Сохранение и изучение биоразнообразия растений, в том числе эколого-биологических особенностей видов, является одной из наиболее актуальных проблем современной науки. Род Phlox L. включает около 65 видов, распространенных преимущественно на территории Северной Америки (только 1 вид – Ph. sibirica L. – встречается также на территории Сибири) [8]. Многие виды рода и полученные на их основе сорта являются ценными декоративными растениями и культивируются во многих странах мира.
В условиях интродукционного эксперимента изучение анатомического строения вегетативных органов растений представляет прогностическую ценность наряду с анализом их морфологических признаков. В процессе эволюции вида анатомо-морфологические особенности листьев формировались как приспособление к определенным местообитаниям.
Цель работы - оценить экологическую пластичность видов рода Phlox L., выявить их адаптационный потенциал и особенности анатомической структуры в новых для видов условиях произрастания.
Материалы и методы исследований
Исследования проводили в 2007–2013 годах на коллекционных участках Сибирского ботанического сада Томского государственного университета.
Объектами исследования послужили 5 видов и сортов многолетних флоксов, распространенных на восточном побережье Северной Америки. Данные виды относятся к 2 секциям, 4 подсекциям рода [9] и приурочены к различным местообитаниям.
Секция Protophlox, подсекция Divaricatae: Ph. amoena Sims. (флокс прелестный). Приурочен к сухим местообитаниям. В работе использован сорт Ph. amoena f. variegata. Phlox divaricata L. (флокс растопыренный) в природных ценозах отмечен во влажных лесах, зарослях кустарников, также встречается на бедных сухих почвах, каменистых склонах, поднимается в горы.
Секция a-Phlox, подсекция Paniculatae: Ph. paniculata L. (флокс метельчатый) и подсекция Ovatae: Ph. maculata L. (флокс пятнистый) произрастают в светлых сырых лесах, кустарниковых зарослях, на влажных лугах, по берегам рек и других водных источников [8]. Анатомические данные приведены для сортов Ph. paniculata «Blue Bird» и Ph. maculata «Schneepyramide» (сорт флокса пятнистого указан по Беддингауз [1]). Подсекция Subulatae: Ph. subulata L. (флокс шиловидный) произрастает на каменистых осыпях и сухих песчаных холмах, поднимается в горы. Использован сорт «Atropurpurea».
В качестве методической основы для изучения анатомического строения листовых пластинок флоксов использованы общепринятые методики [3], работы К. Эзау [7], Ч.Ш. Каратаевой, А.С. Дариева и А.А. Паутова [4].
Временные препараты листьев подготавливали путем нарезания на замораживающем микротоме МЗ-2. Толщину среза устанавливали на 60–90 мкм. Поперечные срезы делали в средней части листа. Эпидерму срезали опасной бритвой в средней трети пластинки между краем листа и центральной жилкой. Срезы делали в пятикратной повторности на листьях, собранных с пяти побегов; для каждого образца анализировали не менее 25 срезов.
Фотографии микропрепаратов и микроскопические измерения сделаны на световом микроскопе Carl Zeiss Axio Lab. A1 с цифровой камерой AxioCam ERc 5s подключением к ЭВМ при помощи программы Axio Vision 4.8.
Результаты измерений обрабатывали статистически по методике Г.Н. Зайцева [5] с использованием программы Statistica 8.0. По каждому параметру приведены следующие значения: средняя арифметическая, ошибка средней и коэффициент вариации (CV). Уровни варьирования приняты по Г.Н. Зайцеву: CV > 20 % – высокий, CV = 11 – 20 % – средний, CV < 10 % – низкий [5]. Анатомические показатели эпидермы считаются маловариабельными, если коэффициент вариации CV < 20 %, средневариабельными – при CV > 20 %, сильновариабельными – при CV > 40 % [2].
Результаты исследований и их обсуждение
Листья изученных видов простые, цельные, цельнокрайные, сидячие, расположены накрест-супротивно, иногда в верхней части стебля - в очередном порядке. Форма листьев варьирует от линейной (Ph. subulata) до овально-ланцетовидной (Ph. paniculata) (табл. 1). По размерам листьев можно выделить 2 группы: с мелкими (Ph. amoena, Ph. divaricata и Ph. subulata) и крупными (Ph. maculata и Ph. paniculata) листьями. Самыми мелкими листьями обладает Ph. subulata (1,85×0,25 см), проявляющий ксерофитно-гелиофитные признаки. Размеры листьев Ph. paniculata значительно варьируют в зависимости от сортовой принадлежности (коэффициент вариации > 20 %).
