными отношениями энантиоморфных сте- реоизомеров химических тел, я сделаю попытку представить некоторое изображение поведения и состояний половых ядер; именно, изображение, потому что объяснения не существует и в химии, науке опытной и более точной, чем наша, для сходных отношений и состояний в области определенных физических и химических явлений. войног оплодотворение Вместе с тем я коснусь весьма важного вопроса о точной характеристике гаплоидного ядра (ix-ядра) и существенного различия его от ядра диплоидного (2х-ядра). Как мы увидим, касательно этого до последнего времени существуют некоторые предрассудки в нашей науке. Если самый предмет моего рассуждения покажется многим полуфантастическим (сближение сложноорганизованных тел, ядер, с химическими телами в кристаллах или растворах), то, может быть, касающееся природы и отличий ядер гаплоидных и диплоидных примирит читателя с остальным содержанием статьи. Двух великих ученых прошедшего века одинаково занимала морфологическая проблема сущности или природы живых тел. Оба они пришли к аналогиям, заимствованным из кристаллографии, т. е. морфологии тел мертвой природы. Проблему, которую решить они оба имели в виду, можно поэтому называть и структурной, и морфологической. Одному из них, Негели, представлялся необычайным по своему значению факт, что главнейшие элементы живого тела являются телами анизотропными, т. е. двояко преломляющими свет. Эту способность Негели приписывал кристаллическим индивидам, и отсюда существенная черта его «мицеллярной теории», по которой «живая материя» должна состоять из элементарных единиц, «мицелл», имеющих форму и строение кристалла. Другой натуралист — не кто иной как бессмертный творец микробиологии Пастер. Его идеи положили начало представлениям о пространственном расположении четырех различных элементарных атомов или радикалов, насыщающих четыре единицы сродства атома углерода. Схема этого представления или соответственная модель — асимметричный тетраэдр, центр которого занят атомом углерода, а по вершинам неравных углов размещены различные атомы, или радикалы. К этому представлению приводит сравнение свойств оптически деятельных органических тел с асимметричным кристаллом кварца. То, что составляет причину вращения плоскости поляризации в кристалле кварца, по убеждению Пастера, должно принадлежать и молекулам тех тел, которые не только в форме кристалла, но и в растворах вращают плоскость поляризации; в первом случае это — асимметрия кристалла, во втором — асимметрия самой молекулы. Как Негели, так и Пастера, параллельно с специальным интересом оптического эффекта, занимала более широкая задача: заглянуть в сущность жизненных процессов. Особенно Пастеру казалось надежным принимать при этом как точку опоры тот действительно замечательный факт, что оптически деятельные органические вещества не могли быть получены, по крайней мере непосредственно, синтезом в лабораториях, но являются продуктом деятельности живой клетки. Причина, почему и с успехами синтеза не могут быть получены до сих пор непосредственно оптически деятельные тела, состоит в том, что наши химические реакции создают всегда одновременно обе формы оптически деятельного тела (J и /). Эти два оптических изомера компен-
74 Семя сируют взаимно свое влияние на поляризованный свет, ибо они сочетаются в пропорции их молекулярного веса, давая непрочное соединение, оптически недеятельное (так называемое «рацемическое» сочетание). Только природа, как утверждал Пастер, обладает средством создавать оптически деятельные тела и при этом — порознь, то право-, то ле- вовращающее. В своем убеждении касательно своеобразия синтеза в условиях живой природы Пастер шел, несомненно, слишком далеко, вплоть до иллюзий. Его ученик и преемник Дюкло передает одну из них так: фабрикация асимметричных тел вообще зависит в природе от асимметрии самой фабрики в целом. Земля наша, конечно, шар; но шар этот симметричен только когда мы его созерцаем как неподвижное тело; а так как этот шар вертится всегда в одном направлении, то он разделяет свойства всех асимметричных тел, ибо в зеркальном отражении своем он должен нам казаться вертящимся в направлении, противоположном действительному. Одинаково и солнечные лучи, падающие на зелень земли, кажутся нам в зеркало падающими в направлении ином, чем истинные. Каждое наше движение в том же смысле обращается зеркалом, что известно каждому по опыту. Словом, вся картина живой природы несовместима с ее зеркальным изображением. Оригинал живой природы и отражение его «энантиоморфны», как выражаются не только морфологи и кристаллографы, но и химики, говоря об асимметричных системах. Прототип такой системы в простейшем виде — это тот тетраэдр с неравными или разноименными углами, о котором уже сказано. В асимметрии нашей природы в целом, по убеждению Пастера, и должны лежать сложные условия того, что развитие жизни привело на нашей земле к созданию асимметричных форм вообще, а в частности тех асимметричных молекул органических тел, которым постоянно присуща способность оптически деятельного кристалла. Какова бы ни была наша оценка этой иллюзии Пастера, он вполне справедливо отмечает обстоятельство, не всегда явное в нашем сознании, что «все вещественные предметы, каковы бы они ни были, рассматриваемые в отношении их форм, или повторения их идентичных частей, подобны тем тетраэдрам (симметричному и асимметричному), которые мы только что различили. Одни предметы, поставленные перед зеркалом, дают изображение, совместимое с ними; изображение других не совпадает с оригиналом, хотя воспроизводит точно все его детали. Прямая лестница, стебель с супротивными листьями, куб, человеческое тело — вот тела первой категории. Винтовая лестница, стебель с листьями по спирали, кисть руки, неправильный тетраэдр — вот формы второй группы. Эти последние не имеют плоскости симметрии» (Pasteur, 1860). Таково простое и точное определение, по Пастеру, асимметричного тела, фигуры или системы, конечно, включительно до молекулы. Я решаюсь думать, что если бы Пастер мог знать в свое время о теперешних фактах касательно строения и превращения клеточного ядра, то к приведенной цитате добавил бы: из всех образований живой природы гап- Двойное оплодотворение 75 лоидное клеточное ядро наиболее подобно (в критической фазе деления) упомянутой напоследок форме — асимметричному тетраэдру, именно: его плоскостной схеме или проекции. Если бы Пастер знал это обстоятельство, он принял бы его, конечно, за окончательное подтверждение своей идеи; особенно, при том освещении, которое делает гаплоидное ядро системой первичной, отсюда лишь производным является диплоидное ядро (см. ниже). Пастер поставил в соотношение (не как прямую причину) воображаемое строение асимметричной молекулы с оптическими свойствами раствора соответственного тела. Асимметричное, как увидим, гаплоидное ядро проявляет особенность своего строения в специфичном, особо деятельном состоянии индуцируемой им клетки: половые клетки суть непременно клетки гаплоидные. Понятия и слова пол, половой, конечно, лишь покрывают, но не исчерпывают свойств гаплоидных клеток и свойственного им ядра; тем более, что гаплоидные клетки могут быть и не половыми. Разобраться в относящихся сюда понятиях составляет задачу следующего отдела этой статьи; но уже здесь я решаюсь выразить свое убеждение: подобно тому как асимметричное строение молекулы, или кристалла, находится в соотношении с оптической деятельностью данного тела, так асимметрия гаплоидного ядра является условием специфичного, половодеятельного состояния гаплоидных клеток, причем это состояние должно проявляться в двух противоположных формах, подобно тому как проявляется оптическая деятельность в формах право- и левовращаю- щих тел одной химической природы. Различие между ядрами клеток зародышевых или половых и ядрами клеток соматических открыто зоологами при исследовании высших животных, и позже эти понятия перенесены в ботанику, будучи обоснованы на исследованиях более доступных в этом отношении также высших растений. Так как тем и другим представителям царства живых существ свойствен вполне единообразный принцип механизма превращения соматических клеток и ядер в половые клетки и ядра — принцип механизма редукционного деления («деление созревания» зоологов), то наиболее распространенным еще пребывает первоначальный взгляд, выработанный зоологами, что соматическое ядро есть образование первичное, которое в силу особого процесса, редукции, сокращает число своих хромосом вдвое, производя таким образом вторично дочерние и последующие ядра с половинным числом хромосом. Под влиянием учений Негели и Вейзмана создалось телеологическое представление, что будто бы это уменьшение числа хромосом выработалось в силу простой необходимости предотвращать накопление ядерного вещества («идиоплазмы» Негели) в клетках последующих поколений. Так как наука неизбежно должна принимать, что половому состоянию живых существ предшествовало состояние бесполое, то из упомянутого взгляда следовало заключить, что соматические ядра низших существ должны были быть сходны с «первичными», т. е. соматическими ядрами высших животных и растений,
76 Семя или быть диплоидными. На обычном языке современной цитологии следовало бы сказать, что соматическое, диплоидное или 2х-ядро свойственно первозданной клетке, а половое, гаплоидное или 7х-ядро есть образование производное, результат процесса эволюции вообще и эволюции пола в частности. Эта сторона нашей теории освещена теперь наилучшим образом ботаническими исследованиями, однако с совершенно противоположным выводом. В истории происхождения полового процесса и самого пола на первых этапах ее мы находим у простейших растений, несомненно, первобытный порядок, состоящий в том, что половые клетки еще не вполне выработаны и не обособлены от соматических, служащих для бесполого размножения. Так, у многих зеленых водорослей клетки тела могут образовать одинаково и споры (зооспоры), и половые клетки, гаметы. Но и у них существует редукционное деление, только никак не в виде средства предотвратить накопление элементов ядра и не перед половым процессом, а как естественное последствие его, последствие накопления ядерных элементов, т. е. каждый раз после того, как соединяются половые клетки при оплодотворении. Численная редукция хромосом происходит здесь в половом продукте, в зиготе, при ее прорастании, состоящем в делении ее для образования спор. Зигота, не развиваясь в новую особь, подобную материнской, тем не менее является здесь полным гомологом той особи высших растений, которую мы именуем теперь, согласно теории чередования поколений, спорофитом, или, по числу хромосом, диплоидной 2х-генерацией или диплонтом. Это проникло и в современную генетику, которая именует высоко сложную и совершенную особь высшего растения, животного и человека коротко зиготой, выставляя этим на вид «двойственную» природу этой особи и ее происхождение слиянием двух гаплонтов-гамет с 7х-ядром. Итак, мы принимаем, что первичное состояние организмов знаменуется ядром гаплоидным,4 что диплонты появились вслед за гаплонтами, после выработки полового процесса, который имел своим последствием и редукционное деление. Последнее у существ, стоящих как бы на рубеже между существами различной высоты организации, происходит, как сказано, на первых шагах развития зиготы и подобно «расторжению брака», заключенного как бы на короткое время между гаметами. Брак здесь еще не выработан окончательно как вполне необходимый в жизни институт: он краток и непрочен. Мы видим также, что у таких существ размножение происходит успешнее не половым способом, а при помощи спор, которые к тому же могут быть весьма сходны с гаметами и так же, как последние, родясь от гаплоидной особи, содержат гаплоидные ядра. Последнее обстоятельство, уже указанное раньше, кажущимся образом грозит всему нашему построению, клонящемуся к тому, что половые функции обуславливаются гаплоидным ядром. Так можно думать, однако, если не считаться с неизбежным историческим моментом последовательности и постепенности эволюции: пол не явился сразу, но, Двойное оплодотворение 77 ! наоборот, постепенными превращениями первично гаплоидные клетки, элементы бесполого размножения или споры достигли ранга элементов половых: все переходы между зооспорами и гаметами мы видим именно у целого ряда низших водорослей и грибов. В силу каких отличий гаметы таких существ, будучи по происхождению тождественны со спорами, обладают взаимным стремлением сочетаться между собой, иначе, почему они деятельны в половом отношении — это вопрос мало освещенный физиологически до сих пор. Мне рисуется все же возможность некоторой аналогии этого факта с тем, что принято и дознано экспериментально в микробиологии и названо там достижением и ослаблением вирулентности у микробов. Известно, что патогенные микробы могут быть лишены своей вирулентности проведением через ряд соответственных культур или через подходящий для этого организм (вакцины). Если мы примем во внимание, что большинство гаплонтов, низших водорослей, в течение вегетационного периода дают однообразно поколение за поколением при помощи спор, то нам представится возможным предположение, что и здесь протопласты клеток из поколения в поколение, как в сериях культур, ослабляются, теряя нечто вроде вирулентности в отношении способности вегетативно расти или образовывать прорастающие споры. Рядом с этим можно представить себе дело и так, что вирулентная в половом отношении гамета погашает свою вирулентность в акте полового слияния и что протопласты клеток приобретают вновь способность к половому слиянию, проходя, некоторый «стаж», т. е. несколько бесполых поколений, с вегетативно сильнейшими протопластами. Иными словами, гамета есть та же спора, но с крайне ослабленной способностью расти и одновременно с максимальной вирулентностью по отношению к себе подобным, что сказывается в стремлении сливаться попарно. Половое слияние, к тому же, в случае неодинаковых по полу гамет не лишено сходства, быть может, с нападением микроба (мужской гаметы на женскую гамету); с другой же стороны, с явлением сопротивления или самозащиты от такого нападения (фагоцитоз в микробиологии), — сходства в том, что крупная женская гамета «поглощает» мелкую мужскую. Уместно добавить также, что есть определенное сходство между вирулентностью микробов и взаимным стремлением гамет в том отношении, что равные гаметы (гомогамия), рожденные одною особью, большею частью не тяготеют друг к другу; так же точно при «аутои- нокуляции» микробы, воспитанные в теле особи, не вирулентны более для этого тела. Таким образом, приходится различать, видимо, основное условие половой способности клеток — это гаплоидность ее ядра, и вторичные условия, которые могут сделать потенциально половую клетку неспособной к слиянию с себе подобной, как это мы видим на половых клетках одной и той же особи у низших организмов, а также на том, что у раздельнополых существ гаметы одного пола не сливаются меж-
78 Семя ду собою. Я полагаю поэтому, что ядру присуще определить полов- ность «in potentia», тогда как направляет, разрешает или стимулирует половое слияние совокупность влияний окружающей протоплазмы. Итак, мы можем утверждать, что хотя гаплоидная клетка может быть и не половой, половая клетка должна быть непременно гаплоидной, т. е. содержать число хромосом вообще вдвое меньше, чем соматическая клетка той же особи (следовательно, не непременно 1х хромосом, но и 2х, если мы имеем дело, например, с тетраплоидною мутацией. Нас, впрочем, должны занимать здесь исключительно половые клетки обычных диплонтов). Приняв сказанное, мы становимся вновь перед обстоятельством, требующим разъяснения. В начале статьи было указано, что картина двойного оплодотворения представляет отношения в возможно простой обстановке системы, элементы которой налицо в наименьшем числе, но допускающем еще выбор. Я полагаю, что именно лишь в такой обстановке возможно судить о различиях гамет в отношении их окончательной способности к взаимному стремлению или слиянию; это, конечно, потому, что в тех случаях, когда мы рассматриваем отношения множества гамет различного пола или даже, как это часто бывает, отношения множества мужских гамет к единственному яйцу (Fucaceae), мы решительно неспособны установить, все ли мужские гаметы приемлемы для данного яйца? Иначе, нет ли существенных различий между множеством спермиев? Мы видим лишь то, что один из спермиев сливается с данным яйцом. Таким образом, наши сведения об отношениях гамет у низших не должны противоречить нашему предположению, что оба спермия у покрытосеменных могут быть друг от друга чем-то отличны. Переходим, наконец, к выяснению возможности этого отличия, что сводится на точную характеристику гаплоидного ядра вообще. В силу происхождения зиготы слиянием двух клеток, ядра которых содержат одно и то же число хромосом, число хромосом ее особей вида (не гибридных и не отличающихся так называемыми «половыми» хромосомами) является четным, что подтверждено бесчисленными реальными наблюдениями. Но так же четным может быть число хромосом гаплоидного ядра гамет, что мы знаем на достаточном числе примеров. Характерным же свойством набора диплоидного ядра является лишь то обстоятельство, которое вытекает из экспериментальной генетики как целого, из ее главного постулата о неповторяемости факторов наследуемых признаков. Эти факторы, или носители их, гены, в качестве «элементарных квантумов» наследуемой материи от обоих производителей, содержатся в ядре в наименьшем числе, т. е. по одному от каждого производителя или, стало быть, в числе 2 в целом диплоидном ядре, и по одному из пары одинаковых ген в одной хромосоме. Связь цитологии с генетикой ведь и утверждается весьма правдоподобным предположением, что четности и одинаковости попарно факторов генетики в точности и визуально отвечает четность числа хромосом диплоидного ядра и оди- Двойное оплодотворение 79 наковость хромосом попарно. Наоборот, как следует отсюда, хромосомы гаплоидного ядра все, как по форме или величине, так и по содержанию ген, являются телами, существенно, качественно неодинаковыми или индивидуально различными, что и в этом случае легко обнаруживается визуально у многих видов по форме хромосом. Во многих случаях мы наблюдаем, что расположение хромосом диплоидного и гаплоидного ядра имеет характер циклический, т. е. что хромосомы лежат в пластинке метафазы кругом некоторого центра; отсюда название этой стадии деления у зоологов — «звезда» (aster). Поэтому законно сравнение этой системы с плоскостной схемой, употребляемой для пояснений симметрии многогранников в кристаллографии, т. е. с многоугольником. Можно представить диплоидное ядро многоугольником, в котором углы попарно одинаковы, а гаплоидное соответственное ядро — многоугольником с числом сторон вдвое меньшим, в котором все углы будут различны. Таким образом, пластинка, или звезда, всякого гаплоидного ядра будет в существенном сходна с молекулой асимметричного строения, в которой кругом одного центра (атома С) группируются различные атомы или радикалы; одним словом, система такого ядра асимметрична. Лишь значительное число хромосом, особенно при небольших размерах всего ядра, может быть помехой определению индивидуальности хромосом и, следовательно, определению визуально асимметрии всей системы. Когда же число хромосом невелико, задача становится совсем легкой и асимметрия ядерной пластинки столь же очевидной, как асимметрия кисти руки, пальцы которой можно приравнять хромосомам. Различие лишь в том, что ядерная пластинка не имеет тыльной и ладонной поверхности (различие, что пальцы связаны пястью, не существенно), но это различие временное, так как после долевого расщепления хромосом и расхождения дочерних хромосом к полюсам мы получаем две пластинки, или звезды (diaster), обладающие внутренней и наружной поверхностями, иначе — ориентированные противоположно по отношению к центру материнского ядра. Хромосомы обеих пластинок оказываются при этом расположенными совершенно так же, как пальцы первоначально сложенных ладонями рук, потом разведенных: глядя на дочерние пластинки из центра ядра, мы убедились бы, что в одной пластинке разноименные хромосомы А, В, С, D размещены по направлению движения часовой стрелки, как пальцы левой руки (считая от большого), а в другой пластинке те же А, В, С, D лежат в обратном порядке, как пальцы правой руки. Одна пластинка может поэтому быть названа правой, а другая левой. Иначе обе пластинки, как кисти рук, являются взаимно своим зеркальным подобием: они энантиоморфны. Последнее имеет следствием то, что клетка с гаплоидным набором может быть наделена свойствами системы с определенной полярностью, т. е. что она при повторении делений порождает каждый раз различные элементы. Так, протопласт пыльцевого зерна делится явно дифференциально, что проще всего видно на примере любого покрытосеменного,
!80 Семя у которого после деления ядра микроспоры образуется две различные клетки: большая вегетативная и малая генеративная. В зародышевом мешке, очевидно, первое деление ядра также дифференциальное, так как микропилярное ядро, делясь далее, дает ядра полового аппарата, а противоположное служит началом антипод, т. е. аппарата вегетативного. И в окончательных делениях ядер созревающего зародышевого мешка нетрудно усмотреть ту же особенность: оба ядра верхнего конца его не делятся эквационно, так как одно делится на будущие ядро яйцеклетки и северное полярное ядро, а другое ядро своим делением полагает начало обеим синергидам, которые содержатся неодинаково: одна созревает раньше, мутится и разрушается, уступая свое место содержимому пыльцевой трубки, другая же сохраняется гораздо дольше, но в половом процессе никакого участия не принимает. Мы вправе, думается мне, заключить отсюда, что и в генеративной клетке деление ее гаплоидного ядра не эквационно по существу, но дифференциально, т. е. что оба возникающие в ней ядра, одно правое, другое левое, существенно не одинаковы: одно назначено или приноровлено к слиянию с ядром яйца, другое же — к слиянию с северным полярным ядром. Таковы свойства и предположительно последствия этих свойств у ядра гаплоидного. Совершенно иное мы должны приписать ядру диплоидному, содержащему исключительно попарно одинаковые хромосомы. В известном расположении такая система сходствовала бы во время деления с парою уродливых рук, у которых средний палец был бы удвоен, а за ним следовали бы не безымянный и мизинец, а повторились бы указательный и большой пальцы. Такие кисти были бы симметричны, и каждая перчатка для таких рук годилась бы для рук обеих, чего, как известно, не может быть для перчаток с рук нормальных. Точно так же в диплоидном ядре состава АА, ВВ, СС, DD, содержащем четыре пары одинаковых (в каждой паре) хромосом, очевидно, может быть достигнута симметрия расположением хромосом одной половины набора (А, В, С, D) по направлению часовой стрелки, а другой — по направлению противному, как представлено на фигуре: A I A В I В С I С D I D которая, как видно, делится пополам плоскостью симметрии. Этот восьмиугольник по раздвоении всех своих элементов в плоскости чертежа дает фигуры не только тождественные, но совместимые при любом на- Двойное оплодотворение 81 ложении, т. е. не энантиоморфные. Отраженный в зеркале, он останется без изменения, равно как и тогда, когда мы посмотрим на него с обратной стороны бумаги, на просвет. Иного свойства фигура получится, если мы возьмем половинное число букв, и иначе, — если сольем одинаковые буквы, получится четырехугольник: D А В С который не имеет плоскости симметрии, а отраженный в зеркале или рассматриваемый на просвет окажется по расположению букв обращенной фигурою, буквы которой будут следовать в обратном порядке, как показывает фигура: В A D С Обе последние фигуры при простоем наложении не совместимы, что, вместе с прочими свойствами, показывает их энантиоморфность. Читателю остается теперь вообразить себе реальные условия деления гаплоидного ядра с любым числом хромосом, чтобы видеть, что оба дочерние ядра от такого деления действительно относятся друг к другу так, как обе последние фигуры; nota bene, если при этом мы будем их рассматривать с той стороны, которою они обращены друг к другу или, как уже выше сказано, как бы из центра фигуры происшедшего деления. Есть другой способ представить отношение диплоида (сокращенное — диплоидного ядра) к своему гаплоиду — способ, который лучше представляет пространственные отношения, а главное, превращение диплоида в гаплоид путем редукционного деления. Вообразим себе более простое ядро, чем раньше, всего с тремя парами хромосом: АА, ВВ, СС, и представим его в виде неправильного шестиугольника, соседние углы которого, однако, попарно равны. Такой шестиугольник легко построить: отсекая у прямоугольного треугольника с неравными катетами (т. е. с неравными углами) abc равные отрезки от сторон каждого угла прямыми (см. чертеж), получим шестиугольник, равные углы которого обозначим одинаковыми буквами АА, ВВ, СС. Пусть этот шестиугольник изображает диплоид, а попарно равные углы его пусть соответствуют по величине равным хромосомам, которые лежат парами. 5-828
I I82 Семя Существенный момент редукционного деления состоит, как известно, в том, что одинаковые хромосомы попарно сближаются и даже частично сливаются в метафазе деления. Этот момент представит наш чертеж, если мы вообразим, что одноименные хромосомы двигаются по продолжениям сторон шестиугольника: оба А по продолжению сторон АС и АВ, оба В по продолжению АВ и ВС и оба С по продолжению АС и ВС. Мы замечаем, что требуется для этого продолжить, собственно, лишь три стороны, именно АВ, АС и ВС, тогда как стороны АА, ВВ и СС остаются не продолженными. Другими словами, мы продолжили стороны через одну и, таким образом, проделали то, что применяется кристаллографией (правда, на упрощенной, плоскостной схеме) для показания, как превращаются полиэдры в соответственные гемиэдры, причем соответственный неправильный октаэдр, например, дает неправильный же тетраэдр, приведенный выше в качестве классического примера асимметрии. Мы можем сказать, что процесс редукционного деления вполне соответствует превращению неправильного полиэдра в гемиэдр: при этом диплоидное ядро сначала становится, сближая попарно равные хромосомы, само асимметричной фигурой, которой стоит лишь раздвоиться при «сегрегации» (disjunction) гомологичных хромосом, чтобы получилась неизменно асимметричная система обоих дочерних ядер, гаплоидов. Гаплоидное ядро можно было бы именовать по сходству с гемиэдром «гемикарион». Я полагаю, что читатель согласится со мною в том, что гаплоидное ядро, отличаясь от диплоидного наличием в составе своем лишь одной хромосомы от каждой пары, наилучшим образом и характеризуется по этому отличию и что гаплоидному ядру с достаточным основанием можно приписать как системе асимметричной некоторые свойства, которых симметричные системы лишены: последнее, по отдаленной, правда, аналогии с асимметричными, деятельными оптическими телами химии. Однако и последние тела проявляют не одни оптические свойства, которыми разнятся наглядно. Для многих из них доказано различие в скорости реакции взаимодействия с одним и тем же оптически различным телом. Так левовращающая миндальная кислота с левовращающим ментолом медленнее дает эфир, чем правовращающая миндальная кислота с тем же левовращающим ментолом. Омыление того или другого эфира идет, поэтому, тоже с различной скоростью. Это может служить, разумеется, лишь слабым намеком на то, каковы должны быть формы химического воздействия половых ядер на ту среду, в которой они встречаются друг Двойное оплодотворение 83 с другом — как это представлено уже выше, в воздействии на протоплазму яйцеклетки и зародышевого мешка. Мне думается, что правдоподобнее предположение, уже высказанное ранее, что навстречу друг другу должны идти одинаково настроенные ядра, т. е., например, правое (J) к правому и левое (/) к левому, что и изображает приводимая схема зародышевого мешка перед копуляцией обеих пар половых ядер. Указав уже на то, что гаплоидные клетки и ядра в зародышевом мешке должны в известном смысле разниться, я привел и фактические доказательства этих отношений. Теперь черед за обоими спермиями, вступающими в зародышевый мешок в виде голых ядер: нет ли и у этой пары сестринских ядер каких-либо видимых особенностей как примет их внутренних отличий, именно того, что одно из них возникло из хромосом, сочетавшихся в одном порядке, а другое — из хромосом, сочетавшихся в порядке обратном? Из своих собственных наблюдений я могу привести лишь то, что спермин, проникающий в яйцо, окрашивается слабее, чем спермий, сливающийся с полярным ядром; первый выглядит постоянно поэтому более рыхлым, чем второй. Но, подыскивая данные из чужих наблюдений, я напоследок натолкнулся на поразительный факт, который в точности соответствует даже моим гадательным определениям разницы в паре сестринских клеток, которые я обозначаю как «правую» и «левую» клетки по их ядрам. Это установлено в отношении самых крупных из известных спермиев, именно — спермиев у саговых пальм Cyc'adaceae. Известным исследователем этой группы голосеменных, Chamberlain, этот факт отмечается в следующей приводимой мною дословно фразе, которой он описывает внешность спермиев yCeratozamia и специально ту спираль, по которой, как известно, расположены пучки ресничек спермия: «The spiral may be either right or left, or better, it may be formed either in the direction of the hands of a clock or contra clockwise»...«In many instances it was possible to determine the direction of the spiral in both of the two sperms from the same body cell, in most cases one showed the clockwise and the other the contra clockwise direction» (Chamberlain, 1912). Конечно, читая эту статью 15 лет тому назад, я не обратил особого внимания на это подробное указание автора, а теперь оно совершенно изгладилось из моей памяти. Я отыскал его теперь, напротив, совершенно сознательно, будучи почти уверен в том, что на таком объекте, где спермин так крупны и так сложно устроены, не может не проявиться то соотношение, которое я предполагаю между строением ядра спермия и прочими его свойствами, хотя бы и его внешней формой. Chamberlain приводит свое показание с большой точностью, хотя одно слово в нем и звучит отчасти оговоркой («most»). Во всяком случае, у другого автора мы находим совсем уже беглое указание на направление спирали, без упоминания о числе наблюдений с целью определить направление, а главное — без указания, представлены ли два спермия из одной и той же антеридиальной клетки. Так мы находим дело представленным у Ikeno для Cycas revoluta в его прекрасном труде, доста- 6*
Семя точно всем известном (Ikeno, 1898): на его рис. 33а и ЗЗЬ изображены два отдельных спермия, оба с левой спиралью. В тексте (р. 184) по поводу рисунков сказано: «Wenn man von der Spitze ausgeht und von oben sieht, laufen die Windungen von Rechts nach Links-, d. h. umgekehrt wie der Uhrzeiger». Мы также не выносим окончательной уверенности из изображения дела у Miyake (1903) в его статье о спермиях у Ginkgo, с рисунками, заимствованными из классической работы Hirase (1898), за исключением рисунков последних (р. 1779-1780, рис. 8-10). Рис. 8 этой статьи представляет, может быть, даже схему по рисункам Hirase, составленную с тем, чтобы показать число оборотов спирали; на нем мы видим оба спермия с правыми спиралями (по часовой стрелке), т. е. оба одинаковыми. Между тем у самого Hirase на рис. 28, где видны оба спермия еще в антеридиальной клетке, справа лежит спермий, видимо, с левой спиралью (против часовой стрелки), слева же — спермий с правой спиралью (по часовой стрелке). Итак, из данных касательно строения спермиев у Cycadaceae и у Ginkgo как раз в тех случаях, где показания более определенны (Chamberlain и Hirase), т. е. где речь идет о подлинном изображении обоих спермиев еще в материнской клетке, мы находим факты, благоприятные для моего предположения, что одинаковые по своему рождению спермий, т. е. происшедшие от одной материнской клетки, не одинаковы по своему сложению. Замечательным образом они при этом и разнятся на тот же лад, как оба их ядра могут разниться при их образовании делением материнского ядра, чему даны выше достаточные объяснения на общей схеме деления гаплоидного ядра. Обратимся еще за примером неодинаковости пары спермиев уже к отечественному классику Беляеву (1885), к его описанию антеридий и антерозоидов у разноспоровых плауновых. В тексте его труда мы вовсе не встречаем намека на то, что интересует теперь нас; но это особенно дорого в том смысле, что рисунки его должны были быть исполнены, очевидно, без всякой предвзятой идеи, хотя со всегдашней точностью, этому автору свойственной. И вот мы видим, несмотря на мелкость рисунков в табл. I, 20 и табл. II, 10, что в материнских клетках лежит по два спермия, уложенных спиралями, направление оборотов которых в каждой паре спермиев противоположно. Так, на первом рисунке верхний спермий скручен по направлению часовой стрелки, а нижний — против этого направления. Интересно, что на другом рисунке отношения обратные: верхний спермий скручен против направления часовой стрелки, а нижний — согласно с часовой стрелкой. Мне думается поэтому, что оба рисунка сделаны вполне точно с натуры. Этого нельзя сказать про рис. табл. I, 19, в котором, мне кажется, недочет в изображении обоих нижних спермиев, от которых на рисунке виден всего один оборот спирали, и с левой стороны — точно простое кольцо. Вероятно, наблюдатель не мог видеть оба эти тела отчетливо и оставил добросовестно некоторый пробел на рисунке. Двойное оплодотворение 85 Конечно, трудно искать факты, касающиеся идеи, явившейся много позже того, как эти факты были установлены, притом без определенной цели. Быть может, существуют в других областях нашей науки факты и иного свойства: за это поручиться нельзя. Окончательная же цель моей статьи — выяснить недостаточность наших сведений о половых клетках и ядрах и попытаться указать морфологические условия определенно направленной деятельности их. ВЫВОДЫ 1. Из положения спермиев в момент, предшествующий их поступлению по месту назначения, и из отделения их от мертвых глыбок, находящихся в близком соседстве с ними, следует, что не механические двигатели, например, движение протоплазмы, обусловливают это отделение. Если бы это было так, то и мертвые глыбки увлекались бы по следам спермиев и в яйцеклетку, и в полость зародышевого мешка. 2. Разделение обоих спермиев и направление их по двум различным путям также невозможно приписать каким-либо механическим воздействиям и необходимо отнести на счет различий между обоими спермиями и обеими плазмами, через которые спермий пролагают себе путь. 3. Ввиду того, что в данном случае (у Phelipaea) спермий совершенно лишены протоплазматической, обложки, законно заключить, что их различия зависят лишь от природы их ядер, каковая должна быть, следовательно, различной. Одинаково необходимо принять, что и женские ядра, к которым стремятся спермий поодиночке, также различны по своей природе и индуцируют своим влиянием обе соответствующие протоплазмы тоже различно. 4. Ближайшее предположение касательно причины поступления спермиев в протоплазму различных клеток (в яйцеклетку и полость зародышевого мешка) может быть таково, что стремятся друг к другу ядра, действующие на ту же самую протоплазму одинаково, так что действие их суммируется; вследствие этого протоплазма локально разжижается, и спермий движется в направлении наименьшего сопротивления. Причина самого движения остается неясной. 5. Ввиду морфологического тождества ядер женского аппарата и обоих спермиев во всех отношениях, кроме расположения их хромосом, на последнее обстоятельство приходится смотреть как на единственное условие, способное породить функциональное различие ядер одной и той же пары, т. е. различие между обоими спермиями, и различие между ядром яйцеклетки и северным полярным ядром. 6. По расположению хромосом каждая пара сестринских гаплоидных клеток может быть приравнена к паре элементарно тождественных химических молекул (или кристаллов), отличных по расположению элементов или радикалов (у кристалла — его углов), которые бывают
86 Семя все различны. Такие тела обозначаются как асимметричные и зеркально подобные, иначе — энантиоморфные. Гаплоидное ядро содержит в своей «экваториальной пластинке» циклически расположенные, индивидуально различные хромосомы, а после деления дает дочерние ядра, по расположению хромосом (в анафазе и телофазе) зеркально подобные, которые можно приравнять к правой и левой форме исходно асимметричной системы. 7. Как правая форма тела асимметричного строения отличается от соответственной левой формы также и по их оптическим и химическим свойствам (скорость реакций), так может отличаться «правое ядро» от «левого ядра» одной и той же пары по присущим каждому из них функциональным свойствам. 8. Сближаться и сливаться, по предыдущему примеру (ср. п. 4), должны одинаково построенные и, следовательно, одинаково действующие на протоплазму половые ядра: правое с правым, левое с левым. 9. В системе элементов, наличных при оплодотворении у покрытосеменных и в процессе необходимо участвующих, мы различаем пару женских ядер, одно правое и одно левое, и пару мужских ядер, спермиев, также один правый и один левый. Эта система является необходимым и достаточным условием для «выбора» яйцом и полярным ядром соответственного спермия. 10. Как механизм редукционного деления, так и свойства системы, указанные в п. 9, никоим образом не должны быть истолкованы телеологически как целесообразности высокой организации покрытосеменных. И то и другое — лишь крайние следствия процесса эволюции половых отношений: с появлением пола явились обусловленными и редукция числа хромосом и свойства гаплоидного ядра; общие условия всего исторического процесса — лишь прогрессивное дифференцирование элементов и последовательное уменьшение числа их до ступени «необходимого и достаточного» — общий закон экономии в природе. Беляев, 1885; Гургенова, 1928; Навашин, 1910, 1915; Chamberlain, 1912; Finn, 1925, 1926; Haberlandt, 1921; Hirase, 1898; Ikeno, 1898; Miyake, 1903; Pasteur, 1860; Strasburger, 1900; Wylie, 1921. ЛИЛЕЙНЫЕ — КЛАССИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОПЫЛЕНИЯ И ОПЛОДОТВОРЕНИЯ1 Изучение процесса оплодотворения у цветковых во всех его аспектах требовало от ученых тщательного поиска объектов, обладаю- В работе использованы данные, полученные Герасимовой-Навашиной и Батыгиной (1958). Двойное оплодотворение 87 щих такими особенностями, как крупные размеры элементов зародышевого мешка, пролонгирован- ность всех этапов процесса оплодотворения. Вероятно, не случайно, что в серии работ, посвященных открытию двойного оплодотворения, два классика эмбриологии в двух разных странах мира — С. Г. Навашин (1898) и L. Guignard (1899a, Ь) в качестве модельных объектов использовали представителей семейства Liliaceae — Lilium martagon и Fritillaria tenella. Это в значительной степени предопределило успех их исследований. В последующие годы представители лилейных продолжали оставаться излюбленными объектами как светооптических, так и электрон- номикроскопических исследований процесса оплодотворения (Финн, 1931; Ноаге, 1934; Гера- симова-Навашина, Батыгина, 1958; Герасимова-Навашина, Коробова, 1959; Гваладзе, 1973, 1976; Gvaladze, 1983; Гваладзе, Ахалкаци, 1986; Bhandari, Sachdeva, 1983; Bhandari, Anu- radha Mai, 1989; Шамров, 1990; Бянещ, 1992). Среди лилейных особый интерес представляет Scilla sibirica как модельный объект для. изучения процесса оплодотворения sensu lato (т. е.. от опыления до первого деления зиготы и первичной клетки эндосперма). Примечательно, что на этом объекте впервые была сделана попытка открытия двойного оплодотворения у цветковых растений (см. Феномен двойного оплодотворения). Имевшиеся в литературе данные об этом процессе у видов Scilla (Финн, 1931; Ноаге, 1934) противоречивы. Источником противоречий в основном являлось то, что авторы не касались в полной мере цикла Рис 1. Схематическое изображение пре- митотического (А) и постмитоти- ческого (Б) типов оплодотворения.
