Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. История изучения роста корня 9
1.1.1. Клеточные основы роста 9
1.1.2. Особенности роста корня и других вегетативных органов 11
1.1.3. Апикальная меристема корня (АМК) 11
1.1.4. Детерминированный рост корня 13
1.1.5. Ритмы пролиферации клеток в корнях 14
1.2. Воздушные корни 16
1.2.1. Виды воздушных корней 16
1.2.2. Анатомические особенности воздушных корней 19
1.2.3. Проблема происхождения воздушных корней 21
1.3. Явление роста с экологической точки зрения 21
1.3.1. Ассимиляция углерода у эпифитов 21
1.3.2. Функциональные признаки растений как ключ к пониманию экологии растений 24
1.3.3. Функциональные признаки эпифитов 28
1.4. Функциональная роль воздушных корней эпифитов 29
1.4.1. Объем и таксономический состав экогруппы эпифитов 29
1.4.2. Экоморфология и экофизиология эпифитов 32
1.4.3. Минеральное питание эпифитов 35
Глава 2. Материалы и методы 40
2.1. Объекты исследования 40
2.2. Измерение скорости роста 40
2.3.Изучение корней Monstera deliciosa 41
2.3.1. Изучение распределения роста по длине зоны растяжения 41
2.3.2. Мацерация коры корня 42
2.3.3. Электронная микроскопия коры корня 42
2.4. Анатомическая структура зоны роста 42
2.4.1. Приготовление постоянных препаратов 42
2.4.2. Изучение длин клеток в зоне роста 43
2.5. Функциональные признаки 44
2.6. Элементный анализ и изотопная масс-спектрометрия 44
2.7. Статистическая обработка 45
Глава 3. Результаты и обсуждение 46
3.1. Общая характеристика исследованных видов и их биоморфология 46
3.2. Скорость роста воздушных корней 70
3.3. Анатомическая структура зоны роста 72
3.4. Распределение удлинения клеток в зоне роста на срезах фиксированных корней 73
3.5. Функциональные признаки и их связь с параметрами роста воздушных корней 78
3.6. Анатомия и рост воздушных корней Monstera deliciosa 84
3.7. Агеотропные корни-улавливатели у гнездовых эпифитов 97
3.8. Общие особенности роста воздушных корней изученных видов в сравнении с субстратными 99
3.9. Экологическое значение особенностей роста воздушного корня 104
Заключение 106
Выводы 107
Список сокращений и условных обозначений 108
Список литературы 109
- Функциональные признаки растений как ключ к пониманию экологии растений
- Общая характеристика исследованных видов и их биоморфология
- Функциональные признаки и их связь с параметрами роста воздушных корней
- Общие особенности роста воздушных корней изученных видов в сравнении с субстратными
Введение к работе
Актуальность исследования. Для биологии последних десятилетий наметился устойчивый интерес к системным исследованиям тропических растений на стыке различных биологических дисциплин. Цель подобного рода работ очевидна — все возрастающий прессинг на тропические леса планеты почти не оставляет времени на их изучение, они быстрее исчезают, чем изучаются исследователями. Между тем, адекватные меры охраны биоразнообразия тропических местообитаний требуют, прежде всего, понимания биологических процессов, легших в основу их заселения теми или иными группами растений. Особенностью тропических лесов является их структурная сложность и наличие жизненных форм, почти отсутствующих в бореальном климате: лиан, стволовых полупаразитов, эпифитов. Последняя экогруппа достигает впечатляющего видового разнообразия и составляет 10% всех сосудистых растений (Kress, 1986).
Эпифитами (от греч. — «на» и — «растение») называются те растения, которые произрастают на других растениях, используя последние только в качестве опоры и субстрата, при этом не являясь паразитами. В широком смысле, эпифитами являются многие организмы: бактерии, грибы, водоросли, лишайники, мхи и сосудистые растения. Однако, говоря об эпифитах как о жизненной форме, как правило, имеют в виду именно сосудистые эпифиты. Это связано с одной стороны с тем, что они, в основной своей массе, гомойгидрические растения с определенными приспособлениями для эпифитного образа жизни (в отличие от пойкилогидрических бессосудистых эпифитных мхов и лишайников), с другой — именно сосудистые эпифиты составляют неотъемлемую часть тропических и субтропических формаций.
Среди специфических черт, свойственных цветковым эпифитам, выделяется особое видоизменение корня — воздушные корни. Роль субстратных корней обычных растений заключается в выполнении якорной функции, поглощении воды и элементов минерального питания. Воздушные же корни эпифитов растут вне почвы, поэтому их роль видоизменена, но недостаточно изучена. Еще на заре экспериментальной биологии было отмечено, что рост воздушных корней может существенно отличатся от роста субстратных корней растений (Went, 1895; Blaauw, 1912; Linsbauer, 1907). Было установлено, что зона роста у воздушных корней некоторых видов может достигать многих десятков сантиметров (Иост, 1914), что говорит о возможно другой организации процессов роста, по сравнению с обычными корнями. К сожалению, исследований роста воздушных корней эпифитов в новейшее время почти не проводилось, на сегодняшний день практически нет работ, где сопоставлялись бы экспериментальные данные о росте воздушных корней и их анатомическом строении в зоне роста, а также выявлялась связь между ростом корня и экологией эпифитов.
Изучение организации роста в воздушных корнях эпифитов и его связи с функциональными признаками, характеризующими особенности круговорота биогенных элементов в эпифитных сообществах (содержанием и изотопным составом азота и углерода, отношением С/N), может пролить свет на мало исследованную область функциональной роли корневых систем эпифитов.