Таблица 1
Морфометрические характеристики листьев изученных видов
|
Вид |
Форма листьев |
Длина листьев, см |
Ширина листьев, см |
Характер опушения пластинки листа |
|
CV, % |
CV, % |
|||
|
Ph. amoena |
Линейно-ланцетовидные |
2,46 ± 0,18 |
0,60 ± 0,03 |
С двух сторон |
|
17,68 |
11,20 |
|||
|
Ph. divaricata |
Ланцетовидные |
3,07 ± 0,08 |
1,10 ± 0,08 |
По краю листа, на абаксиальной стороне вдоль срединной жилки |
|
7,21 |
20,33 |
|||
|
Ph. maculata |
От линейно-ланцетовидных до ланцетовидных |
8,63 ± 0,26 |
2,32 ± 0,11 |
По краю у основания листа, на абаксиальной стороне по срединной жилке |
|
13,54 |
20,32 |
|||
|
Ph. paniculata |
Овально-ланцетовидные |
7,77 ± 0,40 |
2,52 ± 0,13 |
По краю листа, характер и степень опушения пластинки варьирует в зависимости от сорта |
|
22,39 |
21,98 |
|||
|
Ph. subulata |
Линейные, заостренные |
1,85 ± 0,15 |
0,25 ± 0,05 |
По краю у основания листа* |
|
11,47 |
18,28 |
Примечание. * – рассмотрены листья только вегетативных побегов.
Листья всех видов имеют опушение; общим является наличие по краю листа многоклеточных трихом, образующих подобие реснитчатого края, при этом характер их распределения различается по видам.
Листья Ph. amoena и Ph. subulata в поперечном сечении треугольно-серповидные, вогнутые на адаксиальной стороне и выпуклые на абаксиальной в районе центральной жилки. Листья Ph. divaricata имеют более выровненную форму в поперечном сечении. Толщина листа флоксов прелестного и растопыренного в районе центральной жилки меньше, чем в средней части листа между жилкой и краем, что связано со слабым развитием проводящего пучка и развитой хлоренхимой (табл. 2, 3).
Таблица 2
Анатомические характеристики листовых пластинок флоксов
|
Вид |
Толщина листа, мкм |
Размеры клеток верхнего слоя мезофилла, мкм |
Число слоев |
|||
|
Центральная жилка |
Пластинка листа |
Длина |
Ширина |
СМ |
ГМ |
|
|
Ph. amoena |
596,91 ± 7,25 |
630,41 ± 5,56 |
77,28 ± 1,52 |
30,59 ± 0,84 |
2 |
5 |
|
CV, % |
6,08 |
4,41 |
9,82 |
13,80 |
||
|
Ph. divaricata |
286,81 ± 2,59 |
336,54 ± 3,05 |
42,36 ± 0,79 |
23,60 ± 0,99 |
2 |
5 |
|
CV, % |
4,52 |
4,53 |
9,38 |
20,88 |
||
|
Ph. maculata |
868,66 ± 4,94 |
383,71 ± 20,65 |
83,71 ± 2,79 |
22,04 ± 0,73 |
2 |
8 |
|
CV, % |
2,84 |
26,91 |
16,66 |
16,48 |
||
|
Ph. paniculata |
522,09 ± 2,93 |
185,11 ± 7,49 |
34,68 ± 0,68 |
17,57 ± 0,68 |
1–2 |
5–6 |
|
CV, % |
2,81 |
20,24 |
9,83 |
19,34 |
||
|
Ph. subulata |
709,83 ± 2,75 |
421,93 ± 4,46 |
34,31 ± 1,00 |
23,04 ± 0,65 |
2–3 |
5–7 |
|
CV, % |
1,94 |
4,46 |
14,51 |
14,06 |
||
Примечание. СМ – столбчатый мезофилл, ГМ – губчатый мезофилл.