_8J3 Семя Рис. 2. Верхняя часть зародышевого мешка S.sibirica Andr. A — анфас; Б — профиль. Стрелками показано направление будущего расхождения спермиев. Генцианвиолет. Подробнее см. в тексте. развития и состояния половых элементов и не рассматривали процесс оплодотворения в динамике. Кроме того, не рассматривался весь процесс оплодотворения в связи с последовательностью фаз митоза, неизменно наступающих при прохождении половыми элементами цикла развития, как это имеет место в онтогенезе любой клетки, а также при взаимодействии половых элементов друг с другом (Gerassimova-Navashina, 1958, 1982). Процесс оплодотворения у видов Scilla совершается по премитоти- ческому типу (см. Типы двойного оплодотворения), что отличает их от других лилейных, где, как известно еще из классической работы С. Г. Навашина (1898) и других исследований многочисленных видов Lilium, процесс идет обычно по постмитотическому типу (рис. 1). Представляется интересным выяснить, почему в одном семействе существуют два различных типа оплодотворения. Прежде чем ответить на этот вопрос, кратко остановимся на строении отдельных элементов зародышевого мешка у S. sibirica, так как это позволит лучше понять все аспекты двойного оплодотворения у данного объекта. В противоположность мнению ряда авторов, отмечавших, что у многих лилейных клетки яйцевого аппарата слабо дифференцированы, у S. sibirica эти клетки с большим постоянством обнаруживают резкие различия как по своему положению, так и по характеру развития. Синергиды — клетки с довольно плотной цитоплазмой, обычно лежат над яйцеклеткой у самого входа в зародышевый мешок, занимая весь его «свод». Между ними и несколько сбоку (латерально) при- Двойное оплодотворение Рис. 3. Различная дифференциация клеток зародышевого мешка в связи с их положением в системе. Зародышевый мешок оплодотворен (фиксирован через 22 ч после опыления); в женских клетках заканчивается слияние половых ядер (впадение в митотический покой мужских ядер, деспирализацня, выделение ядрышек). Генцианвиолет. Подробнее см. в тексте. креплена более вакуолизированная яйцеклетка. Синергиды своими краями обхватывают ее в виде колокола; сама же яйцеклетка подобно языку колокола помещается между ними, хотя и не совсем центрально. Яйцеклетка, располагаясь всегда несколько ниже синергид4, вдается в центральную клетку зародышевого мешка; между яйцеклеткой и центральной клеткой имеется экстрацеллюлярное пространство (щель), которое обнаруживается в той или иной степени, в зависимости от качества фиксации (рис. 2). У синергид хорошо выражен так называемый «нитчатый аппарат». Можно предположить, что образование нитчатого аппарата синергид зависит от их положения в системе зародышевого мешка и связано с процессами, идущими в нуцеллусе. Наиболее ярко выраженным нитчатым аппаратом обладают растения, зародышевый мешок которых окружен разрушающимися клетками нуцеллуса. У тех растений (например, сложноцветные), у которых имеется хорошо выраженный выстилающий слой (эндотелий, или внутренний слой интегумента) вокруг зародышевого
90 Семя Рис. 4. Сопоставление морфофизиологических изменений с эмбриологическими процессами в цветке (слегка увеличено). А — бутон накануне открывания (кастрация); Б — зацветание; раскрывание пыльников, опыление, начало прорастания пыльцы; В — цветение, основные фазы процесса оплодотворения; Г — начало увядания, первое деление в эндосперме; Д — увядание, второе и третье деления в эндосперме; Е — полное увядание, первое деление зиготы. мешка, синергиды, концы которых далеко выдаются в микропиле, как правило, не имеют нитчатого аппарата или он слабо выражен. Антиподы прекрасно развиты и не только сохраняются в течение всего хода оплодотворения, но сильно разрастаются и нередко размножаются, вследствие чего их число достигает 6-10 (рис. 3). Поведение антипод отличает исследованный нами вид S. sibirica от всех изученных до сих пор видов Scilla, в том числе и S. sibirica (Schniewind- Thies, 1901), S. hispanica (Treub, Mellink, 1880), S. campanulata, S. nutans, S. hyacinthoides (Guignard, 1882; McKenney, 1898), S. nonscripta (Hoare, 1934), у которых антиподы или не развиваются совсем, или рано отмирают. Возможно, последнее обстоятельство можно поставить в связь с тем, что у всех вышеуказанных видов у основания зародышевого мешка развивается так называемая «антиго- 1 на», которая, используя питательные вещества, поступающие в зародышевый мешок из халазы, может тормозить развитие антипод. У исследованного нами вида S. sibirica к моменту образования зрелого зародышевого мешка антигона не обнаруживалась. Сходные с антигоной по положению и функции структуры в халазальной части зародышевого мешка S. sibirica были описаны как трабекулы (Bhandari, Sachdeva, 1983; Bhandari, Anuradha Mai, 1989). Вероятно, необходимы дополнительные исследования зародышевого мешка у разных видов рода Scilla, чтобы внести в этот вопрос полную ясность. Антигона — сохраняющаяся диада мегаспор, иногда развивающаяся до четырех* ядерного состояния при биспорическом типе развития зародышевого мешка. Двойное оплодотворение 91 Рис. 5. Спермиогенез (А) и оплодотворение (Б) у S.nonscripta Hoffm. et Link (По: Hoare, 1934). Подробнее см. в тексте. Клетки антипод имеют часто такой же вид (например, наличие нитчатого аппарата — рис. 3), как и синергиды, особенно в начале их развития, когда они еще недостаточно вакуолизированы. При этом нитчатый аппарат несли только антиподы, располагавшиеся в основании зародышевого мешка, в то время как те из них, которые лежали выше, имели черты организации, напоминающие яйцеклетку, т. е. были более вакуолизированы и лишены нитчатого аппарата. Эти данные, таким образом, лишний раз подтверждают мысль ранних авторов
92 Семя Рис. 6. Двойное оплодотворение (По: Финн, 1931). об эквипотенциальности клеток зародышевого мешка. Все они, будучи по своей природе клетками заростка, дифференцируются, а в дальнейшем несут различные функции в зависимости от положения в системе зародышевого мешка (Герасимова-Навашина, 1954, 1957). Подкреплением сказанного может также служить аномальный случай, когда в микро- пилярном конце зародышевого мешка совсем не дифференцировались отдельные клетки, а весь яйцевой аппарат состоял из одной громадной клетки; последняя как бы совмещала в себе свойства синергид и яйцеклетки: в своей нижней части она, подобно яйцеклетке, была вакуоли- зирована, а в верхней, более плотной, несла нитчатый аппарат. Полярные ядра в центральной клетке к моменту оплодотворения чаще сближены или слиты в одно вторичное ядро; в одной и той же завязи могут формироваться зародышевые мешки со слившимися и не слившимися полярными ядрами. Причину такой изменчивости пока еще выяснить не удалось. Полярные ядра S. sibirica (или продукт их слияния) лежат на продолжении продольной оси яйцеклетки, проходящей через то место, куда впоследствии попадают спермин, чем и создаются условия для направленного их расхождения (Герасимова-Навашина, 1947д, 1951а, 1954, 1980, 1990). Во всех клетках зародышевого мешка S. sibirica можно наблюдать крахмальные зерна, однако количество крахмала очень сильно варьирует. Процесс оплодотворения у S. sibirica сильно растянут во времени, обнаруживая часто большие колебания в наступлении отдельных фаз даже внутри одной и той же завязи. По-видимому, это связано с тем, что цветение растения приурочено к ранней весне с ее резкими коле- Двойное оплодотворение 93 С- баниями температуры. При обильном искусственном опылении в лабораторных условиях отдельные фазы процесса оплодотворения проходят более синхронно. Через 10-20 ч после опыления наблюдается деление генеративной клетки в пыльцевых трубках, растущих в зоне столбика. В интервале от 18 до 25 ч после опыления обнаруживаются пыльцевые трубки, входящие в завязь, подходящие к семязачаткам, проникающие в микропиле и в зародышевые мешки, выход из них спермиев и, наконец, слияние половых ядер. Первое деление в эндосперме отмечается через 24-28 ч, второе деление — через 25-48 ч, третье и четвертое деления — через 90-96 ч после опыления. Зигота очень долго находится в покое; через 96 ч после опыления, когда в эндосперме имеется уже 16 ядер, в зиготе еще продолжается сложный морфогенетический процесс и только после 10 дней она приступает к делению. „ Прохождение отдельных фаз полового процесса у S. sibirica сопряжено с морфофизиологическими изменениями в цветке (рис. 4). Одновременно с раскрыванием бутона лопаются пыльники с готовой пыльцой. Начало прорастания пыльцевых зерен и вступление пыльцевых трубок в столбик совпадает с полным раскрыванием цветка. В лабораторных условиях цветение продолжается около суток; только в это время околоцветник достигает полного развития, лепестки увеличиваются в размере, полностью раскрываются, отгибаясь назад к цветоножке, столбик сильно выдвигается (рис. 4,В), а в зародышевых мешках проходят основные фазы оплодотворения — слияние ядер половых клеток. К моменту, когда наступает первое деление эндосперма, в цветке намечаются первые признаки увядания: лепестки снова изгибаются в прежнем направлении (рис. 4,Г), и весь цветок начинает поникать, окраска его становится более светлой. К началу второго деления в эндосперме все эти признаки увядания усиливаются. Если растение нахо- Рис. 7. Пыльцевая трубка со спер- миями и ядром вегетативной клетки (из полости завязи). Фельген с подкраской лихт- грюном.
94 Сел1я Рис. 8. Верхняя часть зародышевого мешка через 25 ч после опыления. Пыльцевая трубка только что излила свое содержимое в промежуток («щель») между оплодотворяемыми клетками, разрушив одну из синергид (справа от яйцеклетки); видны структурированные спермин (сп) и гомогенное ядро вегетативной клетки (явк). Фельген с подкраской лихтгрюном. Рис. 9. Верхняя часть зародышевого мешка в момент оплодотворения через 18 ч после опыления. Ядра спермиев (сп) приблизились к женским половым ядрам. Спер- мий в центральной клетке еще скручен. Видны обе синергиды (el, с2), в одной из них измененное ядро (яс\) и задержавшееся около нее (в щели) гомогенное, сильно вытянутое ядро вегетативной клетки (явк). Генцианвиолет. Двойное оплодотворение 95 Рис. 10. Верхняя часть зародышевого мешка через 22 ч после опыления; погружение мужских ядер в женские. Справа от яйцеклетки сохранившаяся синерги- да; над яйцеклеткой (просвечивает и изображена отдельно слева, ниже) разрушенная синергида со своим ядром (hci) и ядром вегетативной клетки (явк). Фельген с подкраской лихтгрюном. Подробнее см. в тексте. дится в грунте, то вся цветоножка с цветком в это время пригибается к земле. Зигота долго готовится к делению, которое наступает после полного увядания цветка. Двойное оплодотворение. Спермин в пыльцевых трубках, достигающих завязи, имеют вид телофатических ядер с плотно скрученной хро- матиновой нитью (Ноаге, 1934). Ядро вегетативной клетки обычно в это время уже бесструктурное и сильно красится (рис. 7). Хотя Ноаге и указывает, что после деления генеративной клетки образуются спер- мии-клетки, в зародышевом мешке наблюдаются лишь ядра (рис. 5, 6). Вступая в зародышевый мешок, пыльцевая трубка сразу встречает синергиды, в одну из которых она и изливает свое содержимое. При этом синергида лопается, а содержимое пыльцевой трубки, как показал еще С. Г. Навашин (1909), попадает как раз в промежуток между двумя подлежащими оплодотворению «покоящимися» женскими клетками (рис. 7). Ядра спермиев в это время находятся в стадии телофазы с сильно красящимися хроматиновыми нитями, скрученными в плотный клубок, ядрышка в них нет.
96 Семя Рис. 11. Погружение ядра спермия в ядро яйцеклетки и впадение его в митотический покой (деспирализация, выделение ядрышка). А, Б, В — последовательные фазы. Фельген с подкраской лихтгрюном. Попав в экстрацеллюлярное пространство между двумя женскими клетками, спермин, в силу взаимного отталкивания друг от друга, которое они начинают испытывать вскоре после своего попадания в зародышевый мешок (Герасимова-Навашина, 1947в), расходятся в противоположных направлениях по прямой, встречая ядра женских клеток. Последние лежат как раз на концах этой прямой, являющихся как бы полюсами, куда и «отбрасываются» мужские ядра (рис. 2, 9, 10). Ядро же вегетативной клетки, войдя вместе со спермиями в то же пространство между оплодотворяемыми клетками, оказывается, как подчеркивал еще С. Г. Навашин (Nawaschin, 1909; Навашин, 1910), индифферентным и поэтому остается в том месте, куда его внесло излившееся содержимое пыльцевой трубки (рис. 8-10). Спермин, имея в пыльцевой трубке удлиненную форму, в зародышевом мешке слегка скручиваются, по-видимому, из- за перемены физико-химического состояния среды. Такую же форму приобретают и их ядра. Однако, войдя в женские клетки и придя в контакт с их ядрами, ядра спермиев снова распрямляются, они становятся более округлыми, везикулярными. Вскоре ядра спермиев «погружаются» в женские ядра (рис. 10, И). По мере их объединения с женскими ядрами плотный клубок их хроматина разматывается, деспи- рализуется, теряет способность краситься основными красителями и отвечать на реакцию Фельгена в связи с уменьшением количества ДНК; Двойное оплодотворение 97 Рис. 12. Верхняя часть зародышевого мешка. Типичная картина яйцевого аппарата после вхождения одной пыльцевой трубки. Внизу последовательные фазы разрушения ядра синергиды. Подробнее' см. в тексте, я — яйцеклетка; яя — ядро оплодотворяющейся яйцеклетки; с\, с2 — синергиды; яс\, яс2 — ядра синергид; явк — ядро вегетативной клетки; пт — пыльцевая трубка. Фельген с подкраской лихтгрюном. в ходе этого превращения выделяется ядрышко. Вероятно, под влиянием «покоящихся» в это время женских клеток мужские ядра переходят от телофатического состояния к покоящемуся, заканчивая только здесь свой цикл развития и проявляя все характерные изменения, связанные с этим процессом. Процесс погружения ядер спермиев в женские ядра идет сходным образом, за исключением того, что в центральной клетке он протекает значительно быстрее (рис. 10). Последнее явление, свойственное и многим другим растениям, побуждает некоторых авторов делать заключение о различии, существующем между двумя спермиями и определяющем их различную судьбу. С нашей точки зрения, это указывает в первую очередь на различную обстановку, которую встречают спермин в столь различно развитых женских клетках и которая заставляет сходный процесс вхождения их в покоящееся состояние, характеризующееся рядом превращений, проходить с различной скоростью. Отсюда проистекают различия в ходе этих превращений, в каждый данный момент обнаруживающиеся визуально. ■7—828
98 Рис. 13. Пыльцевые трубки в полости завязи через 24 ч после опыления. Фельген с подкраской лихтгрюном. Если к моменту контакта с ядром спермия полярные ядра еще не слиты, то ядро спермия погружается в одно из них, обычно в то, которое лежит ближе к нему; если ядро спермия попадает между двумя ядрами, то оно контактирует с обоими, в результате чего происходит тройное слияние. Наблюдая много картин только что описанных фаз процесса оплодотворения, легко убедиться в большом постоянстве тех явлений, которые имеют место в зародышевом мешке вскоре после вхождения в него пыльцевой трубки. В яйцевом аппарате всегда обнаруживается однотипная картина: оплодотворяемая яйцеклетка с деспирализующимся в ней ядром спермия, одна, оставшаяся неповрежденной си- нергида с ее нормальным, хорошо развитым ядром (рис. 12, справа) и другая синергида, через которую прошло содержимое пыльцевой трубки. Ядро поврежденной синергиды «лопается», меняет свои очертания, однако его всегда можно отличить от внесенного пыльцевой трубкой ядра вегетативной клетки, которое часто задерживается в синергиде (рис. 10), входя вслед за спермиями. В редких случаях, как это уже упоминалось, излившееся содержимое пыльцевой трубки выносит ядро вегетативной клетки вместе со спермиями в промежуток между оплодотворяемыми женскими клетками (рис. 8, 9); ядро вегетативной клетки в это время имеет характерный вид: очень компактное, пикнотическое и быстро лизирующее, что часто заметно по тем тонким «струйкам», которые от него отходят. Измененное ядро синергиды постепенно превращается тоже в характерное пикнотическое образование (рис. 12, внизу). В то время, как в яйцеклетке заканчивается объединение половых ядер, а в центральной клетке оплодотворенное ядро готовится к делению или уже делится, в завязь вновь начинает поступать большое число Двойное оплодотворение 99 яя я Рис. 14. Верхняя часть зародышевого мешка через 25 ч после опыления. Типичная картина яйцевого аппарата после вхождения в зародышевый мешок двух пыльцевых трубок. Подробнее см. в тексте, я — яйцеклетка; яя — ядро оплодотворяющейся яйцеклетки; с\, с2 — синергиды; яс1, яс2 — ядра синер- гид; явк\, явк2 — лизирующиеся ядра вегетативных клеток; сп2 — спермин. Фельген с подкраской лихтгрюном. пыльцевых трубок («пульсирующее» вхождение пыльцевых трубок). Если раньше их можно было наблюдать лишь единицами, то сейчас вдоль центральной части завязи они идут целыми пучками (рис. 13). Все эти пыльцевые трубки выглядят вполне нормально, содержат по два спермия и ядро вегетативной клетки. Эти многочисленные пыльцевые трубки почти всегда входят в уже оплодотворенные зародышевые мешки и изливают туда свое содержимое. Это обстоятельство несколько усложняет только что описанную картину. Однако в яйцевом аппарате отмечается замечательное постоянство. Здесь всегда налицо разрушенная синергида, через которую прошла первая пыльцевая трубка, а в ней лопнувшее собственное ядро и лизирующее пикнотическое ядро вегетативной клетки (рис. 14, слева). Спермин этой первой пыльцевой трубки уже объединились с женскими клетками, причем в яйцеклетке часто видна конечная фаза слияния ядер. Через другую синергиду прошла вторая пыльцевая трубка с двумя спермиями и ядром вегетативной клетки (рис. 14, справа). Все эти элементы в яйцевом аппарате можно легко отличить друг от друга: ядра спермиев часто сохраняют свою структуру телофатических ядер, ядро вегетативной клетки бесструктурно и начинает быстро ли- зировать, и, наконец, разрушенное собственное ядро этой второй синергиды всегда может быть узнано по его характерным превращениям, с которыми мы уже познакомились выше. Кроме того, ядро второй Т
100 разрушенной синергиды всегда лежит вполне симметрично по отношению к ядру первой синергиды. Ядро яйцеклетки достигает покоящегося состояния, когда ядро первичной клетки эндосперма, опустившись в ее нижнюю часть, делится первый раз или уже приступает ко второму делению. Первые деления в эндосперме происходят во взаимно перпендикулярных направлениях, очень хорошо иллюстрируя правило Гофмейсте- ра-Сакса-Гертвига (деления в сво- бодноядерном ценоците). В это время количество пыльцевых трубок в завязи еще увеличивается: целые тяжи их идут вдоль центральной части завязи, куда обращены мик'ропиле семязачатков, в которые, как мы уже показали, эти дополнительные трубки и устремляются. Иногда они входят сразу по две, заполняют все микропиле и свободное пространство под ним. При обильном опылении все зародышевые мешки в завязи получают дополнительные пыльцевые трубки. В яйцевом аппарате неизменно видны их элементы: в одной из синергид — ядро вегетативной клетки и собственное погибающее ядро (рис. 15, справа), в другой (рис. 15, слева) — два погибающих спермия, со ставшими уже гомогенными и пикнотическими ядрами, а также ядро вегетативной клетки. Кроме того, видно собственное погибающее ядро этой синергиды. В зародышевом мешке в это время уже идет энергичное развитие эндосперма. Изучение обширного материала позволило наблюдать лишь одну картину, которую можно было с достаточной вероятностью толковать как диспермию, т. е. как оплодотворение яйцеклетки двумя спермиями. Однако судя по тому, что в данный зародышевый мешок несомненно вошла лишь одна пыльцевая трубка, она должна была содержать удвоенное число спермиев в результате добавочного деления. Возможно, что дис- 15. Фрагмент семязачатка с верхней частью зародышевого мешка, в который вошли две пыльцевые трубки (яйцеклетка изображена не полностью); в микропиле видны многочисленные пыльцевые трубки. Подробнее см. в тексте, я — яйцеклетка; cl, с2 — синергиды; яс\, яс2 — ядра синергид; явк\, явк2 — ядра вегетативных клеток; сп — спермин. Фельген с подкраской лихтгрюном. Двойное оплодотворение 101 пермия и произошла здесь благодаря одновременному вхождению удвоенного числа спермиев. Пыльцевые трубки, в большом количестве растущие в завязи, проникают во все встречающиеся им полости. Вероятно, для их роста совершенно не нужны нормально развитые зародышевые мешки. Они могут входить и в полости семязачатков, где не произошло развития зародышевых мешков, а имеются лишь неорганизованные протопласты. В полостях таких аномальных зародышевых мешков пыльцевые трубки могут расти довольно хорошо, по- видимому находя там для себя подходящие физиологические условия (рис. 16). В нормальный зародышевый мешок может входить и больше пыльцевых трубок. На рис. 17,А видна картина вхождения трех пыльцевых трубок; однако, несмотря на большое число внесенных ими элементов, последние и в этой сложной картине распознаются без всякого труда: в ОДНОЙ синергиде (рис. 17,А, Рис. 16. Пыльцевые трубки с погибающим ч содержимым в аномальном (не справа) видны два элемента, в дифференцированном на клетки) которых мы сразу узнаем ее соб- зародышевом мешке через 48 ч ственное погибающее ядро и пик- после опыления. Генцианвиолет. нотическое ядро вегетативной клетки; в другой синергиде видны два спермия, теряющие свою структуру, пикнотическое ядро вегетативной клетки и ее собственное погибающее ядро; наконец, видна еще одна (третья), не лопнувшая пыльцевая трубка (с левого края зародышевого мешка) с ее форменными элементами — двумя спермиями, еще сохранившими свою структуру, и ядром вегетативной клетки (лежит позади спермиев и уже лизирует). Эта третья пыльцевая трубка вошла в зародышевый мешок между его стенкой и одной из синергид. Яйцеклетка оплодотворена, в ее ядре видны два ядрышка, в эндосперме идет второе деление ядер (рис. 17,Б). Необходимо отметить, что ядра спермиев очень скоро гибнут, если остаются неиспользованными в пыльцевой трубке или в ее содержимом, излившемся в зародышевый мешок. К этой же среде добавляется и
102 содержимое разрушенной синергиды с ее погибающим ядром и гибнущим ядром вегетативной клетки. Однако если ядра дополнительных спермиев вносятся в цитоплазму центральной клетки или яйцеклетки, что изредка имеет место, то они, хотя и не принимают участия в оплодотворении (в слиянии с половыми ядрами), но остаются некоторое время вполне жизнеспособными. Это иллюстрирует рис. 18, где в зародышевый мешок вошли, по-видимому, три пыльцевые трубки, причем та из них, которая прошла мимо синергид (слева от яйцевого аппарата), внесла ядра спермиев глубоко в цитоплазму центральной клетки. Оба ядра спермиев продолжают сохранять более или менее жизнеспособный вид, в то время как все элементы, внесенные второй пыльцевой трубкой Рис. 17. Нижняя (А) и верхняя (Б) части зародышевого мешка к моменту второго деления в эндосперме. В зародышевый мешок вошли три пыльцевые трубки. Подробнее см. в тексте, з — зигота; с\, с2 — синергиды; яс\, яс2 — ядра синергид; явк\, явк2, явкз — ядра трех вегетативных клеток; сп2, спЗ — спермин двух пыльцевых трубок; птЗ — третья пыльцевая трубка; а — антиподы. Фельген с подкраской лихтгрюном. Двойное оплодотворение 103 Рис. 18. Зародышевый мешок (через 48 ч после опыления), в который вошли пыльцевые трубки (обе синергиды разрушены); спермин из третьей пыльцевой трубки (слева от яйцевого аппарата) проникли глубже в зародышевый мешок (показаны спермин при большом увеличении), восьмиядерный эндосперм. Подробнее см. в тексте, з — зигота; с\, с2 — синергиды; яс\, яс2 — разрушенные ядра синергид; явк\, явк2, явкЗ — ядра вегетативных клеток трех пыльцевых трубок; сп2, спЗ — спермин второй и третьей пыльцевых трубок; птЗ — третья пыльцевая трубка. Фельген с подкраской лихтгрюном. и оставшиеся лежать в районе яйцевого аппарата, превращаются в сильно пикнотические, лизирующие тела. В эндоспермальном ценоците этого зародышевого мешка уже прошло три деления. На основании ряда подобных картин может быть сделан вывод, что содержимое пыльцевой трубки вскоре после своего излияния в зародышевый мешок становится такой средой, которая начинает оказывать на задержавшиеся в ней ядра разрушающее действие. Подобные факты проливают дополнительный свет и на важное мор- фофункциональное значение того участка (щель), который находится между оплодотворяемыми женскими клетками. Эта щель, отграничивая яйцевой аппарат от центральной клетки, входит как неотъемлемый элемент, в структуру любого зародышевого мешка. Специального внимания заслуживает еще один пример, так как он подчеркивает функциональное значение синергид в акте оплодотворения. Мы имеем в виду случай, когда в обе синергиды вошло по пыльцевой
104 трубке, причем синергиды, как и их ядра, остались неразрушенными (рис. 19). Спермин, оставшись внутри неразрушенных синергид, продолжали сохранять жизнеспособную структуру, и лишь ядра вегетативных клеток обнаруживали признаки лизиса, начало которого однако можно наблюдать уже в пыльцевых трубках до их вхождения в зародышевый мешок. На рис. 19 видно, что содержимое пыльцевых трубок здесь не вышло из синергид в промежуток между двумя оплодотворяемыми женскими клетками и последние остались неоплодотворен- ными, несмотря на то, что после опыления прошло уже 96 ч, а в зародыше- •••"'' вый мешок вошли две Рис. 19. Верхняя часть зародышевого мешка че- пыльцевые трубки С через 96 ч после опыления. В зародышевый тырЬМЯ СПерМИЯМИ. В уце- мешок вошли две пыльцевые трубки. Жен- левШИХ СИНергидах хорошо ские клетки остались неоплод отворенными. Подробнее см. в тексте, я - яйцеклетка; ВИДеН нитчатый аппарат и я я — ядро яйцеклетки; яцк — ядро цент- потоки густого содержимо- ральной клетки; с\, с2— синергиды; го Пыльцевых трубок, КО- яс1,яс2 — ядра синергид; явк\, явкг — яд- торое в виде каплеобразно- ра вегетативных клеток; сп\ сп2 — спер- г „„„ „„ _._ - — го вещества особенно заметно по их периферии. На основании этой редкой картины можно предположить, что обе пыльцевые трубки вошли здесь в синергиды строго одновременно и что обычное разрушение одной из синергид при вхождении одной пыльцевой трубки связано с нарушением гидростатического равновесия в системе зародышевого мешка, главным образом в его симметричном яйцевом аппарате. Впрочем, возможно и другое предположение, а именно, что одновременное вхождение двух пыльцевых трубок в зародышевый мешок ослабляет напор содержимого каждой из них и делает невозможным их разрушение и выход из них оплодотворяющих элементов. Во всяком случае мужские элементы, задержанные синергидой, лишены возможности функционировать. .u.^.v/n, i-iii, i-»z — спермин из двух пыльцевых трубок. Фельген с подкраской лихтгрюном. Двойное оплодотворение 105 Рис. 20. Фрагмент семязачатка с оплодотворенным зародышевым мешком к моменту подготовки третьего деления в эндосперме. В микропиле пыльцевые трубки с лизирующимися спермиями. Подробнее см. в тексте, з — зигота; я з — ядро зиготы; с\, с2 — синергиды; я с\, я С2 — ядра синергид; я в к\ — ядро вегетативной клетки; я э — ядра эндосперма; а — антиподы. Фельген с подкраской лихтгрюном.
