|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Структурные основы критических фаз в развитии мужского гаметофита цветковых растений.НИР
Structural basis of critical phases in the development of male gametophyte of flowering plants
- Руководитель НИР: Полевова С.В.
- Участники НИР: Ашихмина Д.А., Богданов А.Г., Габараева Н.И., Клюева В.В., Трифонова Е.С.
- Подразделение: Кафедра высших растений
- Срок исполнения: 1 января 2018 г. - 31 декабря 2019 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 18-04-00971а
- Номер ЦИТИС: АААА-А18-118012390324-8
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Общая биология и экология
- ПН России: Рациональное природопользование
-
Рубрики ГРНТИ:
- 34.29.25 Семенные растения
- Классификатор OECD: Науки о растениях
-
Ключевые слова:
мужской гаметофит, интина, каллоза, экзина, спородерма, пыльцевое зерно
sporoderm, intine, callosa, pollen grains, male gametophyte, exine -
Описание:
Клеточная стенка микроспоры цветковых растений уникальна по сравнению с клеточными стенками всех других клеток растения во всех фазах жизненного цикла. Это говорит о том, что судьба микроспоры сильно отличается от других клеток растительного организма. Главное отличие – индивидуализм. Свое жизненное предназначение микроспора должна исполнить в пределах одной клетки. Поэтому взаимодействие с окружающей средой в огромной степени ложится на клеточную стенку. В процессе формирования микроспоры и развития на её основе мужского гаметофита (пыльцевого зерна) система «клеточная стенка - окружающая среда» претерпевает несколько кардинальных изменений. Материнские клетки микроспор начинают откладывать специальную каллозную оболочку перед мейозом, что определяет обособление каждой клетки от соседей. После мейоза каждая микроспора продолжает откладывать каллозную оболочку, развивая свою обособленность. Каллоза - временное образование, и под её защитой микроспора начинает строить свою собственную спородерму. После растворения каллозы и высвобождения микроспор в полость пыльника (первое значительное изменение в системе тапетум-микроспора-полость пыльника), механическая, барьерная и транзитивная функции ложатся на спородерму. Сохраняются условия обеспечения микроспоры водными растворами питательных веществ, а ее оболочки – веществами липидной природы тапетального (спорофитного) происхождения. В этих условиях происходит формирование мужского гаметофита – эндоспорический (микроспоровый) митоз и заложение интины. Однако, при высыхании полости пыльника и деградации тапетума состояние системы «спородерма-окружающая среда» резко меняется. Поглощение водных растворов прекращается. Встает задача противодействия потери воды и затормаживания всех процессов жизнедеятельности на период до прорастания пыльцевой трубки. Таким образом, в развитии мужского гаметофита цветковых растений имеются три критических фазы, которые должны отразиться на структурных особенностях оболочки микроспоры и пыльцевого зерна: растворение каллозы, высыхание полости пыльника, дегидратация на воздухе. Выявление общих закономерностей и таксоноспецифичных особенностей структурных ответов на изменение внешних условий является целью данного проекта.
-
Abstract:
The microspore cell wall of flowering plants is unique in comparison to all other cell walls of plants in all phases of the life cycle. This suggests that the microspores are very different from other cells in the plant organism. The main difference is its individualism. The microspore must reach its goal within one cell. Therefore, most of the interaction with the environment is performed by the cell wall. In the process of microspore and male gametophyte (pollen grains) development the “cell wall – environment” system undergoes several essential changes. Pollen mother cells begin to deposit special callose wall before meiosis, which determines the isolation of one microspore from another. After meiosis each microspore continues to deposit the callosa, increasing its isolation. The callose is a temporary wall and microspores begin to form their own sporoderm under callose protection. After callose dissolution and the release of microspores into the anther cavity (the first significant change in the system “tapetum-microspore- anther locule”), mechanical and barrier functions fall on the sporoderm. The conditions for providing microspore with aqueous solutions substances of tapetal (sporophytic) origin remain unchanged. At the same time, development of the male gametophyte – endosporic mitosis and the intine initiation – occurs. With the dehydration of the anther locule and degradation of the tapetum cells, the state of the system “sporoderm-environment” changes dramatically. Absorption of aqueous solutions ceases. Now, it is necessary to resist the loss of water and inhibit all vital processes for time until germination of pollen tube. Thus, in the male gametophyte development of flowering plants, there are three critical phases that should be reflected in the structural features of the sporoderm: callose dissolution, anther locale drying and dehydration in the open air. The aim of this project is identification of general patterns and taxon-specific features of structural responses to changes in external conditions.
