Ш. ТОПАЛЭ, д-р биол. наук
Национальный научно-исследовательский институт винограда и вина Республики Молдова
Ключевые слова: таксоны, кариотип, род семейства, набор хромосом, морфология
Key words: taxons, karyotype, genus of family, chromosome complement, morphology
Кариологические исследования представляют большую ценность для систематики, поэтому они необходимы прежде всего для систематических построений и выяснения систематического положения отдельных таксонов. Для кариологической характеристики таксона используют термин кариотип. Степень различимости кариотипов разных видов Vitaceae не всегда одинакова, но во многих случаях кариотип служит надежной характеристикой для решения различных задач систематики.
Учитывая явную недостаточность сведений по кариологии Vitaceae, мы изучали более 50 дикорастущих видов, принадлежащих к 7 родам семейства VitaceaeJuss.
В состав рода Cyphostemma Alst. входит 230 видов. Кариологически этот род мало изучен. Из него мы исследовали 3 вида, резко отличающиеся от других видов семейства VitaceaeJuss. не только по морфологическим признакам, но и по кариотипическим особенностям (крупные размеры хромосом, небольшое число их в наборе с хорошо выраженной индивидуальной морфологией).
Установлено, что Cyphostemmanjegereимеет в соматическом наборе 22 хромосомы, тогда как С. adenopodum и C.jutae— соответственно 24 и 26 хромосом. Небольшие хромосомные числа, морфологические признаки растений (густое опушение побегов, листьев, соцветий и ягод), примитивный тип строения генеративных органов свидетельствуют о принадлежности этих видов к древнейшим представителям семейства VitaceaeJuss. Показано, что по центромерному индексу в кариотипе С. njegere преобладают хромосомы с субмедианной центромерой (Р% = 48,9-32,8). Значение показателя ТР% (сумма центромерных индексов) у С. njegere= 38,9%, что говорит об асиметричности кариотипа данного вида.
Полученные данные доказывают, что CyphostemmaAlst. может быть самостоятельным родом (раньше он считался секцией рода CissusL.), поскольку у видов рода CissusL. наблюдается другой кариотип.
Род Cissus L. насчитывает 319 видов. Кариологически он также мало изучен. Мы определили число хромосом и исследовали кариотипы 5 видов рода CissusL. В соматическом наборе выявлены хромосомные числа 2n = 24 (для CissuscactiformisGilg., C. DiscolorBlume, C. Sp. Nr 32); 2n = 30 (для C. Striata Ruiz, et Pav.) и 2n = 40 (для C. antartica Vent.). Показано, что кариотипы изученных видов рода CissusL. различаются по числу и морфологии хромосом. Спутники и вторичные перетяжки в кариотипах не обнаружены. Дифференциация видов в роде CissusL. шла, по-видимому, через гибридизацию, гетероплоидию и полиплоидию. Кариологические данные довольно четко подтверждают обособленность рода CissusL. от рода CyphostemmaAlst. и в то же время свидетельствуют о примитивности обоих родов семейства Vitaceae Juss.
Род Rhoicissus Planch, насчитывает 12 видов. Из них 2 вида мы проанализировали кариотипически. Установлено, что в соматическом наборе Rhoicissusrhomboideaи R. sericea содержится 40 хромосом. В целом, хромосомы мелкие, метацентрические и субметацентрические. Следовательно, кариотип рода Rhoicissus характеризуете я одним основным числом хромосом — х = 20; виды рода имеют близкие кариотипы как по числу, так и по морфологии хромосом. Дифференциация видов шла, вероятно, через структурные изменения хромосом и гибридизацию.
Род Tetrastigma Miq. включает 120 ви дов. Кариологически он мало изучен. Из общего состава рода к настоящему времени исследовано всего 5 видов — 2n = 22, 44, 52. Кариологически мы проанализировали Г voinierianum (2n= 44) и Т. planicaulum(2n = 52). Для рода TetrastigmaMiq. характерны два основных числа: х = 11 и х =13. Следовательно, изученные нами виды — естественные полиплоиды. Дифференциация видов в роде Теtrastigmа шла, вероятно, за счет полиплоидии и гибридизации.
