Изменчивость строения листьев у синяка обыкновенного (Echium vulgare L. ) (Boraginaceae)

Изменчивость строения листьев у синяка обыкновенного

А.Я. Тамахина, д.с.-х.н., А.А. Ахкубекова, аспирантка, ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ

Синяк обыкновенный (Echium vulgare L.) — двулетнее травянистое растение семейства бурачниковых (Boraginaceae), широко распространённое на территории России (европейская часть, Урал). Ареал синяка обыкновенного в Кабардино-Балкарской Республике охватывает площадь от низменности до среднегорного пояса [1]. Основными местами обитания растений являются каменистые склоны, сухие луга, лесные поляны, залежи, сорные места.

Химический состав надземной массы вида достаточно глубоко изучен. В траве обнаружены алкалоиды (гелиосупин, асперулин), органические и фенолкарбоновые кислоты, углеводы, витамин Е и каротин [2]. Содержание дубильных веществ и антраценпроизводных в надземной массе синяка обыкновенного составляет соответственно 10,39 и 0,06% [3]. В траве идентифицировано 16 аминокислот (суммарное содержание 2907,48 мкг/100 г), в т.ч. 7 незаменимых [4]. Надземная фитомасса характеризуется высокой концентрацией аскорбиновой кислоты, рутина и водорастворимых полисахаридов [5]. Кормовая ценность травы Echium vulgare L. обусловлена значительным содержанием сырого протеина (17,48%), БЭВ (46,65%) [6], калия, кальция, кремния, натрия [4], магния [7]. Благодаря богатому химическому составу Echium vulgare L. широко применяют в народной медицине (отвар травы, настой цветов, свежие листья), как кормовое (для овец), красильное и медоносное растение [2].

Достаточно широкий ареал Echium vulgare L. обусловлен экологическими особенностями вида. По отношению к влаге синяк обыкновенный является ксеромезофитом. Растение нетребовательно к почвам, однако лучше растёт на окультуренных почвах с высоким содержанием питательных веществ.

Несмотря на имеющиеся данные о фармакологической активности БАВ надземной фитомассы и широком ареале распространения синяка обыкновенного, анатомо-морфологическая структура листьев и их адаптационные приспособления к условиям окружающей среды слабо изучены.

Цель работы — изучение анатомо-морфоло-гических особенностей листьев синяка обыкновен-

ного (Echium vulgare L.) в связи с их адаптацией к различным условиям водообеспеченности.

Материал и методы исследования. Объектом исследования стали растения Echium vulgare L., произрастающие на территории предгорной зоны Кабардино-Балкарской Республики (г. Нальчик, с. Аушигер). Различия почвенно-климатических условий мест произрастания обусловили неодинаковые условия водообеспеченности изучаемых ценопопуляций растений.

Ценопопуляции Echium vulgare L. в районе с. Аушигер произрастают на горно-степных почвах, которые сформировались в условиях сухого климата южных и юго-восточных склонов на элювио-делювии песчаников под сухими и настоящими степями. Мощность гумусового горизонта 8 — 10 см, структура верхних горизонтов мелкокомковато-пылеватая. В большом количестве встречаются щебень и камни. Механический состав суглинистый. Содержание гумуса 3 — 4%, обеспеченность почв подвижным фосфором и калием низкие. Реакция почвенного раствора нейтральная или слабощелочная. Климат района исследования степной с суммарным количеством осадков 400 — 460 мм за год и среднегодовой температурой воздуха + 11,2°С. Среднегодовая относительная влажность воздуха составляет 67,8%. Высокие температуры, пониженная влажность воздуха способствуют формированию изреженного растительного покрова, в силу чего почвы легко подвергаются процессу эрозии.

Ценопопуляции Echium vulgare L. в г. Нальчике (пойменный луг) произрастают на выщелоченном чернозёме. Мощность гумусового горизонта 30 — 40 см, структура верхних горизонтов неоднородная, мелкокомковатая. Механический состав суглинистый. Содержание гумуса 7,9 — 8,1%, обеспеченность почв подвижным фосфором и калием средние. Реакция почвенного раствора нейтральная. Климат района исследования умеренно континентальный с суммарным количеством осадков 720 — 800 мм за год и среднегодовой температурой воздуха +9,8°С. Среднегодовая относительная влажность воздуха составляет 76,8%.

