Сравнительное микроморфологическое исследование семян дикорастущих видов рода чечевица Lens Mill

БОТАНИКА И ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

СРАВНИТЕЛЬНОЕ МИКРОМОРФОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕМЯН ДИКОРАСТУЩИХ

ВИДОВ РОДА ЧЕЧЕВИЦА LENS MILL.

В.А. Сурков, A.A. Терехин

Кафедра ботаники и физиологии растений Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 8/2, 117198 Москва, Россия

Проведено сравнительное микроморфологическое изучение семян всех трех дикорастущих видов, признаваемых в настоящее время в составе рода Lens Mill.: L.ervoides (Brign.) Grande, L.nigricans (Bieb.) Godr., L.orientalis (Boiss.) Hand.-Mazz. По с равнению с остальными изученными видами L.ervoides обнаруживает наибольшие отличия по количественным параметрам микроструктуры спермодермы и рубчика.

Сравнительное изучение микроструктуры дикорастущих видов рода чечевица -Lens Mill. - важно в свете диагностики видов, филогении, специализации в связи с возделыванием, селекции и при решении других фундаментальных и прикладных задач.

Род Lens Mill. принадлежит к трибе Vicieae Bronn, подсемейства Papilionoideae DC семейства Fabaceae Lindl., порядок Fabales Nakai [1].

До настоящего времени в составе рода Lens признавались пять видов: L.culinaris Medik. (единственный культивируемый вид), L.ervoides (Brign.) Grande, L.kotschyana (Boiss.) Alef., L.nigricans (Bieb.) Godr., L.orientalis (Boiss.) Hand.-Mazz. [2]. Синонимика в пределах рода весьма обширна. Так, для дикорастущего вида, известного в отечественной научной литературе как L.kotschyana, в зарубежной литературе принято название L.montbretii (Fisch, et Mey.) Davis et Plitm. [3].

В последние десятилетия видовой состав рода серьезно пересматривался. Предлагаемые изменения коснулись в первую очередь L.montbretii - редкого вида из Турции и Ирана, известного современным исследователям большей частью по старым гербарным образцам, что не позволяло получить о нем новую информацию. Значительные морфологические отличия названного вида от остальных чечевиц заставляли сомневаться в принадлежности его к роду Lens: так, в [4] показано, что L.montbretii имеет сильные кариотипические отличия от остальных чечевиц и иное диплоидное число хромосом (12), на основании чего исследователи предложили отнести названный вид к роду Vicia L. Это изменение видового состава рода Lens теперь является, по-видимому, общепризнанным [5].

Таким образом, в настоящее время в составе рода Lens насчитывают три дикорастущих вида: L.ervoides (Brign.) Grande, L.nigricans (Bieb.) Godr., L.orientalis (Boiss.) Hand.-Mazz. У всех трех видов диплоидное число хромосом составляет 14, как и у L.culinaris [3].

L.orientalis - вид, внешне наиболее близкий к L.culinaris, производит впечатление ее миниатюрной копии. Растения темно-зеленые, почти стелющиеся; лист оканчивается усиком, несет 4-5 пар удлиненных листочков. Цветки мелкие, синие, по 1-2 на цветоносе, чашелистики немного длиннее венчика. Распространение: Средиземноморье, Ближний Восток, Средняя Азия.

L.ervoides - растения высотой 17-22 см, светло-зеленые, стебли очень тонкие, окрашены антоцианом. Листья с 2-3 парами удлиненно-ланцетных листочков, заканчиваются острием; усиков нет. Прилистники очень мелкие, цельнокрайние. Цветки очень мелкие, чаще одиночные, сине-фиолетовые, чашелистики намного короче венчика. Бобы созревают крайне неравномерно, очень сильно растрескиваются. Распространение: Средиземноморье, Передняя Азия, Африка (Эфиопия, Уганда, Заир).

L.nigricans - сильноопушенные растения высотой до 28 см; листья заканчиваются острием либо усиком, имеют 2-5 пар мелких удлиненных листочков; прилистники зубчатые. Цветки мелкие, синеватые, по 1 -2 на цветоносе; чашелистики длиннее венчика. Бобы сильно растрескиваются. Распространение: Средиземноморье и Передняя Азия.

Все три дикорастущих вида чечевицы - эфемерные растения; на территории бывшего СССР они встречаются в настоящее время только в горной части Крыма, где подвергаются угрозе исчезновения под давлением массового туризма и интенсивной хозяйственной деятельности [6].

