CC BY
35
УДК 582.259(571.66)
ВЛИЯНИЕ СВЕТА И ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАЗВИТИЕ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ МОРСКОЙ ВОДОРОСЛИ ULVA FENESTRATA (CHLOROPHYTA, ULVALES)
С.О. Очеретяна
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: [email protected]
В работе представлены результаты изучения развития в естественных и искусственных условиях зеленой морской водоросли Ulva fenestrata. Растения для экспериментов были собраны летом 2011 г. в Авачинском заливе. В лаборатории одну часть образцов содержали при аномально высокой температуре 32-35°С и близком к природному режиму освещения, другую - при 23°С и избыточном освещении и третью - при 8-10°С в полной темноте. Показано, что при воздействии высокой температуры происходит ускоренное созревание продуктов размножения. Избыточное световое довольствие приводит к увеличению размеров клеток и подавляет у растений цитокинетические процессы. Полная темнота, напротив, способствует активному митотическому делению вегетативных клеток, но препятствует формированию в них продуктов размножения.
Ключевые слова: зеленые водоросли, Ulva fenestrata, биология развития, размножение, воздействие света, воздействие температуры, Камчатка.
Light and temperature conditions influence on the algae Ulva fenestrata (Chlorophyta, Ulvales) growth in laboratory environment. S.O. Ocheretiana (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
Research results of green seaweed Ulva fenestrata in natural and artificial conditions are described. Plants for the experiments were collected in summer of 2011 in Avacha Bay. One part of samples was hold in the laboratory at abnormally high temperature ranging from 32-35°C with close to natural mode of lighting, the second part - at 23°C and excess lighting, and the third - at 8-10°C in full darkness. We established the accelerated ripening of reproduction occur in high temperatures. Excessive light result in cells size increase and suppresses plant cytokinetyc processes. Total darkness, on the contrary, promotes active mitotic division of vegetative cells, but prevents the formation of reproduction products.
Key words: algae, Ulva fenestrata, developmental biology, reproduction, exposure to light, the effect of temperature, Kamchatka.
Зеленая морская водоросль Ulva fenestrata относится к классу зеленых водорослей Ulvophyceae, семейству Ulvaceae. Род Ulva имеет широкое распространение в водах Мирового океана, представлен большим количеством видов [1, 2]. Представители рода Ulva имеют разнообразную форму слоевищ от пластинчатого, состоящего из двух слоев клеток, до однослойных, имеющих форму разветвленных и неразветвленных трубок. Форма пластинчатых растений у разных и одного и того же вида может быть разной: округлой, линейной, ланцетной, обратноланцетной, неправильно лопастной, клиновидной. Они могут быть цельными или перфорированными. Для всех представителей вида свойствен диффузный рост. Вместе с тем усиленное клеточное деление происходит в основном в краевой части пластины. Вегетативные клетки у Ulva одноядерные, в то же время у основания пластины встречаются многоядерные ризоидальные клетки, выполняющие функцию прикрепления пластины к субстрату. У представителей гаплоидных генераций вида количество хромосом может изменяться от 5 до 13, но в большинстве случаев оно равно10.
Вегетативное размножение у представителей рода осуществляется путем фрагментации слоевищ или путем появления новых растений от базальных клеток. В жизненном цикле Ulva обычно наблюдается чередование изоморфных гаметофитного и спорофитного поколений. Мейоз у представителей рода происходит в ходе образования зооспор. Важной характеристикой видов рода Ulva является способность всех вегетативных клеток за исключением ризоидальных и некоторых базальных клеток участвовать в репродуктивном процессе и продуцировать зооспоры. Выход спор и гамет происходит через специальное отверстие - пору, образующуюся на вершине сосочкообразного изгиба внешней стенки клетки. В настоящее время данный род насчитывает
более двух десятков видов, и все они - представители морской флоры [3, 4].