106 Семя Пыльцевые трубки входят в зародышевый мешок лишь до определенного времени; к моменту слияния половых ядер начинается быстрое разрастание семязачатков, и клетки нуцеллуса при этом очень плотно смыкаются, так что пыльцевые трубки уже не могут пройти в микропиле, оставаясь у его входа, лизируют там вместе со всем своим содержимым. В зародышевом мешке осталась целой одна из синергид; в нее, казалось бы, могла войти еще одна пыльцевая трубка, элементы которой лежат между клетками внутреннего интегумента в микропиле; однако этого не произошло, так как очевидно, что клетки нуцеллуса к моменту подхода этой трубки уже сомкнулись (рис. 20). Пыльцевые трубки, в таком изобилии проходящие около тканей завязи и семязачатков, никогда не проникают в их клетки, а спермин, содержащиеся в них, постепенно подвергаются распаду. Можно полагать, что излившееся содержимое пыльцевых трубок вначале отдает какие-то вещества, которые побуждают к развитию женские клетки, в первую очередь центральную клетку, начинающую развиваться в эндосперм. Однако развитие оплодотворенной специализированной яйцеклетки и подготовка ее к делению несколько задерживается, так как она должна еще пройти сложный процесс дедиффе- ренциации (Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958; Батыгина, 1987). Оплодотворение у Scilla протекает по премитотическому типу, сходно с изученными в этом отношении сложноцветными и злаковыми, с той только разницей, что процесс в первом случае идет значительно медленнее. Из факта наличия обоих типов оплодотворения (пре- и постмитотического) в пределах одной систематической группы можно заключить, что причину различного протекания процесса надо искать в состоянии половых элементов при их встрече в зародышевом мешке. Главное своеобразие процесса оплодотворения в данном аспекте состоит в том, что мужские и женские половые клетки проходят путь своего развития независимо и раздельно, в резко различных условиях, поэтому, когда они встречаются в общей системе, то их взаимодействие у различных организмов протекает по-разному, и следовательно, нет ничего неожиданного в существовании различных типов оплодотворения в пределах родственных групп. Подобного рода различия в слиянии ядер половых клеток вполне естественны, поскольку разные организмы обладают своими особенностями митотического цикла, в свою очередь способного видоизменяться под влиянием среды. Не исключена возможность, что резкие различия в ходе слияния половых ядер у Scilla (премитотический тип оплодотворения) и Lilium (постмитотический тип оплодотворения) связаны с тем, что: Scilla — ранневесенний эфемероид, a Lilium — цветущее летом растение, обладающее длинным вегетационным периодом. Плющ (1992) рассматривает различные типы оплодотворения у покрытосеменных, установленные Герасимовой-Навашиной (1947а-д), не что иное, как морфологическое выражение (на световом уровне) различий в скорости абсолютно полного Двойное оплодотворение 107 i объединения ядер (по всей поверхности их контакта) (см. Типы двойного оплодотворения в свете данных электронной микроскопии). Однако механизмы различного типа объединения половых ядер у разных видов цветковых еще остаются загадкой. Данные по процессу оплодотворения у Scilla sibirica еще раз проиллюстрировали, что лилейные являются классическим объектом, так как позволяют получить полную картину не только двойного оплодотворения, но и всех сопутствующих ему процессов. Лилейные можно рекомендовать для исследований процесса оплодотворения и на ультраструктурном уровне. Батыгина, 1987; Бянещ, 1992; Гваладзе, 1973, 1976, 1983; Гваладзе, Ахалкаци, 1986; Герасимова- Навашина, 1947а-д; 1951а, б, 1954а, б, 1955, 1956, 1957, 1980, 1990; Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958; Герасимова-Навашина, Коробова, 1959; Навашин, 1898, 1910; Плющ, 1992; Финн, 1931; Шамров, 1990; Bhandari, Anuradha Mai, 1989; Bhandari, Sachdeva, 1983; Gerassimova-Navashina, 1958, 1982; Guignard, 1882, 1899a, 6; Hoare, 1934; McKenney, 1898; Nawaschin, 1909; Schniewind-Thies, 1901; Treub, Mellink, 1880. ПРОГАМНАЯ ФАЗА ОПЛОДОТВОРЕНИЯ ПРОВОДНИКОВЫЙ ТРАКТ ПЕСТИКА — совокупность структурных элементов гинецея, обеспечивающих его взаимодействие с мужским гаметофитом в прогамной фазе оплодотворения, включает все ткани пестика (рыльца, столбика и завязи), с которыми контактируют пыльцевые зерна и растущие пыльцевые трубки. Синоним: проводниковая ткань. Термин широко используется в зарубежной эмбриологической литературе — transmitting tract (Heslop-Harrison, 1982; Randal, 1982; Shivanna et al., 1982), в отечественной — реже. Специализация отдельных частей проводникового тракта может быть выражена в разной степени. Как правило, большая его часть представлена проводниковой тканью (Esau, 1977). В рыльце и в завязи проводниковая ткань зачастую отсутствует. Структурная организация воспринимающей поверхности рылец. Рыльце — часть пестика, воспринимающая пыльцу. Функционально воспринимающая поверхность рыльца должна обладать несколькими особенностями: улавливать пыльцу, обеспечивать ее гидратацию и прилипание, способствовать направленному росту в столбик пыльцевых трубок. Рыльце выполняет функцию узнавания, обеспечивая межвидовую и межродовую несовместимость, а также самонесовместимость (см. Самонесовместимость: структурно-функциональные аспекты). Структурные особенности, в частности, толщина кутикулы рыльца могут быть детерминантои автофертильности в родах, где отсутствует самонесовместимость (Lord, Heslop-Harrison, 1984).
108 Семя Большое разнообразие в строении рылец и различия в их секреторной активности, отмеченные морфологами растений еще в прошлом веке (Knuth, 1898, цит. по Y. Heslop-Harrison, Shivanna, 1977), с успехом используются в целях систематики (Heslop-Harrison, 1981). На основании характеристики рылец растений, принадлежащих более чем к 1000 видам из 900 родов и 250 семейств было выделено несколько типов их строения (Heslop-Harrison Y., Shivanna, 1977). Наиболее важным в функциональном отношении является деление рылец на две большие группы — сухие и влажные — в зависимости от типа секреторной активности их воспринимающей поверхности. Влажные рыльца к моменту восприятия пыльцы образуют на своей поверхности секрет или секреторную слизь. Количество секрета обусловлено механизмом его синтеза и может быть различным даже в пределах одного семейства. Так, в сем. Fabaceae у видов рода Vigna секрет очень обильный, а у Crotalaria juncea он представлен отдельными каплями, расположенными между сосочками рыльца (Ghosh, Shivanna, 1982). Секрет рыльца может быть настолько обилен, что стекает по столбику, как это наблюдается у Crinum defixum (Ama-ryllidaceae) (Shivanna, Sastri, 1981). Основным компонентом секреторной слизи у большой группы растений {Fabaceae, Solanaceae и др.) являются ли- пиды. Они синтезируются в сильно развитом ЭР клеток рыльца и в виде капель выталкиваются из протопластов. Аккумуляция липидов происходит в межклеточных пространствах, а после разрыва кутикулы рыльца они сливаются в виде секрета, покрывая поверхность рыльца. Межклеточные пространства, содержащие секрет, могут увеличиваться, сливаться между собой, образуя подобие секреторных полостей, как это происходит, например, у некоторых бобовых (Ghosh, Shivanna, 1982; Вишнякова, 1986). Обязательным компонентом секрета рыльца являются белки, хотя количество их может быть весьма незначительным. Преимущественное содержание липидов и небольшое количество воды обусловливают липофильный характер секрета рыльца.' Другой группе растений (например, представителям сем. Liliaceae) присущ гидрофильный слизеобразный секрет рыльца. Основными его компонентами являются белки и полисахариды, а липиды присутствуют лишь в виде немногочисленных капель. В клетках таких рылец более развит аппарат Гольджи (Knox, 1984). Независимо от количества белков в секрете всегда обнаруживается эстеразная активность, возрастающая по мере созревания рыльца (Ghosh, Shivanna, 1982). Ее наличие связывают с началом восприимчивости рыльца (Mattsson et al., 1974). В секрете рыльца выявляются также некоторые аминокислоты (Lord, Webster, 1979). Вязкость секрету придают сахара и мукополисахариды. Полагают, что функция секреторной слизи рыльца состоит в защите его от высыхания (в связи с этим ее называют иногда «жидкой кутикулой»), в улавливании пыльцевых зерен и закреплении их на рыльце и в создании условий для прорастания пыльцевой трубки (Линскенс, 1978). Секрет рыльца утилизируется пыльцевыми трубка- Двойное оплодотворение 109 ми для биосинтеза пектиновых веществ оболочки трубки (Kroh, Helsper, 1974). Возможно, он является аттрактантом для насекомых- опылителей у тех видов, цветки которых не имеют нектарников (Kenrik, Knox, 1981). Участие компонентов секрета рыльца в реакции узнавания пыльцы пока не выявлено. Сухие рыльца лишены слизистого покрытия. Их воспринимающая поверхность представлена клетками-папиллами и покрыта тонкой гид- ратированной пленкой — пелликулой, образующей непрерывный слой над кутикулой рыльца (Mattsson et al., 1974; Heslop-Harrison, 1975). Примером рыльца сухого типа является рыльце злаков, состоящее из множества волосков, в свою очередь составленных из многочисленных одноклеточных папилл. Сухие рыльца присущи также представителям семейств Asteraceae, Brassicaceae, Iridaceae. Структура кутикулы папилл сухих рылец весьма разнообразна. У крестоцветных, например, она образована радиально расположенными столбиками с промежутками между ними. Эта структура позволяет воде проходить в пелликулу из протопласта сосочка рыльца при условии его тургорного состояния. При увядании сосочка кутикулярные столбики сближаются, доступ воды к пелликуле прекращается. У некоторых представителей сем. Iridaceae строение кутикулы более сложное, она имеет камерную структуру (Heslop-Harrison et al., 1975). Однако известны виды, у которых кутикула рыльца является непрерывной. При этом физиологически важные рыльцевые материалы, имеющие субкутикулярную локализацию, извлекаются на поверхность рыльца при взаимодействии с ним пыльцевого зерна путем типичной для растений кутикулярной транспирации, как, например, у Gladiolus gandavensis (Iridaceae) (Randal, 1982). Пелликуле сухих рылец отводят важную роль в гидратировании пыльцевых зерен и в активации кутиназ или кутиназных предшественников пыльцевых трубок (Heslop-Harrison Y., 1977; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1975). Несмотря на очень незначительную толщину (в сем. Роасеае, например, 10-20 nm), она имеет сложный белковый состав. Так, у Secale cereale (Роасеае) в пелликуле найдено 24 белковых компонента (Knox et al., 1975). У Pinnesetum glaucum их около 30, причем три из них обнаруживают эстеразную активность, четыре идентифицированы как гликопротеиды (Heslop-Harrison J., 1982). У представителей рода Gladiolus (Iridaceae) в пелликуле рыльца установлено 3 эстеразных изофермента и 3 гликопротеида среди 17 поверхностных белков (Knox et al., 1976). В ней также продемонстрировано наличие антигенов, связанных с экспрессией аллелей гена 5 (самонесовместимости) у представителей рода Brassica (Nasrallah, Wallace, 1967; Nasrallah et al., 1972; Heslop-Harrison J., 1975). Это обстоятельство и целый ряд других экспериментальных данных указывают на ведущую роль пелликулы в узнавании пыльцы при самонесовместимости. Формирование пелликулы начинается еще в бутоне. Белки синтезируются в кортикальном слое цитоплазмы сосочка и отсюда диффунди-
110 Семя руют наружу через пектоцеллюлозную часть оболочки и промежутки между кутикулярными столбиками, формируя пелликулу (Heslop- Harrison J. et al., 1975). Аналогичным образом в зрелом цветке в пелликулу поступают S-специфичные антигены. Структурная организация проводникового тракта в столбике. Столбик — часть пестика, приподнимающаяся над завязью. По существу это продолжение верхней части плодолистика (Esau, 1977). Анатомическое разнообразие столбиков сводится к трем группам: открытые (полые), закрытые (сплошные) и полузакрытые (Knox, 1984). Это деление является отражением эволюции плодолистика. Открытые (полые) столбики представляют собой результат неполного срастания кондупликатного стилодия (Тахтаджян, 1964), в результате чего в центре столбика имеется канал, выстланный специализированными клетками, по происхождению являющимися адаксиальным эпидермисом плодолистика. Эти клетки называются канальцевыми, или стигматоидными и, как правило, имеют ярко выраженную секреторную природу. Зачастую обращенные в полость канала стенки канальцевых клеток, в контакте с которыми растут пыльцевые трубки, имеют многочисленные выросты оболочки внутрь клеток, так называемый «лабиринт оболочки» — структуру, характерную для передаточных клеток (Васильев, 1970; Dashek et al., 1971; Вишнякова, 1986; Kronestedt, Walles, 1986). Строение стигматоидных клеток может быть различным даже у представителей одного и того же семейства. Например, в сем. Fabaceae наряду с лабиринтом оболочки внутренняя стенка канальцевых клеток к моменту опыления может иметь и другие особенности. В частности, у Vigna unguiculata она просто утолщена, у V. radiata — желатинизирована, а у рода Crotalaria она отсутствует вообще (Ghosh, Shivanna, 1982). На Strelitziea reginae (Strelitziaceae) показано, что канальцевые клетки соединены между собой и с подлежащими клетками плазмодесмами (Kronestedt, Walles, 1986). Канальцевые клетки могут иметь сосочкообразную природу и выстилать полость канала в виде бахромы. Если канал продолжается непосредственно в рыльце, как это отмечено для Nelumbo nucifera (Nelumbonaceae) (Батыгина и др., 1983) и ряда представителей сем. Liliaceae, они являются продолжением папиллятных клеток рыльца. Папиллятная природа канальцевых клеток может наблюдаться и в столбиках полузакрытого типа, имеющих между рыльцем и каналом фрагмент проводниковой ткани, как это описано для Trifolium pratense (Fabaceae) (Heslop-Harrison Y., Heslop-Harrison J., 1982; Вишнякова, 1991). Следует отметить, что канал столбика заполнен секреторной жидкостью, химический состав которой пока слабо изучен. Закрытые столбики лишены канала и имеют один или несколько тяжей проводниковой ткани, погруженных в основную ткань столбика или связанных с проводящими пучками. Проводниковая ткань закрытых столбиков у разных таксонов имеет отличительные особенности. Она может быть представлена тесно упакованными толстостенными Двойное оплодотворение 111 клетками, слоистые оболочки которых богаты пектиновыми веществами, при этом растущая пыльцевая трубка проходит по одному из этих слоев, как, например, у Gossypium hirsutum (Malvaceae) (Jensen, Fisher, 1969). Наиболее типичной является проводниковая ткань, клетки которой окружены обильным межклеточным слизистым веществом пектиновой природы, в котором и растут пыльцевые трубки. Это вещество образуется в результате нарушения первоначального контакта между клетками при растворении срединной пластинки. Кроме пектинов в межклеточном материале присутствуют низкомолекулярные углеводы, различные ферменты, встречаются липиды (Knox et al., 1986). В столбиках большинства однодольных растений преимущественным компонентом межклеточного матрикса являются арабиногалактаны и ара- биногалактановые белки (Knox, 1984). Однако у представителей сем. Роасеае проводниковая ткань лишена обильного межклеточного матрикса и ее клетки плотно прилегают друг к другу. Пыльцевые трубки растут в межклеточных пространствах, раздвигая клетки проводниковой ткани (Батыгина, 1974, 1989; Vishnyakova, Willemse, 1994). Отличительными особенностями клеток проводниковой ткани закрытых столбиков являются их вытянутая форма и наличие плазмодесм. В молодых пестиках плазмодесмы существуют как в радиальных, так и тангентальных стенках этих клеток (Knox, 1984). По мере развития цветка и утрачивания контактов между клетками в силу создания межклеточного матрикса, плазмодесмы остаются только в тангентальных стенках клеток проводниковой ткани.. Их наличие говорит о продольной коммуникации между клетками, создающей возможность для прохождения сигналов опыления. До сих пор открытым остается вопрос о возможности передачи сигналов опыления через проводниковую ткань столбика в ткани плаценты и семязачатка (Knox, 1984). Показанное на Triticum aestivum наличие плазмодесм между клетками проводниковой ткани столбика и эпидермиса завязи (Vishnyakova, Willemse, 1994) позволяет предположить, что такая возможность существует. Клетки проводниковой ткани столбика обычно являются высоко метаболически активными. Они содержат много митохондрий и профилей ЭР, полисомы и амилопласты (Jensen, Fisher, 1969; Bell, Hicks, 1976; Kenrick, Knox, 1981; Vishnyakova, Willemse, 1994), множество дикти- осом и везикул, а также ломасомы (Cresti et al., 1976). Межклеточный матрикс представляет собой продукт синтетической активности этих клеток. Полузакрытые столбики сочетают наличие проводниковой ткани и канала, что, по-видимому, отражает степень срастания плодолистика. Например, у ряда представителей сем. Fabaceae в верхней части столбик закрытый и пыльцевые трубки растут в межклеточном матриксе, в то время как в нижней части столбика они растут в хорошо выраженном щелевидном канале. У Malus domestica (Rosaceae), напротив, канал находится в верхней части столбика, сужаясь книзу и переходя в тяж проводниковой ткани (Вишнякова, 1987). Эти факты, а также
112 Семя данные о сходстве биохимического состава канальцевой жидкости и межклеточного матрикса сплошных столбиков (Labarca et al., 1970) свидетельствуют о том, что функциональное различие между двумя типами столбиков не велико. В столбиках ряда растений, например, Prunus avium (Rosaceae), Nicotiana alata, Lycopersicon peruvianum (Solanaceae) выявлены гли- копротеиды, связанные с экспрессией аллелей гена самонесовместимости 5 (Raff et al., 1981; Май et al., 1982; Hoggart, Clarke, 1984). По мере роста пыльцевых трубок в столбике происходит утилизация ими веществ проводниковой ткани, что доказано электронно- микроскопическими, цитохимическими и авторадиографическими исследованиями (Loewus, Labarca, 1973; Kroh, Helsper, 1974, Vishnyakova, Willemse, 1994). В пестиках после опыления уменьшается количество запасных углеводов и липидов. Путь прохождения пыльцевой трубки в проводниковой ткани очень часто отмечен изменениями структуры клеток, в контакте с которыми она прошла (Батыгина и др,. 1961). Зачастую эти клетки некротизируются. У ржи, например, прохождение одной трубки через волосок рыльца вызывает некроз всех прилежащих клеток (Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1981). Картина исчезновения крахмала из клеток проводниковой ткани при прохождении пыльцевой трубки общеизвестна. Свободные сахара, образующиеся при гидролизе крахмала, необходимы для биосинтеза оболочки пыльцевой трубки и ее дыхания. Структурная организация проводникового тракта в завязи. Путь пыльцевых трубок в завязи чрезвычайно разнообразен и зависит от структуры и организации тканей завязи и семязачатка. У многих видов пыльцевые трубки после выхода из проводниковой ткани столбика растут в полости завязи. Очень часто их путь проходит по поверхности специализированной структуры — обтуратора (производного эпидермиса завязи или семязачатка, находящегося рядом с микропиле семязачатка (см. Обтуратор, Т. 1). Тонкая структура клеток этой ткани независимо от характера ее происхождения свидетельствует об их секреторной и передаточной функции (Tilton, Horner, 1980). В клетках обтуратора Prunus persica (Rosaceae) отмечено большое количество крахмала, который исчезает по мере прохождения по нему пыльцевых трубок (Herrero, Arbeloa, 1989). В сем. Fabaceae париетальный обтуратор по существу является продолжением стигматоидной ткани столбика и его клетки имеют морфологию, сходную с канальцевыми клетками, как это показано, например, для Medicago sativa (Вишнякова, 1986). После оплодотворения клетки обтуратора облитерируют и разрушаются. В оболочках дегенерирующих клеток обтуратора отмечены каллоз- ные отложения (например, у Prunus persica — Herrero, Arbeloa, 1989;. В одногнездной завязи у представителей сем. Роасеае пыльцевые трубки после выхода из проводниковой ткани столбика входят в по- Двойное оплодотворение 113 лость завязи, где растут в пространстве, ограниченном внутренним эпидермисом стенки завязи и наружным интегументом. Как свидетельствуют электронографии, эта полость заполнена мелкофибриллярным осмиофильным веществом (Vishnyakova, Willemse, 1994). В многогнездных завязях путь пыльцевых трубок к семязачаткам проходит по тяжам специализированной ткани. В случае двугнездной завязи, например в сем. Brassicaceae, трубки растут сначала в тканях септы, центральная часть которой по существу является продолжением проводниковой ткани столбика, затем проникают через ее кутикулу и по фуникулярному обтуратору достигают микропиле семязачатка (Hill, Lord, 1987). Рис. 1-4. Батыгина, 1974, 1987; Батыгина и др., 1961, 1983; Васильев, 1970; Вишнякова, 1986, 1991; Линскенс, 1978; Тахтаджян, 1964; Bell, Hicks, 1976; Cresti et al., 1976; Esau, 1977; Dashek et al., 1971; Ghosh, Shivanna, 1982; Herrero, Arbeloa, 1989; Heslop-Harrison J., 1975, 1982; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1975, 1981; Heslop-Harrison J. et al., 1975; Heslop-Harrison Y., 1977, 1981; Heslop-Harrison Y., Heslop-Harrison J., 1982; Heslop-Harrison Y., Shivanna, 1977; Hill, Lord, 1987; Hoggart, Clarke, 1984; Jensen, Fisher, 1969; Kenrick, Knox, 1981; Knox, 1984; Knox et al., 1976; Knox et al., 1986; Kroh, Helsper, 1974; Kronestedt, Walles, 1986; Labarca et al., 1970; Loewus, Labarca, 1973; Lord, Heslop-Harrison, 1984; Lord, Webster, 1979; Mattsson et al., 1974; Mau et al., 1982; Nasrallah, Wallace, 1967; Nasrallah et al., 1972; Peterson et al., 1979; Raff et al., 1981; Randal, 1984; Satina, 1944; Shivanna, Sastri, 1981; Shivanna et al., 1982; Tilton, Horner, 1980; Vishnyakova, Willemse, 1994; Willemse, Franssen-Verheijen, 1986. САМОНЕСОВМЕСТИМОСТЬ: СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ САМОНЕСОВМЕСТИМОСТЬ — неспособность обоеполого цветка с функциональными мужскими и женскими гаметами образовывать семя после самоопыления. Различают две группы самонесовместимых видов: гомоморфные (все цветки самонесовместимой популяции идентичны) и гетероморфные (цветки в самонесовместимой популяции различаются по морфологии). Большинство гетероморфных видов характеризуется гетеростилией (ди- и тристилией),1 а также различиями в морфологии тычинок (Linum, Primula, Polygonum, Fagopyrum). У ряда видов отмечен коррелятивный диморфизм пыльцевых зерен и сосочков рыльца. В частности, у представителей сем. Plumbaginaceae наблюдается структурный диморфизм оболочек папилл рыльца, формы и размеров папилл, а также диморфизм структуры экзины пыльцевых зерен. У дистильных Наличие в цветках одного вида столбиков разной длины. g—828
114 Семя Схематическое изображение морфологического проявления двух типов ге нетического контроля самонесовместимости (по Cornish et ah, 1988). СПОРОФИТНАЯ САМОНЕСОВМЕСТИМОСТЬ S,S2 S,S2 S.S2 S,S2 S,S2 S,S2 Si S2 Si S2 Si S2 <y? Si S2 <r> Si Sa c> S3 S4 ГАМЕТОФИТНАЯ САМОНЕСОВМЕСТИМОСТЬ Si S2 C'7 Si S2 <TV> S] S2 О Si S2 Si S3 S3 S4 Двойное оплодотворение 115 видов рода Linum также наблюдаются различия в структуре и скульптуре экзины. Завязывание семян при гетероморфной самонесовместимости возможно только при переопылении растений разных морфологических типов (Vuilleumier, 1967; Dulberger, 1974, 1975; Nettancourt, 1977). Основным фактором, определяющим самонесовместимость, является ген (локус) S (East, Mangelsdorf, 1925). У некоторых растений, в частности в сем. Роасеае, контроль признака осуществляется двумя генами — S и Z (Hayman, 1956; Lundqvist, 1956). Известны примеры трех- и четырехгенного контроля (Lundqvist, 1975; Osterbye, 1975). В популяциях самонесовместимых растений ген S представлен серией множественных аллелей. Реакция самонесовместимости заключается в узнавании и отторжении пестиком пыльцевых зерен и пыльцевых трубок, содержащих аналогичный аллель локуса S. По времени действия генов и месту локализации их продуктов различают два типа гомоморфной самонесовместимости: гаметофит- ную (East, Mangelsdorf, 1925) и спорофитную (Hughes, Babcock, 1950). При гаметофитном контроле самонесовместимости реакция пыльцы зависит только от ее собственного генотипа, в то время как спорофитная самонесовместимость определяется диплоидным генотипом спорофита. Функционально это обусловлено тем, что в первом случае продукты гена самонесовместимости синтезируются после мейоза — в протопласте микроспоры, во втором — поступают в пыльцевое зерно из материнских тканей спорофита. О механизме спорофитного контроля до сих пор* нет единого мнения. Дискутируются возможность как домейотической экспрессии гена S в цитоплазме микроспороцитов (Pandey, 1960, 1970), так и его постмей- отической экспрессии в клетках тапетума, откуда вещества самонесовместимости поступают в пыльцевое зерно при дезинтеграции та- петальной ткани (Heslop-Harrison, 1968, 1978). Вполне возможно и компромиссное заключение о синтезе продуктов гена S в мейоцитах и в тапетуме одновременно (Pandey, 1979). Генетический контроль гетероморфной самонесовместимости — спо- рофитный, диаллельный (Nettancourt, 1977). Структурные основы действия генов гетероморфной несовместимости изучены недостаточно. Все остальное изложение касается только гомоморфных видов. В пыльцевом зерне продукты генов самонесовместимости локализуются в спородерме. При гаметофитном типе контроля они поступают из протопласта микроспоры в интину, позднее переходя в создаваемую ею оболочку пыльцевой трубки, а при спорофитной самонесовместимости локализуются в экзине (Heslop-Harrison et al., 1973; Knox et al., 1975). Молекулярные детерминанты спорофитной самонесовместимости обнаружены и в трифине пыльцевых зерен у представителей рода Brassica (Dickinson, 1990). Изучение возможных путей поступления продуктов генов самонесовместимости в спородерму на ультра- я*
116 Семя структурном уровне явилось предметом специального обсуждения (Heslop-Harrisson, 1978; 1983; Вишнякова, 1989, 1994). Продуктами генов самонесовместимости являются гликопротеиды. Иммунохимическими тестами установлено, что местом их локализации в пестике при спорофитном контроле самонесовместимости являются оболочки эпидермальных клеток рыльца (Kandasamy et al., 1989). В случае гаметофитной самонесовместимости (например, у Nicotiana alata) S -специфические гликопротеиды выявляются как компонент межклеточного матрикса проводниковой ткани столбика и эпидермиса плаценты (Cornish et al., 1987). То есть место их локализации точно совпадает с путем, по которому растут пыльцевые трубки. Сложнее обстоит дело с доказательством экспрессии гена S в пыльнике. Незначительный ее уровень и кратковременность удалось выявить в постмейотический период в тапетуме Brassica. После дезинтеграции тапетума экспрессия уже не наблюдалась (Nasrallah et al., 1991). Существует целый ряд устойчивых корреляций между типом генетического контроля, числом клеток пыльцевого зерна, морфологическими особенностями рыльца и столбика и местом осуществления реакции самонесовместимости. Для видов со спорофитной самонесовместимостью характерны трех- клеточные пыльцевые зерна, покрытые трифиной, сухие рыльца и закрытые столбики. Реакция у них осуществляется рано — на рыльце (Dickinson, 1990). Воспринимающая поверхность сухих рылец покрыта пелликулой (Mattsson et al., 1974). Именно в ней и локализуются реагенты самонесовместимости (Kandasamy et al., 1989). Видам с гаме- тофитным контролем свойственны двуклеточные пыльцевые зерна, покрытые полленкитом, влажные рыльца и открытые столбики. Реакция самонесовместимости у них осуществляется позже в столбике или завязи. Следует подчеркнуть, что, согласно терминологии, которой мы придерживаемся, полленкит — это гомогенная липидная фракция, а три- фина — более сложная гетерогенная смесь липидов с остатками цитоплазмы тапетума, откладывающимися на поверхности пыльцевых зерен на конечных стадиях развития пыльника (Dickinson, Lewis, 1973). Полленкит называют простым пыльцевым покрытием, трифину — сложным (Dickinson, 1990). У видов с отклонениями от указанных корреляций почти всегда отмечают более сложный, чем моногенный или промежуточный (гамето- фитно-спорофитный) контроль самонесовместимости. Например, в сем. Роасеае, представители которого имеют дигенный гаметофитный контроль самонесовместимости, структурно-функциональные характеристики реакции соответствуют спорофитному типу. Классическим примером сочетания признаков реакции двух типов является Theobroma cacao (Соре, 1962; Pandey, 1960). Иногда реакция гаметофитной самонесовместимости не имеет четкой локализации. Элиминация мужских гаме- тофитов может осуществляться в процессе всей прогамной фазы. По- Двойное оплодотворение 117 видимому, это также является отражением сложной генетической природы самонесовместимости, которую предполагают у некоторых представителей сем. Fabaceae, в частности, Medicago saliva (Казачковская и др., 1991). Существуют представления о «поздно действующей» самонесовместимости, выражающейся в гибели зиготы или проэмбрио. Экспериментальным материалом для таких представлений послужили, в частности, некоторые представители сем. Liliaceae и упомянутый вид Medicago saliva (Cooper, Brink, 1940; Seawey, Bawa, 1986). Однако строгих генетических доказательств постгамного проявления самонесовместимости нет, и, как показано для Medicago saliva, гибель зародышей после самоопыления не является проявлением самонесовместимости (Казачковская и др., 1991). От характера локализации продуктов гена S в пыльцевом зерне и в пестике зависят время и место осуществления реакции, морфологическое проявление которой лучше всего наблюдать при помощи люминесцентного микроскопа. На основании визуальных наблюдений можно выделить следующие стадии взаимодействия мужских гамето- фитов с пестиком: прилипание пыльцы к рыльцу, ее гидратация, прорастание пыльцевого зерна, проникновение пыльцевой трубки в ткани рыльца, рост в проводниковом тракте пестика. Разнообразие морфологического проявления реакции самонесовместимости, наблюдаемое у разных видов, заключается в том, что она может осуществляться на любом из этих этапов. При этом каждый S-генотип имеет вполне конкретные время и\ место ингибирования взаимодействия пыльцы и пыльцевых трубок с пестиком. Это позволяет говорить о видо- и сортоспецифичности морфологического проявления реакции самонесовместимости. Раннее проявление спорофитной самонесовместимости обусловлено взаимодействием веществ трифины и (или) экзины с пелликулой рыльца и может проявляться в отсутствии прилипания пыльцы к рыльцу, отсутствии прорастания пыльцевых зерен, ингибировании роста появившейся пыльцевой трубки после контакта с поверхностью рыльца или сразу после проникновения через пелликулу и кутикулу. При гаметофитной самонесовместимости реакция происходит позднее — после взаимодействия веществ интины с рыльцем или, что происходит гораздо чаще, после экспонирования реагентов самонесовместимости пыльцевой трубкой и реагирования их с веществами проводникового тракта пестиков. Принципиальное отличие в характере лркализации реагентов самонесовместимости в проводниковом тракте у видов с гаметофитным контролем — по ходу роста пыльцевых трубок, а не на поверхности рыльца, как в пестиках видов со спорофитной самонесовместимостью, — и обусловливает сравнительно длительный «диалог» мужского гаметофита с пестиком. Торможение роста пыльцевых трубок может осуществляться в разных районах столбика и даже в завязи.
