CC BY
25УДК 581.524.13:581.526.52
ВЛИЯНИЕ АЛЛЕЛОПАТИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА ЛИГНИФИКАЦИЮ АНАТОМИЧЕСКИХ СТРУКТУР ОДНОЛЕТНИХ ГАЛОФИТОВ
Симагина Н. О., Лысякова Н Ю.
Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского, Симферополь, [email protected]
Установлено, что под воздействием аллелопатического фактора у растений-акцепторов происходит интенсивная лигнификация проводящих и механических тканей. Выявлены функции компартментации и детоксикации аллелопатически активных веществ идиобластов. Количество их в тканях растения-акцептора Salicornia europaea L. изменяется пропорционально напряженности аллелопатической составляющей фитогенного поля растений-доноров аллелопатически активных веществ.
Ключевые слова: анатомия галофитов, аллелопатические взаимодействия.
ВВЕДЕНИЕ
В фиоценозах растительные выделения оказывают многообразные физиологические и биохимические воздействия на растения-акцепторы. Внешние проявления этих воздействий очень похожи, хотя внутренние механизмы неодинаковы. Процессы проникновения аллелопатически активных веществ сложны и многообразны. Чаще всего они поступают в растения-акцепторы через корни с восходящим потоком воды и питательных веществ [1].
Известно, что у различных растений под воздействием аллелопатически активных веществ, происходят патологические изменения в области ксилемной части проводящих пучков, а именно буреют стенки и закупориваются полости сосудов ксилемы [2]. Однако такое явление может наблюдаться у растений также при недостатке бора в почве, при поражении грибами Fusarium oxysporum, Botrytis cinerea, Althernaria solani и бактериями Pseudomonas solanacea, Bacterium radiciperda [2, 3, 4]. Это свидетельствует о том, что независимо от фактора, раздражающего ксилему, реакция растений во многих случаях аналогична - буреют стенки или же их полости закупориваются бурой массой. Относительно причины возникновения закупорок в ксилеме имеются различные предположения. Многие ученые считают, что лакуны ксилемы при поражении закупориваются вследствие набухания клеточных стенок и растворения срединных пластинок [1, 2, 5]. Некоторые исследователи доказывают, что вещества, закупоривающие сосуды, синтезируются патогенной микрофлорой и не являются продуктами разрушения стенок сосудов ксилемы [6].
Гистохимическими исследованиями было установлено, что вещество, вызывающее побурение стенок и закупоривание полостей сосудов ксилемы, является комплексным соединением, процесс образования которого находится в динамике. В состав этого вещества на определенных этапах его формирования
могут входить лигнин, пектиновые вещества, суберин, меланоиды [7]. Образованию этих веществ способствует повышенная, а затем пониженная концентрация водородных ионов, повышенная активность пероксидазы, увеличение содержания аскорбиновой кислоты и сульфгидрильных соединений [8].
Целью данного исследования являлось установление аллелопатического влияния на лигнификацию анатомических структур однолетних галофитов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В гистохимических исследованиях в качестве основного тест-объекта использовали Salicornia europaea L. В конце вегетационного периода выкапывали особи Salicornia europaea L. (растения-акцептора аллелопатически активных веществ), произрастающие в пределах фитогенных полей Artemisia santonica L., Halocnemum strobilaceum (Pall.) M.Bieb., Limonium gmelinii (Willd.) O.Kuntze (растений-доноров). В качестве контроля использовали особи Salicornia europaea L. произрастающие в моноценозах Salicornietum prostratae purum. Срезы выполняли на свежем растительном материале.
Качественная реакция на лигнин заключалась в обработке срезов флороглюцином (триоксибензол, C6H3(OH)3 • 2H2O) в сочетании с концентрированной соляной кислотой. Для этого готовили 5-10% раствор флороглюцина, каплю которого наносили на срез, а затем добавляли каплю концентрированной соляной кислоты. В результате реакции одревесневшие элементы приобретают малиново-красный цвет. Интенсивность цветной реакции зависит от степени одревеснения [9, 10].
