CC BY
1
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ УДК 58.01
РАЗВИТИЕ ЛИСТЬЕВ CURIO MUIRII (L. BOLUS) VAN JAARSV. (ASTERACEAE - SENECIONEAE)
Алексей Павлович Федотов1-3, Людмила Викторовна Озерова4, Александр Константинович Тимонин
1 Институт проблем передачи информации им. A.A. Харкевича Российской академии наук, Лаборатория геномики растений
2
Московский Государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра высших растений
3 РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Институт садоводства и ландшафтной архитектуры, кафедра ботаники, селекции и семеноводства садовых растений
4 Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук Автор, ответственный за переписку: Алексей Павлович Федотов, Alex-f96@yandex.ru
Аннотация. Curio muirii - единственный представитель рода, обладающий би-фациальными листьями, поэтому он важен для понимания эволюции листьев в роде Curio. Развитие листа происходит в три стадии: инициация, стадия двух доменов, стадия интеркалярного роста. Развивающиеся молодые листья C. muirii полностью бифациальны с момента заложения до стадии двух зон, что характерно и для других покрытосеменных. Крупные проводящие пучки начинают дифференцироваться в конце стадии двух доменов, что больше напоминает гистогенез проводящей системы в листьях у однодольных, нежели у двудольных. Дистальная часть развивающихся листьев дифференцируется в Vorläuferspitze (нем.), или forerunner tip (англ.), как и у других изученных представителей рода Curio. Особенностью развития листовой пластинки и черешка C. muirii является двухфазное развитие на стадии интеркалярного роста. В первой фазе черешок растет быстрее, чем листовая пластинка. Во второй фазе листовая пластинка обгоняет по скорости роста черешок. В развивающейся листовой пластинке маргинальная меристема не обнаружена. На стадии интеркалярного роста листовые основания утолщаются благодаря активности адаксиальной меристемы. Однако ее активность снижена в областях, где листовое основание граничит с более молодыми листьями. В результате последние оказываются частично охвачены неравномерно разросшимся основанием более старого листа.
Ключевые слова: черешок, листовая пластинка, адаксиальная меристема, forerunner tip, развитие листа, Curio, Vorläuferspitze, морфогенез листа
DOI: 10.55959/MSU0027-1403-BB-2024-129-1-31-43
Благодарности. Авторы выражают глубокую признательность сотрудникам лаборатории электронной микроскопии МГУ имени М.В. Ломоносова за предоставленную возможность проведения исследований на сканирующем электронном микроскопе.
Финансирование. Исследования выполнены в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (темы № 121032500084-6) и ГЗ № 075-00745-22-01 ГБС РАН на базе УНУ «Фондовая оранжерея».
© Федотов А.П., Озерова Л.В., Тимонин А.К., 2024
Для цитирования: Федотов А.П., Озерова Л.В., Тимонин А.К. Развитие листьев Curio muirii (L. Bolus) van Jaarsv. (Asteraceae - Senecioneae) // Бюл. МОИП. Отд. биол. 2024. Т. 129. Вып.1. С. 31-43.
ORIGINAL ARTICLE
LEAF DEVELOPMENT IN CURIO MUIRII (L. BOLUS) VAN JAARSV. (ASTERACEAE - SENECIONEAE)
Alexey P. Fedotov 1-3, Lyudmila V. Ozerova 4, Alexander C. Timonin2
1 Institute for Information Transmission Problems of the Russian Academy of Sciences (Kharkevich Institute), Laboratory of Plant Genomics
Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, Department of Higher Plants
Russian State Agrarian University, Moscow Timiryazev Agricultural Academy 4 Tsitsin Main Botanical Garden of Russian Academy of Sciences Corresponding author: Alexey P. Fedotov, Alex-f96@yandex.ru
Abstract. Curio muirii is the only species in the genus with bifacial leaves, making it crucial for understanding leaf evolution in this group. Leaf development can be divided into three stages: initiation, bizonal primordium, and intercalary growth. The developing leaves of C. muirii are bifacial and resemble those of other angiosperms from inception to the end of the bizonal primordium stage. However, as in monocots, the primary vascular bundles differentiate at the end of the bizonal primordium stage. The unifacial forerunner tip, which is recognized for Curio species but unknown for other eudicots, is the first discernible part of the definitive leaf. The leaf blade and petiole in C. muirii are distinctive in their biphasic development during the intercalary stage. The petiole grows faster than the leaf blade during the fi rst phase. During the second phase, the lamina overcomes the petiole in terms of length. In the developing leaf blade, the marginal meristem was not found. Adaxial meristem activity causes the leaf base to thicken unevenly during intercalary growth and envelopes the younger leaf primordium in the resultant depression.
Keywords: petiole, lamina, adaxial meristem, forerunner tip, leaf development, Curio, Vorlauferspitze, leaf morphogenesis
Acknowledgements. The authors express their deep gratitude to the staff of the Laboratory of Electron Microscopy of Lomonosov Moscow State University for the opportunity to conduct research on a scanning electron microscope.
Financial Support: The research was carried out within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (theme № 121032500084-6) and in accordance with Institutional research project № 122042700002-6 at the Unique Scientific Installation Fund Greenhouse.