118 Семя Многие виды цветковых растений являются частично самонесовместимыми. Морфологически это выражается в том, что в определенном числе пестиков изучаемой выборки единичные пыльцевые трубки преодолевают район массового ингибирования, проникают в завязь и производят оплодотворение части семязачатков. Реакция самонесовместимого ингибирования пыльцевых трубок сопровождается разнообразными морфологическими аномалиями: изви- ванием, штопорообразным закручиванием, набуханием и ветвлением их кончиков, усиленным отложением каллозы. Ультраструктурными исследованиями в таких трубках выявлены некроз цитоплазмы, нарушение биосинтеза оболочки пыльцевой трубки, выражающееся, в частности, в скоплениях углеводно-белкового материала — предшественников веществ оболочки в кончике трубки (Nettancourt et al., 1973; Pacini, 1981). Одной из основных особенностей структуры самонесовместимых пыльцевых трубок являются концентрическая агрегация профилей гранулярного ЭР, что может свидетельствовать о блокировании белкового синтеза (Nettancourt et al., 1974; Cresti et al., 1979). В случаях быстрого проявления реакции самонесовместимости — уже на рыльце — пыльцевое зерно и появившаяся пыльцевая трубка зачастую заполняются каллозои, как это наблюдается при спорофитной самонесовместимости у Helianthus annuus и при гаметофитной — у Hordeum bulbosum. Зачастую верхушка пыльцевой трубки лопается при достижении зоны блокирования. Типичным проявлением самонесовместимого взаимодействия пыльцевых трубок с пестиком является замедление их роста. Морфологическим проявлением реакции самонесовместимости со стороны пестика иногда считают появление каллозных отложений в сосочках рыльца, контактирующих с самонесовместимыми пыльцевыми зернами при спорофитном контроле самонесовместимости (Heslop- Harrison J. et al., 1973; Dumas, Knox, 1983). Однако этот «биотест» на самонесовместимость должен приниматься с определенной долей критичности, поскольку показано, что подобные каллозные отложения возникают в папиллах рыльца и при нанесении на них спорогенных клеток и даже кусочков тканей вегетативных органов этого же растения (Sood et al., 1982). Молекулярные исследования самонесовместимости выявили, что продуктами генов самонесовместимости являются гликопротеиды. На представителях рода Brassica показано, что S-ген, имеет сложную природу и связан с другими компонентами генотипа. S-аллель специфичность определяется, по меньшей мере, двумя генами, выделенными из одного гомозиготного генотипа: SLG (S-locus glycoproteid) и SRK (Receptor protein kinase). Полагают, что эти гены определяют межклеточные взаимодействия в различных тканях, которые, по-видимому, основаны на действии общего класса связанных рецепторов протеинки- наз. Оба гена SLG и SRK имеют 94% сходства на уровне ДНК и Двойное оплодотворение 119 90% — на уровне аминокислотной последовательности белка и сегрегируют вместе (Nasrallah et al., 1991). Однако S-аллель специфичность у крестоцветных не ограничивается экспрессией только этих двух генов. 12 разнообразных областей в геноме имеют гомологию с локусом S. Две из них: SLR-1 и SLR-2 (S-locus related) находятся за его пределами. Они имеют 65 /о гомологии с SLG на уровне аминокислотной последовательности в белке, сходную структуру и так же, как и SLG, экспрессируются в оболочках клеток рыльца. Эти гены очень консервативны и у разных S-аллелей имеют 99% гомологии на уровне аминокислот и высокий уровень сходства у разных видов. Все это, а также экспрессия их у самосовместимых видов дает основание полагать, что они играют определенную роль в процессе опыления (Nasrallah et al., 1991). Гаметофитная самонесовместимость широко распространена в природе и присуща представителям большинства семейств, в частности: Caprifoliaceae, Chenopodiaceae, Commellinaceae, Fabaceae, Liliaceae, Poaceae, Ranunculaceae, Rosaceae, Rubiaceae, Scrophulariaceae, Sola- naceae и др. Спорофитная самонесовместимость найдена пока только в шести семействах: Asteraceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Corylaceae, Sterculiaceae, Ulmaceae (Charlesworth D., Charlesworth В., 1979). В пределах одного семейства никогда не отмечали оба типа гомоморфной самонесовместимости. Однолокусная гаметофитная самонесовместимость считается примитивной и изначальной по отношению к спорофитной (Pandey, 1962; Crowe, 1964). Морфологическое проявление реакции свидетельствует о том, что эволюция структурных механизмов обеспечения самонесовместимости направлена на более раннее взаимное узнавание и, соответственно, более раннее прерывание взаимодействия мужского гаметофита с пестиком. Это обусловлено выносом реагирующих агентов в более поверхностные районы пестика и пыльцевого зерна. Эволюцию пестиков, происходившую путем срастания плодолистиков (Тахтаджян, 1964), можно рассматривать как постепенное отдаление реагентов узнавания от женского гаметофита путем переноса их в ткани спорофита. Вершиной этого процесса явилось сосредоточение реагентов самонесовместимости в рыльце, а именно, в его специализированной структуре — пелликуле, которая приобрела компетенцию узнавания. В пыльцевом зерне наиболее совершенным механизмом раннего узнавания пестиком является локализация этих реагентов в трифине. И в том, и в другом случаях самонесовместимость определяется спорофитом. При гаметофитном контроле самонесовместимости реакция является результатом взаимодействия веществ мужского гаметофита со спорофитными тканями пестика. Однако в случаях позднего осуществления реакции — в завязи и, возможно, в за-, родышевом мешке — нельзя исключить вовлечение в нее и самого женского гаметофита. Известно, что узнавание на уровне гаметофитов происходит у Pteridophyta и Gymnos-permae, а у древних цветковых оно осуществлялось даже на уровне гамет (Crowe, 1964). Следовательно,
проявление реакции гаметофитного типа в завязи и в зародышевом мешке можно рассматривать как исходное, что является аргументом в пользу примитивности данного типа. Рис. 5. Вишнякова, 1989, 1994; Казачковская и др., 1992; Тахтаджян, 1964; Charlesworth D., Charlesworth В., 1979; Cooper, Brink, 1940; Соре, 1962; Cornish et al., 1987, 1988; Cresti et al., 1979; Crowe, 1964; Dickinson, 1990; Dickinson, Lewis, 1973; Dulberger, 1974, 1975; Dumas, Knox, 1983; East, Mangelsdorf, 1925; Hayman, 1956; Heslop-Harrison, 1968, 1978, 1983; Heslop-Harrison J. et al., 1973; Hughes, Babcock, 1950; Kandasamy et al., 1989; Knox et al., 1975; Lewis, 1954; Lundqvist, 1956, 1975; Mattsson et al., 1974; Nasrallah et al., 1991; Nettancourt, 1977; Nettancourt et al., 1973; Osterby, 1975; Pacini, 1981; Pandey, 1960, 1962, 1970, 1979; Seawey, Bawa, 1986; Sood et al., 1982; Vuilleumier, 1967. ПЫЛЬЦЕВАЯ ТРУБКА — специализированная структура мужского гаметофита, обеспечивающая доставку спермиев в зародышевый мешок для дальнейшего осуществления двойного оплодотворения. Ее образование впервые наблюдал Amici (1823) при исследовании прорастания пыльцевого зерна Portulaca deracea. По своему происхождению пыльцевая трубка представляет собой трубкообразный вырост вегетативной клетки пыльцевого зерна. Характерной особенностью пыльцевой трубки является ритмичный рост ее кончика в сторону завязи и зародышевого мешка. У большинства растений за зоной роста формируются каллозные пробки. Взаимодействие пыльцевых зерен с тканями пестика и формирование пыльцевых трубок происходит в ходе прогамной фазы оплодотворения, включающей в себя попадание пыльцы на поверхность рыльца, ее адгезию, гидратацию и прорастание, а также рост пыльцевой трубки в тканях столбика и завязи и ее проникновение в зародышевый мешок. Функционирование пыльцевых трубок обеспечивается специфическими механизмами, выработанными в процессе коэволюции мужского гаметофита со спорофитом (см. Образование и рост пыльцевой трубки). Пыльцевая трубка растет либо по поверхности канала столбика, во многих случаях выстланного специализированной проводниковой тканью, либо (в столбиках закрытого типа) по межклетникам проводниковой (а иногда — неспециализированной) ткани. В клейстогамных цветках пыльцевые зерна прорастают внутри пыльцевого гнезда, откуда пыльцевые трубки переходят в тесно прилегающее к пыльнику рыльце и далее растут по столбику нормальным путем (см. Проводниковый тракт пестика). Характернейшей особенностью пыльцевой трубки является наличие внутри ее протопласта клеток-спермиев. Они выходят в пыльцевую трубку из трехклеточного пыльцевого зерна вместе с цитоплазмой вегетативной клетки (Apocynaceae, Cyperaceae, Menyanthaceae, Poaceae, Valerianaceae). У растений с двуклеточными пыльцевыми зернами в пыльцевую трубку выходит генеративная клетка и уже там делится с Двойное оплодотворение 121 i образованием двух спермиев (Chloranthaceae, Fagaceae, Papaveraceae, Ranunculaceae, Liliaceae). Спермин или генеративная клетка, выйдя из пыльцевого зерна, проходят по всей длине пыльцевой трубки почти до ее кончика, и это положение сохраняется в дальнейшем. Большинству растений свойственна порогамия (см. Порогамия), когда пыльцевая трубка подходит к нуцеллусу через микропиле. Реже встречается апорогамия, когда внедрение пыльцевой трубки в нуцеллус семязачатка происходит в районе халазы (см. Халазогамия) или сбоку, между халазой и микропиле (мезогамия). Во всех случаях в зародышевый мешок пыльцевая трубка входит в районе яйцевого аппарата. Рис. 6. Коробова, 1977, 1979; Amici, 1823; Heslop-Harrison, 1979, 1987; Knox, 1984. ОБРАЗОВАНИЕ И РОСТ ПЫЛЬЦЕВОЙ ТРУБКИ Прорастание пыльцевых зерен и рост пыльцевых трубок проходит в два этапа. На первом этапе, в ходе гидратации, проходящей главным образом благодаря поступлению воды из тканей рыльца, осуществляется реактивация пыльцевых зерен. У многих видов растений движение воды регулирует экзина (Heslop-Harrison, 1971). Интина во время прорастания пыльцевого зерна выполняет три функции: внешний (пектиновый) слой регулирует открывание апертур; средний (целлюлозный) слой участвует в транспорте белков на поверхность рыльца при гидратации пыльцы; внутренний слой, содержащий глюканы и пектины, является предшественником оболочки пыльцевой трубки (Stanley, Linskens, 1974; Heslop-Harrison, 1979). Во время второго этапа роста (взаимодействие пыльцевой трубки и рыльца) происходит восприятие пыльцевых трубок либо их отторжение, при этом существенную роль играют белки, в том числе различные ферменты (Цингер, Петровская-Баранова, 1961; Heslop- Harrison, 1979, 1987; Knox, 1984). Белки имеют различное происхождение: спорофитное в экзине (из тапетума) и гаметофитное в интине (из микроспор или клеток мужского гаметофита). Секреция белков пыльцевой трубкой обусловлена спецификой каждой стадии ее роста, начиная с проникновения в рыльце и до разрушения кутикулы внутренней стенки завязи, а, возможно, и при прохождении через нуцеллус и вхождении в синергиду (Heslop-Harrison, 1987). Например, у видов с сухим рыльцем внедрение кончика пыльцевой трубки требует энзиматического разрушения кутикулы, осуществляемого кутиназой (Linskens, Heinen, 1962). В апексах пыльцевых трубок, растущих in vitro, цитохимически выявлены различные гидролазы, включая эстеразы и фосфатазы, а также энзимы, гидроли- зующие пектин (Heslop-Harrison, 1987). Трехклеточные пыльцевые
122 Семя зерна могут прорасти в течение 1 мин, при этом высокий уровень интенсивности дыхания наблюдается сразу после гидратации. Для двуклеточных пыльцевых зерен характерна тенденция к медленному подъему скорости дыхания, ее максимум ниже, чем у трехклеточных пыльцевых зерен (Hoekstra, Bruinsma, 1975), а прорастание может осуществляться в течение 1 ч. При прорастании пыльцевого зерна наблюдается активность диктиосом в области будущего кончика пыльцевой трубки, которая находится по соседству с областью, обогащенной митохондриями. Лишь с этого момента начинается этап интенсивного роста пыльцевой трубки (Dashek, Rosen, 1966). На искусственной среде пыльцевые трубки проявляют два типа роста: 1) более или менее регулярные вытягивания кончика пыльцевой трубки и 2) нерегулярные изменения направления роста (медленные или резкие повороты). Рост пыльцевых трубок на совместимом рыльце и в тканях столбика строго ориентирован и проходит либо по хорошо выраженному каналу, содержащему секрет из окружающих клеток и обеспечивающему среду для растущих пыльцевых трубок, либо по межклеточному пространству между рядами плотно прилегающих друг к другу вытянутых клеток (при этом пыльцевые трубки контактируют с продуктами секреции столбика). Путь пыльцевых трубок в завязи ограничивается рядами секреторных поверхностных клеток, располагающихся на внутренней стенке завязи или плаценты. Скорость роста пыльцевых трубок достигает 1,5 мкм/сек (Shivanna et al., 1978). В регуляции роста пыльцевых трубок принимают участие геномы как мужского гаметофита, так и женского спорофита (Stanley, Linskens, 1974; Knox, 1984; Heslop-Harrison, 1987). Механизмы этой регуляции полностью не выявлены. Гипотетически возможны два типа регуляции: 1) пыльцевая трубка находит свой путь, ориентируясь на сигналы, поступающие от ряда мишеней, 2) строгая направленность роста пыльцевых трубок обеспечивается окружающими условиями. Первый тип включает хемотропную регуляцию, второй — контроль, обусловленный структурными особенностями пути. Возможно, пыльцевые трубки находят свой путь, реагируя на оба типа контроля одновременно или раздельно в разных частях пестика (Heslop-Harrison, 1987). Рост пыльцевых трубок происходит под действием трех групп факторов: 1) скорость поступления воды и, следовательно, давление, производимое на плазмалемму изнутри (на эти факторы влияет осмотический баланс между содержимым клетки и средой); 2) физическое воздействие на клеточную оболочку; 3) скорость синтеза веществ — предшественников оболочки, а также их превращений, транспорта и внедрения в плазмалемму пыльцевой трубки (Heslop-Harrison, 1987). Наиболее существенным фактором, регулирующим процесс роста, является продвижение воды в вегетативную клетку пыльцевой трубки, что Двойное оплодотворение 123 обеспечивается различными структурными особенностями пыльцевого зерна и поверхности рыльца. Растущая пыльцевая трубка сохраняет характерную зональность, теряя ее только тогда, когда рост по какой-либо причине прекращается. Выделяют четыре зоны: апикальную, субапикальную, ядерную и зону вакуолизации (Dashek, Rosen, 1966: Cresti et al., 1977; Miki-Hirosige, Nakamura, 1982). Растяжение пыльцевой трубки приурочено к апикальной зоне кончика, субклеточная организация которого характеризуется наличием секреторных везикул, встраивающихся в клеточную оболочку. Субапикальная зона пыльцевой трубки содержит секреторные везикулы и различные органеллы (митохондрии, аппарат Гольджи, ЭР), ядерная зона — ядро вегетативной клетки и спермин. В зоне вакуолизации и формирования каллозных пробок происходит отделение проксимальных участков пыльцевой трубки, что обеспечивает высокий метаболический потенциал в первых трех зонах. Следовательно, пыльцевая трубка растет за счет растяжения в области кончика, где и происходит максимальный синтез новых материалов для построения оболочки, состоящей из трех слоев: внешнего пектинового, среднего целлюлозного и внутреннего каллозного (Stanley, Linskens, 1974; Heslop-Harrison, 1979). Основную роль при этом играют везикулы — предшественники стенки, формирующиеся в диктиосомах, локализованных в близкой к апексу зоне, либо из липидных и углеводных запасов пыльцевого зерна без посредничества аппарата Гольджи (Heslop-Harrison, 1979, 1987; Miki-Hirosige, Nakamura, 1982). В пыльцевых трубках злаковых выявлены полисахаридные частицы, содержащие продукты активности диктиосом (Heslop-Harrison, 1987). Движение растворимых метаболитов в субапикальную область и последующий транспорт предшественников компонентов оболочки в апикальную зону роста зависит от характера движения цитоплазмы (Iwanami, 1959). Значительную роль в регуляции устойчивости пектиновых микрофибрилл кончика пыльцевой трубки играет кальций благодаря его способности связывать карбоксильные группы пектинов (Jaffe et al., 1975). Установлена связь содержания кальция с зональностью расположения цитоплазматических везикул, мембран и органелл, однако точное значение этих корреляций пока не ясно. Движение цитоплазмы в пыльцевой трубке происходит в двух направлениях — базипетальном и акропетальном (Литвак, 1971). Полагают, что. движение гамет в пыльцевой трубке происходит либо с помощью пассивного перемещения их током цитоплазмы (Strasburger, 1884; Koernicke, 1903; Навашин и др., 1959; Навашин, 1968), либо благодаря их способности к самостоятельному активному движению (Кострюкова, Чернояров, 1938; Кострюкова, 1951, 1968; Steffen, 1953; Кострюкова, Бенецкая, 1958; Полунина, Свешников, 1959; Полунина, 1961; Литвак, Колесников, 1965; Литвак, 1971; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1989). Согласно Коробовой (1977, 1979), движение генеративной
124 Семя клетки или спермиев в пыльцевой трубке можно рассматривать как частный случай взаимодействия клеточного ядра с цитоплазмой. Это представление основывается на том, что пыльцевая трубка с находящимися в ней гаметами («гамоцит» — Герасимова-Навашина, 1951) представляет собой разросшуюся вегетативную клетку пыльцевого зерна, а генеративная клетка или спермин, находящиеся внутри протопласта вегетативной клетки, ведут себя подобно ядрам (см. Движение ядра и клеток в развивающемся пыльцевом зерне, Т. 1). В пользу этого представления свидетельствует тот факт, что истинное ядро гамоцита — ядро вегетативной клетки — ведет себя аналогично генеративной клетке и спермиям, т. е. все время находится рядом с ними. Ядро любой клетки на каждом этапе развития занимает строго определенное положение. Место, где располагается в данный момент ядро, Герасимова-Навашина (1954) назвала «динамическим центром» клетки, понимая под ним место равновесия всех сил, влияющих на ядро. В пыльцевой трубке ядро вегетативной клетки и ведущие себя сходным образом спермин или генеративная клетка также локализуются в «динамическом центре». Объем и местоположение гамоцита по мере роста пыльцевой трубки и периодического отсечения ее верхушки каллозными пробками все время изменяются, также меняет свое местоположение его «динамический центр» и, соответственно, изменяется локализация вегетативного ядра и спермиев, т. е. движение спермиев в пыльцевой трубке связано с локализацией их в «динамическом центре» гамоцита, в свою очередь неуклонно смещающемся по мере роста пыльцевой трубки. Согласно Heslop- Harrison J., Heslop-Harrison Y. (1989), спермин в пыльцевой трубке движутся самостоятельно вдоль элементов актино-миозиновой системы в цитоплазме пыльцевой трубки. Во время роста пыльцевой трубки расположение спермиев относительно ядра вегетативной клетки не постоянно (Cresti et al., 1990). Каждый спермий окружен своей плазмалеммой и плазмалеммой вегетативной клетки. Спермин локализованы в цитоплазме вегетативной клетки, связаны друг с другом, а один из них и с ядром вегетативной клетки (Rougier et al., 1991; Yu, Russell, 1994) (см. Мужская оплодотворяющая система; Спермий, Т. 1). Движение органелл и гамет в пыльцевой трубке связано с функцией цитоскелета (микротрубочек и микрофиламентов) (Franke et al., 1972; Heslop-Harrison, 1987; Heslop-Harrison et al., 1988; Pierson et al., 1989). В цитоплазме вегетативной клетки обнаружено присутствие миозина и кинезина (Moscatelli et al., 1988). Цитоскелет генеративной клетки формируется микротрубочками (Tiezzi et al., 1988). Рис. 6. Батыгина, 1962а, 1974; Герасимова-Навашина, 1951а,б, 1954; Коробова, 1977, 1979; Костркжова, 1951,1968; Кострюкова, Бенецкая, 1958; Кострюкова, Чернояров, 1938; Литвак, 1971; Литвак, Колесников, 1965; Навашин, 1968; Навашин и др., 1959; Полунина, 1961; Полунина, Свешников, 1959;Романов, 1966, 1970; Цингер, Петровская-Баранова, 1961; Cresti et al., 1987, 1990; Dashek, Rosen, 1966; Franke Двойное оплодотворение 125 et al., 1972; Heslop-Harrison, 1971, 1979, 1987; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1989a, b, c, d; Heslop-Harrison et al., 1988; Hoekstra, Bruinsma, 1975; Iwanami, 1959; Jaffe et al., 1975; Koernicke, 1903; Knox, 1984; Linskens, Heinen, 1962; Miki-Hirosige, Nakamura, 1982; Moscatelli et al., 1988; Pierson et al., 1989; Rougier et al., 1991; Shivanna et al., 1978; Stanley, Linskens, 1974; Steffen, 1953; Tiezzi et al., 1988; Yu, Russell, 1994a, b, с GENERATIVE CELL DIVISION AND SPERM CELL FORMATION ДЕЛЕНИЕ ГЕНЕРАТИВНОЙ КЛЕТКИ И ФОРМИРОВАНИЕ СПЕРМИЕВ Sexual plant reproduction comprises an alternation of diploid sporophytic and haploid gametophytic generations. The plant male gametophyte develops in the anthers following a meiotic division of the pollen mother cell and subsequent mitotic division (Mascarenhas, 1993). In higher plants the mature gametophyte is limited to a vegetative cell enclosing a generative cell (bicel- lular pollen) or two sperms (tricellular pollen). At anthesis the anthers open and mature pollen are transported by different vectors (insects, wind, water, etc.) and deposited on the stigmatic surface (Konar, Linskens, 1966). After pollination pollen germinate on the stigma and pollen tubes grow through stigma and stylar transmitting tissue towards the egg cell. It is interesting to point out that the pollen tube was discovered by an Italian scientist Amici in 1823 (see Battaglia, 1987b). The pollen tube growth is extremely fast, crossing a considerable distance from several mm (e. g. Vitis vinifera, Olea europea, etc.) up to 50 cm (e. g. Zea mays). In the category of bicellular pollen, during pollen tube growth a second mitosis of the generative cell occurs and finally two sperms are formed (Goldberg et al., 1993). The pollen and pollen tubes are considered as vectors carrying the sperm cells into the ovule and for such reason the pollen tube growth is one of the key steps contributing to fertilization process of seed plants. Recently an unbelievable amount of researches on the biochemistry, morphology, physiology and molecular biology of pollen and pollen tube growth has been done (Stanley, Linskens, 1974; Heslop-Harrison, 1987; Pierson, Cresti, 1992; Derksen et al., 1995; Ylstra, 1995). Pollen tubes have a specific cell shape and growth pattern (tip or polar growth). The elongation of the pollen tube occurs at their tip by the fusion of vesicles with the plasma membrane. The secretory vesicles secreted by Golgi apparatus are transfered to the apex by a fountain-like cytoplasmic streaming mediated by cytoskeleton motor proteins (Cai et al., in press). There is a specific mechanism that regulates a constant synthesis, degradation and reorganization of cytoskeletal elements in order to maintain the delivery of the vesicles to. the tip and the tube elongation (Derksen et al., 1995). Generative cell division and sperm cell formation. In the last few years thanks to the introduction of new methods such as immunolabelling, freeze fixation and substitution, and devices allowing the three-dimensional recon-
126 Семя struction of serial images, new insight has been gained into the morphology and physiology of the generative cell and sperm cells in angiosperms (for reviews sec: Russell et al., 1990a; Chaboud, Perez, 1992; Mogensen, 1992; Palcvitz, Tiezzi, 1992; Pierson, Cresti, 1992; Russell, 1992). One of the more encouraging findings is the discovery of dimorphism of the paired sperm cells1 in a certain number of species including Plumbago zeylanica (Russell, 1984), Spinacia oleracea (Wilms, 1986), Brassica campestris and B. oleracea (Dumas et al, 1985; Mc Conchie et al., 1985, 1987b), Zea mays (McConchie et al., 1987a; Rusche, Mogensen, 1988), Euphorbia dulcis (Murgai, Wilms, 1988), Rhododendrum macgregoriae (Taylor et al., 1989), Cagea lutea (Zhang et al., 1995). The dimorphism of the sperm cells have been related to preferential involvement in double fertilization and the possibility of selective transmission of the male cytoplasmic organelles to the next generation (see Mogensen, 1992; Russell, 1992; Zhang et al., 1995). One particular case showing a striking sperm cell dimorphism is reported in Cagea lutea (Zhang et al., 1995) where the division of generative cell, in addition to the asymmetrical division, is connected to the organization of the microtubular apparatus. In Gagea the exceptional abundance of microtubules in the proximal part of the generative cell at the beginning of cell division are connected with the translocation of the generative nucleus towards the leading end of the cell. In Gagea lutea the generative cell is extremely large and the generative nucleus is located in the distal part of the tube. The microtubular organization of generative cell consists of fine bundles of intermingled microtubules distributed in the entire cytoplasm. At the late prophase the microtubules are in spindle-like shape and the chromosomes become longitudinally aligned relative to the tube axis. At the metaphase stage, about 3 to 4 hours after sowing, the microtubular spindle became shorter and discontinuous at the site of the metaphase plate. Generally the axis of the spindle are parallel to the axis of the pollen tubes. At the anaphase stage numerous bundles of microtubules interconnected the separating chromosomes. Telophase is characterized by the disappearance of the spindle and the presence of prominent bundles of microtubules between the two daughter nuclei. The end of the generative cell division occur 8 h. after sowing. The cytokinesis was associated with the formation of phragmoplast and with the formation of two unequal sperm cells: a smaller leading sperm cell and a larger second sperm cell with a volume of up to 2.5 times that of the leading one. See Dimorphism of sperms, V. 1; Syngamy. Двойное оплодотворение 127 The dimorphism of the two sperm cells of a pair has only been detected in a few, mainly cellular species, on the basis of slight differences in cell size, number of organelles and general morphology (see Zhang et al., 1995). The Gagea lutea dimorphism represents the first case for bicellular pollen. Fig. 7. Battaglia, 1987b; Cai et al., 1996, in press; Chaboud., Perez, 1992; Derksen et al., 1995; Dumas et al., 1985; Goldberg et al., 1993; Heslop-Harrison, 1987; Konar, Linskens, 1966; Mascarenhas, 1993; McConchie et al., 1985, 1987a, b; Mogensen, 1992; Murgai, Wilms, 1988; Palevitz, Tiezzi, 1992; Pierson, Cresti, 1992; Rusche, Mogensen, 1988; Russell, 1984, 1992; Russell et al., 1990a; Stanley, Linskens, 1974; Taylor et al., 1989; Wilms, 1986; Zhang et al., 1995; Ylstra, 1995. MALE GERM UNIT МУЖСКАЯ ОПЛОДОТВОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА Male germ unit (MGU)1 is the functional transmission unit of sexual reproduction in flowering plants formed by the sperm cells, or their precursor generative cell, in physical association with the vegetative nucleus. The MGU contains all of the hereditary DNA of the male reproductive lineage including that of the vegetative nucleus and the male germ cells (Dumas et al., 1984). Angiosperm pollens differ in their cellular condition at pollen release: the majority are bicellular, containing the generative cell at release (about 70% of angiosperms according to Brewbaker, 1967); the remainder are tricellular, containing two sperm cells at release. The male germ cells — the generative cell and its descendent sperm cells — are true cells in all respects, with the rest of the pollen grain occupied by the vegetative cell, which ultimately forms the pollen tube. The generative and sperm cells have an unique cellular relationship with the vegetative cell — they are entirely immersed within it and are enveloped within an internal vegetative cell plasma membrane, which immediately surrounds the generative and sperm cell plasma membranes. This develops through the separation of the generative cell from the inner wall of the pollen grain where it is formed and its subsequent immersion in the vegetative cell. A slim cell wall is frequently present early in generative cell development, but this diminishes during maturation and usually consists of a slim, glycosylated sheath without evident fibrils at maturity (Russell, Cass, 1981). As pollen tubes approach the ovule, each tube contains two sperm cells, which if successful will both participate in separate fusion events during double fertilization. One sperm The term was proposed by E. N. Gerassimova-Navashina (1957); description of sperm connection was given in a number of previous publications (Wylie, 1904; Shattuck, 1905) (Ed.).
