5.2.1. Злиття гамет

В залежності від поведінки сперміїв при злитті їх з ядрами жіночих клітин Е.Н. Герасимова-Навашина (1957) запропонувала розрізняти два основні і один проміжний типи запліднення (рис. 14).

Премітотичний і постмітотичний типи запліднення.

Під час премітотичпого типу об'єднання ядер гамет відбувається відразу після їх контакту, тобто перед першим мітозом ядра зиготи і первинного ядра ендосперму.

При постмітотичному - об'єднання ядер наступає після початку мітозу як у ядрах жіночих клітин, так і в сперміях.

Премітотичний тип.

Приклад – Nicotiana tabacum. Під час проходження через синергіду спермії овальної форми, після попадання в жіночі клітини і контакту з їх ядрами, набувають округлої форми. В подальшому перетворення сперміїв відбуваються асинхронно. Розміри і структура спермія, контактуючого з одним із полярних ядер, швидко змінюються. Спермій збільшується в розмірах, хроматин його починає розпушуватись і занурюватись в полярне ядро. Після занурення здійснюється його деконденсація і виділяється ядерце. Коли злиття спермія з одним із полярних ядер закінчується, починається об'єднання його з другим полярним ядром. Внаслідок такого потрійного злиття утворюється первинне ядро ендосперму. Деконденсація хроматина спермія супроводжується зниженням інтенсивності реакції Фельгена. При повному злитті спермія з полярними ядрами реакція Фельгена - від'ємна.

Спермій, що контактує, з ядром яйцеклітини, довго зберігає свою форму і структуру. Його з'єднання з ядром яйцеклітини наступає значно пізніше, ніж об'єднання спермія з полярними ядрами. Цьому злиттю передує зміна структури ядра яйцеклітини. Хроматин ядра яйцеклітини, із конденсованого, переходить у більш дифузний стан, при цьому знижується інтенсивність реакції Фельгена. Спермій зазнає перетворень: ядро його збільшується в обсязі, хроматин деконденсується, виділяється ядерце. Злиття спермія з ядром яйцеклітини відбувається аналогічно із злиттям спермія з полярним ядром, але трохи пізніше. Внаслідок об'єднання ядер гамет формується нова клітина - зигота. Хроматин ядра зиготи реакцією Фельгена, деякий час, майже не виявляється.

Згодом інтенсивність реакції Фельгена посилюється, хроматин ядра знову починає виявлятись, формуються хромосоми і ядро зиготи приступає до поділу.

При премітотичному типі запліднення спермії, в процесі об'єднання з ядрами жіночих клітин, зазнають істотних змін. Ці зміни однотипні для обох сперміїв, але починаються вони неодночасно. Злиття спермія з полярним ядром починається і закінчується раніше, ніж з ядром яйцеклітини. Злиттю спермія з ядром яйцеклітини передує зміна структури цього ядра. Премітотичний тип запліднення характерний для більшості квіткових рослин.

Швидкість процесу запліднення різниться у різних рослин. У Nicotiana tabacum запліднення триває 14 годин, у Triticum - 5, у Crepis - 1 година. Швидке об'єднання сперміїв відбувається з тими ядрами яйцеклітини, які дають від’ємну або слабо позитивну реакцію Фельгена, тобто містять дифузний або слабо конденсований хроматин. Темп процесу запліднення визначається не швидкістю проникнення сперміїв у ядра жіночих клітин і деконденсацією їх фоматина (цей процес, можливо, подібний у різних рослин), а швидкістю тих перетворень хроматина, які здійснюються в ядрі яйцеклітини після його контакту із спермієм. Чим більше конденсований хроматин в ядрі яйцеклітини, тим пізніше наступає час злиття ядра із спермієм, тим триваліший час запліднення в цілому.

При потрійному злитті відмічено такі відміни:

1) у одних рослин злиттю спермія передує об'єднання полярних ядер, внаслідок чого спермій зливається з диплоїдним ядром центральної клітини;

2) у других - спермій зливається спочатку з одним із полярних ядер, а об'єднання з другим полярним ядром здійснюється пізніше;

3) у третіх - обидва полярні ядра і спермій об’єднуються одночасно.

Постмітотичний тип запліднення.

