CC BY
65
УДК 582.26
К ИЗУЧЕНИЮ ПОЧВЕННЫХ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ ЗВЕНИГОРОДСКОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
СТАНЦИИ МГУ
12 3
Т.А. Буевич , Д.А. Чудаев , М.А. Гололобова
Представлены результаты изучения почвенных диатомовых водорослей из ризосферы грушанок (род Руго1а), произрастающих на территории Звенигородской биостанции МГУ имени М.В. Ломоносова. В ходе исследования в ризосферной почве и контроле выявлены 20 видовых таксонов пеннатных диатомовых водорослей. Из них в ризосфере отмечены 17 видов, в контроле - 9 видов. Большинство идентифицированных таксонов - типичные обитатели почв или временно пересыхающих местообитаний, а их экологические предпочтения совпадают с предпочтениями грушанок. Показано, что видовое разнообразие диатомовых водорослей (вне зависимости от типа биотопа) увеличивается в течение вегетационного сезона.
Ключевые слова: почвенные водоросли, ризосфера, диатомовые водоросли, БасП-1агюрЬусеае, грушанка, Руго1а.
Один из важнейших аспектов изучения почвенных водорослей - выявление их взаимодействия с высшими растениями, которое наиболее активно происходит в прикорневой зоне - ризосфере. Прикрепляясь к корням, водоросли могут проникать в более глубокие слои почвы, а в условиях отсутствия света ассимилировать вещества, выделяемые корнями. В то же время почвенные водоросли также влияют на высшие растения за счет того, что выделяют различные метаболиты (минеральные и органические вещества, гормоны и азотсодержащие вещества) (Алексахина, Штина, 1984). Отметим, что значительная часть исследований водорослей ризосферы проводится на растениях, имеющих хозяйственную ценность (таких, как рис, пшеница, кукуруза и т. д.), в то же время водоросли ризосферы дикорастущих растений изучены мало, несмотря на то что они могут играть значительную роль в формировании естественных биогеоценозов (Штина, Голлербах, 1976; Roger, Kulasooriya, 1980).
В почве, в том числе ризосфере, встречаются представители разных групп водорослей: циано-бактерии (Cyanophyta), зеленые водоросли в широком смысле (Chlorophyta sensu lato), охрофитовые водоросли (Ochrophyta) (Шарипова, 2012). Среди последних в почве часто встречаются пеннатные
диатомовые водоросли (БасШапорИусеае), многие из которых имеют шов на створках, благодаря которому способны к передвижению по субстрату (Зенова, Штина, 1990).
Отметим, что почвенные водоросли Московской обл. практически не изучены. Есть несколько работ по изучению почвенных водорослей лесов Московской обл. (Чаплыгина, 1976, 1977; Алексахина, 1977). Что касается водорослей ризосферы этого региона, то они никогда не были объектом целенаправленного исследования. В связи с этим целью нашей работы было изучение качественного состава почвенных диатомовых водорослей из ризосферы дикорастущих микоризообразующих растений рода Руго1а.
Материалы и методы
Сбор образцов проводился на территории Звенигородской биостанции имени С.Н. Скадовского (ЗБС). Биостанция расположена в Одинцовском р-не Московской обл. на правом берегу р. Москва в 12 км от Звенигорода. Климат региона умеренно континентальный, увлажнение избыточное. Рельеф - моренные равнины. Большую часть территории биостанции занимает водораздельное плато, представлены также надпойменные террасы и пойма р. Москва. Почвообразующие породы на
1 Буевич Татьяна Андреевна - студентка кафедры микологии и альгологии биологического факультета Московского госу-
дарственного университета имени М.В. Ломоносова (аггапа-м^уаМех.ги); 2 Чудаев Дмитрий Алексеевич - науч. сотр. кафедры
микологии и альгологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, канд. биол. наук (сЬи^еу@Ц|з1;.т); 3 Гололобова Мария Александровна - ст. науч. сотр. кафедры микологии и альгологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, канд. биол. наук ^о1о1оЪоуата@таД.ги).