I 128 Семя fuses with the egg cell resulting in the formation of the embryo and the other sperm fuses with the central cell resulting in the formation of the nutritive endosperm. Both events are required to obtain seed through sexual reproduction. MGU associations: nature and origin. Two different kinds of association are evident in the MGU: the first is the association between the vegetative nucleus and the generative cell (evident in bicellular pollen) and one of the two sperm cells (evident in tricellular pollen and late in bicellular pollen tube growth); the second is the association between the two sperm cells, which is initiated by generative cell division, and frequently present throughout descent in the pollen tube. The sperm cell association is based on: (1) the initial sharing of the sperm common wall (formed during generative cell cytokinesis), (2) the inclusion of the two sperm cells within a shared inner plasma membrane of the vegetative cell, and (3) the presence of cytoplasmic junctions between the sperm cells that is occupied variously by microtubules (Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1988), trabeculae or plasmodesmata-like connections (Russell, Cass, 1981). The association between the vegetative nucleus and the generative cell usually precedes the formation of the sperm cells. This second association is based on: (1) the nearby position between the one end of one sperm cell or the generative cell with the perinuclear cytoplasm of the vegetative nucleus, (2) a tenacious maintenance of this position during the movement of the MGU, and (3) the presence of an elongation or projection of the associated generative or sperm cell with the vegetative nucleus. Both types of associations are evident and tenacious in many flowering plant species during MGU descent in the pollen tube. Although the association of male germ cells with the vegetative nucleus is formed first, the association of the two sperm cells is better understood and will be discussed in detail first. dissociation o/ the two sperm cells. The association of the two sperm cells has its origin in the division of the generative cell. Although generative cell division has been described frequently in the last century (Maheshwari, 1950), the descriptions reported still generate controversy (Palevitz, 1993a). Most of the variability in these descriptions seems to have as its ultimate origin the space available to contain the mitotic spindle and for the cells to undergo cytokinesis. In generative cells that divide in the pollen tube (in bicellular pollen) space is usually restricted, but this is not the case in generative cells that divide in the pollen grain (in tricellular pollen). In bicellular pollen, the generative cell becomes narrow and highly elongated because of the constrained environment of the elongating pollen tube. Although the metaphase plate may be slightly inclined in the widest pollen tubes (Palevitz, 1993a), frequently the metaphase plate is highly inclined (Yu, Russell, 1993), and in the narrower ones, it may be almost vertical (Palevitz, Cresti, 1989). In bicellular pollen, generative cell cytokinesis may Двойное оплодотворение 129 occur with or without a phragmoplast. In the former case, a cell plate forms between the sperm nuclei, whereas in the latter case, the cytoplasm appears to undergo cleavage by constriction. The most recent description of the former case is in Nicotiana where cell plate formation is essentially conventional (Palevitz, 1993a). The most noteworthy point is that gaps in the forming plate are occasionally seen in the electron microscope. Although these appear to close during later cell plate accretion (Yu, Russell, 1993) they may provide a false impression that centripetal closure is occurring. Cleavage accomplished by constriction has been most recently described in Tradescantia by Palevitz and Cresti (1989). In some respects, for example the lack of a cell wall and the evident pinching of membranes to separate the cells, generative cell cytokinesis appears similar to an animal; however, it also differs from animal cell cleavage since actin is apparently absent from the generative and sperm cells (Palevitz, Liu, 1992). This is an enigmatic model for sperm cell division which will need to be further described. That this pattern of division has been reported since the early literature (see Maheshwari, 1950), its existence seems well corroborated, but ultrastructural studies have not yet been conducted. In tricellular pollen, cell division is not particularly spatially constrained, but the generative cell is frequently narrower in the center of the cell forming a dumbbell-shaped profile (Charzynska, 1988). Generative cell division consistently seems to employ a phragmoplast and cell plate formation, but the pattern of cell plate expansion seems to vary among taxa. In one type, cell plate expansion follows the normal somatic pattern of centrifugal enlargement from a centrally coalesced,region towards the edges of the cell, as reported in Hordeum, Sambucus, Secale and Triticum (Karas, Cass, 1976; Charzynska, 1988; Charzynska et al., 1988; Charzynska, Lenart, 1989; Charzynska, Lewandowska, 1990). In the second type, cell plate expansion arises from pegs at the edge of the cell, with cell wall closure occurring centripetally, as in Brassica (Charzynska et al., 1989), Galium, and Trichodiadema (Weber, 1988a). Cell plate expansion in Avena sativa (oats) appears to be either centrifugal (Charzynska, 1988) or centripetal (Weber, 1988a), suggesting both a need for further study as well as the possibility that variability of this character may extend below the species level. In species in which the sperm cells separate, Weber (1988a) has reported two patterns of separation: one in which accessory membranes seem to be laid down prior to separation (e. g., Galium) and another in which a central dense area in the pericellular space becomes a location of preferential separation (e. g., Trichodiadema and Avena). It is difficult to estimate how many sperm cells among the Angiosperms may separate completely prior to descent in the pollen tube, but evidence for the reformation of MGU associations is also available later in development prior to fertilization (Mogensen, Wagner, 1987). Association o/ the vegetative nucleus and the male germ cells. The association between the vegetative nucleus and the generative cell and its descendent sperm cells has a less obvious origin and basis. Close approaches Q—828
130 Семя between the vegetative nucleus and the young generative cell occur frequently after microspore division, but they appear to be coincidental, since many generative cells in the same anther seem to lack these associations. In Plumbago, the first evidence of generative cell separation from the intine seems to occur at the end of the cell nearest the vegetative nucleus. Only a small beak is present at this end of the cell rather than the long projection that is present later. As this beak elongates, the association seems to become more stable and more consistent. The vegetative nucleus and generative cell appear to be consistently associated from this stage onward (Russell et al., submitted). A greater frequency of nuclear pores seems to occur on the side of the vegetative nucleus nearest the generative cell in Nicotiana, as observed in freeze-fracture preparations (Wagner et al., 1990), but whether these are involved in communication with the generative cell or represent anchoring points for molecules involved in the MGU association is unclear. The localization of myosin on surface membranes of the generative cell, sperm cells and vegetative nucleus (Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1989c; Tang et al., 1989) and actin present in the vegetative cell in which they are immersed (Pierson, Cresti, 1992) may relate to the chemical basis of the MGU associations. Myosin localizations using antibodies elicited to the heads of fast skeletal muscle myosin have successfully labeled all of the elements of the MGU. Antibodies against smooth muscle myosin were not as effective, but it is still quite possible that the epitopes of certain animal and plant myosins may have diverged beyond their ability to meaningfully crossreact. According to fluorescence immunocytochemistry, the specific location of the myosin label appears to be the vegetative nuclear envelope and the inner pollen plasma membrane that ensheaths the generative cell (Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1989c). Based on localizations using squashed pollen contents, generative cell labeling was unexpectedly variable. Heslop-Harrison J. and Heslop-Harrison Y. (1989c) proposed that a significant number of generative cells remained coated by the pollen plasma membrane and that these were well labeled, whereas those that were presumably without the ensheathing layer did not label, and were perhaps without myosin. According to immunogold electron microscopy, anti-myosin antibodies label few sites in the generative cell: mainly the nucleus and internal organelles, not generative cell plasma membrane (Cresti et al., personal communication). Based on these results, it seems possible that myosin is absent from the actual surface of the male germ cells, but it is also possible that it is sparse or chemically different in crossreactivity. Preliminary results indicate that isolated sperm cells of Plumbago will glide in an energy-dependent manner on actin filaments of giant internode cells of the characean alga Nitella, although the sperm surface has not yet been successfully labeled using conventional anti-myosin antibodies (Zhang, Strout, Zhu and Russell, personal communication). This suggest/ that myosin-like activity is present on the sperm cell surface, even^ if immunolabeling has not yet been successful. Двойное оплодотворение 131 Although a mechanism for the association of the vegetative nucleus with the male germ cells is yet unclear, a number of observations seems relevant: the vegetative nucleus and male germ cell membranes label with antibodies (1) to myosin and (2) actin is present in a number of forms in the pollen cytoplasm. Potentially, myosin present on the vegetative nucleus and associated either directly or indirectly with the male germ cells could be crosslinked via short filaments of protein possessing actin-like properties. Potentially, this relationship could be tenacious enough to maintain a physical association between the elements of the MGU. This would constitute a nonmotile myosinctinyosin association, but one which could promote male germ cell passage in association with active movement on actin bundles of the pollen tube (Pierson, Cresti, 1992). Actin molecules with slow turnover rates might provide linker molecules to associate the myosinrich surfaces of these bodies. The position of the superficial myosin, in turn, may be controlled by linkers attaching to the male germ cell microtubular cytoskeleton. This model, although not proven, is not inconsistent with experimental evidence (see following section). Functional involvement of cytoskeletal elements in MGU behaviour. Evidence for a relationship between microtubules and microfilaments in the behavior of the MGU has come from experiments that alter these cytoskeletal elements both chemically or physically. In experiments to depolymerize or disrupt microtubules using colchicine, the distance between the generative cell and the vegetative nucleus typically increases by approximately one generative cell length (Heslop-Harrison et al., 1988); similar results are also reported us,ing oryzalin (Palevitz, 1993b) and during recovery from microtubule-disrupting cold treatments (Astrom et al., 1991). A separation of the vegetative nucleus from the generative cell is also evident during generative cell mitosis (Palevitz, 1993a; Yu, Russell, 1993), when cortical generative cell microtubules are specifically reorganized into a spindle. At metaphase, generative cell shape also becomes rounder, with blunter cell elongations and significant decreases in the length of cell projections evident in pollen tubes grown in vitro (Palevitz, 1993b), in vivo and semi-vivo (Yu, Russell, 1994). These observations during mitosis indicate that alterations of the MGU association are particularly sensitive to changes specifically in microtubule distribution within the generative cell. Given that the changes in generative cell microtubules affect cell shape, it is difficult to tell whether the loosening of the MGU is primarily a result of the reduction of cortical microtubules, or whether it is a secondary consequence of changes in the surface or surface area of the generative cell or because of decreases in the complementarity of the surfaces between the male germ cells and the vegetative nucleus. Cytochalasin, which disrupts actin microfilaments, does not alter associations within the MGU or change generative cell shape (Palevitz, Liu, 1992). Instead, cytochalasin appears to arrest the movement of the MGU through the pollen tube, presumably through the breakdown of cortical actin q*
132 Семя bundles in the pollen tube (Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1989b). In contrast, tube elongation and the movement of the MGU in the tube was not radically altered by the application of colchicine, which eliminated microtubules from growing pollen tubes and generative cells (Heslop-Harrison et al., 1988). Based on these results, MGU movement appears to be the result of a direct association between myosin on the vegetative nucleus surface and surrounding the male cells, while MGU associations are sensitive to alterations in cortical microtubules of the male germ cells and their resulting changes in cell shape. If actin is absent from the interior of both the generative cell and sperm cells of flowering plants as suggested by Palevitz and Liu (1992), this finding would have considerable implications in reducing the possibility of independent cell movement and decreasing the odds of cytoplasmic movement inside male germ cells. The absence of F-actin in the phragmoplast during generative cell cytokinesis is also believed to account for the seemingly fragile partition between newly formed sperm cells. MGU-based heterospermy. The MGU, since it involves association with only one of the two sperm cells clearly establishes polarity that may be associated with both shape differences and cytoplasmic organelle differences. Shape differences are common since the sperm cell associated with the vegetative nucleus (Svn) usually has an elongated projection or extension that frequently wraps around the vegetative nucleus. It is also larger in volume and surface area as a result of this characteristic and it may have a flattened region that further increases the surface area of the cell. In cases where this is also related to differences in the content of heritable organelles, such as mitochondria or plastids, the sperm cells are cytoplas- mically heterospermic. These include a significant number of species for mitochondria (Table). Plumbago (Russell, 1984) has the most extreme form of cytoplasmic heterospermy since the Svn is rich in mitochondria, whereas the sperm cell that is unassociated with the vegetative nucleus (Sua) is poorer in mitochondria and rich in plastids (Table). This polarity in Plumbago is also related to preferentiality in fertilization, since the plastid- rich Sua fuses with the egg cell in 94% of the cases examined (Russell, 1985). In plants in which there is not a clear marker for fusion, the polarity of fertilization cannot so easily be determined. Maize (Zea mays) sperm cells are the only flowering plant sperm to show nuclear heterospermy. In this plant, there is a non-disjunction of B-chromosomes in the generative cells, causing the two sperm cells to contain different numbers of B-chromosomes. The sperm cell containing more B-chromosomes is more likely to fuse with the egg cell (Roman, 1948). At the extremes of male cytoplasm are cotton, which contains plentiful cytoplasm (Jensen, Fisher, 1968), to the orchids, lacking mitochondria and plastids but containing a significant layer of cytoplasm (Cocucci, Jensen, 1969; Yu, Russell, 1992), to the umbellifers (Weber, 1988b), which appear to lack all but a thin almost film-like layer of cytoplasm. Двойное оплодотворение 133 Sperm cell motility and transport. Whether the sperm cells of flowering plants are motile has been a classical question of flowering plant embryology, with classical evidence for both possibilities (Maheshwari, 1950). Modern studies have revealed that microtubules are well developed in higher plant generative cells, but are not linked in any type of conventional motor protein configuration, as would be expected if they were capable of independent locomotion; they are usually even less well developed in sperm cells (Palevitz, Tiezzi, 1992). Also, actin is absent or not convincingly present in the male germ cells (Palevitz, Liu, 1992). Detailed examinations of patterns of movement in living pollen tubes reflect a degree of independence of movement in the elements of the MGU (one element can even pass another in the pollen tube; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1987) and even suggest amoeboid shape changes in the sperm; however, these can apparently be reconciled by actomyosin associations between the MGU and the cytoskeleton of the pollen tube (Heslop-Harrison J., Heslop- Harrison Y., 1989a; Pierson, Cresti, 1992). Isolated sperm cells provide no evidence for independent motility (e. g., Cass, 1973; Russell, Cass, 1981). Although the actomyosin model appears to answer fundamental questions regarding the movement of sperm cells inside the pollen tube, the final pathway of sperm cells deposited into the embryo sac appears to depend on direct actomyosin interactions with actin trails located between critical female cells (Huang et al., 1993; Huang, Russell, 1994; Huang, Sheridan, 1994). The sperm cells are hypothesized to migrate on the actin matrix until they reach the site of gamete fusion. There one sperm cell migrates on one actin trail and fuses with the egg cell to form the embryo and its brother sperm cell migrates on a different actin trail and fuses with the central cell to form the endosperm. Sperm cell physiology. Since the work of Shivanna et al. (1988), there has been some doubt about whether sperm cells are completely mature before the germination of the pollen grain and whether they possess any evident physiological limitations. The recent work of Zhang et al. (1993) and Matthys-Rochon et al. (1994) indicates that sperm nuclei are transcriptionally active, display electrophysiological activity and appear to be fully physiologically competent. In terms of protein and immunogenic sites, the sperm cells appear to differ from their surrounding cytoplasm (Pennell et al., 1987; Geltz, Russell, 1988), suggesting that the transcripts are expressed in sperm cells and that the cells are indeed autonomous and possess a unique physiology. Further, the isolated sperm cells can be induced to fuse with isolated egg cells in vitro (Faure et al., 1994) and the products of fusion can be used to regenerate fertile plants (Kranz, Lorz, 1993). That the sperm cells used in these experiments are isolated from newly released pollen grains indicates that sperm cells are fully functional at anthesis in these plants. In bicellular pollenproducing plants, the greater difficulty in isolating sperm cells from pollen tubes (Shivanna et al., 1988) has resulted in fewer studies. Often exacting conditions are required for
id -в e 4-1 ■Q a В л x 4) ел s 1. 0) a И в .— 60 d id d .1 СЛ =s <u и s w 0) a «Ф* e 1Я и •з acteri *■ id -Я и d s 4-1 id N о и В 1) ^ V ей V -^ О, S <в ел 1 2 8- Functi >ч ВО 0 ■я iT\ са 00 ОО Г^ ОО С^ СО Q\ т-1 0\ г^ СС &оо о оо >s on О U -в в id 0) id S S s ел id г- о а 1X1 "-. (Я (Л (Я 3 п QQQQ ел ел ел ел и "в в 01 О и с t-~ Г- on on оо со *■* -^ » оо - . On on ; ; 11 ii щ CU С -с _е >-* U U :Соп :Соп irgia, CU -Ъ- i °° щ On )OVOS isell, ON ON Cd и о з о SScdoi SSSacg^ *t—• -t—• T—« II II II в с в 1948) (Roman, + са in II в 1 ел II в 1 il II в 1 и и Г^ II II II В С В 1985) (Russell, + а 988 il et al., , 1992 « —« в « в _ я 0J > 2 з (Я >- чО On II II В В г- 00 п, 19 988 (Я Mogen et al., . - л ££ ■г- Г- II II с в « >, о 1 ~ S ' о >- a , 3 U О + С C-1/-N " и .ti Q, L- Р "О and/о ic heter rs, con somes; profiles oplasm s diffe chrome =B И» О —i Q. .. s of ndri of erar » 2 u £ ca о ^ й s-fSs. u з 00 1 >, » n ima CH - sperm ining 1ssf till . О .. Ё-в ° « СЛ ^_ ^ о s u G >. о i ииииаи -С I ё! CU ел "D CU 1 Ё « I* oj QQQQQQ ел ел ел ел ел ел и Е >> XN а о -а 111 ni са си —5 й ш « м - к. ь. 3 - —, t, саса w и aw ,4 52.3. м§ Е з :s 3 в -Q 'С Е щ и °" с о ~а <QQ< --UeAJ Е з и л ■ ся *■» _Н > -с "О Й О ев ев U I -С , ей ffl U К >- Wi II .all о , Ё.2 2 eu « .П Я « l са о - g-3-S К & ■ I ь, Q, * CO ^^ fe и о « .S o-2 §"2 й -я ^-^ -3 ч О i сд и-с-о з-S пгс а 1 0 <! 4J о 5«s i- су О со ■!-! -С ^ !' aj О Ё 00 _ a и u 'c и о б Ё~ •>-в|т! 2 ° С up!-S i fc gU^. Ё 5 ggj2 is ^ та *==ч О ей Двойное оплодотворение 135 generative cell division; therefore, in bicellular plants the maturity and physiological competence of sperm cells is still unknown (Russell, 1991; Theunis et al., 1991). MGU as a functional unit of male germ cell transmission. Evidence that the MGU is a functional unit for male reproduction includes the widespread occurrence of MGU associations that appear to facilitate the transmission of the gametes (Hu, 1990; Mogensen, 1992). Among the various plants that have been examined in detail, the majority have MGUs: 6 of 7 tricellular dicotyledons (86%), 5 of 6 bicellular dicotyledons (83%), 2 of 4 tricellular monocotyledons (50%) and 3 of 3 bicellular monocotyledons (100%) had MGUs. It seems noteworthy that among the monocotyledons, 6 of the 7 (83%) reportedly lacked an MGU at some time after reaching maturity. Among the tricellular monocotyledons,. all of the examples used were grasses. In half of them, including barley (Mogensen, Wagner, 1987), the MGU is established prior to fertilization. In corn, which may lack an MGU throughout its life cycle, heterofertilization — the fusion of the egg and central cells with sperm cells from different pollen tubes — is not uncommon (Robertson, 1984). The association between the sperm cells and the vegetative nucleus is believed to promote a rapid cotransmission of the sperm cells and to prevent heterofertilization (Russell, Cass, 1981). According to P.-H. Tang's work (presented at the International Botanical Congress in Yokohama, 1992), the vegetative nucleus may actually be actively involved in the transmission of the male germ cells since laser light-induced ablation of the vegetative nucleus is reported to arrest the movement of the MGU. The above evidence in combination with the known necessity of both sperm cells to accomplish double fertilization (Maheshwari, 1950) constitutes strong evidence for the significance of the MGU. The MGU therefore appears to represent a functional male unit of sexual reproduction in flowering plants, as proposed nearly 15 years ago (Russell, Cass, 1981). Fig. 8. Astrom et al., 1991; Brewbaker, 1967; Cass, 1973; Charzynska, 1988; Charzynska et al., 1988, 1989; Charzynska, Lenart, 1989; Charzynska, Lewandowska, 1990; Cocucci, Jensen, 1969; Dumas et al., 1984; Faure et al., 1994; Geltz, Russell, 1988; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1987, 1988, 1989a, b, c; Heslop-Harrison J. et al., 1988; Hu, 1990; Huang et al., 1993; Huang, Russell, 1994; Huang, Sheridan, 1994; Jensen, Fisher, 1968; Karas, Cass, 1976; Kranz, Lorz, 1993: Maheshwari, 1950; Matthys-Rochon et al., 1994; McConchie et al., 1987a, b; Mogensen, 1992; Mogensen, Rusche, 1985; Mogensen, Wagner, 1987; Murgia, Wilms, 1988; Palevitz, 1993a, b; Palevitz, Cresti, 1989; Palevitz, Liu, 1992; Palevitz, Tiezzi, 1992; Pennell et al., 1987; Pierson, Cresti, 1992; Proovost et al., 1988; Robertson, 1984; Roman, 1948; Rusche, 1988; Rusche, Mogensen, 1988; Russell, 1984, 1985, 1991, 1994; Russell, Cass, 1981; Russell et al., (submitted); Shivanna et al., 1988; Tang et al., 1989; Theunis et al., 1991; Wagner et al., 1990; Wagner, Mogensen, 1987; Weber, 1988a, b; Wilms, 1986; Yu, Russell, 1992, 1993, 1994; Yu et al., 1992; Zhang et al., 1993.
136 Семя ПОРОГАМИЯ (греч. poros — отверстие и gamos — брак) — проникновение пыльцевой трубки, участвующей в оплодотворении, в семязачаток через микропиле. Синоним: акрогамия. Порогамия характерна для всех голосеменных и большинства покрытосеменных растений. Несмотря на множество пыльцевых трубок, растущих в тканях рыльца и столбика, обычно лишь одна из них проникает в микропиле и доставляет к зародышевому мешку два спермия для оплодотворения яйцеклетки и центральной клетки. У Triticum, Scilla sibirica отмечено проникновение в зародышевый мешок нескольких пыльцевых трубок (Батыгина, 1974, 1987; см. также Лилейные — классический объект для изучения опыления и оплодотворения). Путь пыльцевой трубки от рыльца к зародышевому мешку проходит через систему различных структур (см. Проводниковый тракт пестика). Попадая в завязь, она продвигается вдоль плаценты и далее, делая поворот (до 90° в анатропном семязачатке), подходит к микропиле. На ее пути могут быть встречены дополнительные структуры (обтуратор, папиллы плаценты и интегументов), которые пыльцевая трубка должна преодолеть, чтобы попасть в микропиле. Пройдя микропиле, сформированное одним или двумя интегументами и имеющее определенные таксономические признаки (длину, ширину, наличие кутикулы и секреторных клеток), пыльцевая трубка входит в нуцеллус. Морфологическая характеристика микропилярной зоны нуцеллуса, принимающей пыльцевую трубку, также таксоноспецифична. Число рядов клеток нуцеллярного колпачка и париетальной ткани, отделяющих зародышевый мешок от микропиле, может быть различным (см. Мегаспорангий, Т. 1). Многослойная ткань формируется в микропилярной зоне нуцеллуса крассинуцеллятного семязачатка у представителей ряда семейств (Cucurbitaceae, Degeneriaceae, Eupoma- tiaceae, Magnoliaceae, Rutaceae, Simaroubaceae, Sonneratiaceae, Win- teraceae, и др.), в результате чего зародышевый мешок оказывается глубоко погруженным в ткани нуцеллуса. В других же семействах с тенуинуцеллятным, а в ряде случаев и крассинуцеллятным типом семязачатка, зародышевый мешок может быть отделен от микропиле только одним-двумя слоями клеток нуцеллуса либо эпидермисом нуцеллуса (Campanulaceae, Martyniaceae, Poaceae и др.). У ряда растений с тенуинуцеллятным типом семязачатка нуцеллус ко времени созревания зародышевого мешка полностью разрушается, и в этом случае клетки яйцевого аппарата располагаются непосредственно под микропиле (Icacinaceae, Orobanchaceae, Scrophullariaceae, Solanaceae, и др.) (см. «Сравнительная эмбриология цветковых растений», 1981, 1983, 1985, 1987, 1990). Эпидермис нуцеллуса обычно покрыт кутикулой. Перед вхождением пыльцевой трубки в нуцеллус кутикула, покрывающая эпидермис нуцеллуса, разрушается в отдельных участках под действием энзимов его клеток (Janson, 1992). Через один из таких участков пыльцевая труб- Двойное оплодотворение ка проникает в нуцеллус. Микропилярная зона нуцеллуса может иметь признаки секреторной ткани (Bruun, Olesen, 1989; Janson, 1992). У некоторых видов (например, Spinacia oleracea) в месте предполагаемого роста пыльцевой трубки отмечены признаки изменения в строении оболочки клеток нуцеллуса (Wilms, 1981). Нуцеллус является последней преградой перед вхождением пыльцевой трубки в зародышевый мешок. Несмотря на различия в строении тканей семязачатка, через которые проходит пыльцевая трубка, можно выделить несколько общих закономерностей ее роста. Рост пыльцевой трубки происходит по межклетникам. Пыльцевые трубки растут в направлении секреции эксудата и хемотропно-активных веществ. При недостатке эксудата пыльцевые трубки начинают изгибаться, отклоняясь от прямолинейно направленного роста, либо вообще могут прекратить рост. Эксудат используется как источник питания и, одновременно, как хемотропно- активный фактор (Тиру, 1961; Miki-Hirosige, 1964; Rosen, 1964; Linskens, 1973; Sedgley, 1976; Heslop-Harrison, Reger, 1988; Janson, 1992). В случаях неготовности яйцевого аппарата к оплодотворению или дегенерации его клеток пыльцевая трубка останавливает свой рост и не проникает в нуцеллус (Herrero, Arbeloa, 1989; Janson, 1992). Существует представление, что рост пыльцевой трубки от рыльца через микропиле к зародышевому мешку (к клеткам яйцевого аппарата) является направленным благодаря действию различных факторов: секреции хемотропно-активных веществ, морфологическим особенностям клеток и тканей, по кбторым растет пыльцевая трубка, наличию электрических и химических градиентов. Как стимуляторы, так и ингибиторы роста пыльцевой трубки, представленные хемо- тропно-активными веществами, находятся в эксудате, секретируемом клетками рыльца, столбика, плаценты и нуцеллуса. Состав эксудатов столбика и тканей плаценты биохимически различен, благодаря чему пыльцевые трубки имеют разную скорость роста в этих структурах (Mascarenhas and Machlis, 1962; Miki-Hirosige, 1964; Rosen, 1964; Welk, Millington, Rosen, 1965; Rosen, Gawlik, 1966; Linskens, 1973; Mascarenhas, 1975; Sedley, 1976; Tilton, 1980; Mulcahy G., Mulcahy D., 1986; Miki-Hirosige et al., 1987; Bruun, Olesen, 1989; Franssen- Verheijen, Willemse, 1990; Janson, 1992). Имеет ли место секреция эксудата клетками интегумента (интегументов), формирующих микропиле, пока еще не ясно. Клетки яйцевого аппарата многих цветковых обладают признаками секреторной активности (см. Синергиды, Т. 1). Хемотропно-активные вещества, продукты секрета синергид, могут также влиять на направленность роста пыльцевой трубки. В кончике пыльцевой трубки, в микропиле, на поверхности наружного интегумента и в синергидах обнаружена высокая концентрация ионов Са. Учитывая важную роль ионов Са в биологических процессах, сделано заключение об участии Са в процессах, ответ-
138 Семя ственных за рост пыльцевой трубки (Mascarenhas et al., 1962b; Jensen et al., 1983; Chaubal, Reger, 1992). У ряда растений обнаружены электрические и магнитные поля вокруг пыльцевой трубки, а также разность потенциалов между нею и тканями, по которым она растет (Linskens et al., 1973; Wiesenseel et al., 1975; Sperber, Dransfeld, 1981; Nakamura et al., 1991). Существенную роль, наряду с другими факторами, направляющими рост пыльцевой трубки, играет строение столбика (открытые и полые) и строение трихом (Wilms, 1980; Kronestedt et al., 1986; Lord, Kohron, 1986). Существует также представление о случайном росте пыльцевой трубки по свободным поверхностям и случайное нахождение ею микропиле. Однако экспериментальные данные все больше опровергают эту точку зрения. Рис. 9. Батыгина, 1974, 1987; Bruun, Olesen, 1989: Chaubal, Reger, 1992; Franssen-Verhejen, Willemse, 1990; Janson 1992; Jensen et al., 1983; Herrero, Arbeloa, 1989; Heslop- Harrison, Reger, 1988; Kornestedt et al., 1986; Linskens et al., 1973; Lord, Kohron, 1986; Mascarenhas, 1975; Mascarenhas, Machlis, 1962; Miki-Hirosige, 1964; Miki- Hirosige et al., 1987; Mulcahy G. В., Mulcahy D. L., 1986; Nakamura et al., 1991; Rosen, 1964; Rosen, Gawlik, 1966; Sedley, 1976; Sperber, Dransfeld, 1981; Tilton, 1980; Tupy, 1961; Welk et al., 1965; Wiesenseel et al., 1975; Wilms, 1980, 1981a. ХАЛАЗОГАМИЯ (греч. chalaza — узелок и gamos — брак) — проникновение пыльцевой трубки в семязачаток через интегумент (ин- тегументы) в области халазы, минуя микропиле. При этом пыльцевая трубка подходит к нуцеллусу снизу, далее растет вдоль него вверх, она может ветвиться, изменять направление роста, но входит в нуцел- лус в области микропиле. Синонимы: базигамия, апорогамия, халацога- мия.1 Халазогамия была впервые описана Treub (1891) у Casuarina sube- rosa, а позднее Навашиным (1895) у целого ряда других родов цветковых: Betula, Juglans, Corylus. В дальнейшем было продолжено изучение этого явления (Навашин, Финн, 1912; Nawaschin, Finn, 1913; Финн, 1936; Солнцева, Дгебуадзе 1974; Корчагина, 1981; Лит- вак, 1981). Согласно данным Поддубной-Арнольди (1976), халазогамия описана в семействах Casuarinaceae, Betulaceae, Juglandaceae, а также в порядках Ranales, Rosales, Rubiales, Cucurbitales и др. Рост пыльцевых трубок при халазогамии не является строго направленным, их поведение скорее сопоставимо с неориентированным ростом в тканях, в результате которого одна из множества пыльцевых трубок достигает микропилярной зоны нуцеллуса и входит в него. Между Впервые термин употреблен в работе Навашина и Финна (1912). Двойное оплодотворение 139 халазогамией и порогамией имеются переходные варианты (мезогамия), когда пыльцевая трубка проникает в семязачаток в латеральной области, между халазой и микропиле. Халазогамия в целом обнаружена у ограниченного числа видов цветковых, при этом в большинстве случаев одновременно с халазогамией отмечается и порогамия (Навашин, 1899; Литвак, 1981). Халазогамия не обнаружена у голосеменных. Халазогамия по сравнению с порогамией менее изучена. Однако отдельные морфологические особенности строения и развития семязачатка у халазогамных видов могут быть проанализированы. Базируясь на сведениях по халазогамии (см. «Сравнительная эмбриология цветковых растений», 1981), можно выделить некоторые характерные особенности этого явления. К таким особенностям можно отнести: наличие особенно мощно развитой микропилярной части нуцеллуса с нуцеллярным колпачком и париетальной тканью, смещающей зародышевый мешок вглубь нуцеллуса (Casuarinaceae, Betulaceae, Juglandaceae); наличие широкого, не сомкнутого микропиле к моменту созревания зародышевого мешка (Betulaceae) либо его отсутствие (Juglan-daceae); формирование боковых выростов зародышевым мешком, доходящих до основания семязачатка и аполярный генезис его элементов, проявляющийся в развитии антиподы (или антипод) по типу яйцеклетки (Casuarinaceae); замедленное формирование зародышевого мешка и проникновение пыльцевой трубки до завершения его развития (Betulaceae, Juglandaceae); задержка процесса оплодотворения от одной недели после опыления (Betulaceae) до 6-7 недель (Casuarinaceae); особенности функционирования кончика пыльцевой трубки, связанные с его быстрым отмиранием (Betulaceae). Весь комплекс отмеченных факторов может свидетельствовать о снижении возможного влияния хемотропно-активных веществ на рост пыльцевой трубки у халазогамных растений по сравнению с порогамными (см. Порогамия). Мнения о филогенетическом значении халазогамии противоречивы. Одни исследователи считают, что это явление характерно для эволю- ционно-продвинутых групп покрытосеменных и служит одним из признаков специализации (Тахтаджян, 1966; Биологический энциклопедический словарь, 1989). Другие считают халазогамию примитивным признаком, исходным типом прохождения пыльцевой трубки (Поддубная-Арнольди, 1976). Анализ некоторых морфологических особенностей халазогамных растений, приведенный выше, подтверждает точку зрения, что халазогамия, вероятно, является более примитивным филогенетическим признаком, чем порогамия. Рис. 9. Биологический энциклопедический словарь, 1989; Корчагина, 1981; Литвак, 1981; Навашин, 1895а; Навашин, Финн, 1912; Поддубная-Арнольди, 1976; Солнцева, Дгебуадзе, 1974; Тахтаджян, 1966; Финн, 1936; Nawaschin, Finn, 1913; Treub, 1891.
