Весеннее развитие пыльниковых шишек (микростробилов) начинается во второй половине — в конце апреля с наступлением теплых дней, когда температура воздуха достигает довольно высоких дневных максимумов.
В это время микростробилы имеют вид овальных почек до 3 мм в высоту, покрытых чехлом сильно засмоленных коричневых чешуек. Число нормально развивающихся микростробилов на побеге различно: от 2—3 на маленьких побегах в нижней части кроны до 25—27 на больших в верхней трети кроны; в среднем на побегах имеется 12—14 микростробилов.
Под чешуйками помещается сочная светло-зеленая пыльниковая шишечка высотой около 2 мм, поверхность которой выглядит бугристой из-за расчленения выпуклостями микроспорофиллов.
В течение мая микростробилы активно растут, вследствие чего кроющие чешуи начинают расходиться. Первой высвобождается вершинка шишечки, она приобретает красноватобурый цвет, который ей придают внутренние чешуйки. Спорангни изнутри выстланы слоем питающих клеток, называемых тапетумом. Во время созревания пыльцы тапетум разрушается.
Постепенно микростробил все более и более освобождается от грубых наружных и от внутренних нежных чешуек, вырастает до размеров в — 9 мм в длину и 6—7 мм в диаметре. Зрелые микростробилы пихты сибирской имеют зеленовато-желтый цвет, иногда они на том же дереве красноватые.
После вылета пыльцы потемневшие, вялые и опустошенные микростробилы с раскрытыми спорангиями остаются на некоторое время на побеге, но затем постепенно опадают, оставляя след в виде чашечки чешуек, прикрывающих основание стробила. Позднее эти остатки теряют форму чашечки, но сохраняются еще несколько лет.
Перейдем к цитологическому описанию процессов. Клетки возникшего осенью археспория весной возобновляют свою активность. Как правило, подготовленность к мейозу с осени настолько велика, что весной предмейотический период проходит очень быстро при минимуме тепла. Уже в конце апреля — первых числах мая начинается распад археспориальной ткани на группы клеток, ядра хорошо окрашиваются, вокруг них нередко можно видеть зону прозрачной цитоплазмы. Вскоре происходит полное обособление клеток археспория и преобразование их в мейоциты. Последние имеют округлые очертания, иногда с одним вытянутым углом в виде отростка. Возможно, это остатки цитоплазматических каналов, через которые осуществлялись связи соседних клеток.
По литературным данным, у сосны начало мейоза совпадает с обособлением мейоцитов. То же самое наблюдается и у пихты сибирской. Обычно мейоз проходит в первых числах мая.
Мейоз у растений связан с чередованием поколений. Именно в мейозе происходит редукция числа хромосом, которая обеспечивает превращение диплоидного ядра (2n) в гаплоидное (n); с другой стороны, в профазе мейоза осуществляется конъюгация гомологичных хромосом, полученных от материнского и отцовского организмов. Ниже краткие сведения о мейозе изложены по А. И. Атабековой, Е. И. Устиновой (1971).
Цикл мейоза состоит из двух делений: первого — редукционного и второго, протекающего по типу митоза. Промежуточной между ними является интерфаза. Каждое из двух делений мейоза состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы, но по содержанию и внешнему проявлению они неодинаковы.
Профаза I — наиболее сложная. В течение ее различают пять этапов формирования мейотических хромосом.
Наиболее ранний этап профазы I — лептотена, характеризуется вначале беспорядочным расположением тонких нитей соматического числа хромосом (2n). В конце этапа намечается тенденция к упорядочению их расположения.
В зиготене в результате конъюгации хромосом образуются так называемые биваленты — пары гомологичных хроматиновых нитей материнской и отцовской хромосом. Начинается спирализация хромосом.
В пахитене в результате спирализации хромосомы укорачиваются и утолщаются, происходит кроссинговер или обмен участками между гомологичными хроматидами.
