CC BY
53
Сер. 3. 2008. Вып. 2
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
БОТАНИКА
УДК 581.82:581.544
А. Н. Науменко, М. А. Романова
АПИКАЛЬНЫЙ МОРФОГЕНЕЗ PSILOTUMNUDUM (PSILOTACEAE) И BOTRYCHIUMLUNARIA (OPHIOGLOSSACEAE)*
Введение. Основная особенность растений по сравнению с животными — открытый рост, т. е. способность в течение всей жизни образовывать новые органы из апикальных меристем — организованных популяций недифференцированных клеток на верхушке побега и кончике корня. Поскольку апикальная меристема побега играет исключительную роль в развитии побеговых систем растений, сравнительное изучение апикального морфогенеза в таксонах с разной организацией вегетативного тела может дать ключ к пониманию морфологической эволюции. Необходимость ревизии существующих концепций морфологической эволюции растений вызвана существенным пересмотром взглядов на их филогению в последние десять лет [14, 15, 20, 24, 33].
Для высших растений характерны два типа апикальной меристемы побега: меристема с единственной апикальной инициалью (так называемый моноплексный тип) и без нее (т. е. с множественными апикальными инициалями). Первый тип характеризует большинство несеменных растений (за исключением равноспоровых плаунов и некоторых папоротников), а второй — все семенные растения [11, 16, 23].
В то время как роль многоклеточной апикальной меристемы в формировании метамерной структуры вегетативного тела семенных растений детально изучена [8, 16], принципы структурной организации вегетативного тела и роль апикальной меристемы побега в морфогенезе несеменных растений известны в значительно меньшей степени. Г. М. Борисовской и М. А. Романовой с коллегами [1,2,26] на примере лептоспорангиатных папоротников было установлено принципиальное отличие меристемы с единственной инициальной клеткой от многоклеточной апикальной меристемы семенных растений по метамерной организации спорофита, месту и способу закладки органов. Но из-за отсутствия сравнимых данных об апикальном морфогенезе в других таксонах несеменных растений нельзя судить, насколько выявленные особенности характеризуют апикальную меристему моноплексного типа.
Цель настоящего исследования — сравнительное изучение строения апикальной меристемы и апикального морфогенеза у представителей двух таксонов несеменных растений, различающихся по морфологии: Psilotum nudum (L.) Beauvau. (Psilotaceae) с микрофилльными листьями и дихотомически ветвящимися побегами и Botrychium lunaria (L.) Sw. (Ophioglossaceae) с теломными листьями и невегвящимися побегами.
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 07-04-00851-а). © А. Н. Науменко, М. А. Романова, 2008
В задачи исследования входило описание характера делений апикальной клетки и ее производных; сравнительный анализ зональной структуры апикальной меристемы P. nudum и В. lunaria с привлечением ультраструктурных данных; изучение роли клеток разных зон в формировании органов побега: при заложении листьев у P. nudum и В. lunaria и ветвлении у P. nudum.
Материал и методы исследования. Материалом исследования послужили спорофиты P. nudum из оранжереи Ботанического сада С.-Петербургского Государственного университета и В. lunaria, собранные в Ленинградской области в известняковых карьерах вблизи р. Пудость в начале июня и начале сентября 2006 г.
Спорофит P. nudum представляет собой систему многократно дихотомически ветвящихся надземных и подземных осей (рис. 1 ,А). Надземные оси возникают в результате перехода одной из подземных осей к ортотропному росту [34] и характеризуются ограниченным ростом. Надземная часть спорофита образована 7-8-кратно (реже 9-10-кратно) разветвленными побегами. На побегах первого-шестого порядков ветвления спирально располагаются чешуевидные листья (рис. 1, В). На терминальных осях последних двух порядков ветвления вместо листьев образуются вильчатые спорофиллы, в пазухах которых располагаются спорангии (рис. 1, В). Зачаток побега первого порядка представляет собой «почку», в которой заключены зачатки всех листьев и ветвей наземной части спорофита.
А
Г
Рис. 1. Морфология спорофитов Psilotum nudum и Botrychium lunaria
А — схематический рисунок спорофита P. nudum. Пунктиром обозначен уровень почвы. Б — верхушка надземного побега P. nudum первого порядка ветвления; В — фрагмент терминальной ветви P. nudum с синангиями из трех сросшихся спорангиев в пазухах вильчатых спорофиллов; Г—внешний вид спорофита В. lunaria-, Д — фрагмент корневища В. lunaria; Е—фрагмент верхушки корневища В. lunaria после удаления основания вегетирующего листа и зачатка листа следующего года, вс — вегетативный сегмент листа; к — корневище; о — рубец от отмершего листа; с — спороносный сегмент листа.
ill
Ш
m
шш
щ:
mm
m
Hill
Ж
'ШШ
ш*
i.......
