CC BY
41
БОТАНИКА
УДК 581.45:581.821
А. А. Паутов, Е. Г. Крылова, В. А. Васильева, 3. А. Паутова
ЭТАПЫ ФОРМИРОВАНИЯ СКЛАДЧАТОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ЛИСТА РОРШОБ ТЯЕМиЛЛ Ь. (БАЫСАСЕАЕ МШВ.)*
Для листьев многих цветковых растений характерен закономерно организованный микрорельеф поверхности [11]. Одни!Ц из его вариантов является складчатый (стриатный) микрорельеф. Его строение у представителей рода Рори1из Ь., к которому относится модельный объект данного исследования, было рассмотрено нами ранее [7]. Стриатный микрорельеф представлен у них складками разной длины, которые отходят в стороны от замыкающих клеток. Расположенные таким образом группы складок внешне напоминают щетки и по этой причине Н. А. Анели [1] называет данный микрорельеф еще щеткообразным. Нередко складчатость характерна также для основных клеток эпидермы, не граничащих непосредственно с устьицами.
Использование компьютерного моделирования показало, что наличие складок влияет на структуру и величину механических напряжений и деформаций в стенках эпидермальных клеток [7]. Известно, однако, что механические нагрузки способны оказывать непосредственное влияние на митотическую активность клеток, их рост и дифференцировку [9]. Это дает повод для предположения о том, что микрорельеф поверхности играет определенную роль в гистогенезе покровной ткани листа. Но для того, чтобы играть такую роль, он должен возникать достаточно рано, в период, когда еще идет деление и растяжение клеток покровной ткани, дифференциация ее структурных элементов. В данной работе рассмотрен вопрос о времени формирования складчатого микрорельефа на поверхности растущего листа Рори1из 1гети1а Ь.
Материал и методы исследования. Изучено строение растущих и завершивших рост листьев 10 удлиненных годичных побегов Р. (гети1а. Выбор осины в качестве объекта исследования обусловлен наличием на нижней эпидерме ее листьев хорошо развитого стриатного микрорельефа Материал собран в парке Биологического НИИ СПбГУ в 2003 г. Для оценки возраста изученных листьев был рассчитан их пластохронный индекс - Ь.Р.1. [12]. Вычисление параметров роста листьев проведено по методике, разработанной Б. Р. Васильевым с соавторами [3].
Мелкие зачатки листьев целиком, а у более крупных зачатков и выросших листьев фрагменты из средней части пластинки просветляли в жавелевой воде [8]. Измерения клеток и подсчет их числа на единице поверхности листа проведены по рисункам, изготовленным с помощью рисовального аппарата РА-6. Всего рассмотрено 10 признаков, характеризующих морфологию листа, а также строение его эпидермы (табл. 1). Качественная оценка степени их проявления дана по схеме из работы Б. Р. Васильева [2]. Для определения уровня изменчивости изученных признаков использован коэффициент вариации, силы и характера их взаимосвязей - компонентный анализ [5, 10].
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 04—04—48999).
^ П<а> 1 об, 1^. 1 . крьысьа, о. м. ЗьЮмЛЬсои, 3. / \ . Па> 1 о в а, 5
Строение поверхности листьев исследовано на сканирующем электронном микроскопе ,)8М-35. Объекты исследования обезвоживали в серии спиртов, проводили через смесь изоамилацетата со спиртом и чистый изоамилацетат. Затем образцы высушивали при критической точке жидкой углекислоты. Сухие объекты наклеивали на столики, напыляли золотом и изучали в микроскопе.
