Эмбриологическая характеристика видов рода Citrus L.

Длительный эволюционный путь, в процессе которого цитрусы подверглись усложнению, вызванному естественными мутациями и генными рекомбинациями, обусловил большое разнообразие их форм, встречающихся в настоящее время в мире. Во многом предопределила сложность природы цитрусовых их биологическая, особенность - возможность беспрепятственных скрещиваний, как близкородственных, так и отдаленных.
Тычинка. Микроспорогенез. Тычинка цитрусовых представлена тычиночной нитью и пыльником, состоящим из двух пар пыльцевых мешков, соединенных связником. Стенка пыльника состоит из эпидермиса, эндотеция, промежуточного слоя и тапетума, граничащего с клетками археспория. На ранних стадиях развития пыльника археспориальные клетки отличаются своими большими ядрами и ядрышками, густой цитоплазмой. По мере дальнейшего развития пыльника клетки археспория становятся материнскими клетками пыльцы. Микроспороциты окружены таблитчатыми с темноокрашенной цитоплазмой клетками тапетума. Тапетум в основном однослойный. На ранних этапах развития клетки тапетума одноядерные. Прежде чем материнские клетки достигнут середины профазы ядро каждой тапетальной клетки приступает к делению. Позже отдельные их ядра делятся снова. Наибольшей величины клетки тапетума достигают в период прохождения мейоза в материнских клетках пыльцы. Среди них наиболее часто встречаются четырехъядерные клетки. Некоторые клетки наряду с диплоидными несут полиплоидные ядра, образовавшиеся вследствие эндомитоза или являющиеся реституционными. У некоторых форм, например, танжеринов, активное состояние клеток тапетума сохраняется до периода формирования оболочек пыльцевых зерен.
В начале профазы мейоза вокруг материнских клеток микроспор начинает откладываться кал-лоза. При образовании тетрад клеточные перегородки между ядрами закладываются по симультанному типу. Расположение микроспор в тетрадах тетраэдрическое.
у многих форм цитрусовых отмечены нарушения правильности течения мейоза. В средней пахитене обнаруживаются асинаптические участки, образовавшиеся в результате протекания конъюгации хромосом с пониженной активностью. Встречаются инверсионные петли, причем инвертируют как хромосомные, так и хроматидные сегменты (рис. 66). Среди других перестроек хромосом отмечены транслокации. Следует отметить, что в роде Citrus L. структурные изменения хромосом играют большую роль в видообразовании.

Хромосомы, несущие перестройки, в одних случаях неспособны образовывать хиазмы и начинают преждевременно расходиться, в других между ними происходит обмен, цитологическим выражением которого служит появление в анафазе мостов, но при этом часть образовавшихся кроссоверных гамет оказывается нежизнеспособной.

Особенно часто прослеживаются нарушения в мейозе у полустерильных и стерильных форм. У стерильной вариации грейпфрута Дункан в метафазе I наряду с бивалентами имеются унива-ленты и поливаленты. Последующие фазы деления сопровождаются нарушениями в виде исключения хромосом из деления, неравномерного распределения хромосом по дочерним ядрам (рис. 67, 68). Все это приводит как к гибели отдельных микроспор, так и к образованию анеуплоидных пыльцевых зерен, жизнеспособность которых довольно низка. У мандарина уншиу в анафазах первого и второго деления наблюдаются отставания, мосты, выход хромосом за пределы веретена. Несмотря на нарушения, у большинства микроспороцитов проходит второе деление и образуются спорады. Некоторые тетрады несут микроядра и фрагменты. В дальнейшем, после освобождения микроспор из тетрад, развитие их угнетается и они гибнут. Следует отметить, что образование микроядер как результат отклонений в мейозе характерно для многих цитрусовых, причем их можно наблюдать как в тетрадах, так и в зрелых пыльцевых зернах. У грейпфрута Марш сидлесс отсутствует нормальное формирование бивалентов, кроме того, высокая стерильность обусловлена неспособностью образовывать веретено второго деления мейоза, что препятствует правильному распределению хромосом. У лайма Каджи, сладкого лайма, итальянского лимона, апельсина из Мальты, ассамского цитруса отмечено образование реституционных ядер. Высказано мнение, что причиной, обусловливающей восстановление ядер у цитрусовых, является нарушение механизма веретена. Однако нельзя не принять во внимание тот факт, что у многих цитрусовых в ходе мейоза наблюдаются отставания, примем довольно большого числа хромосом, что также может привести к восстановлению ядер и, в конечном счете, к образованию диплоидных гамет. Пыльцевые зерна, несущие нередуцированные ядра, обычно более крупных размеров (рис. 69). Они могут быть вполне жизнеспособны, чем и объясняется сравнительно высокая частота полиплоидов цитрусовых, возникающих в естественных условиях.