Листья Echium vulgare L. собирали со среднего яруса 20 растений каждой ценопопуляции в период массового цветения (август 2016 — 2017 гг.). Локализацию продуктов вторичного метаболизма

(танины, липофильные вещества, эфирные масла) определяли гистохимическими тест-реакциями [8]. На обесцвеченных и просветлённых в глицерине листьях учитывали количество устьиц на 1 мм2, индекс опушения (количество волосков на 1 мм2), характер их распределения на адаксиальном и абак-сиальном эпидермисе листовой пластинки. Долю устьиц нижней эпидермы от общего количества устьиц оценивали коэффициентом гипостомат-ности (КГП, %). Рассчитывали устьичный индекс (Ui, %) эпидермы листа как отношение числа устьиц на 1 мм2 к сумме числа основных клеток эпидермы и устьиц. Измерение и количественный учёт клеток, устьиц, трихом проводили в 5 полях зрения для каждого листа. Для исследования использовали световой микроскоп «Биомед С1» и цифровой фотоаппарат Canon (разрешение матрицы 8 Мп). Общее увеличение микроскопа 160* и 450*.

Результаты исследования. Листья растений Echium vulgare L., находящиеся в неодинаковых условиях водообеспеченности, различаются по своим морфометрическим параметрам. Если в условиях сыро-лугового увлажнения средняя длина листа составляет 4,86, а ширина — 1,31 см, то в засушливых условиях происходит редукция листовой пластинки за счёт уменьшения её длины и ширины соответственно на 1,99 и 0,60 см.

Листья Echium vulgare L. дорсовентральные с морфологически верхней (адаксиальной) и нижней (абаксиальной) сторонами. Основные клетки адакси-ального эпидермиса листа овально-прямоугольные или многоугольные округлые (рис. 1а), а абаксиаль-ного — сильноизвилистые (рис. 1б).

Количество основных эпидермальных клеток абаксиальной поверхности листьев варьирует от 824 (г. Нальчик) до 1140 (с. Ауашигер), а адаксиальной — соответственно от 774 до 1089 шт. на 1 мм2 (табл.).

а)

Морфометрические показатели эпидермы листьев Echium vulgare L. в зависимости от условий водообеспеченности

Морфометрические параметры г Нальчик с. Аушигер

1 2 1 2

Количество основных клеток эпидермиса на 1 мм2 823,7± 23,2 773,6± 20,4 1140,2± 25,7 1089,4± 28,6

Количество устьиц на 1 мм2 159,1± 3,4 120,4± 2,9 110,5± 2,4 86,4± 2,1

Щ % 16,2 13,5 8,8 7,3

Индекс опушения, шт/мм2 -н (N 6,7± 1,8 18,5± 3,6 10,3± 2,1

КГП, % 56,9 56,1

Примечание: 1 — эпидермис абаксиальной поверхности листа, 2 — эпидермис адаксиальной поверхности листа

Листья Echium vulgare L. амфистоматические. При этом количество устьиц на абаксиальной поверхности в 1,28 — 1,32 раза больше, чем на адаксиальной. С ухудшением условий водообес-печенности количество устьиц на адаксиальной и абаксиальной поверхностях листовой пластинки уменьшается соответственно в 1,44 и 1,39 раза; устьичный индекс снижается в 1,6 раза, а индекс гипостоматности — на 0,8% (табл.).

Устьичные щели расположены в межжилковых зонах листа. Устьичный аппарат аномоцитного типа с 4 (реже 5) околоустьичными клетками. Устьица выступающие (расположены чуть выше поверхности эпидермы). Количество устьиц на абаксиальной поверхности листовой пластинки независимо от условий водообеспеченности растений превышает аналогичный показатель адаксиальной поверхности листа в 1,27 — 1,32 раза (табл.).

Нижняя и верхняя эпидерма листьев покрыта жёсткими волосками

б)

Рис. 1 - Основные клетки адаксиального (а) и абаксиального (б) эпидермиса листа Echium vulgare L.