-
Планируемые результаты:
Изучение развития спороедрмы у Alliaria petiolata предполагает выявить ультраструктурные особенности развития трехбороздного пыльцевого зерна с очень тонкой эндэкзиной. При растворении каллозной оболочки места будущих апертур без поддержки эндэкзины или апертурной пробки вынуждены контактировать с содержимым полости пыльника, что как мы полагаем, должно явиться сильным стрессом для поддержания гомеостаза микроспоры. У Populus alba и P. tremula пыльцевые зерна безапертурные, поэтому при растворении каллозы и высыхании полости пыльника вся спородерма должная испытывать и преодолевать одинаковые трудности, но при формировании пыльцевой трубки выход интины кончика пыльцевой трубки сквозь экзину должен быть локализован. Что определяет место выхода пыльцевой трубки, предстоит выяснить. Cymbalaria muralis имеет помимо трех апертур неравномерно утолщенную экзину в мезокольпиумах. Предполагается выяснить работает ли такая неоднородность спородермы в процессе развития или является достижением вполне сформированной спородермы для выполнения гармомегатных функций.
-
Научный задел:
Коллективом изучены развивающиеся спородермы широкого круга цветковых растений от базальных групп, например Aristolochia (Aristolochiaceae) (Polevova, 2015), до высокоорганизованных Nicotiana (Solanaceae) (Polevova et al, 2014) и многих представителей семейств Asteraceae и Campanulaceae. Изучен морфогенез самого маленького 3-бороздно-орового пыльцевого зерна у Myosotis (Boraginaceae) (Volkova et al, 2017). Подробно исследовано формирование спородермы у глобально-порового пыльцевого зерна Plantago (Plantaginaceae) (Gabaraeva et al, 2016) и формирование безапертурных пыльцевых типов у Aristolochia и Populus (Salicaceae). Разработаны и успешно применены методы изучения гармомегатных состояний пыльцевого зерна (Volkova et al, 2013) и сравнения темпов формирования спородерм разных типов у близких видов (Полевова, 2017) и представителей разных порядков. Накопленный многолетними усилиями коллектива материал сопоставлен с данными литературы, что позволило выявить последовательные этапы формирования различных слоев и участков спородермы цветковых растений и наметить важнейшие фазы этого процесса (Полевова, 2013). В совершенстве освоенная методика электронно-микроскопических исследований позволяет участникам проекта успешно работать с любым биологическим материалом (Polevova et al, 2016; Камзолкина и Богданов, 2017; Завьялова и др., 2017). Для успешного выполнения представленного проекта у коллектива имеется достаточный задел. Собран и частично подготовлен к электронно-микроскопическим исследованиям материал по развитию спородермы разных групп цветковых растений с разными пыльцевыми типами: Alisma plantago-aquatica (глобальнопоровый тип), Alliaria petiolata (3-бороздный тип), Cymbalaria muralis (3-бороздно-оровый тип), Populus (безапертурный тип). Собранный новый материал по развитию спородермы призван проверить гипотезу об однотипности или многообразии структурных откликов спородермы на закономерно изменяющиеся в процессе формирования мужского гаметофита внешние условия.
-
Основные результаты:
При исследовании собственных объектов предполагается проверить выработанную к настоящему времени рабочую гипотезу об однотипности структурных ответов оболочки микроспоры и пыльцевого зерна на однотипные изменения условий их формирования. Особенно важны результаты исследования пыльцевых зерен без эндэкзины или с очень тонкой эндэкзиной (Alliaria, Alisma, Populus), поскольку опыт предыдущих исследований показал огромное значение, которое имеет этот слой спородермы в момент растворения каллозы. Проверка гипотезы на возможно более широком материале опубликованном коллегами позволит надежно аргументировать предложенную идею, на основании которой можно будет определить широту изменчивости строения спородермы определяемую внешними условиями, масштаб флуктуаций внешней среды, который преодолевается морфологической структурой без потери способности к биологически осмысленному функционированию. В конце концов будут выявлены дополнительные возможности преодоления мужской стерильности для широкого круга пыльцевых типов и вариантов ультарструктуры спородермы.
