CC BY
49
2010_ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_Сер. 3 Вып. 3
БОТАНИКА
УДК 582.473:581.45/85:576.744
А. А. Паутов, А. И. Арбичева, О. В. Яковлева
КОРРЕЛЯЦИИ ПРИЗНАКОВ СТРОЕНИЯ ЛИСТА AGATHIS BROWNII LEM.
Для целого ряда голосеменных растений, в частности видов рода Agathis, характерны листья средних и крупных размеров с широкой листовой пластинкой. В отличие от большинства цветковых эти растения обладают более архаичным вариантом строения ксилемы, сложенной не сосудами, а трахеидами. При этом они могут достигать значительной высоты — до нескольких десятков метров, демонстрируя сочетание значительной транспирационной поверхности с древесиной, имеющей низкую скорость проведения воды.
К настоящему времени накоплены разносторонние данные относительно строения листьев агатисов [1, 2, 3, 9, 10, 11]. Данная работа посвящена рассмотрению особенностей структурной организации листа Agathis brownii, обеспечивающих снижение неконтролируемых потерь воды, предохранение тканей листа от обезвоживания. В задачи исследования входило изучение строения завершивших рост листьев агатиса Брауна с использованием методов световой, сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии, а также оценка системы связей между признаками их тканей.
Материалы и методы исследования
Рассмотрены строение, изменчивость и корреляции между признаками сформированных листьев A. brownii. Материал собран в оранжерее Ботанического сада Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН. Его фиксация для световой микроскопии (70%-ный спирт) и изготовление препаратов проведены по общепринятым методикам [7]. Исследованы фрагменты пластинок, взятые из их средней части, а также поперечные срезы черешков. Объем выборки составил 21 образец. Просмотр и фотографирование участков эпидермы, срезов пластинки и черешка проводили с помощью микроскопа Axiostar plus (Karl Zeiss) и цифровой камеры Nikon D 70. Рассмотрено 37 признаков, характеризующих морфологию листа, а также строение эпидермы, мезофилла, тканей черешка. Качественная оценка степени их проявления дана по схеме из работы Б.Р.Васильева [4]. Для определения изменчивости признаков использованы коэффициенты вариации, силы и характера их взаимосвязей — результаты корреляционного
© А. А. Паутов, А. И. Арбичева, О.В.Яковлева, 2010
Факторная структура изменчивости признаков строения листьев АдаЬН1в ЬготаН
Признак Р, Р4 Ъ
пп 844 -184 253 -285 198
гн 793 -248 301 -282 236
тс 710 012 -286 229 -357
чсс -029 163 516 -257 391
тг 732 -063 033 311 -048
ж -284 -428 -316 -731 -242
х -333 -385 -351 -710 -266
пкв -205 743 -092 -147 -320
пкн -194 821 -144 044 -212
чУ 082 152 806 -303 -157
уи 074 531 562 -317 -417
кс 963 -067 -039 -151 012
пт 505 604 -293 -113 185
чтр 835 057 -307 -145 -219
чтп -003 -696 202 359 -469
опт 173 -151 467 210 -544
опп -778 -179 331 079 133
БЭ, % 30,5 17,1 13,4 11,0 8,6
Примечание. Рх—Рб — нагрузки признаков по первому—пятому факторам. РО, %— процент общей дисперсии, включенный в фактор. Точка и ноль перед десятичными разрядами коэффициентов корреляции опущены. Обозначения признаков: пп —площадь пластинки; гн — число генераций клеток в нижней эпидерме; тс, тг — толщина столбчатой и губчатой тканей мезофилла; чсс — число слоев столбчатой ткани; ж, х —расстояния между жилками и слизевыми ходами на поперечном срезе пластинки; пкв, пкн — площади наружных тангентальных стенок основных клеток верхней и нижней эпидерм; чу — число устьиц на 1 мм2 нижней эпидермы; уи — устьичный индекс; кс — площадь ксилемы на поперечном срезе черешка; чтр — число трахеид по радиусу ксилемы в проводящих пучках черешка; пт — площадь просвета трахеиды; чтп — число трахеид на единице площади поперечного сечения ксилемы в черешке; опт — «перфорированность» поперечного сечения ксилемы просветами трахеид (площадь поперечного сечения ксилемы, приходящаяся на долю просветов трахеид; удельный объем трахеид в ксилеме); опп — относительная проводящая поверхность (отношение площади пластинки к площади ксилемы на поперечном срезе черешка).