После проведения окрашивания срезы помещали в глицерин и исследовали под микроскопом MPI-5. Для получения фотографий использовали кадрозахватчик (TV tuner Kworld 640х480), фотоприбор зарядовой связи (Сашега SunKwang). Размеры анатомических структур определяли с помощью программы ImageProPlus.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В исследованных сообществах галофитной растительности представлен широкий спектр адаптационных механизмов, отражающих комплекс физиологических, биохимических, морфологических приспособлений растений засоленных мест обитания [11].
Особый интерес в этом аспекте представляют анатомические особенности, четко дифференцированные у галофитов разных эколого-физиологических групп. У гликогалофитов рода Artemisia описаны ксероморфные признаки. Они проявляются в значительной степени рассечения листовой пластинки на мелкие доли; наличии беловойлочного опушения из одно- и многоклеточных кроющих трихом, а также железистых трихом (железок и железистых волосков) в эпидермальном комплексе.
Для солевыделяющего криногалофита Limonium gmelinii (Willd.) O.Kuntze характерно наличие в эпидерме специализированных солевых железок, включающих секреторные, бокаловидные, побочные и собирательные клетки. Они
объединены в сложном механизме секреции солей из внутренних тканей на поверхность органов.
У эугалофитов отмечен уникальный комплекс приспособлений, позволяющий до минимума сократить транспирационную поверхность и предотвратить резкое повышение концентрации легкорастворимых солей в растениях на сильно засоленных почвах при недостатке воды или ограниченном потреблении воды при больших концентрациях хлоридов и сульфатов в ней. Эти особенности проявляются у мясистых солянок Salicornia europaea L. и Halocnemum strobilaceum (Pall.) M.Bieb. с одной стороны в том, что супротивные листья их в большей или меньшей мере редуцированы вплоть до влагалищ, охватывающих стебель и срастающихся с ним, а с другой стороны в развитии водозапасающей паренхимы. Специфическими структурными компонентами последней являются трахеоподобные водозапасающие элементы с расширенной внутренней полостью - гидроциты [12, 13]. Стенки их имеют характерные лестничные утолщения, они слабо лигнифицированы. Локализация их различна: от центрального цилиндра до субэпидермальной зоны. Фотосинтезирующую функцию у таких солянок хлоридного типа выполняет ассимиляционная ткань зеленых члеников. Эпидерма у эугалофитов без трихом, возможны восковой налет и кутикула. Устьичный комплекс аномоцитный. Подобный тип строения называется галоморфным [11].
Анатомо-морфологические особенности солянок хлоридного типа Suaeda prostrata Pall. и хлоридно-сульфатного типа Petrosimonia oppositifolia (Pall.) Litv. близки и проявляются в сочетании галоморфных и ксероморфных признаков. Листья их хорошо развиты, длинные, полуцилиндрические, мясистые, ассимилирующие, сохраняются летом. В эпидермальный комплекс Petrosimonia oppositifolia (Pall.) Litv входят густоприжатые двураздельные кроющие трихомы.
Наибольший интерес из доминирующих в исследуемых нами галофитных сообществах однолетников представляет эугалофит Salicornia europaea L. Ассимилирующие побеги Salicornia europaea L. покрыты однослойной эпидермой с кутикулой. Большую часть их поверхности занимают видоизмененные до влагалища супротивные мясистые листья, сросшиеся со стеблем. Наличие листовых следов в зоне центрального цилиндра подтверждает это. Листовые следы разделены мощными паренхимными сердцевиными лучами и не анастомозируют между собой. У основания члеников края листовых пластинок не срастаются, а лишь плотно прилегают друг к другу. Здесь в генеративную фазу формируются элементы андроцея и гинецея, а затем после опыления и оплодотворения семена. Ассимиляционная ткань расположена на периферии члеников. Водосолезапасающая ткань представлена тонкостенными паренхимными клетками и гидроцитами. Количество их в члениках Salicornia europaea L. в моноценозе относительно невелико и составляет 17±2 шт./мм . Длина их варьирует от 45,3 до 52,7 мкм, а диаметр от 21,4 до 26,2 мкм. Система гидроцитов равномерно распределена от центрального цилиндра до субэпидермальной зоны.
