CC BY
28
УДК 581.821.1
ПЛОТНОСТЬ И ОРИЕНТАЦИЯ УСТЬИЦ В ЭПИДЕРМЕ СТЕБЛЕЙ У НЕКОТОРЫХ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ВИДОВ
НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ
Е.В. Горемыкина1, Е.Д. Веселовская2, И.А. ДесятиркинсО", А. С. Косенкова4, А.Д. Кузнецова5, Т.А. Чеботарёва6
Плотность устьиц может характеризовать вклад стеблевого фотосинтеза в накопление биомассы, а ориентация стеблевых устьиц в некоторых таксонах имеет диагностическое значение. При этом существует недостаток информации о плотности и ориентации устьиц в эпидерме стеблей. Цель настоящего исследования состояла в анализе различий плотности и ориентации устьиц в эпидерме стеблей у некоторых распространенных видов Нижнего Поволжья из разных экологических групп: Salicornia prostrata Pall., Chenopodiaceae Vent., Calligonum aphyllum (Pall.) Guerke, Atraphaxis rep-licata Lam., Fallopia convolvulus (L.) A. Love, Polygonaceae Juss., Convolvulus arvensis L., Convolvulaceae Horan., Linaria biebersteinii Besser, Plantaginaceae Juss., Dodartia orientalis L., Mazaceae Reveal. Различия в плотности стеблевых устьиц, очевидно, обусловлены наличием листьев. Плотность устьиц может меняться в соответствии с порядком ветвления из-за опадения листьев в процессе онтогенеза. Особенности ориентации устьиц связаны, вероятно, с осмотическими и ростовыми процессами.
Ключевые слова: эпидерма стебля, плотность устьиц, ориентация устьиц.
Устьичный аппарат позволяет наземным растениям контролировать транспирацию и газообмен, оказывая влияние на процесс фотосинтеза. Плотность устьиц (число устьиц на 1 мм2 эпидермы) может положительно коррелировать с интенсивностью фотосинтеза, что показано для ряда дикорастущих и культурных растений и подтверждено экспериментально на трансгенных линиях Arabidopsis thaliana с разной плотностью устьиц (Camargo, 2011; Tanaka et al., 2013; Xu, Zhou, 2008). Этот показатель чувствителен к таким факторам, как температура, концентрация углекислоты, засоленность почвы, водный дефицит и густота насаждений (Akcin et al., 2017; Xu, Zhou, 2008). Несмотря на то, что значение плотности устьиц варьирует не только у особей одного вида, но даже у листьев одного растения (Camargo, 2011), эта величина может в определенной степени характеризовать отдельные экологические группы (Барыкина, Чубатова, 2005). Известно, что аэроги-датофитам свойственна очень высокая плотность устьиц - до 600 устьиц на 1 мм2 (Brewer, Smith,
1995), а суккулентам - низкая, редко превышающая 60 устьиц на 1 мм (Gibson, 1996).
Плотность устьиц обычно рассчитывают у эпидермы листьев. Принято считать, что в стеблевой эпидерме устьиц меньше, чем в эпидерме листа (Evert, 2006; Gibson, 1996), хотя осевая часть побега также вносит свой вклад в процесс газообмена, порой весьма существенный: интенсивность наблюдаемого стеблевого фотосинтеза может достигать 60% от интенсивности листового фотосинтеза (Bossard, Rejmanek, 1992; Ávila et al., 2014). Из-за сокращения листовой поверхности, обусловленного экономией влаги, у растений аридной зоны происходит усиление фотосинтетической функции стебля вплоть до полного перехода на стеблевой фотосинтез у безлистных форм (Gibson, 1996). Это, безусловно, накладывает отпечаток на анатомическую структуру стебля и приводит к увеличению плотности устьиц, что характерно для растений с высокими показателями интенсивности стеблевого фотосинтеза (Ávila et al., 2014). Очевидно, что плотность устьиц в стеблевой эпидерме может
1 Горемыкина Евгения Вячеславовна - доцент кафедры биологии Волгоградского Государственного университета, канд. биол.
наук. ([email protected]); 2 Веселовская Екатерина Дмитриевна - бакалавр кафедры биологии Волгоградского Го -
сударственного университета ([email protected]); 3 Десятиркина Инна Александровна - бакалавр кафедры биологии Волгоградского
государственного университета ([email protected]); 4 Косенкова Анастасия Сергеевна - бакалавр кафедры биологии Волгоградского
государственного университета ([email protected]); 5 Кузнецова Александра Дмитриевна - бакалавр кафедры биологии Волгоградско-
го государственного университета ([email protected]); 6 Чеботарёва Татьяна Андреевна - бакалавр кафедры биологии Волгоградского государственного университета ([email protected]).