For citation: Fedotov A.P., Ozerova L.V., Timonin A.C. Leaf development in Curio muirii (L. Bolus) van Jaarsv. (Asteraceae - 0Senecioneae) // Byul. MOIP. Otd. biol. 2024. T. 129. Vyp. 1. S. 31-43.
Листья покрытосеменных обычно характеризуются латеральным положением на стебле, происхождением из апикальной меристемы побега (Franck, 1976) и уплощенной бифациаль-ной структурой (Kaplan, 1973). Типичные листья с момента заложения оказываются дорси-вентрально поляризованными (Hagemann, 1970; Kaplan, 1973). Абаксиальные и адаксиальные домены листьев различимы как на анатомиче-
ском (Hagemann, 1970), так и на молекулярном уровнях (Tsukaya, 2013). Различные паттерны роста этих доменов приводит к формированию листьев различной организации (Troll, 1939; Ichihashi, Tsukaya, 2015). Соответственно различают три основных морфологических типа листьев, а именно: типичные бифациальные листья (Avery, 1933; Donnelly et al., 1999), уни-фациальные (Kaplan, 1970; Bharathan, 1996) и
субунифациальные (Troll, Meyer, 1955; Timonin, Ozerova, 2009). Разнообразие морфологических типов листьев, выделяемое на основании различий в степени развития адаксиальной стороны, достаточно подробно описано на примере однодольных (Kaplan, 1973; Rudal, Buzgo, 2002), и многие авторы предполагают, что у двудольных встречаются только бифациальные листья (Bharathan, 1996; Crang et al., 2018; Conklin et al., 2018). Тем не менее, у двудольных также обнаружены унифациальные, субунифациальные и ложнобифациальные листья (Тимонин, Озерова, 19936; Ozerova, Timonin, 2009; Melo-de-Pinna, 2016). Однако они остаются сравнительно слабо изученными.
Род южноафриканских суккулентов Curio (Asteraceae) представляет собой уникальную группу двудольных растений, все представители которой, за исключением C. muirii (L.Bolus) van Jaarsv., имеют субунифациальные, унифациальные или ложнобифациальные листья (Тимонин, Озерова, 1993 а; Тимонин, Озерова, 19936; Fedotov et al., 2016). В предыдущих работах было показано, что исходным типом листовых пластинок в этой группе были бифациальные листья, подобные таковым у Baculellum articulatum (Тимонин, Озерова, 1993а), который прежде также включали в род Curio. Напрашивается вывод, что C. muirii сохранил исходный для рода тип листа. Однако по молекулярным данным этот вид занимает положение в средней части филогенетического древа Curio (Ozerova et al., 2017), и это позволяет заподозрить реверсию листа данного вида к бифациальному типу. Поэтому изучение развития листьев у C. muirii важно не только для выяснения их эво-люционно первичной или вторичной природы, но и для понимания эволюции типов листьев в роде Curio. Цель настоящей работы состояла в том, чтобы пролить свет на ключевые ранние этапы развития листа у C. muirii.
Материалы и методы
Растительный материал получен из коллекции Главного ботанического сада им. Н.В. Ци-цина РАН. Растения были размножены черенкованием и выращивались в световой комнате при стандартных условиях (23 °C, 16 ч / 8 ч день / ночь).
Морфология развивающихся листьев на разных стадиях развития была изучена с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Верхушки побегов были собраны
и зафиксированы в 70%-м этиловом спирте в PBS (Фосфатно-солевой буфер, PH 7,0). Затем материал обезвоживали в серии спиртов возрастающей концентрации (80%-й, 90%-й, дважды 96%-й, дважды 100%-й) и замещали спирт ацетоном через серию растворов -этиловый спирт : ацетон (1:1), 100%-й ацетон (дважды). Образцы высушивали в критической точке на приборе HCP-2 (Hitachi), монтировали на металлические столики, напыляли смесью Pd-Au на установке «IB-3 Ion Coater» («EIKO») и изучали на сканирующем электронном микроскопе «Camscan-S2» («Cambridge Instruments») с ускоряющим напряжением 20 кВ в режиме регистрации вторичных электронов. Исследование было проведено в общефакультетской лаборатории электронной микроскопии биологического факультета МГУ.
Гистогенез листьев исследовали на серийных срезах терминальных почек. Материал фиксировали в FAA в течение ночи с постфиксацией в 70%-м этиловом спирте (Ruzin, 1999). Образцы обезвоживали в серии спиртов возрастающей концентрации (80%-й, 90%-й, два раза 96%-й, два раза 100%-й), переводили в ксилол через серию растворов этанол : ксилол (3:1; 1:1; 1:3) и заключали в парафин. Серийные поперечные срезы толщиной 10 мкм получали на ротационном микротоме «Microm HM355S» («Thermo Fisher Scientific») и высушивали в течение двух дней в термостате при температуре 37 °С. Препараты окрашивали по Шарману (Sharman, 1943), согласно протоколу, со следующими изменениями: 5-6 мин в 0,2%-м растворе толуи-динового синего в 0,2%-м растворе тетрабора-та натрия между обычными стадиями окраски Сафранином О и Orange G в таниновой кислоте (Jernstedt et al., 1992). Такой способ покраски позволяет выявлять меристематические ткани, окрашивающиеся более интенсивно. При окрашивании использовали автоматический аппарат для окрашивания препартов «Varistain Gemini ES» («Thermo Fisher Scientific»). Анатомию дефинитивных листьев изучали, используя их поперечные срезы. Листья фиксировали и обезвоживали аналогично терминальным почкам, однако вместо парафина на последующих этапах использовали Technovit-7100. Проводку материала и монтирование препаратов осуществляли по стандартному протоколу (Yeung et al., 2015). Такие препараты окрашивали 0,2%-м раствором толуидинового синего в течение 30 с. Образцы исследовали под световым микроскопом
«AxioPlan» («Carl Zeiss») или с использованием слайд-сканера «BX61VS» («Olympus»). Парадер-мальные срезы дефинитивных листьев были выполнены без предварительной фиксации от руки с использованием лезвий для безопасной бритвы.
