CC BY
29
УДК 582.394.724:581.332:58.087
МОРФОЛОГИЯ И УЛЬТРАСТУКТУРА
СОВРЕМЕННЫХ И ИСКОПАЕМЫХ СПОР ПАПОРОТНИКОВ ПОРЯДКА SCHIZAEALES SCHIMP
С.В. Полевова, А.С. Авраменко*
(кафедра высших растений биологического факультета МГУ; [email protected])
С помощью светового, электронных сканирующего и трансмиссионного микроскопов исследованы морфология и ультраструктура современных и ископаемый спор представителей порядка Schizaeales. Изученные споры по особенностям ультраструктуры и скульптуры спородермы объединены в две группы: у спор Anemia и Klukia экзоспорий формирует шипы, у спор Lygodium экзоспорий гладкий, периспорий формирует бугорки.
Ключевые слова: споры, ультраструктура спородермы, Schizaeales, Anemia, Klukia, Lygodium.
Схизейные — морфологически разнообразная и древняя группа папоротников, которые в далеком прошлом были широко распространены по всему земному шару. Об этом свидетельствуют многочисленные находки отпечатков их листьев и спор в отложениях юрского и мелового (200—65 млн лет) периодов. В настоящее время схизейные встречаются в основном в тропических областях, и только некоторые виды заходят в более северные районы [1].
Традиционно в составе группы выделяют пять современных родов: Anemia Sw., Lygodium Sw., Moh-ria Sw. и Schizaea Sm., Actinostachys Wallich [2]. Самые крупные из этих родов настолько разнообразны по типам ветвления жилок листьев, строению проводящей системы корневища и другим признакам, что иногда их рассматривали как самостоятельные семейства, что нашло свое подтверждение в современных молекулярно-филогенетических исследованиях [3]. Таким образом, порядок Schizaeales включает 3 семейства: Lygodiaceae M. Roem. c единственным современным родом Lygodium; Schizaeaceae Kaulf. с двумя современными родами Actinostachys и Schizaea; Anemiaceae Link с единственным современным родом Anemia, в который включают виды, ранее относимые к Mohria.
Немаловажное значение для выявления филогенетических взаимоотношений и систематики папоротников имеют исследования внешнего и внутреннего строения спор, обладающих таксономически значимыми признаками. Споры менее подвержены влиянию внешних условий при жизни растения и хорошо сохраняются в отложениях, что дает возможность связать современные и ископаемые таксоны. Однако установление систематической близости спор, рассеянных в породе и зачастую принадлежащих уже вымершим растениям, со спорами таксонов естест-
венной системы бывает затруднительно. Палеопали-нологи, занимающиеся изучением спор и пыльцы древних растений, часто бывают вынуждены использовать искусственную классификацию, относя встреченные палиноморфы к формальным родам. Вместе с тем изучение инситных спор, выделенных из спорангиев ископаемых папоротников, помогает установить их систематическое положение.
Несмотря на общие признаки в строении спорангиев, морфология спор представителей группы схизейных, как современных, так и ископаемых, весьма разнообразна. Так, представители рода Schizaea с бобовидной формой монолетных спор имеют ребристую или бугорчатую скульптуру. Для трилетных спор родов Anemia и Mohria характерна ребристая скульптура, для рода Lygodium — гладкая и бугорчатая, но в каждом из этих трех родов есть виды с сетчатой скульптурой. Среди вымерших родов, имеющих трилетные споры, сетчатая скульптура характерна для одного из древнейших представителей семейства — рода Klukia Raciborski [4]. Разобраться в филогенетических отношениях родов и видов семейства помогает изучение современных и ископаемых спор с применением новейших методов (прежде всего электронной микроскопии) исследования [1, 4].
Целью настоящей работы явилось детальное изучение спор некоторых современных видов родов Anemia, Lygodium, Schizaea и инситных спор ископаемого рода Klukia для выявления их морфологических особенностей.