быть не менее информативным показателем, чем плотность устьиц в эпидерме листа. Однако данные относительно плотности устьиц в эпидерме стеблей фрагментарны. Они относятся, главным образом, к представителям ксерофитов (Bezic et al., 2003; Bossard, Rejmanek, 1992; Gibson, 1983), в том числе к кактусам и близким им формам (Eggli, 1984; Ogburn, Edwards, 2009; Sajeva, Mauseth, 1991). Отмечено, что плотность устьиц в стеблях у безлистных кактусовых выше, чем в стеблях облиственных представителей этого семейства, и сравнима с плотностью устьиц в эпидерме листа у некоторых облиственных кактусовых (Sajeva, Mauseth, 1991). У последних плотность устьиц в эпидерме листьев и стеблей может быть одинаковой или различной, причем у одних видов плотность устьиц выше в листовой эпидерме, а у других - в стеблевой (Eggli, 1984). Как было показано на примере представителя семейства бобовых ракитника венечного Cytisus scoparius (L.) Link. (Bossard, Rejmanek, 1992), высокая плотность устьиц в стеблевой эпидерме отражает степень фотосинтетической активности осевого органа и служит предпосылкой для перехода к безлистному состоянию (Mauseth, 2006).
В некоторых случаях в эпидерме надземных стеблей устьица отсутствуют (Eggli, 1984; Ogburn, Edwards, 2009), что можно объяснить ранним заложением перидермы (Ogburn, Edwards, 2009) или паразитическим образом жизни (Evert, 2006).
Ориентация устьиц в эпидерме листовых пластинок исследована на обширном материале. Известно, что у растений с линейными листьями и параллельным жилкованием устьичные щели, как правило, располагаются параллельно оси пластинки, в то время как у растений с сетчатым жилкованием преобладает произвольная ориентация. Особенности ориентации устьиц связаны с характером роста листовых пластинок: к упорядоченному расположению устьичных щелей приводит направленный интеркалярный рост пластинки, а произвольное расположение устьичных щелей формируется в результате диффузного роста (Rudall et al., 2013, 2017). Поперечная ориентация устьиц, известная у представителей разных таксонов, обычно относящихся к группе суккулентов, встречается реже. Вероятно, в этом случае особенности ориентации устьиц также могут быть связаны с характером роста листовых пластинок (Rudall et al., 2017).
Ориентация устьичных клеток в эпидерме стебля мало исследована, однако имеются данные о том, что у ряда ксерофитов стеблевые устьица могут располагаться продольно, поперечно
либо произвольно (Bocher, 1972; Eggli, 1984; Gibson, 1983). Поперечная ориентация устьиц известна у стеблей эугалофитов (Davy et al., 2001; Voznesenskaya et al., 2008). Причины разного наклона устьиц относительно оси стебля не ясны. По мнению Гибсона (Gibson, 1996), различия в направленности устьичных щелей не вызывают функциональных различий между продольными и поперечными устьицами. Особенности ориентации стеблевых устьиц рассматривают в качестве таксономического признака для кактусовых (Eggli, 1984), а также для представителей зонтичных из рода Gymnophyton (Bocher, 1972).
В настоящее время не выработано четких критериев для разграничения продольной, поперечной и произвольной ориентации устьиц. В работах, которые касаются этого вопроса, величину угла наклона устьиц оценивают визуально, количественные критерии не приведены (Bocher, 1972; Ogburn, Edwards, 2009; Gibson, 1983; Davy et al., 2001; Voznesenskaya et al., 2008, Rudall et al., 2017). Исключение представляет работа Эггли (Eggli, 1984). Автор считает продольной ориентацию устьиц в стеблях представителей Pereskioideae и Opuntioideae, у которых отклонение в большинстве случаев не превышает 15 град. от статистического среднего.
Для восполнения дефицита сведений о плотности и ориентации устьиц в первичной покровной ткани стебля необходимо исследовать эпидерму осей побегов у представителей разных таксонов (как облиственных, так и безлистных). Накопленная информация позволит в полной мере оценить таксономическую и функциональную значимость этих особенностей.
Цель данной работы состояла в анализе различий плотности и ориентации стеблевых устьиц у некоторых облиственных и безлистных растений Нижнего Поволжья, принадлежащих к разным экологическим группам.
Материал и методика
Объектами исследования послужили солерос простертый (Salicornia prostrata Pall., Chenopo-diaceae Vent.), джузгун безлистный (Calligonum aphyllum (Pall.) Guerke), курчавка отогнутая (Atraphaxis replicata Lam.), гречишка вьюнковая (Fallopia convolvulus (L.) A. Love, Polygonaceae Juss.), вьюнок полевой (Convolvulus arvensis L., Convolvulaceae Horan.), льнянка Биберштей-на (Linaria biebersteinii Besser, Plantaginaceae Juss.) и додартия восточная (Dodartia orientalis L., Mazaceae Reveal) (таблица).