Результаты
Анатомия и морфология дефинитивных листьев
Дефинитивные листья C. muirii обратнояй-цевидные, утолщенные, с бифациальной ли-
стовой пластинкой (рис. 1, а). В них можно выделить четыре морфологические части: короткое основание листа, черешок, листовую пластинку и короткую верхушку. Границы между частями нечеткие. Устьица располагаются на нижней стороне листа, т.е. листья гипостом-ные (рис. 1, б-г). Основные клетки абаксиаль-ной и адаксиальной эпидермы не различаются по форме и размеру на поперечных срезах (рис. 1, б). Хлоренхима имеет толщину до 8 клеток. Она состоит из однородных относи-
Рис. 1. С. шшги внешний вид, лист с абаксиальной и адаксиальной стороны (а), поперечный срез молодого листа в области средней жилки (б), абаксиальная эпидерма (в), адаксиальная эпидерма (г); поперечный срез края листовой пластинки (д), проводящий пучок и схизогенный эфирномасляный ход (е). О б о з н а ч е н и я: Абаке - вид с абаксиальной стороны, АбГип - абаксиальная гиподерма, Адакс -вид с адаксиальной стороны, АдГип - адаксиальная гиподерма, Ксил - ксилема, МедПрП - медианный проводящий пучок, ПрП - проводящий пучок, Уст - устьице, Фл - флоэма, Хл - хлоренхима. Одной
звездочкой (*) отмечены схизогенные эфирномаслянные ходы. П р и м е ч а н и я: двумя звездочками указано место перехода адаксиальной гиподермы в абаксиальную.
Размерные линейки: (а) - 15 мм, (б-е) - 100 мкм
тельно мелких и округлых клеток с многочисленными хлоропластами (рис. 1, б, д). Мезофилл отделен от обеих эпидерм гиподермой из более угловатых клеток с небольшим числом мелких пластид (рис. 1 б, д). Абаксиальная гиподерма однослойная, тогда как адаксиальная гиподерма состоит из более чем 5 слоев клеток (рис. 1, б). Абаксиальная и адаксиальная гиподермы переходят друг в друга по краям листа (рис. 1, д).
Проводящая система листа обычно состоит из трех крупных проводящих пучков и нескольких более мелких, которые идут параллельно основным проводящим пучкам, образуя анастомозы, и сливаются вместе у верхушки листа. Проводящие пучки коллатеральные, с небольшим числом сосудов (рис. 1 б, е). В некоторых мелких проводящих пучках присутствуют волокна протофлоэмы. Каждый проводящий пучок с абаксиальной стороны
сопровождается схизогенным эфирномасля-ным ходом (рис. 1, б, д, е).
Морфогенез листьев
Терминальные почки С. шшги содержат 4-5 молодых листьев (рис. 2, а). Последние плотно прижаты друг к другу, так что более старые листья прикрывают более молодые. Более того, у некоторых более старых листьев в листовых основаниях присутствуют углубления, в которые погружены более молодые листья (рис. 2, б).
С момента инициации листовые примордии бифациальны и имеют сердцевидную форму на поперечных срезах (рис. 2, в). Они увеличиваются в размерах преимущественно благодаря апикальному росту, однако отдельные апикальные инициали выявлены не были. На этой стадии абаксиальная сторона растет быстрее адаксиаль-ной, вследствие чего листовой примордий загибается над апикальной меристемой (рис. 2, г).
Рис. 2. (а), (б) - Терминальная почка с молодыми листьями на различных стадиях развития. Листья пронумерованы в соответствии с временем их заложения от более молодого к более старому. (в) - Поперечный срез через листовой примордий после инициации. Развивающиеся листья пронумерованы в соответствии с временем их заложения. (г) - Листовой примордий после инициации. АбСт - абаксиальная сторона, АдСт - адаксиальная сторона, АМП - апикальная меристема побега, МорфКр - морфологический край, Углуб - углубление в листовом основании. Размерные линейки: (а), (б) - 300 мкм; (в), (г) - 50 мкм
Листовой примордий на этом этапе полностью состоит из меристематической ткани. Однако в нем выявляются некоторые признаки дорсивен-тральной поляризации: адаксиальные клетки заметно крупнее абаксиальных (рис. 2, в).