двух типов: 1) одноклеточные конусовидные волоски длиной 0,12 — 0,18 мкм; 2) нитевидные волоски длиной 0,67 — 1,12 мкм на короткой одноклеточной ножке, расположенные на многоклеточных (в среднем из 16 клеток) выростах эпидермы. Количество волосков на абаксиальной поверхности листовой пластинки независимо от условий водообеспеченности растений превышает аналогичный показатель адаксиальной поверхности листа в 1,67 — 1,79 раза (табл.). На абаксиальной поверхности листа доля волосков второго типа составляет в среднем 24,3%, а на адаксиальной — 37,5% от общего количества кроющих трихом. Волоски расположены на главной жилке, в межжилковых зонах и по краю листа (рис. 2а, б, в). Помимо кроющих трихом по краю листа встречаются головчатые железистые волоски с одноклеточной головкой на 4-клеточной ножке (рис. 2 г). Полости некоторых волосков заполнены воздухом, что служит дополнительным приспособлением для снижения воздействия на лист и стебель высоких температур и ослабления иссушающего действия ветров.

Анализ парных корреляций между морфометри-ческими показателями эпидермы листьев Echium vulgare L. свидетельствует об их тесной взаимосвязи. По результатам парного корреляционного анализа установлены высокие прямые связи (0,8<rxy<1,0) между количеством основных клеток и устьиц абак-сиального и адаксиального эпидермиса, индексом опушения и количеством клеток адаксиального эпидермиса. Связи между индексом опушения адаксиального эпидермиса и количеством основных эпидермальных клеток обеих поверхностей листа, а также между индексами опушения абаксиальной и адаксиальной поверхностей заметные прямые (0,5<rxy<0,7). Установлены высокие и весьма высокие обратные связи (-0,7<r <-1,0) между количеством устьиц абаксиального эпидермиса, количеством основных эпидермальных клеток, индексом опушения и количеством устьиц обеих поверхностей листа.

В эпидермальных клетках листьев обнаружены мелкокапельные скопления липофильных веществ под кутикулой эпидермиса в области центральной жилки, многоклеточных выростов эпидермы отдельных волосков и в составе их содержимого. В листьях растений, произрастающих в засушливых условиях, липофильные вещества также локализованы в виде капель в цитоплазме эпидермальных клеток межжилковых зон. В составе липофильных веществ идентифицированы эфирные масла. Танины локализованы в эпидер-мальных клетках оснований волосков, в составе содержимого большей части волосков обеих сторон листа, а также в членистых млечниках с анастомозами (рис. 3).

Латекс млечников помимо танинов содержит каучук. При отмирании млечников латекс в них

в)

Рис. 2 - Кроющие трихомы в межжилковой области (а), на главной жилке (б) и по краю листа (в, г) Echium vulgare L.

коагулирует, каучуковые глобулы слипаются и образуют массу затвердевшего каучука. Единичные глобулы каучука отмечены в межжилковой области листьев растений преимущественно засушливых мест обитания. Реакция с концентрированной серной кислотой подтвердила наличие в листьях значительного содержания алкалоидов, которые, по-видимому, также локализованы в млечниках листьев.

В клетках мезофилла листьев, вокруг жилок, по краю листа локализованы неспециализированные кристаллоносные клетки с друзами оксалата кальция в виде сферитов и кристаллического песка (рис. 4а). Помимо оксалата кальция в листьях обнаружены цистолиты (отложения карбоната или силиката кальция) в литоцистах, расположенных в основании волосков (рис. 4б).

Вторичные метаболиты играют важную роль в адаптации растений к факторам окружающей среды. Так, в условиях засухи испарение эфирных масел снижает теплопоглощение мезофиллом листа. Терпеноиды, составляющие основу каучука, играют большую роль в процессах обмена веществ (некоторые из них являются гормонами и регуляторами жизнедеятельности растений) и предотвращают проникновение фитопатогенов. Кристаллы оксалата кальция участвуют в механическом поддержании структур растений, балансе минеральных веществ, депонировании отходов клеток и защите от поедания хищниками. Кристаллы карбоната кальция играют определённую роль в поддержании кислотно-щелочного баланса в клетке. Танины обладают бактерицидными, фунгицидными, антиоксидантными свойствами, являются барьером для химических и термических воздействий [9].

В целом адаптация листьев Echium vulgare L. к дефициту влаги протекает по типу перенесения высыхания, что выражается в появлении типичных ксероморфных черт: редукция общей поверхности испарения путём уменьшения размера листа, увеличение числа кроющих трихом на обеих сторонах листовой пластинки, снижение устьичного индекса, усиление синтеза полифе-нольных и терпеноидных биологически активных веществ. Как известно, устьичный индекс, количество устьиц, клеток верхней и нижней эпидермы могут рассматриваться как показатели, отражающие адаптационный потенциал вида за счёт высокого полиморфизма количественных и морфометрических показателей листа [10]. Следовательно, полиморфизм морфометрических признаков эпидермы листа, зависимость количества основных эпидермальных клеток и устьиц от размера листа отражают высокий адаптационный потенциал и широкую экологическую пластичность Echium vulgare L.