Ф:}
ттш
ri
Спорофит В. lunaria представляет собой подземное вертикальное корневище (рис. 1, Г), на котором ежегодно с конца мая до конца сентября вегетирует единственный лист, состоящий из спороносного и вегетативного сегментов. После отмирания листа на подземном побеге остается опоясывающий рубец; по числу рубцов можно определить возраст особи. В основании каждого листа имеется единственный корень, который вместе с листом составляет метамер побега (рис. 1 ,Д Е). Внутри замкнутого основания вегетирующего листа находится четыре или пять более молодых листовых зачатков на последовательных стадиях развития. Зачаток каждого следующего листа располагается внутри разросшегося основания листа предыдущего года, а зачаток самого молодого листа охватывает апикальную меристему побега (рис. 1, Е; рис. 2, В, Г; рис. 3, В,Г).
Морфологию верхушек побегов P. nudum различных порядков ветвления изучали в 10-кратной повторности для каждого порядка; морфологию В. lunaria изучали в такой же повторности с помощью стереомикроскопа Мик-мед-1 (ЛОМО). Фотографии были выполнены при помощи цифровой камеры Nikon D70S. Для изучения апикального морфогенеза на световом уровне в 75%-ном спирте было зафиксировано по восемь апексов различных порядков ветвления Р. nudum и по 10 «весенних» и «осенних» апексов В. lunaria. Материал был заключен в парафин по стандартной методике. Серии продольных срезов апексов толщиной 10-16 мкм были сделаны на микротоме AccuCut (Sakura, Япония) и окрашены гематоксилином по Деляфильду. Изучение и фотосъемка световых препаратов выполнялись с помощью светового микроскопа Axiostar plus (Carl Zeiss) и цифровой камеры Nikon D70S. В соответствии с методом, разработанным D. Bierhorst [9, 10] и В. Gunning [17] и подробно описанным Г. М. Борисовской и соавторами [1], у обоих объектов анализировали характер клеточных делений в последовательных сегментах апикальной клетки — мерофитах. Границы мерофитов определяли по толщине клеточных стенок, форме и размерам клеток. Изменения размеров и формы клеток в ходе неравных делений сопоставлялись с изменениями ультраструктуры. Для оценки роли клеток разных зон апикальной меристемы в органогенезе зональную структуру рассматривали в соответствии с концепцией D. Stevenson [29,30,31,32].
Ультраструктуру клеток апикальной меристемы первого и десятого порядков ветвления P. nudum и апикальной меристемы В. lunaria исследовали в Лаборатории анатомии и морфологии Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН с помощью трансмиссионных электронных микроскопов Hitachi Н-600 и Tesla BS-500. Материал фиксировали раствором 3%-ного глутаральдегида и 4%-ного параформальдегида на 0,1 M фосфатном буфере с pH 7,2, постфиксировали 2%-ным тетроксидом осмия при температуре 4 °С в течение 12 ч, обезвоживали в серии спиртов возрастающих концентраций, 100%-ном ацетоне и заключали в смесь эпона с аралдитом. Ультратонкие срезы (толщиной 30 нм) были выполнены на микротоме Ultracut Е стеклянным ножом с последующим двойным контрастированием в 4%-ном уранилацетате и цитрате свинца.
Для изучения изменений в строении проводящей системы P. nudum в ходе ветвления были выполнены поперечные срезы побегов разных порядков ветвления в 8-кратной повторности от руки. Срезы окрашивали сафранином.
.< 4 » <<\VÄ ft %
ш^тШщЩ
В
Рис. 2. Зональность апикальной меристемы Psilotum nudum и Botrychium lunaria А — продольный срез верхушки побега P. nudum первого порядка ветвления; Б — схема продольного среза верхушки побега P. nudum первого порядка ветвления; В — продольный срез верхушки побега В. lunaria; Г — схема продольного среза верхушки побега; ак — апикальная клетка; акл — апикальная клетка листа; акв — апикальная клетка вегетативного сегмента листа; акс — апикальная клетка спороносного сегмента листа; пи 1 — клетки зоны поверхностных инициалей после первого периклинального деления; пи2 — клетки зоны поверхностных инициалей после второго периклинального деления; ппи — зона подповерхностных инициалей; чз — чашевидная зона. Цифрами обозначены последовательные сегменты апикальной клетки. Масштабная линейка 50 мкм.
. *?007
Рис. 3. Ритмика апикального морфогенеза Psilotum nudum и Botrychium lunaria А — продольный срез верхушки побега P. nudum первого порядка ветвления; Б — схема продольного среза верхушки побега P. nudum первого порядка ветвления; В — продольный срез верхушки корневища В. lunaria; Г — схема продольного среза верхушки корневища В. lunaria, амп апикальная меристема побега; в — ветви; зл - - зачатки листьев. Остальные обозначения, как на рис. 2. Светло-серым цветом обозначена зона поверхностных инициален, темно-серым производные новых апикальных клеток. Цифры обозначают год вегетации листа. Масштабная линейка 100 мкм.
