В связи с тем, что применение гаметоцидов имеет целью индукцию мужской стерильности растений, для выяснения предполагаемых механизмов действия веществ с гаметоцид-'ной активностью необходима сравнительная оценка и анализ морфологических, цитологических и физиолого-биохимиче-ских различий фертильных растений и линий с ЦМС. Сравнительная анатомия и биохимия тканей пыльников нормальных и стерильных растений свидетельствуют, что абортивность развивающихся пыльцевь»х зерен является результатом включения или выключения более чем одного механизма, а также нарушений регуляторных процессов на различных уровнях 6
контролирования метаболических путей [62, 94, 98, 111]. Отмечено, что у всех изученных линий с ЦМС 90% растений обла^-дали нормальным ходом микроспорогенеза до определенной фазы, на которой начиналась абортивность пыльцы, и только у 10% растений анормальность проявлялась еще до стадии, обусловливающей абортивность в результате более ранних нарушений нормальных метаболических циклов. У большинства видов (около 70%) деградация микроспор приходилась на период, начиная с мейоза 1 и включая интерфазу микроспор [94].
Одной из причин, вызывающих ЦМС растений, являются функциональные нарушения в метаболизме тапетума. Тщательное изучение этой ткани у фертильных и стерильных линий, а также у восстановителей фертильности сорго показало, что у фертильных линий после мейотической профазы I тапетум быстро уменьшался в радиальной протяженности [52]. В стерильных пыльниках радиально расширенный тапетум обусловливает абортивность микроспор, и период его разрастания приходится на стадию вакуолизации микроспоры. Тапетум стерильных пыльников по протяженности (в ширине) и морфологии имеет более широкую шкалу изменчивости, чем у фертильных линий. 'Размеры ширины тапетума стерильных пыльников связывают с дегенеративными процессами в микроспорах [62, 109, 111].
•При цитологических исследованиях клонов ежи сборной с ЦМС не было отмечено отклонений в развитии пыльника в течение архиспориальной стадии и стадии материнской клетки пыльцы по сравнению с нормальными растениями [94, 117]. Первые признаки различий в развитии появлялись в начальные фазы мейоза, что выражалось в разрушении некоторых микроспороцитов, в результате чего образовывалось малое количество тетрад у растений с ЦМС. Одновременно у стерильных растений наблюдалось более быстрое дегенерирова-ние тапетума, чем у фертильных. При сравнительном исследовании микроспорогенеза и развития пыльцы у фертильных и стерильных растений льна установлено, что стерильность пыльцы у этого растения достигалась анормальным разрастанием клеток тапетума, которые медленно дегенерировали по сравнению с тапетумом фертильных растений, у которых величина этой ткани быстро уменьшалась, особенно после стадии тетрад. Очевидно, преждевременное или позднее включение деградативньгх механизмов тапетума может быть причиной функциональной мужской стерильности. У разных видов растений эти механизмы имеют свой специфический характер, что необходимо учитывать при подборе гаметоцидов, их доз и сроков обработки.
• Цитологические исследования пшеницы показали, что на клеточном уровне ЦМС выражается в уменьшении размеров и числа органелл, характеризующихся низкой физиологической активностью и довольно быстрым дегенерированием [59]. У фертильных пыльцевых зерен органеллы клеток обильны.
Различный уровень метаболической активности тапетума в нормальных и стерильных пыльниках и продолжительность его функционирования контролируется цитологами реакцией Фёльгена. Ядра клеток тапетума нормальных пыльников интенсивно окрашиваются до формирования материнской микроспоры, после чего окраска прогрессивно уменьшается по мере коллапсирования тапетума. В тканях тапетума стерильных пыльников окрашивание ядер продолжает осуществляться интенсивно после формирования тетрад и незначительно снижается в процессе развития микроспор [94]. Следовательно, функция тапетума неразрывно связана с его определенной ролью при абортивности микроспор. У нормальных пыльников тапетум получает необходимый питательный материал, поставляемый растением, и преобразует его для формирующихся микроспор, что подтверждается поступлением Фёль-ген-положительных веществ в материнскую микроспору во время мейоза [93]. Тапетум стерильных пыльников имеет более низкий уровень метаболической активности, о чем свидетельствует как низкая энзиматическая активность, так и изменение поступления Фёльген-положительного материала в спорогенные клетки в критические периоды их формирования.
В процессе 'химической индукции мужской стерильности может происходить включение тех же механизмов, что и пр.и абортивности мужского гаметофита стерильных аналогов, где стерильность обусловлена ЦМС. Обработка растений кориандра, вики и лука 0,01%-ным раствором ГМК вызывала 100%-ную стерильность у всех трех растений [60, 89, 90]. После нанесения гаметоцида на растения кориандра тапетум увеличивался и существовал вплоть до стадии вакуолизации микроспор. У контрольных растений тапетум дегенерировал после мейоза. У лука Г1МК, включался в процессы формирования пыльцы, способствуя преждевременному дегенерирова-нию спорогенной ткани и материнских клеток пыльцы. У кориандра химическое индуцирование мужской стерильности проявлялось цитологически — размер ядер не изменялся, а клетки тапетума значительно удлинялись.