- Добавил в систему: Ратанина Мария Александровна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2018 г.-15 декабря 2018 г. | Структурные основы критических фаз в развитии мужского гаметофита цветковых растений. |
| Результаты этапа: Процесс формирования спородермы от мейоза до стадии зрелой спородермы описан для достаточно широкого круга высших растений. Основные этапы формирования спородермы и их последовательность установлены и позволяют сравнивать самые разные группы объектов, имеющих спородерму. Первый этап – это отложение специальной/каллозной оболочки и мейоз. Под защитой этой специальной оболочки начинает формироваться первый слой спородермы, экзина. Затем каллоза растворяется, микроспоры высвобождаются в полость пыльника. Это первое значительное изменение окружающей микроспору среды, при этом построение экзины продолжается. Формирование интины завершает строительство спородермы и спора или мужской гаметофит переходит в покоящееся состояние. К этому времени полость пыльника дегидратируется и окружающая пыльцевое зерно среда снова кардинально меняется. Последнее изменение среды и соответственно спородермы происходит при прорастании пыльцевой трубки. Функционирование специальной оболочки споровых растений позволяет рассматривать её как аналог примэкзины, поэтому отдельный момент растворения специальной оболочки может не выявляться или совпадать с процессом дегидратации полости спорангия. Изменения в строении спородермы постепенно подготавливают оболочку спор к дегидратации. Микроспора семенных растений при растворении каллозы откладывает под эктэкзиной слой эндэкзины и/или апертурную пробку, которая позволяет поддерживать форму и объем микроспоры при попадании её в жидкую среду полости пыльника. При высыхании полости пыльника эндэкзина сильно уменьшается в объеме. Зрелая спородерма имеет отверстия в экзине, но пыльцевое зерно продолжает сохранять жизнеспособность поскольку интина нигде не прерывается. При прорастании, споры разрывают экзину и показываются наружу, активно достраивая интину. Только после первого экзоспорического митоза начинает функционировать клеточная стенка. При эндоспорическом митозе пыльцевая трубка начинает прорастать через сформированную апертуру и заменяет интину на клеточную стенку. Таким образом, при замене желеобразной каллозы на жидкость полости пыльника работает эндэкзина. При высыхании полости пыльника, важнейшее значение приобретает интина. При прорастании у спор работает интина, а у пыльцевых зерен – клеточная стенка. Однако имеется много растений пыльцевые зерна которых практически не имеют эндэкзины. Именно эти растения проходят момент растворения каллозы без изменений в строении экзины, закладывая интину раньше, до стадии вакуолизации. Данная работа делает акцент на темпоральной составляющей процесса развития спородермы. Такой подход позволяет не только оценить красоту и сложность архитектуры спородермы, но дать функциональное объяснение тем или иным структурам и деталям её строения. | ||
| 2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Структурные основы критических фаз в развитии мужского гаметофита цветковых растений. |
| Результаты этапа: Мужские гаметофиты семенных растений или пыльцевые зерна одеты специализированной и сложноустроенной оболочкой – спородермой. Спородерма состоит из экзины, построенной из спорополленина, самого стойкого биополимера в природе и интины, полисахаридного слоя сложного состава, аналогичного клеточной стенке растений. Известны два типа экзины: однослойная и двухслойная экзина. Морфологически, наружная или эктэкзина имеет столбиковое строение, редко бывает гранулярная или гомогенная или другой архитектуры. Внутренняя экзина или эндэкзина, гомогенная или ламеллятная. Однослойная экзина по всем параметрам соответствует эктэкзине. В процессе развития однослойная экзина также ведет себя как эктэкзина. Эндэкзина развивается как надстройка, закладывается и развиваться позднее эктэкзины. Для спор характерен другой порядок формирования слоев спородермы. Спорополленин-содержащие слои экзина и перина формируются центробежно, а свободная от спорополленина интина формируется одновременно с наружной периной (Polevova et al., 2019). При микроспорогенезе выделяют следующие фазы развития мужского гаметофита: формирование каллозной оболочки вокруг материнских клеток микроспор (МКМ), мейоз, формирование тетрады гаплоидных микроспор, растворение каллозы и высвобождение микроспор, вакуолизация микроспор, первый (неравный или асимметричный) митоз – формирование двухклеточного пыльцевого зерна, второй митоз – формирование трехклеточного пыльцевого