Результаты исследования и их обсуждение. Зональная структура апикальной меристемы Psilotum nudum и Botrychium lunaria. В апексах побегов P. nudum и В. lunaria присутствует апикальная клетка, на продольном срезе имеющая форму перевернутого тетраэдра (рис. 2, А — Г; рис. 3, А, Б\ рис. 4, А —Д; рис. 5, А — Е). Она окружена призматическими клетками, которые вместе с апикальной клеткой составляют зону поверхностных инициалей. Под апикальной клеткой и поверхностными инициалями располагаются изодиаметрические клетки зоны подповерхностных инициалей. Эта группа клеток, определенная нами [26] как «инициальный комплекс», характеризуется большими размерами по сравнению с другими клетками апикальной меристемы и большей вакуолизацией. Зоны поверхностных и подповерхностных инициалей были обнаружены в составе апикальной меристемы обоих видов. В апикальной меристеме В. lunaria клетки зон поверхностных и подповерхностных инициалей охватывают мелкие изодиаметрические клетки еще одной — чашевидной —зоны. Таким образом, в составе апикальной меристемы P. nudum нами выделено две зоны, а в меристеме В. lunaria три зоны (см. рис. 2, А •— Г).
Изучение ультраструктуры клеток разных зон апикальной меристемы показало, что апикальная клетка P. nudum и В. lunaria сходна со своими ближайшими производными (рис. 6, А —В; рис. 7, А). Эти клетки покрыты тонкой кутикулой с немногочисленными дендрита-ми. Для клеток «инициального комплекса» характерны крупные ядра овальной формы с
ровной поверхностью, которые расположены в базальной части клетки. В соответствии с точкой зрения J1. Г. Смит [27], полярное положение ядра указывает на способность поверхностных инициалей к неравным делениям. У обоих растений в каждом ядре обычно имеется единственное ядрышко. Вокруг ядра располагаются пластиды с крахмальными зернами (рис. 6, Д), в цитозоле — митохондрии ювенильного типа с малым количеством крист, большое количество рибосом. Гранулярный эндоплазматический ретикулум, представленный отдельными цистернами, расположен вдоль клеточных стенок (рис. 6, Г). В клетках меристемы обоих растений встречаются липидные капли. Для клеток апикальной меристемы побега P. nudum характерны вакуоли, заполненные фенолсодержащими веществами. В антиклинальных стенках апикальной клетки, а также в анти- и периклинальных стенках ее ближайших производных равномерно
Рис. 4. Заложение и ранние этапы развития листа Psilotum nudum и Botrychium lunaria
А — продольный срез через апекс третьего порядка P. nudum с листовым зачатком на ранней стадии развития, Б — схематическое изображение апекса третьего порядка P. nudum, В — продольный срез через апекс третьего порядка P. nudum с листовым зачатком, закончившим развитие; Г — продольный срез апекса корневища В. lunaria; Д— схема продольного среза апекса корневища В. lunaria. Условные обозначения, как на рис. 2, 3. Масштабная линейка 50 мкм.
"ГЩ:
• . ' 'л *
тш
ят&МШ-
в
f 1Ш
Ш
Г
1 щ
•Ш..У'
Г
Рис. 5. Особенности дихотомического ветвления спорофита Psilotum nudum
А — продольный срез верхушки побега первого порядка ветвления; Б — схема продольного среза верхушки побега первого порядка ветвления; В —- верхушка побега третьего порядка ветвления; Г— схема верхушки побега третьего порядка ветвления; Д — верхушка побега шестого порядка ветвления; Е— схема верхушки побега шестого порядка ветвления. Ж—К— поперечные срезы надземных осей последовательных порядков ветвления: Ж— основание надземного побега первого порядка ветвления; 3 — ось второго порядка ветвления; И—ось шестого порядка ветвления; К— ось восьмого порядка ветвления, мак — отмершая апикальная клетка материнског о побега. Остальные обозначения, как на рис. 2, 3. Масштабная линейка 50 мкм.
располагается большое число неветвящихся плазмодесм (см. рис. 6, Е, Ж). По визуальной оценке их плотность значительно выше, чем в апикальных меристемах семенных растений [22], и сходна с таковой в клетках апикальной меристемы лептоспорангиатных папоротников [25, 26]. В апикальной меристеме В. lunaria клетки поверхностных и подповерхностных инициалей и клетки чашевидной зоны (по визуальной оценке) характеризуются сходной степенью вакуолизации. У P. nudum клетки поверхностных инициалей в периферической части апекса более вакуолизированы по сравнению с клетками подповерхностных инициалей центральной части апекса (см. рис. 6, Б). Это отличает апикальную меристему/! nudum
Рис. 6. Ультраструктура клеток апикальной меристемы Psilotum nudum
А — центральная часть апекса побега первого порядка ветвления; Б— фрагмент периферической части апекса побега первого порядка ветвления; В — апекс побега последнего порядка ветвления; Г — фрагмент наружной части апикальной инициали; Д — фрагмент поверхностной инициали; Е — фрагмент клеточной стенки апикальной клетки в апексе первого порядка ветвления; Ж— фрагмент клеточной стенки апикальной клетки в апексе девятого порядка ветвления, вк — вакуоли с фенолсодержащими веществами; л — липидные капли; кс — клеточная стенка; м — митохондрии; п — пластида; пд — плазмодесмы; эпр — гранулярный эндоплазматический рстикулум; я — ядро; яд ядрышко. Остальные обозначения, как на рис. 2. Масштабная линейка: А — В — 50 мкм, Г— Ж— 2 мкм.