Род Ampelopsis Michx. насчитывает 24 вида. Кариологически мы проанализировали 8 видов. У всех изученных таксонов в соматических клетках имеется 40 хромосом, за исключением Ampelopsisthumbergi(Sieb. et Zucc.) Top., в кариотипе которого обнаружено 38 хромосом, что согласуется с данными V. Mitsukuri и М. Hayashi(1953). Кроме того, у этого вида выделена одна пара хромосом-спутников. Стабильность основного числа, малые различия между видовыми кариотипами свидетельствуют о том, что дифференциация видов в роде Ampelopsis происходила за счет структурных изменений хромосом и, возможно, гибридизации.
Род Parthenocissus Planch, включает 19 видов. Мы изучили морфологию и размеры хромосом 7 таксонов. Все они оказались диплоидами (2n = 40). Кариотипы рода Parthenocissus очень близки. Общность кариотипических признаков видов этого рода дает основание говорить о тесных филогенетических связях между ними и их монофилетическом происхождении. Дифференциация видов в роде происходила, вероятно, за счет структурных изменений хромосом и гибридизации.
Род Vitis L. включает 70 видов и в кариотипическом отношении изучен гораздо шире, чем другие роды семейства VitaceaeJuss. (до 50% видов). Мы детально исследовали 24 вида подрода Euvitis и 3 клона вида VitisrotundifoliaMichx. У всех видов подрода Euvitis определяли хромосомное число (2n = 38) и выявили сходные кариотипы. Хромосомы мелкие, близкие по степени асимметрии. Несколько другая картина наблюдалась при изучении клонов V. rotundifoliaMichx., кариотип которого в отличие от видов подрода Euvitis включает 40 еще более мелких хромосом.
В целом представители рода Vitis характеризуются, с одной стороны, наличием двух основных чисел (х = 19 и х = 20), что соответствует подродам Euvitis и Muscadinia, а с другой — значительной однотипностью морфологии хромосом в наборах разных видов. Следовательно, кариология рода Vitis четко подтверждает различие между этими подродами.
В результате изучения соматических хромосом разных видов семейства VitaceaeJuss. установлено их сходство по всем параметрам, что свидетельствует об их филогенетическом родстве. Например, кариотипы Parthenocissusquinquefolia, Р. inserta, Р. henrianа идентичны как по числу, так и по морфологии хромосом. Одновременно отмечено кариотипическое сходство и у видов Ampelopsisbrevipedunculata, A. disseaty, A. serjaniefolia и др.
Вместе с тем кариологическое разнообразие в пределах семейства указывает на сложность и неоднородность его родов. Наряду с кариотипической индивидуальностью каждого исследованного вида можно выделить группы видов внутри данного рода или группы родов в рамках семейства, имеющие сходные кариотипические черты. Например, род Rhoicissus близко стоит к роду Ampelopsis. Особенно выделяется род Tetrastigma со сравнительно крупными хромосомами и большим числом их в соматических наборах (2n = 44, 52).
Анализ кариологических данных показывает, что древние виды имеют более крупные хромосомы по сравнению с видами родов Vitis и Parthenocissus. Можно предположить, что у предков современных Виноградовых хромосомы были большего размера. Действительно, некоторые виды рода Cyphostemma, изученные нами и описанные В. V. Shetty (1959), Р. Lavie (1979), отличались крупными размерами хромосом. При сопоставлении кариотипов разных таксонов семейства VitaceaeJuss. мы пришли к выводу, что кариотипы родов Rhoicissus, Ampelopsis в целом сходны с кариотипом Parthenocissus как по размерам, так и по морфологии.