Материалы и методы
Материалом для исследования послужили споры из гербарных коллекций, имеющиеся в распоряжении авторов: 6 видов рода Lygodium (L. scan-
* Биолого-почвенный институт ДВО РАН, г. Владивосток.
dens (L.) Sw. — Ботанический сад, Португалия; L. vo-lubile Swartz — Ботанический сад Кью, Англия; L. polystachium Wallich, № 126, L. japonicum (Thund.) Sw. № 125, L. conforme C. Chr. № 127, L. flexuosum (L.) Sw., № 124 — Bьетнам), 2 видов рода Anemia (A. dregeana Kunze, A. phyllitidis (L.) Sw. — Ботанический сад БИН РАН, Санкт-Петербург) и 1 вида рода Schizaea (S. dichotoma (L.) Sm., № 123 — Bьет-нам). Изученные образцы современных спор, пере-даные в коллекцию М.С. Чичаговой, хранятся в па-линотеке кафедры высших растений биологического факультета МГУ имени М^. Ломоносова, г. Москва.
Ископаемые споры были извлечены из спорангиев папоротника K. tyganensis. Образцы с отпечатками папоротника были отобраны из отложений берриасского возраста (145,5—140,2 млн лет) Тыр-минской впадины Буреинского бассейна. Материал с отпечатками фертильных перышек был передан авторам BA. Красиловым для изучения с помошью трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ). Образцы с отпечатками K. tyganensis № 550-117, постоянные препараты с инситными спорами хранятся в коллекции Биолого-почвенного института ДBО РАН, г. Bладивосток.
Современные споры для световой микроскопии подвергались ацетолизной обработке по стандартной методике [5]. Для изучения при помоши ска-нируюшего электронного микроскопа (СЭМ) споры
отбирали из сухого гербарного материала и без специальной обработки наклеивали на покрытые лаком металлические столики, которые напылялись в вакуумной установке золотом. Изучение материала и фотографирование спор проводилось с помощью микроскопа Camscan в общефакультетской лаборатории электронной микроскопии биологического факультета МГУ. Здесь же исследовались и фотографировались с помощью ТЭМ (JEM-100-B и JEM-1011) срезы спор, подготовленные для изучения по стандартным методикам [6].
Обработка ископаемых спор и приготовление постоянных глицерин-желатиновых препаратов проводились по общепринятым методикам [7]. Готовые препараты исследовались с помощью светового микроскопа (СМ) Axioplan 40 в иммерсионной жидкости при увеличении х2000 в Центре коллективного пользования (ЦКП) БПИ ДВО РАН. Для изучения в СЭМ ископаемые споры обрабатывали щелочью и иглой под бинокуляром Leica переносили на покрытые лаком металлические столики, которые затем напыляли золотом. Изучение микроморфологии спор проводилось с помощью СЭМ Zeiss EVO 40 (ЦКП БПИ ДВО РАН). Для трансмиссионной электронной микроскопии ископаемый материал был подготовлен по стандартным методикам [6]. На ультратоме Leica EM UC5 получали ультратонкие срезы, которые контрастировали водным раствором ура-
Морфологические признаки спор некоторых современных видов родов Anemia Swartz, Lygodium Swartz и Schizeae Smith
BHfltl Полярный диаметр, мкм Экваториальный диаметр, мкм Длина луча, мкм Толшина спородермы, мкм Диаметр бугорков, мкм Bысота шипов, мкм Толщина периспория, мкм Толшина экзоспория, мкм
Anemia dregeana Kunze 48-51 50-53 26-28 3,0-3,4 - 6-7 0,2-0,4 (0,3) между шипами 0,8-2,0 (1,53) без учета шипов
Anemia phyllitidis (L.) Swartz 45-51 58-63 23-27 2,5-2,8 - 10-11 0,3-0,5 (0,4) между шипами 1,5-2,0 (1,78) без учета шипов
Lygodium polystachium Wallich 68-69 80-93 28-35 4,5-5,3 3-4 - * *
Lygodium japonicum (Thunberg) Swartz б7-71 74-80 33-41 5,1-7,2 4-4 наружный: 0,6—0,9 (0,76) без учета бугорков; внутренний: 0,7—1,3 (0,94) 1,0-3,0 (2,08)
Lygodium conforme Christensen 74-76 79-84 29-30 5-6 5,5-6,2 - * *
Lygodium flexuosum (L.) Swartz 78-83 87-90 35-38 6,0-6,3 наружный: 0,4—0,8 (0,6) без учета бугорков; внутренний: 0,6—1,0 (0,8) 2,5-4,0 (3,25)
Lygodium scandens (L.) Swartz 63-67 84-87 29-38 3,5-5,5 4-5 наружный: 0,4—1,5 (0,83) без учета бугорков; внутренний: 0,6—1,5 (0,98) 1,8-3,6 (2,25)
Lygodium volubi-le Swartz 78-102 90-107 38-52 5-8 2,3-2,8 наружный: 0,15—0,5 (0,31) без учета бугорков; внутренний: 0,4—1,3 (0,78) 3,2-5,0 (4,24)
Schizaea dichotoma (L.) Smith 26-29 51-53 25-28 2.1-3,0 - - * *
Примечание:--признак отсутствует, * — нет данных.