Выводы. Изучены анатомо-морфологические особенности листьев Echium vulgare L. Листья

Рис. 3 - Локализация танинов в эпидерме листа Echium vulgare L. Окрашивание сульфатом железа

б)

Рис. 4 - Отложения оксалата кальция (а) и карбоната кальция (б) в листьях Echium vulgare L.

синяка обыкновенного дорсовентральные. Основные клетки адаксиального эпидермиса листа овально-прямоугольные или многоугольные округлые, а абаксиального — извилистые. Количество основных эпидермальных клеток абаксиальной поверхности листьев варьирует от 824 до 1140,

а адаксиальной — от 774 до 1089 шт. на 1 мм2. Листья Echium vulgare L. амфистоматические. Устьичный аппарат аномоцитного типа. Количество устьиц на абаксиальной поверхности в 1,28 — 1,32 раза больше, чем на адаксиальной. Нижняя и верхняя эпидерма листьев покрыта жёсткими волосками двух типов: одноклеточные конусовидные волоски длиной 0,12 — 0,18 мкм; нитевидные волоски длиной 0,67—1,12 мкм, расположенные на многоклеточных выростах эпидермы. Количество волосков на абаксиальной поверхности листовой пластинки превышает аналогичный показатель адаксиальной поверхности листа в 1,67 — 1,79 раза. По краю листа также встречаются головчатые железистые волоски с одноклеточной головкой на 4-клеточной ножке. Основными вторичными метаболитами листьев Echium vulgare L. являются эфирные масла, каучук, танины, кристаллы оксалата и карбоната кальция. Адаптация листьев Echium vulgare L. к дефициту влаги выражается в редукции общей поверхности испарения путём уменьшения размера листа, увеличения числа кроющих трихом на обеих сторонах листовой пластинки, снижения устьичного индекса, усиления синтеза защитных биологически активных веществ. Полиморфизм морфометрических признаков эпидермы листа, зависимость количества основных эпидермальных клеток и устьиц от

размера листа, реализация защитных функций за счёт выделительной системы отражают высокий адаптационный потенциал и широкую экологическую пластичность Echium vulgare L.

Литература

1. Галушко А.И. Флора Северного Кавказа. Определитель. Т. 2. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1980. 352 с.

2. Растительные ресурсы СССР: Цветковые растения, их химический состав, использование; Семейства Caprifoliaceae-Plantaginaceae. Л.: Наука, 1990. 398 с.

3. Кайтмазов Т.Б., Гагиева Л.Ч., Цугкиев Б.Г. Содержание биологически активных веществ в эфирно-масличных растениях, произрастающих в РСО-Алания // Известия Горского 1АУ. 2014. Т. 51. Ч. 2. С, 289-294.

4. Гонтова Т.М. Дослвдження полюахариддв синяка звичайно-го //Проблеми еколопчно! та медично! генетики i кжшчно! ¡мунологп: зб. науковихпраць. 2013. Вип. 2 (16). С. 132 —137.

5. Круглов Д.С., Свечникова О.П. Некоторые биологически активные вещества Echium vulgare // Фундаментальные исследования, 2007. № 10. С, 71.

6. Цугкиев Б.Г., Кайтмазов Т.Б., Гагиева Л.Ч. Содержание питательных веществ в эфирномасличных растениях // Известия Горского государственного аграрного университета.

2013. Т. 50. 4. 3. С, 324-329.

7. Круглов Д.С., Ханина М.А. Микроэлементньш состав растений семейства Boraginaceae флоры Западной Сибири // Успехи современного естествознания. 2006. № 5. С. 71 — 72.

8. Барыкина Р.П. и др. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. М.: Изд-во МГУ, 2004. 312 с.

9. Рощина В.В., РощинаВД. Выделительная функция высших растений: монография. Saarbr cken: Гар rambert, 2012. 476 с.

10. Нехайченко Д.В., Кокшеева И.М., Кислов Д.Е. Изменчивость эпидермальных структур листа Hydrangea paniculate (Hydrangeaceae) в условиях культуры // Вестник КрасГАУ.

2014. №12. С, 52-57.