Интересно отметить, что кариотипы изученных видов рода Tetrastigma также выделяются большими, чем у других видов семейства, размерами хромосом. Это дает возможность провести параллель между родами Tetrastigma и Cyphostemma.
На основе наших кариологических исследований и литературных данных в рамках семейства VitaceaeJuss. мы предлагаем различать две совокупности родов: во-первых, гомогенную, включающую роды AmpelopsisMichx., AmpelocissusPlanch., ClematicissusPlanch., LandukiaPlanch., RhoicissusPlanch. ParthenocissusPlanch., VitisL, характеризующиеся постоянным кариотипом из 40 хромосом, за исключением подродов Euvitis и Ampelopsisthunbergi (Sieb. et Zucc.) Top. (2n = 38); во- вторых, гетерогенную, включающую роды CissusL, CayratiaJuss., TetrastigmaMiq., CyphostemmaAlst., виды которых отличаются большим разнообразием основных хромосомных чисел и кариотипом, состоящим из сравнительно крупных хромосом. Им также присуща тенденция к полиплоидизации. В этой совокупности род Cayratia, вероятно, играл роль связующего звена между родами Tetrastigma и Сур hosternmа, с одной стороны, и Виноградовыми с 40 хромосомами, с другой. В длительной и сложной эволюции Vitaceae эти две совокупности, по-видимому, представляют основные ветви развития.
Кариологические данные с большой достоверностью подтверждают, что наиболее древними родами семейства VitaceaeJuss. являются Cyphostemma и Cissus, о чем свидетельствуют и морфологические признаки. Многие виды этих родов обладают очень простым и примитивным строением с одним мясистым стеблем без нормально развитых листьев и корневой системы (например, стебельный суккулент Cyphostemmajuttae).
Однако, согласно многочисленным фактам (прежде всего, кариологические данные), морфологические признаки подводят нас к мысли, что именно род CissusL. — прародитель остальных Виноградовых. В процессе эволюции Виноградовых этот род занимал центральное место в ареале, исполнял роль узлового рода, от которого в результате мутаций, гибридизации и постепенной дивергенции признаков произошли все остальные роды семейства Vitaceae.
Из этого следует, что семейство VitaceaeJuss. — афро-азиатского происхождения, а его колыбелью, как и рода CissusL, были тропики и субтропики Африки и Азии.
Основной итог наших работ по кариологии Виноградовых— разработка новой классификации семейства VitaceaeJuss., основанной на филогенетическом принципе. Следует особо подчеркнуть, что в ней отражены родственные отношения и связи между различными таксонами, ход исторического развития (эволюции) семейства в целом и процесс видообразования на основе данных сравнительной морфологии и результатов кариологических исследований. Приведены объем семейства, родов и подродов; хромосомные числа, характерные для видов, соответственно входящих в род или подрод; дана детальная классификация рода VitisL. и вида VitisviniferaL, вплоть до convar. Однако главное состоит в том, что в предложенной классификации роды расположены в соответствии с наиболее вероятным временем их происхождения.
Хромосомные числа — одна из важнейших кариологических характеристик видов Линнея, его сортов, гибридных форм. В последнее время при решении ряда трудных вопросов их все шире используют в практической селекции. В насаждениях бывшего Советского Союза находилось около 2000 сортов винограда, из них свыше 1200 — местные. К 1965 г. в мире исследовали число хромосом менее чем у 100 сортов винограда. Большинство исследователей приводят для винограда гаплоидное (n = 19) и диплоидное (2n = 38) число хромосом (Nebel, 1929; Hyrayanagi, 1929; Ghimpu, 1929; Negrul, 1929; Olmo, 1937). Наряду с диплоидными сортами выявлены и тетраплоидные формы с числом хромосом 2n = 76 (Nebel, 1929; Branas, 1932; Olmo, 1937; deLattin, 1940; Якимов, Ковшова, 1968; Голодрига, Коробец, Топала, 1970; Руденко, Зоткин, 1971).