нилацетата. Изучали и фотографировали срезы, используя трансмиссионные микроскопы 1БМ-100-В и 1БМ-1011, в общефакультетской лаборатории электронной микроскопии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Для описания спор использовали терминологию, предложенную Л.А. Куприяновой и Л.А. Алешиной [8].
Результаты и обсуждение
Внутреннее и внешнее строение спор некоторых современных представителей семейства схизейных изу-
чено достаточно детально [9]. Наиболее интересные результаты получаются при комплексном изучении современных и ископаемых спор одного семейства с использованием одинаковых подходов к изучению материала.
Исследование современных спор с помощью СМ, СЭМ и ТЭМ позволило выявить их характерные особенности (таблица). Споры современных Anemia трехлучевые, с экваториальным диаметром 50—63 мкм, скульптура ребристая, на ребрах располагаются высокие шипы (таблица; рис. 1, б, д, е, и). Споры Lygodium трехлучевые с экваториальным диа-
Рис. 1. Споры современных папоротников родов Anemia Swartz, Lygodium Swartz и Schizaea Smith: а—ж — CM, з—и — СЭМ: a — Lygodium flexuosum (Linnaeus) Swartz, оптическое сечение в полярной проекции, без периспория; б — Lygodium flexuosum (Linnaeus) Swartz, вид с проксимального полюса; в — Lygodium polystachium Wallich, вид с проксимального полюса; г — Lygodium conforme Christensen, вид с дистального полюса; д — Anemia phyllitidis (Linnaeus) Swartz, вид с дистального полюса; е — Anemia phyllitidis (Linnaeus) Swartz, вид с проксимального полюса; ж — Schizaea dichotoma (Linnaeus) Smith, поверхность в экваториальной проекции; з — Lygodium flexuosum (Linnaeus) Swartz, проксимальная сторона; и — Anemia phyllitidis (Linnaeus) Swartz, проксимальная сторона.
Масштабная линейка: а—о — 20 мкм, п—т — 10 мкм
Рис. 2. Ультраструктура спородермы спор современных папоротников родов Anemia Swartz и Lygodium Swartz, ТЭМ: а — Lygodium flexuosum (Linnaeus) Swartz; б — Lygodium scandens (Linnaeus) Swartz; в, г — Lygodium japonicum (Thunberg) Swartz, щель разверзания (треугольник); д — Lygodium volubile Swartz; e — Anemia phyllitidis (Linnaeus) Swartz, экзоспорий гомогенный, электронно-прозрачный, с очень высокими выростами; ж — Anemia dregeana Kunze, экзоспорий гомогенный, электронно-прозрачный, с очень высокими выростами, с небольшими полостями (стрелки)
метром 79—107 мкм, скульптура бугорчатая, бугорки широкие, ровные, полусферические (таблица; рис. 1, а—г, з). Споры Schizaea билатерально-симметричные, однолучевые, с экваториальным диаметром 51—53 мкм (таблица; рис. 1, ж). Исследование при помощи ТЭМ показало, что спородерма представителей рода Anemia состоит из тонкого электронно-плотного, гранулярного периспория и гомогенного, электронно-прозрачного экзоспория с очень высокими выростами, иногда с небольшими полостями (таблица; рис. 2, е, ж). Толстый периспорий спор рода Lygodium трехслойный, образован тонким, гомогенным внутренним, электронно-плотным, гранулярным средним и формирующим скульптуру поверхности наружным периспорием. Экзоспорий толстый, гомогенный, гладкий (таблица; рис. 2, а—д).
Ископаемые споры, извлеченные из спорангиев K. tyganensis, ранее изучались при помощи СМ и СЭМ В.А. Красиковым [4, 10]. Было установлено, что споры K. tyganensis трехлучевые, экваториальный контур округло-треугольный, средний диаметр 60 мкм. Дистальная сторона сильновыпуклая, имеет сетчатую скульптуру с ячейками неправильно-эллиптической или закругленно-многоугольной формы. Размеры ячеек варьируют в пределах 3—6 мкм. Стенки ячеек толстые, пологие, выступающие в виде бугорков на стыке трех ячеек. Высота стенок около 3—5 мкм. Местами две ячейки разделены очень тонкой, зача-
точной стенкой. Проксимальная сторона умеренно выпуклая, с выступающим рубцом и плоскими контактными площадками, покрытыми одиночными или слившимися папиллами высотой около 3 мкм. Длина лучей около 3/4 радиуса споры. Ретикулум заходит на проксимальную сторону, нависая над окончаниями лучей.
