CC BY
32Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 19 (58). 2006. № 4. С. 142-150.
УДК 582.594.2:281
АНАТОМО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ СЕМЕЙСТВА ORCHIDACEAE JUSS
Лысякова Н.Ю., Хараим Н.Н., Полякова С.В.
Уникальное семейство Orchidaceae Juss в Крыму представлено 17 родами и 45 видами, занесенными в Красную книгу Украины. Особенности репродуктивной биологии орхидей, сложные адаптационные механизмы к комплексу абиотических и биотических факторов, мощный антропогенный пресс обусловливают низкую численность их природных популяций. Многие исследователи на примере микотрофии орхидных пытались выяснить роль симбиотических грибов и сущность взаимоотношений между симбионтами, выработать приемы, обеспечивающие их оптимальную взаимосвязь [1 - 3]. В литературе широко представлены данные популяционной экологии [2 - 4], особенности антэкологии [5], потенциальной и реальной семенной продуктивности орхидных [б]. Важное значение в определении репродуктивных стратегий имеет исследование возрастных спектров популяций и ареалов распространения наиболее редких видов семейства Orchidaceae Juss в Крыму [7, 8]. Комплексное исследование орхидных позволит определить критерии виталитетности, популяционной дифференциации, а также установить механизмы сохранения видового разнообразия, размножения орхидей в естественных условиях, интродукции новых видов. По строению подземных запасающих органов выделяет три группы орхидей: корневищные, корнеклубневые геофиты и вторично-наземные гемикриптофиты [9]. Для Крыма характерны корневищные и корнеклубневые геофиты.
Цель наших исследований состояла в изучении репродуктивных стратегий и симбиотических отношений корневищных и корнеклубневых видов крымских орхидей. В задачи исследования входило: определение влияния эдафических факторов на степень микотрофности, изучение морфометрических параметров в связи с микотрофностью, установление зависимости потенциальной и реальной семенной продуктивности от степени микотрофности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Материалом исследования служили корневищные геофиты из подсемейства Neottioideae Burns-Balog:Neottia nidus - avis (L.) Rich., Listera ovata (L.) R. Br., Limodorum abortivum (L.) Sw., Cephalanthera damasonium (Mill.) Druce, C. longifolia (L.) Fritsch, Epipactis helleborine (L.) Crantz и корнеклубневые геофиты из подсемейства Orchidoideae Dressler: Platanthera chlorantha (Cust.) Reichenb., Dactylorhiza incarnate (L.), Steveniella satyrioides (Stev.) Schlechter, Anacamptis
pyramidalis (L.) Rich., Orchis militaris (L.), O. mascula L, O. provincialis Balb.
Анатомические препараты готовили по методике Брыкиной Р.П. с окрашиванием метиленовым синим [10]. Потенциальную и реальную семенную продуктивность определяли по методике Назарова В.В. [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Подземные вегетативные органы Platanthera Moranta представлены двумя удлиненно-яйцевидными корневыми клубнями, оттянутыми на конце в шнуровидное окончание, и шестью придаточными корнями. По морфологическим и анатомическим признакам они типичны для корнеклубневых геофитов родов Orchis, Anacamptis. Dactylorhiza incarnata имеет корнеклубни особой пальчато-лопастной формы без шнуровидного окончания. Количество и размеры их варьируют. В группе корневищных геофитов проявляются отличия по длине, расположению, степени ветвления корневища. У представителей рода Cephalanthera корневище шнуровидное, длинное (40-50см), косо расположенное в почве. У Listera ovata корневище короткое, толстое, а у Neottia nidus-avis короткое корневище окружено многочисленными придаточными корнями.
Для большинства исследованных видов автотрофных орхидей характерна эумицетная толипофаговая эндомикориза. Для бесхлорофильных орхидей Limodorum abortivum и Neottia nidus-avis отмечена птиофаговая эндомикориза. Локализация эндофитных несовершенных грибов-микоризообразователей в клетках и тканях подземных вегетативных органов обусловлена их анатомо-морфологическими особенностями [12]. В клетках эпиблемы корня гифы отсутствуют, но в корневых волосках выявлены коммуникационные гифы (рис. 1). В субэпидермальных слоях первичной коры корня расположены пелотоны (рис.2). В центральной зоне мезодермы отмечено расщепление грибных гиф. В эндодерме и центральном цилиндре гифы не обнаружены. Степень микотрофности увеличивается в 2 раза от апекса корня к его основанию. В корнеклубнях гифы гриба обнаружены преимущественно в эпидерме и в первичной коре. В клетках первичной коры, содержащих большое количество крахмальных зерен, микоризообразуюшего гриба нет. Наибольшее количество клеток с гифами гриба наблюдали в зоне перехода расширенной части клубня в шнуровидное окончание. Частота встречаемости микоризной инфекции изученных видов крымских орхидей варьирует в широких пределах: от 2,8±0,2 % - Dactylorhiza incarnate до 6,3±0,2 % Neottia nidus-avis. При этом четко прослеживается тенденция - у корневищных видов степень микотрофности ниже, чем у корнеклубневых орхидей. Максимальный процент клеток корня, содержащих гифы гриба, был выявлен у Neottia nidus- avis и Limodorum abortivum. Такую особенность мы связываем с тем, что данные растения являются сапрофитами. Они не способны фотосинтезировать, а, значит, для нормального роста и развития им необходимо наличие в клетках корня большого количества гиф гриба, которые и будут обеспечивать питание растения. Степень микотрофности Limodorum abortivum меньше, чем Neottia nidus-avis. По данным Л. П. Вахрушевой [6] у Limodorum abortivum содержится небольшое количество пигментов, необходимых для фотосинтеза.