от меристемы семенных растений [ 12,13] и лептоспорангиатных папоротников [26], у которых клетки в периферической части апекса менее вакуолюированы, чем в центральной зоне.
Анализ клеточных делений показал, что апикальная меристема P. nudum и В. lunaria образована непосредственными и опосредованными производными единственной апикальной клетки. У обоих изученных видов апикальная клетка делится косоантиклинально, образуя призматические сегменты — поверхностные инициали. Поверхностные инициали затем делятся двумя способами: неравно периклинально и равно антиклинально. Неравные периклинальные деления происходят таким образом, что большая клетка призматической формы находится в поверхностном слое, а меньшая, имеющая более или менее изодиаме-трическую форму — в подповерхностном слое (см. рис. 2, Б, Г). Совокупность внутренних изодиаметрических клеток образует зону подповерхностных инициалей. Каждое неравное периклинальное деление приводит к укорачиванию поверхностных инициалей. В результате, в пределах зоны поверхностных инициалей у обоих объектов можно выделить три группы клеток, различающихся по длине антиклинальных стенок. Поверхностные инициали, которые граничат с апикальной клеткой и еще не делились периклинально по высоте мало отличаются от апикальной клетки, но по ширине значительно ее уже. Кнаружи от них располагаются более короткие поверхностные инициали, которые уже поделились периклинально один раз. Далее следуют самые короткие поверхностные инициали, образовавшиеся в результате двух периклинальных делений первых клеток поверхностных инициалей. За каждым неравным делением следует два-пять равных антиклинальных деления, которые увеличивают число поверхностных инициалей в каждой из групп. Равные антиклинальные деления увеличивают число поверхностных инициалей в каждой из групп. Для поверхностных инициалей В. lunaria характерно большее число равных антиклинальных делений, чем для P. nudum, зона поверхностных инициалей в апикальной меристеме В. lunaria состоит из большего числа клеток, а апекс имеет больший объем.
В результате проведенного исследования обнаружено, что у P. nudum в апикальной меристеме поверхностные инициали делятся периклинально дважды, а в меристеме В. lunaria — трижды. С каждым периклинальным делением поверхностные инициали укорачиваются. После третьего деления, характерного только для В. lunaria, поверхностные клетки приобретают изодиаметрическую форму и формируют чашевидную зону. Отсутствие чашевидной зоны в составе меристемы P. nudum объясняется отсутствием тре тьего периклинального деления поверхностных инициалей (см. рис. 2, Б, Г). Анализ полученных результатов дает нам возможность утверждать, что именно неравные периклинальные деления поверхностных клеток играют ключевую роль в формировании зональности апикальной меристемы — зон поверхностных и подповерхностных инициалей в апикальных меристемах у изученных видов, а также чашевидной зоны в меристеме В. lunaria.
Органогенез. Для того чтобы оценить, связаны ли различия в зональности апикальной меристемы побега P. nudum и В. lunaria с ее функцией, была проанализирована роль клеток разных зон апикальной меристемы спорофитов в органогенезе обоих растений.
Образование листа. Проведенное исследование показало, что закладка листьев у P. nudum и В. lunaria происходит сходным образом. Органогенез начинается в группе поверхностных инициалей, поделившихся дважды периклинально (самые короткие клетки поверхностных инициалей). Одна из клеток этой группы увеличивается в размерах и делится косоантиклинально. В результате формируется тетраэдрическая апикальная клетка листа (см. рис. 4, А, Б, Г, Д). У обоих видов формирование листьев происходит последовательно, но способные к образованию листа клетки находятся на разном расстоянии от апикальной клетки побега.
Дальнейший морфогенез листа P. nudum и В. lunaria различается. У P. nudum апикальная клетка листа способна делиться лишь небольшое число раз, а ее производные быстро паренхиматизируются (см. рис. 4, А, В). Вследствие раннего прекращения делений у P. nudum листья достигают длины не более 3-4 мм, и в них не развивается проводящая система. Выявлено, что развитие листа В. lunaria продолжается пять-шесть лет и состоит из чередующихся фаз роста и покоя. В первый год формируется апикальная клетка вегетативного сегмента в результате косоантиклинального деления одной из поверхностных инициалей. Деления апикальной клетки листа приводят к образованию листового бугорка. На второй год морфогенеза в результате сходного косоантиклинального деления одной из поверхностных инициалей на адаксиальной стороне листового зачатка возникает апикальная клетка спороносного сегмента (см. рис. 4, Г, Д). В течение последующих двух
Рис. 7. Ультраструктура клеток апикальной меристемы Botrychium lunaria
А — апекс побега первого порядка ветвления; Б — фрагменты поверхностной инициали; В — способная к инициации листа поверхностная инициаль с анти- и периклинальными клеточными стенками; Г — ядрышко с доминированием фибриллярного компонента; Д — участок клеточной стенки поверхностной инициали с многочисленными плазмодесмами. Условные обозначения, как на рис. 2, 6. Масштабная линейка: А — 50 мкм, И, В — 2 мкм.