Таблица I. Статические характеристики признаков строения листа Рориіиз ігетиіа
Признак X 5 Хтіп ^-шах СУ
дп 60,1 7,0 46,0 74,0 1 1,7
шп 58,7 7,4 43,0 74,0 12,6
пп 24,5 5,3 14,7 40,5 21,7
дч 45,8 10,4 23,0 79,0 22,8
кв 1984,4 280,0 1536,0 2831,1 14,1
гв 22,2 0,4 21,2 22,9 1,6
кн 3446,1 722,3 2500,0 5262,9 21,0
гн 22,9 0,5 21,9 24,2 2,1
чу 385,8 90,5 214,7 651,4 23,4
уи 10,2 2,1 5,7 16,7 20,2
Примечание. Здесь и в табл. 3: х - среднее арифметическое, хтш - минимальное,
*тах - максимальное значение признаков, 5 - среднее квадратичное отклонение, су - коэффициент вариации, дп - длина пластинки (мм), шп - максимальная ширина (мм), пп - площадь пластинки (см2), дч - длина черешка (мм), кв - число клеток на 1 мм2 верхней и кн - нижней эпидерм, гв -число генераций клеток в верхней и гн - нижней эпидермах, чу - число устьиц на 1 мм2 нижней эпидермы, уи - устьичный индекс (то же для табл. 2, 3).
Результаты исследований и их обсуждение. Закончившие рост листья изученных побегов Р. 1гети1а в типичном случае средних размеров (см. табл. 1). Их пластинки округлой или округло-ромбической формы, с крупными зубцами по краю. Мезофилл многослойный. Его палисадная ткань насчитывает 2, губчатая - 4-6 слоев клеток. Верхняя эпидерма мелкоклеточная, нижняя - очень мелкоклеточная. Листья гипостоматические. Устьица преимущественно парацитного типа, реже - латероцитные. Единично встречаются устьица, окруженные кольцеобразно расположенными клетками. На единице поверхности листа устьиц очень много. Устьичный индекс, однако, малый. Нижняя эпидерма несет складчатый микрорельеф поверхности. Складки располагаются не только возле устьиц, но и на всех остальных клетках эпидермы. Ранее было показано, что они образованы первичной клеточной стенкой и кутикулой [7].
Компонентный анализ позволил выявить и интерпретировать три группы признаков строения сформированного листа: Р]—Р3 (табл. 2). Их суммарная факторная дисперсия составила 75,7%.
На долю р! приходится 44,3% от общей дисперсии. Высокую корреляцию с ним (г > 0,5) имеют показатели размера пластинки листа (площадь пластинки, ее длина и ширина), числа и размера слагающих ее покровные ткани клеток (число генераций клеток в верхней и нижней эпидерме, а также общее число клеток на 1 мм2 нижней эпидермы). Индикатором данной группы признаков является число генераций клеток в нижней эпидерме {г = 0,94). Учитывая знак связи каждого из признаков с плеядой Рь можно отметить, что величина пластинки закончивших рост листьев Р. 1гети1а напрямую зависит от числа антиклинальных делений клеток. Чем больше происходит делений в покровных тканях, тем крупнее пластинка, чем меньше делений - тем она мельче. Подобная связь между величиной пластинки и размером клеток эпидермы отсутствует.
Таблица 2. Факторная структура изменчивости признаков строения сформированного листа Рориіш (гетиіа
Признак р. Р2 Рг,
дп 772 440 070
шп 829 222 176
пп 917 224 169
дч 413 284 189
КВ 083 -669 • -106
гв 866 -176 061
кн 567 -616 -226
гн 935 -240 -025
чу 422 -068 -886
уи -064 560 -763
РО, % 44,3 16,1 15,3
Примечание. Здесь и в табл. 4: Р1—Р3 - нагрузки признаков по первому - третьему факторам. РЭ, % - процент общей дисперсии, включенный в фактор. Обозначение признаков, как в табл 1.
С Р2, суммарная факторная дисперсия которого составила 16,1%, прочно связаны число клеток на 1 мм2 нижней и верхней эпидермы, а также устьичный индекс. Признак -индикатор - число клеток на 1 мм2 верхней эпидермы (г = -0,67). Чем меньше клеток на единице поверхности листа, т. е. чем крупноклеточнее покровная ткань, тем выше устьичный индекс, чем больше клеток - тем он ниже. Увеличение размера основных клеток эпидермы приводит к более разреженному расположению устьиц, которое компенсируется за счет увеличения числа клеток, дифференцирующихся в устьица. Напротив, уменьшение основных клеток влечет за собой более плотное размещение устьиц. При этом число клеток, дифференцирующихся в усть-ица, .уменьшается.