В зоне водозапасающей паренхимы, прилегающей к центральному цилиндру, а также между паренхимными клетками листовых следов выявлены идиобласты -склереиды по форме, относящиеся к типу брахисклереид [13, 14]. Размеры их соответствуют размерам близлежащих клеток и составляют 23,2±0,2 мкм. Стенки идиобластов слабо лигнифицированы.
Центральный цилиндр представлен закрытыми коллатеральными пучками. Над проводящими пучками со стороны флоэмы находятся склеренхимные тяжи, сливающиеся в периферической зоне центрального цилиндра. Внутрь от ксилемы расположены тонкостенные клетки паренхимы сердцевины (рис. 1).
Интерес представляет степень гистологических изменений описанных структур под действием аллелопатически активных веществ в естественных фитоценозах и модельных экспериментах. Выявление изменений на гистологическом уровне позволит расшифровать механизмы воздействия аллелопатически активных веществ на растения-акцепторы.
Выделен ряд особенностей анатомического строения Salicornia europaea L. при воздействии аллелопатического фактора. При качественной реакции на лигнин в малиновый цвет окрашивались структуры с лигнифицированными клеточными оболочками: проводящие элементы ксилемы, склеренхимные тяжи, идиобласты. Оболочки многих типов клеток инкрустируются лигнином - полимером, состоящим из фенилпропаноидных единиц. Лигнин представляет собой сложное гетерогенное вещество, придающее клеточной стенке прочность. Электронно-микроскопическими исследованиями показано, что лигнин заполняет пространство между целлюлозными фибриллами каркаса клеточной стенки. При этом лигнин химически связывается с полисахаридами [12]. Установлено, что при аллелопатическом воздействии в опытных растениях лигнификация значительно интенсифицировалась. Известно, что лигнин одно из важнейших веществ в клеточной оболочке растений. Некоторые авторы считают, что лигнин представляет собой конечный продукт метаболизма и после возникновения, по-видимому, существует как структурный компонент клеточной стенки без изменения [13]. Однако существует и другая точка зрения, согласно которой образующийся лигнин не остается неизменным, а превращается в более простые соединения, которые могут участвовать в сложных реакциях вторичного метаболизма, приводящих к образованию нового типа веществ - суберина и меланоидов [15].
В растениях Salicornia europaea L., выросших в зоне максимального аллелопатического воздействия как Halocnemum strobilaceum (Pall.) М.Б1еЬ., так и Artemisia santonica L. отмечена интенсивная лигнификация стенок сосудов ксилемы центрального цилиндра (рис. 2). Исследование интенсивности окрашивания с помощью компьютерной программы ImageProPlus позволило установить контрастность светового спектра зон лигнификации, зависящей от степени поглощения светового потока. При аллелопатическом стрессе этот показатель составляет 78-86 е.п., в моноценозе - 170-178 е.п. На основе этих данных можно заключить, что лигнификация, проявляющаяся по качественной реакции при действии аллелопатического фактора в два раза больше, чем в моноценозе. В ходе исследования было установлено, что при аллелопатическом влиянии многолетников, стенки сосудов ксилемы центрального цилиндра Salicornia europaea L. могут достигать максимального утолщения, вплоть до полного сближения стенок, что приводит к приводит к уменьшению просветов проводящих элементов ксилемы. Рассматриваемые тенденции находятся в соответствии с литературными данными [2].
Рис. 1. Лигнификация гистологических элементов Salicornia europaea L. при произрастании в моноценозе: 1 - центральный цилиндр; 2 - идиобласт.