Детальное изучение морфологии спор К. tyganen-sis в СМ и СЭМ, выполненное авторами, позволило внести дополнения в описание Красилова. Так, добавлены сведения об изменчивости размеров спор (экваториальный диаметр 38,8—63,9 мкм, полярный диаметр 35—53,7 мкм), толщины спородермы (1,9—3,1 мкм), размеров папилл (высота 0,3—2,8 мкм, диаметр 0,8—5,5 мкм) проксимальной поверхности (рис. 3, а—в). Впервые по результатам изучения спор при помощи ТЭМ получены сведения об ультраструктуре спородермы (рис. 3, г, д). Установлено, что споры имеют очень тонкий электронно-плотный, слоистый и мелкогранулярный периспорий, толщина которого изменяется от 0,05 до 0,4 мкм, который зачастую представлен тонкими прерывистыми участками. Экзоспорий электронно-плотный, гомогенный, с высокими выростами, его толщина в выростах 2,0—2,8 мкм, между выростами 0,3—0,7 мкм.
Сравнительный анализ данных о морфологии спор, полученных с помощью СМ и СЭМ, двух видов рода КиИа — К. tyganensis и К. exilis (РЫ11.) Яа-
Рис. 3. CTOpbi пaпopoтникa Klukia tyganensis Krassilov, a — CM; б, в — CЭM; г, д — TЭM: а, б — диcтaпьнaя cтopoнa; в — ^окси-мaпьнaя CTopom; г — yльтpacтpyктypa cпopoдepмы (пepиcпopий, экзocпopий); д — yльтpacтpyктypa cпopoдepмы (пepиcпopий, экзо-
cпopий) cпop в cпopaнгии. Oбoзнaчeния: E — экзocпopий, P — пepиcпopий
cib. — из более древних среднеюрских отложений Йоркшира [11] и Закавказья [12], не выявил существенных различий. Это свидетельствует об устойчивости морфологических признаков спор папоротников этого рода.
По мнению В.А. Красилова [4], по морфологии спор род Klukia тяготеет к современному роду Lygodium с преимущественно бугорчатой или сетчатой скульптурой, который стоит особняком от родов Anemia, Mohria и Schizaea с ребристой скульптурой. Аналогичный вывод делает и Сурова [13], основываясь на сходстве скульптуры спор современного Lygodium reticularum Schkuhr и ископаемого рода Klukia.
Исследования ультраструктуры спородермы с помощью ТЭМ позволили объединить изученные споры по особенностям формирования скульптуры в две группы: у представителей родов Anemia и Klukia скульптуру формирует экзоспорий, а у видов рода Lygodium — периспорий. По ультраструктуре спо-родермы споры Klukia tyganensis и Anemia (A. dre-geana, A. phyllitidis) сходны по строению экзоспо-рия, гомогенного, электронно-плотного с высокими выростами, которые отличаются у этих родов лишь высотой (у спор Anemia они выше). У представите-
лей обож poдoв пepиcпopий тонкий, гpaнyляpный или бoлee или мeнee лaмeллятный пoкpывaeт raopy cнapyжи. Экзocпopий фopмиpyeт yльтpacкyпьптypy y OTop poдa Schizea [14]. У пpeдcтaвитeлeй poдa Lygodium (L. scandens, L. volubile, L. polystachium, L.japo-nicum, L. conforme, L. flexuosum) cкyльптypy пoвepxнo-сти cmp фopмиpyeт тpexcлoйный пepиcпopий, a эк-зocпopий — толстый, гoмoгeнный — имeeт poвнyю пoвepxнocть.
