CC BY
54
УДК 582.5:581.45:581.821.1
РОЛЬ ПЕРИСТОМАТИЧЕСКИХ КОЛЕЦ В РАБОТЕ УСТЬИЧНОГО АППАРАТА
С.М. Бауэр1, О.В. Иванова2, Е.Г. Крылова2, А.А. Паутов2, Ю.О. Сапач2
1 Математико-механический факультет Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 198504, Санкт-Петербург, Университетский проспект, 28, e-mail: s_bauer@mail.ru
2 Биолого-почвенный факультет Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9, e-mail: arta_@mail.ru
Аннотация. Устьица - структурные элементы эпидермы, участвующие в регуляции газообмена и водного режима растений. Каждое из них состоит из двух замыкающих клеток, разделенных устьичной щелью. Известно, что ширина щели зависит от величины тургорного давления в замыкающих клетках и строения их оболочек. В данной работе методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS изучена роль перистоматических колец - выростов клеточной оболочки, опоясывающих у ряда растений устьица, в работе устьичного аппарата. Показано, что они оказывают влияние на степень и характер деформации замыкающих клеток. В сочетании с неравномерным утолщением их оболочек и наличием наружного кутикулярного выступа кольца обеспечивают погружение открывающейся устьичной щели вглубь листа. Обсуждается биологическое значение явления.
Ключевые слова: устьице, перистоматическое кольцо, геометрия замыкающей клетки, моделирование, конечные элементы.
Введение
Г азообмен и транспирация (выделение жидкости в виде паров), необходимые для дыхания, фотосинтеза и транспорта воды, осуществляются у растений через расположенные в эпидерме листа комплексы специализированных клеток, так называемые устьица (рис. 1). Каждое устьице состоит из двух замыкающих клеток, разделенных сквозным отверстием - устьичной щелью. Отверстия связывают внутренние ткани листа, где осуществляется фотосинтез, с внешней средой. Регуляция газообмена и транспирации обеспечивается способностью замыкающих клеток к движениям, в результате которых меняется ширина устьичной щели - от полностью закрытой до широко открытой. Эти движения основываются на изменении тургорного давления внутри замыкающих клеток и строении их стенок, а именно их неравномерном утолщении и особом расположении в них микрофибрилл целлюлозы [4, 8]. Вместе с этим в состав устьичного аппарата могут входить дополнительные структурные образования, вопрос о функциональном назначении которых остаётся открытым. Так, у целого ряда растений разного систематического положения устьица опоясаны кольцами (см. рис. 1), получившими название перистоматических колец [1, 9-12].
© Бауэр С.М., Иванова О.В., Крылова Е.Г., Паутов А.А., Сапач Ю.О., 2011 Бауэр Светлана Михайловна, д.ф.-м.н., профессор кафедры гидроупругости, Санкт-Петербург Иванова Ольга Викторовна, м.н.с., лаборатория структурной ботаники, Санкт-Петербург Крылова Елена Г еннадьевна, инженер, лаборатория структурной ботаники, Санкт-Петербург Паутов Анатолий Александрович, д.б.н., заведующий кафедрой ботаники, Санкт-Петербург Сапач Юлия Олеговна, н.с., лаборатория структурной ботаники, Санкт-Петербург
09806267
Рис. 1. Строение устьица калины висячей (Viburnum suspensum Lindl): а - вид с поверхности; б - поперечный срез устьица. ЗК - замыкающие клетки, УЩ - устьичная щель, НВ - наружный кутикулярный выступ, К - перистоматическое кольцо,
ПК - побочная клетка. Масштабная линейка 10 мкм
Кольцо представляет собой вырост клеточной оболочки. Существуют представления, согласно которым элементы микрорельефа поверхности листа, в том числе перистоматические кольца, способны оказывать влияние на работу устьиц [5, 6].
Цель данной работы - построение на основе морфометрических данных по реальным устьицам моделей, воспроизводящих движения замыкающих клеток и позволяющих оценить влияние на эти движения перистоматического кольца.