Мужская стерильность выявлена у ряда межвидовых гибридов: C.reticulata Blanco cv. unshiu х С. grandis (L.) Osbeck CV. Zucchctta (к-1642), C.clementine Ten. x C.grandis(L.) Osbeck cv. От Метелева (к-1664), C.grandis (L.) Osbeck cv. Asahikan x C.paradisi Macf. cv. Duncan (к-1537), C.grandis (L.) Osbeek cv. Asahikan х C.paradisi Macf. cv. Pernambuco (к-2974).
Особенно много нарушений в мейозе прослеживается у межродовых гибридов между родами Citrus и Poncirus.
Присутствие наряду с бивалентами унивалентов и поливалентов обычное явление для полиплоидных форм цитрусовых. Много неправильностей обнаруживается у них при первом и втором делениях. Часто хромосомы исключаются из деления и объединяются в группы. На стадии спорад наряду с тетрадами встречаются полиады.
На степень проявления стерильности пыльцы цитрусовых существенное влияние оказывают условия среды, в частности температурный фактор.
Цитрусовые являются растениями типичных тропиков и субтропиков. Оптимальной для нормального протекания у них редукционного деления является температура порядка 20-22 0C. В условиях влажных субтропиков Кавказа мейоз у цитрусовых проходит в основном при минимальных для него температурах. Недостаток температуры не только вызывает увеличение частоты встречаемых нарушений, но и сказывается на активности конъюгации хромосом. Уменьшение числа бивалентов, обусловленное недостаточностью термофактора, отмечено у лимона Эврика и мексиканского лайма. В то же время при температурах, близких к оптимальным, даже у форм, отличающихся стерильностью, наблюдается некоторое повышение уровня фертильности пыльцы.

Процентное отношение стерильной пыльцы у цитрусовых довольно высокое. По данным Paгxyванши, у исследуемых им различных видов цитрусовых в условиях Аллахабада (Индия) стерильность пыльцы варьировала от 3 до 86%. В условиях влажных субтропиков Кавказа, которые в климатическом отношении более суровы по сравнению с другими субтропическими районами земного шара, процентное отношение стерильной пыльцы у цитрусовых выше. Наиболее фертильные их формы в благоприятные в климатическом отношении годы образуют от 50 до 85% функциональной пыльцы. При менее подходящих для микроспорогенеза температурных условиях фертильность пыльцы резко снижается.
Развитие пыльцы у цитрусовых происходит обычным для покрытосеменных путем. После лизиса оболочки, окружающей тетраду, последняя распадается на отдельные микроспоры, у которых вскоре начинает формироваться собственная оболочка: сначала наружная - экзина, затем внутренняя - интина. Первичное ядро располагается в центре пыльцевого зерна. По мере роста и развития пыльцевого зерна оно несколько смещается к оболочке и, обычно перед раскрыванием пыльника, приступает к делению, образуя вегетативную и генеративную клетки. Вегетативная клетка более крупная, с большим округлым ядром, по размеру в 3-4 раза превосходящим ядро генеративной клетки. Ядро генеративной клетки округлое, окрашивается интенсивно. Ко времени созревания пыльцы благодаря, по-видимому, неравномерному утолщению клеточных стенок субэпидермального слоя, каждая половинка пыльника вскрывается продольной щелью. Пыльцевые зерна цитрусовых меридионально-четырехбороздноспоровые, в очертании с полюса округлые, с экватора широкоэллиптические. Пыльца липкая, желтого цвета, чем и обусловлен цвет пыльников у фертильных форм, тогда как у сортов с дефектной пыльцой, таких как апельсин Вашингтон навел, мандарин уншиу и др., пыльники имеют бледно-кремовую или белую окраску и обычно не растрескиваются. Жизнеспособная пыльца при попадании на зрелое рыльце пестика энергично прорастает. Пыльцевые трубки при своем передвижении в тканях пестика, как показали последние исследования, проходят только по межклетникам. Вегетативная и генеративная клетки входят в пыльцевую трубку вскоре после прорастания пыльцы. При передвижении в пыльцевой трубке вегетативная клетка находится вблизи генеративной, при этом может идти впереди или позади ее. Деление генеративного ядра происходит в пыльцевой трубке.
Развитие семяпочки. Макроспорогенез. Завязь у цитрусовых многогнездная. У культурных видов число гнезд в завязи колеблется в основном от 10 до 16. В каждом гнезде образуется до 12 семяпочек. Семяпочки закладываются на плаценте, первоначально в виде бугорков. Семяпочка анатропная - гемианатропная. Сформированная семяпочка состоит из зародышевого мешка, нуцеллуса и хорошо развитых наружного и внутреннего интегументов. Оба интегумента принимают участие в образовании микропиле (рис. 70).