Особенности расположения устьиц на развитых осях первого порядка ветвления
Объект Экологическая группа Наличие развитых листьев Число устьиц на , 2 1 мм эпидермы Ориентация устьичных клеток
S. prostrata галофит - 81,6 поперечная
C. aphyllum галофит, склерофит +/- (рано опадают) 98,5 преимущественно поперечная
A. replicata склерофит + 0 -
F. convolvulus мезофит + 24,0 продольная
C. arvensis мезофит + 69,6 продольная
L. biebersteinii мезоксерофит + 32,7 продольная
D. orientalis склерофит +/- (рано опадают) 46,1 преимущественно продольная
Материал был собран в Волгоградской и Астраханской областях в 2014-2017 гг. Исследовали не менее пяти экземпляров каждого вида. Однолетние побеги фиксировали в этаноле (96°). У каждого образца изучали участки эпидермы развитых (закончивших рост в длину) междоузлий осей первого порядка ветвления. У L. biebersteinii и D. orientalis дополнительно исследовали эпидерму развитых междоузлий осей следующих порядков ветвления, а также эпидерму листовых пластинок. Кроме того, у D. orientalis изучали эпидерму междоузлий осей первого порядка, находящихся в стадии роста. Парадермальные срезы стеблей и листьев выполняли от руки. Подсчет устьиц проводили не менее чем в пяти полях зрения для каждой оси и для каждой поверхности листа. Наклон устьичных щелей по отношению к главной оси стебля измеряли в тех же полях зрения, в которых проводили подсчет устьиц. За направление главной оси принимали либо направление большинства субэпи-дермальных волокон, либо направление длинной оси вытянутых основных эпидермальных клеток. Если такие ориентиры отсутствовали, то на поверхность стебля предварительно наносили продольный разрез и на этом участке выполняли пара-дермальный срез, за направление оси стебля принимали край разреза. Углы измеряли в диапазоне от 0 до 90 град., в каждом случае выбирали меньший угол между направлением устьичной щели и осью стебля. Фотографии и измерения выполняли с помощью микроскопа «Микмед-5», видеоокуляра «ToupCam 9.0 MP» и программы ToupViev 3.7. Поверхность стеблей сканировали с помощью универсальной двулучевой системы «Versa 3D
DualBeam (FEI)». Обработку данных проводили с помощью программы Statistica 10. Согласно тесту Шапиро-Уилка, при p << 0,05 распределение выборочных значений углов наклона устьиц относительно оси стебля у всех исследованных видов достоверно отличалось от нормального, поэтому при статистическом анализе использовали непараметрические методы, а для характеристики выборок - медиану и квартили (Волкова, Шипунов, 2012).
Существует необходимость в выработке ко -личественных критериев для разграничения продольного, поперечного и произвольного наклонов устьиц относительно оси стебля. В данной работе мы учитываем мнение Эггли (Eggli, 1984), согласно которому при продольной ориентации для большинства устьиц можно принять допустимым отклонение от строго продольного направления не более чем на 15 град. Для выборки, распределение которой отличается от нормального, удобно считать большинством 75% значений, так как это граничное значение связано с квартилями - стандартными статистическими параметрами, которые используют для характеристики разброса значений в подобных выборках. Целесообразно рассмотрение дополнительных вариантов ориентации - преимущественно продольного и преимущественно поперечного. Визуально они могут восприниматься как произвольные за счет заметного отклонения устьиц от строго продольного или строго поперечного направления, однако статистический анализ выявляет явные тенденции либо к поперечной, либо к продольной ориентации устьичных щелей. Предлагаем следующие рабочие критерии
Рис. 1. Ориентация устьиц в эпидерме стебля: А - рабочие критерии для разграничения вариантов ориентации устьиц, максимальные границы указаны для 75% значений выборки; Б, В - возможные изменения формы устьичных клеток при поперечном (Б) и продольном (В) растяжении
для разграничения вариантов ориентации устьиц относительно оси стебля (рис. 1А):
продольная: не менее 75% углов наклона находятся в диапазоне от 0 до 15 град. (верхний квартиль выборки не превышает 15 град.);
поперечная: не менее 75% углов наклона находятся в диапазоне от 90 до 75 град. (нижний квартиль выборки не менее 75 град.);
преимущественно продольная: не менее 75% углов находятся в диапазоне от 0 до 45 град. (верхний квартиль выборки от 15 до 45 град.);
преимущественно поперечная: не менее 75% углов находятся в диапазоне от 90 до 45 град. (нижний квартиль выборки от 45 до 75 град.).
Прочие варианты ориентации устьиц, которые не удовлетворяют названным критериям из-за большего отклонения от продольного или поперечного направления, предлагаем считать произвольными.
Результаты
При сравнении стеблевой эпидермы у исследованных видов прежде всего обращали внимание на плотность устьиц и угол наклона устьичной щели относительно оси стебля. При характеристике морфологических типов устьичного аппарата использовали основную принятую терминологию, согласно М.А. Барановой (Baranova, 1992). Salicorniaprostrata Pall.