водораздельном плато представлены четвертичными флювиогляциальными отложениями разного гранулометрического состава. По характеру растительности район ЗБС относится к зоне южной тайги. На территории биостанции преобладают хвойные, преимущественно еловые леса, реже встречаются смешанные леса, березняки и осинники. Основной тип почв в регионе - подзолистые (в основном кислые подзолистые и дерново-подзолистые) почвы, характерные для таежной зоны и формирующиеся под хвойными лесами в условиях промывного водного режима (Руководство ... , 2011).
Объектами нашего исследования были водоросли ризосферы двух видов грушанок, произрастающих на территории ЗБС, а также контрольной почвы, максимально лишенной корней растений.
Pyrola rotundifolia L. - длиннокорневищное вечнозеленое многолетнее травянистое растение из семейства Pyrolaceae порядка Ericales. Корневая система представлена короткими, ветвящимися до 2-го порядка придаточными корнями, отходящими от узлов корневища, дающего надземные побеги, которые представлены собранными в прикорневую розетку листьями. P. media Sw. имеет схожее строение. Виды отличаются некоторыми морфологическими признаками. Их экологические предпочтения близки, эти виды могут произрастать рядом (Губанов и др., 2004; Бобров, 2009).
Грушанки предпочитают хорошо аэрированные почвы, богатые гумусом, но при этом толерантны к низкому содержанию минерального азота. Наиболее типичные биотопы для грушанок - леса, как хвойные, так и лиственные, хотя они могут встречаться и в других типах местообитаний. Грушан-ки формируют арбутоидную микоризу, в которой чаще всего микосимбионтом выступают базидио-мицеты (Бобров, 2009).
Сбор образцов проводился раз в месяц, с июня по сентябрь 2016 г., на двух точках в седьмом квартале биостанции; всего собрано 23 образца почвы. Точка А расположена в смешанном лесу; точка Б - в березняке. На каждой точке сбор проводился с двух клонов грушанки, принадлежащих к одному из двух видов (P media либо P. rotundifolia). В связи с тем, что эти виды близки по морфологии и экологии, мы не дифференцировали растения по их видовой принадлежности при сборе и анализе материала.
Сбор образцов проводили в стерильные конверты из крафтовой бумаги. Образцы почвы из прикорневой зоны грушанок собирали садовым
инструментом, простерилизованным путем многократного втыкания в почву рядом с местом сбора. Так как корневая система растений рода Pyrola развита слабо, провести сбор ризосферной почвы описанным в литературе способом (например, Голлербах, Штина, 1969) было невозможно. Поэтому ризосферной почвой считалась почва, находящаяся в 1-2-сантиметровой зоне вокруг корней. Контрольный образец собирали аналогично с места, максимально свободного от растительности и корней.
Для выявления водорослей в ризосферной и контрольной почве применялись чашечные культуры со стеклами обрастания. Образцы почвы помещали в стерильные чашки Петри и увлажняли стерильной дистиллированной водой. На поверхность почвы помещали покровные стекла таким образом, чтобы между стеклом и почвой оставались небольшие полости - влажные камеры. Чашки со стеклами инкубировали при комнатной температуре на естественном свету до появления на стеклах водорослей, видимых в микроскоп (около месяца), после чего стекла снимали с промежутком в 1-2 недели. Из стекол обрастания были приготовлены постоянные препараты для исследования диатомовых водорослей. Для удаления органического вещества использовали метод прокаливания на металлической пластине (Knudson, 1952; Krammer, Lange-Bertalot, 2000). Покровное стекло помещали на пластину из нержавеющей стали и прокаливали на плитке в течение 30 мин (до полного сгорания органики). После остывания стекло промывали в слабом растворе соляной кислоты, а затем - в дистиллированной воде и высушивали на воздухе. После этого очищенные кремнеземные компоненты панцирей диатомовых водорослей заключали в анилино-формальдегидную смолу Эльяшева (Эльяшев, 1957). Всего изучен 81 постоянный препарат.
Исследование постоянных препаратов проводили методом световой микроскопии. В работе были использованы следующие световые микроскопы: 1) «Leica DM2500», оснащенный иммерсионным 100-кратным планапохрома-тическим объективом с нумерической апертурой 1,40 и цифровой микрофотокамерой DFC495; 2) «Leica DM500» с иммерсионным 100-кратным планахроматическим объективом с нумерической апертурой 1,25 и цифровой микрофотокамерой ICC50 HD. Захват изображений осуществляли в формате TIFF в программах LAS v. 4.6.2 и LAS EZ v. 2.1.0. Для последующей обра-
ботки цифровых фотографий использовали программы ImageJ 1.49v и Adobe Photoshop 7.0.