140 Семя ОПЛОДОТВОРЕНИЕ ДВОЙНОЕ ОПЛОДОТВОРЕНИЕ — процесс объединения одного спер- мия с яйцеклеткой, а второго спермия (той же пары) — с центральной клеткой зародышевого мешка (см. Сингамия; Тройное слияние). В результате двойного оплодотворения возникает диплоидный зародыш (из оплодотворенной яйцеклетки) и обычно триплоидный эндосперм (из оплодотворенной центральной клетки зародышевого мешка). Синонимы: амфимиксис, миксис. С. Г. Навашин (1898, 1951; Nawaschin, 1898), изучая процесс оплодотворения у лилейных (Lilium martagon и Fritillaria tenella), впервые установил функцию обеих мужских гамет. Он показал, что помимо хорошо известного одного оплодотворения яйцеклетки, в зародышевом мешке совершается второе оплодотворение, участниками которого являются второй спермий (его роль до тех пор была неясна) и центральная клетка с полярными ядрами или её вторичным ядром. Этот феномен и получил название «двойного оплодотворения», так как в его основе лежит половой процесс. Таким образом, оплодотворение названо двойным, поскольку ядро одного из спермиев сливается с ядром яйцеклетки, а ядро другого — с полярными ядрами или со вторичным ядром центральной клетки. Впервые термин «двойное оплодотворение» появился в работе С. Г. На- вашина «Об оплодотворении у сложноцветных и орхидных» (Изв. Имп. Акад. Наук, 1900, Т. XIII, N 3, с. 335 — 340). С тех пор он навсегда укоренился в мировой науке как определение одной из характернейших биологических особенностей покрытосеменных растений, хотя в последние годы установлен у отдельных представителей голосеменных (см. Феномен двойного оплодотворения; Сингамия; Тройное слияние). Навашин, 1898, 1900, 1951; Nawaschin, 1898. ТИПЫ ДВОЙНОГО ОПЛОДОТВОРЕНИЯ1 Протекание цикла развития спермиев при оплодотворении зависит от условий их образования и от той обстановки, которую они встречают в женских клетках. В связи с этим можно выделить два основных типа (двойного оплодотворения) оплодотворения: премитотический и постмитотическии, в зависимости от того, когда наступает объединение Текст печатается из работ Е. Н. Герасимовой-Навашиной (1957, 1971а) с изменениями. Двойное оплодотворение 141 ТИПЫ ДВОЙНОГО ОПЛОДОТВОРЕНИЯ (Gerassimova-Navashina, 1960; Герасимова-Навашина, 1971а) ПРЕМИТОТИЧЕСКИЙ Морской еж и др. Оплодотворение зрелого яйца Сложноцветные, сцилла, злаки, фукус и др. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ПОСТМИТОТИЧЕСКИИ Лилия, фритиллярия, сосна и др. Аскарида и др. Оплодотворение незрелого яйца
142 Семя половых ядер — перед митозом ядра зиготы, как только ядро спермия придет в контакт с женским ядром, как у сложноцветных, злаков, папоротников, мхов, многих водорослей (у животных он соответствует так называемому «типу морского ежа»), или же лишь после наступления митоза в ядре зиготы, как у большинства лилейных и у голосеменных (т. н. «тип аскариды» у животных). Существование двух типов оплодотворения вытекает из общей цитологической закономерности, заключающейся в том, что ядра в покоящемся состоянии не сливаются из-за наличия у них оболочки. Слияние ядер может произойти только после растворения оболочки, вызываемого либо вступлением в деление (при постмитотическом типе), либо наличием у ядра спермия более раннего состояния незаконченного деления, еще несовместимого с существованием оболочки и поэтому вызывающего растворение последней в месте контакта с женскими ядрами немедленно по соприкосновении (премитотический тип). Несомненно, что растворение оболочки женского ядра в месте соприкосновения с ядром спермия должно быть той же природы, что и в процессе митоза, где растворение ядерной оболочки должно осуществляться под влиянием хромосом, находящихся в соответствующем состоянии. Хромосомы спермия при премитотическом типе приходят в контакт с женской ядерной оболочкой, пока они еще не потеряли способности растворять ее и потому как бы непосредственно «заглатываются» женским ядром. При постмитотическом типе, когда ядро спермия достигает более поздней стадии развития, совместимой с существованием оболочки, растворение таковой женского ядра откладывается до момента, когда половые ядра вступят в митоз — профазу ядра зиготы. Промежуточная форма оплодотворения, встречающаяся у ряда объектов (например, у бальзамина — Steffen, 1951), а также у тетраплоидных форм растений (Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958), исходным дип- лоидам которых свойствен премитотический тип (например, Crepis), представляет интерес с точки зрения проверки данной выше интерпретации. При этой форме оплодотворения процесс идет медленнее, чем при премитотическом типе, но быстрее, чем при постмитотическом, поэтому ядро спермия, придя в контакт с женским ядром, успевает частично слиться с ним (растворить его оболочку), но на наружной своей стороне уже выделяет собственную оболочку. Этот процесс может доходить у тетраплоидов даже до полного перехода в постмито- тический тип, т. е. ядро спермия под влиянием женской клетки впадает в митотический покой. Сходное же положение мы имеем и при замедлении погружения, вызываемом действием пониженных температур и отдаленной гибридизации, когда погружение ядра спермия и его объединение с женским ядром также часто затруднено (Герасимова-Навашина и др., 1968; Двойное оплодотворение 143 Gerassimova-Navashina, 1969b; Долгова-Хведынич, 1967; Батыгина, 1966). Итак, в то время как ядра спермиев при своем попадании в женские клетки находятся в состоянии незавершенного митотического цикла, что и обеспечивает их движение к женским клеткам, последние всегда находятся в митотическом покое. Развиваясь раздельно и независимо, половые клетки, таким образом, заходят при своем развитии в некоторый тупик, выйти из которого они могут только совместно. Такая противоречивость состояния половых клеток может разрешиться лишь путем их глубокого взаимодействия, в результате которого под влиянием покоящегося ядра женской клетки ядро спермия заканчивает свой цикл внутри нее, впадая в покой, а оплодотворяющаяся женская клетка под влиянием активной мужской «оплодотворяющей системы» (в основном цитоплазмы пыльцевой трубки) выходит из покоя. Так или иначе, с момента окончания ядром спермия своего цикла внутри женской клетки, новый митотический цикл, с которого уже начинается эмбриогенез, наступает в зиготе как в едином целом, и это новое развитие можно рассматривать как разрешение противоречивости состояния мужских и женских клеток, достигающееся при их взаимодействии в процессе дальнейшего совместного развития в акте оплодотворения и становящееся источником дальнейшего развития. Слияние половых элементов в свете такого цитологического представления оказывается, с одной стороны, завершающим этапом их развития, а с другой — началом нового онтогенеза. Следовательно, акт оплодотворения есть лишь своеобразный момент процесса развития, заканчивающий один онтогенез и, одновременно, являющийся вступлением к новому онтогенезу. Рис. 10. Батыгина, 1966; Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958; Герасимова-Навашина и др., 1968; Долгова-Хведынич, 1967; Gerassimova-Navashina, 1969b; Steffen, 1951. СИНГАМИЯ (греч. syn — вместе, gamos — брак) — процесс слияния двух гаплоидных гамет (яйцеклетки и спермия), в результате которого образуется зигота. В собственном смысле слова этот термин означает половую репродукцию. Синонимы: амфимиксис, конъюгация, копуляция, эугамия1. Термин в современном, более узком смысле слова впервые предложил Hartog (1904) вместо термина «оплодотворение». Сингамия включает слияние ядер — кариогамию (греч. karyon — ядро + gamos) и слияние цитоплазмы гамет — плазмогамию (греч. plasma, plasmat — плазма + gamos). Последние два термина заимствованы, вероятно, из зоологической литературы (первое упоминание относится к 1891 и 1901 гг. — см. Oxford English Dictionary, 1989); в ботанической литературе термин плазмогамия впервые был исполь- 1 См. Battaglia, 1963.
144 Семя зован для голосеменных растений (Ferguson, 1901). Strasburger (1877) впервые фактически описал сингамию — одинарное оплодотворение у цветковых растений (см. Феномен двойного оплодотворения). В 1898 г. С. Г. Навашин, изучая процесс оплодотворения у Lilium martagon и Fritillaria tenella, показал, что обе мужские гаметы участвуют в оплодотворении, одна сливается с яйцеклеткой (сингамия), другая — с центральной клеткой, содержащей два полярных ядра (тройное слияние) (см. Тройное слияние; Эндосперм). Подробно процесс оплодотворения был рассмотрен Герасимовой- Навашиной на примере представителей рода Crepis (Gerassimova, 1933). В дальнейших ее работах развивались отдельные аспекты сингамии и тройного слияния (Герасимова-Навашина, 1947-1990). Наиболее сложным и дискуссионным моментом в сингамии является вопрос о механизме слияния гамет, их ядер и о темпе прохождения этих процессов. Известный индийский эмбриолог Maheshwari (1950, р. 194) писал: «The time between the beginning and the end of the gametic fusions is so short that one rarely succeeds in «catching» the material at the right stage». Подробно рассмотрев методические трудности, которые имеются в познании процесса оплодотворения, он сделал заключение: «In view of these difficulties it is not suprising that our knowledge of the events concerned with fertilization has not advanced very far beyond where is stood during the early part of this century». Такого же мнения придерживался и Модилевский (1958), считая, что цитологическая сторона двойного оплодотворения у покрытосеменных растений практически не разработана. Применение метода темпоральных фиксаций материала способствовало прогрессу в изучении цитологии и цитохимии этого процесса (Герасимова-Навашина, 1947а, б, 1986; Батыгина, 1957, 1959, 1961а, б, 1962а, б, 1966, 1974; Поддубная-Арнольди, 1958, 1976; Коробова, 1959, 1962; Савина, 1964, 1965; Яковлев, Иоффе, 1965; За- мотайлов, 1968; Иоффе, 1968, 1976; Долгова-Хведынич, 1967; Хве- дынич, Банникова, 1970а, б; Хведынич, 1972; Чеботарь, 1972, 1987; Batygina, 1974; Банникова, Хведынич, 1982). Ультраструктурные исследования также внесли свою лепту в познание сингамии (Vazart, 1955, 1968; Jensen, 1964a, Ь, 1973; Vazart В., Vazart J., 1965; Jensen, Fisher, 1967, 1968a, b; Diboll, 1968; Chebotaru, 1970; Schulz, Jensen, 1971, 1973; Герасимова-Навашина, Гуляев, 1973; Cass, 1973, 1981; Cass, Karas, 1975; Russell, 1980, 1983, 1985a, b; Mogensen, 1982, 1986; Went van, 1984; You, Jensen, 1985; Mogensen, Rusche, 1985; Lammeren van, 1986; Hause, Schroder, 1987; Cresti et al., 1988; Жукова, 1992, 1993; Плющ, 1992; Faure et al., 1993; Kranz, Lorz, 1993, 1994; Kranz et al., 1995). Однако, в настоящее время наши представления об этом процессе далеко не полные. Одна из причин заключается в методической сложности Двойное оплодотворение 145 получения серии ультратонких срезов и компьютерной реконструкции сингамии из-за быстротечности отдельных ее стадий. Другая причина — в отсутствии системного сравнительного изучения цитоэмб- риологических процессов in vivo и in vitro на световом и ультраструктурном уровнях. Немаловажное значение имеет выбор объекта. Идеальными модельными объектами являются представители сем. Liliaceae и Роасеае (виды рода Triticum), у которых мужские и женские половые элементы довольно крупные и процессы сингамии и тройного слияния растянуты во времени. Прежде чем рассмотреть процесс объединения спермия с яйцеклеткой, вкратце напомним некоторые особенности строения яйцевого аппарата, имеющие прямое отношение к механизму сингамии (см. также Т. 1). Яйцевой аппарат. Выявление значительных различий в строении яйцевого аппарата у разных видов цветковых растений привело к необходимости использовать термины «отчетливо дифференцированный», «слабо дифференцированный» и «недифференцированный» яйцевой аппарат (Плющ, 1992). При этом учитываются такие признаки, как размеры, полярность и топография его элементов. Типично дифференцированный (отчетливо дифференцированный) яйцевой аппарат описан у видов Scilla, Crepis, Triticum, Hordeum, Nicotiana, Tamarix, Calanthe (Gerassimova, 1933; Герасимова- Навашина, Батыгина, 1958; Герасимова-Навашина, 1962; Батыгина, 1962, 1974, 1987; Mogensen, 1982; Плющ, 1992). Ярким примером недифференцированного яйцевого аппарата являются представители сем. Liliaceae, например, Lilium regale, как было показано на световом (Герасимова-Навашина, 1960; Петрова, 1977) и ультраструктурном уровнях (Плющ, 1987). При рассмотрении ультраструктурной организации яйцевого аппарата важно учитывать не столько соотношение органелл, которое может быть одинаково у яйцеклетки и синергид, сколько частоту и характер их распределения и электронную плотность гиалоплазмы и нуклеоплазмы (Плющ, 1992). Яйцеклетка у большинства цветковых растений располагается лате- рально и обычно несколько ниже синергид (в профиль). Центральная клетка облегает яйцеклетку со всех сторон (за исключением той стороны, где яйцеклетка прикреплена к стенке зародышевого мешка). Между ними остается только схизогенная «щель», в которую через синергиду(ы) или между ними пыльцевая трубка изливает свое содержимое со спермиями. В процессе развития яйцеклетка претерпевает ряд сложных морфо- генетических изменений («ядро будущей яйцеклетки» — «инициаль Все эти термины требуют уточнения (см. Т. 1). ю-828
146 Семя яйцеклетки» — «незрелая яйцеклетка» — «зрелая яйцеклетка»), касающихся строения ядра и его локализации, цитоплазмы и клеточной оболочки (Батыгина, 1974, 1992; Батыгина и др., 1982; Беляева, 1987; см. Яйцеклетка, Т. 1; Зигота). У большинства цветковых в сформированном зародышевом мешке все клетки яйцевого аппарата имеют целлюлозную оболочку. В процессе созревания зародышевого мешка происходит потеря части полисахаридных оболочек, т. е. перед оплодотворением апикальные части яйцеклетки и синергид имеют только плазмалемму. Продолжительность периода «созревания» яйцеклетки варьирует. Например, у Triticum этот процесс длится 2-5 дней (в зависимости от вида и условий произрастания). Гаметогенез в зародышевом мешке пшеницы может быть завершён (сформированный зародышевый мешок), но оплодотворение не происходит до тех пор, пока не завершится дифференциация и специализация клеток всего яйцевого аппарата, т. е. образование зрелого зародышевого мешка (поляризация яйцеклетки и синергид, проявляющаяся в специфической вакуолизации этих клеток и положении в них ядер, в распределении пластид в яйцеклетке, в образовании зубовидных выростов и нитчатого аппарата у синергид) (Батыгина, 1974; см. Т. 1). Ультраструктурные данные говорят о том, что строение «зрелой» яйцеклетки таксоноспецифично. Согласно Плющ (1992), у одних видов растений (например, Calendula officinalis, Helianthus annuus, Plumbago zeylanica, Glycine max) яйцеклетки можно охарактеризовать как метаболически активные, у других (Capsella bursa-pastoris, Petunia hybrida, Oryza sativa, Brassica campestris и др.) — как находящиеся в покое. Синтетические процессы в яйцеклетке менее разнообразны, чем в, других клетках зародышевого мешка, о чём свидетельствуют обычно малочисленные элементы ЭР и аппарата Гольджи (Плющ, 1992). Синергиды являются полифункциональными клетками, основная роль которых заключается в привлечении пыльцевых трубок через микропиле в зародышевый мешок, в обеспечении высвобождения их содержимого и попадания спермия к женским гаметам (Gerassimova, 1933; Maheshwari, 1950; Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958; Герасимова-Навашина, Коробова, 1959; Went van, Linskens, 1967; Berger, Erdelska, 1973; Mogensen, 1975; Поддубная-Арнольди, 1976; Tilton, Mogensen, 1979; Bruun, 1987; Плющ, 1992; см. Синергиды, Т. I). Многие исследователи придают большое значение хемотропизму синергид, однако вопрос о химическом составе хемотропных веществ и времени их образования продолжает оставаться дискуссионным. Пыльцевая трубка может входить в одну из синергид либо между синергидами, либо минуя синергиды — в район контакта центральной клетки с яйцеклеткой. Вероятно, в определенной степени это обусловливает характер дегенерации синергиды. У одного и того же вида можно встретить разные способы вхождения пыльцевых трубок в зародышевый мешок (например, у Triticum aestivum — Батыгина, 1974, 1987, 1990). Отмечены случаи, когда изменения синергид Двойное оплодотворение 147 (их трансформация) начинаются уже с момента попадания пыльцы на рыльца (Гургенова, 1928; Кахидзе, 1954; Jensen, 1968a) и даже ранее, но это еще не говорит о том, что пыльцевая трубка должна обязательно войти в трансформирующуюся синергиду. Дискуссионными остаются вопросы: как вскрывается пыльцевая трубка в синергиде и как попадают спермин в экстрацеллюлярное пространство («щель»). Одни авторы утверждают, что содержимое пыльцевой трубки изливается в синергиду через пору (Jensen, Fisher, 1967; Чеботарь, 1972; Mogensen, 1972, 1978; Wilms, 1981a, с; Russell, Cass, 1988), другие — через разрыв оболочки пыльцевой трубки за счет разницы осмотического давления внутри пыльцевой трубки и синергиды (Went van, 1970; Поддубная-Арнольди, 1976) или в результате растворения оболочки пыльцевой трубки гидролазами синергид (Godineau, 1969). В исключительных случаях вскрытие пыльцевой трубки происходит в «щели» (Plumbago zeylanica, Plumbagella micrantha — Russell, 1980, 1982; Russell, Cass, 1988; Adoxa moscha- tellina — Плющ, Банникова, 1989). Мужская оплодотворяющая система (МОС) (англ. male germ unit, MGU; см. Мужская оплодотворяющая система). Для понимания механизма одновременного попадания спермиев в синергиду, в «щель» и одновременного их расхождения к двум разным женским клеткам представляет интерес вопрос о связи спермиев между собой в пыльцевом зерне, пыльцевой трубке и «щели», а также о связи спермиев с ядром вегетативной клетки. Этот феномен был описан в начале 20 века Shattuck (1905, р. 213) при исследовании образования мужских гамет у Ulmus americana: «It was definitely determined that the male structures are cells, and not merely nuclei, delicate limiting membranes being clearly made out. During a large part of their existence in the pollen grain these lenticular cells are attached to each other by their adjoining ends in such a manner as to make them appear in longitudinal section as if as tride of the tube nucleus». Поведение этих связанных «мужских клеток», по данным Shattuck, в процессе их развития меняется: сначала в пыльцевом зерне они имеют цитоплазму, далее в пыльцевой трубке они ее теряют, а в зародышевом мешке вновь обнаруживают незначительное количество цитоплазмы. Наличие цитоплазмы у спермиев другого вида Ulmus laevis в зародышевом мешке подтверждено электронно-микроскопическими данными Плющ (1989а-е). Wylie (1904, р. 10) утверждал, что связь мужских клеток у Elodea canadensis длительна — она существует в пыльцевом зерне, в пыльцевой трубке и сохраняется на сравнительно значительном расстоянии: «This point of union acts like a hinge, permitting the cells to take the most varied positions with respect to one another even swinging about so as to lie side by side». Аналогичную картину наблюдали С. Г. Навашин и Финн (1912) у Juglans, изобразив две мужские гаметы, связанные друг с другом в 10*
148 Семя виде гантелевидной структуры внутри зародышевого мешка. Авторы рассматривали эту структуру как «двуядерную генеративную клетку», которая вполне соответствует двуядерной генеративной клетке некоторых голосеменных. По их мнению, сохранение цитоплазмы вокруг двух мужских ядер в пыльцевом зерне, пыльцевой трубке и в зародышевом мешке у Juglans представляет собой «древний признак, унаследованный халазогамными растениями от их голосеменных предков». Кратковременный этап формирования «двуядерной генеративной клетки» («двуядерной гаметной», или «двусперматогенной клетки») был обнаружен в процессе образования спермиев у ряда видов рода Triticum (Батыгина, 1962а, Ь, 1974, 1987). Связь генеративной клетки (спермиев) с ядром вегетативной клетки сохраняется в течение всего развития пыльцевого зерна. В настоящее время это явление описано у многих видов растений. Природа связи гамет, а также время ее возникновения (в пыльцевом зерне, пыльцевой трубке и зародышевом мешке) могут быть различны. Феномен «мужская оплодотворяющая система», открытый на световом уровне ещё в начале XX века, получил подтверждение и дальнейшее развитие в электронно-микроскопических исследованиях (Mogensen, Rusche, 1985; Russell, 1980, 1982-1985а, b, 1990, 1991; см. также Мужская оплодотворяющая система). Существуют разные точки зрения о значении этого явления. Согласно одной из них, «ассоциация спермиев» обусловливает как порядок вхождения спермиев в зародышевый мешок, так и их избирательность в оплодотворении яйцеклетки и центральной клетки (Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1984; Russell, 1984). По мнению других авторов, МОС осуществляет координацию развития всех клеток пыльцевого зерна (Тарасенко и др., 1988), координацию процессов оплодотворения (Dumas et al., 1985). Для понимания общебиологического значения МОС необходимы более детальные сравнительно- эмбриологические исследования различных таксонов голосеменных и покрытосеменных растений. Особенности строения мужских гамет. Открытие феномена двойного оплодотворения поставило перед исследователями целый ряд вопросов, касающихся характеристики мужских гамет: о диморфизме спермиев одной пары, о наличии цитоплазмы у спермиев (в пыльце, в пыльцевой трубке, в синергиде, в яйцеклетке и в экстрацеллюлярном пространстве между яйцевым аппаратом и центральной клеткой), о движении спермиев. Эти вопросы волнуют ученых почти 100 лет, их решение, как считал еще С. Г. Навашин, приблизит нас к объяснению всех этапов сингамии и тройного слияния. В современной литературе — двуядерная клетка-спермий (англ. binucleate sperm cell, см. Carmichael, Friedman, 1995). Двойное оплодотворение 149 Впервые диморфизм, проявляющийся в энантиоморфизме (попарном различии и сходстве), был установлен С. Г. Навашиным на светооп- тическом уровне у цветковых. Особенно отчетливо ядерная гетероспер- мия была описана у голосеменных, в частности у Pinus (Ferguson, 1901), С. Г. Навашин и Финн (1912) отмечали диморфизм половых ядер у Juglans nigra, объясняя это различие тем, что у цветковых оба ядра при двойном оплодотворении функциональны. В настоящее время различают «цитоплазматическую гетероспермию» (разное количество пластид, митохондрий, диктиосом) и «ядерную гетероспермию» (Russell, 1991). Однако гетероморфизм отмечается не у всех цветковых. Как показали исследования с применением техники серийных ультратонких срезов и компьютерной реконструкции, у некоторых видов растений спермин изоморфны (Mogensen, Rusche, 1985; Ни, 1990; Russell, 1991; Zhu et al., 1992). У одних видов цветковых ядро меньшего спермия сливается с ядром яйцеклетки, большего — с полярным ядром, у других — наоборот (см. Maheshwari, 1950). Яйцеклетку оплодотворяет обычно спермий, содержащий большее число пластид (Russell, 1983, 1985). Наблюдения за движением спермиев у Plumbago zeylanica, изолированных из пыльцы с помощью осмотического шока, обнаружили бимодальное распределение скорости и плотности заряда мужских гамет (Zhang et al., 1996). Авторы связывают этот факт с различной судьбой спермиев одной пары во время оплодотворения. Экспериментальные исследования спермиев, изолированных из зрелой пыльцы Spinacia, не выявили различий в структуре плазмалемм у спермиев одной пары (Aelst van et al., 1990). Возможно, избирательность мужских гамет, идущих к разным женским клеткам, присуща не всем видам цветковых. Подтверждением этого может быть наличие у цветковых растений как диморфных, так и изоморфных спермиев. Диморфизм спермиев является, вероятно, результатом асимметричного цитокинеза в микроспоре, пыльцевом зерне и генеративной клетке. У многих видов цветковых вегетативная и генеративная клетки пыльцевого зерна содержат разное количество органелл, в частности, пластид. При этом, как полагают исследователи, существуют разные варианты неравномерного распределения пластид (почти все пластиды переходят в вегетативную клетку или частично попадают в генеративную, но полностью элиминируют в процессе ее развития, или попадают в спермин, но не попадают в яйцеклетку). Материнская пластидная наследственность, встречающаяся у большинства цветковых растений, как полагают некоторые исследователи, и объясняется теми цитоплазматическими изменениями, которые происходят при формировании генеративной клетки и спермиев (Hage- mann, 1981, 1983; Went van, 1984; Schroder, 1984, 1985a, b, 1986a, b, 1988).