Травянистый однолетник без развитых листьев, эугалофит.
Основные эпидермальные клетки стебля неправильно-многоугольные, могут быть изодиаме-трическими или несколько вытянутыми вдоль оси стебля. Устьичный аппарат аномоцитный. Средняя плотность стеблевых устьиц составила 81,6 устьиц
на 1 мм , ориентация поперечная (75% углов наклона от 89,8 до 82,4 град.) (таблица, рис. 2, А; 3, А, Б). Оценка ориентации устьиц S. prostrata, полученная в нашей работе согласно выбранным критериям, совпадает с визуальной оценкой наклона устьиц у других видов рода Salicornia (Davy et al., 2001).
Calligonum aphyllum (Pall.) Guerke
Кустарник с рано опадающими листьями, скле-рофит, галофит.
Основные эпидермальные клетки стебля неправильно многоугольные, вытянутые вдоль оси стебля, их длина обычно в 2-4 раза превышает ширину. Встречаются аномоцитный, анизоцитный и гемипарацитный устьичные аппараты (рис. 3, В, Г, Д). Средняя плотность стеблевых устьиц составляет 98,5 устьиц на 1 мм , ориентация преимущественно поперечная (75% углов наклона от 90 до 61,4 град.) (таблица, рис. 2, А).
Atraphaxis replicata Lam.
Облиственный кустарник, склерофит.
Основные эпидермальные клетки стебля неправильно многоугольные, вытянутые вдоль оси стебля, длина обычно превышает ширину в 2-3 раза (рис. 3, Е, Ж). Устьица в эпидерме стебля не обнаружены. Следует отметить, что у образцов, собранных в мае, в начале вегетации, под сохранившейся эпидермой и периферическими тканями коры уже была сформирована перидерма.
Fallopia convolvulus (L.) A. Love
Травянистая однолетняя лиана с развитыми листьями, мезофит.
Основные эпидермальные клетки стебля четырехугольные или неправильно многоугольные, вытянутые вдоль оси стебля, их длина превышает
Рис. 2. Количественные характеристики расположения устьиц в эпидерме стебля: А - размах значений углов наклона устьиц на развитых осях первого порядка ветвления у исследованных видов в сравнении с произвольным расположением устьиц, при котором любое значение угла наклона от 0 до 90 град. равновероятно; Б - размах значений углов наклона устьиц у растущих и закончивших рост осей первого порядка D. orientalis; В - плотность устьиц в эпидерме стеблей и листьев L. biebersteinii^; Г - плотность устьиц в
эпидерме стеблей и листьев D. orientalis
ширину в 3 раза и более (рис. 3, З, И). Устьичный аппарат анизоцитный или аномоцитный. Средняя плотность устьиц 24,0 на 1 мм2, ориентация продольная (75% углов наклона от 1,0 до 11,0 град.) (таблица, рис. 2, А).
Convolvulus arvensis L.
Травянистая однолетняя лиана с развитыми листьями, мезофит.
Основные эпидермальные клетки стебля неправильно многоугольные, вытянутые вдоль оси стебля, их длина превышает ширину в 3 раза и более. Устьичный аппарат анизоцитный или парацитный (рис. 3, К, Л). Средняя плотность устьиц 69,6 на
1 мм2, ориентация продольная (75% углов наклона от 1,0 до 11,8 град.) (таблица, рис. 2, А). Linaria biebersteinii Besser Травянистый многолетник с развитыми листьями, однолетняя система побегов обычно с двумя порядками ветвления, мезоксерофит.
Основные эпидермальные клетки вытянуты вдоль оси стебля, их антиклинальные стенки прямые или слегка извилистые. Длина превышает ширину в 3 раза и более. Устьичный аппарат анизоцитный или аномоцитный (рис. 3, М, Н). На осях первого порядка средняя плотность устьиц составляет 32,7 устьиц на 1 мм2, ориентация продольная
Рис. 3. Эпидерма стебля на осях первого порядка S. prostrata (А, Б), C. aphyllum (В, Г, Д), A. replicata (Е, Ж), F. convolvulus (З, H),C. arvensis (К, Л), L. biebersteinii (М, Н), D. orientalis (О - на развитых осях, П - на растущих осях). Фотографии ориентированы вертикально по отношению к оси стебля. Масштабная линия соответствует
100 мкм на фотографии Д, на остальных - 10 мкм
(75% углов наклона от 1,0 до 9,4 град.) (таблица, рис. 2, А). На осях второго порядка не отмечено существенных изменений этих параметров: различия в плотности и ориентации устьиц достоверно отсутствуют, согласно непараметрическому тесту Уилкоксона, при p > 0,05. Плотность устьиц на верхней стороне листа практически такая же, как и на оси побега - 34,3 на 1 мм2, тест Уилкоксона не выявляет различий при р > 0,05. Согласно тому же тесту, прир << 0,05 плотность устьиц на нижней стороне листа, составившая 96,6 устьиц на 1 мм , достоверно превысила этот показатель как на верхней стороне листа, так и на поверхности стебля (рис. 2, В).