Результаты и обсуждение
Всего в результате изучения стекол обрастания отмечены 20 видов диатомовых водорослей из ри-зосферной и контрольной почвы, относящихся к 1 классу (Bacillariophyceae), 2 порядкам, 6 семействам и 8 родам (по: Round et al., 1990). Для 10 таксонов установить однозначно видовую принадлежность не удалось. Отмечены следующие виды диатомовых водорослей: Hantzschia amphioxys (Erenb.) Grunow, H. calcifuga E. Reichardt et LangeBert., Humidophila sp. 1, Humidophila sp. 2, Luticola sp., Mayamaea atomus (Kütz.) Lange-Bert., Nitzschia sp. 1, Nitzschia sp. 2, Nitzschia sp. 3, Nitzschia sp.
4, Pinnularia borealis Erenb., P. obscura Krasske, P. schoenfelderi Krammer, P. sinistra Krammer, P. subcapitata W. Greg., Pinnularia sp. 1, Sellaphora atomoides (Grunow) C.E. Wetzel et Van de Vijver,
5. saugerresii (Desm.) C.E. Wetzel et D.G. Mann, Stauroneis thermicola (J.B. Petersen) J.W.G. Lund и Stauroneis sp. (рисунок).
В ходе исследования в ризосфере выявлено 17 видов, в контрольных образцах - 9 видов. Большинство идентифицированных нами таксонов - типичные обитатели почв или временно пересыхающих местообитаний. Большинство видов чувствительны к недостатку кислорода, но при этом толерантны к низкому содержанию органически связанного азота. По отношению к pH среды большинство идентифицированных таксонов предпочитают слабокислую или нейтральную среду, исключение - M. atomus, вид, чаще всего встречающийся в слабощелочных условиях (при pH > 7) (Van Dam et al., 1994; Krammer, 2000). Отметим, что в целом для почвы ризосферы характерны кислые значения pH среды за счет выделяемых корнями растений экссудатов и углекислого газа (Hinsinger et al., 2003), что объясняет отсутствие M. atomus в ризосфере (таблица).
Как сказано выше, грушанки предпочитают хорошо аэрированные почвы, богатые гумусом, при этом хорошо переносят недостаток минерального азота (Бобров, 2009). Таким образом, выявленный нами видовой состав диатомовых водорослей ризосферы вполне соответствует экологии этих растений. Для ризосферы в целом характерны более кислые значения pH среды, чем в основной почве, за счет выделений корнями растений, что в целом также согласуется с полученными нами результатами.
Одиннадцать видов диатомовых установлены только в ризосферной почве: Hantzschia amphioxys,
H. calcifuga, Humidophila sp. 2, Sellaphora sauger-ressii, S. atomoides, Pinnularia schoenfelderi, Stauroneis thermicola, Stauroneis sp. и 3 неидентифици-рованных вида рода Nitzschia (таблица, рисунок).
Только в контрольных образцах отмечены M. atomus, Luticola sp. и Pinnularia subcapitata (таблица, рисунок). Подчеркнем, что если представители родов Luticola и Pinnularia встречались на стеклах обрастания единично и/или были потомками одной клетки (т.е. представляли собой один клон), то M. atomus развивалась в массе.
Шесть видов диатомовых водорослей (Pinnu-laria sinistra, P. obscura, P. borealis, Pinnularia sp.
I, Humidophila sp. 1 и Nitzschia sp. 1) встречены и в контрольной, и в ризосферной почве (таблица, рисунок).
Таким образом, видовое разнообразие диатомовых водорослей в ризосферной почве значительно выше, чем в основной почве (контрольной). Это, на наш взгляд, можно объяснить тем, что водоросли, развивающиеся в прикорневой зоне, находятся в более благоприятных условиях, так как могут использовать питательные вещества, выделяемые корнями растений.