Материалы и методы
Методами сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии изучены устьица в эпидерме 22 видов древесных цветковых, имеющих перистоматические кольца. Все они демонстрируют единый план строения. Их объединяет, кроме присутствия перистоматических колец, наличие сильно развитых наружных кутикулярных выступов (см. рис. 1, б) и одинаковый характер утолщения оболочек замыкающих клеток. На отобранном модельном объекте - калине висячей (см. рис. 1) -оценены толщина оболочки в разных участках замыкающих клеток, величина и положение перистоматического кольца и наружного выступа. Полученные геометрические данные в качестве параметров использованы при построении конечноэлементной модели. Моделирование проведено с использованием программного комплекса ANSYS.
Постановка задачи
Реальные биологические ткани, как правило, неоднородны и анизотропны. Механические параметры, которые характеризуют степень неоднородности и анизотропии, сложно измерить. Г еометрические параметры объекта при использовании современных приборов определяются с большой точностью. Для оценки влияния именно геометрии замыкающей клетки на её деформацию при изменении внутреннего давления построен ряд простейших моделей с постоянной и переменной толщиной её оболочки (рис. 2), наличием и отсутствием перистоматического кольца и наружного выступа. Тургорное давление имитируется созданием распределенной по внутренней поверхности нагрузки. Предполагается, что материал клеток является изотропным, однородным и подчиняется закону Гука. С учетом симметрии устьичного аппарата и его клеток (см. рис. 1) в моделях рассмотрены половинки замыкающих клеток. Так как принят линейный закон упругости, то деформации клеток пропорциональны величине p/E, где p - нормальное давление, E - модуль упругости стенок клетки. При расчетах принимается p/E = 2, коэффициент Пуассона равен 0,48 [7] и оценивается деформация клетки в зависимости от её структуры. Таким образом, различие в деформациях объясняется только строением клетки.
7
Рис. 2. Объёмные реконструкции половинок замыкающих клеток с оболочками: а - постоянной толщины, б - переменной толщины
В данной работе представлены результаты расчетов по следующим моделям:
1) замыкающие клетки с оболочками постоянной толщины без
перистоматического кольца и наружного выступа;
2) замыкающие клетки с оболочками переменной толщины без
перистоматического кольца и наружного выступа;
3) замыкающие клетки с оболочками переменной толщины и наружным выступом без перистоматического кольца;
4) замыкающие клетки с оболочками переменной толщины и перистоматическим кольцом без наружного выступа;
5) замыкающие клетки с оболочками переменной толщины, перистоматическим кольцом и наружным выступом.
При сравнении модельных устьиц с перечисленными выше особенностями их строения учитывались: характер деформации замыкающих клеток, изолинии
суммарных перемещений после их деформации, перемещение ограничивающего
устьичную щель отрезка ОВ (рис. 2) по точкам конечно-элементной модели и отдельно
точки О, являющейся до деформации центром симметрии устьица с координатами (0, 0, 0). Положительное перемещение точек отрезка ОВ по оси X свидетельствует о том, что устьичная щель раскрывается; по У - о движении щели вверх или вниз относительно её исходного положения, при котором устьице закрыто; по Z -о растягивании или сжатии щели в продольном направлении.
Результаты
Модель 1. Замыкающие клетки с оболочками постоянной толщины без перистоматического кольца и наружного выступа
По мере нарастания внутриклеточного давления набухающие замыкающие клетки двигаются наружу (рис. 3, а). В этом же направлении происходит движение открывающейся устьичной щели (рис. 4, б), которая к тому же растягивается в продольном направлении (рис. 4, в). Основные перемещения в открывающемся устьице сосредоточены в той части наружной клеточной стенки, которая обращена в сторону устьичной щели, минимальные - на стенке, противоположной устьичной щели (рис. 3, а, б). Таким образом, для открывания устьичной щели достаточно, чтобы свободно прилегающие друг к другу замыкающие клетки были вытянуты в длину, обладали равномерно утолщенными оболочками и имели в закрытом устьице, т.е. при пониженном внутриклеточном давлении, сплюснутую форму.