Dodartia onentaUs Ь.
Травянистый многолетник с рано опадающими листьями, ксерофит. Однолетняя система побегов с тремя, реже четырьмя порядками ветвления, листья обычно полностью опадают к моменту формирования осей третьего порядка.
Основные эпидермальные клетки стебля неправильно многоугольные, изодиаметрические или несколько вытянутые в продольном или поперечном направлении, длина может превышать ширину в 2-3 раза. Устьичный аппарат аномоцит-ный. На осях первого порядка у разветвленных, закончивших рост особей средняя плотность составляет 46,1 устьиц на 1 мм2, ориентация преимущественно продольная (75% углов наклона находятся в диапазоне от 0,1 до 31,3 град.) (таблица, рис. 3, О). На осях следующих порядков ветвления средняя плотность устьиц увеличивается (рис. 2, Г) и составляет для осей второго порядка 63,4 на 1 мм2, для осей третьего порядка 90,7 на 1 мм2 и для осей четвертого порядка 90,9 на 1 мм2. Непараметрический корреляционный тест Спирмана показал достоверное увеличение плотности устьиц с порядком ветвления для осей первого, второго и третьего порядков. Коэффициент корреляции между плотностью устьиц и порядком ветвления составил 0,84 при p << 0,05, что свидетельствует о тесной положительной достоверной корреляции между плотностью устьиц и порядком ветвления. Плотности устьиц на осях третьего и четвертого порядков практически не отличались: непараметрический тест Уилкоксона показал отсутствие достоверных различий при p > 0,05. Наклон устьиц существенно не меняется с порядком ветвления и остается преимущественно продольным: как правило 75% устьиц отклонялась от оси стебля не более, чем на 45 град., однако у части образцов был отмечен значительный разброс значений углов наклона на некоторых осях третьего порядка, при этом 75% углов находились в пределах
от 0 до 54 град., что соответствует произвольной ориентации согласно предложенным нами рабочим критериям. Корреляционный тест Спирмана, выполненный для растений с четырьмя порядками ветвления, не выявил достоверной связи между углом наклона и порядком ветвления при p > 0,05.
Плотность устьиц оказалась одинаковой на обеих сторонах эфемерных листовых пластинок, что подтвердил непараметрический тест Уилкок-сона при p > 0,05. Величина плотности составила в среднем 81,6 устьиц 1 на мм2. Значение плотности устьиц в эпидерме листьев оказалось сходным со значением плотности устьиц в эпидерме осей третьего и четвертого порядков ветвления (рис. 2, Г), отсутствие различий подтвердил непараметрический дисперсионный анализ Крускала-Уоллиса приp > 0,05.
Сравнение облиственных побегов, находящихся в стадии роста, и закончивших рост безлистных побегов в стадии плодоношения показало, что оси первого порядка разного возраста значимо не отличаются по плотности устьиц (тест Манна-Уитни, p > 0,05). Однако они отличаются по ориентации устьиц как статистически (достоверные различия согласно тесту Манна-Уитни при p << 0,05), так и согласно предложенному нами критерию для разграничения продольного и преимущественно продольного направлений ориентации устьиц. Ориентация устьиц на поверхности молодых осей первого порядка оказалась продольной: 75% углов наклона находились в диапазоне от 0 до 11,4 град. (рис. 3, П), тогда как на старых осях первого порядка отклонение устьиц от строго продольного положения более выражено (75% углов от 0,1 до 31,3 град.) и его следует считать преимущественно продольным (рис 2, Б, рис. 3, О).
Обсуждение результатов
Результаты исследования эпидермы стеблей показали значительные различия между объектами исследования как по плотности устьиц, так и по их ориентации (таблица). Средняя плотность устьиц в эпидерме стеблей на осях первого порядка ветвления варьировала в широких пределах. У облиственных форм она, как правило, была ниже, чем у безлистных. Такой результат закономерен, поскольку функцию фотосинтеза, которую сопровождает интенсивный газообмен, у первых выполняют главным образом листья. Несмотря на то, что у безлистной В. orientalis невысокая плотность устьиц на оси первого порядка оказалась ближе к значению этого показателя у облиственных форм, на осях следующих порядков ветвления
плотность устьиц достигает таких же величин, как и у других исследованных безлистных форм. Такие различия в плотности на осях разного порядка ветвления объясняются тем, что оси первого порядка у D. orientalis формируются до тех пор, пока листья еще не сброшены. Оси последующих порядков ветвления формируются в период, когда развитые листья уже опали и функция фотосинтеза целиком переходит к стеблю. У осей четвертого и третьего порядков плотность устьиц значимо не отличается, что, возможно, связано с конструктивными ограничениями - количество устьиц на единицу площади не может возрастать бесконечно. У L. biebersteinii, сохраняющей листья в течение всего вегетационного периода, различия в плотности устьиц между осями разного порядка ветвления не выявлены (рис. 2, В).