U. fenestratа впервые была описана в работе А. Постельса и Ф.И. Рупрехта в середине позапрошлого века [5]. Типовым местом обитания вида является Камчатка [6]. В настоящее время, согласно международной альгологической базе данных http://www.algaebase.org, U. fenestrata рассматривается в качестве таксономического синонима атлантического вида Ulva lactuca, описанного в 1753 г. К. Линеем [7]. Многие исследователи с этим не согласны и в своих публикациях продолжают рассматривать U. fenestrata в качестве валидного вида [8]. Автор настоящей работы также полагает, что основанием для окончательного решения вопроса о ее таксономическом положении могут быть молекулярно-генетические исследования образцов, собранных в типовом местообитании.
В альгофлоре Камчатки рассматриваемый вид встречается практически повсеместно, является одним из наиболее массовых представителей зеленых водорослей-макрофитов. Обитает U. fenestrata в широком диапазоне изменения прибойности и глубины, от среднего горизонта литорали до 5 м и более [9]. Она относится к числу эфемерных видов, вегетирует в теплую половину года и способна давать несколько генераций. При хорошем биогенном питании U. fenestrata имеет активный неограниченный рост и дает большой прирост биомассы. В связи с этим она является перспективной для искусственного выращивания, успех которого, в свою очередь, обеспечивает знание биологии ее развития и влияния на нее условий произрастания.
Интерес автора к изучению воздействия на U. fenestrata отдельных экологических факторов, и в первую очередь светового довольствия и температуры воды, связан еще и с тем, что в ходе изучения сезонной динамики и межгодовых изменений состава и структуры сообществ зеленых водорослей в Авачинской губе [10] было обнаружено, что в разные годы в естественных условиях произрастания обсуждаемый вид имел разную частоту встречаемости. Понять причины этого явления можно, только зная особенности воспроизводства вида при изменении условий произрастания. Описанию результатов проведенных нами экспериментов и посвящена настоящая работа.
Сбор материала для лабораторных исследований проводили в Авачинском заливе у северного входного в Авачинскую губу м. Маячный и небольшого, расположенного в некотором удалении от него о. Старичков. Водоросли собирали в летний период 2011 г. в литоральных ваннах и на открытых пологих участках литоральной зоны во время сизигийных отливов. Максимальная температура воды в литоральных ваннах в период сбора составляла плюс 20°С, температура воздуха плюс 24°С, а долгота светового дня в течение периода исследований изменялась от 15 ч 20 мин до 15 ч 42 мин. Общее количество собранных и использованных в лабораторных экспериментах растений составило более 100.
Изучение адаптивных способностей U. fenestrata к изменению условий произрастания проводили в лаборатории, используя специальное оборудование и микроскопическую технику. Использованные в эксперименте образцы представляли собой цельные или перфорированные и рассеченные на лопасти пластины, овально-удлиненной формы с волнистыми и густо складчатыми краями, до 25 см по максимальному поперечнику. Все они имели насыщенный зеленый цвет (рис. 1).
Рис. 1. Ulva fenestratа. Природные заросли вида (а), внешний вид слоевища (б)
Собранные в природе растения в специальных боксах с морской водой доставляли в лабораторию. Среди них выбирали стерильные растения, очищали их от микроэпифитов и осевших взвешенных веществ. Крупные пластины делили на несколько частей таким образом, чтобы в каждой из них была краевая часть. Далее целые или фрагментированные растения
помещали в чашки Петри с профильтрованной морской водой. В течение трех последующих дней растения прошли адаптацию к условиям искусственного содержания, после чего были использованы в экспериментах. Для того чтобы определить условия среды, стимулирующие процессы созревания продуктов размножения U. fenestrata, для разных групп образцов были созданы разные условия содержания водорослей.
В одном случае растения постоянно содержали при температуре воды 32-38°С, в условиях естественного освещения. Длительность темного периода при этом составляла 8 ч. В другом случае температура воды была 21-23°С, и образцы содержали при постоянном искусственном освещении. В третьем случае их выращивали при температуре воды 8-10°С и полном отсутствии света. В течение первой недели после начала наблюдений за изменением состояния этих образцов воду в чашках Петри не меняли. При необходимости ее только с разной периодичностью доливали. Это предотвращало иссушение слоевищ и обеспечивало обновление среды и поступление новой порции растворенных в морской воде питательных веществ.