или трех лет происходит синхронное внутрипочечное развитие спороносного и вегетативного сегмента, а еще через год лист появляется над поверхностью почвы. Развитие каждого сегмента сопровождается дифференциацией собственного прокамбиального тяжа, в результате чего в основании листа В. lunaria дифференцируется двухпучковый листовой след.
Ветвление. Органогенный потенциал апикальной меристемы P. nudum и В. lunaria различается: апикальная меристема побега В. lunaria образует только листья, а апикальная меристема P. nudum так же, как меристемы лептоспорангиатных папоротников [6], листья и ветви.
Наши исследования показали, что при инициации ветвления у P. nudum в двух поверхностных инициалях по разные стороны от апикальной клетки одновременно происходят косоантиклинальные деления. В результате в периферической части апикальной меристемы одновременно образуются две тетраэдрические апикальные клетки — апикальные клетки ветвей. Апикальные клетки ветвей так же, как и апикальные клетки листьев, формируются в зоне поверхностных инициалей. В отличие от листьев, ветви образуются из поверхностных инициалей, которые одиножды периклинально поделились. Материнская апикальная клетка отмирает и сминается вместе с несколькими соседними поверхностными инициалями. Таким образом, при каждом ветвлении P. nudum происходит смена апикальных инициалей (см. рис. 5, А, Г). Каждая из новых апикальных клеток начинает делиться так же, как материнская, и формирует новую апикальную меристему.
Проведенное исследование показало, что объем апикальной меристемы P. nudum после каждого ветвления уменьшается от 30-40 призматических поверхностных инициалей в апексе первого порядка ветвления до 5-12 поверхностных инициалей в терминальных ветвях (см. рис. 5, А — Е). После пяти или шести ветвлений происходит изменение органогенного потенциала меристемы: вместо стерильных листьев она начинает формировать вильчатые спорофиллы и спорангии (см. рис. 1, В). После еще двух ветвлений, сопровождающихся сменой апикальных инициалей, деления и морфогенез в апикальной меристеме прекращаются. Уменьшение объема апикальной меристемы сопровождается изменением конфигурации стелы от 9-11 -лучевой в оси первого порядка до диархной стелы в терминальных ветвях (рис. 5, Ж— К). В клетках апикальной меристемы терминальных побегов 9-10-го порядка ветвления были отмечены ультраструктурные изменения по сравнению с клетками меристемы побегов первого порядка ветвления, свидетельствующие о снижении меристематической активности (см. рис. 6, А, Б). К этим изменениям относятся значительное увеличение степени вакуолизации клеток, возрастание содержания фибриллярного компонента в ядрышке и уменьшение количества гранулярного компонента, конденсация гетерохроматина в ядре, повышение содержания липидных капель и повышение плотности цитозоля. Перечисленные признаки характерны для семенных растений в состоянии глубокого покоя [3, 4]. Вероятно, описанные ультраструктурные изменения в сочетании с уменьшением объема апикальной меристемы (см. рис. 6, Ж) приводят к переходу от активного органогенеза в апексе побега первого порядка к его завершению в терминальных ветвях и ограниченному росту побега P. nudum.
На наш взгляд, дихотомическое ветвление P. nudum имеет как общие черты с ветвлением ряда лептоспорангиатных папоротников, описанным R. Mueller [21], R. Imaichi [18, 19], M. А. Романовой, Г. М. Борисовской [6], так и отличия. При ветвлении P. nudum так же, как у папоротников Gymnocarpium dryopteris, Phegopteris connectilis, Pteridium aquilinum, происходит смена апикальных инициалей, а поверхностные инициали приобретают способность к формированию ветвей после первого периклинального деления [1,2,
21]. Различия связаны с дальнейшей судьбой материнской апикальной клетки. У P. nudum она отмирает, в то время как у лептоспорангиатных папоротников многократно делится и образует паренхимный бугорок, разделяющий дочерние ветви. Уменьшение объема апекса и изменение в строении проводящей системы также отличают ветвление P. nudum от ветвления папоротников.
