Расположение складок микрорельефа на побочных клетках устьиц Hydrangea macrophylla (Thunb. ) ser. (Hydrangeaceae)

А. А. Паутов

РАСПОЛОЖЕНИЕ СКЛАДОК МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОБОЧНЫХ КЛЕТКАХ УСТЬИЦ HYDRANGEA MACROPHYLLA

Для листьев большого числа цветковых растений свойствен образованный складками микрорельеф поверхности. Так, при изучении поверхности листьев 918 видов древесных двудольных, представляющих 499 родов и 131 семейство, был обнаружен микрорельеф у 533 из них [1]. При этом складки могут располагаться на клетках устьичного комплекса по-разному. Выделяется два основных типа организации микрорельефа. Первый — складчатый микрорельеф, при котором складки расходятся в стороны от устьица. Второй — перистоматические кольца, когда складки кольцеобразно располагаются вокруг устьиц. В рамках этих типов существует значительное структурное разнообразие микрорельефа. Например, перистоматическое кольцо может опоясывать устьице целиком (Pyracantha moretii Hort.), а может прерываться на полюсах, так что устьице сопровождается с каждой стороны одной продольной относительно устьичной щели складкой (Photinia benthamiana Maxim.) и т.п. Микрорельеф достаточно стабилен в пределах вида [2, 3]. По этой причине его признаки используются в качестве диагностических в систематике, палеоботанике, фармакогнозии [4-7]. Следует заметить, что у ряда видов в рамках единого типа микрорельефа расположение его элементов сильно отличается возле разных устьиц на одном листе. Это создает определенные возможности для выявления факторов, влияющих на организацию микрорельефа устьичного аппарата, рассмотрению которых и посвящена данная статья. Цель исследования — определить, с какими признаками устьичного аппарата Hydrangea macrophylla (Thunb.) Ser. скоррелировано изменение положения складок на его побочных клетках.

Материалы и методы исследования

Рассмотрены изменчивость и корреляции признаков строения устьичных комплексов в эпидерме листьев H. macrophylla. Материал любезно предоставлен докт. биол. наук Ю. Н. Карпуном — директором Субтропического ботанического сада Кубани (Сочи), где он и был собран. Фиксация листьев (70%-ный спирт) и изготовление препаратов проведены по традиционным методикам. Для общего описания эпидермы исследованы просветленные в жавелевой воде фрагменты пластинок, взятые из их средней части между главной жилкой и краем листа [8]. Просмотр и фотографирование фрагментов проведены с помощью микроскопа Axiostar plus (Karl Zeiss) и цифровой камеры Nicon D70.

Поверхность листьев изучена на сканирующем электронном микроскопе JSM-35. Объекты исследования обезвоживали в серии спиртов, проводили через смесь изоамилацетата и чистый изоамилацетат. Затем образцы высушивали при критической точке жидкой углекислоты. Сухие объекты наклеивали на столики, напыляли золотом и изучали в микроскопе.

Все измерения произведены по фотоснимкам в программе UTHSCSA ImageTool v. 3. Количественная оценка степени проявления признаков покровной ткани дана по схеме

© А. А. Паутов, 2011

из работы Б. Р. Васильева [9]. Форма основных клеток охарактеризована в соответствии с терминологией, предложенной С. Ф. Захаревичем [10]. В анализ включены 9 признаков строения устьичных комплексов (табл. 1). Для определения их изменчивости использован коэффициент вариации, силы и характера взаимосвязей — результаты корреляционного и компонентного анализов [11, 12]. Уровни изменчивости признаков оценены по классификации С. А. Мамаева [13].

Таблица 1. Статистические характеристики признаков строения устьичных комплексов

Hydrangea macrophylla

Признак X X min X max CV r2

чс 19,2 12,0 26,0 17,7 0,085

дс 333,7 142,1 547,1 27,2 0,172

плп 872,5 531,7 1411,8 25,3 0,229

пп 152,7 121,9 215,0 15,7 0,207

шп 15,5 7,4 30,7 40,3 0,139

киз 1,3 1,1 1,6 7,9 0,127

пу 634,9 468,4 1009,8 18,5 0,113

дУ 35,5 30,7 47,1 10,7 0107

Примечание. X — среднее арифметическое, X . — минимальное, X — максимальное

•Т -Т .г т Ш1П тах

значение признаков, СУ — коэффициент вариации, г2 — коэффициент детерминации. Обозначения признаков (здесь и в табл. 2, 3): чс — число складок на побочной клетке, дс — их общая длина (мкм), плп — площадь наружной тангентальной стенки побочной клетки (мкм2), пп — ее периметр (мкм), шп — ширина побочной клетки (мкм), киз — коэффициент извилистости тангентальной стенки побочной клетки (отношение периметра клетки к периметру квадрата, имеющего такую же площадь, как и тангентальная стенка), пу — площадь устьица (площадь наружных тангентальных стенок замыкающих клеток вместе с апертурой) (мкм2), ду — длина устьица (мкм).