Зародышевый мешок у цитрусовых развивается по Polygonum-типу. На ранних фазах развития семяпочки на вершине нуцеллуса под субэпидермальным слоем одна клетка начинает дифференцироваться в материнскую клетку макроспор. Материнская клетка макроспор претерпевает два последующих деления мейоза, в результате чего образуется тетрада макроспор. Расположение макроспор в тетраде линейное. Зародышевый мешок развивается из халазальной макроспоры, остальные дегенерируют. Ядро зародышевого мешка делится, образовавшиеся ядра расходятся к разным полюсам. Между дочерними ядрами появляется большая вакуоль. Затем дочерние ядра делятся, образуя сперва четырехъядерный, а затем восьмиядерный зародышевый мешок. Таким образом у цитрусовых моноспорический тип зародышевого мешка. После образования восьми ядер начинается внутренняя дифференциация зародышевого мешка, заключающая с я в образовании семи различных клеток. В микропилярной части образуются три клетки яйцевого аппарата, одна из которых яйцеклетка, две другие - синергиды. Синергиды удлиненной формы, крупные. Яйцеклетка сильно вытянута, несколько крупнее синергид. В базальной части зародышевого мешка образуются три клетки антиподиального аппарата, в центре - центральная клетка, сначала двухьядерная, затем, после слияния полярных ядер, одноядерная. В некоторых семяпочках может образоваться более одного зародышевого мешка, но из них только один развивается в функциональный.
У цитрусовых макроспорогенез начинается позже, чем микроспорогенез. Разрыв между ними во многом обусловлен температурным фактором. При соответствующих температурах большого расхождения между микро- и макроспорогенезом у цитрусовых нет. Высокую склонность к протерандрии цитрусы проявляют в условиях влажных субтропиков Кавказа, что в основном связано с температурным фактором. Пыльцевые трубки до созревания яйцевого аппарата могут задерживаться в клетках обтуратора. В зародышевый мешок входит одна пыльцевая трубка и изливает свое содержимое между яйцеклеткой и вторичным ядром. При этом один из спермиев вступает в контакт с яйцеклеткой, другой сливается со вторичным ядром, после чего начинается активное развитие эндосперма. О двойном оплодотворении у цитрусовых одним из первых сообщил Токсопеус, обнаруживший триплоидный эндосперм у некоторых диплоидных форм. Оплодотворение происходит спустя 2-4 нед. после опыления. Оплодотворенная яйцеклетка приступает к делению спустя 2-4, а иногда и 8 нед. после оплодотворения. Первая перегородка при образовании двухклеточного зародыша проходит поперечно. Затем, в результате ряда последовательных делений, из апикальной клетки возникает зародыш, из базальной - подвесок. В редких случаях от одной оплодотворенной яйцеклетки могут развиться два зародыша. Среди культурных видов цитрусовых только у мандаринов отмечены сидячие зародыши.
Полиэмбриония. Многие представители цитрусовых способны образовывать апогамно добавочные зародыши. Как полагают, это свойство они приобрели в процессе эволюции в периоды, когда половое воспроизведение было затруднено или невозможно. Степень полиэмбрионии у них неодинакова. По способности образовывать адвентивные зародыши цитрусы подразделяются на слабо многозародышевые и сильно многозародышевые. В этом отношении на первом месте стоят мандарины, на втором - апельсины и грейпфруты, на третьем - лимоны, лаймы и цитроны. Цитрусовые, склонные к полиэмбрионии (нуцеллярной), гетерозиготны в отношении признака образования нуцеллярных зародышей. Число зародышей в семени в случае полиэмбрионии сильно варьирует, причем в пределах не только сорта, но и одного дерева. Полиэмбриония может быть детерминирована действием доминантного гена.
Полиэмбриония у померанцевых носит индуцированный характер и связана с процессом оплодотворения. Добавочные зародыши образуются из клеток нуцеллуса. После оплодотворения, перед тем как оплодотворенная яйцеклетка претерпевает первое деление или вскоре после этого, в нуцеллусе, в основном в микропилярной части зародышевого мешка, обнаруживаются крупные клетки с большими ядрами и плотной цитоплазмой. Часть этих клеток приступает к интенсивному делению, образуя колонии клеток, которые постепенно врастают в зародышевый мешок. Различие полового и адвентивного зародышей заключено лишь в отсутствии подвеска у последнего. Между половым и адвентивными зародышами существует сильное соперничество, в основном из-за питательных веществ. Выживание полового зародыша при этом, по мнению некоторых авторов, связано с его наиболее ранним по времени формированием и расположением в зародышевом мешке, с количеством возникших дополнительных зародышей и с генетической конституцией скрещиваемых компонентов (рис. 71).