Рис. З. Изолинии суммарных перемещений оболочек замыкающих клеток после приложения распределенной по внутренней поверхности нагрузки:
а, б - клетки с оболочками постоянной толщины, без перистоматического кольца и наружного выступа; е-к - клетки с оболочками переменной толщины: е, г - без кольца и выступа, д, е - с кольцом, без выступа, ж, з - без кольца, с выступом, и, к - с кольцом и выступом; а, е, д, ж, и - объёмные реконструкции половинок замыкающих клеток, б, г, е, з, к - вид клеток сверху. На объемных реконструкциях показано состояние клеток до (пунктирная линия) и после их деформации; на шкале - величина перемещений от минимального (min) до максимального (max) значений
0.3'
0.2-
0.1-
0 -
-X
ь±
11 21
31
б
41 51
Рис. 4. Перемещение точек отрезка ОВ вдоль осей X (а), Y (б), 2 (е).
По оси абсцисс - конечно-элементные узлы (узел 1 - точка О, узел 51 - точка В в соответствии с рис. 2); по оси ординат - величина перемещений; цифры у графиков -
номера моделей
Необходимо, однако, отметить, что для поддержания такой формы требуются дополнительные условия, например, неравномерное утолщение оболочек этих клеток. Введём данный признак в модель.
Модель 2. Замыкающие клетки с оболочками переменной толщины без перистоматического кольца и наружного выступа
Неравномерное утолщение оболочек замыкающих клеток рассматривается рядом авторов, как было отмечено во вводной части статьи, в качестве ключевой структурной особенности, определяющей механику устьичных движений. Введение данного признака в модель показывает, что в период открывания устьица замыкающие клетки выгибаются наружу (рис. 3, е). Основные перемещения сосредоточены на наружных стенках в области устьичных полюсов, минимальные - на внутренних стенках: под устьичной щелью и в зоне контакта с окружающими устьице клетками, так называемыми побочными клетками (рис. 3, е, г). Примечательно, что устьичная щель практически не претерпевает вертикальных движений в период своего открывания. Лишь слегка приподнимается её центральная часть (рис. 4, б). Меньше по сравнению с предыдущей моделью и остальные перемещения щели: она здесь уже (рис. 4. а) и слабее растянута в продольном направлении (рис. 4, е).
е
Модель 3. Замыкающие клетки с оболочками переменной толщины и наружным выступом без перистоматического кольца
Кутикулярные выступы - типичные элементы замыкающих клеток. Обычно каждая замыкающая клетка несёт два в равной степени развитых выступа, расположенных со стороны устьичной щели и прикрывающих её снизу и сверху. В рассматриваемом типе устьиц внутренние выступы редуцированы, наружные, напротив, гипертрофированно развиты (см. рис. 1, б). Добавление при моделировании к неравномерно утолщенным оболочкам наружных кутикулярных выступов приводит к тому, что при повышении внутриклеточного давления замыкающие клетки выгибаются главным образом внутрь листа (см. рис. 3, ж). При этом максимальные перемещения происходят на внутренних стенках, граничащих с побочными клетками, минимальные - на полюсах устьица (см. рис. 3, ж, з). Иными оказываются здесь положение и степень открытости устьичной щели. В период открывания она уже (рис. 4, а). К тому же щель опускается вниз. Происходит это главным образом в её центральной части (рис. 4, б). По направлению к полюсам устьица опускание уменьшается, а щель укорачивается (рис. 4, е). Введение наружного выступа в исходную модель 1 также влечёт за собой опускание щели открывающегося устьица.
Модель 4. Замыкающие клетки с оболочками переменной толщины и перистоматическим кольцом без наружных выступов
Перистоматическое кольцо - специфический элемент рассматриваемого устьичного аппарата. Модель, учитывающая неравномерное утолщение стенок замыкающих клеток и наличие кольца, практически ничем не отличается от модели, в которой его нет (см. рис. 3, д, е, 4). Точно так же перистоматическое кольцо не оказывает значимого влияния на ширину устьичной щели и её вертикальные перемещения при его введении в модель с равномерно утолщенными оболочками замыкающих клеток. Иначе обстоит дело с устьицем, в котором помимо неравномерного утолщения оболочек и кольца имеются выступы.