Cкyпьптypa пoвepxнocти cпopoдepмы, oбpaзoвaн-нaя пepиcпopиeм, oтмeчaeтcя y нeкoтopыx coвpeмeн-н^^ пaпopoтникoв из paзныx гpyпп, нaпpимep y Adi-antopsis Fée, Hemionitis Linnaeus (Pteridaceae Kirchner), Alsophila Brown, Sphaeropteris Brown ex Wallich, Nephe-lea Tryon (Cyatheaceae Kaulfuss), Dennstaedtia Bernhardi (Dennstaedtiaceae Ching), Selliguea Bory (Polypodia-ceae J. Presl et C. Presl) [14]. Kax видно, тaкoй тип фopмиpoвaния cкyльптypы нe yникaпeн и вcтpeчa-eтcя в paзныx пopядкax пaпopoтникoв.
Taким oбpaзoм, ycтaнoвлeнo, что по yпьтpacтpyк-тype cпopoдepмы к cпopaм coвpeмeннoгo poдa Anemia ближe вceгo cпopы K. tyganensis, в то вpeмя кaк raopbi poдa Lygodium oтличaютcя нe только от raop poдa Klukia, но и от ocтaльныx пpeдcтaвитeлeй по-
рядка схизейных. Вероятно, мы наблюдаем древнюю * * *
дивергенцию группы.) восходящей к началу юрско- Исследования поддержаны грантом президиума
го периода [4]. РАН и ДВО РАН (проект № 12-1-П28-01).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болховитина Н.А. Ископаемые и современные споры семейства схизеевых // Тр. Геол. ин-та. 1961. Вып. 40. 196 с.
2. Van Konijnenburg-van Cittert J.H.A. The evolutionary development of schizaeaceous spores in situ // Cour. Forsch. Inst. Senckenb. 1992. Vol. 147. P. 109—117.
3. Christehusz M.J.M, Zhang X.C, Schneider H. A linear sequence of extant families and genera of lycophytes and ferns // Phytotaxa. 2011. Vol. 19. P. 5—22.
4. Красилов В.А. Klukia и палеошироты // Палеонтол. журн. 1977. № 1. С. 127—133.
5. Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятов А.Г. и др. Основы и методы ботанической микротехники. Справочное руководство. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004. 312 с.
6. Уикли Б. Электронная микроскопия для начинающих / Под ред. В.Ю. Полякова. М.: Мир, 1975. 324 с.
7. Пыльцевой анализ / Под ред. И.М. Покровской. М.: Госгеолиздат, 1950. 553 с.
8. Куприянова Л.А., Алешина Л.А. Пыльца и споры растений флоры европейской части СССР. Т. 1. Л.: Наука, 1972. 170 с.
9. Tryon A.F., Lugardon B. Spores of the pteridophyta: surface, wall structure, and diversity based on electron microscope studies. N.Y.: Springer, 1991. 648 p.
10. Krassilov V.A. Mesozoic lycopods and ferns from the Bureja Basin // Palaeontogr. Abt. B. 1978. Bd 166. S. 16—29.
11. Harris T.M. Notes of the Jurassic flora of Yorkshire // Ann. Mag. Nat. Hist. 1946. Vol. 19. N 11—12. P. 357—365.
12. Делле Г.В. Среднеюрская флора Ткварчельского угленосного бассейна // Тр. Бот. ин-та АН СССР. Сер. 8. 1967. Вып. 6. C. 51—132.
13. Сурова Т.Д. Морфология и развитие спор представителей семейства Schizaeaceae Kaulf.: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Кишинев, 1985. 17 с.
14. Lugardon B. La structure fine de l'exospore et de la périspore des Filicinées isosporés. II. Filicales. Commentaires // Pollen et Spores. 1974. Vol. 16. P. 161—226.
Поступила в редакцию 15.11.12
MORPHOLOGY AND ULTRASTRUCTURE
OF MODERN AND FOSSIL SPORES IN ORDER SCHIZAEALES SCHIMP
S.V. Polevova, A.S. Avramenko
The morphology and ultrastructure of modern and fossil spores are investigated by light, scanning and transmission electron microscopes. We have grouped the study of spores in the two clusters: 1 — exospore of Anemia and Klukia form the echini of sculpture, 2 — exospore of Lygodium is smooth and perispore form the Verrucae of sculpture.
Key words: spores, sporoderm ultrastructure, Schizaeales, Anemia, Klukia, Lygodium.
Сведения об авторах
Полевова Светлана Вячеславовна — канд. биол. наук, науч. сотр. кафедры высших растений биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-27-62; e-mail: [email protected]
Авраменко Александра Сергеевна — канд. геол.-минерал. наук, науч. сотр., Биолого-почвенный институт ДВО РАН. Тел.: 8-423-254-13-55; e-mail: [email protected]