Четких закономерностей динамики заселения стекол обрастания выявить не удалось, т.е. число видов на одном стекле в нашем исследовании не зависело от времени инкубации.
Как видно из данных таблицы, наименьшее разнообразие диатомовых водорослей отмечено в пробах, собранных в июне: по одному виду в контрольной и ризосферной почве смешанного леса (точка А), в почве березняка (точка Б) диатомовые водоросли не обнаружены. Наиболее разнообразны диатомеи в пробах, собранных в сентябре: 14 видов в смешанном лесу, из которых 12 в ризосферной почве и 3 в контрольной; в почве березняка в том же месяце было выявлено 8 видов: 3 в ризосферной почве и 6 в контроле (таблица). Таким образом, видовое разнообразие диатомовых водорослей (вне зависимости от типа биотопа) повышается в течение сезона. По нашим наблюдениям, такая тенденция прослеживается и для общего видового обилия диатомей: увеличивается численность клеток диатомей на стеклах обрастания в более поздние месяцы исследования. Отметим, что полученные нами результаты согласуются с литературными данными, согласно которым в районах с континентальным климатом, характеризующимся относительно длинной холодной зимой и засушливым летом (т. е. почва прогревается достаточно медленно, при этом летом сильно высыхает), конец лета и начало осени - период, наиболее благоприятный
Рис. Виды диатомовых водорослей, встреченные в ризосферной и контрольной почве: 1-3 - Hantzschia calcifuga; 4-7 - Hantzschia amphioxys; 8-9 - Pinnularia borealis; 10 - Luticola sp.; 11-12 - Humidophila sp. 2; 13-16 - Humidophila sp. 1; 17-19 - Pinnularia shoenfelderi; 20-25 - Pinnularia obscura; 26-33 -Pinnularia sinistra; 34 - Stauroneis sp.; 35-37 - Pinnularia subcapitata; 38-42 - Pinnularia sp. 1; 43-45 - Nitzschia sp. 1; 46-48 - Nitzschia sp. 3; 49-51 - Nitzschia sp. 4; 52-58 - Mayamaea atomus; 59-60 -Stauroneis thermicola; 61-65 - Sellaphora saugerresii; 66-67 - Sellaphora atomoides; 68-70 - Nitzschia sp.
2 (масштабная линейка 10 мкм)
Виды диатомовых водорослей, выявленные в разные сезоны в ризосфере грушанок и контрольной почве
<3
й О
Точка Ризосфера/ контроль Июнь Июль Август Сентябрь
А Р Pinnularia sinistra Hantzcshia amphioxvs Nitzschia sp. 4 Pinnularia obscura Pinnularia shoenfelderi Stauroneis thermicola Hantzschia amphioxvs Hantzschia calcifuga Humidophula sp. 2 Pinnularia obscura Hantzcshia amphioxvs Hantzschia calcifuga Humidophila sp. 1 Humidophila sp. 2 Nitzschia sp. 1 Nitzschia sp. 2 Nitzschia sp. 3 Nitzschia sp. 4 Pinnularia sp. 1 Sellaphora saugerresii Sellaphora atomoides Stauroneis sp.
к Pinnularia obscura - Mayamaea atomus Mayamaea atomus Nitzschia sp. 4 Pinnularia obscura
Б р - Pinnularia obscura Pinnularia sinistra - Hantzschia calcifuga Nitzschia sp. 3 Pinnularia borealis
к - Mayamaea atomus Pinnularia sinistra Pinnularia subcapitata Humidophila sp. 1 Mayamaea atomus Pinnularia obscura Pinnularia sinistra Luticola sp. Mayamaea atomus Pinnularia borealis Pinnularia obscura Pinnularia sinistra Pinnularia sp. 1
Обозначения. Точка А - смешанный лес, точка Б - березняк, р - ризосфера грушанки, к - контроль.
-й-
для развития почвенных водорослей в целинных почвах (Голлербах, Штина, 1969).