Модель 5. Замыкающие клетки с оболочками переменной толщины, перистоматическим кольцом и наружными выступами
В данной модели самые слабые перемещения отмечаются в наружных стенках замыкающих клеток, сильные - на их внутренних стенках в районах устьичных полюсов (см. рис. 3, и, к). Открывание устьица происходит в процессе выгибания замыкающих клеток внутрь листа (см. рис. 3, и). При этом открывающаяся устьичная щель также погружается внутрь листа. В отличие от модели 3, учитывающей только неравномерное утолщение оболочек и наличие выступов, погружение происходит по всей длине щели и достигает большей глубины (см. рис. 4, б, 5).
В ряду перечисленных моделей наблюдаются закономерные изменения в работе устьиц, которые касаются распределения максимальных и минимальных перемещений в оболочках замыкающих клеток, характера деформации последних при изменении внутриклеточного давления, а также положения открытой устьичной щели (см. рис. 3, 4, 5).
Раздельное рассмотрение признаков при моделировании в некоторой степени условно. У видов из разных неродственных групп растений возник устьичный аппарат, в котором сочетаются однотипное утолщение оболочек, гипертрофированный наружный выступ и перистоматическое кольцо. Это означает, что становление данных признаков в ходе эволюции носит сопряженный характер. В результате сформировался своеобразный устьичный аппарат. Его замыкающие клетки располагаются не рядом с побочными, а лежат на них, приподнимаясь над поверхностью эпидермы (см. рис. 1, б).
б
Рис. 5. Диаграммы перемещений точки О вдоль осей X (а) и Y (б). По оси абсцисс -номера моделей, по оси ординат - величина перемещений
В период открывания устьиц их наружные стенки практически не испытывают перемещений. Открывание происходит за счет изгибания внутренних стенок, в ходе которого устьичная щель смещается вглубь листа (см. рис. 3, и, к; 4, б, 5). Тот факт, что она остается при этом достаточно узкой, по всей видимости, не имеет решающего значения. Более того, в надустьичной полости, расположенной между наружными выступами и щелью, нередко можно видеть отложения, представляющие, по всей видимости, эпитикулярный воск, призванный снизить потери воды при транспирации (см. рис. 1, б).
Заключение
Листья теряют воду через наружные стенки клеток эпидермы (кутикулярная транспирация) и открытые устьичные щели (устьичная транспирация). Защита от чрезмерных потерь воды часто достигается за счет усиления водонепроницаемых свойств стенок и погруженности устьиц в ткани листа, уменьшения контакта их устьичных щелей с окружающей средой [2-4]. Над погруженными устьицами возникает малоподвижный слой воздуха, который должен преодолеть диффундирующий из устьиц водяной пар прежде, чем он достигнет зоны, где путем конвекции будет быстро удален от листа. Подобные меры защиты от устьичной транспирации играют особенно важную роль в засушливых условиях, где открывание устьиц, необходимое для поступления в лист используемого в фотосинтезе диоксида углерода, может привести к крайне нежелательным потерям воды.
Перистоматическими кольцами обладает ряд так называемых жестколистных растений. Кожистые и жесткие листья таких растений нередко рассматриваются как ксероморфные, т.е. имеющие комплекс признаков, предохраняющих их от обезвоживания [2]. Действительно, для листьев с кольцами характерны структуры, снижающие кутикулярную транспирацию: толстые наружные стенки клеток эпидермы, которые часто содержат многочисленные кристаллические включения и покрыты мощной кутикулой - пленкой из гидрофобных соединений. В то же время сами устьица этих растений слегка приподняты над поверхностью покровной ткани. Необходимо, однако, отметить, что открывание устьичной щели сопровождается у них движением замыкающих клеток вглубь листа. Благодаря этому, а также развитым наружным выступам над щелью открытого устьица имеется достаточно объёмная полость малоподвижного воздуха.