Удалось установить, что различия в зональности апикальной меристемы P. nudum и В. lunaria связаны с различиями в органогенной ритмике. Изучение морфологического и анатомического строения верхушек побегов разных порядков ветвления выявило необычную ритмику развития у P. nudum: заложение зачатков всех ветвей и листьев надземной части спорофита происходит до начала роста надземных побегов [5]. В верхушке побега первого порядка, которая имеет высоту не более 1 см над поверхностью почвы, можно различить шесть-восемь апексов дочерних побегов и до 17 листовых зачатков (см. рис. 1, Б; рис. 3, А, Б). Дальнейшее развитие надземной части спорофита P. nudum заключается в увеличении размеров уже сформированных зачатков листьев и веток. От появления верхушки надземной части спорофита до начала роста проходит от двух до пяти недель, т. е. зачатки листьев и веток закладываются в апикальной меристеме практически без периода покоя. Поскольку в верхушке побега первого порядка различимы зачатки только вегетативных листьев, но не спорофиллов и спорангиев, можно сделать заключение, что последние формируются в «открытом росте», т. е. после начала роста надземных осей. В апикальной меристеме В. lunaria ежегодно закладывается единственный лист, а его морфогенез, продолжающийся пять-шесть лег, состоит из чередующихся фаз роста и покоя.
Авторы предполагают, что в меристеме P. nudum, где происходит непрерывная закладка зачатков листьев и ветвей, поверхностные инициали успевают поделиться перикли-нально лишь дважды до инициации нового органа. В апикальной меристеме В. lunaria, образующей единственный лист в год, поверхностные инициали, которые дважды поделились гтериклинально и не реализовали свой органогенный потенциал, делятся периклинально в третий раз и формируют чашевидную зону.
Ультраструктурные данные также косвенно подтвердили различия в интенсивности органогенеза в апикальной меристеме изученных видов. Такие черты клеток апикальной меристемы побега первого порядка ветвления P. nudum, как невысокая степень вакуолизации, преобладание в ядрышке гранулярного компонента над фибриллярным, деконден-сированный гетерохроматин в ядре, типичны для активных меристематических клеток [4]. Клетки меристемы последнего порядка ветвления P. nudum и апикальной меристемы В. lunaria характеризуются рядом особенностей, типичных для клеток апикальной меристемы семенных растений только в глубоком покое [3,4]. К таким особенностям относятся: высокая степень вакуолизации клеток всех трех зон, большое количество липидных капель в цитозоле, крахмальных зерен в пластидах (рис. 7, А —Д). Наличие «черт покоя» в апикальной меристеме В. lunaria может быть связано с тем, что большую часть года меристема неорганогенна и проявляет меристематичсскую активность только весной, во время формирования зачатка единственного листа. Ультраструктурные особенности клеток P. nudum последнего порядка ветвления свидетельствуют о том, что органогенез в апикальной меристеме терминальных ветвей завершен.
Заключение. Структура апикальной меристемы P. nudum и В. lunaria обладает некоторым сходством со структурой апикальной меристемы лептоспорангиатных папоротников и семенных растений. Большими размерами и более сильной вакуолизацией поверхностные и подповерхностные инициали в меристеме изученных видов и изученных
ранее лентоспорангиатных папоротников [1,2,26] напоминают клетки центральной зоны апикальной меристемы семенных растений [12, 13]. Мелкие и менее вакуолизированные клетки чашевидной зоны В. lunaria, как и у лептоспорангиатных папоротников Gymno-carpium dryopteris, Phegopteris connectilis и Pteridium aquilinum [26], сходны с клетками периферической зоны меристемы семенных растений [12, 13, 28]. Выявленное сходство можно рассматривать в качестве подтверждения точки зрения D. Stevenson [32] и W. Friedman и соавторов [14] о том, что апикальная меристема побега всех высших растений многоклеточна и обладает сходной зональностью, а наличие единственной апикальной инициали — лишь частная особенность большинства несеменных растений.
В связи с тем, что в составе апикальной меристемы P. nudum нет чашевидной зоны, его меристема имеет лишь частичное сходство с описанной для семенных растений и папоротников зональностью. Однако проведенное нами исследование показало, что различия в зональности апикальной меристемы P. nudum и В. lunaria определяются органогенной ритмикой: чашевидная зона может образоваться лишь в апикальной меристеме, в которой инициация органов чередуется с фазами покоя. Подтверждением предположения о связи между органогенной ритмикой и зональностью апикальной меристемы служит тот факт, что в апикальной меристеме лептоспорангиатного папоротника Phegopteris connectilis, образующего один лист ежегодно, чашевидная зона есть [1], а у лептоспорангиатного папоротника Ceratopteris richardii с непрерывным органогенезом она отсутствует [25,26]. Поэтому полагаем, что наличие или отсутствие чашевидной зоны в составе апикальной меристемы несеменных растений, относящихся к разным систематическим группам связано с органогненной ритмикой, но не является таксоноспецифическим.