150 Семя Цитоплазма мужских гамет. С. Г. Навашин и Финн (1912) выдвинули гипотезу о редукции цитоплазмы спермиев у представителей различных таксонов покрытосеменных и голосеменных растений. Они рассматривали редукцию цитоплазмы в филогенетическом плане, связывая ее с потерей самостоятельности спермиев. Как считают эти авторы (с. 53): «С эволюцией пыльцевой трубки (ср. Wettstein, 1906, 1911) идет как бы рука об руку и упрощение мужских гамет. У Cycadinae и Ginkgoinae, где пыльцевая трубка наиболее примитивна, — она еще не служит для проведения мужских гамет, — мы встречаем еще типичные сперматозоиды; у остальных голосеменных, где пыльцевая трубка уже выполняет свою новую и главнейшую функцию, состоящую в том, чтобы проводить оплодотворяющие элементы к яйцеклеткам, мы наблюдаем все прогрессирующую тенденцию редуцировать строение мужских гамет до ядер (образования двуядер- ной генеративной клетки); у низших покрытосеменных, какими, по нашему глубокому убеждению, являются настоящие халацогамы, где пыльцевая трубка сохранила в значительной степени отпечаток первобытности, существует еще, сравнительно с высшими покрытосеменными, значительная устойчивость мужской цитоплазмы, достигающей здесь в неразрушенном состоянии зародышевого мешка (в этом отношении до сих пор изучены только виды Juglans); наконец, у высших покрытосеменных, где пыльцевая трубка, пройдя длинный путь эволюции, достигает наибольшего совершенства, наблюдается разрушение мужской цитоплазмы в пыльцевой трубке и, быть может, иногда даже в пыльцевом зерне». Гипотеза редукции цитоплазмы у спермиев в зародышевом мешке поддерживается и современными эмбриологами, но несколько в другом аспекте. На примере Hordeum vulgare, Spinacia oleracea, Epidendrum scutella показано, что уменьшение объема цитоплазмы и плотности органелл может происходить в процессе развития спермиев в пыльцевом зерне и пыльцевой трубке и во время вхождения их в зародышевый мешок (Wilms, 1981a-d, 1985; Kadej A., Kadej F., 1985; Mogensen, Rusche, 1985; Cocucci, 1988). Это приводит в конечном счете, как полагают авторы, к тому, что мужские гаметы могут быть представлены в виде «голых» ядер. Мужские гаметы в зародышевом мешке. Согласно гипотезе энан- тиоморфизма, выдвинутой С. Г. Навашиным, направление движения мужских гамет к женским, вероятно, обусловлено особого рода полярностью, возникающей при делении генеративной клетки. Специфическая спиралеобразная форма спермиев, как он считает, служит подтверждением «самостоятельной их подвижности». Многие годы обсуждается вопрос, являются ли спермин в пыльцевой трубке и зародышевом мешке активными или пассивными гаметами (Strasburger, 1884; Кострюкова, Чернояоов, 1938; Полунина, 1961; М. С. Навашин и др., 1959; Maheshwari, 1950; Steffen, 1953; Лит- вак, 1968; Cass, 1973; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1987a, Двойное оплодотворение 151 b; Плющ, 1992). Существуют различные точки зрения относительно механизма попадания спермиев в «щель». Согласно одной точке зрения, они перемещаются в «щель» вместе с содержимым пыльцевой трубки и, возможно, разрушенной синергиды (Навашин, 1910; Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958; Батыгина, 1962, 1966, 1974, 1987; Коробова, 1979, 1983). Это было обнаружено у Scilla sibirica, видов Zea и Triticum, где содержимое пыльцевой трубки вместе со спермиями часто в виде отдельных крупных капель наблюдается в «щели» (см. Лилейные — классический объект для изучения опыления и оплодотворения; Опыление и оплодотворение у злаков). У пшеницы в пыльцевой трубке спермин имеют удлиненную форму, а в синергиде и щели они скручиваются по спирали, сохраняя такую форму на первых этапах прохождения в цитоплазму яйцеклетки и центральной клетки. При подходе к женским ядрам они снова выпрямляются и становятся везикулярными. С помощью цейтраферной съемки была подтверждена активность движения спермия, идущего к полярным ядрам (Erdelska, 1978, 1983). Согласно представлению Jensen (1972), основанному на детальных электронно-микроскопических исследованиях процесса оплодотворения у Cossypium, спермин из синергиды в женские клетки попадают не за счет активного их движения, а за счет физико-химического взаимодействия цитоплазмы пыльцевой трубки и синергиды. В настоящее время наиболее интересной представляется концепция о роли микротрубочек, объединенных у некоторых видов цветковых в пучки, которые часто располагаются параллельно длинной оси клетки (Cresti et al., 1990). Согласно этой концепции, они сходны с микротрубочками, обеспечивающими подвижность жгутиков и ресничек в спермиях жгутико-ресничковых аксонов. Плазмогамия и кариогамия — ключевые моменты двойного оплодотворения. До сих пор дискутируется вопрос о том, проникают ли в женские клетки мужские гаметы как целые клетки или в виде ядер. Одни исследователи считают, что цитоплазма спермиев остается в синергиде (Поддубная-Арнольди, 1958; Беляева, 1964, 1977, 1980; Герасимова-Навашина, 1971а, б, 1980; Коробова, 1979; Смирнов, 1982; Красников, 1988), согласно другой точке зрения — в щели между яйцеклеткой и центральной клеткой и не сливается с цитоплазмой яйцеклетки (Mogensen, 1982, 1988; Чеботарь, 1987; Russell et al., 1990а, b). Однако имеются данные, свидетельствующие о том, что спермин в момент объединения с женскими гаметами содержат цитоплазму (Wylie, 1904; Замотайлов, 1968; Jensen, 1973; Cass, 1981; Wilms, 1981a-d; Смирнов, Граханцева, 1986; Плющ, 1992; см. Механизмы оплодотворения; Передача цитоплазмы при оплодотворении). Так, у Plumbago zeylanica обнаружена передача мужской цитоплазмы с митохондриями и пластидами как в яйцеклетку, так и в центральную клетку (Russell, 1980-1983). В литературе рассматривается несколько моделей участия
152 Семя цитоплазмы спермиев в оплодотворении при сингамии и тройном слиянии (Went van 1970а-с; Jensen, 1973; Wilms, 1981a-d; Mogensen, 1988a, b; Russell et al., 1990). Согласно одной из них, процесс двойного оплодотворения включает плазмогамию, при этом происходит слияние плазматических мембран женских и мужских гамет. Процесс плазмогамии сопровождается образованием мостов между гаметами, через которые проходят ядра клеток спермиев и, вероятно, их цитоплазма. Авторы этой гипотезы (Linskens, 1968; Went van, 1970b; Jensen, 1972) предполагают наличие у яйцеклетки специфической мембраны, которая может меняться в процессе сингамии так, что она становится невосприимчивой ко второй мужской гамете. У некоторых видов (например, Capsella bursa-pastoris) наблюдается пора в стенке синергида-яйцеклетка около открытого конца пыльцевой трубки, через эту пору спермий, как предполагают Schulz и Jensen (1968), входит в яйцеклетку. Кариогамия наиболее детально (на светооптическом уровне) была описана у Crepis capillaris (Gerassimova, 1933). Jensen (1964) с помощью ТЭМ впервые описал механизм двойного оплодотворения у Cossypium hirsutum. Позднее на других объектах, включая представителей сем. Роасеае, он показал, что этот сложный процесс состоит из ряда последовательных этапов. Впоследствии кариогамию на ультраструктурном уровне изучали на различных объектах (Went van, 1970; Schulz, Jensen, 1973; Kudlicka et al., 1980; Wilms, 1981a-d; Mogensen, 1982; Hause, Schroder, 1987). Недавние исследования по индукции кариогамии in vitro с помощью электроимпульса были проведены на изолированных мужских и женских гаметах Zea mays (Faure et al., 1993). Благодаря применению электронной микрографии, фазово-контрастной микроскопии и реконструкции сливающихся ядер авторы описали так же, как и Jensen, три главные стадии слияния ядер: 1 — наружные мембраны ядерных оболочек тесно соприкасаются или контактируют через эндоплазматический ретикулум и затем сливаются; 2 — внутренние мембраны ядерных оболочек сливаются и образуются мостики между ядрами; 3 — мостики увеличиваются и могут захватывать некоторое количество цитоплазмы. Однако некоторые авторы считают, что при кариогамии наблюдаются различные способы объединения мембран ядерных оболочек (Szabo, O'Day, 1983; Плющ, 1992). Известно, что существуют разные типы мужских гамет, характеризующиеся различным ядерно-цитоплазматическим отношением. Например, компактные спермин с малым количеством цитоплазмы свойственны растениям, обладающим премитотическим типом оплодотворения. Степень подготовленности половых элементов к оплодотворению различна у разных видов цветковых. Быстрое объединение ядер спермиев происходит с теми ядрами яйцеклеток, которые содержат диффузный хроматин. Темп слияния хроматина зависит от перехода гетерохроматина
154 Семя в эухроматин. Следовательно, чем более конденсирован хроматин в ядрах яйцеклетки и спермия, тем длительнее идет процесс кариогамии. Давно обсуждается вопрос о механизмах сингамии и тройного слияния в свете митотической гипотезы и о связи этого процесса с клеточным циклом (Gerassimova, 1933; Герасимова-Навашина, 1947, 1951, 1957, 1960, 1971а, б, в, 1980; Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958, 1959; Коробова, 1959, 1962; Савина, 1965; Vallade, 1980; Gerassimova-Navashina, 1982; Банникова и др., 1985; Friedman, 1991) (Рис. 1). В ряде работ приводится количественная оценка ядерной ДНК в гаметах и зиготе как важный показатель прохождения периодов митотического цикла (Woodard, 1956; Bennett, Smith, 1976; данные Алимовой — см. Герасимова-Навашина, 1980; Банникова, Хве- дынич, 1982; Friedman, 1991; Mogensen, Holm, 1995; Sherwood, 1995). Особый интерес процесс кариогамии приобрел в связи с открытием предковой формы двойного оплодотворения у некоторых таксонов пор. Gnetales *(Ephedra, Cnetum) (Friedman, 1990, 1991; Carmichael, Friedman, 1995), возможность существования которой рассматривали и другие авторы (Pearson, 1929; Favre-Duchartre, 1956; Герасимова-Навашина, 1958; Терехин, 1991). На основе детальных исследований содержания ядерной ДНК в мужских и женских гаметах Gnetum gnemon с помощью S-phase GAMETE NUCLEI JUST PRIOR TO FERTILIZATION \ INITIAL CONTACT OF GAMETE NUCLEI \ FINAL CONTACT OF GAMETE NUCLEI I ZYGOTE NUCLEUS AT INCEPTION Рис 2. [Fig.2]. Relationships between the cell cycle and gamete caryogamy among seed plants (from Carmichael, Friedman, 1995). Двойное оплодотворение 155 флуоресцентной микроскопии Carmichael и Friedman (1995, 1996) выделили три типа кариогамии у семенных растений (рис. 2): Gi-кариогамия — ядра гамет содержат 1С ДНК во время оплодотворения, а зигота вступает позже в фазу синтеза ДНК (перед митозом); S-фазная кариогамия — ядра гамет содержат 1С ДНК в начале оплодотворения, репликация ДНК происходит перед концом слияния ядер гамет; Сг-кариогамия —ядра гамет проходят 5-период клеточного цикла и увеличивают содержание ДНК от 1С до 2С до оплодотворения. Эти типы кариогамии отражают характер взаимоотношений между моделями клеточного цикла и процессом оплодотворения. Как видно из приведенных авторами результатов исследования, кариогамия может происходить в разные периоды клеточного цикла, а S-период (т. е. период репликации ДНК) — в разные моменты процесса оплодотворения (после слияния, перед концом слияния и до оплодотворения). Имеющиеся в настоящее время литературные данные по оплодотворению у цветковых не позволяют сделать определенное заключение, какие типы кариогамии характерны для них. Тем более, что только в единичных работах приводятся сведения о периодах клеточного цикла гамет и зиготы у исследуемого объекта, о длительности интерфазы и т. д. Однако на основании уже известных фактов можно высказать некоторые соображения. Во-первых,, при определении типа кариогамии у цветковых необходимо, прежде всего, иметь в виду, что существуют три типа оплодотворения (премитотический, постмитоти- ческий и промежуточный), которые различаются по темпу объединения мужских и женских ядер (Герасимова-Навашина, 1947а, б, 1951; Gerassimova-Navashina, 1960, 1982). При премитотическом — ядра спермия и женской гаметы объединяются до их вступления в митоз; ядро спермия завершает свой митотический цикл после слияния с ядром женской гаметы. При постмитотическом типе оплодотворения ядро спермия оканчивает митотический цикл до объединения с ядром женской гаметы, находясь с ним в контакте; слияние ядер осуществляется после вступления их в митоз. Промежуточный тип оплодотворения характеризуется кариогамией во время митоза. Сопоставляя концепцию Герасимовой-Навашиной о типах оплодотворения с данными Carmichael и Friedman о типах кариогамии, можно видеть, что в типах оплодотворения кариогамия соотносится лишь с конечным периодом (М) клеточного цикла (т. е. до, после или во время митоза), в то время как тип кариогамии обозначает конкретный период клеточного цикла, когда происходит слияние ядер. Во-вторых, согласно современной концепции контроля клеточного цикла, клетка не может вступать в митоз до тех пор, пока не произойдет репликация ДНК (см. Jacobs, 1992, 1995).
156 Сел Исходя из этих представлений и учитывая цитоэмбриологические данные по процессу оплодотворения у различных видов цветковых, можно полагать, что: 1 — премитотический тип оплодотворения может объединять три типа кариогамии «Gj», «S» и «Сг»; 2 — при постмитотическом и промежуточном типах оплодотворения возможен только один тип — М-кариогамия (рис. 3). Доказательством в пользу Gi-кариогамии у цветковых служат данные по цитологии сингамии и содержанию ДНК в мужских гаметах и зиготе у представителей родов Tradescantia (Woodard, 1956), Hordeum (Mogensen, Holm, 1995; Mericle L., Mericle R., 1973; Bennett, Smith, 1976), Zea (Moss, Heslop-Harrison, 1967; Kranz, Lorz, 1996), Petunia (Vallade, 1980), Pennisetum (Sherwood, 1995), Triticum (Герасимова-Навашина, Батыгина, 1959; Батыгина, 1961а, b, 1962a, b, 1987; Gerassimova-Navashina, 1960, 1982). Дополнительным подтверждением существования Gj-кариогамии у цветковых являются результаты исследования половых элементов Crepis tectorum с помощью рентгенизации (Герасимова-Навашина и др., 1963; Gerassimova-Navashina, 1971) и авторадиографии (данные Алимовой — см. Герасимова-Навашина, 1980). При этом было установлено, что мужские и женские ядра до их объединения не проходят S-период клеточного цикла; меченый тимидин обнаруживался только в зиготе. THE INTERCONNECTION BETWEEN FERTILIZATION TYPE, TYPE OF CARYOGAMY, CELL CYCLE AND THE STAGE OF ZYGOTE DEVELOPMENT IN FLOWERING PLANTS FERTILIZATION type PREMITOTIC INTERMEDIATE POSTMITOTIC Type of CARYOGAMY jGi- S- G2- •:■:•:• M- M-'-: Point of S-PERIOD beginning in sexual nuclei after caryogamy during caryogamy (the end of nuclei fusion) before the beginning ofsyngaray before the end of caryogamy, before the mitosis Т7~ГТ7ш7ш7~7~7ТТ7Т77у ^STAGE OF ZYGOTE / DEVELOPMENT / corresponding ^ \ '/the S-period of cell cycle ^' Косвенным указанием на С^-кариогамию у некоторых представителей цветковых служат данные о том, что ядра спермиев удваивают содержание ДНК до оплодотворения (D'Amato et al., 1965; Ермаков и др., 1980). Таким образом, можно выделить четыре типа кариогамии у цветковых растений. Gz-кариогамия: яйцеклетка и спермин проходят Go и Gj-периоды клеточного цикла, ядра их сливаются в Gj-периоде, репликация ДНК происходит после кариогамии, до митоза (в зрелой зиготе). Ш Z о Z й ы о О m ы ы Ш ы Й ы fa о о й о ш ы ей и Я а
Двойное оплодотворение 159 S-кариогамия: яйцеклетка и спермин проходят Go и Gj-периоды, ядра их сливаются в S-периоде, репликация ДНК происходит во время кариогамии, до митоза (в незрелой зиготе). (г2-кариогамия: яйцеклетка и спермин проходят Go, C\ и S-периоды, ядра их сливаются в Сг-периоде, репликация ДНК происходит до начала сингамии (в гаметах). М-кариогамия: яйцеклетка и спермин проходят Go, C\, S, Сг (и частично М) -периоды, ядра их сливаются в М-периоде, репликация ДНК происходит непосредственно перед окончанием кариогамии, перед митозом (в незрелой зиготе). Таким образом, слияние ядер гамет может происходить в разные периоды клеточного цикла, что и определяет тип кариогамии (рис. 4). Характер протекания клеточного цикла яйцеклетки-зиготы и тип кариогамии, вероятно, скоррелированы с типом развития зародышевого мешка (16 типов), семязачатка (красен- и тенуинуцеллятный типы) и типом развития эндосперма. Ядра мужских и женских гамет у многих видов растений проходят интерфазу с разной скоростью, что обусловливает асинхронность их вступления в периоды клеточного цикла (Банникова, Хведынич, 1973). Темп плазмогамии и кариогамии. Общая продолжительность сингамии у голосеменных растений — месяц и более, у покрытосеменных она варьирует от нескольких минут до нескольких суток. Темп плазмогамии и кариогамии также различен у разных видов покрытосеменных. У Triticum плазмогамия происходит в течение 1 ч, кариогамия — 3-4 ч (Батыгина, 1961а, б, 1974) (рис. 5). Через 5-15 мин после попадания пыльцы на рыльце видны многочисленные пыльцевые трубки в тканях пестика, которые достигают зародышевого мешка через 20-25 мин. Спермин в пыльцевой трубке различны по форме, структурированы. Ядро представляет собой клубок сильно скрученных хроматиновых нитей, между петлями которых видны просветы. Спермин не образуют ядрышко, практически лишены РНК, но богаты ДНК. Пыльцевая трубка изливает свое содержимое в одну либо в обе синергиды. Через 25-30 мин спермин входят в «щель». Затем один из них проникает в яйцеклетку, в цитоплазме которой находится около часа, претерпевая дальнейшие превращения. При приближении к ядру яйцеклетки он разрыхляется, отчетливо видна структура в виде хроматиновых нитей. Спермий вблизи ядра яйцеклетки и в начале контакта имеет характерную форму: один конец узкий, плотный, другой — широкий и более рыхлый. Ядро спермия начинает контактировать обычно только одним, широким концом, и затем постепенно погружается в ядро яйцеклетки. В течение 3-5 ч после опыления происходит деспирализация ядра спермия, деконден- сация хроматина ядра. Хроматиновая нить теряет свою непрерывность и через 3 ч после опыления появляется ядрышко. Весь процесс от контакта ядра спермия с ядром яйцеклетки до выделения одного (или двух) ядрышек и полной его деспирализации занимает 5-6 часов. Размер яд-
160 Семя рышка изменяется в ходе деспирализации мужского ядра. Характер поведения мужских и женских ядер позволяет считать, что кариогамия у Triticum соответствует Gj-типу. Существует определенная корреляция между характером дифференциации гамет, метаболическим состоянием яйцеклетки и скоростью кариогамии (Jensen, 1965; Банникова, Хведынич, 1973; Герасимова-Навашина, Гуляев, 1973; Герасимова-Навашина, 1984; Плющ, 1992). Чем выше хроматизация женских ядер, тем длительнее процесс кариогамии. Как видно из схемы, в зависимости от типа оплодотворения и типа кариогамии любая из стадий зиготогенеза может соответствовать любому периоду клеточного цикла. Это ещё раз подтверждает таксоно- специфичность прохождения клеточного цикла в зиготе. Возможно, отсутствие строгой корреляции между стадией развития зиготы и периодом клеточного цикла и объясняет противоречивость имеющихся в литературе данных о строении зиготы, о темпах и характере сингамии у разных видов цветковых растений. Рис. 11. Банникова, Хведынич, 1973, 1982; Банникова и др., 1985; Батыгина, 1957, 1958, 1959, 1961а, б, 1962а, б, 1966, 1974, 1987, 1990, 1992; Батыгина и др., 1982; Беляева, 1964, 1977, 1980, 1987; Герасимов, 1923; Герасимова-Навашина, 1947а, б, 1951, 1958, 1959, I960, 1962, 1971а, б, в, 1980, 1984, 1990; Герасимова-Навашина, Батыгина, 1958, 1959; Герасимова-Навашина, Гуляев, 1973; Герасимова-Навашина, Коробова, 1959; Герасимова-Навашина и др., 1963; Гургенова, 1928; Долгова-Хве- дынич, 1967; Ермаков и др., 1980; Жукова, 1992, 1993; Замотайлов, 1968; Иоффе, 1968, 1976; Коробова, 1959, 1961, 1962, 1979, 1983; Кахидзе, 1954; Кострюкова, Чернояров, 1938; Красников, 1988; Литвак, 1968; Модилевский, 1958; Навашин, 1898, 1910, 1911; М. С. Навашин и др., 1959; Навашин, Финн, 1912; Петрова, 1977; Плющ, 1987, 1989а-е, 1992; Плющ, Банникова, 1989; Поддубная-Арнольди, 1958, 1976; Полунина, 1961; Савина, 1956, 1964, 1965; Смирнов, 1982; Смирнов, Граханцева, 1986; Старшова, Солнцева, 1976; Тарасенко и др., 1988; Терехин, 1991; Хведынич, 1972; Хведынич, Банникова, 1970а, Ь; Чеботарь, 1972, 1987; Яковлев, Иоффе, 1965; Aelst van et al., 1990; Battaglia, 1963; Batygina, 1974; Bennett, Smith, 1976; Berger, Erdelska, 1973; Bruun, 1987; Carmichael, Friedman, 1995, 1996; Cass, 1973, 1981; Cass, Karas, 1975; Chebotaru, 1970; Cocucci, 1988; Cresti et al., 1988, 1990; D'Amato et al., 1965; Diboll, 1968; Dumas et al., 1985; Erdelska, 1978, 1983; Favre-Duchartre, 1956; Faure et al., 1993; Ferguson, 1901a, b; Friedman, 1990, 1991, 1995, 1996; Gerassimova, 1933; Gerassimova-Navashina, 1960, 1969, 1982; Godinaeu, 1969; Hageman, 1981, 1983; Hartog, 1904; Hause, Schr6der, 1987; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1984, 1987a, b; Howard, Palk, 1953;' Hu, 1990; Jacobs, 1992, 1995; Jensen, 1964a, b, 1965, 1968a, 1972, 1973; Jensen, Fisher, 1967, 1968a, b; Kadej A., Kadej F., 1985; Kastern, 1860; Kranz, Lorz, 1993, 1994, 1996; Kranz. et al., 1995; Kudlicka et al., 1980; Lakshmanan, 1978; Lammeren van, 1986; Linskens, 1968; Mericle L., Mericle R., 1973; Mogensen, 1972, 1975, 1978, 1982, 1986, 1988; Mogensen, Holm, 1995; Mogensen, Rusche, 1985; Moss, Heslop-Harrison, 1967; Pearson, 1929; Pollock, Jensen, 1964; Russell, 1980, 1982, 1983, 1985a, b, 1990, 1991; Russell, Cass, 1988; Russell et al., 1990a, b; Schroder, 1984, 1985a, b, 1986a, b, 1988; Schulz, Jensen, 1968, 1971, 1973; Shattuck, 1905; Sheridan, Neuffer, 1982; Sherwood, 1995; Steffen, 1953; Strassburger, 1877, 1884; Szabo, O'Day, 1983; Taylor et al., 1957; Tilton, Mogensen, 1979; Vallade, 1980. Двойное оплодотворение 161 Vazart, 1955, 1968; Vazart В., Vazart J., 1965; Went van, 1970a-c, 1984; Went van, Linskens, 1967; Wettstein, 1906, 1911; Wilms, 1981a-d, 1985; Woodard, 1956; Wylie, 1904; You, Jensen, 1985; Zhang et al., 1996; Zhu et al., 1992. ТРОЙНОЕ СЛИЯНИЕ — процесс слияния полярных ядер центральной клетки с ядром спермия, в результате чего образуется первичное ядро эндосперма. Синоним: кариомиксис1, кариогамия. Прежде чем обсудить «тройное слияние», необходимо рассмотреть элементы, участвующие в этом процессе: полярные ядра, вторичное ядро центральной клетки, первичное ядро эндосперма2 (Davis, 1966; «Embryology of Angiosperms», 1984; «Сравнительная эмбриология цветковых растений», 1981, 1983, 1985, 1987, 1990). Вопрос о правомочности использования этих терминов продолжает оставаться дискуссионным. Battaglia (1987a), рассмотрев все эти понятия, предложил детальную терминологическую систему. Остановимся лишь на двух рассмотренных им терминах. Он предлагает вернуться к термину «центральные ядра», впервые предложенному Vesque (1897), так как замена этого термина на «полярные ядра» (Fisher, 1880) не совсем корректна, как с исторической и лингвистической точек зрения, так и по сути. Полярные ядра, как совершенно справедливо отмечает Battaglia, не занимают полярного положения в зародышевом мешке. Кроме того, Battaglia приводит пример, с которым также трудно не согласиться, а именно: образование так называемых полярных ядер в тетраспорических зародышевых мешках Plumbago-типа («крестообразная полярность»). Вместо термина «вторичное ядро», он предложил использовать термин «центральный синкарион». В зависимости от числа центральных ядер, участвующих в образовании синкариона (при различных типах развития зародышевого мешка), последний может быть обозначен как «синдикарион», «синтрикарион», «синтетракарион» и т. п. Кроме того, Battaglia даже предлагает уйти от так называемых «позиционных терминов», используемых Vesque, Fisher, Guignard и им самим, и заменить их на функциональные: 1) проэндоспермальная клетка (= центральная клетка); 2) верхнее, нижнее, среднее проэндоспермальные ядра (полярные ядра); 3) проэндоспермальный синкарион (= вторичное ядро); 4) зигоэндоспермальный синкарион (= оплодотворенное вторичное ядро; первичное эндоспермальное ядро sensu /а/о). Для окончательного утверждения новых терминов и замены ранее используемых требуется широкое обсуждение в литературе, о чем пи- Термин предложен Battaglia (1963) для обозначения процесса слияния ядер при оплодотворении. 2 Продукт слияния трех гаплоидных ядер — ядро «зачатка» эндосперма (М. С. Навашин, 1915) или «trophime» (Van Tieghem, 1900). "I "J —828
162 Семя шет и сам автор (подробнее см. Battaglia, 1987). Для удобства изложения материала в статье используются общепринятые в классической эмбриологии термины. Как известно, в зависимости от типа развития женского гаметофита количество полярных ядер в его центральной клетке может варьировать от одного до нескольких (см. Полярные ядра, Т. 1). Расположение полярных ядер в центральной клетке по отношению к клеткам яйцевого аппарата и антипод до оплодотворения таксоноспе- цифично. У многих цветковых растений отмечена миграция полярных ядер, вторичного ядра центральной клетки и первичного ядра эндосперма в процессе их образования и тройного слияния. Время объединения полярных ядер варьирует у растений из различных таксонов. Они могут сливаться до оплодотворения, во время или после него. Вероятно, это и обусловливает то, что тройное слияние может происходить либо одновременно, либо последовательно. Поддубной- Арнольди (1976) была предложена следующая схема возможных комбинаций тройного слияния. 1. Верхнее (Pi) и нижнее (Рг) полярные ядра сливаются, образуя вторичное, или центральное ядро зародышевого мешка, которое затем сливается с ядром одного из спермиев (sp), входящих в зародышевый мешок (Pi + Рг) + sp. В результате слияния полярных ядер с ядром спермия возникает первичное ядро эндосперма. Так происходит в огромном большинстве случаев. 2. Слияние обоих полярных ядер и ядра спермия происходит одновременно (Pi + Рг + sp). 3. Ядро спермия сначала сливается с верхним полярным ядром, затем оплодотворенное верхнее полярное ядро сливается с нижним полярным ядром (Pi + sp) + Рг. 4. Ядро спермия сливается сначала с нижним полярным ядром, затем оплодотворенное нижнее полярное ядро сливается с верхним полярным ядром (Рг + sp) + Р\. Встречаются случаи апомиктичного развития первичного ядра эндосперма (Коробова, 1962; Чеботарь, 1972). Размеры полярных ядер могут различаться, при этом иногда меньшее полярное ядро соединяется с ядром спермия (Lilium martagon, Fritillaria tenella — С. Г. Навашин, 1898). В зависимости от типа развития женского гаметофита первичное ядро эндосперма может быть гаплоидным, диплоидным, триплоидным и полиплоидным. При развитии зародышевого мешка по Polygonum-типу первичное ядро эндосперма обычно триплоидное. Триплоидность эндосперма впервые была установлена на примере Capsella bursa-pastoris (Rosenberg, 1904). M. С. Навашин (1915) на основании детального сравнительного изучения гаплоидных, диплоидных и триплоидных ядер Crepis virens дал первую иллюстрацию метафазы триплоидного эндосперма (Зп = 9). В зародышевом мешке Oenothera- и Eriostemones-типов имеется лишь одно полярное ядро, при оплодотворении которого воз- Двойное оплодотворение 163 никшее первичное ядро эндосперма оказывается диплоидным. Виды Tulipa, Melampyrum также имеют диплоидный эндосперм, так как ха- лазальное полярное ядро элиминирует, и ядро спермия сливается только с микропилярным полярным ядром (Иоффе, 1976). Проиллюстрируем возможные вариации тройного слияния. Полярные ядра у большинства изученных злаков находятся лишь в контакте до тройного слияния, а их объединение происходит после контакта ядра спермия либо с одним, либо одновременно с двумя полярными ядрами (Guignard, 1901a-c; Sax, 1918; Батыгина, 1962а, Ь, 1974, 1987; Чеботарь, 1972; Batygina, 1974; Коробова, 1982; Mogensen, 1982). Вероятно, последнее имеет место тогда, когда ядро спермия попадает на границу обоих ядер. Однако у Triticum и Zea отмечены случаи, когда сначала сливаются полярные ядра, образуя вторичное ядро центральной клетки, потом последнее объединяется с ядром спермия. При объединении полярных ядер у Triticum часто видны между ними остатки цитоплазмы, захваченной полярными ядрами при их сближении (Батыгина, 1962а, б, 1974). Сходное явление было отмечено у Impatiens glandulifera (Steffen, 1951) и у Arachis hypogaea (Герасимова-Навашина, 1954b). При полном слиянии полярных ядер участки захваченной цитоплазмы уже не видны. Электронно- микроскопические исследования, проведенные на злаках, подтвердили эти данные (Mogensen, 1982). Во время тройного слияния ядро спермия меняет свою форму и степень спирализации. У ядер спеомиев Triticum один конец тупой, другой заостренный (Батыгина, 1962а, б, 1974, 1987), что было подтверждено электронно-микроскопическими исследованиями (Chu, Ни, 1981). При тройном слиянии сильно спирализованное ядро спермия, находящееся в цитоплазме центральной клетки, меняет свою форму при контакте с полярными ядрами. Оно как бы «расплющивается» и его объединение с полярным ядром (или ядрами) начинается неодновременно по всей поверхности, а обычно с его широкого конца. Анализ электронограмм процесса двойного оплодотворения у Hordeum (Mogensen, 1982) подтвердил как разную форму и строение концов ядра спермия, так и неодновременное погружение спермия в кариоплазму полярного ядра. Изменение пространственной формы ядер спермиев говорит об их активном движении. Процесс погружения ядра спермия в полярное ядро (ядра) или вторичное ядро центральной клетки сходен с таковым в яйцеклетке, но происходит значительно быстрее. Тройное слияние, например, у пшеницы занимает 1,5-2 ч и заканчивается через 2-3 ч после опыления. В образовавшемся первичном ядре эндосперма на месте «растворения» ядра спермия видны 1-2 ядрышка. В полярных ядрах Triticum aestivum через некоторое время после их слияния часто появляется довольно много дополнительных ядрышек, число которых достигает 20; однако они сильно отличаются по своим размерам и 11*