Результаты исследования

Листья Н. тасгорЪу11а гипостоматного типа. Покровные ткани пластинки крупноклеточные. На 1 мм2 верхней эпидермы насчитывается немногим более 400 клеток, нижней ---750. Очертания основных клеток как нижней, так и верхней эпидермы крупноиз-

вилистые. Устьица парацитного типа, изредка латероцитного, малочисленные (чуть более 100 устьиц на 1 мм2). Устьичный индекс средний (13%). Для побочных клеток устьиц свойствен складчатый микрорельеф поверхности. Отмечается несколько способов размещения складок: они могут занимать поперечное относительно устьичной щели положение, расходиться в стороны от устьица, пересекать побочные клетки и прерываться или выходить в их край (рис. 1, а, б); изгибаться (рис. 1, в, г); дополняться продольно лежащими относительно устьичной щели складками, расположенными вдоль латеральных стенок устьичного комплекса (рис. 1, д-ж).

Оценка общей изменчивости изученных признаков показала, что низкий уровень изменчивости (8-12%) свойствен длине устьиц и коэффициенту извилистости очертаний наружных тангентальных стенок побочных клеток; средний (13-20%) — периме-

тру этих стенок и числу расположенных на них складок, площади устьиц; повышенный (21-30%) — площади тангентальных стенок побочных клеток и длине складок микрорельефа; очень высокий (cv > 40%) — ширине этих клеток (см. табл. 1).

Рис. 1. Расположение складок микрорельефа на побочных клетках устьиц Hydrangea

macrophylla

зк — замыкающие клетки; пк — побочные клетки; пс, ис, прс — поперечные, изогнутые и продольные складки. Масштабная линейка: 10 мкм.

Коэффициент детерминации перечисленных выше признаков колеблется от 0,085 до 0,229. Их можно разбить на три группы. К числу слабо связанных с остальными признаками (r2 < 0,125) относятся размеры устьиц и число складок на побочных клетках; среднесвязанных (0,125 < r2 < 0,175) — ширина побочных клеток и форма их очертаний,

а также длина складок; относительно сильносвязанных (г2 > 0,175) — площадь и периметр тангентальных стенок побочных клеток.

Размещение складок на побочных клетках оценивалось в баллах. Рассмотрено два варианта. Первый: поперечные (1) и иначе расположенные (2) складки. Второй: поперечные (1), изогнутые (2), изогнутые и продольные (3), прямые и продольные (4). В первом случае, при среднем значении признака 1,5 коэффициент его вариации составил 34,5% (высокий), детерминации — 0,094 (низкий), во втором случае соответственно: 2; 59,8% (очень высокий); 0,065 (низкий). Независимо от выбранного варианта, признаки, описывающие размещение складок на поверхности клеток, занимают в рассмотренной ниже структуре корреляций между характеристиками устьичного аппарата одинаковое положение.

Матрица парных корреляций между изученными признаками приведена в табл. 2. Достоверными для рассматриваемой выборки при Р0 < 0,01 являются коэффициенты |г| > 0,505. Они составляют 19,4% матрицы. На обозначенном уровне признаки распадаются на несколько плеяд (рис. 2). Первая характеризует размер устьиц и включает в свой состав их длину и площадь. Вторая — размер и форму побочных клеток (периметр, ширину, площадь поверхности и коэффициент извилистости наружных тангентальных стенок), а также общую длину и размещение на них складок микрорельефа. Число последних не связано на рассматриваемом уровне с остальными признаками.

Таблица 2. Парные корреляции признаков строения устьичных комплексов Hydrangea macrophylla

Признак чс дс фс плп пп шп киз 0У

дс 391

фс 423 -010

плп 203 774 -119

пп 323 748 168 853

шп -391 402 -597 497 139

киз 234 178 480 088 584 -512

пу 072 043 -152 466 129 210 -431

'Oy 268 206 134 451 259 063 -167 725

Примечание. Здесь и в табл. 3 ноль и точка перед десятичными разрядами коэффициентов корреляции опущены.

Использование компонентного анализа позволило выявить и интерпретировать пять групп признаков, суммарная факторная дисперсия которых составила 95,4% (табл. 3). В состав первой из них (35,9% факторной дисперсии) на уровне связи |г| > 0,5

чс

Рис. 2. Корреляционное кольцо признаков строения устьич-ного комплекса Hydrangea macrophylla Обозначения признаков те же, что и в табл. 1. Связи выделены на уровне |r| > 0,5.

входят: длина устьиц, площадь и периметр побочных клеток, длина складок микрорельефа. Признак-индикатор — площадь побочных клеток (г = -0,958). Группа описывает размер устьичных комплексов. При этом, чем крупнее их побочные клетки, тем больше протяженность складок микрорельефа; чем они меньше, тем короче покрывающие их складки. Первая комбинация чаще отмечается у более длинных устьиц, вторая — у более коротких.