Листья Ph. maculata и Ph. paniculata ровные, в середине листа несколько серповидно-изогнутые, на абаксиальной стороне имеется четко выступающая центральная жилка, толщина листа в районе которой, в отличие от предыдущих видов, в 2–3 раза превышает толщину пластинки листа. Данный факт обусловлен сильным развитием центрального проводящего пучка (табл. 3), а также наличием тяжей колленхимы, в совокупности образующих ребра жесткости.
Таблица 3
Характеристика проводящих пучков
|
Вид |
Площадь поперечного сечения, мкм2 |
Отношение площади поперечного сечения ксилемы к флоэме |
|
Ph. amoena |
5234,81 ± 107,35 |
0,87 ± 0,03 |
|
CV, % |
10,25 |
14,52 |
|
Ph. divaricata |
9180,86 ± 301,06 |
0,88 ± 0,03 |
|
CV, % |
16,40 |
16,5 |
|
Ph. maculata |
86157,44 ± 3130,63 |
2,63 ± 0,09 |
|
CV, % |
18,17 |
17,3 |
|
Ph. paniculata |
38548,79 ± 869,98 |
0,85 ± 0,03 |
|
CV, % |
11,28 |
17,29 |
|
Ph. subulata |
12112,95 ± 263,50 |
1,08 ± 0,03 |
|
CV, % |
10,88 |
15,7 |
Мезофилл изученных видов дорсовентральный, однако у Ph. amoena и Ph. subulata нижний слой губчатого мезофилла образует подобие палисадного, в результате мезофилл напоминает изолатеральный. Клетки нижнего слоя достоверно мельче, чем клетки верхнего слоя мезофилла; средняя длина составляет 30,41 ± 0,62 мкм (CV = 10,15 %), ширина – 20,88 ± 0,64 мкм (CV = 15,40 %), t-value = 3,33 при df = 48, p = 0,002 (данные приведены для Ph. subulata).
Мезофилл листа имеет от 7 до 10 слоев клеток независимо от толщины листа, при этом число слоев столбчатого мезофилла незначительно варьирует от 1–2 у более мезофитных видов (Ph. paniculata) до 3 и более у ксерофитно-гелиофитных. Число слоев клеток столбчатого мезофилла по краям листьев Ph. subulata может достигать 4–5, занимая все пространство между краем листа и ближайшей к ней второстепенной жилкой, губчатый мезофилл в этой области не выражен, что в совокупности с мелкими размерами клеток столбчатого мезофилла (длина 34,31 ± 1,00 мкм) свидетельствует о гелиофитности вида. Под эпидермой Ph. amoena и Ph. subulata располагается гиподерма, являющаяся также отличительным признаком гелиофитов. Небольшие размеры клеток Ph. paniculata (длина 34,68 ± 0,68 мкм) в сочетании с малым числом слоев столбчатого мезофилла (1–2) и его слабой дифференциацией характеризуют вид как сциофито-мезофитный.
Общей особенностью изученных видов является наличие закрытых коллатеральных пучков. Ph. maculata обладает наиболее крупными пучками, площадь поперечного сечения которых более чем в 2 раза превышает соответствующий показатель у Ph. paniculata и от 7 до 16 раз превышает соответствующий показатель остальных видов. В пучке Ph. maculata большую площадь занимает ксилема (табл. 3), что отражает приспособление вида к активному ксилемному транспорту и усиленной транспирации, что соответствует его обитанию в условиях с достаточным увлажнением почвы. Число устьиц на 1 мм2 на нижней эпидерме у флокса пятнистого меньше, чем у остальных видов, за исключением Ph. paniculata (табл. 4), однако устьица постоянно открыты и являются самыми крупными среди изученных видов (длина 43,18 ± 0,52 мкм, ширина 31,88 ± 0,55). Ph. amoena, имеющий большее количество устьиц по сравнению с Ph. divaricata, Ph. paniculata и Ph. maculata, характеризуется обильным двусторонним опушением листьев и мелкими устьицами, сравнимыми по размерам с устьицами Ph. subulata, что следует считать ксероморфными признаками. Ph. subulata превосходит все остальные виды (до 3 раз) по числу мелких устьиц (длина и ширина которых примерно одинакова и составляет в среднем 24,13 ± 0,17 мкм), что отражает его адаптацию к условиям с неблагоприятным водным режимом и обеспечивает поддержание нормального водного баланса.