Динамика симбиотических отношений меняется по фазам онтогенеза. Частота встречаемости микоризной инфекции уменьшается от ювенильной к генеративной стадии у всех исследованных видов.
Рис. 1. Коммуникационные гифы корневого волоска Серhalanthera 1ongifolia (15x40).
Рис. 2. Пелотоны в клетках корня Orchisprovincialis Balb. (15x40).
Степень микотрофности зависит от климатических и эдафических факторов. С увеличением содержания гумуса на 0,5% степень микотрофности корнеклубневых геофитов увеличивается в 1,8 раза, а корневищных - уменьшается в 2,3 раза. Действие рН среды на показатель частоты встречаемости микоризной инфекции видоспецифично.
Для корнеклубневых геофитов выявлена отрицательная коррелятивная зависимость(г = -0,65) между морфометрическими параметрами и степенью микотрофности. (табл. 1)
Таблица 1.
Влияние эдафических факторов на морфометрические параметры и микотрофность корневищных и корнеклубневых видов орхидей (х ± S х )
Вид Высота растения, см Количество цветков в соцветии, шт Количество коробочек, шт Микотрофность, % Содержание гумуса в почве,%
Platanthera chlorantha 29,0±0,2 19,0±0,1 17,0±0,2 4,6±0,3 2,03±0,01
Platanthera chlorantha 32,5±0,1 16,0±0,1 12,0±0,2 4,0±0,1 1,86±0,02
Anacamptis pyramidalis 50,8±0,1 28,0±0,2 5,0±0,1 3,5±0,1 1,78±0,01
Anacamptis pyramidalis 42,5±0,3 34,0±0,1 2,0±0,2 4,5±0,1 2,15±0,03
Epipactis helleborine 31,5±0,3 14,0±0,3 10,0±0,3 3,8±0,2 2,10±003
Epipactis helleborine 42,2±0,2 9,0±0,1 4,0±0,1 3,1±0,2 2,25±0,02
Cephalanthera damasonium 12,9±0,2 2,2±0,2 2,0±0,2 4,9±0,3 1,96±0,03
Cephalanthera damasonium 21,2±0,1 14,0±0,2 9,0±0,2 4,2±0,2 2,25±0,02
Cephalanthera longifolia 17,8±0,1 7,2±0,1 4,2±0,1 4,6±0,1 1,85±0,04
Cephalanthera longifolia 30,2±0,5 10,2±0,1 10,2±0,1 4,0 ±0,2 1,96±0,02
Neottia nidus — avis 11,1±0,5 15,2±0,5 6,0±0,5 6,6 ±0,4 2,05±0,01
Neottia nidus — avis 17,2±0,3 21,0±0,5 16,0±0,2 6,0 ±0,2 1,98±0,05
У РШап^ега сЫогап^а, произрастающей в разных местах обитания, с увеличением частоты встречаемости микоризной инфекции высота растения, площадь листовой поверхности уменьшаются.
В группе корневищных геофитов в пределах рода Cephalanthera у растений, с максимальной степенью микотрофности мы выявили наибольшую площадь фотосинтетической поверхности и минимальное значение высоты растения, количества цветков в соцветии. Следует отметить, что у Neottia nidus- avis и Limodorum abortivum с увеличением степени микотрофности наблюдается увеличение количества цветков в соцветии и уменьшение высоты растения. Листья данных видов редуцированы до чешуй. Промежуточное положение по этим показателям занимает Listera ovata.
В группе корнеклубневых геофитов с увеличением процента клеток корня, инфицированных гифами гриба, количество семязачатков в завязи и семян в коробочке уменьшается. Dactylorhiza incarnata, находящаяся в наименьшей зависимости от гиф гриба, имеет максимальное количество семязачатков в завязи и семян в коробочке (рис. 3).
Рис. 3. Семязачатки в завязиDactylorhiza incarnata (15x40).