Выживание или гибель полового зародыша во многом предопределяется действием генетического фактора. Аномалии, обусловленные внутренними факторами, наблюдаемые при генезисе мужских половых клеток, по всей вероятности, имеют место и при образовании и развитии женских гамет. Несбалансированность хромосомных комплексов является причиной как гибели яйцеклеток, так и угнетенного развития половых зародышей. Угнетенно развивающиеся половые зародыши менее жизнеспособны по сравнению с дополнительными зародышами, обладающими сбалансированным хромосомным комплексом материнского растения. Большей частью они погибают уже в начале своего развития. Поэтому у большинства сортов с выраженной в той или иной степени стерильностью пыльцы процент семян с гибридными зародышами незначителен. При скрещивании мандарина уншиу с различными видами и разновидностями рода Citrus из образовавшихся сеянцев в среднем около 3,4% оказываются гибридными, остальные имеют нуцеллярное происхождение. При межродовом скрещивании C.reticulata Blanco (мандарин уншиу) х P.trifoliata (L.) Raf. гибридность значительно выше (42,4%). В условиях влажных субтропиков Кавказа процент семян с гибридными зародышами у мандарина уншиу колеблется от 10 до 20.
Эндосперм. У цитрусовых ядерный тип эндосперма. После двойного оплодотворения первым делится первичное ядро эндосперма. В результате первого и последующих лечений образуется много свободных ядер, которые располагаются в пристенной части зародышевого мешка, оставляя незаполненной центральную полость, занятую вакуолей. Свободно лежащие ядра эндосперма имеют самую разнообразную форму: округлую, овальную, амебоидную, Т-образную, гантелевидную. Обычно в ядрах эндосперма наблюдается несколько ядрышек различной величины. У ядер эндосперма, находящихся в микропилярной зоне, имеется в основном 1-2 крупных ядрышка, тогда как у ядер, находящихся в халазальной части, ядрышки мелкие и их довольно много. Ценоцитная стадия эндосперма не сразу сменяется клеточной. Так, по наблюдениям Бачи, свободноядерная стадия имела место спустя 67 дней после опыления. Эндосперм является питательной тканью. На поздних стадиях он, так же как нуцеллус, исчезает.