Проведенное исследование позволяет сделать заключение о том, что, несмотря на определенное зональное сходство апикальных меристем с единственной и множественными апикальными инициалями, их функциональная организация принципиально различается. В меристеме семенных растений с множественными апикальными инициалями органы образуются путем делений мелких и слабо вакуолизированных клеток периферической зоны [28]. В апикальной меристеме P. nudum и В. lunaria с единственной апикальной клеткой к органогенезу способны только крупные вакуолизированные поверхностные инициали, морфологически соответствующие центральной зоне меристемы семенных растений. При этом фирмирование листа происходит в производных апикальной клетки после второго перикли-нального деления, а формирование побегов — независимо от листовых зачатков и из клеток претерпевших только одно периклинальное деление. У В. lunaria мелкие клетки чашевидной зоны неорганогенны. То же отмечено и у лептоспорангиатных папоротников [6, 7].
На наш взгляд, основными особенностями апикальной меристемы P. nudum и В. lunaria являются неравные деления производных апикальной клетки, которые определяют формирование зональной структуры апикальной меристемы и изменение органогенного потенциала клеток, а также органогенез путем формирования новых апикальных инициалей [2, 5, 7]. Эти черты сходны с таковыми, описанными для лептоспорангиатных папоротников [1,2, 6] и, вероятно, характеризуют апикальную меристему с единственной инициалью. Полученные данные служат аргументом в пользу точки зрения W. Philipson [23] о том, что основное отличие апикальной меристемы с единственной инициальной клеткой от меристем с множественными инициалями не в числе апикальных инициалей, а в способе деления клеток. Однако для подтверждения или опровержения гипотезы о фундаментальном различии между меристемами с единственной и множественными апикальными инициалями необходимо детальное изучение клеточных аспектов органогенеза у представителей других таксонов несеменных растений.
* * *
Авторы выражают благодарность сотрудникам Лаборатории анатомии и морфологии БИН РАН H. К. Котеевой и О. В. Яковлевой за помощь в освоении методов электронной микроскопии и ценные замечания в ходе подготовки статьи.
Summary
Naumenko A. N., Romanova М. A. Apical morphogenesis in Psilotum nudum (Psilotaceae) and Botrychium lunaria (Ophioglossaceae).
Similarities and differences in the zonal structure of the shoot apical meristem (SAM) of Psilotum nudum and Botrychium lunaria defined by differences in morphogenetic tempo are revealed. Correlation of unequal periclinal divisions with the gain and loss of organogenic competency is shown. Peculiarities of B. lunaria meristematic cells and changes showing the decrease in meristematic potential and causing the termination of morphogenesis in the course of P. nudum branching on the basis on ultrastmctural morphology are described. Similarity in the initiation pattern of Я nudum microphylls and B. lunaria macrophylls is postulated. The unequal pattern of periclinal divisions leading to the development of the SAM zonal structure and organogenesis through emergency of the new apical initials are similar to the previously described for the leptosporangiate ferns and characterize the monoplex SAM.
E-mail: marinaromanova@mail.ru
Литература
1. Борисовская Г. M, Романова М. А., Велле С. В. Органогенез в апикальной меристеме Phegop-teris conneclilis (Thelypteridaceae): к вопросу о морфофункциональной структуре апикальной меристемы папоротников // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 3. 2006а. Вып. 3. С. 12-21. 2. Борисовская Г. М., Романова М. А., Велле С. В. Морфофункциональная струкгура апикальной меристемы папоротников и особенности апикального морфогенеза //Матер. Междунар. конф. «Проблемы биологии растений». СПб., 20066.
C. 258-263. 3. Котеева Н. К. Изменение клеток апикальной меристемы побега Pinus sylvestris (Pinaceae) в годичном цикле//Бот. журн. 1997. Т. 82. № 6. С. 10-23. 4. КотееваН. К. Изменение структуры ядрышек клеток апикальной меристемы побега и мезофилла хвои сосны обыкновенной в годичном цикле // Цитология, 1999. Т. 41. № 6. С. 479^184. 5. Науменко А. Н., Романова М. А. Морфологические, анатомические и ритмологические особенности спорофита Psilotum nudum (L.) Beauv. // Труды Первой Рос. птеридол. конф. Томск, 2007. С. 159-162. 6. Романова М. А., Борисовская Г.М. Принципы структурной организации вегетативного тела папоротников: онтогенетический подход // Бот. журн. 2004. Т. 89. № 5. С.705-717. 7. Романова М. А., Науменко А. Н., Евкайкина А. И., Велле С. В. Апикальная меристема побега (АМН) и морфологическая эволюция растений: структура определяет особенности морфогенеза // Труды Первой Рос. птеридол. конф. Томск, 2007. С. 169-172.8. Barlow P. W. Cell divisions inmeristems and their contribution to organogenesis and plant / Ed. by D. S. Ingram and A. Hudson. Shape and form in plants and fungi. San Diego (Calif.), 1994. P. 169-193. 9. Bierhorst D. W. Morphology of Vascular Plants. New York, 1971. 10. Bierhorst