Platanthera chlorantha характеризуется минимальным количеством семязачатков в завязи и семян в коробочке. Steveniella satyrioides по исследуемым показателям занимает промежуточное положение. С увеличением степени микотрофности в группе корнеклубневых геофитов количество семязачатков в завязи уменьшается в 1, 3 раза, а в группе корневищных геофитов возрастает приблизительно в 5 раз. При увеличении частоты встречаемости микоризной инфекции в группе корнеклубневых геофитов количество семян в коробочке уменьшается в 1,5 раз, а в группе корневищных геофитов увеличивается примерно в 5 раз.
В пределах исследуемой группы корнеклубневых геофитов прослеживается тенденция уменьшения числа семян в коробочке по сравнению с количеством семязачатков, формирующихся в завязи. У Platanthera chlorantha в завязи
закладывается 5831±25 шт семязачатков, а семян формируется 4598±15шт. (рис.4).
5 F(%)
4
3
2 1 0
♦ ПСП И РСП А Степень микотрофности
Рис. 4. Зависимость потенциальной (ПСП) и реальной семенной продуктивности (РСП) от степени микотрофности в группе корнеклубневых геофитов.
Примечание: 1. Dactylorchiza incarnata (L.) Soo; 2. Steveniella satyrioides (Stev.) Schlechter; 3. Platanthera chlorantha (Cust.) Reichenb.
В группе корневищных геофитов с увеличением степени микотрофноси показатели потенциальной и реальной семенной продуктивности варьируют по -разному. В пределах рода Cephalanthera с увеличением процента клеток корня, содержащих гифы гриба, количество семязачатков в завязи увеличивается, а количество семян в плоде уменьшается. Так, с изменением степени микотрофности от 4,5 ± 0,1 до 4,8 ± 0,2% число семязачатков в завязи увеличивается от 7501±30 до 7650±45 шт., а количество семян от 6981±22 до 5993± 12 шт. соответственно.
У растений - сапрофитов, находящихся в наибольшей зависимости от гиф гриба, количество семязачатков в завязи и семян в коробочке уменьшаются. Neottia nidus- avis, имея максимальный процент клеток корня, содержащих гифы гриба характеризуется минимальными показателями потенциальной и реальной семенной продуктивности. Limodorum abortivum, по степени микотрофности отличающийся от Neottia nidus-avis всего на 0, 2 % характеризуется максимальными показателями потенциальной и реальной семенной продуктивности. Тенденция уменьшения количества семян в коробочке по сравнению с закладывающимися семязачатками характерна и для данной группы корневищных геофитов. Изменения количества семязачатков наблюдается в пределах от 1103 до 8363 шт., а количества семян в плодах от 825 до 6981 шт. (рис. 5).
9000
Ъ 6000 -
ё
д 5000 -
О
^ 4000 -| С
^ 3000 -| 2000 -1000 -0
1
2
3
7 F(%) 6 5 4 3 2 1 О
♦ ПСП ш РСП —А—Степень микотрофности
Рис. 5. Зависимость потенциальной и реальной семенной продуктивности от степени микотрофности в группе корневищных геофитов.
Примечание: Cephalanthera longifolia (L.) Fritsch; Listera ovata (L.) R. Br.; Cephalanthera damasonium (Mill.) Druce; Limodorum abortivum (L.) Sw.; Neottia nidus -avis (L.) Rich.
Особый интерес представляет сравнение средних значений потенциальной и реальной семенной продуктивности между двумя исследуемыми нами группами корнеклубневых и корневищных геофитов (таблица 2).
Тенденция уменьшения количества семян в плодах по сравнению с количеством семязачатков в завязи присуща обеим группам. Корнеклубневые геофиты, имеющие минимальный процент клеток корня, содержащих гифы гриб, характеризуются максимальным количеством семязачатков в завязи и семян в коробочке. Тогда как корневищные геофиты, имея максимальную степень микотрофности, характеризуются минимальным количеством семязачатков в завязи и семян в коробочке. Корнеклубневые геофиты образуют большее число семязачатков в завязи цветка и семян в плоде при минимальном проценте клеток корня, содержащих гифы гриба. По-видимому, представители данной группы в большей степени зависят от семенного возобновления, чем представители корневищных геофитов. Возможно, это связано с биологической особенностью данной группы.
Репродуктивная стратегия исследуемых видов орхидей Крыма определяется степенью взаимодействия с грибом - микоризообразователем, особенностями условий произрастания и характером опыления изучаемых видов. В группе корне клубневых геофитов четко прослеживается уменьшение показателей
Таблица 2.