В настоящей статье приводятся результаты сравнительного микроморфологического изучения семян всех трех дикорастущих видов, признаваемых в настоящее время в составе рода Lens Mill., представляющие часть более масштабного исследования, охватывающего в том числе оба подвида и все эколого-географические группы L.culinaris.

L.orientalis представлен в наших исследованиях образцом К-2290 из состава коллекции отдела зерновых бобовых культур ВИР им. Н.И.Вавилова. В коллекцию ВИР семена поступили непосредственно из сборов в горной части Крыма. Семена мелкие светло-коричневые, с мраморным рисунком, выраженным в большей или меньшей степени, и черной пятнистостью, рубчик светлый. Семядоли оранжевые. Масса одного семени 6,7 мг.

L.ervoides представлен в наших исследованиях образцом коллекции ВИР К-2221, происходящим из Крыма и репродуцированным на Екатерининской опытной станции в Тамбовской области. Семена мелкие красновато-коричневые с густой мраморностью и пятнистостью, рубчик светлее остальной части спермодермы. Семядоли светло-оранжевые. Масса одного семени 5,6 мг.

L.nigricans представлен в наших исследованиях двумя образцами, происходящими из Крыма. Первый был получен из коллекции BPIP (без номера), второй - из Никитского ботанического сада. Семена обоих образцов по внешнему виду не различаются. Семена серого цвета, но фоновая окраска почти полностью маскируется густой темно-серой мраморностью и черной пятнистостью; рубчик светлый. Семядоли оранжевые. Масса одного семени образца из коллекции ВИР составила 9,5 мг, из НБС - 9,2 мг.

Семена у изученных видов округлые, более или менее плоские, линзовидные, состоят из семенной кожуры (спермодермы) и изогнутого зародыша. Зародыш включает две массивные семядоли, плоские с адаксиальной стороны и выпуклые с абаксиальной, корешок, гипокотиль, эпикотиль и почечку.

На поверхности семени хорошо виден слегка заглубленный рубчик линейной формы, к которому со стороны корешка вплотную примыкает продольно вытянутое микропиле. С противоположной стороны, соответствующей халазальной части семени, на некотором расстоянии от рубчика находится линза (для обозначения ее известны также термины чечевичка, шишечка, строфиоль, халаза, след халазы), заметная на поверхности семени в виде незначительного бугорка или пятна более интенсивной окраски. Рубчиковый валик отсутствует.

Исследование поверхности семян при помощи сканирующего электронного микроскопа при увеличении до х2000 показывает ее папиллярную скульптуру, образуемую дистальными концами клеток эпидермы. Покрывающие папиллы отложения обнаруживают слоистость.

Строение семенной кожуры (спермодермы) у изученных видов типичное для рода Lens Mill. (рис. 1) Семенная кожура по консистенции пленчатая (пергаментная), состоит из эпидермы, гиподермы и паренхимы. Эпидерма (палисадный слой, мальпигиев слой, слой макросклереид) состоит из одного ряда вытянутых в радиальном направлении клеток, плотно прилегающих друг к другу, с утолщенными целлюлозными стенками, полости их в нижней (проксимальной) части более широкие, чем в верхней (дистальной). Поверхность эпидермы покрыта тонкой кутикулой. Эпидерма у дистальных концов клеток пересекается светлой линией, которая имеет, как предполагается, характер оптического эффекта, обусловленного изгибом наружных утолщений стенок эпидермальных клеток [1]. Результаты специально поставленных экспериментов показывают, что эпидерма именно в зоне светлой линии оказывается непроницаемой для воды и газов [7].

Под эпидермальным слоем находится гиподерма, состоящая из одного ряда остеосклереид - клеток, суженных в медиальной части, отчего они имеют характерную катушкообразную форму (которая также описывается как гантелевидная, форма двутавровой балки, форма песочных часов). Отличительной особенностью этой ткани являются также большие межклеточные пространства.

Паренхима (питательный слой), расположенная под гиподермой, представляет собой несколько рядов тонкостенных облитерированных клеток, вытянутых в тангенциальном направлении.