Исследователи попытались в рамках Европейского материка провести цитологический анализ существующего многообразия сортов европейско-азиатского винограда с целью выявления по возможности всех полиплоидных форм и цитологических химер с последующим изучением их в морфологическом и цитогенетическом аспектах.
Определение числа хромосом — единственно достоверный критерий, на основании которого можно судить о плоидности генотипа. Мы изучили этот показатель у большого числа сортов и клонов винограда в разных географических областях европейско-азиатской части СССР и различных стран мира, включая несколько сортов из Китая. Сорта европейско-азиатского винограда в подавляющем своем большинстве оказались диплоидами с числом хромосом 2n = 38. В местном сортименте Молдовы, Румынии, Дона, Поволжья, Грузии, Туркмении, Таджикистана, Испании, Португалии, Венгрии, Австрии, Италии,
Югославии, Греции, Сирии, Китая не обнаружен ни один полиплоидный сорт или миксоплоид. Тетраплоидные сорта и цитохимеры диплоидно-тетраплоидного состава выявлены среди французских, немецких, болгарских, крымских, азербайджанских и узбекских сортов.
Предположив, что отсутствие семян у так называемых кишмишных сортов винограда можно объяснить триплоидией, мы исследовали 27 бессемянных сортов и клонов винограда, из которых 26 оказались диплоидами (2n = 38). Только Кишмиш белый крупноягодный в соматическом наборе содержал 2/з = 76, и, таким образом, был единственным спонтанным тетраплоидом. Об этом ранее сообщали Л. М. Якимов и Г. А. Ковшов (1968), а наши исследования на материале ампелографической коллекции ИВиВ «Магарач» подтвердили это.
Наибольшее количество тетраплоидов обнаружено в сортогруппе Шасла, причем полиплоидную природу сортов Шасла гро Куляр розовая, Шасла диамант и Шасла бернардская мы установили впервые.
На основании числовых характеристик и морфологических особенностей хромосом ряда сортов винограда построена кариограмма VitisviniferaL, и хромосомы разделены на 4 типа: во-первых, 2 пары метацентрических равноплечих хромосом с локализованной медианно центромерой; во-вторых, 9 пар субметацентрических неравноплечих хромосом с более коротким плечом, редуцированным до размера маленькой головки с субмедианным расположением центромеры; в-третьих, 7 пар акроцентрических хромосом с медианным расположением центромеры, оба плеча редуцированы до размера маленькой головки; в-четвертых, одна пара хромосом- спутников, у которых центромера локализована примерно медианно.
На метафазных пластинках хромосому- спутника редко удается увидеть, так как она небольшого размера и довольно быстро обесцвечивается.
Дикий лесной виноград VitissilvestrisGmel., сохранившийся с третичного периода до наших дней, — один из древнейших представителей цветковых растений. Учитывая его большую значимость для решения некоторых задач селекции и теоретических вопросов, касающихся происхождения культурного винограда и его эволюции, мы в течение ряда лет исследовали различные по географическому происхождению дикие формы — крымские (ДФ-1, ДФ-4, ДФ-5), молдавские (ДФ-13, ДФ-14 из Унгенского района, ДФ-28, ДФ-43 из Хынчештского района). Все они оказались диплоидами (2/3 = 38). При этом обнаружено большое сходство между кариотипами V. viniferaL. и V. silvestris Gmel., что указывает на их близкородственные связи.<
В ампелографической коллекции МолдНИИВиВ представлены наиболее известные сорта американского вида VitislabruscaL. Главная отличительная особенность этого вида — слизистая мякоть ягоды с характерным лисьим привкусом. Несмотря на широкий спектр изменчивости морфологических признаков, в соматическом наборе все сорта содержат 38 хромосом.