Приклад - Lilium. Спермії виходять із синергіди у простір між яйцеклітиною і центральною клітиною. Форма сперміїв черв'якоподібна. Реакція Фельгена інтенсивна. Форма сперміїв деякий час незмінна, а згодом вони збільшуються в розмірах і заокруглюються. Хроматин спермія декондесується, інтенсивність реакції Фельгена знижується, в ядрах виникають ядерця. Процес триває до тих пір, поки ядра сперміїв не набувають ідентичної ядрам жіночих клітин форми, внаслідок чого в яйцеклітині - зиготі виявляються два зовнішньо одинакові ядра, а в центральній -три. При вступі в мітоз, профаза мітозу проходить, окремо в кожному ядрі. Об'єднання їх наступає тільки при переході профази в метафазу, коли зникають ядерні оболонки і всі хромосоми утворюють одну спільну метафазну пластинку.

Отже, закінчення процесу запліднення відбувається після початку мітозу. При постмітотичному типі описані перетворення сперміїв також здійснюються швидше в центральній клітині, ніж у яйцеклітині. Постмітотичний тип запліднення зустрічається у незначної кількосіі квіткових рослин.

Електронно-мікроскопічні дослідження показали, що спермії рослин з премітотичним типом запліднення є сформованими клітинами і їх ядра мають нормально розвинені оболонки, а хромосоми втратили здатність розчиняти оболонку ядра. Причина існування двох типів запліднення, очевидно, полягає у фізико-хімічному стані хроматина ядер, які зливаються.

На даному етапі, при вивченні процесу запліднення, застосовується теорія мітотичного циклу. Було встановлено, що чоловічі і жіночі гамети приступають до запліднення в одній фазі - G₁ (пресинтетичній), не дивлячись на те, що вони характеризуються різним станом хроматина. Хроматин ядра чоловічої гамети завжди більш конденсований, порівняно з хроматином ядра жіночої гамети. У фазі G₁, після контакту ядер гамет, проходить деконденсація їх хроматина. Далі гамети вступають у наступну фазу мітотичного циклу - S (синтетичну).

У S-фазі відбувається редуплікація молекул ДНК, синтез РНК і деяких білків. Після закінчення цієї фази обидві гамети переходять у фазу G₂ (постсинтетичну), де відбувається остаточна підготовка до мітозу.

При премітотичному типі запліднення ядро чоловічої гамети всі фази мітотичного циклу проходить в межах ядра жіночої гамети. При постмітотичному типі - ядра обох гамет проходять всі фази цього циклу окремо одне від одного, контактуючи між собою. Поведінка хроматина чоловічої і жіночої гамет у процесі запліднення неоднакова. Хроматин спермія, після запліднення, як у зиготі, так і у первинному ядрі ендосперму, вступає в профазу першого поділу значно раніше. Це характерно для обох типів запліднення (рис. 15, 16).

Чоловічі і жіночі гамети, що формуються, різняться тривалістю періодів мітотичного циклу. Для чоловічих гамет найбільш коротким є період G₁, найбільш тривалим періодом - S, а період G₂ за тривалістю займає проміжне положення. Для жіночих гамет найбільш коротким є період G₂, найдовшим - S, а період G₁ займає проміжне положення.

Чоловіча гамета період G₁ проходить швидше, ніж жіноча, оскільки цей період у спермія більш короткий, ніж у жіночої гамети. Далі спермій вступає в період S, який також закінчується раніше ядра жіночої гамети. В ядрі жіночої гамети період S починається пізніше, ніж у спермія, внаслідок більш тривалого періоду G₁. Таким чином, закінчення періоду S ядра жіночої гамети наступає також пізніше закінчення цього періоду в спермія.

Отже, ядро спермія швидко проходить періоди G₁ і S і швидко вступає в період G₂. В цьому періоді хроматин спермія знову конденсується і біля ядерця спермія виявляються інтенсивно зафарбовані за Фельгеном глибки хроматина. Хроматин ядра жіночої гамети знаходиться в цей час у більш дифузному стані і дає менш інтенсивну реакцію Фельгена.

Ядро спермія період G₂ закінчує раніше, ніж ядро жіночоїї гамети і вступає в профазу мітозу. Біля його ядерця формуються хромосоми. Формування хромосом в ядрі жіночої гамети проходить пізніше (рис. 17).

У ранній профазі першого поділу хромосоми чоловічої і жіночої гамет помітно відрізняються внаслідок їх неодночасної конденсації (хромосоми спермія більш конденсовані). Різниця у стані хроматина обох гамет зникає тільки в пізній профазі, яка у чоловічих гамеї є більш тривалою, ніж у жіночих.

Феномен асинхронного перетворення чоловічих і жіночих гамет, очевидно, є загальнобіологічним, тому що ній відомий не тільки для рослин з різним типом запліднення, але чітко спостерігається і у тварин. Ці питання вимагають додаткового дослідження щодо абсолютних значень відмічених фаз.