зерна, рассеивание зрелых пыльцевых зерен (двухклеточных или трехклеточных), прорастание пыльцевой трубки на рыльце пестика. Критическими следует признать моменты, когда микроспоре или пыльцевому зерну приходится пережить значительную смену своего собственного состояния и/или состояния внешней по отношению к нему среды. В этом любой растительной клетке помогает её оболочка, которая с одной стороны выполняет функцию опоры, поддерживает определенную форму и положение клетки, а с другой стороны является барьером и фильтром для транспорта веществ внутрь и изнутри клетки и всего мужского гаметофита в целом. Первый критический момент, это мейоз. Надо правильно поделиться на четыре сестринские микроспоры, чтобы все они не потеряли жизнеспособности и функциональности. Это достигается, в том числе, строительством каллозной оболочки, которая надежно защищает и изолирует материнскую клетку микроспоры (МКМ) и сестринские микроспоры от внешней среды. Такая защита очень эффективна, т.к. позволяет успешно проходить мейоз в самых неблагоприятных условиях, например, зимой при низких температурах, которые к тому же могут сильно меняться и часто переходить точку замерзания воды. Тополь – пример хорошего преодоления подобных трудностей (Polevova 2020, в печати). Второй момент – растворение каллозы. Микроспоры лишаются мощной защитной оболочки и могут рассчитывать только на свои силы. Здесь, начинает играть свою роль спородерма, состоящая к этому моменту из экзины. При этом микроспоры с двухслойной экзиной имеют в наружной оболочке эктэкзине отверстия – апертуры, а внутренняя оболочка эндэкзина у них непрерывная. Эндэкзина в местах апертур имеет линзовидное утолщение рыхлоламеллятного или гранулярного строения – апертурную пробку, которая компенсирует отсутствующую в этом месте эктэкзину. Микроспоры с однослойной экзиной вынуждены начать строительство не содержащей спорополленин оболочки – интины на значительно более ранних этапах, сразу после растворения каллозы, чтобы иметь возможность формировать апертуры. Отложение интины начинается в апертурах как наиболее уязвимых местах (Полевова, Клюева, 2020 в печати). Третий момент – вакуолизация и первый митоз, т.е. формирование собственно мужского гаметофита. В протопласте микроспоры происходят не менее драматичные процессы – формирование и ресорбция центральной вакуоли и связанный с этим процессом первый митоз. На этом этапе микроспора и пыльцевое зерно резко меняют водно-солевой баланс и становятся очень чувствительными к ионной силе растворов в полости пыльника, что особенно хорошо заметно при жидкостной фиксации пыльников. Очень часто не удается так подобрать содержание ионов в растворе, чтобы избежать плазмолиза. Обмен веществ с жидкой средой полости пыльника происходит очень активно либо через апертурную пробку двухслойной экзины, либо через апертурные сайты при однослойной экзине (Полевова, Клюева, 2020 в печати). Четвертый момент – высыхание полости пыльника и общая дегидратация (созревание) пыльцевого зерна для встречи с иссушающим воздействием воздушной среды. На этом этапе спорополлениновая оболочка играет роль пассивной защиты (не пропускает растворы и газы) и опоры (держит форму пыльцевого зерна и содержит пыльцевой клей и трифину), а интина обеспечивает биологические функции – сигнальные (диффузия водных растворов). Морфологически это выражается в прорывании интиной апертурной пробки и формировании апертурной мембраны у пыльцевых зерен с двухслойной экзиной. При однослойной экзине интина утолщается еще сильнее и интенсивнее. Дегидратация выражается в запасании крахмальных зерен и липидных капель (реже), уменьшении мембранных структур, исчезновении вакуолей и общем загустении протопласта вегетативной клетки. В этот момент на первое место выходит проблема потери воды и связанная с этим потеря жизнеспособности пыльцевого зерна. На уровне спородермы проблема решается уменьшением площади контакта водопроводящей интины с воздухом, гармомегатными движениями и развитием различного рода оперкулумов. Пятый момент – прорастание пыльцевой трубки на рыльце пестика. Исход мужского гаметофита из компартмента спородермы, доставление спермиев к яйцеклетке происходит уже под защитой тканей гинецея, что снимает проблемы водного обмена и механической защиты, но ставит задачи узнавания и ориентирования спермиев к яйцеклетке и центральному ядру. Эти процессы связаны только с полисахаридной клеточной стенкой, которая может быстро достраиваться для роста пыльцевой трубки и легко разрыхляться для обмена информацией и высвобождения спермиев. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".