В ходе апикального роста молодого листа возникают две области - нижняя зона листа
(ИПегЫаА: (нем.), или проксимальная зона) и верхняя зона листа (ОЬегЫаИ (нем.), или дис-тальная зона) (рис. 3, а). После возникновения двух зон скорости роста абаксиальной и адаксиальной сторон становятся более скоординированными и молодой лист выпрямляется. Верхняя зона листа растет только апикально, тогда
Рис. 3. (а) - Развивающийся лист на стадии двух зон. (б, в) - Поперечный срез молодых листьев. Листья пронумерованы в соответствии с временем их заложения от более молодого к более старому. Верхняя зона листа (2) показана на снимке (б). Нижняя зона листа (2) показана на снимке (в). (г) - Молодой лист после дифференциации Vorläuferspitze. (д) - Поперечный срез Vorläuferspitze. (е) - Эпидерма Vorläuferspitze. АбСт - абаксиальная сторона, АдМ - адаксиальная меристема и ее производные, АдСт - адаксиальная сторона, ВЗЛ - верхняя зона молодого листа, НЗЛ - нижняя зона молодого листа, ПкП - прокамбиальный тяж, ПрП -проводящий пучок, Vor - Vorläuferspitze. Звездочкой отмечены схизогенные эфирномасляные ходы. Черные пунктирные стрелки обозначают преимущественные направления роста верхней и нижней зон листа. Размерные линейки: (а-в) - 100 мкм, (д) - 25 мкм, (е) - 30 мкм
как в нижней зоне листа наблюдается преимущественно латеральный рост. Все клетки верхней зоны листа окрашиваются по Шарману как меристематические (рис. 3, б). В нижней зоне листа меристематическая ткань ограничена краями молодого листа и его трансверсальной, по терминологии Kaplan (Kaplan, 2001), плоскостью (рис. 3, в).
Конец этой стадии характеризуется началом дифференциации тканей. Три прокамбиальных тяжа дифференцируются в нижней зоне листа в трансверсальной плоскости (рис. 3, в). Медианный прокамбиальный тяж возникает первым, затем появляются два латеральных. Развитие прокамбиальных тяжей сопровождается образованием схизогенных эфирномасляных ходов под каждым тяжем.
В ходе последующего развития молодого листа апикальный рост прекращается. К этому моменту молодой лист имеет игловидную форму, слегка расширяясь в короткой нижней зоне листа, и достигает высоты 500 мкм (рис. 3, г). Впоследствии самая апикальная часть верхней зоны листа дифференцируется в листовую верхушку, которая приобретает полностью округлую форму в поперечном сечении (рис. 3, г, д). Волна дифференциации распространяется базипеталь-но примерно на 150-200 мкм и затрагивает все ткани. Эпидермальные клетки становятся в 4-6 раз больше, чем в других частях листа и имеют одинаковую форму (рис. 3, е). Устьица в эпидерме верхушки не дифференцируются. В медианной плоскости верхушки возникает единственный прокамбиальный тяж, возникновение которого сопровождается дифференциацией дорсального схизогенного эфирномасляного хода. Основная ткань округлой верхушки листа состоит из одинаковых по форме паренхимных клеток. Дифференцированные верхушки более старых развивающихся листьев в некоторых образцах слегка загнуты на адаксиальную сторону (рис. 4, а) и прикрывают листья, находящиеся на более ранних стадиях развития.
После того, как апикальный рост развивающегося листа прекращается, последующий его продольный рост осуществляется благодаря активности интеркалярной меристемы на стыке верхней и нижней зон листа (рис. 4, б, в). Этот интеркалярный рост двунаправленный. Акропетальные производные меристемы входят в состав верхней зоны листа и участвуют в образовании будущей листовой пластинки под дифференцированной верхушкой; последняя остается округлой в поперечном сечении.
Базипетальные производные интеркалярной меристемы включаются в нижнюю зону листа, а затем образуют более узкую зону, которая постепенно становится уплощенной в трансверсальной плоскости.
Листовая пластинка начинает развиваться благодаря латеральному росту в проксимальной части, что приводит к ее уплощению в медианно-латеральном направлении (рис. 4, в), однако отдельных маргинальных и субмаргинальных инициалей обнаружено не было. В результате молодой лист приобретает треугольную форму.
В стадии интеркалярного роста можно выделить две фазы.
На первой фазе быстрое удлинение в ба-зипетальном направлении приводит к образованию узкого черешка, который плавно переходит в нижнюю зону листа (рис. 4, г). Латеральный рост развивающейся листовой пластинки приводит к изменению ее формы с треугольной на ромбовидную (рис. 4, г, д). На этой фазе верхушка листа не изменяется. К концу первой фазы формирующийся лист достигает размеров 2-3 мм в длину и состоит из короткого листового основания, узкого черешка, на долю которого приходится 2/3 длины, и ромбовидной листовой пластинки, которую венчает небольшая округлая в поперечном сечении верхушка (рис. 4, д).
На второй фазе интеркалярного роста черешок перестает удлиняться, а листовая пластинка начинает быстрый рост, приобретая клиновидную форму. Меристематическая ткань располагается в базальной части листовой пластинки, обеспечивая ее продольный и поперечный рост. В дальнейшем базальный рост сменяется преимущественным удлинением листовой пластинки благодаря пластинчатому росту.
