Формообразование у представителей семейства Araceae Juss. в ходе эмбриогенеза и постэмбрионального развития

• Автор: Рудский, Иван Вячеславович
• Шифр специальности: 03.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 97 с. : ил.

Содержание
1. Введение

2. Обзор литературы

2.1. Биология развития и структурное многообразие ароидных

2.1.1. Развитие зародыша и эндосперма

2.1.2. Прорастание и строение проростка

2.1.3. Разнообразие листовых органов ароидных

2.1.4. Разнообразие строения побеговой системы ароидных

2.1.5. Особенности листорасположения ароидных

2.2. Общая характеристика объектов

2.3. Механизмы формообразования
2.3.1. Механизмы формообразования на субклеточном уровне
2.3.2. Клеточные механизмы гистогенеза и органогенеза
2.3.3. Механизмы контроля формообразовательных процессов
2.4. Методология описания и интеграции структурных данных различных уровней организации
2.4.1. Графические представления структуры и процессов развития растений
2.4.2. Информационные представления морфогенетических процессов
2.4.3. Формализационные представления морфогенетических процессов
2.4.5. Интеграция данных, полученных с помощью различных представлений
2.5. Развитие современных взглядов на клеточные механизмы формообразовательных процессов и актуальность настоящей работы
3. Материалы и методы
3.1. Источники растительного материала
3.2. Микроскопические исследования
3.3. Использованная терминология при описании эмбриогенеза и строения побеговой системы
3.4. Условные обозначения, принятые в работе
4. Результаты
4.1. Объёмная реконструкция тканей и описание клеточной архитектуры
4.1.1. Полная реконструкция клеточной архитектуры образца ткани
4.1.2. Частичная реконструкция клеточной архитектуры
4.1.3. Анализ клеточных линий при изучении формообразования
4.2. Calla palustris L
4.2.1. Анатомо-морфологическое описание
4.2.2. Объёмная реконструкция образовательных тканей
4.3. Anubias helerophylla Schott
4.3.1. Анатомо-морфологическое описание
4.3.2. Объёмная реконструкция образовательных тканей
5. Обсуждение
5.1. Взаимосвязь клеточной архитектуры образовательных тканей и органогенеза
5.2. Роль клеточных линий в раннем эмбриогенезе
5.2.1. Регулярность делений клеток при образовании бластомеров
5.2.2. Регулярность делений клеток при развитии глобулярного зародыша
5.3. Роль клеточных линий в органогенезе в эмбриональном и постэмбриональном развитии
5.3.1. Закономерности распределения скорости и направленности делений клеток при образовании эмбрионального апекса побега
5.3.2. Роль клеточных линий в деятельности апекса побега
5.3.3. Роль клеточных линий в строении побеговой системы
5.4. Сепарация и гибель клеток в ходе морфогенетических процессов

6. Выводы
Благодарности
Список литературы

1. Введение
Актуальность исследования. Трансформация наследственной информации в структуру организма - это центральный вопрос современной биологии развития. В отличие от большинства животных у растений не происходит одномоментного образования основных органов тела. Однако, эмбриогенез и первые этапы постэмбрионального развития являются определяющими в структурном отношении у всех высших растений. Специфика этих этапов онтогенеза заключается в том, что у нового растения происходит закладка апикальнобазальной оси и основных образовательных тканей побега и главного корня (Яковлев, 1960; Jürgens, 2003; Laux et al, 2004). Формообразовательные процессы на последующих этапах развития обусловлены, главным образом, деятельностью и преобразованиями уже существующих меристем, которые определяют видоспецифичное анатомическое и морфологическое строение тела растения. Это даёт нам возможность рассматривать постэмбриональное развитие как комбинаторное проявление гистогенетической активности клеточеных комплексов, возникших в эмбриогенезе.
Несмотря на множество современных работ по эмбриологии и генетике развития растений, остаётся неясной степень и принципы предопределения постэмбриональных видоспецифичных образовательных процессов побеговой системы морфогенезом на первых этапах развития зародыша. Существует два основных подхода, которых можно было бы использовать для решения этого вопроса: молекулярно-генетический и классический сравнительно-анатомический.
Молекулярно-генетические подходы в современной эволюционной биологии развития строятся на выявлении регуляторных генов, активных в течение определённых этапов онтогенеза растения и поиске гомологий в организации контроля морфогенетических процессов у растений разных групп. Именно молекулярно-генетические механизмы гормонального контроля формообразования в данный момент в центре внимания многих исследователей (Doebley, Lukens, 1998; Friedmann et al, 2004). Классические сравнительные анатомо-морфологические подходы в изучении закономерностей развития клеточной и тканевой архитектуры растений основаны на выявлении гомологичных тканей и органов. Они позволили в общих чертах выявить происхождение и особенности образовательных тканей, ответственных за развитие видоспецифичных структур. К сожалению, в чистом виде ни один из этих подходов не может быть использован для выявления видоспецифичной эмбриональной детерминации образовательных процессов в побеговой системе растений. Первый - из-за ограниченности в применимости только к модельным растениям, второй - по причине трудности в идентификации и сопоставлении одноимённых структур зародыша и побеговой системы в постэмбрионалыюм развитии у многих растений (Rutishauser et al, 2008).
Таким образом, для выяснения взаимосвязи эмбриональных и постэмбиональных образовательных процессов необходимо преодолеть методические трудности обоих вышеупомянутых подходов. Мы предлагаем следующее решение. В основе морфогенетических преобразований у большинства растений лежат рост и деления клеток. Клеточные механизмы органогенеза, выражающиеся в числе и ориентации делений инициальных и дифференцирующихся клеток, являются обязательной составляющей трансформации субклеточной молекулярно-генетической наследственной информации в видоспецифичное анатомическое и морфологическое строение растения. Эти вопросы до сих пор являются мало изученными. По нашему мнению, необходимым и актуальным шагом в решении вопросов идентификации органов и преемственности образовательных процессов в ходе онтогенеза является изучение клеточных механизмов формообразования, начиная с эквивалентного для всех одноклеточного состояния — зиготы. Клеточные механизмы развития зародыша у большинства растений практически не изучены на глубину более чем 4-5 клеточных генераций. Также неизученными остаются клеточные механизмы развития апикальной меристемы побега и органогенез, особенно у однодольных, в ходе