Сравнение плотности устьиц в эпидерме стеблей и листьев у D. orientalis и L. biebersteinii показало, что у облиственной L. biebersteinii плотность устьиц в стеблевой эпидерме значительно ниже чем на абаксиальной стороне листовой пластинки (рис. 2, В). У D. orientalis, сбрасывающей свои листья на ранних этапах развития, плотность устьиц на осях третьего и четвертого порядков ветвления была практически такой же, как на обеих поверхностях эфемерных листовых пластинок (рис. 2, Г). Высокая плотность устьиц в эпидерме стеблей, превышающая плотность устьиц в эпидерме листьев, известна у ракитника венечного Cytisus scoparius (L.) Link. Этот кустарник из семейства бобовых сбрасывает до 80% листьев к началу августа и переходит на стеблевой фотосинтез (Bossard, Rejmanek, 1992). Становится очевидным, что и у D. orientalis высокая плотность устьиц в эпидерме осей второго и последующих порядков ветвления связана с основным вкладом стебля в процесс фотосинтеза.
У A. replicata устьица в эпидерме стебля не обнаружены. Возможно, это обусловлено ранним заложением перидермы, которая к концу мая уже полностью сформирована на ее однолетних побегах. Известно, что при раннем заложении перидермы устьица отсутствуют в эпидерме стебля у ряда представителей семейства кактусовых с развитыми листьями (Ogburn, Edwards, 2009).
Ориентация устьичных щелей отличалась у исследованных видов (таблица; рис. 2, А; рис. 3). У облиственных форм с низкой плотностью устьиц устьичные щели имели продольную ориентацию. У безлистных форм ориентация различна. У галофитов S. prostrata и C. aphyllum устьица располагаются соответственно поперечно или преимущественно поперечно относительно
оси стебля, причем у последнего вида ориентация устьиц визуально воспринимается как беспорядочная. Поперечная ориентация явно выражена у эугалофита S. prostrata. Учитывая то, что поперечная направленность устьиц известна и у других эугалофитов (Davy et al., 2001; Voznesenskaya et al., 2008), можно предположить, что такая ориентация связана с особенностями представителей этой экологической группы. Эугалофиты имеют мясистые, сочные вегетативные органы. Степень их суккулентности (отношение содержания воды к единице площади поверхности органа) зависит от концентрации солей в почве. Умеренное увеличение засоленности почвы сопровождается увеличением суккулентности (Ogburn, Edwards, 2010). Значительное повышение засоленности может привести к уменьшению степени суккулентно-сти, что показано экспериментально на Salicornia dolichostachya Moss (Katschnig D. et al., 2013): при концентрации NaCl 300 мМ степень суккулентно-сти была наивысшей и снижалась как при повышении, так и при понижении концентрации соли в среде, на которой выращивали объект исследования. Концентрация солей в почве подвергается изменениям в течение вегетационного периода как из-за выпадения осадков, так и по причине нарастающей засухи в летний период. Сезонные флуктуации концентрации солей в почве приводят к изменениям степени суккулентности эугалофи-тов. Увеличение степени суккулентности означает увеличение объема обводненных тканей, ограниченных эпидермой, что создает дополнительное давление на покровную ткань изнутри и может вызвать некоторое растяжение эпидермы в поперечном направлении. Продольному растяжению будут препятствовать механические и проводящие ткани, находящиеся в центральной части стебля. Растяжение эпидермы в поперечном направлении могло бы привести к пассивному механическому открыванию устьиц при продольной ориентации устьичных щелей. Вероятно, поперечная направленность устьиц помогает избежать такой проблемы (рис. 1, Б, В).
Поперечная ориентация устьиц менее выражена у C. aphyllum. Это связано с отсутствием водоносной паренхимы и наличием у представителей данного рода механического усиления периферической части оси побега в виде склеренхимных тяжей (Winter, 1976), ограничивающих растяжение в поперечном направлении.
Ни у одного из объектов не было обнаружено произвольного положения устьиц относительно оси стебля, за исключением D. orientalis, для которой значительный разброс углов наклона отмечен
лишь у части образцов и только на некоторых осях третьего порядка. В большинстве случаев у закончивших рост особей этого вида наблюдали преимущественно продольную ориентацию устьиц, которая на первый взгляд кажется беспорядочной. Сравнение растущих и закончивших рост осей первого порядка показало, что у первых практически все устьица ориентируются продольно, а у последних значительная часть устьиц отклоняется от продольного направления (рис. 2, Б; рис. 3, О, П). Очевидно, что продольные устьица формируются, пока рост оси не закончился. Такая ориентация позволяет им избежать пассивного механического открывания под действием растяжения в длину соседних основных эпидермальных клеток (рис. 1, В). Возможно, в этом заключается причина упорядоченной ориентации устьиц однодольных вдоль направления роста листовой пластинки, поскольку формирование устьичных клеток происходит в тот период, когда основные эпидермальные клетки еще удлиняются в том же направлении (ЯЫа11 й а1., 2017).