и компонентного анализов [5, 8]. После предварительного рассмотрения связей всех изученных признаков были отобраны наиболее информативные показатели, которые и представлены в данной работе (см. таблицу).
Материал для трансмиссионной электронной микроскопии фиксировали в 3%-ном растворе глутарового альдегида на фосфатном буфере с постфиксацией в 2%-ном растворе С8Э4. После обезвоживания в серии спиртов и ацетонов возрастающих концентраций его заключали в смесь эпона и аралдита. Срезы изготовлены на ультратоме Ultгacut-E. Их контрастировали раствором цитрата свинца. Микрофотографии получены на электронном микроскопе Tesla Б8-500.
Строение поверхности листьев изучено на сканирующем микроскопе ^М-35. Объекты исследования обезвоживали в серии спиртов, помещали в смесь изоамилацетата и спирта, затем в изоамилацетат. Образцы из изоамилацетата высушивали при критической точке жидкой углекислоты. Сухие объекты наклеивали на столики и напыляли золотом.
Результаты исследований
Изученные листья А. ЬтотиИ простые, цельные, средних размеров (площадь пластинки более 30 см2), плотные и кожистые. Пластинки очень толстые (около 400 мкм). Мезофилл многослойный, очень рыхлый (степень рыхлости ^45%) (рис. 1, 1). Как верхнюю, так и нижнюю эпидерму подстилает прерывистая одно-, двухслойная гиподерма. Она представлена преимущественно толстостенными клетками, вытянутыми вдоль листовой пластинки. Хлоренхима дорсовентрального типа насчитывает в среднем немногим более 8 слоев. Ее столбчатая ткань одно-, двухслойная. Коэффициент палисадности низкий (37%). Стенки клеток губчатой ткани несут пектиновые бородавки, от которых отходят фибриллы слизи (рис. 1, 7). В данной ткани расположены немногочисленные астросклереиды.
Жилкование параллельное. Среднее расстояние между жилками более 800 мкм. В состав жилок входят ситовидные и паренхимные клетки, трахеиды и расположенные по периферии ксилемы клетки трансфузионной ткани (трансфузионные трахеиды) (рис. 1, 2-5). Последние обладают крупными окаймленными порами, первичные стенки которых рыхлые, фибриллярные. Над флоэмой и ксилемой лежат группы склеренхим-ных волокон.
На одном уровне с проводящими пучками, чередуясь с ними, находятся слизевые ходы (рис. 1, 6). Площадь полости каждого такого хода составляет на поперечном срезе порядка 4000 мкм2. Она заполнена слизью и выстлана эпителиальными клетками. Их внутренние, обращенные к полости клеточные стенки тоньше наружных. Еще толще стенки у более или менее выраженных сопутствующих клеток.