В плеяду Р3 (суммарная факторная дисперсия 15,3%) входит число устьиц на единице поверхности нижней эпидермы (признак индикатор, г = -0,89) и устьичный индекс.
Кривая изменения площади пластинки растущего листа приведена на рис. 1. Весь период роста листа, как известно, можно разделить на 3 фазы [3]. Эти фазы разграничены критическими точками Т| и Т2, которые характеризуют переломные моменты ростового процесса. В точке Т| увеличивающийся лист имеет максимальное ускорение роста, в точке Т2 - минимальное. Полученные данные (табл. 3) показывают, что
пп, СМ"
Ь.Р.1.
Рис. 1. Кривая роста листа Рориіия (гетиіа.
По оси абсцисс - пластохронный индекс листа (Ь.Р.І.), по оси ординат - площадь пластинки (пп). Ті, Т2 — критические точки роста.
средние значения пластохронного индекса растущего листа в точке Т[ составляет для модельных побегов 2,5, в точке Т2 - 4,1. Площадь пластинки достигает в эти моменты 5,5 и 20,3 см2. Продолжительность основной фазы роста, т. е. промежуток времени между Т] и Т2, равна 1,6 Ь.РЛ. Максимальная скорость роста пластинки листа - 10,6 см2/Ь.Р.1. Ею обладает пластинка площадью 12,9 см2. Прекращается рост пластинки при пластохронном возрасте 6,8. Структурные изменения, происходящие в разных частях развивающегося листа, прочно связаны друг с другом. Об этом свидетельствуют результаты компонентного анализа (табл. 4). Все изученные признаки вошли в плеяду Рь на долю которой приходится 77,5% факторной дисперсии. Рост листа осуществляется за счет увеличения как числа, так и размера слагающих его пластинку клеток. Несмотря на усиление в процессе роста листа круп-ноклеточности его эпидермы, число устьиц на единице ее поверхности также увеличивается. Последнее достигается за счет повышения устьичного индекса. Во вторую плеяду признаков, суммарная факторная дисперсия которого составила 9,2% на уровне связи г > 0,5, входит только один показатель - число устьиц на 1 мм2 покровной ткани листа. Указанные структурные изменения и их скоррелированность в растущем листе являются довольно типичными для цветковых растений. Во всяком случае они были отмечены ранее для целого ряда видов [4, 6].
Таблица 3. Статистические характеристики параметров роста листа Рори1и$ 1гети1а
Признак X 5 ■Х-тт ^-П1ЛХ СУ
В] 2,5 0,4 2,0 3,1 20,0
П| 5,5 0,8 4,1 6,5 14,9
в2 4,1 0,2 3,8 4,4 5,6
п2 20,3 3,0 15,2 24,2 14,9
оф 1,6 0,2 1,4 1,9 11,2
ск 10,6 2,2 7,6 13,2 20,7
в 6,8 0,2 6,4 7,0 3,5
Примечание. В|, в2 - возраст листа в критических точках Т, и Т2 (Ь.РЛ ), П|, п2 - площадь пластинки листа в точках Т] и Т2 (см2), оф - продолжительность основной фазы роста (Ь.РЛ.), ск - максимальная скорость роста листа (см2 / Ь.РЛ.), в - возраст окончания роста листа (Ь.РЛ.).