На основании собственных исследований и данных других авторов (Hirayanagi, 1929; Shetty, 1959; Lavie, 1970) мы пришли к выводу, что кариотип вида V. labruscaL., как и других видов подрода Euvitis, характеризуется высокой стабильностью, а дифференциация морфологических признаков внутри вида происходила, по-видимому, за счет межвидовой гибридизации и структурных изменений хромосом.
Итоги кариологического исследования сортового фонда винограда, сосредоточенного в ампелографических коллекциях МолдНИИВиВ и ВНИИВиВ «Магарач», свидетельствуют о том, что среди изученных 1977 сортов и клонов винограда, относящихся к ботаническим видам V. viniferaL., V. silvestrisGmel., V. labrusca L, для более чем 1900 форм число хромосом мы установили впервые. Оказалось, что подавляющее большинство сортов винограда — диплоиды. Выявлены также тетраплоиды с соматическим числом хромосом 2п = 76 и диплоидно-тетраплоидные цитохимеры, содержащие в апикальной меристеме активно растущих побегов клетки с диплоидным (2п = 38) и тетраплоидным (2п = 76) набором хромосом.
Следовательно, спонтанно возникающие тетраплоидные формы — явление чрезвычайно редкое у винограда. Возможно, это объясняется принадлежностью винограда к древесным растениям, среди которых, как известно, полиплоидные формы встречаются достаточно редко (Стеббинс, 1956).
Огромное разнообразие морфологических признаков у культурного винограда обусловлено, вероятно, различиями в структуре хромосом, а не изменениями кариотипа в целом (число, форма и размеры хромосом). Сорта культурного и экотипы лесного винограда на хромосомном уровне существенно не отличаются; наоборот, наблюдается сходство между ними, что свидетельствует о близкородственных связях и указывает на вероятное происхождение первых (древних) культурных форм VitisviniferaL. от различных экотипов дикого лесного винограда VitissilvestrisGmel.
Результаты сравнительных морфологических исследований различных экотипов лесного винограда; диких видов, относящихся к различным родам семейства VitaceaeJuss. из Северной и Центральной Америки, Африки, Мадагаскара, Азии и Австралии, и огромного многообразия сортов европейско-азиатского винограда, произрастающих в крупнейших ампелографических коллекциях Европы, наводили некоторых ученых (С. И. Коржинский, 1904; В. Л. Комаров, 1936) на мысль о полифилетическом происхождении культурного винограда. Однако наши кариологические и палинологические данные свидетельствуют о тесных филогенетических связях между лесным и культурным виноградом, о близкородственных связях между различными экотипами VitissilvestrisGmel. и культурными формами VitisviniferaL. вообще. По существу, наши данные — первое экспериментальное доказательство правильности монофилетической гипотезы происхождения культурного винограда от различных экотипов лесного винограда VitissilvestrisGmel., выдвинутой Ч. Дарвиным (1859) и поддержанной Н. И. Вавиловым, Π. М. Жуковским, А. М. Негрулем и др. Наряду с этим показано, что с точки зрения цитогенетики пути возникновения и эволюции видов подрода Euvitis и Muscadinia принципиально отличаются, на что указывают прежде всего отдаленные филогенетические связи (нескрещиваемость видов в естественных условиях обитания и свободного опыления даже в тех случаях, когда их ареалы контактировали или перекрывались), несмотря на сходство ряда признаков у видов обоих подродов (например, величина и форма пыльцевого зерна, три зародышевые поры, толщина и одинаковая скорость роста пыльцевых трубок и др.).
Как виды подрода Euvitis с числом хромосом 38, так и виды подрода Muscadiniaс 40 хромосомами происходят, несомненно, от одного и того же предка в результате естественной полиплоидизации и гибридизации. Виды подрода Euvitis с 38 хромосомами условно можно рассматривать как аллополиплоиды, поскольку в их происхождении определенную роль играла, вероятно, и межвидовая гибридизация. Виды же подрода Muscadinia с 40 хромосомами, наоборот, можно рассматривать как аутотетраплоиды, если принять во внимание, что основное число хромосом не только для многих родов (Ampelopsis, Rhoicissus, Parthenocissus, Ampelocissus) подрода Muscadinia, но и для семейства в целом принято считать 10 (х = 10).