Лист гипостоматный (рис. 2, 1, 2). Верхняя эпидерма крупноклеточная (^475 клеток на 1 мм2), нижняя — очень крупноклеточная (^550 клеток). Наружная стенка основных эпидермальных клеток очень толстая. Ее толщина с учетом кутикулы составляет для верхней эпидермы ^7,8 мкм, нижней — 6,8 мкм. Кутикула без выраженных пектиновых прожилок. В ней, как и в собственно клеточной стенке, откладываются кристаллы оксалата кальция (рис. 2, 5). Устьичный индекс большой (18%). Устьиц на единице поверхности листа насчитывается очень мало (^60 на 1 мм2). Они обычно располагаются прерывающимися рядами. При этом их устьичные щели, как правило, ориентированы перпендикулярно или под углом к продольной оси листа. Замыкающие клетки лежат ниже поверхности листа. Более того, наружные тангентальные стенки их побочных клеток образуют складки, в которые заходит протопласт (рис. 2, 6). Смыкаясь между собой, эти складки формируют так называемое кольцо Флорина, окаймляющее на поверхности листа полость, на дне которой находится устьичная щель (рис. 2, 3, 4). Эти полости могут быть заполнены воском [11] и слизью [12]. У замыкающих клеток сильно утолщены спинные стенки, обращенные в сторону побочных клеток. Утолщения имеют перекрестно-ламеллярную текстуру (рис.2, 7, 8). На поперечных срезах замыкающих клеток центральная вакуоль не выражена. Для их протопласта свойственно большое количество хлоропластов с многочисленными крахмальными зернами, крупные липидные включения, небольшие округлые митохондрии (рис. 2, 9).
Среднее значение коэффициента вариации для всех 37 признаков составляет 19,3%. Более половины из них демонстрируют очень низкий и средний уровни изменчивости (по классификации С. А. Мамаева [6]). В частности, очень низкая изменчивость (су <7%) свойственна числу генераций клеток в покровных тканях пластинки, «пер-форированности» ксилемы просветами трахеид, толщине губчатой ткани; низкая (8— 12%) —плотности размещения жилок и слизевых ходов в мезофилле, величине основ-
Рис. 1. Строение пластинки листа ЛдоЬЪлз Ьтотип:
1 — поперечный срез пластинки; 2 — жилка; 3 — трансфузионная трахеида; 4 —трахеида; 5 — ситовидные клетки; 6 — слизевой канал; 7 — поверхность клетки губчатой ткани; вэ, нэ — верхняя и нижняя эпидермы; г — гиподерма; ст, гт — столбчатая и губчатая ткани; ж — жилка; х — слизевой ход; п — пора; вс — волокна склеренхимы; пб — пектиновые бородавки; к — канал со слизью; эк — эпителиальная клетка; ск — сопутствующая клетка. Масштабная линейка: 1 — 100 мкм; 2 — 50 мкм; 3, 4, 5 — 2 мкм; 6 — 10 мкм; 7 — 0,5 мкм
ных клеток верхней и нижней эпидермы, устьичному индексу и числу устьиц на 1 мм2 поверхности листа, площади просвета трахеиды в ксилеме черешка; повышенная (2130%) —толщине столбчатой ткани, относительной проводящей поверхности листа, числу трахеид по радиусу ксилемы и на единице площади поперечного сечения данной ткани в черешке; высокая (31-40%) — площади пластинки листа, числу слоев столбчатой ткани; очень высокая —площади ксилемы на поперечном срезе его черешка (45,2%).
Рис. 2. Строение эпидермы листа ЛдаЬНгв Ьтатигг:
1, 2 — верхняя и нижняя эпидермы; 3, 4 —поверхность нижней эпидермы; 5, 6, 7 — поперечные срезы наружной стенки основной клетки нижней эпидермы (5) и устьичного аппарата (6, 7); 8 — фрагмент стенки замыкающей клетки; 9 — протопласт замыкающей клетки; кф — кольцо Флорина; к — кутикула; кс — клеточная стенка; зк, пк —замыкающая и побочная клетки; л — липидная капля; х —хлоропласт с крахмальными зернами; п — периплазматическое пространство; ок — кристалл оксалата кальция. Масштабная линейка: 1, 2 — 100 мкм; 3 — 50 мкм; 4, 6 — 10 мкм; 5 — 1 мкм; 7 — 5 мкм; 8, 9 — 2 мкм
Средняя величина коэффициента детерминации для изученных признаков составила 0,155. Наиболее низкое значение данного коэффициента (г2 < 0,075) отмечено для числа устьиц на 1 мм2 эпидермы и устьичного индекса, слойности столбчатой ткани, плотности размещения жилок и слизевых ходов в мезофилле, числа трахеид на единице площади поперечного сечения ксилемы черешка и «перфорированности» данной ткани. Он несколько выше (0,075 < г2 < 0,150) у размера основных клеток покровных тканей листа и величины просветов трахеид в черешке. Средний для рассматриваемой выборки коэффициент (0,150 < г2 < 0,225) свойствен толщине столбчатой и губчатой тканей, а также относительной проводящей поверхности листа (г2 = 0,225). Повышенное значение коэффициента детерминации (0,225 < г2 < 0,300) отмечено для площади пластинки листа и числа генераций клеток в ее эпидерме, числа трахеид по радиусу ксилемы в черешке. Максимального значения он достигает у площади ксилемы на поперечном срезе черешка (г2 = 0,331).