Семена имеют сложно устроенный рубчик (рис. 2). В области рубчика эпидерма двуслойная: верхний (наружный, контрпалисадный) слой представляет собой остатки фуникулуса и отличается от собственно эпидермы отсутствием светлой линии. Вдоль рубчика его двуслойная эпидерма разделена рубчиковой щелью, под которой находится блок (остров) трахеид - компактная группа ориентированных перпендикулярно рубчиковой щели удлиненных клеток с многочисленными порами и одревесневшими стенками. Блок трахеид на поперечном сечении яйцевидно-эллиптический, заострен в направлении рубчиковой щели. Блок трахеид погружен в слой тонкостенной диффузной паренхимы (аэренхимы, стелярной ткани). Аэренхима образует мыс ткани, заходящий в углубление между семядолями. Гиподерма непосредственно в зоне рубчика отсутствует, однако, подходя вплотную к аэренхиме, сообщается с нею своим межклеточным пространством.

Линза (строфиоль) по сравнению с остальной частью спермодермы не имеет особого анатомического строения, она образована вытянутыми сверх обычного клетками эпидермы.

Семядоли состоят из тонкостенных клеток, размер которых увеличивается по направлению к центру семядоли. Эпидерма семядолей тонкая, однорядная, устьичные аппараты отсутствуют. Мезофилл однородный (не дифференцирован на палисадную и губчатую паренхиму). Проводящие пучки семядолей состоят из прокамбия - тонкостенных прозенхимных малодифференцированных клеток. Отсутствие палисадной паренхимы, равно как и устьичных аппаратов в эпидерме семядолей видов рода Lens Mill., объясняется подземным прорастанием - семядоли никогда не функционируют в качестве органов фотосинтеза и транспирации.

Сравнение видов по длине рубчика семени показало, что самый короткий рубчик у L.orientalis. Комплексным показателем величины рубчика является

площадь его поверхности. Площадь поверхности рубчика наименьшая у Ь.опеЩаНз и наибольшая у Ь.етмёез; площади поверхности рубчика у семян обоих образцов Ь.^псапв оказались очень близкими между собой, что говорит в пользу относительной стабильности и соответственно диагностической ценности этого количественного признака.

2 А Б 2

Рис.1. Спермодерма дикорастущих видов рода Lens Mill., поперечный разрез, увел. 20x10: А - L.orientalis; Б - L.nigricans (образец из НБС); В -L.nigricans (образец из ВИР); Г - L.ervoides:

1 - эпидерма; 2 - светлая линия; 3 - гиподерма; 4 - паренхима

Б

Рис.2. Рубчики дикорастущих видов рода Lens Mill., поперечный разрез, увел. 9x12,5: А - L.orientalis; Б - L.nigricans; В - L.ervoides:

1 - верхняя эпидерма; 2 -блок трахеид; 3 - аэренхима

Сравнение трех дикорастущих видов по количественным параметрам микроструктуры семян (табл. 1) показало, что L.ervoides имеет спермодерму

наименьшей толщины, при этом хорошо развита эпидерма, но паренхима очень тонкая. Наибольшей толщины эпидерма достигает у L.orientalis.

Индекс спермодермы показывает, какой процент среднего радиуса поперечного сечения семени составляет толщина спермодермы. Индекс спермодермы наибольший у L.orientalis, наименьший у L.ervoides.

L.ervoides отличается тонким (на поперечном разрезе) рубчиком. У L.orientalis и L.nigricans значения толщины рубчика практически одинаковы.

Обобщающим показателем величины блока трахеид служит площадь его поперечного сечения. В ряду изученных видов L.ervoides отличается очень маленьким (в том числе и по площади поперечного сечения) блоком трахеид.

У семян всех трех изученных видов верхняя эпидерма рубчика, представляющая собой остатки фуникулуса, несколько тоньше нижней.

Таблица 1

Некоторые параметры микроструктуры семян дикорастущих видов рода чечевица -

Lens Mill.

Параметр микроструктуры семян L.orientalis L.ervoides L.nigricans

Толщина спермодермы (мкм) 79,6±1,3 60,0±0,4 73,5±0,6 83,1±0,6

Индекс спермодермы (%) 7,5 6,3 6,4 7,4

Толщина эпидермы спермодермы (мкм) 47,2±0,4 40,4±0,3 41,5±0,3 46,7±0,3

Толщина гиподермы спермодермы (мкм) 6,4±0,4 4,3±0,3 4,5±0,2 5,2±0,3

Толщина паренхимы спермодермы (мкм) 26,1±0,8 15,0±0,5 27,5±0,5 31,5±0,7

Толщина верхней эпидермы рубчика(мкм) 24,0±0,6 22,5±0,5 26,3±0,8 27,8±0,6

Толщина нижней эпидермы рубчика(мкм) 32,6±0,6 31,1±0,5 30,5±0,3 30,5±0,3

Толщина рубчика на поперечном сечении (мкм) 263±8 189±3 261±5 264±4

Длина блока трахеид на поперечном сечении (мкм) 146±3 89±2 147±2 159±2

Ширина блока трахеид на поперечном сечении (мкм) 83±2 59±1 82±1 90±2

Толщина эпидермы семядолей с адаксиальной стороны неизменно больше, чем с абаксиальной. Для L.ervoides и L.nigricans значения этих параметров несколько ниже, чем у L.orientalis.