В диплотене укорочение хромосом продолжается, но хроматиды отдаляются друг от друга, сохраняя связь в нескольких точках, так называемых хиазмах. Конъюгация и образование хиазм обеспечивают обмен участками хроматид.
Последний этап профазы I — диакинез, характеризующийся максимальным укорочением длины бивалентов вследствие усиленной спирализации хроматид. В конце диакинеза исчезает ядрышко, ядерная оболочка растворяется.
В метафазе I заканчивается формирование митотического аппарата, образуется веретено деления, хромосомы располагаются на экваторе веретена в одной плоскости, гомологичные хромосомы ориентированы к разным полюсам. В анафазе I происходит расхождение гомологичных хромосом к разным полюсам; в телофазе I хромосомы находятся в конденсированном состоянии у полюсов.
После интерфазы наступает второе деление мейоза, включающее те же этапы, но теперь деление протекает по типу митоза. Оно заканчивается образованием тетрады спор, каждая из которых имеет гаплоидное число (n) хромосом. На этом заканчивается микроспорогенез.
Приведем некоторые наблюдения над ходом мейоза у пихты сибирской.
По характеру развития процессов весь цикл мейоза можно разделить на три периода: 1) начало мейоза, включает все этапы профазы до диакинеза; 2) апогей мейоза: диакинез, метафаза I, анафаза I и телофаза I; 3) конец мейоза, включает интерфазу и все фазы второго деления.
Наиболее продолжительна профаза мейоза. Например, в 1975 г. она длилась с 30 апреля до второй половины дня 4 мая. Остальные фазы первого деления заняли менее 2сут (со второй половины 4 до утра 6 мая). Второе деление мейоза длилось немногим более 2 сут (6—7 и часть 8 мая).
Таким образом, начало мейоза было наиболее растянутым, наиболее коротким в цикле мейоза было окончание первого деления (MI — TI).
В течение всего мейоза наблюдается неравномерность развития отдельных мейоцитов. В поле зрения микроскопа можно видеть клетки в самых разнообразных фазах развития. Более того, асинхронность деления наблюдается и в связанных между собой клетках, например одна клетка диады может быть в метафазе II, другая — в анафазе II.
Асинхронность развития мейоцитов, по-видимому, отражает неравные температурные и иные условия развития в разных спорангиях.
Во время прохождения фазы конца мейоза отмечено начало раскрывания вершинок микростробилов пихты вследствие расхождения чешуек. Раскрывание более половины стробила соответствует периоду распада тетрад. Эти признаки имеет смысл отметить как внешние знаки конца мейоза и микроспорогенеза в целом.
Развитие мейоза в разных частях одного стробила и в разных стробилах происходит неодновременно. Оно проходит быстрее в нижней и средней частях стробила и в нижних и средних стробилах побега, вероятно, в связи с их лучшим питанием.
У освободившихся из тетрад микроспор обычно очень быстро вырастают воздушные мешки. Иногда эти процессы почти сливаются во времени. Это дало основание некоторым авторам заключить, что именно давление воздушных мешков разрывает оболочку тетрады. Возможно, это имеет место при благоприятных условиях прохождения мейоза, когда микроспоры и воздушные мешки начинают быстро расти еще в пределах оболочки тетрады. В этом случае давление воздушных мешков совпадает с процессом лизиса оболочки. У пихты наблюдалось иное: в 1975 г. при холодной погоде микроспоры вышли из тетрад без воздушных мешков, последние начали рост только через 5 дней, с 15—16 мая; в 1976 г. воздушные мешки у микроспор появились через 2 дня после их высвобождения из тетрад.
Диаметр зрелых тетрад 70—80 мкм. Молодые микроспоры, естественно, мельче.
В условиях 1975 г. рост микроспор и воздушных мешков у пихты сибирской наблюдался в основном после 17 мая, спустя более недели после окончания мейоза. При более теплой погоде рост начинается раньше.