Таблица 4. Факторная структура изменчивости признаков строения растущего листа Рори1и$ 1гети/а
Признак р| Иг
дп 978 106 039
шп 962 171 -026
пп 934 137 -074
ДЧ 945 172 -016
кв -826 236 280
гв 865 231 363
кн -854 001 413
гн 907 120 321
чу 539 -797 253
уи 912 -265 -095
Г-Г> о- ги, /О 77,5 О ^ 5,5
Изучение поверхности растущих листьев Р. 1гети1а показало, что первоначально элементы складчатого микрорельефа формируются над жилками. Практически одновременно складки появляются возле заложившихся ранее устьиц, где они занимают типичное для стриатного микрорельефа положение (рис. 2, /, 2). Площадь пластинки этих листьев достигает 1,5 см2. На основных клетках эпидермы между устьицами складки отмечены на листьях, площадь которых превышает 15 см2 (рис. 2, 3, 4). Возраст этих листьев составляет, соответственно, почти 1,5 и более 3 Ь.РЛ.
Рис.. 2. Этапы формирования складчатого микрорельефа поверхности нижней эпидермы пластинки листа РориЬз ггети/а.
1 - складчатый микрорельеф отсутствует, 2 - складки развиты над жилками и возле устьиц, 3 - начало формирования складчатого микрорельефа на основных клетках между устьицами, 4 -
поверхность завер^изшеП реет пластинки. Масштабная линейка: мкм
Оценивая относительный размер листьев и строение их эпидермы на разных этапах формирования складчатого микрорельефа, можно отметить, что при появлении складок возле устьиц пластинка имеет немногим более 5% от своего окончательного размера. В ее нижней эпидерме насчитывается свыше 16% клеток, а их размер - около 40% от окончательного. В такой ткани заложилось только 7% устьиц. Складки на основных клетках между устьицами возникают значительно позже, когда пластинка листа вырастает наполовину. Ее эпидерма сложена более чем 85% клеток, размер которых превышает 60% от конечного. В ней дифференцировано около 60% устьиц.
Таким образом, формирование складчатого микрорельефа на разных участках эпидермы начинается на первой и второй фазе роста листа, когда идет деление и растяжение ее клеток, продолжается заложение устьиц.
Summary
Pautov A. A., K.-ilova Е. G., Vassiljeva V. A., Pautova Z. A. Stages of folded microrelief development on leaf surface of Populus tremula L. (Salicaceae Mirb.).
Structure and development of Populus tremula L. leaf are examined. The data of the microrelief fold initiation time in different parts of its epidermis are given. During the first phase of leaf growth the folds begin to develop above the veins and near the stomata, and on the basic epidermal cells - during the second phase. It is shown that the elements of folded microrelief appear at the surface of lower epidermis in the period, when the division and expansion of its cells, and also the differentiation of stomata are still in process.
Литература
1. Анели H. А. Атлас эпидермы листа. Тбилиси, 1975. 2. Васильев Б. Р. Строение листа древесных растений различных климатических зон. Л., 1988. 3. Васильев Б. Р., Звонцова Н. А., Савинов И. Я., Шмидт В. М. Математический анализ роста листьев // Бот. жури. 1973. Т. 58, №9. С. 1294—1301. 4. Васильев Б. Р., Ростова Н. С. О некоторых корреляциях признаков листа Bryophyllum (Crassulaceae): Опыт использования автоматических систем для измерения объектов и обработки данных при морфо-лргических исследованиях // Бот. журн. 197?. Т. 62, №3. С. 319-329. 5. Кендал М. Дж., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М., 1976. 6. Мокроносов А. Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза. М., 1981. 7. Паутов А. А., Яковлева О. В., Колодяжный С. Ф. Микрорельеф поверхности листьев у Populus (Salicaceae) //Бот. журн., 2002. Т. 87, № 1. С. 63-71. 8. Прозина М. Н. Ботаническая микротехника. М., 1960. 9. Регирер С. А., Штейн А. А. Механохимические модели морфогенеза // Теоретические и математические модели морфогенеза. М., 1987. С. 151-161. 10. Шмидт В. М. Математические методы в ботанике. Л., 1984. 11. Barthlott W. Scanning electron microscopy of the epidermal surface in plants // Syst. Ass. 1990. Vol. 41. P. 69-83. 12. Erickson R. O., Michelini F. J. The plasto-chron index // Amer. J. Bot. 1957. Vol. 44, N 4. P. 297-305.
Статья поступила в редакцию 29 сентября 2005 г.