Во время стадии интеркалярного роста нижняя зона листа дифференцируется в листовое основание, которое не растет ни латерально, ни продольно, но утолщается благодаря активности адаксиальной меристемы, дифференцирующейся в самом начале стадии интеркалярного роста (рис. 5, а). Адаксиальное утолщение листового основания происходит неравномерно в некоторых развивающихся листьях, что выражается в образовании локальных углублений и выступов на адаксиальной стороне. Это способствует более компактному расположению молодых листьев в терминальной почке (рис. 26; 5 б, в). Все внутренние ткани, включая проводящие пучки, на
этой стадии уже полностью дифференцированы. В дальнейшем все части листа растут благодаря растяжению клеток.
Обсуждение
На стадии заложения развитие листьев С. тшт11 проходит по типичному для других
покрытосеменных пути. С момента заложения листовой примордий имеет бифациальную структуру. На самых ранних этапах развития весь листовой примордий имеет четко различимый морфологический край (рис. 2, г). Поэтому он полностью соответствует наиболее надежному критерию бифациальности, предложенному
лп
--4------/
ГЗИР
ЧЕР
Рис. 4. (а) - Дифференцирующийся Vorläuferspitze. (б) - Поперечный срез через зону интеркаляр-ного роста. (в) - Треугольный молодой лист после перехода к интеркалярному росту и заложения листовой пластинки. (г), (д) - Молодой лист на стадии интеркалярного роста. ВЗЛ - верхняя зона листа, ЗИР - зона интеркалярного роста, ЛП - листовая пластинка, М - интеркалярная меристема, НЗЛ - нижняя зона развивающегося листа, ПЗ - переходная зона, ЧЕР - черешок, Vor -Vorläuferspitze. Белые и черные пунктирные стрелки обозначают преимущественные направления роста верхней и нижней зон листа соответственно. Длина белых пунктирных стрелок отражает предполагаемую интенсивность роста, если рост двунаправленный и неравномерный. Размерные линейки: (а) - 100 мкм, (б) - 30 мкм, (в-д) - 300 мкм
Рис. 5. (а) - Поперечный срез листового основания с адаксиальной меристемой; (б), (в) -молодой лист (1) в углублении листового основания более старого листа (3) ((б) - СЭМ; (в) - поперечный срез). Листья пронумерованы в соответствии с порядком их заложения от более молодого к более старому. АдМ - адаксиальная меристема, Выс. - выступ, Углуб. - углубление. Размерные линейки: (а-в) - 100 мкм
Napp-Zinn (Napp-Zinn, 1974). На его бифациаль-ную структуру также указывает более быстрый рост абаксиальной стороны (рис. 2, б, г). Больший размер и более слабое окрашивание клеток адаксиальной стороны тоже указывают на разницу между двумя сторонами (рис. 2, в).
Вторая различимая стадия развития молодых листьев - стадия двух зон (рис. 3, а). Она не выделяется рядом авторов (Esau, 1977; Tsukaya, 2013), однако верхняя и нижняя зоны листа хорошо различимы в развивающихся листьях C. muirii, так как они различаются по направлениям роста: в то время как верхняя зона листа продолжает расти преимущественно в длину апикально, нижняя зона листа растет преимущественно в ширину. Две зоны плавно переходят друг в друга, поэтому провести четкую границу между ними затруднительно.
Стадия двух зон заканчивается началом дифференциации тканей в нижней зоне листа, о чем свидетельствует уменьшение интенсивности окраски клеток красителями и заложение про-камбиальных тяжей (рис. 3, в). Таким образом,
развитие листьев С. шшги в целом вписывается в модель, описанную для двудольных растений (ВИагаШап, 1996). Однако основные проводящие пучки закладываются практически одновременно, что прежде считали характерной чертой только листьев однодольных растений (СопкИп й а1., 2018).
Последующая стадия интеркалярного роста характеризуется двумя основными процессами: сменой апикального роста интеркалярным и заложением листовой пластинки (рис. 4, в). У С. шшги прекращение апикального роста сопровождается образованием особой полностью округлой в поперечном сечении верхушки листа, с отсутствующим морфологическим краем (рис. 3, д, е). Таким образом, она должна рассматриваться как унифациальная. Однако в ней присутствует единственный коллатеральный проводящий пучок, которому соответствует схизоген-ный эфирномасляный ход с абаксиальной стороны молодого листа, что можно рассматривать как признак дорсивентральной поляризации на анатомическом уровне. Такое расхождение
между морфологическими и анатомическими признаками было обнаружено и у ряда других видов (Roth 1957; Napp-Zinn 1974).