Проведенные многолетние исследования позволяют заключить, что эволюция культурного винограда, как и других видов рода Vitis L., шла на диплоидном уровне, при этом важную роль сыграли искусственный и естественный отборы, генные и хромосомные мутации, рекомбинации генов и высокая адаптивность большинства генотипов. В формировании богатейшего сортимента V. viniferaL. роль полиплоидии незначительна из-за особенностей агротехники винограда, способа его размножения и принадлежности к древесным растениям, хотя полиплоидные формы возникали и возникают во всех областях ведения культуры.
По нашим данным, гигантизм сорта, выражающийся в крупных размерах ягод и гроздей (а таковых в мировом генофонде более 100 сортов, особенно много в Средней Азии, Турции, Болгарии; например, Катта-Курган, Нимранг, Чарас, Чауш, Карабурну, Тайфи розовый, Тай фи белый и др.), чаще всего не связан с удвоением числа хромосом (аутотетраплоидия), и, следовательно, по этим признакам невозможно отобрать полиплоидные сорта, не подсчитав число хромосом. Однако гигантизм внутрисортовых клонов, характеризующихся крупными ягодами и гроздями (независимо оттого, крупноягодный основной сорт или нет), обусловлен, как правило, удвоением числа хромосом.
Изученные нами тетраплоидные формы винограда отличались от исходных форм большими гроздями обычно в середине с перехватом, крупным размером ягод и семян, крупными слабо- или среднерассеченными, широкими, толстыми, темнозелеными листьями, большим размером цветков (завязь, пестик, пыльник), пыльцевыми зернами, утолщенными побегами с укороченными междоузлиями, придающими специфичность габитусу растения. Характерно, что признаки, свойственные полиплоидным формам, одинаковы в различных зонах виноградарства (США, Франция, Узбекистан, Россия, Крым, Молдова, Болгария(. Следовательно, можно полагать, что в естественных условиях образование и развитие спонтанно возникающих полиплоидных форм у разных сортов вида Vitisvinifera L, как и у других культур, протекают в соответствии с законом гомологических рядов в наследственной изменчивости (Вавилов, 1967).
На большом и разнообразном фактическом материале совместно с научным сотрудником ИВиВ «Магарач» П.В. Коробцом мы разработали методы визуальной диагностики спонтанно возникающих полиплоидов в промышленных насаждениях и полиплоидных сеянцев в семенных популяциях от само- и свободного опыления цветков, в прямых и реципрокных скрещиваниях диплоидов с тетраплоидами.
Для распознавания полиплоидов в насаждениях следует использовать размеры ягод и гроздей, особенности жилкования листьев, число главных жилок листа, форму и размер пыльцевых зерен, характер роста побегов у взрослых растений, величину листьев, а в семенных популяциях — морфологические особенности сеянцев в фазе первых настоящих листьев, степень закрытия черешковой выемки и другие признаки, по которым предварительно отбирают полиплоидные побеги или сеянцы. Однако для точного определения плоидности каждого побега или сеянца, безусловно, необходим прямой подсчет числа хромосом.
Результаты исследований свидетельствуют о перспективности применения цитологического метода в селекции винограда, с помощью которого на ранних стадиях можно отобрать полиплоидные побеги в насаждениях, три- и тетраплоидные сеянцы в гибридных и смешанных популяциях, выращенных из семян от свободного опыления и инцухта полиплоидных клонов. Главное же отличие состоит в том, что с помощью этого метода можно отделить отдаленные гибридные сеянцы с 2n = 39 от таковых с 2n = 38.