164 Семя окраске от ядрышек, выделенных ядром спермия. Аналогичные ядрышки встречаются иногда и в неоплодотворенных полярных ядрах. Природа этих дополнительных ядрышек пока неясна, но, по- видимому, они указывают на повышенную метаболическую активность центральной клетки. Следует отметить, что в центральной клетке около полярных ядер неоднократно наблюдались включения, очень схожие с этими ядрышками (Батыгина, 1974). В течение профазы первого деления видна отдельно группа профатических нитей, составляющих ядро спермия, которое по темпам развития несколько опережает начало профазы полярных ядер, что также подтверждается разновременным исчезновением ядрышек. Возможно, данное явление объясняется очень коротким периодом покоя,1 в результате чего мужской хроматин не успевает равномерно распределиться в женском ядре, как это имеет место в зиготе пшеницы. Подобное же явление, т. е. отдельную профазу мужского ядра при тройном слиянии у пшеницы, видел Sax (1918), который отметил отличие мужских хромосом от женских и в метафазе первого деления эндосперма. Однако Батыгина (1974) различия мужского и женского хроматина в этой фазе не наблюдала. Из-за кратковременности стадии интерфазы ее довольно трудно обнаружить и только, используя метод очень дробных темпоральных фиксаций, можно точно установить наличие указанной стадии. По-видимому, это и явилось причиной того, что Sax не обнаружил стадию интерфазы и пришел к неправильному заключению, что в полярных ядрах центральной клетки пшеницы не бывает периода покоя, а сразу наступает профаза, в которой и начинается объединение их с ядром спермия, тоже находящимся в стадии профазы. Процесс двойного оплодотворения у злаков идет по премитотическому типу, т. е. объединение половых ядер происходит до митоза. Однако объединение ядра спермия с полярными ядрами центральной клетки не полностью соответствует премитотическому типу. Особенностью этого процесса в центральной клетке является объединение ядра спермия с ядрами центральной клетки до митоза и раздельное вступление ядра спермия в профазу внутри первичного ядра эндосперма и полное объединение хроматина спермия и полярных ядер в метафазе. Результатом этого сложного процесса тройного слияния является отсутствие объединения мужских и женских ядрышек в полярных ядрах центральной клетки. Этот феномен асинхронного преобразования хроматина мужских и женских гамет во время двойного оплодотворения у некоторых видов растений, в том числе и злаков, некоторые исследователи объясняют различными темпами прохождения мужскими и женскими I ермин «интерфаза» представляется, с наших позиции, более корректным, чем «покой». В этот период происходят сложные морфогенетические перестройки, позволяющие первичному ядру эндосперма перейти к делению. Двойное оплодотворение 165 гаметами периодов G\, S, Gi митотического цикла (Герасимова- Навашина, 1980, 1990; Банникова, Хведынич, 1982). Исходя из этого, можно полагать, что объединение ядер в центральной клетке правильнее отнести к промежуточному типу оплодотворения, а весь процесс двойного оплодотворения охарактеризовать все же как премито- тический. Время перехода первичного ядра эндосперма к делению таксоноспе- цифично. Первичное ядро эндосперма приступает к делению сразу же после тройного слияния (например, Juglandaceae) или спустя некоторое время. Период интерфазы в первичном ядре эндосперма у пшеницы кратковременен и занимает 0,5-1 ч (Батыгина, 1974). У представителей сем. Butomaceae первичное ядро эндосперма делится почти одновременно с зиготой спустя сутки после оплодотворения. Интерфаза первичного ядра эндосперма Allium nutans продолжается 33-34 ч (Стожарова, Поддубная-Арнольди, 1977). У Iris tenax деление первичного ядра эндосперма происходит примерно через 70 ч после оплодотворения (Соколовская, Шпилевой, 1990). Развитие эндосперма может происходить по-разному, в зависимости от условий произрастания вида. Так, у Anemone nemorosa в популяциях на территории Польши он образуется из неоплодотворенной центральной клетки (2n) (Trela, 1963 a, b; Brouland, 1967; 1969), в то время как в условиях Ленинградской области у этого же вида — в результате тройного слияния, (Зп = 45) (Иоффе, 1968, 1971b; Yoffe, 1969). Модельным объектом для изучения поведения полярных ядер и ядра спермия во время двойного оплодотворения являются представители сем. Orchidaceae. У некоторых видов орхидей двойное оплодотворение происходит нормально. Обычно объединение половых ядер происходит по постмитотическому типу. В ряде случаев наблюдаются нарушения во втором звене процесса двойного оплодотворения — объединении ядра спермия с ядром или ядрами центральной клетки (например, у Cypripedium insigne, Dendrobium nobile, Calanthe veitchii и др.). Кульминационным моментом такого нарушения является отсутствие слияния ядра спермия с ядром центральной клетки (Oreorchis patens, Calanthe aristulifera, Listera nipponica) (Савина, 1979; Поддубная-Арнольди, 1982; Савина, Поддубная- Арнольди, 1990). Например, у Calanthe veitchii полярные ядра обычно не сливаются и вместе с ядром антиподы образуют полярно- антиподальную группу, чаще расположенную около яйцеклетки, а впоследствии — около зиготы. Ядро спермия подходит к этой группе ядер, но не сливается с ней, т. е. тройного слияния не происходит. Далее вся группа ядер вместе с ядром спермия дегенерирует. Эндосперм у этого вида орхидных не образуется (Поддубная-Арнольди, 1964, 1976). Существуют различные точки зрения относительно причин нарушения двойного оплодотворения у орхидных. Hagerup (1944) считает, что причиной отсутствия объединения ядра спермия с поляр-
166 Семя ными ядрами исследованного им Orchis maculata является то, что к моменту оплодотворения эти ядра мертвы. Герасимова-Навашина (1954b) и Поддубная-Арнольди (1958) полагают, что нарушение двойного оплодотворения у орхидных связано с редукцией зародышевого мешка в процессе их развития. Дискуссионным вопросом является наличие тройного слияния в сем. Тгарасеае. Согласно большинству авторов (Gibelli, Ferrero, 1891; Ram, 1956; Гревцова и др., 1987), у представителей данного семейства (Trapa natans, Т. bispinosa, Т. еигораеа и Т. сопосагра) двойное оплодотворение происходит, но эндосперм как ткань не образуется — первичное ядро эндосперма становится гипертрофированным и перемещается в халазальный конец зародышевого мешка, где постепенно дегенерирует. По сведениям Trela-Sawicka (1978), у Т. natans эндосперм образуется; он нуклеарный, хотя и крайне эфемерный. Следует отметить, что Trela-Sawicka судит о наличии двойного оплодотворения лишь на основании изменения числа ядрышек во вторичном ядре центральной клетки, а убедительные картины формирования эндосперма в ее работе отсутствуют. По данным Титовой (1988а, Ь, 1995), в зародышевом мешке Т. astrachanica наблюдается, как правило, выпадение процесса тройного слияния вследствие нарушения механизма расхождения спермиев: задержка одного из спермиев в синергиде или в экстра- целлюлярном пространстве. Характерно, что в отличие от других видов Тгара, у Т. astrachanica образуются зрелые пыльцевые зерна двух типов — дву- и трехклеточные, из которых прорастают чаще последние. При этом ядро вегетативной клетки, как правило, не выходит в пыльцевую трубку, как это обычно свойственно видам с трехклеточными пыльцевыми зернами. По мнению автора, наблюдаемое у данного вида отсутствие процесса тройного слияния может быть обусловлено 1) нарушением связи между отдельными элементами (ядром вегетативной клетки и спермиями) «мужской оплодотворяющей системы», 2) тем, что вторичное ядро центральной клетки у данного вида представляет собой продукт слияния трех ядер — нормального, микропилярного полярного ядра и двух халазальных ядер, не прошедших третье митотическое деление. К растениям, у которых тройное слияние не происходит, относится Vencetoxicum nigrum, Mitella pentandra, Zostera marina, Taraxia ovata, Zauschneria latifolia (Maheshwari, 1950). Отсутствие тройного слияния характерно для представителей сем. Podostemaceae (Коробова, 1985). В апоспорических зародышевых мешках Роа pratensis в результате нарушения дифференциации образуется много полярных ядер, поведение которых во время оплодотворения различается. Например, одни полярные ядра объединяются с ядром спермия, образуя первичное ядро эндосперма, другие остаются неслившимися и включенными в ткань эндосперма (Батыгина, Маметьева, 1979). Сходные особенности развития апоспорических мешков были отмечены и у других растений, Двойное оплодотворение 167 например, Elatostema, Iris и Taraxacum (Maheshwari, 1950; Поддубная- Арнольди, 1976). i Впервые Jensen (1964b) детально описал тройное слияние у Gossypium hirsutum, которое впоследствии наблюдалось и на других объектах (Schulz, Jensen, 1973; Kudlicka et al., 1980; Wilms, 1981b; Hause, Schroder, 1987). Автор полагает, что сначала происходит объединение наружной мембраны ядерных оболочек с участками цистерн ЭР. Позже объединяются внутренние мембраны оболочки и между сливающимися ядрами формируются мосты, которые впоследствии объединяются, вытесняя цитоплазму центральной клетки, расположенной между ядрами. Возможно, что цитоплазма центральной клетки не вытесняется ядрами (Банникова, Плющ, 1988), а идет ее автолиз (Батыгина, 1987). В отличие от Jensen, Плющ (1992), изучая кариогамию у Adoxa moschatellina показала, что в зоне эвагинаций ядерная оболочка разрывается, при этом перинуклеарное пространство остается закрытым. Таким образом, тонкий механизм тройного слияния не вполне ясен, поскольку отсутствуют темпоральные электронно-микроскопические иссследования. Продолжает оставаться дискуссионным вопрос о том, проникают ли ядра спермиев в женские гаметы с цитоплазмой или без нее. Известно, что в пыльцевом зерне и пыльцевой трубке спермин являются типичными клетками. Одни авторы считают, что спермий освобождается от цитоплазмы, оказываясь в синергиде (Поддубная-Арнольди, 1956; Красников, 1988) или в щели между яйцеклеткой и центральной клеткой (Mogensen, 1982, 1988; Чеботарь, 1987; Russell et al., 1990a, b). Другие авторы описывают постепенное уменьшение количества цитоплазмы спермиев (например, у Spinacia oleracea — Wilms, 1981b, 1985; Epidendrum scutella — Cocucci, 1981) и числа органелл (например, у Hordeum — Mogensen, Rusche, 1985). У растений с однородительским (материнским) наследованием элиминация элементов мужской цитоплазматической наследственности может произойти в момент оплодотворения яйцеклетки (Mogensen, 1988), вероятно, такой же процесс происходит и при оплодотворении центральной клетки. Mogensen (1988) и Russell et al. (1990a, b) только в виде гипотетического варианта рассматривают вопрос о том, что способ оплодотворения яйцеклетки и центральной клетки у покрытосеменных различен. Различие состоит в том, что в яйцеклетку проникает только ядро спермия, а в центральную клетку — спермий с цитоплазматическими органеллами. Вероятно, существуют виды растений, у которых цитоплазма попадает в яйцеклетку, и виды — у которых остается за пределами яйцеклетки. Дискутируется также вопрос о диморфизме спермиев у цветковых растений. С. Г. Навашин (1927, 1951, с. 331) считал, что «спермий одной и той же пары не одинаковы, так же как отличны друг от друга участвующие в процессе женские ядра; и это — несмотря на то, что и та, и другая пара ядер суть ядра сестринские, т. е. происходят от
168 Семя деления одного материнского ядра, каковое деление в морфологической науке принято до сих пор считать вообще эквационным». С. Г. На- вашин показал, что спермин одной и той же пары являются энантио- морфными «...подобно тому как асимметричное строение молекулы или кристалла, находится в соотношении с оптической деятельностью данного тела, так асимметрия гаплоидного ядра является условием специфичного, половодеятельного состояния гаплоидных клеток, причем это состояние должно проявляться в двух противоположных формах, подобно тому, как проявляется оптическая деятельность в формах право- и левовращающих тел одной химической природы» (Навашин, 1951, с. 334). Последующие исследования подтвердили различия спермиев в паре (см. Диморфизм спермиев. Т. 1). Основой направленного расхождения являются попарные различия ядер спермиев, ядра яйцеклетки и сестринского ему верхнего полярного ядра, т. е. различия, которые дают возможность выбора каждому женскому ядру соответствующего ему мужского. Так, у Casuarina equisetifolia ядро наиболее крупного из спермиев сливается с ядром яйцеклетки, а другого, меньшего — с полярными ядрами (или с вторичным ядром центральной клетки у С. montana), находящихся в момент слияния вблизи клеток яйцевого аппарата (Swamy, 1948d). Тройное слияние является обязательным этапом двойного оплодотворения. Появление тройного слияния привело к возникновению эндосперма, который благодаря своей гибридной природе явился важным источником питания зародыша (Козо-Полянский, 1949), что повысило жизнеспособность и приспособляемость покрытосеменных (см. Двойное оплодотворение; Эндосперм). Рис. 12. Алимова, 1983; Батыгина, 1962а, б, 1974, 1987; Банникова, Плющ, 1988; Банникова, Хведынич, 1982; Батыгина, Маметьева, 1979; Герасимова-Навашина, 1954, 1980, 1990; Гревцова и др., 1987; Забинкова, Кирпичников, 1957; Замотайлов, 1958; Иоффе, 1968, 19716, 1976; Козо-Полянский, 1949; Коробова, 1962, 1979, 1982, 1985; Красников, 1988; М. С. Навашин, 1915; С. Г. Навашин, 1898, 1927, 1951; Плющ, 1992; Плющ, Банникова, 1989; Поддубная-Арнольди, 1956, 1958, 1964, 1976, 1982; Савина, 1979; Савина, Поддубная-Арнольди, 1990; Соколовская, Шпилевой, 1990; Солнцева, Дгебуадзе, 1974; Стожарова, Поддубная- Арнольди, 1977; Титова, 1988а, б; 1995; Чабан, Яковлев, 1974; Чеботарь, 1972, 1987; Шамров, 1990а; Battaglia, 1963, 1987а; Batygina, 1974; Brouland, 1967, 1969; Chu, Hu, 1981; Cocucci, 1981; Davis, 1966; Fisher, 1880; Gibelli, Ferrero, 1891; Guignard, 1901a-c; Hagerup, 1944; Hause, Schroder, 1987; Jensen, 1964b; Kudlicka et al., 1980; Mah eshwari, 1950; Mogensen, 1982, 1988; Mogensen, Rusche, 1985; Ram, 1956; Rosenberg, 1904; Russell et al., 1990a, 6; Sax, 1918; Schulz, Jensen, 1973; Steffen, 1951; Swamy, 1948d; Va n Tieghem, 1900; Trela, 1963a, b; Trela-Sawicka, 1978; Vesque, 1879; Wilms, 1981b, 1985; Yoffe, 1969. Двойное оплодотворение 169 j CYTOPLASMIC TRANSMISSION DURING FERTILIZATION ПЕРЕДАЧА ЦИТОПЛАЗМЫ ПРИ ОПЛОДОТВОРЕНИИ Cytoplasmic organelles, including the mitochondria and plastids, are organelles with their own DNA, RNAs and protein synthesis machinery. Despite this feature, they still depend on the importation of numerous critical proteins, from which significant cytoplasmic compatibility problems may originate. Since some phenotypic organellar characteristics are under nuclear control (following Mendelian inheritance patterns) and others are under organellar control (following non-Mendelian patterns), reciprocal breeding experiments are usually needed to distinguish if their origin is cytoplasmic. If their pattern of inheritance differs when a plant serves as a maternal or a paternal parent, this is strong evidence of cytoplasmic inheritance. Since mitochondria and plastids are inherited independently of one another, each organelle may display different patterns of cytoplasmic inheritance. In general, organelles may display either exclusively uniparental (maternal or paternal) inheritance or display different degrees of biparental inheritance. The most elegant evidence for biparental inheritance is the coexistence of organelles of different origins within a single cell (heteroplasmy). Frequently, however, these organelles may occupy different clonal lineages and appear as variegated pigment patterns in the plant. Organelle lineages usually segregate over time due to sorting-out so that a minority of the cells in a mature plant may have both organella types. Variegation by itself is not strong evidence of cytoplasmic control, however; in many cases a defect in chloroplast pigmentation may be under nuclear control and the variegation reflects clonal inheritance of nuclear patterns. Plastid inheritance in the vast majority of angiosperms is uniparental or predominantly maternal with a small «leakage» of paternal organelles (Smith, 1989). A significant minority of angiosperms display biparental plastid inheritance (Hagemann and Schroder, 1989). Only two cases of predominantly paternal inheritance of plastids have been reported (Daucus — Boblenz et al., 1990; Medicago — Smith et al., 1986). Mitochondrial inheritance is poorly described from classical genetics because of a scarcity of useful nonlethal markers, but it is believed to be even more overwhelmingly maternal. A few instances using molecular methods however have indicated the presence of male mitochondrial nucleic acids in the offspring (Fairbanks et al., 1988; Erickson et al., 1989; Erickson and Kemble, 1990; Faure et al, 1994). Pre-fertilization mechanisms reducing male cytoplasmic inheritance. Despite a common misconception about the cellular condition of the sperm, both male and female gametes are organized as complete cells containing a normal complement of organelles and surrounded by their respective plasma membranes. An interesting exception is plants with
170 Семя maternal plastid inheritance. These frequently have sperm cells that lack plastids according to ultrastructural (Hagemann, Schroder, 1989) and DNA fluorescence studies of plastid nucleoids (Corriveau, Coleman, 1988). Mitochondria are also reportedly absent in two orchids studied to date, Epidendrum (Cocucci, Jensen, 1969) and Cymbidium (Yu, Russell, 1992), although ultrastructural studies outside of the orchids do not report as extreme a condition for mitochondria. The presence, absence, or relative quantity of heritable cytoplasmic organelles in the male and female gametes is critical in determining the cytoplasmic complement of the zygote. One obvious mechanism for restricting the number of organelles from the male lineage at inception is the asymmetrical mitotic division of the microspore, which forms a much smaller generative cell (the immediate precursor to the two sperm cells in the pollen grain) and a larger vegetative cell (the future pollen tube). This mitotic field excludes significant numbers of organelles, and in the case of plastids their larger size may cause them to vacate the future generative cell cytoplasm. In any case, the generative cell is often less than 1 /o of the volume of the pollen grain. Relatively little quantitative data is available on changes in the volume of the cells of the male lineage. In Plumbago, the generative cell is its largest at initiation and continues to lose volume over the course of development (Russell and Strout, submitted). A relatively small number of organelles is present in the newly formed generative cell. The young generative cell of Plumbago contains less than five plastids and fewer than 30 mitochondria (Russell, Strout, submitted), which is fewer than one-fifth the number observed at maturity (Russell, 1984). Since this plant displays biparental transmission (Russell, 1983, 1987), the secondary increase in organelle numbers could increase the probability of inheritance if the number of organelles containing DNA is proportionate to their numbers (Bendich, Gauriloff, 1984). The multiplication of organelles from a restricted population may be evidence of a «founder effect» that could reduce residual organellar heterogeneity, if any, within the gametes. Table: Number of organelles present in male and female gametes at the time of fertilization in angiosperms Species Impatiens qlandulifera Oenothera erythrosepala Plumbago zeylanica Plastids Egg 150-480 25-32 730±110 Sperm 20 8-13 24,3+3,9 Mitochondria Egg 1,000-2,500 NA 39,900±3,140 Sperm 50 NA 39,8+3,3 aRichter-Landmann, 1959; Meyer, Stubbe, 1974; CRussell, 1984, 1987; NA — not available. Двойное оплодотворение 171 The diminution of male cytoplasmic organelles has been quantified in sperm cells of barley (Mogensen, Rushe, 1985) and in developmental stages of the orchid Cymbidium (Yu, Russell, 1992), and tobacco (Yu, Russell, 1994a, c) through the formation of enucleated cytoplasmic bodies (ECBs) which are shed from the cells. Each of these plants displays predominantly maternal cytoplasmic transmission. Interestingly, there also appears to be considerable evidence for male cytoplasmic diminution in plants that normally transmit male organelles (Plumbago — Russell, Strout, submitted). Possibly, such mechanisms for male cytoplasmic diminution are present in all angiosperms regardless of their eventual transmission. This tendency may reflect a need to streamline sperm cell structure during pollen maturation and pollen tube growth, or it may simply be a by-product of muscle-like actin-myosin associations that appear to be involved in the movement of the gametes within the pollen cytoplasm (Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1989; Tang et al., 1989). Such movements may stress and stretch the cells of the male germ line to their breaking point on numerous occasions (and at numerous sites) during their descent in the pollen tube. Modification of organelles during development has also been proposed as a factor in the inheritance of the male cytoplasm. Vaughn et al. (1980) proposed that organelles were directly «altered» (i. е., incapacitated) within the male germ cells by an unspecified mechanism; however, their exclusively ultrastructural approach did not eliminate the possibility of artifacts; the use of any of the readily available cytochemical methods for organellar function (e. g., Dickinson/1986), would have removed much of the doubt about their conclusions. , Molecular modification of organellar DNA has been reported in wheat microspores during tissue culture. Organellar DNA was reported to be altered in the regenerated plants and this was postulated as one mechanism for male DNA exclusion (Day, Ellis, 1984). More recent work on barley has suggested that these alterations in the chloroplast genome occur during regeneration, rather than the earlier stages of reproductive committment (Mouritzen, Holm, 1994). In vivo organellar DNA changes in the male lineage have not been studied on a molecular level yet. It is also evident that cytoplasmic DNA visible in fluorescence microscopy disappears during development in some plants with maternal inheritance (Miyamura et al., 1987), but it is not evident whether this occurs by the elimination of plastids (Clauhs, Grun, 1977), or if the DNA simply reduces to levels lower than can currently be resolved using fluorescent probes. The occurrence of nuclease С (Ca2+-dependent) has been implicated in the elimination of male organellar DNA in higher plants (Nakamura et al., 1992); interestingly this appears to be related to the enzyme involved in the postzygotic elimination of organellar DNA in lower plants. During meiosis and later development, alterations in organellar structure are readily evident, suggesting that selection of organelles may indeed precede sperm cell formation (Dickinson, 1986). Although identical organelles may appear
172 Семя different within physiologically different cells (Russell, 1983), the possibility of meiotic and post-meiotic rearrangements of organelles is still present given the extensive associations between functional organelles and the nucleus as observed during microsporogenesis in Cosmos (Dickinson, 1986). Transmission of male organelles during fertilization. Double fertilization involves the cellular fusion of one sperm with the egg cell and the other with the central cell. Both fusions use sperm cells derived from the same precursor cell, the generative cell, in order to initiate distinct and dissimilar developmental pathways. As in cytoplasmic inheritance, the transmission of organelles during fertilization appears to follow three patterns: organelle transmission may be exclusively maternal or exclusively paternal, or biparental. In plants with maternal cytoplasmic inheritance, the sperm cytoplasm is usually impoverished in organelles, particularly plastids, and in this case the transmission of the male cytoplasm would seem to have no effect on the egg cell. This is true of Nicotiana (Yu et al., 1994), which shows transmission of apparently all of the male cytoplasm into both the egg and central cell, and may also be true of Petunia (van Went, 1970), sincfe no ECBs indicating nontransmission were captured in this plant. In barley, apparently the entire cytoplasmic volume is stripped from the sperm nucleus during gametic fusion (Mogensen, 1982, 1988). Since Mo- gensen noted that only one such ECB was found (always in contact with the egg) and that its organellar complement equalled that of intact sperm cells, he concluded that sperm cytoplasm was excluded from the egg, but was transmitted into the central cell. The likelihood of male cytoplasmic exclusion from both the egg and central cells is suggested by Jensen and Fisher's observation in cotton of two large cytoplasmic regions of the approximate size of male cytoplasm within the degenerate synergid of the fertilized embryo sac (Jensen, Fisher, 1968; Fisher, Jensen, 1969). Pre-- fertilization fusion of the two sperm cells was observed in spinach (Wilms, 1981); he postulated the transmission of the sperm nuclei in opposite directions to the egg and central cell, simultaneously with the disintegration of the remaining cytoplasm. The vacuolization of the sperm cells also appears to be a general trend prior to fertilization and may represent another mechanism that allows heritable cytoplasmic organelles to be excluded from later fertilization steps. In Populus (cottonwood), this trend appears to reach an extreme which may spatially separate the nucleus and the cytoplasm enough to trigger male cytoplasmic exclusion (Russell et al., 1990). Biparental inheritance appears to be the result of sperm cells rich in cytoplasmic organelles fusing in entirety with female reproductive cells. Essentially all of the sperm cell organelles appear to be transmitted in Plumbago (Russell, 1983, 1984) except for a cellular projection that physically associated one sperm cell with the vegetative nucleus. ECBs presumably orginating from this projection account for 15% of the sperm organelles. In this plant, the pattern of membrane fusion and subsequent vesiculation suggest that the entire surrounding Двойное оплодотворение 173 cytoplasm of the sperm may be transmitted directly into the egg and central cell cytoplasm (Russell, 1983, 1985, 1987). Other plants with predominantly maternal cytoplasmic inheritance also seem to follow this pattern (Petunia — van Went, 1970; Lycopersicon — Kadej A., Kadej F., 1983, 1985; Nicotiana — Yu et al., 1994). The occurrence of strictly paternal cytoplasmic inheritance has infrequently been reported in angiosperms (Medicago — Smith et al., 1986; Daucus — Boblenz et al., 1990). In Medicago (Zhu et al., 1990, 1991, 1992, 1993), careful enumeration and three dimensional reconstruction of gametes revealed that differences in the female gamete appear to be responsible for paternal plastid inheritance, for both 'weak' and 'strong' sperm donors had numerous plastids in their generative cells and similar numbers of plastid nucleoids (Shi et al., 1991). The difference appears to be in plants susceptible to paternal inheritance in which the unfertilized egg contains plastids only in the micropylar half of the cell. After fertilization, the maternal plastids remain in the basal half of the zygote. Only paternal plastids are therefore present in the apical cell that becomes the embryo proper (Zhu et al., 1993). The basal cell organizes the suspensor, which is a terminal embryonic lineage that is not expressed in the mature plant. A structural investigation of Daucus muricatus revealed that only a small number of plastids (8 to 12) were present in the egg and that some apparent plastids at the periphery of the egg appeared to be degenerating (Hause, 1991). These eggs further displayed a relatively high degree of vacuolization when compared to the eggs of D. carota and D. aureus, which displayed greater maternal inheritance. Post-fertilization mechanisms reducing male cytoplasmic inheritance. The control of parental cytoplasmic inheritance within in the zygote most frequently appears to be the result of organellar competition in different cellular lineages, a process described as «sorting-out» in which relaxed cellular control is exerted on the organelles. In this model, minority populations of organelles are progressively eliminated from cellular lineages through time (Birky, 1983). Given enough mitotic divisions, cells containing multiple organelle types would be reduced in frequency until one or the other organelle is extinct within that lineage. Superimposed on this pattern is the possibility of sperm dimorphism, including nuclear differences (J3-- chromosome non-disjunction in the generative cell of corn — Roman, 1948) or cytoplasmic differences in content of either plastids or mitochondria or both (Russell, 1984, 1985, 1993). One instance of uniparental inheritance that has not been observed is a counterpart to the «restriction» mechanisms reported in unicellular plants, in which a single mitochondrion and plastid of each mating type is transmitted into the zygote, but only one organelle of each type survives (Gillham, 1994). In these cases, the organellar DNA of one mitochondrion and one plastid is destroyed after fertilization through proposed restriction sites in the genome. The surviving mitochondrion and plastid are determined by mating type and may be of opposite types (reviewed in Snell, 1990).
174 Семя Evidence for a cytoplasmic restriction of male cytoplasmic organelles is not available in angiosperms. «Leaky» mechanisms for cytoplasmic inheritance. Frequently, cytoplasmic inheritance mechanisms allow for the occasional penetration of male characteristics into a predominantly maternal cytoplasmic pattern. Many of the models of maternal cytoplasmic inheritance in flowering plants thought to be exclusively maternal actually express some male cytoplasmic characteristics in large scale classical genetic studies (Nicotiana — Medgyesy et al., 1986) and in molecular studies (Brassica — Erickson et al., 1989; Erickson, Kemble, 1990; Medicago — Fairbanks et al., 1988; Musa — Faure et al., 1994; Populus — Rajora et al., 1992). This penetration is common enough that plants with traces of male cytoplasmic inheritance in normally maternal cytoplasm can be considered as a separate class (Smith, 1989). In Nicotiana, there is a particularly interesting opportunity for a redundant transmission of male organelles; in this plant, the sperm nucleus itself may sometimes contain identifiable mitochondria that are transmitted into the fusion nuclei of the zygote and primary endosperm (Yu, Russell, 1994b). Apparently these are incorporated into the sperm nuclei during generative cell division when organelles are not effectively excluded from the metaphase plate and cytoplasmic organelles may be incorporated in the sperm nucleus during nuclear envelope reformation. This is potentially interesting because the incorporation of organelles in the nucleus would allow organellar DNA access to the nucleus and, through recombination, could contribute to its permanent incorporation in the nuclear genome. Numerical studies of heritable cytoplasmic organelles during fertilization. Relatively few studies enumerate the organelle content of both male and female gametes although this may be critical if «sorting-out» is a major method determining the nature of cytoplasmic inheritance in angiosperms. Considerable evidence to date indicates that male organelles are at a disadvantage for future expression in the offspring. Even in the cases of biparental expression, male cytoplasmic organelles may be in the minority. The direct numerical impact of male and female organelles has been the subject of only three studies in flowering plants to date (Richter-Landmann, 1959; Meyer, Stubbe, 1974; Russell, 1987). These results are given in the Table. Impatiens, with maternal plastid inheritance, displays male: female plastid ratios of from 7 to 24 to Plumbago displays male: female plastid ratios of 30:1, whereas Oenothera, which displays frequent biparental inheritance has male: female plastid ratios of from 1.92 to 4:1. Mitochondrial ratios are on the order of 200:1 or higher for female mitochondria to male mitochondria (200 to 500:1 for Impatiens and approximately 1:1000 for Plumbago), which would suggest extinction of the male mitochondria in many cell lineages during even early embryogenesis — especially since somatic cells usually contain fewer than 200 mitochondria. The only additional avenue to male expression is through recombination, which is relatively frequent in mitochondria, but has been rarely reported in plastids (Smith, 1989). i Двойное оплодотворение 175 Although the predominant pattern of cytoplasmic inheritance is maternal, numerous mechanisms seem designed to reduce genetic variability in the cytoplasmic genome at the same time that it is preserved in the nucleus. Redundant and overlapping mechanisms cause the volume of the male cytoplasm and number of organelles to be reduced. At the same time, these mechanisms are incomplete, since male organelles frequently do penetrate into the cytoplasmic complement of the offspring. A remaining question is whether there is any particular pattern to organellar inheritance. The trend is toward an insular cytoplasmic genetic complement, but exceptions abound. In this context, the variable nature of organelle heredity seems to provide evidence for the lack of a clear advantage in retaining cytoplasmic heterogeneity. However, current evidence also indicates that there are no mechanisms that actively promote heterogeneity either. Fig. 13. Bendich, Gauriloff, 1984; Birky, 1983; Boblenz et al., 1990; Clauhs, Grun, 1977; Cocucci, Jensen, 1969; Corriveau, Coleman, 1988; Day, Ellis, 1984; Dickinson, 1986; Erickson, Kemble, 1990; Erickson et al., 1989; Fairbanks et al., 1988; Faure et al., 1994; Fisher, Jensen, 1969; Gillham; 1994; Hagemann, Schroder, 1989; Hause, 1991; Heslop-Harrison J., Heslop-Harrison Y., 1989; Jensen, Fisher, 1968; Kadej A., Kadej F., 1983, 1985; Medgyesy et al., 1986; Meyer, Stubbe, 1974; Miyamura et al., 1987; Mogensen, 1982, 1988; Mogensen, Rusche, 1985; Mouritzen, Holm, 1994; Nakamura et al., 1992; Rajora et al., 1992; Richter-Landmann, 1959; Roman, 1948; Russell, 1983, 1984, 1985, 1987, 1993; Russell et al., 1990; Russell, Strout (Submitted); Shi et al., 1991; Smith, 1989; Smith et al., 1986; Snell, 1990; Tang et al., 1989; Went van, 1970; Vaughn et al., 1980; Wilms, 1981; Yu, Russell, 1992, 1994a, b, c; Yu et al., 1994; Zhu et al., 1990, 1991, 1992, 1993. ПРОЦЕСС ДВОЙНОГО ОПЛОДОТВОРЕНИЯ И МИТОТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ (МИТОТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА)1 Несмотря на многолетнее изучение процесса оплодотворения у покрытосеменных, принявшего у этой группы растений форму «двойного оплодотворения», остается ряд нерешенных вопросов о природе своеобразия его прохождения, х