Использование компонентного анализа позволило выявить и интерпретировать пять плеяд признаков. Их суммарная факторная дисперсия составила 80,6%. В состав первой из них (30,5% факторной дисперсии) на уровне связи г > 0,5 вошли 8 признаков. Это показатели размера листа: площадь его пластинки, число генераций клеток в ее нижней эпидерме, толщина палисадной и губчатой тканей, а также ряд характеристик водо-проводящей системы: площадь ксилемы на поперечном срезе черешка; число трахеид, лежащих по ее радиусу; средняя площадь просвета трахеиды и относительная проводящая поверхность. Признак-индикатор — площадь ксилемы в черешке (г = 0,963). Таким образом, данная плеяда характеризует величину листа и степень развития в его черешке водопроводящей ткани. Чем крупнее пластинка (больше ее площадь и толщина хлоренхимы), тем сильнее в черешке развита ксилема (больше площадь ее поперечного сечения, число слагающих ее трахеид, величина их просветов). При этом увеличение листьев сопровождается уменьшением их относительной проводящей поверхности.
Вторая плеяда (17,1% дисперсии) объединяет площади тангентальных стенок основных клеток верхней и нижней эпидерм, устьичный индекс, величину просветов трахеид, число последних на единице площади поперечного сечения ксилемы в черешке. Признак-индикатор — площадь тангентальной стенки клетки нижней эпидермы (г = 0,821). Эта плеяда характеризует размер клеток ряда тканей листа. Увеличение основных клеток в эпидерме пластинки сочетается с увеличением просветов трахеид в ксилеме и, соответственно, с уменьшением их числа на единице площади ткани. Кроме данного сочетания, в плеяде обнаруживается традиционная для большого числа цветковых растений компенсаторная связь между размером клеток эпидермы и устьичным индексом: усиление разреженности устьиц, вызванное увеличением расположенных между ними основных клеток, компенсируется ростом устьичного индекса — увеличением доли клеток в ткани, дифференцирующихся в устьица. Плеяда Р2 позволяет понять, как могли устанавливаться связи между устьицами в эпидерме и ксилемой. Согласованность изменения размеров трахеид с размерами основных клеток эпидермы, а последних, в свою очередь, с устьичным индексом приводит к тому, что с индексом скоррелированы и просветы трахеид, и обусловленные ими признаки.
В третью плеяду (13,4% факторной дисперсии) на уровне связи г > 0,5 входят число устьиц на 1 мм2 поверхности листа, устьичный индекс, а также число слоев палисадной ткани. Признак-индикатор — число устьиц (г = 0,806). Согласно полученным данным плотность размещения устьиц в эпидерме Л. ЬготиИ напрямую зависит от устьично-го индекса. При этом она выше в листьях, насчитывающих больше слоев столбчатой ткани, ниже — в листьях с меньшим числом слоев данной ткани.
Четвертая плеяда (11% дисперсии) характеризует плотность размещения в мезофилле слизевых ходов и жилок (признак-индикатор, г = -0,731).