Roth (Roth, 1957) считала васкулатуру листа ненадежным признаком для определения его фациальности в силу ее пластичности. Большое разнообразие типов анатомической организации известно для листьев суккулентов различной морфологии (Melo-de-Pinna et al., 2016). Цилиндрические и вальковатые листья могут иметь как периферические проводящие пучки, расположенные по кругу, так и периферические проводящие пучки, и один центральный, обращенный ксилемой к адаксиальной, а флоэмой - к абаксиальной стороне, или все проводящие пучки могут быть расположены в трансверсальной плоскости. Kaplan (Kaplan, 2001) полагал, что анатомическая организация подстраивается под морфологическую структуру листьев. Например, у Alstroemeria aurea Graham с ресупинатными бифациальными листьями внутренние ткани перевернуты относительно их изначальных морфологических абаксиальной и адаксиальной сторон (Van Iterson, 1955). Принимая во внимание разнообразие строения васкулатуры, Napp-Zinn (Napp-Zinn, 1974) считал наиболее достоверным критерием фациальности листа наличие у него различимого морфологического края. Следуя этому критерию, мы считаем, что верхушка листа C. muirii является его унифациальной частью.
Унифациальные верхушки C. muirii являются первой дефинитивной частью листа, которая появляется в ходе его развития (рис. 4, а). Эти верхушки соответствуют Vorläuferspitze (нем.), или forerunner tips (англ.), по своей структуре и ранней дифференциации (Troll, 1939). Унифациальные Vorläuferspitze были прежде описаны у многих однодольных (Troll, 1939; Burkill, 1960), однако предполагали, что у двудольных они совершенно отсутствуют (Knoll, 1948) или встречаются как единичные исключения (Troll, 1939: Actinidia polygama (Siebold & Zucc.) Maxim.). Однако Vorläuferspitze были описаны и у видов Curio, обладающих унифациальными и субу-нифациальными листьями (Ozerova, Timonin, 2009). Вероятно, эта структура является типичной для всего рода Curio.
Листовая пластинка, как считается, должна начинать формироваться как два боковых тяжа маргинальной меристемы в верхней зоне развивающегося листа (Avery, 1933; Poethig, Sussex, 1986). Маргинальная меристема состоит из маргинальных и субмаргинальных инициалей,
организованных в ряды меристематических клеток, которые сохраняют свою организацию после клеточных делений (Avery, 1933). Глав -ными функциями маргинальной меристемы считают начало образования листовой пластинки и детерминацию слойности мезофилла. Данные о времени функционирования маргинальной меристемы противоречивы (Maksymowych, Wochok, 1969; Poethig, Sussex, 1985; Donnelly et al., 1999). Однако маргинальная меристема полностью отсутствует в формирующихся листьях Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (Donnelly, 1999). Нами также не было обнаружено ни маргинальных, ни субмаргинальных инициалей в верхней зоне листа ни на одной из стадий развития листьев C. muirii (рис. 4, б). Напротив, вся листовая пластинка в момент ее заложения состоит из меристематической ткани. Мы рассматриваем эту ткань как пластинчатую меристему и считаем, что маргинальная меристема отсутствует в листьях рассматриваемого вида.
Нижняя зона листа утолщается посредством адаксиальной меристемы на стадии интерка-лярного роста (рис. 5, а, в). Активность этой меристемы распределена неравномерно вдоль поверхности нижней зоны листа, что приводит к образованию куполообразного листового основания, которое охватывает листья на более ранних стадиях развития (рис. 2 б; рис. 5, б). В некоторых случаях в листовом основании образуются углубления, вызванные, возможно, локальным уменьшением активности адаксиальной меристемы под давлением листьев, находящихся на более ранних стадиях развития (рис. 5, б). Такие углубления в листовом основании могут быть важны для более компактного расположения развивающихся листьев в терминальной почке.
В верхней зоне листа C. muirii отсутствует адаксиальная меристема, свойственная другим изученным видам Curio (Timonin et al, 2006; Ozerova, Timonin, 2009). У последних она обуславливает утолщение листовой пластинки и, соответственно, приводит к преобразованию листьев в субунифациальные или унифациальные (Hagemann, 1970). Таким образом, отсутствие адаксиальной меристемы делает листья C. muirii более похожими по строению на листья других суккулентов с уплощенными листьями, имеющих I тип (проводящие пучки расположены на одной линии в трансверсальной плоскости) строения проводящей системы, согласно классификации Melo-de-Pinna et. al. (2016), тогда как остальные виды Curio относятся к VI типу
(проводящие пучки расположены по периферии округлого в сечении листа и обращены ксилемой внутрь).
Двунаправленный интеркалярный рост начинается на стыке между верхней и нижней зонами листа. Однако невозможно точно определить, к какой зоне относится область интер-калярного роста. Соответственно, мы считаем ее отдельной переходной зоной развивающегося листа (рис. 4, в, г) по аналогии с другими видами со схожим развитием листа (Hagemann, 1970; Rudall, Buzgo, 2002). Переходная зона характеризуется высокой пластичностью у видов с унифациальными листьями (Rudall, Buzgo, 2002). Однако у C. muirii переходная зона образует типичный бифациальный черешок.
Двухфазный интеркалярный рост является особенностью развития листьев C. muirii. На первой фазе черешок растет быстрее листовой пластинки (рис. 4 г, д). Затем удлинение черешка замедляется, в то время как листовая пластинка начинает резко удлиняться. И черешок, и листовое основание имеют общий паттерн распределения меристематической ткани и являются полностью бифациальными. Из-за этого в развившемся листе граница между черешком и листовым основанием не может быть определена точно.