Перейдем к описанию процессов в женских почках во время их весеннего развития. После перезимовки в мае зачаток женской шишки вначале представляет собой почку высотой до 8 мм, шириной в основании около 5 мм. Смола плотно прикрывает почку и только незадолго перед опылением смоляной покров исчезает, вершинка шишечки начинает освобождаться от чешуек. Однако шишечка росла и под покровом смолы, поэтому к моменту раскрытия она достигла уже 1,5 см в длину и 0,5 см в толщину. Вершинка шишечки тупая, чешуйки прижаты. Кроющие чешуи тонкозаостренные, книзу расширены, светло-зеленые. Острый кончик кроющей чешуи по краю пленчатый, ость ее темно-зеленая. Семенные чешуи очень маленькие, едва заметные простым глазом на фоне кроющей чешуи.
В результате возобновившейся митотической активности клеток в середине мая при средней температуре 10—15° на семенной чешуе формируется семяпочка. Вначале возникает женский археспорий в виде одной крупной удлиненной клетки. Это материнская клетка мегаспоры, вокруг которой вследствие быстрых клеточных делений образуются концентрически расположенные слои клеток. Внутренние слои образуют мегаспорангий или нуцеллус, а внешние — интегумент. В целом вся эта система представляет собой семяпочку. Внешне она выглядит слабой припухлостью на внутренней стороне семенной чешуйки.
Пространство между нуцеллусом и интегументом представляет собой пыльцевую камеру. Вершина ее ограничена длинными выростами интегумента, которые в молодой семяпочке разделены узким каналом (микропиле), после же опыления они смыкаются, наглухо закрывая в камере попавшие туда пыльцевые зерна. Впоследствии из наружного слоя интегумента образуется семенная кожура. В стенках интегумента уже на ранних фазах развития формируются обширные смоловместилища.
У пихты сибирской, как и у других наших представителей семейства сосновых, семяпочка относится к крассинуцеллятному типу, т. е. она имеет мощно развитый нуцеллус.
В результате деления материнской клетки мегаспоры образуется вначале диада, затем тетрада мегаспор. Этот процесс называется мегаспорогенезом, по значению он равен микроспорогенезу в мужской сфере. Мегаспоры в тетраде расположены не линейно, а тетраэдрически. Затем три из них дегенерируют, а оставшаяся нижняя функционирует: разрастается и многократно делится. Деления протекают быстро, одно за другим, ядра располагаются вначале в периферическом слое протоплазмы, в центре же образуется большая вакуоль. Это период свободных ядер, или нуклеарный период, в развитии женского гаметофита. Продолжительность его у пихты сибирской составляет около месяца.
Затем ядра отделяются друг от друга стенками с трех сторон, оставляя возникающие клетки (альвеолы женского гаметофита) открытыми в сторону центра. Альвеолы удлиняются и делятся несколько раз, создавая клеточную ткань. В центре ее образуется неплотно сомкнутый ряд клеток (щель), пронизывающий гаметофит с одного конца в другой. Эта щель впоследствии дает начало ложу зародыша.
Ткань гаметофита вначале гаплоидна, но при образовании клеток в них попадает по два и больше ядер, после их слияния возникает полиплоидная ткань проталлиума. Ее нередко называют эндоспермом.
Растущая мегаспора окружена 1—2 слоями крупных клеток. Это тапетум — ткань, питающая женский гаметофит. Цитоплазма клеток тапетума содержит много запасных и физиологически активных веществ. Предполагают, что клетки тапетума — функционально материнские, но не развиваются до этой стадии. Ко времени образования многоядерного женского гаметофита тапетум состоит из 2—3 рядов клеток, а к периоду оплодотворения он уже дезорганизован.
Развитие женской генеративной сферы отстает от мужской, Так, мейоз в мужской шишке пихты сибирской в 1976 г. прошел 5—10 мая, а в женской — 24 мая, примерно на 20 дней позже.