Устьица с более выраженным отклонением от оси у В. orientalis формируются позже, вероятно,
когда рост стебля в длину завершается. Таким образом, можно предположить, что стеблевые устьица ориентируются упорядоченно в том случае, ког -да существует вероятность их растяжения в определенном направлении в результате осмотических или ростовых процессов.
Продольные устьица сравнительно низкой плотности у C. arvensis, F. convolvulus и L. bieber-steinii формируются так же, как и у молодых осей первого порядка D. orientalis (в период роста оси), а дополнительные устьица позже не образуются, поскольку фотосинтетическая функция осуществляется развитыми листьями. Проверка этой гипотезы требует гистогенетического исследования.
Выводы
1. Различия в плотности устьиц в эпидерме стебля у исследованных видов связаны с наличием листьев. Плотность устьиц на осях разного порядка ветвления меняется в связи с утратой листьев в процессе онтогенеза.
2. Причиной различной ориентации стеблевых устьиц у исследованных видов могут быть осмотические или ростовые процессы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [REFERENCES]
Барыкина Р.П., Чубатова Н.В. Большой практикум по ботанике. Экологическая анатомия цветковых растений. М., 2005. 77 c. [Barykina R.P., Chubato-va N.V. Bol'shoi praktikum po botanike. Ekologicheskaya anatomiya tsvetkovykh rastenii. M., 2005. 77 c.].
Волкова П.А., Шипунов А.Б. Статистическая обработка данных в учебно-исследовательских работах. М., 2012. 96 с. [Volkova P.A., Shipunov A.B. Statisticheskaya obrabotka dannykh v uchebno-issledovatel'skikh rabo-takh. M., 2012. 96 s.].
Akcin T.A., Akcin A., Yalcin E. Anatomical changes induced by salinity stress in Salicornia freitagii (Amaranthaceae) [Электронный ресурс] II Brazilian Journal of Botany. 2017. URL: https:IIdoi.org/10.1007Is40415-017-0393-0 (дата обращения 10.10.2017).
Avila E., Herrera A., Tezara W. Contribution of stem CO2 fixation to whole-plant carbon balance in nonsucculent species II Photosynthetica. 2014. Vol. 52. N 1. P. 3-15.
Bocher T. W. Comparative anatomy of three of the apophyl-lous genus Gymnophyton II Am. J. of Bot.1972. Vol. 59. N 5. P. 494-503.
Baranova M.A. Principles of comparative stomatographic studies of flowering plants II Bot. Rev. 1992. Vol. 58. N 1. 49-99.
Bezic N., Dunkic V., Radonic A. Anatomical and chemical adaptation of Spartium junceum L. in arid habitat II Acta biologica Cracoviensia. Series botanica. 2003. Vol. 45. N 2. P. 43-47.
Bossard C.C., Rejmanek M. Why have green stems? II Functional Ecology. 1992. Vol. 6. N 2. P. 197-205.
Brewer C.A., Smith W.K. Leaf surface wetness and gas exchange in the pond lily Nuphar polysepalum (Nymphaeaceae) // Am. J. Bot. 1995. Vol. 82. N 10. P. 1271-1277.
Camargo M.A.B., Marenco R.A. Density, size and distribution of stomata in 35 rainforest tree species in Central Amazonia // Acta Amazonica. 2001. Vol. 41. N 2. P. 205-212.
Davy A.J., Bishop G.F., Costa C.S.B. Salicornia L. (Salicornia pusilla J. Woods, S. ramosissima J. Woods, S. europaea L., S. obscura P.W. Ball & Tutin, S. nitens P.W. Ball & Tutin, S. fragilis P.W. Ball & Tutin and S. dolicho-stachya Moss) // Journal of Ecology. 2001. Vol. 89. N 4. P. 681-707.
Eggli U. Stomatal Types of Cactaceae // Pl. Syst. Evol. 1984. Vol. 146. N 3-4. P. 197-214.
Evert, R.F. Esau's Plant anatomy: meristems, cells, and tissues of the plant body: their structure, function and development. New Jersey, 2006. 601p.
Gibson A. C. Structure-Function Relations of Warm Desert Plants. Berlin, 1996. 216 p.
Gibson A. Anatomy of photosynthetic old stems of nonsuc-culent dicotyledons from North American deserts // Botanical Gazette. 1983. Vol. 144. N 3. P. 347-362.