D. W. On the stem apex, leaf initiation and early leaf ontogeny in filicalean ferns // Amer. J. Bot. 1977. Vol. 64. N 2. P. 125-152. 11. Bower F. O. The comparative examination of the meristems of ferns, as a phylogenetic study // Ann. Bot. 1889. Vol. 3. P. 305-392.12. BuvatR. Ontogeny, cell differentiation and structure of vascular plants. Berlin, 1989. 13. Buvat R., Liard O. Interpretation nouvelle du fonctionnement de Г apex d'Equisetum arvense II C.R. Acad. Sci. (Paris) 1953. Vol. 237. P. 88-90.14. Friedman W. E„ Moore R. C„ Purugganan M. D. The evolution ofplant development //Am. J. Bot. 2004. Vol. 91. N 10. P. 1726-1741.15. GenselP. G. Morphologic and Taxonomic Relationships of the Psilotaceae Relative to Evolutionary Lines in Early Land Vascular Plants // Brittonia. 1977. Vol. 29. N 1 (Jan.-Mar.). P. 14-29. 16. GiffordE. M, Foster A.S . Morphology and evolution of vascular plants / Ed. by W. H. Freedman. New York, 1989. 17. Gunning B. Age-related and ori-gin-related control of the numbers of plasmodesmata in cell walls of developing Azolla roots II Planta. 1978. Vol. 143. P. 181-190.18. ImaichiR. Developmental anatomy of the shoot apex of leptosporangiate ferns. 1. Leaf ontogeny and shoot branching of Dennstaedtia scabra II J. Jap. Bot. 1984. Vol. 59. P. 367-375. 19. Imaichi R., Nishida M. Developmental Anatomy of the Three-Dimensional Leaf of Botrychium ternatum (Thunb.) Sw. // Bot. Mag. (Tokyo) 1986. Vol. 99. P. 85-106. 20. Kato M„ TakahashiA., Imaichi R. Anatomy of the axillary bud of Helminthostachys zeylanica (Ophioglossaceae) and its systematic implications // Botanical Gazette.
1988. Vol. 149. P. 57-63. 21. Mueller R. J. Shoot morphology of the climbing fern Lygodium (Schizaeaceae): General organography, leaf initiation, and branching // Bot. Gaz. 1982. Vol. 143. P. 319-330. 22. Ormenese S., Havelange A., Deltour R., Bernier G. The frequency of plasmodesmata increases early in the whole shoot apical meristem of Sinapis alba L. during floral transition // Planta. 2000. Vol. 211. P. 370-375. 23. Philipson W. R, The significance of apical meristems in the phylogeny of land plants // Plant Systematics and Evolution. 1990. Vol. 173. P. 17-38. 24. Pryer K. M, Schneider H„ Smith A. R„ Cranfill R„ Wolf P. G„ Hunt J. S„ Sipes S. D. Horsetails and ferns are a monophyletic group and the closest living relatives to seed plants It Nature. 2001. Vol. 409. P. 618-622. 25. Romanova M, Jernstedt J. Do shoot apical cells determine everything in some ferns? // Abstracts of the Annual Meeting of the Botanical Society of America. Botany Alpine Diversity: Adapted to the Peaks. July 31 — August 5, 2004. 26. Romanova M., Yakovleva O. V., Koteeva N. K.. Borisovs-kaya G. M., Jernstedt J. Fern shoot apical meristems (SAMs): structure, morphogenic activity and evolutionary homologies // Abstracts of XVII International Botanical Congress. Vienna, 2005. P. 165. 27. Smith L.G. Plant cell division: building walls in the right places //Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2001 Vol. 2. P. 33-39.28. Steeves T. A.. Sussex I. M. Patterns in Plant Development. 2nd ed. Cambridge, 1989. 29. Stevenson D. W. Shoot apex organization and origin of the rhizome-borne roots and their associated gaps in Dennstaedtia cicutaria // Amer. J. Bot. 1976a. Vol. 63. P. 673-678. 30. Stevenson D. W. The cytohistological and cytohis-tochemical zonation of the shoot apex of Botrychium multifidum II Amer. J. Bot. 1976b. Vol. 63. P. 852-856. 31. Stevenson D. W. Observations on phyllotaxis, stelar morphology, the shoot apex and gemmae o( Lycopodium lucidulum Michaux (Lycopodiaceae) // Bot. J. Linnean Society 1976c. Vol. 72. P. 81-100. 32. Stevenson D. W. Observations on shoot apices ofEusporangiate ferns. Kew Bulletin. 1978. Vol. 33. P. 279-283.33. Takahashi A., Kato M. Developmental anatomy of vascular cambium and periderm of Botrypus virginianus and its bearing on the systematic position of Ophioglossaceae // Bot. Mag. (Tokyo) 1988. Vol. 101. P. 373-385. 34. Takiguchi Y„ Imaichi R., Kato M. Cell division patterns in the apices of subterranean axis and aerial shoot of Psilotum nudum (Psilotaceae): morphological and phylogenetic implications for the subterranean axis // Am. J. Bot. 1997. Vol. 84. N 5. P. 588-596.
CmambH npunnma k nenamu 17 deKa6px 2007