В пятую плеяду на выбранном уровне связи входит только один признак — площадь поперечного сечения ксилемы черешка, занятая просветами трахеид (г = -0,544).
Обсуждение результатов исследования
Листья А. ЬтотиИ обладают рядом характерных черт строения, способных снизить нерегулируемые потери воды. К их числу относятся толстая без выраженных пектиновых прожилок кутикула, покрывающая листовую пластинку; отложение в наружных стенках клеток ее покровных тканей кристаллов оксалата кальция; погруженность устьиц и образование над ними камер, которые могут быть заполнены восковыми отложениями и слизью; наличие гиподермы; формирование слизевых ходов; образование на стенках губчатой ткани ослизняющихся пектиновых бородавок. В то же время мезофилл данного вида крайне рыхлый. Учитывая этот факт и приведенные выше особенности покровных тканей пластинки листа, способные обеспечить значительную изоляцию его мезофилла, нельзя исключать возможность возникновения в нем при определенных обстоятельствах, подобно гидатофитам, цикличности газообмена.
Оценка общей (су) и согласованной (г2) изменчивости признаков, описывающих структуры, непосредственно связанные с проведением воды обнаруживает относительную стабильность и автономность «перфорированности» ксилемы в черешке, величины просветов ее трахеид и их числа на единице площади поперечного сечения ткани, густоты жилкования и числа устьиц в эпидерме. Наиболее же изменчивы и тесно связаны в своих изменениях с остальными признаками листа площадь ксилемы на поперечном срезе черешка, число трахеид, лежащих по ее радиусу, а также относительная проводящая поверхность. Сопоставление листьев из кроны данного растения показывает, что для наиболее крупных из них характерен больший объем ксилемы в черешке, увеличение числа входящих в ее состав трахеид и просветов их полостей, пониженное отношение площади листовой пластинки к площади ксилемы на поперечном срезе черешка, т. е. сокращение транспирационной поверхности относительно водопроводящей.
Литература
1. Васильевй Г. В. Материалы к сравнительной анатомии листа видов Agathis Salisb. (Arau-cariaceae) // Бот. журн. 1972. Т. 57, №1. С. 108-118.
2. Васильев А.Е., Васильева Г. В. Исследование тонкой структуры устьиц у Araucaria и Agathis // Электронная микроскопия в ботанических исследованиях. Петрозаводск, 1974. С. 39-43.
3. Васильев А. Е., Васильева Г. В. Ультраструктура устьичного аппарата голосеменных (в связи с проблемой устьичных движений) // Бот. журн. 1976. Т. 61, №4. С. 449-464.
4. Васильев Б. Р. Строение листа древесных растений различных климатических зон. Л., 1988. 208 с.
5. Кендалл М.Дж., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М., 1976. 736 с.
6. Мамаев С. А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений. М., 1972. 284 с.
7. Прозина М.Н. Ботаническая микротехника. М., 1960. 206 с.
8. Шмидт В. М. Математические методы в ботанике. Л., 1984. 288 с.
9. Florin R. Untersuchungen zur Stammesgeschichte der Coniferales und Cordaitales. 1. Morphologie und Epidermisstruktur der Assimilationsorgane bei den rezenten Koniferen // Köngl. Sv. Vet. Akad. Handl. Ser. 3. 1931. Bd N1. 588 S.
10. Napp-Zinn K. Anatomie des Blattes. 1. Blattanatomie der Gymnospermen. Berlin, 1966. 369 S.
11. Stockey R. A., Atkinson I. J. Cuticle micromorphology of Agathis // Int. J. Plant. Sci. 1993. Vol. 154, N1. P. 187-225.
12. Westhoff M., Zimmermann D., Zimmermann G., Gessner P., Wegner L. H., Bentrup F.-W., Zimmermann U. Distribution and function of epistomatal mucilage plugs // Protoplasma. 2009. Vol. 235. P. 101-105.
Статья поступила в редакцию 5 апреля 2010 г.