Заметно также различие в соотношении числа видов, обнаруженных в ризосферной почве и контрольной для смешанного леса и березняка. В смешанном лесу видовое разнообразие диатомовых водорослей в ризосфере выше по сравнению с контролем, тогда как в березняке, наоборот, больше видов встречено в контрольной почве по сравнению с ризосферной (таблица). Объяснить полученные результаты в данном случае затруднительно, так как, на наш взгляд, физические факторы среды (освещенность, влажность и т.д.) в изученных нами биотопах (смешанном лесу и березняке) были примерно одинаковы. Возможно, здесь необходимо учитывать химические факторы, однако мы не проводили соответствующие анализы. Таким образом, качественный состав диатомовых водорослей
ризосферы и основной почвы может зависеть не только от абиотических факторов, но и от типа растительного сообщества.
Заключение
В результате исследований впервые в ризосфере рода Pyrola установлено наличие водорослей. Выявленный нами видовой состав диатомовых водорослей из ризосферы изученных видов грушанок согласуется с экологией этих растений. Очевидно, что в ризосферной почве условия более благоприятны для развития большинства видов диатомовых водорослей по сравнению с основной почвой. Для сообщества почвенных диатомовых водорослей характерны сезонные изменения в видовом составе, а качественный состав сообщества, вероятно, может зависеть не только от абиотических факторов, но и от типа расти-
тельного сообщества.
Работа выполнена в рамках Государственного задания, часть 2, п. 01 10 (тема № АААА-А16-116021660085-8). Работа Д.А. Чудаева, связанная с таксономическим анализом материалов, выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда
(проект № 14-50-00029).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [REFERENCES]
Алексахина Т.И., Штина Э.А. Почвенные водоросли лесных биогеоценозов. М., 1984. 149 с. [Aleksakhina T.I., Shtina E.A. Pochvennye vodorosli lesnykh biogeotse-nozov. M., 1984. 149 s.].
Алексахина Т.И. Распространение почвенных водорослей в некоторых лесных биогеоценозах Европейской части СССР // Дис. ... канд. биол. наук. М., 1977. 308 с. [Aleksakhina T.I. Rasprostranenie pochvennykh vodoroslei v nekotorykh lesnykh biogeotsenozakh Evropeiskoi chasti SSSR// Dis. ... kand. biol. nauk. M., 1997. 308 s.].
Бобров Ю.А. Грушанковые России. Киров, 2009. 140 с. [Bobrov Yu.A. Grushankovye Rossii. Kirov, 2009. 140 s.].
Голлербах М.М., Штина Э.А. Почвенные водоросли. Л., 1969. 227 с. [Gollerbakh M.M., Shtina E.A. Pochvennye vodorosli. L., 1969. 227 s.].
Губанов И.А., Киселева К.В., Новиков В.С., Тихомиров В.Н. Иллюстрированный определитель растений средней России. Т. 3. М., 2004. 520 с. [Gubanov I.A., Kiseleva K.V., Novikov VS., Tikhomirov V.N. Illyus-trirovannyi opredelitel' rastenii srednei Rossii. T. 3. M., 2004. 520 s.].
Зенова Г.М., Штина Э.А. Почвенные водоросли. М., 1990. 78 с. [Zenova G.M., Shtina E.A. Pochvennye vodorosli. M., 1990. 78 s.].
Руководство по летней учебной практике студентов-биологов на Звенигородской биостанции им. С.Н. Скадовского / Под ред. В.М. Гаврилова. М., 2011. 432 с. [Rukovodstvo po letnei uchebnoi praktike studentov-bi-ologov na Zvenigorodskoi biostantsii im. S.N. Skadovsk-ogo / Pod red. VM. Gavrilova. M., 2011. 432 s.].
Чаплыгина О.Я. Почвенные водоросли сосновых и еловых лесов Московской области // Ботанический журнал. 1976. Т. 61. № 8. С. 1077-1088. [Chaplygina O.Ya. Pochvennye vodorosli sosnovykh i elovykh lesov Moskovskoi oblasti // Botanicheskii Zhurnal. T. 61. № 8. S. 1077-1088].
Чаплыгина О.Я. Закономерности развития почвенных водорослей в хвойных и лиственных лесах Подмосковья // Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Л., 1977. 24 с. [Chaplygina O.Ya. Zakonomernosti razvitiya pochvennykh vodoroslei v khvoinykh i listvennykh lesakh Podmoskov'ya // Avtoref. dis. ... kand. biol. nauk. L., 1977. 24 s.].