Таблица 4
Количественные характеристики эпидермальных структур
|
Вид |
Число эпидермальных клеток на 1 мм2 |
Число устьиц на 1 мм2 |
||
|
ВЭ |
НЭ |
ВЭ |
НЭ |
|
|
Ph. amoena |
363,52 ± 7,48 |
433,92 ± 8,12 |
70,40 ± 4,97 |
163,84 ± 6,93 |
|
CV, % |
10,28 |
9,36 |
35,33 |
21,15 |
|
Ph. divaricata |
411,52 ± 7,70 |
452,96 ± 13,10 |
0 |
149,76 ± 6,32 |
|
CV, % |
9,26 |
14,46 |
– |
21,11 |
|
Ph. maculata |
288,64 ± 5,50 |
245,12 ± 4,86 |
0 |
135,04 ± 3,56 |
|
CV, % |
9,53 |
9,92 |
– |
13,17 |
|
Ph. paniculata |
387,20 ± 8,76 |
377,60 ± 7,16 |
0,16 ± 0,16 |
108,16 ± 4,36 |
|
CV, % |
11,32 |
9,47 |
500 |
20,16 |
|
Ph. subulata |
479,36 ± 6,30 |
599,68 ± 17,94 |
118,72 ± 6,33 |
361,92 ± 12,21 |
|
CV, % |
6,57 |
14,96 |
26,63 |
16,87 |
Примечание. ВЭ – верхняя эпидерма, НЭ – нижняя эпидерма.
Для всех изученных видов характерен аномоцитный тип устьичного аппарата. Листья Ph. amoena и Ph. subulata являются амфистоматными, Ph. divaricata и Ph. maculata – гипостоматными. На адаксиальной стороне листа Ph. paniculata были отмечены отдельные единичные устьица (табл. 4), согласно некоторым авторам [6], данный вид можно отнести к «почти гипостоматным».
Устьица изученных видов могут немного выступать над поверхностью эпидермы или располагаются в ее пределах, только у Ph. maculata и Ph. subulata были отмечены как выступающие, так и немного погруженные (не более чем на 10 мкм) замыкающие клетки. Данный факт обусловлен особенностями выращивания растений в культуре с дополнительным искусственным поливом [7].
Боковые стенки эпидермальных клеток изученных видов извилистые в различной степени, клетки амебовидной формы. Эпидермальные клетки Ph. maculata и Ph. paniculata имеют более плавные изгибы, тонкие стенки, округлую форму и большие размеры (сциофитные признаки) по сравнению с Ph. amoena, Ph. divaricata и Ph. subulata, мелкие клетки которых вытянуты вдоль оси листа и имеют большое количество изгибов, амплитуда и частота которых непостоянна. Крайним случаем являются эпидермальные клетки Ph. subulata, боковые стенки которых имеют множество мелких изгибов и напоминают застежку типа «молния» (гелиофитные признаки).
Заключение
Изученные виды рода Phlox L. отличаются по комплексу анатомических и морфологических признаков строения листовых пластинок. Общими чертами являются дорсовентральные листья, закрытые коллатеральные пучки, 1–3-слойный столбчатый мезофилл, аномоцитный тип устьичного аппарата. Наиболее стабильными характеристиками анатомии листьев являются толщина листа в районе срединной жилки, длина клеток верхнего слоя мезофилла, число эпидермальных клеток, которые, наряду с особенностями строения мезофилла, проводящих пучков и характеристиками устьичного аппарата могут служить дополнительными диагностическими признаками при определении видов. В соответствии с анатомо-морфологическими особенностями листа виды подразделены на 3 морфотипа: преобладают мезофитные характеристики (Ph. maculata, Ph. paniculata); сочетают мезофитные и ксерофитно-гелиофитные признаки (Ph. divaricata); ксерофитно-гелиофитные (Ph. amoena, Ph. subulata). Полученные данные позволят разработать рекомендации культивирования в зависимости от их экологических особенностей и адаптационных возможностей.
Рецензенты:
Олонова М.В., д.б.н., профессор кафедры экологического менеджмента, ТГУ, г. Томск;
Бляхарчук Т.А., д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории биоморфологии и цитогенетики редких растений Сибирского ботанического сада, ТГУ, г. Томск.
Работа поступила в редакцию 21.03.2014.