На основании измерений количественных показателей микроструктуры семян были рассчитаны средние коэффициенты вариации для данных параметров (всех, кроме площади поверхности рубчика и площади поперечного сечения блока трахеид, поскольку последние являются результатом вычислений, а не непосредственных измерений).

По степени варьирования количественные признаки микроструктуры семян распределяются следующим образом:

I. Признаки с незначительным варьированием (коэффициент вариации не более 6%): толщина спермодермы, ее эпидермы и поперечного сечения рубчика.

II. Признаки с умеренно слабым варьированием (до 10%): длина и ширина поверхности рубчика, толщина верхней и нижней эпидермы рубчика, длина и ширина блока трахеид на поперечном разрезе.

III. Средневарьирующие признаки (до 18%): толщина паренхимы спермодермы и эпидермы семядолей с абаксиальной и адаксиальной стороны.

IV. Признаки с уровнем варьирования выше среднего (до 20%); толщина гиподермы.

Подводя итоги сравнительного анализа микроструктуры дикорастущих семян видов рода Lens Mill., мы не можем обойти вниманием новейшие гипотезы о его видовом составе. Выводы о степени филогенетической близости и таксономическом ранге тех или иных форм могут быть делаться только на основании всей совокупности морфологических, генетических, биохимических и иных исследований. Тем не менее укажем, что наблюдавшиеся нами резкие отличия L.ervoides по толщине спермодермы и составляющих ее тканей, по внешнему виду и размерам рубчика и блока трахеид на поперечном сечении говорят в пользу идеи о существовании двух эволюционных линий в пределах названного рода, о формировании его на основе двух различных групп генотипов, о реальности только двух видов рода Lens Mill.: в состав одного вида входят L.culinaris, L.orientalis, L.nigricans, а другой образует L.ervoides [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. Яковлев Г П. Бобовые земного шара. - JI.: Наука. - 1991. - 144с.

2. Таксоны зерновых бобовых культур и их диких сородичей. - Каталог ВИР, вып. 122 - JI. - 1973. - 252с.

3. Sindhu J.S., Slinkard А.Е., Scoles G.J. Studies on variation in Lens. 1. Karyotype. -LENS Newsletter - 1983. - V. 10. - №1. - P. 14.

4. Sindhu J.S., Slinkard A.E. Lentils and their wild relatives - LENS Newsletter, 1983. -V.10. -№1.-P.13-14.

5. Muehlbauer F.J., Cubero J.I., Summerfield R.J. Lentil (Lens culinaris Medic.). -Grain Legume Crops. - Ed. R.J.Summerfield, E.H.Roberts. - London: Collins. - 1985 - P.266-311.

6. Волузнева T.A. Местообитание дикорастущих видов чечевицы в Крыму. -Научно-техн. бюл. ВИР - 1986. - Вып.163. - С.30-32.

7. Hyde Е. The function of the hilum in some Papilionaceae in relation to the ripening of the seed and the permeability of the testa. - Ann. Bot. - 1954. - V.18. - №70 - P.241-256.

8. Slinkard A.E. Cytology and cytogenetics of lentils. - LENS Newsletter. - 1985. -V.12. - №2. - P.l-10.

COMPARATIVE MICROMORPHOLOGICAL STUDY OF SEEDS OF THE WILD SPECIES OF LENTIL -

GENUS LENS MILL.

V.A. Surkov, A.A. Terehin

Department of Botany, Plant Physiology and Agrobiotechnology Russian Peoples’ Friendship University St. Miklucho-Maklay, 8/2, 117198 Moscow, Russia

A comparative micromorphological study of seeds of all three wild species of lentil, actually recognized in the genus Lens Mill. - L.ervoides (Brign.) Grande, L.nigricans (Bieb.) Godr., L.orientalis (Boiss.) Hand.-Mazz., - was lead. In comparison with other studied species L.ervoides has significant differences in quantitative parameters of the testa and hilum.