Определение состояния фертильности изучаемых образцов проводили с помощью микроскопа 01ушрш ВХ-40. Все микрофотографии были выполнены с помощью фотонасадки 1пйш1у-2. Их изучение показало, что в верхней части пластины вегетативные клетки были тесно сближены и имели округло-многоугольную форму, 10-20 мкм по максимальному поперечнику. Расстояние между соседними клетками не превышало 2 мкм. На поперечном срезе клетки имели округло -прямоугольную форму, располагались двумя плотно прилегающими друг к другу слоями. Соотношение длины к ширине клеток на поперечном срезе составляло 2:1. Общая толщина пластины не превышала 70 мкм (рис. 2, а, б). Стерильные клетки имели цельный пластинчатый хлоропласт, занимающий от 100 до 35% общей площади фронтальной поверхности клетки. Предфертильные клетки имели перфорированный хлоропласт, занимающий всю ее поверхность (рис. 2, в).
Рис. 2. Поперечный срез пластины в верхней стерильной части слоевища (а); стерильные клетки с поверхности слоевища (б); предфертильные клетки с поверхности пластины (в)
Наблюдения за развитием U. fenestrata в природной среде были начаты после появления проростков слоевища, не превышавших 2-4 см высоты. В течение всего периода наблюдений стояла сухая теплая погода. Температура воздуха колебалась в пределах 20-24°С, температура воды варьировала от 16 до 18°С. Из-за отсутствия большой облачности растения не испытывали недостатка в фотосинтетически активной радиации. Эти условия обитания обеспечили их активный рост и последующее активное размножение. Оно наступило через три недели после начала наблюдений. При этом у некоторых растений площадь фертильной зоны достигла 80% от общей площади поверхности пластины.
В ходе проведенных в лабораторных условиях экспериментов были получены следующие результаты. У первой группы образцов, содержавшихся при температуре воды 32-38°С и дневном освещении, выход продуктов размножения начался через четыре дня после окончания периода адаптации, и проходил он достаточно активно. Важно отметить, что выходящие из клеток продукты размножения были сопоставимы по размерам с материнской клеткой и не имели жгутиков. Скорее всего, это были апланоспоры. Через три недели в клетках, оставшихся стерильными, начался лизис хлоропластов, еще через неделю все они были мертвы.
На основании этих наблюдений был сделан вывод о том, что высокая температура, намного превышающая таковую в естественной среде, вызывает у растений стресс. Он стимулирует ускоренную фертилизацию наиболее зрелых вегетативных клеток и в то же время препятствует дальнейшему развитию более молодых клеток и формированию в них продуктов размножения. Вместе с тем адаптировавшиеся к высокой температуре вегетативные клетки достаточно долго сохраняют жизнеспособность. В целом результаты этого эксперимента показали, что аномально высокий подъем температуры воды стимулирует ускоренное формирование продуктов размножения и появление в клетках не зооспор, прорастающих немедленно после оседания, а апланоспор, способных к длительному покою.
У второй группы образцов и. fenestrata, содержавшихся при температуре 23°С и круглосуточном освещении, фертилизация клеток началась только через две недели. Создавая такие условия содержания, мы предполагали, что интенсивное освещение будет активизировать процесс фотосинтеза и способствовать образованию ассимилянтов. С другой стороны оно препятствует делению клеток, происходящему обычно в темное время суток. Наблюдения за развитием пластин показали, что действительно заданные нами условия содержания водорослей привели к заметному увеличению размеров клеток. Их поперечник в отдельных случаях увеличился до
28 мкм. Париетальный хлоропласт, находящийся под воздействием избыточного света, при этом заметно сжался и занял в клетке центральное положение (рис. 3, а). В конце второй недели
эксперимента появились признаки фертилизации клеток. Изменения клеток, связанные с формированием продуктов размножения, наблюдались в течение двух последующих недель. Однако к концу четвертой недели растения, содержащиеся в искусственных условиях, погибли, так и не образовав зрелых продуктов размножения.