Таким образом, характерными особенностями ранних этапов развития бифациальных листьев C. muirii являются возникновение в ходе морфогенеза Vorlauferspitze, двухфазность ин-теркалярного роста и функционирование адак-сиальной меристемы в листовом основании. Эти процессы делают паттерн морфогенеза листьев C. muirii уникальным и непохожим на паттерн морфогенеза бифациальных листьев B. articulatum (Fedotov et al., 2016) и, в целом, листьев других изученных представителей двудольных. На основании этого мы считаем, что бифациальные листья C. muirii неправомерно рассматривать как пример простой реверсии се-мофилеза. Более вероятно, что бифациальные листья у этого вида возникли de novo, вероятно, с использованием частично сохранившихся
программ развития бифациального листа, свойственных предку рода Curio.
Заключение
Листья C. muirii закладываются как бифациальные примордии, что типично для листьев покрытосеменных. Нижняя и верхняя зоны листа являются первыми различимыми компонентами листа. Они различаются характером роста: нижняя зона листа растет преимущественно в ширину, тогда как верхняя растет в длину апикально. Проваскулярные тяжи трех самых крупных проводящих пучков закладываются одновременно в молодых листьях на стадии двух зон, что больше напоминает паттерн заложения проводящих пучков однодольных. После завершения апикального роста происходит дифференциация унифациальной верхушки, которая является первой дефинитивной частью развивающегося листа, его Vorläuferspitze. Vorläuferspitze характерна для многих однодольных, но среди двудольных описана только в круге родства Curio. Типичная маргинальная меристема, по-видимому, отсутствует в листьях C. muirii, а листовая пластинка развивается на ранних стадиях благодаря активности пластинчатой меристемы. Удлинение и листовой пластинки, и черешка происходит в две фазы и является особенностью C. muirii. Таким образом, развитие бифациальных листьев в целом напоминает развитие бифациальных листьев других двудольных, но отличается образованием Vorläuferspitze, характером заложения проводящих пучков, особенностями интеркалярного роста и функционированием адаксиальной меристемы в листовом основании. Комплекс этих особенностей развития, отличает морфогенез C. muirii как от морфогенеза бифациальных листьев B. articulatum, внешней группы для рода Curio, так и от морфогенеза других изученных представителей двудольных с бифациальными листьями. Таким образом, мы считаем, что бифациальные листья C. muirii не представляют собой классическую реверсию признака, а возникли de novo.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [REFERENCES]
Тимонин А.К., Озерова Л.В. Строение, происхождение и эволюция вальковатых листьев в секции Rowleyani C. Jeffrey рода Senecio (Asteraceae) // Изв. РАН. 1993а. Т. 3. С. 393-401 [Timonin A.C., Ozerova
L.V. Structure, origin and evolution of the terete leaves in Rowleyani C. Jeffrey section of Senecio L. genus (Asteraceae) // Izv. RAN. 1993a. T. 3. P. 393-401 (in Russian)].
Тимонин А.К., Озерова Л.В. О ложнобифациальных листьях Senecio serpens // Бюллетень ГБС РАН. 19936. № 168. С. 72-78 [Timonin A.C., Ozerova L.V. Pseudo-bifacial leaves in Senecio serpens // Byulleten' GBS RAN. 1993b. N 168. P. 72-78 (in Russian)].
Avery, G. S. Structure and development of the tobacco leaf // Am. J. Bot. 1933. Vol. 20. P. 565-592.
Bharathan, G. Does the Monocot Mode of Leaf Development Characterize all Monocots? // Aliso. 1995. Vol. 14. P. 271-279.
Burkill, I. H. The organography and the evolution of Dioscoreaceae, the family of the Yams // J. Linn. Soc. Bot. 1960. Vol. 56, P. 319-412.
Conklin P.A., Strable J., Li S. et al. On the mechanisms of development in monocot and eudicot leaves // New Phytol. 2019. Vol. 221. P. 706-724.
Donnelly P.M., Bonetta D., Tsukaya H., et al. Cell Cycling and Cell Enlargement in Developing Leaves of Arabidopsis // Dev. Biol. 1999. Vol. 215. P. 407-419.
Esau K. Anatomy of Seed Plants. John Wiley & Sons, 1977.
Fedotov A.P., Ozerova L.V., Timonin A.C. Leaf development in Curio articulatus (L. f.) P. V. Heath (Asteraceae-Senecioneae) // Wulfenia. 2016. Vol. 23. P. 135-146.
Franck, D. H. The morphological interpretation of epiascidiate leaves - an historical perspective // Bot. Rev. 1976. Vol. 42. P. 345-388.
Hagemann, W. Studien zur Entwicklungsgeschichte der Angiospermenblätter // Bot. Jb. 1970. Vol. 90. P. 297413.
Ichihashi, Y. & Tsukaya, H. Behaviour of Leaf Meristems and Their Modification // Front. Plant Sci. 2015. Vol. 6.
Jernstedt J.A., Cutter, E. G., Gifford, E. M. et al. Angle Meristem Origin and Development in Selaginella martensii // Ann. Bot. 1992. Vol. 69. P. 351-363.
Kaplan D.R. Comparative foliar histogenesis in Acorus calamus and its bearing on the phyllode theory of monocotyledonous leaves // Am. J. Bot. 1970. Vol. 57. P. 331-361.