Таблица 3. Факторная структура изменчивости признаков строения устьичного комплекса

Hydrangea macrophylla

Признак F. F2 F3 F4 F5

чс -401 545 -344 605 —194

дс -834 080 353 311 119

фс -026 773 -341 -059 507

плп -958 -148 133 -105 -018

пп -866 332 274 -221 -080

шп -364 -769 404 074 255

киз -162 838 295 -368 -156

пу -467 -468 -657 -191 -146

дУ -572 -154 -699 -152 091

FD, % 35,9 28,6 18,0 8,1 4,8

Примечание. Р;-Р5 — нагрузки признаков по первому — пятому факторам. FD, % — процент общей дисперсии, включенный в фактор.

Вторая группа (28,6%) объединяет на рассматриваемом уровне ширину побочных клеток и коэффициент извилистости их тангентальных стенок, количество находящихся на них складок и их расположение. Признак-индикатор — коэффициент извилистости (г = 0,838). На широких побочных клетках со слабо извилистыми стенками насчитывается меньше складок и они прямолинейные. Уменьшение ширины побочных клеток сопровождается увеличением коэффициента извилистости их стенок и сочетается с изменением положения на них складок: происходит изгибание последних, затем появляются дополнительные продольные складки, что приводит к тенденции увеличения числа складок. По крайней мере, часть продольных складок возникает в результате фрагментации изогнутых. Данная группа признаков описывает связь между шириной побочных клеток и характером размещения на них элементов микрорельефа.

В третью группу (18% факторной дисперсии) на обозначенном уровне связи входят длина и площадь устьиц, т. е. она описывает их величину.

Четвертая (8,1% дисперсии) и пятая (4,8%) группы включают на уровне |г| > 0,5, соответственно, число складок на поверхности клеток и характер их размещения на ней.

Обсуждение результатов исследования

Рассмотренные признаки микрорельефа существенно различаются по степени изменчивости, положению в системе корреляций характеристик устьичного аппарата Н. таогоркуПа, прочности связей с ними. Число складок на поверхности побочных клеток отличается стабильностью и слабо скоррелировано в своем изменении с прочими ха-

рактеристиками. Их общая длина, напротив, демонстрирует повышенную изменчивость и напрямую связана с площадью тангентальных стенок побочных клеток. Расположение на них складок относится к числу изменчивых и автономных признаков, которое зависит, прежде всего, от ширины этих клеток. На фоне их сужения происходит переход от поперечного расположения складок к продольному. Такой переход сопровождается постепенной редукцией поперечно расположенных складок (см. рис. 1, е, ж). У отдельных устьиц часть изогнутых складок также редуцируется, оставшиеся изгибаются вдоль замыкающих клеток (рис. 1, з). Отмеченная тенденция интересна в связи с тем, что характерной чертой устьичных комплексов с перистоматическими кольцами являются узкие наружные тангентальные стенки побочных клеток. Последнее наблюдается и в том случае, если комплекс, несущий кольцо, относится, как и устьица гортензии, к парацитному или латероцитному типам (например, у Viburnum suspensum Lindl.). Следовательно, изменение ширины побочных клеток может выступать в качестве одного из морфогенетических факторов, влияющих на организацию микрорельефа поверхности примыкающих к устьицу клеток.

Литература

1. 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: Матер. Всерос. конф. Ч. 1. Петрозаводск, 2008. С. 66-68.

2. Ahmad K. J. Cuticular striation in Cestrum // Curr. Sci. 1962. Vol. 31. P. 388-390.

3. Сапач Ю. О. К вопросу о постоянстве микрорельефа поверхности листа цветковых растений // Герценовские чтения: Матер. межвуз. конф. СПб., 2005. С. 30-31.

4. Dilcher D. L. Approaches to the identification of angiosperm leaf remains // Bot. Rev. 1974. Vol. 40. N 1. P. 1-157.

5. Stace C. A. The taxonomic importance of the leaf surface // Syst. Assoc. 1984. Spec. Vol., N 25. P. 67-94.

6. Wu Han. Comparative observation on leaf anatomy and pollen of Veronica Lour. and Aleurites J. R. et G. Forst // Acta phytotaxon. 1985. Vol. 23, N 3. P. 188-191.

7. Головнёва Л. Б. Позднемеловая флора Сибири: дис. ... д-ра биол. наук. СПб., 2004. 495 с.

8. Прозина М. Н. Ботаническая микротехника. М., 1960. 206 с.

9. Васильев Б. Р. Строение листа древесных растений различных климатических зон. Л.:

Изд-во ЛГУ, 1988. 208 с.

10. Захаревич С. Ф. К методике описания эпидермиса листа // Вестн. Ленингр. ун-та. 1954. № 4. С. 65-75.

11. Кендалл М. Дж., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М.: Наука, 1976. 736 с.

12. Шмидт В.М. Математические методы в ботанике. Л. : Изд-во ЛГУ, 1984. 288 с.

13. Мамаев С. А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений. М.: Наука, 1972. 284 с.

Статья поступила в редакцию 20 декабря 2010 г.