Рис. 2. Лигнификация гистологических элементов Salicornia europaea L. при максимальном аллелопатическом воздействии Artemisia santonica L.: 1 - центральный цилиндр; 2 - идиобласт.
Площадь лигнифицированной части центрального цилиндра у растений Salicornia europaea L., произрастающих в моноценозе и при действии аллелопатического фактора достоверно различается (P<0,05). В моноценозе данный показатель составляет 19908 мкм2, а при аллелопатическом угнетении 35341 мкм2, что в 1,8 раза больше. Значительно большая степень лигнификации элементов отмечена в периферической зоне центрального цилиндра по сравнению с растениями в моноценозах. В условиях модельного эксперимента склеренхимные тяжи сливаются в единое кольцо. Важно отметить, что существенная лигнификация проявляется не только в ксилеме, но и во флоэме исследуемых растений. Функционально активными остаются лишь единичные ситовидные трубки.
Нарушение пропускной способности проводящих элементов ксилемы и флоэмы проявляется в сужении просветов члеников трахеи и ситовидных трубок за счет утолщения их клеточных стенок. Это выражено ярче в корне, корневой шейке, в нижних члениках стебля. Эта особенность не проявляется в ветвях I и тем более II порядка.
Степень лигнификации зоны центрального цилиндра уменьшается при сравнении объектов более удаленных от растения-донора аллелопатических веществ. Следует отметить также, что степень лигнификации центрального цилиндра выше у растений Salicornia europaea L., произрастающих в фитогенном поле Artemisia santonica L., чем в зоне влияния Halocnemum strobilaceum (Pall.) M.Bieb. При аллелопатическом почвоутомлении у многолетников в первый год вегетации патологические изменения в ксилеме происходят у небольшого числа растений. Во второй вегетационный период около 50% многолетних растений характеризуются данными признаками. Максимальные патологические изменения ксилемы корня отмечены в третий вегетационный период, и проявляются в закупоривании бурой массой проводящих элементов [2]. Поскольку Salicornia europaea L. однолетнее растение, то максимальное поражение проводящих элементов ксилемы происходит к концу вегетации. Интенсивная лигнификация -это, по-видимому, первая стадия защитной реакции растения на интоксикацию аллелопатически активными веществами. Полученные данные могут объяснить снижение морфометрических параметров растений Salicornia europaea L. в фитогенном поле Artemisia santonica L. и Halocnemum strobilaceum (Pall.) M.Bieb.
Идиобласты также дают положительную реакцию при качественном детектировании лигнина. В первичной коре Salicornia europaea L. вблизи центрального цилиндра обнаружены идиобласты, относящиеся к единичным склереидам (рис. 2). При аллелопатическом воздействии Artemisia santonica L. идиобласты имеют удлиненную палочковидную форму и относятся к типу макросклереид (рис. 3). У Salicornia europaea L. в фитогенном поле Halocnemum strobilaceum (Pall.) M.Bieb. идиобласты изодиаметрической формы (брахисклереиды) (рис. 4). Установлено, что у Salicornia europaea L. количество и размеры идиобластов в 1,6 раза больше при аллелопатическом угнетении многолетниками, чем в моноценозах. Максимальное количество идиобластов отмечено в паренхиме листовых следов, прилегающих к центральному цилиндру, 35,2±2,7 шт./мм2. Размеры их достоверно отличаются от размеров идиобластов в
члениках Salicornia europaea L. в моноценозах, и составляют в длину 87,1±0,3 мкм; в ширину 26,1±0,4 мкм (рис. 4). Однако по мере удаления от центрального цилиндра количество идиобластов уменьшается до 22,4±1,3 шт./мм2, а размеры увеличиваются (длина 141,0±0,5 мкм, ширина 31,3±0,5 мкм).
Рис. 3. Идиобласт в паренхиме первичной коры Salicornia europaea L. при аллелопатическом воздействии Artemisia santonica L.