Katschnig D., Broekman R., Rozema J. Salt tolerance in the halophyte Salicornia dolichostachya Moss: Growth, morphology and physiology // Environmental and Experimental Botany. 2013. Vol. 92. P. 32-42.
Mauseth J. D. Structure-Function Relationships in Highly Modified Shoots of Cactaceae // Annals of Botany. 2006. Vol. 98. N 5. P. 901-926.
Ogburn R.M., Edwards E.J. Anatomical variation in Cacta-ceae and relatives: trait lability and evolutionary innovation // Am. J. of Botany. 2009. Vol. 96. N 2. P. 391-408.
Ogburn R.M., Edwards E.J. The Ecological Water-Use Strategies of Succulent Plants // Advances in Botanical Research. 2010. Vol. 55. P. 179-225.
Rudall P.J., Hilton J., Bateman R.M. Several developmental and morphogenetic factors govern the evolution of sto-matal patterning in land plants // New Phytologist. 2013. Vol. 200. N 3. P. 598-614.
Rudall P.J., Chen E.D., Cullen E. Evolution and development of monocot stomata // Am. J. of Botany. 2017. Vol. 104. N 8. P. 1122-1141.
Sajeva. M., Mauseth. J.D. (1991). Leaf-like structure in the photosynthetic, succulent stems of cacti // Annals of Botany. 1991. Vol. 68. N 5. P. 405-411.
Tanaka Y., Sugano S.S., Shimada T., Hara-Nishimura I. Enhancement of leaf photosynthetic capacity through
increased stomatal density in Arabidopsis // New Phytologist. 2013. Vol. 198. N 3. P. 757-764.
Voznesenskaya E.V., Akhani H., Koteyeva N.K., Chuong S.D.X., Roalson E.H., Kiirats O., Franceschi V.R., Edwards G.E. Structural, biochemical, and physiological characterization of photosynthesis in two C4 subspecies of Tecticornia indica and the C3 species Tecticornia per-granulata (Chenopodiaceae) // Journal of Experimental Botany. 2008. Vol. 59. N 7. P. 1715-1734.
Winter K., Kramer D., Troughton J.H., Card K.A., Fischer K. C4 pathway of photosynthesis in a member of the Po-lygonaceae: Calligonumpersicum (Boiss. & Burse) Boiss. // Zeitschrift für Pflanzenphysiologie. 1976. Bd 81. Hf. 4. P. 341-346.
Xu Z., Zhou G. Responses of leaf stomatal density to water status and its relationship with photosynthesis in a grass // Journal of Experimental Botany. 2008. Vol. 59. N 12. P. 3317-3325.
Поступила в редакцию / Received 26.10.2017 Принята к публикации / Accepted 10.01.2017
THE DENSITY AND THE ORIENTATION OF STOMATA IN THE EPIDERMIS OF STEMS IN SOME COMMON SPECIES OF THE LOWER VOLGA REGION.
E.V. Goremykina1, E.D. Veselovskaya2, I.A. Desyatirkina3, A.S. Kosenkova4, A.D. Kuznetsova5, T.A. Chebotaryova6
The stomatal density may characterize the contribution of stem photosynthesis to the biomass production, and the orientation of stem stomata can be of diagnostic importance in some taxa, however there is lack of information on the density and the orientation of stomata in the epidermis of stems. The aim of the present study was to analyze the differences in density and orientation of stomata in the epidermis of stems in some common species from different ecological groups of the Lower Volga region: Salicornia prostrata Pall., Chenopodiaceae Vent., Calligonum aphyllum (Pall.) Guerke, Atraphaxis replicata Lam., Fallopia convolvulus (L.) A. Love, Polygonaceae Juss., Convolvulus arvensis L., Convolvulaceae Horan., Linaria biebersteinii Besser, Plantaginaceae Juss., Dodartia orientalis L., Mazaceae Reveal. The differences in the stomatal density of the stem epidermis are obviously caused by the presence of leaves. The stomatal density may change according to branching order due to the leaves shedding during the ontogenesis. The peculiarities of the orientation of stomata are probably related to osmotic and growth processes.
Key words: epidermis of stem, density of stomata, orientation of stomata.
1 Goremykina Evgeniya Vyacheslavovna, Department of Biology, Volgograd State University ([email protected]); 2 Veselovskaya Ekaterina Dmitrievna, Department of Biology, Volgograd State University ([email protected]); 3 Desyatirkina Inna Aleksandrovna, Department of Biology, Volgograd State University ([email protected]); 4 Kosenkova Anastasiya Sergeevna, Department of Biology, Volgograd State University ([email protected]); 5 Kuznetsova Aleksandra Dmitrievna, Department of Biology, Volgograd State University ([email protected]); 6 Chebotaryova Tatyana Andreevna, Department of Biology, Volgograd State University ([email protected]).