Построенные модели показывают, что движение замыкающих клеток зависит от их морфологических особенностей - неравномерного утолщения оболочек, наличия наружных выступов и перистоматического кольца. При этом само по себе
перистоматическое кольцо оказывает незначительное влияние на механику устьичных движений. Его роль в определении направления движения и глубины погружения замыкающих клеток возрастает при наличии у них двух других морфологических особенностей, т.е. в сочетании с неравномерно утолщенными оболочками и наружным выступом. Это позволяет рассматривать перистоматическое кольцо в качестве структурного элемента, принимающего непосредственное участие в работе устьичного аппарата.
Список литературы
1. Баранова М.А., Остроумова Т.А. Признаки устьиц в систематике // Итоги науки и техники. Сер. ботаника. - 1987. - Т. 6, вып. 1. - С. 173-192.
2. Зитте П., Вайлер Э.В., Кадерайт Й.В., Брезински А., Кернер К. Ботаника. Т. 1. Клеточная биология. Анатомия. Морфология. - М.: Академия, 2007. - 366 с.
3. Зитте П., Вайлер Э.В., Кадерайт Й.В., Брезински А., Кернер К. Ботаника. Т. 2. Физиология растений. - М.: Академия, 2008. - 496 с.
4. Мирославов Е.А. Структура и функция эпидермиса листа покрытосеменных растений. - Л.: Наука, 1974. - 120 с.
5. Паутов А.А., Яковлева О.В., Колодяжный С.Ф. Микрорельеф поверхности листьев у Populus (Salicaceae) // Ботанический журнал. - 2007. - Т. 87, № 1. - С. 63-71.
6. Паутов А.А., Яковлева О.В., Сапач Ю.О. Строение и функции перистоматических колец в эпидерме листа цветковых растений // Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века: материалы Всероссийской конференции.- Петрозаводск, 2008. - Ч. 1. - С. 67-69.
7. Шарова Е.И. Клеточная стенка растений. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004. - 154 с.
8. Aylor D.E., Parland J.-Y., Krikorian A.D. Stomatal mechanics // Amer. J. Bot. - 1973. - Vol. 60. -
P. 163-171.
9. Brandbyge J. The diversity of micromorphological features in the genus Coccoloba (Polygonaceae) // Nord.
J. Bot. - 1990. - Vol. 10, No. 1. - P. 25-44.
10. Haron N.W., Moore D.M. The taxonomic significans of leaf micromorfology in the genus Eugenia L.
(Myrtaceae) // Bot. J. Linn. Soc. - 1996. - Vol. 120. - P. 265-277.
11. Kong H.Z. Comparative morphology of leaf epidermis in the Chloranthaceae // Bot. J. Linn. Soc. - 2001. -Vol. 136. - P. 279-294.
12. Srinual A., Thammathaworn A. Leaf anatomy of Vatica L. (Dipterocarpaceae) in Thailand // Nat. Hist. J. Chulalongkorn Univ. - 2008. - Vol. 8, No. 2. - P. 121-134.
ROLE OF THE PERISTOMATAL RIMS IN STOMATAL COMPLEX FUNCTIONING
S.M. Bauer, O.V. Ivanova, E.G. Krylova, A.A. Pautov, Y.O. Sapach (Saint-Petersburg, Russia)
Stomata are the structural elements of the epidermis and participate in the regulation of gas exchange and water regime in plants. Each stoma is composed of two guard cells separated by the stomatal pore. The pore width is known to depend on the turgor pressure amount in the guard cells and structure of their walls. In this work, the role of peristomatal rims - protrusions of the cell wall which encircles stomata on several plants in the stomatal complex functioning is inferred by means of the finite element method in the ANSYS software. They are shown to exert influence onto the degree and pattern of the guard cells deformation. In combination with uneven thickening of their walls and presence of the outer cuticular ledge, the rims provide immersion of the opening stomatal pore downwards into the leaf. The biological significance of the present phenomenon is discussed.
Key words: stoma, peristomatal rim, guard cell geometry, modelling, finite element method.
Получено 10 сентября 2011