Рис. 4. Идиобласты в паренхиме первичной коры Salicornia europaea L. при аллелопатическом воздействии Halocnemum strobilaceum (Pall.) M.Bieb.
Периферические участки члеников свободны от идиобластов. Выявлена отрицательная коррелятивная зависимость между расстоянием БаИсогта еигораеа Ь. от растения-донора аллелопатически активных веществ и размерами г=-0,63±0,12; а также количеством идиобластов г=-0,72±0,09. Связь этих показателей с эдафическими факторами (влажностью, концентрацией солей в почве) не установлена (Р>0,05). Возможно, в идиобластах локализуется и изолируется часть наиболее агрессивных аллелопатически активных веществ, что согласуется с данными литературы [14]. Идиобласты являются специализированными клетками, в которых экскреторная функция становится основной [13,14]. Если содержимое идиобластов представляет собой продукты отброса, то их принято называть экскреторными идиобластами, если содержат танины - таниновыми. Известно, что в специализированных секреторных клетках (идиобластах) могут накапливаться минеральные соли, эфирные масла, смолы, танины, производные фенолов, терпенов, алкалоидов и слизи [16]. Следовательно, идиобластам характерна не только опорная, но секреторная функция.
Количество, размеры, локализация гидроцитов в паренхиме первичной коры БаИсогта еигораеа Ь., при действии аллелопатического фактора, существенно отличается от этих показателей у растений в моноценозах. Так, отмечено увеличение их диаметра в 1,2 раза (31,4±2,1 мкм). Количество гидроцитов больше в 2,3 раза и варьирует от 36,2±1,7 до 45,3±2,3 шт./мм2. Интерес представляет появление большого количества гидроцитов в непосредственной близости от центрального цилиндра. Они образуют с идиобластами как бы сплошное кольцо, ограничивающее водозапасающую паренхиму.
Выявленные особенности анатомических структур однолетних галофитов, произрастающих в фитогенном поле свидетельствуют о проявленнии аллелопатического эффекта на гистологическом уровне.
ВЫВОДЫ
1. Под воздействием аллелопатического фактора у растения-акцептора БаИсогта еигораеа Ь. происходит интенсивная лигнификация проводящих и механических тканей.
2. Выявлены функции компартментации и детоксикации аллелопатически активных веществ идиобластов. Количество их в тканях растений акцептора БаИсогта еигораеа Ь. изменяется пропорционально напряженности аллелопатической составляющей фитогенного поля многолетников.
3. Выявлена отрицательная коррелятивная зависимость между расстоянием БаИсогта еигораеа Ь. от растения-донора аллелопатически активных веществ и размерами г=-0,63±0,12; а также количеством идиобластов г=-0,72±0,09.
4. Количество, размеры, локализация гидроцитов в паренхиме первичной коры БаИсогта еигораеа Ь., при действии аллелопатического фактора, существенно отличается от этих показателей у растений в моноценозах.
Список литературы
1. Putnam A.R. Allelopathy: State of the science / A.R. Putnam, C.S.Tang // The science of allelopathy. -New York: John Wiley and Sons, 1986. - P. 1-19.
2. Богдан Г.П. Природа защитной реакции растений / Г.П. Богдан. - К.: Наукова думка, 1981. -207 с.
3. Браун Э.Ч. Патогенные факторы, играющие роль в физиологии заболевания - токсины и другие метаболиты / Э.Ч. Браун, Р.П. Прингл // Проблемы и достижения фитопатологии. - 1962. -С. 69-73.
4. Husain А. The role of pectic and cellulolytic ensimes in pathogenesis by Pseudomonas solanacearum / А. Husain, А. Kelman // Phytopathology. - 1958. - Vol. 48, № 7. - P. 79-83.
5. Райс Э. Аллелопаия / Э. Райс. - М.: Мир, 1978. - 392 с.