структура апекса побега. Использование нашего метода подтвердило ранее спорные сообщения об однослойности апикальных инициалей в апексе побега однодольных (Foster, 1939; Popham, 1951).
Принципы описания клеточных механизмов органогенеза. Одной из серьёзных причин расхождения современных морфологических и молекулярно-генетических взглядов на закономерности морфогенеза, возможно, является разное понимание исследователями термина “клеточная линия”. Этот термин, начиная с работ Р. Линдона (Lyndon, 1982) и других физиологов и генетиков, понимается как совокупность клеток общего происхождения, обладающих наследуемыми характеристиками тканевой дифференцировки, по аналогии с таким же термином, существующим в цитологии животных (Stent, 1998). Любая клеточная линия растения действительно имеет свои индивидуальные молекулярногенетические характеристики, проявляющиеся в соматической генетической вариабельности, возникающей в результате мутаций при каждом делении клеток. С помощью современной вычислительной техники можно по этому критерию однозначно различать клеточные линии на глубину до 40 поколений (Frumkin et al, 2005). Однако, в настоящее время объём каждой идентифицируемой этим методом линии должен быть не менее сотен клеток. В экспериментах по применению этой вычислительной методики на A. thaliana, из-за её грубости на сегодняшний день, топология генеалогических деревьев клеточных линий совпала только с пространственным расположением образцов тканей в теле растения на морфологическом уровне организации (Frumkin et al, 2005). Если придерживаться только этой точки зрения на сущность клеточных линий у растений, то выводы многих авторов о небольшой значимости клеточных линий в формообразовании конечно можно считать справедливыми. В самом деле, достаточно давно известно, что клетки растений быстро теряют тканевую специализацию в случае ранений (Кренке, 1928) и в культуре in vitro (Laux, 2003).
В классическом понимании клеточная линия - это не только совокупность клеток общего родства, но и пространственная структура, состоящая из различных типов клеток (ткань, совокупность тканей), которую они образуют (Soueges, 1937; Wardlaw, 1956b; Boer, 1990; Korn, 2007). Именно эти цито-гистологические характеристики позволяют отличать клеточные линии друг от друга. Если придерживаться этой точки зрения, рассмотренные выше гормональная регуляция и варианты регенерации образовательных тканей свидетельствуют именно о гистогенетических потенциях клеток клеточных линий в ходе органогенеза и для восстановления нарушенной клеточной архитектуры.
Возможно, что попытки связать клеточные механизмы органогенеза и строение органов оказались не очень удачньми у упомянутых выше авторов по причине неправильного выбора структурных признаков для анализа каждого из уровней организации тела растения. Действительно, такие признаки строения тканей, как число и размер клеток, форма клеточных стенок или плоидность, считаются вторичными после указания относительного распределения клеток различных типов и числа их слоев при описании, например, древесины (Barlow, Luck, 2005) или анатомии листа (Эсау, 1969). В свою очередь, такие параметры, как размер и форма листовой пластинки имеют значение только после указания относительного расположения частей листового органа и его положения в структуре побега (Ray, 1987b).
Очевидно, что сложились два принципиально разных научных подхода, дающих разный результат: аналитический, когда по множеству данных производится поиск взаимосвязей между составляющими элементами и строится формализованная модель развития структуры, сохраняющая эти отношения, и “качественный” или “редукционистский”, когда все усилия направлены на поиск самого “низкоорганизованного” ключевого фактора (вещества), воздействие которого может повлиять нужным образом на определённую структуру более высокой организации. Мы придерживаемся первого принципа при постановке и проведении своих исследований. Немногими наиболее глубокими разработками в системном направлении исследований являются работы Т.Б. Батыгиной, где развитие зародыша рассматривается как неотъемлемая часть более общих