Шарипова М.Ю. Водоросли и цианобактерии в ризосфере травянистых растений поймы реки Инзер (Южный Урал) // Изв. Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 1(7). C. 1880-1883. [SharipovaM.Yu. Vodorosli i tsianobakterii v rizosfere travyanistykh rastenii poimy reki Inzer (Yuzhnyi Ural) // Izvestiya Samarskogo nauch-nogo tsentra RAN. 2012. T. 14. № 1 (7). S. 1880-1883].
Штина Э.А., Голлербах М.М. Экология почвенных водорослей. М., 1976. 142 с. [Shtina E.A., Gollerbakh M.M. Ekologiya pochvennykh vodoroslei. M., 1976. 142 s.].
Эльяшев А.А. О простом способе приготовления высокопреломляемой среды для диатомового анализа // Тр. НИИ геологии Арктики. 1957. №. 4. С. 74-75. [El'yashev A.A. O prostom sposobe prigotovleniya vyso-koprelomlyayemoi sredy dlya diatomovogo analiza // Tr. NII geologii Arktiki. 1957. №. 4. S. 74-75].
Hinsinger P., Plassard C., Tang C., Jaillard B. Origins of root-mediated pH changes in the rhizosphere and their responses to environmental constraints: a review // Plant and Soil. 2003. Vol. 248. N 1-2. P. 43-59.
Knudson B.M. The diatom genus Tabellaria I. Taxonomy and morphology // Annals of Botany. 1952. Vol. 16. N 3. P. 421-440.
Krammer K. The genus Pinnularia / Lange-Bertalot H. (ed.). Diatoms of Europe: Diatoms of the European Inland Waters and Comparable Habitats. Vol. 1. Ruggell. 2000. 703 p.
Krammer K., Lange-Bertalot H. Bacillariophyceae. Part 5. English and French translation of the keys / Süßwasserflora von Mitteleuropa. Vol. 2/5. Heidelberg; Berlin, 2000. 311 s.
Roger P.A., Kulasooriya S.A. Blue-green algae and rice. The International Rice Research Institute. 1980. 112 p.
Round F.E., Crawford R.M., Mann D.G. Diatoms: biology and morphology of the genera. Cambridge, 1990. 745 p.
Van Dam H., Mertens A., Sinkeldam J. A coded checklist and ecological indicator values of freshwater diatoms from the Netherlands // Aquatic Ecology. 1994. Vol. 28. N 1. P. 117-133.
Поступила в редакцию / Received 10.03.2018 Принята к публикации / Accepted 12.08.2018
ON THE STUDIES OF SOIL DIATOMS OF S.N. SKADOVSKII ZVENIGOROD BIOLOGICAL STATION OF MOSCOW STATE
UNIVERSITY
12 3
T.A. Buevich , D.A. Chudaev , M.A. Gololobova
We present the results of the study of soil diatoms from the rhizosphere of two species of Pyrola growing on the territory of S.N. Skadovskii Zvenigorod Biological Station. Totally, 20 species of pennate diatoms were found in the rhizosphere and in the control soil samples (17 species were registered in the rhizosphere, 9 species - in the control soil samples). Most taxa are typical inhabitants of soils or ephemeral water bodies, and their ecological preferences concise with the preferences of Pyrola itself. It was shown that the species diversity of diatoms (regardless of the type of biotope) increasing towards the end of vegetation season.
Key words: soil algae, rhizosphere, diatoms, Bacillariophyceae, Pyrola.
Acknowledgment. This work was carried out within the framework of the state program of Moscow State University, part 2, item 01 10 (№ АААА-А16-116021660085-8). The work of D.A. Chudaev (taxonomic analysis of species) was supported by Russian Science Foundation (project N14-50-00029).
1 Buevich Tat'yana Andreevna, Department of Mycology and Algology, Lomonosov Moscow
State University (arrana-w@yandex.ru); 2 Chudaev Dmitrii Alekseevich, Department of Mycology and Algology, Lomonosov Moscow State University (chudaev@list.ru); 3 Gololobova Maria Alek-
sandrovna, Department of Mycology and Algology, Lomonosov Moscow State University (gololobo-vama@mail.ru).