Репродуктивные возможности корневищных и корнеклубневых видов орхидей
(x±Sx )
Вид Степень микотрофности, % Количество семязачатков в завязи, шт Количество семян в коробочке, шт
Dactylorchiza incarnata 2,7±0,2 7656±15 7110±11
.Steveniella satyrioides 2,8±0,1 6128±36 59635±35
Platanthera chlorantha 4,3±0,3 5831±25 4598±15
Cephalanthera damasonium 4,8±0,2 7650±45 5993±12
Cephalanthera longifolia 4,0±0,1 7501 ±30 6981±22
Neottia nidus- avis 6,2±0,3 1706±18 1092±18
Limodorum abortivum 6,0±0,5 8363±10 6176±20
Listera ovata 4,9±0,1 6280±24 6024±25
потенциальной и реальной семенной продуктивности, что отчасти связано с ксеногамным опылением. Тогда как в группе корневищных геофитов преобладает тенденция повышения потенциальной и реальной семенной продуктивности. Интерес представляют Listera ovata и Neottia nidus-avis . Такая тенденция может быть отчасти объяснена особенностями опыления в пределах данной группы. Минимальные значения потенциальной и реальной семенной продуктивности Listera ovata, по- видимому, обусловлены тем, что представители данного вида являются облигатно ксеногамными растениями, при минимальном количестве семязачатков не могут реализовывать свои потенциальные возможности только за счет благоприятных симбиотических отношений с грибным компонентом. При этом Neottia nidus- avis в меньшей мере зависит от агентов опыления, так как вид является облигатно автогамным.
ВЫВОДЫ
1. С увеличением содержания гумуса приблизительно на 0,5% степень микотрофности корнеклубневых геофитов увеличивается в 1,8 раз, а корневищных -уменьшается в 2,3 раза.
2. Выявлена отрицательная коррелятивная зависимость между морфометрическими параметрами и степенью микотрофности.
3. С увеличением степени микотрофности в группе корнеклубневых геофитов количество семязачатков в завязи уменьшается в 1,3 раза, а группе корневищных геофитов возрастает приблизительно в 5 раз.
4. При увеличении частоты встречаемости микоризной инфекции в группе
корне клубневых геофитов количество семян в коробочке уменьшается в 1,5 раза, а группе корневищных геофитов увеличивается примерно в 5 раз.
5. Репродуктивная стратегия исследуемых видов орхидей Крыма определяется степенью взаимодействия с грибом - микоризообразователем, особенностями условий произрастания и характером опыления изучаемых видов.
Список литературы
1. Бургеф Х. Микориза растений. - М.: Сельхозиздат, 1963. - 370 с.
2. Крюгер Л.В., Шардакова О. М. Микосимбиотрофизм орхидных и некоторые вопросы их биологии // Микориза и другие формы консортивных связей в природе. - Пермь, 1980. - С.20 - 28.
3. Сизова Т. П., Вахрамеева М. Г. Особенности микоризы любки двулистной и ятрышника Фукса в зависимости от их возрастного состояния // Вестн. Московского университета. Серия «Биология». - 1984. - № 2. - С. 27- 31.
4. Селиванов И. А. Микосимбиотрофизм как форма консортивных связей в растительном покрове Советского союза. - М.: Наука, 1981. - 217с.
5. Холодов В. В., Назаров В. В., Иванов С. П. Насекомые - посетители и опылители орхидеи Orchis purpurea Huds. (Orchidaceae) в Крыму // Экосистемы Крыма, их оптимизация и охрана. - 2002. -Вып. 12.- С.77- 80.
6. Вахрушева Л. П., Кучер Е. Н. Особенности репродуктивного усилия некоторых видов орхидей Крыма // Экосистемы Крыма, их оптимизация и охрана. - 1997. - Вып. 9. - С. 65 - 67.
7. Вахрушева Л. П., Сволынский М. Д., Кучер Е. Н. Новое местонахождение Ophrys taurica (Agg) Nevsmi в Крыму // Экосистемы Крыма, их оптимизация и охрана. - 2002. - Вып. 12. - С. 164 - 169.
8. Кучер Е. Н., Мишнев В. Г. Репродуктивное усилие у крымских орхидей в связи с их микотрофностью // Экология и ноосферология. - Симферополь, 2000. - С. 79 - 85.
9. Батыгина Т.Б. Эмбриология цветковых растений. - С.-Пб.:Мир и семья, 2000. - 645 с.
10. Назаров В. В. Методика подсчета мелких семян и семяпочек (на примере сем. Orchidaceae) // Ботанический журнал. - 1989. - Т.74. - Вып. 8. - С. 31 - 33.
11. Брыкина Р. П., Веселова Т. Д. Основы микротехнических исследований в ботанике. - М. - 2000. -С. 85- 89.
12. Теплицкая Л.М., Лысякова Н.Ю., Бирюлева Э.Г. Особенности микотрофности некоторых видов орхидей флоры Крыма // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия « Биология, Химия». -2003. -Т.16 (55). №1. - С.79-86.
Поступила в редакцию 20.12.2006 г.