6. Sutton J.C. Relation of xylem plugging to blackrot lesion development in cabbage / J.C. Sutton, P.H. Williams // Can. J. Bot. - 1970. - Vol. 48, № 2. - P. 391
7. Гродзшський А.М. Гiстохiмiчне вивчення пектинових речовин, лшншу, суберину та мелашшв у рослинах, що перебували тд впливом алелопатично активних речовин / А.М. Гродзшський, Г.П. Богдан // Укр. бот. журн. - 1972. - Т. 29, № 2. - С. 137-139.
8. Богдан Г.П. Ультраструктурные изменения в ксилеме корней клевера при почвоутомлении / Г.П. Богдан, Б.Е. Шпилева, О.В. Майстренко, Н.В. Сидорова // Роль аллелопатии в растениеводстве: Сборник научных трудов. - К.: Наукова думка, 1982. - С. 33-42.
9. Основы микротехнических исследований в ботанике. Справочное руководство / [Р.П. Барыкина, Т.Д. Веселова, А.Г. Девятов, Х.Х. Джалилова, Г.М. Ильина, Н.В. Чубатова]. - М.: Наука, 2000. -125 с.
10. Пирс Э. Гистохимия / Э. Пирс. - М.: Ил, 1962. - 768 с.
11. Нагалевский В.Я. Экологическая анатомия растений / В.Я. Нагалевский, В.Г. Николаевский. -Краснодар: Кубанского университета, 1981. - 88 с.
12. Лотова Л.И. Морфология и анатомия высших растений / Л.И. Лотова. - М.: Эдиториал УРСС, 2001.- 528с.
13. Эзау К. Анатомия семенных растений / К. Эзау. - М.: Мир, 1980. - Т. 1-2.
14. Рощина В. Д. Выделительная функция высших растений / В. Д. Рощина, В.В. Рощина. - М.: Наука, 1989. - 173 с.
15. Freudenberg K. Lignin: Its constitution and formation from p-hyroxycinnamyl alcohols / K. Freudenberg // Science. - 1971. - Vol. 148. - P. 533-537.
16. Eilert U. Ultrastucture of acridone alkaloid idioblasts in roots and cell cultures of Ruta graviolens / U. Eilert, B. Wolters, F. Constabel // Ibid. -1986. - Vol. 64, № 6. - P. 1089-1096.
Омагша Н. О., Лисякова Н. Ю. Вплив алелопатичних взаемодш на литафжащю aHaTOMÎ4Hnx структур однорiчних галоф^ов // Екосистеми, ïх оптимiзацiя та охорона. ^мферополь: ТНУ, 2010. Вип. 2. С. 75-83.
Встановлено, що тд впливом алелопатичного чинника у рослин-акцешч^в вщбуваеться штенсивна лпшфжащя провщних i мехатчних тканин. Виявлеш функцп компартментаци i детоксикаци алелопатично активних речовин щобласпв. Кшьюсть ïх в тканинах рослини-акцептора Salicornia europaea L. змшюеться пропорцшно напруженосп алелопатичжи складовоï фггогенного поля рослин-дон^в аллелопатично активних речовин.
Ключовi слова: анатмя галофитов, алелопатичнi взаемодп.
Simagina N. O., Lysyakova N. Yu. Influence of allelopathic interactions on lignification of anatomic structures of annual halophytes // Optimization and Protection of Ecosystems. Simferopol: TNU, 2010. Iss. 2. P. 75-83.
It was established that the intensive lignification of conducting and mechanical tissues of plants-acceptors occures under influence of allelopathic factor. The functions of compartmentation and detoxication of allelopathic active substances of idioblusts were revealed. Quantity of them in tissues of plant-acceptor of Salicornia europaea L. changes proportionally to tension of allelopathic constituent of the phytogenous field of plants-donors of allelopathic active substances.
Key words: anatomy of halohytes, allelopathic interactions.
Поступила в редакцию 18.11.2010 г.