Kaplan D.R. The Problem of Leaf Morphology and Evolution in the Monocotyledons // Q. Rev. Biol. 1973. Vol. 48. P. 437-457.
Kaplan D.R. Fundamental Concepts of Leaf Morphology and Morphogenesis: A Contribution to the Interpretation of Molecular Genetic Mutants // Int. J. Plant Sci. 2001. Vol. 162. P. 465-474.
Knoll, F. Bau, Entwicklung und morphologische Bedeutung unifazialer Vorläuferspitzen an Monokotylenblättern // Öst. Bot. 1947. Vol. 95. P. 164-193.
Maksymowych R., Wochok Z.S. Activity of marginal and
plate meristems during leaf development of Xanthium pensylvanicum // Am. J. Bot. 1969. Vol. 56. P. 26-30.
Melo-de-Pinna G.F.A., Hernandes-Lopes J., Ogura A.S., et al. Growth Patterns and Different Arrangements of Vascular Tissues in Succulent Leaves // Int. J. Plant Sci. 2016. Vol. 177. P. 643-660.
Napp-Zinn K. Anatomie des Blattes. II. Blattanatomie der Angiospermen. A. Entwicklungsgeschichtliche und topographische Anatomie des Angiospermenblattes / Braun H. J., Carlquist S., Ozenda P. and Roth I. [Hrsg.]: Handbuch der Pflanzenanatomie. Bd. 8, Teilband 2, Lief. 1 (Berlin & Stuttgart: Gebrüder Borntraeger).
Ozerova L.V., Timonin A.C. On the evidence of subunifacial and unifacial leaves: developmental studies in leaf-succulent Senecio L. species (Asteraceae) // Wulfenia. 2009. Vol. 16. P. 61-77.
Ozerova L.V., Schanzer, I.A., Timonin A.C. Curio alliance (Asteraceae: Senecioneae) revisited // Wulfenia. 2017. Vol. 24. P. 29-52.
Poethig R.S., Sussex I.M. The cellular parameters of leaf development in tobacco: a clonal analysis // Planta. 1985. Vol. 165. P. 170-184.
Roth. I. Relation between the Histogenesis of the Leaf and Its External Shape // Bot. Gaz. 1957. Vol. 118. P. 237-245.
Rudall P., Buzgo M. Evolutionary history of the monocot leaf / Developmental Genetics and Plant Evolution. CRC Press, 2002.
Ruzin S.E. Plant microtechnique and microscopy. Oxford, 1999.
Sharman B.C. Tannic Acid and Iron Alum with Safranin and Orange G in Studies of the Shoot Apex // Stain Technol. 1943. Vol. 18. P. 105-111.
Timonin A.C., Ozerova L.V., Remizova M.V. Development of unifacial leaves in Senecio L. s. lat. (Asteraceae) // Wulfenia. 2006. Vol. 13. P. 217-227.
Troll W., Meyer H.-J. Entwicklungsgeschichtliche Untersuchungen über das Zustandekommen unifazialer blattstrukturen // Planta. 1955. Vol. 46. P. 286-360.
Troll W. Vergleichende Morphologie der höheren Pflanzen. Erster Band, zweiter Teil: Vegetationsorgane. (Gebrüder Bornträger; Koenig Stein-Taunus: Otto Koeltz, 1939).
Tsukaya H. Leaf Development // The Arabidopsis Book. 2013.
Van Iterson G. Some examples of unusual orientation of vascular strands in dorsiventral leaves // Acta Bot. Neerl. 1955. Vol. 4. P. 389-397.
YeungE.C.T., Stasolla C., Summer M.J., Huang B.Q. Plant Microtechniques and Protocols. Springer International Publishing, 2015. 576 p.
Информация об авторах
Алексей Павлович Федотов - аспирант кафедры высших растений биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, ассистент кафедры ботаники, селекции и семеноводства садовых растений РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева (alex-f96@yandex.ru);
Людмила Викторовна Озерова - ст. науч. сотр., куратор коллекции растений южноафриканской флоры ГБС РАН им. Н.В.Цицина, канд. биол. наук (lyozerova@ yandex.ru);
Александр Константинович Тимонин - профессор кафедры высших растений биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, докт. биол. наук (timonin58@mail.ru).
Information about the authors
Alexey Pavlovich Fedotov - PhD student, Department of Higher Plants, Faculty of Biology, MSU; assistant professor, department of Botany, Selection and Seed Production of Garden Plants, Russian State Agrarian University, Moscow Timiryazev Agricultural Academy (alex-f96@yandex.ru);
Lyudmila Viktorovna Ozerova - senior researcher of Tsitsin Main Botanical Garden RAS, PhD (lyozerova@yandex.ru);
Alexander Constantinovich Timonin - professor, Department of Higher Plants, Faculty of Biology, MSU, Doctor of Science (timonin58@mail.ru).
Вклад авторов
Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 25.07.2023; одобрена после рецензирования 29.09.2023; принята к публикации 22.12.2023.
The article was submitted 25.07.2023; approved after reviewing 29.09.2023; accepted for publication 22.12.2023.