Предполагают, что вмешательство различных факторов в метаболизм клеток тапетума приводит к деградации и'х содержимого и, в первую очередь, дезокоирибозидов — основ-
8
ного синтетического пула ДйК, необходимого для нормального развития материнской клетки пыльцы и микроспор. Нарушение деятельности тапетума при снабжеаии питательным ^материалом спорогенной ткани, вызванное различными причинами, обусловливает начало процессов деградации материнской клетки пыльцы [134, 137].
Цитологические исследования пыльников растений с аук-син-индуцированной стерильностью, выращенных при продолжительном освещении, показали, что химические и физические факторы могут способствовать преждевременному де-генерированию тапетума с последующим снижением нормального передвижения питательного материала к спорогенной ткани. В процессе нормального развития пыльцы в начальных (самых ранних) этапах микроспорогенеза ткани тапетума разрастаются и только после завершения формирования микроспор в материнской клетке пыльцы дегенерируют. При гормональной индукции мужской стерильности гиббереллином (ГКз) и в условиях длительного естественного освещения
•отмечена обратная корреляция во взаимодействии микроспор .и тапетума. Большинство микроспор становятся крупными, сильно вакуолизированньши, с ядром, прижатым к клеточной .стенке. Клетки тапетума образуют плотную оболочку вокруг
•полости пыльцевого мешка. Часть микроспор дегенерирует до вакуолизации, но большее их количество абортируется при цветении [94].
Аберрация микроспорогенеза в результате продленного дня, по-видимому, связана с ранним распадом клеток тапетума. Подобный эффект может быть достигнут путем обработки ауксином, высокая концентрация которого обнаружена в тканях растений при длительном фотопериоде [78]. Это подтверждает гипотезу о влиянии фотопериода на пол путем регуляции метаболизма ауксинов в растительных тканях [84, 88].
Считают также, что нарушение функций тапетума в питании развивающихся микроспор не является непосредственной и единственной причиной абортивности пыльцы [46, 107].
При сравнительных исследованиях пыльцы и развития
•пыльников линий пшеницы с ЦМС и нормальных растений установлено, что деградативные процессы в развивающихся пыльцевых зернах начинаются с несбалансированного поступления питательных веществ в тапетум в результате нарушений функциональной активности васкулярной системы тычиночных нитей [31, 32, 87]. Последние у стерильных растений имели слабо дифференцированные васкулярные тяжи (либо они отсутствовали), в то время как у нормальных тычинок сосудистые элементы были хорошо дифференцированы на
9
ксилему и флоему. Наблюдаемое снижение аккумулирования крахмала в тканях тапетума и отсутствие запасного крахмала в зрелых микроспорах является следствием редукции передвижения растворов (в частности углеводов) в тычинки стерильных растений [87]. Нарушение структуры васкулярных элементов при воздействии веществ с гаметоцидной активностью может быть одним из аспектов их действия, тем более, что обработка гаметоци.д'а'ми, как правило, сопровождается уменьшением размеров пыльников и длины тычиночных нитей [20, 59].
Преждевременное деградирование тапетума 'или. более длительное существование интактных клеток тапетума в пыльниках с мужской стерильностью, индуцированной химическими препаратами, по-видимому, является результатом взаимосвязи химически активных веществ с деградативными энзимами (несвоевременная их индукция или блокирование) [56, 60, 74].
При исследовании причин абортивности пыльцы установлено повышение активности кислых фосфатаз в тканях нормальных пыльников до стадии тетрад, после которой активность энзимтав резко снижалась с последующим дегенерирова-нием тапетума [56]. В тканях стерильных пыльников активность энзимов была гораздо ниже, и набухший тапетум раздавливал микроспоры [82].
.Подобный дисбаланс в энзиматической системе стерильных пыльников был отмечен S. Izhar и R. Frankel [82] при сравнительном изучении каллазной активности. В связи с тем, что период развития каллазной активности четко установлен во времени и имеет определенный оптимум кислотности (р.Н 5), авторы измерили invivopH различных стадий микроспорогенеза. У фертильных пыльников вплоть до поздней стадии тетрад р.Н составляла около 7, затем снижалась до 6, что сопровождалось растворением каллозы. В пыльниках растений линий с ЦМС pH обычно или низкая — тогда энзиматический распад каллозы материнской клетки пыльцы начинается раньше нормальных сроков, или высокая — тогда наблюдается сильная активность энзима, начиная с профазы 1 в течение всего мейоза, вызывая цитологические нарушения. Преждевременное повышение каллазной активности может быть причиной немедленного разрушения материнской клетки пыльцы. Торможение энэиматической активности кал-лазы блокирует распад каллозной оболочки материнских клеток пыльцы, в результате микроспоры теряют свои нормальные очертания и деградируют.