В третьем эксперименте при содержании стерильных дисков и. fenestrata в условиях низкой температуры 8-10°С и полной темноты наблюдали следующие изменения в их развитии и строении. Прежде всего, отметим, что хлоропласт у клеток изучаемых растений приобрел вытянутую форму и занял пристеночное положение. Клети начали активно делиться без последующего увеличения в размерах. К концу эксперимента основная их часть была не более 8-15 мкм в максимальном поперечнике, при этом расстояние между клетками увеличилось до 2-8 мкм (рис. 3, б).
Рис. 3. Вид клеток с поверхности пластин Ulva fenestrata, содержавшихся при постоянном освещении (а) и в полной темноте (б)
Отметим также, что по мере содержания пластинчатых дисков в полной темноте пространство между слоями клеток стало заполняться слизью. В результате к концу эксперимента двухслойная пластина практически полностью расслоилась на две однослойные. Признаки фертилизации в их клетках не наблюдались, и после четырех недель наблюдений растения все еще оставались живыми.
Проведенные исследования показывают, что U. fenestrata является очень пластичным в экологическом отношении видом. Она переносит как аномально низкую, так и высокую температуру, может в течение долгого времени сохранять жизнеспособность при полной темноте. В неблагоприятные периоды она существует в виде покоящихся апланоспор. Адаптацией к неблагоприятным условиям освещения у данного вида является изменение внутриклеточного положения хлоропластов, задержка или ускорение цитокинетических процессов, способность к быстрому формированию апланоспор. Благодаря этим способностям вид может встречаться в литоральных и сублиторальных альгоценозах в течение всего вегетационного периода в виде
сменяющих друг друга генераций и при благоприятных условиях формировать заметные скопления.
Литература
1. Linnaeus was right all along: Ulva and Enteromorpha are not distinct genera. European Journal of Phycology 38 / H.S. Hayden, J. Blomster, C.A. Maggs, P.C. Silva, M.J. Stanhope & JR. Waaland. - 2003. - P. 277-294.
2. Brodie J., Maggs C.A. & John D.M. Green seaweeds of Britain and Ireland. British Phycological Society: London. - 2007. - P. 1-242.
3. Альгологическая база данных: [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.algaebase.org/search/genus/detail/7genus id=33&sk=0
4. Виноградова К.Л. Ульвовые водоросли (Chlorophyta) морей СССР. - Л.: Наука, 1974. -143
с.
5. Postels A. & Ruprecht F. Illustrationes algarum in initere circum orbem jussu imperatoris Nicolai I. Atque auspiciis navarchi Friderici Lütke annis 1826, 1827, 1828 et 1829 celoce Seniavin exsecuto in Oceano pacifico, inprimis septemtrionale ad littora rossica asiatico-americana collectarum. Petropoli [St. Petersburg]: Typis Eduardi Pratz. - 1840. - P. 40.
6. Silva P.C., Basson P.W. & Moe R.L. Catalogue of the benthic marine algae of the Indian Ocean. University of California Publications in Botany 79: 1996. - P. 1-1259.
7. Linnaeus C. Species plantarum, exhibentes plantas rite cognitas, ad genera relatas, cum differentiis specificis, nominibus trivialibus, synonymis selectis, locis natalibus, secundum systema sexuale digestas. Holmiae [Stockholm]: Impensis Laurentii Salvii. - 1753. - Vol. 2. - P. 561-1200.
8. Клочкова Н.Г., Королева Т.Н., Кусиди А.Э. Атлас водорослей-макрофитов камчатских вод. - Петропавловск-Камчатский: КамчатНИРО. - 2009. - Т. 1. - 216 с.
9. Клочкова Н.Г., Березовская В.А. Водоросли Камчатского шельфа. Распространение, биология, химический состав. - Владивосток; Петропавловск-Камчатский: Дальнаука, 1997. - 155 с.
10. Очеретяна С.О., Куплинова А.В. Состав, структура и динамика эфемерных литоральных сообществ зеленых водорослей в районах сильного антропогенного загрязнения в Авачинской губе // Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей: Материалы XI Междунар. науч. конф. (Петропавловск-Камчатский, 24-25 ноября 2010 г.). - Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2010. - С. 194-198.