Цель исследования — выявление закономерностей организации процессов роста в воздушных корнях цветковых тропических растений в связи с эпифитным образом жизни.
В задачи работы входило:
1) прямыми наблюдениями ex situ установить среднюю и относительную
скорости роста воздушных корней 20 видов цветковых эпифитов из 8 семейств;
2) изучить микростроение зоны роста и выявить морфологические
особенности организации апикальной меристемы корня и прилегающей зоны
растяжения воздушных корней на примере Monstera deliciosa;
3) исследовать рост и анатомические особенности воздушных агеотропных
корней у гнездовых эпифитов, а также их функциональную роль;
4) выявить основные функциональные признаки цветковых эпифитов и
оценить зависимость между ними и организацией ростовых процессов в их
воздушных корнях.
Научная новизна исследования. Фактическое изучение соотношения скоростей роста и деления клеток разных тканей воздушных корней цветковых эпифитов в контексте их экологии ранее не проводилось. Впервые получены данные о средней и относительной скорости роста для 20 видов цветковых эпифитов из 8 семейств. Данные семейства по числу видов доминируют среди цветковых эпифитов (Benzing, 1990; Kress, 1986), таким образом, настоящее исследование репрезентативно для цветковых эпифитов в целом. Детально изучено строение зоны роста у Monstera deliciosa, а также ряда других эпифитов и полуэпифитов. У воздушных корней впервые описана «единая зона роста». Разработана формула для вычисления средней скорости роста воздушного корня. По особенностям анатомического строения выделено 3 типа воздушных корней. Проведен анализ связи ряда параметров, характеризующих рост воздушных корней с такими функциональными признаками эпифитов, как удельная листовая поверхность живых листьев, удельная длина корней, содержание и изотопный состав азота и углерода в листьях и корнях. По параметрам роста воздушных корней и функциональным признакам выделено 3 экологических типа цветковых эпифитов. Показана экофизиологическая роль воздушных корней как особого биологического феномена.
Теоретическая и практическая значимость работы. Выполненная работа сводит воедино фрагментарные литературные данные по анатомии и экологии воздушных корней. Предложена оригинальная биоморфологическая классификация сосудистых эпифитов. Определенный вклад в фундаментальную ботанику вносит вывод о единообразной организации роста воздушных корней у представителей 8 семейств цветковых эпифитов. Впервые даны количественные оценки скорости роста воздушных корней и проведен клеточный анализ организации роста в зоне растяжения. Применение метода изотопного анализа (с выявлением содержания углерода 13C и азота 15N) позволяет быстро и однозначно диагностировать тип метаболизма не только растений в целом, но и их отдельных органов, которые могут иметь разный тип фотосинтеза. Полученные данные могут быть использованы в учебных курсах по анатомии, морфологии и физиологии растений и в учебных пособиях по этим дисциплинам.
Апробация работы и публикации. Материалы работы неоднократно были доложены и обсуждались на семинаре студенческого научного кружка на кафедре физиологии растений РГАУ-МСХА, семинарах отдела тропических и субтропических растений ГБС РАН, а также на заседаниях ученого совета ГБС РАН. Материалы представлены на всероссийской конференции, посвященной 80-летию со дня рождения Л.Н. Андреева (Москва, 2011), международной научной
конференции «Сохранение разнообразия тропикогенной и субтропикогенной флоры при интродукции» (г. Ярославль, 2012 г), научной конференции XIII-го съезда Русского Ботанического Общества (г. Тольятти, 2013 г), всероссийской конференции «Инновационные направления современной физиологии растений» (Москва, 2013), XI Международной конференции "Охрана и культивирование орхидей" (г. Нижний Новгород, 2018 г.). По теме исследований опубликовано 13 научных работ, 7 из которых - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК (4 из них - в журналах, индексируемых в WoS и/или SCOPUS).
Место и время проведения работы. Настоящая работа выполнена в течение 2011-2017 гг. Основной сбор материала проведен на базе живых коллекций тропических растений ГБС РАН. Окраска и изучение постоянных препаратов — в лаборатории физиологии корня ИФР РАН и лаборатории «гербарий» ГБС РАН. Исследование элементарного и изотопного состава растений — в Центре коллективного пользования при ИПЭЭ РАН.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 134 страницах печатного текста и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов и обсуждения, заключения, выводов, списка сокращений и списка литературы. Диссертация иллюстрирована 38 рисунками и содержит 9 таблиц. Список литературы включает 290 наименований, из которых 236 на иностранных языках.
Функциональные признаки растений как ключ к пониманию экологии растений
Функциональные (или эколого-морфологические) признаки растений (plant functional traits) - это ряд морфологических, физиологических или структурных черт растений, отражающих их экологические стратегии и определяющие степень реакции видов на факторы внешней среды (Елумеева и др., 2015; Cornelissen et al., 2003; Perez-Harguindeguy et al., 2013). Поэтому они пристально рассматриваются в современной науке при анализе структуры и динамики фитоценозов, в том числе в ответ на изменения климата (Soudzilovskaia et al., 2013). В зависимости от контекста и цели исследований, число функциональных признаков сильно варьирует, для широкомосштабных экологических исследований могут применяться до 28 функциональных признаков (Cornelissen et al., 2003). В рамках нашей работы нас интересует намного меньший круг функциональных параметров, тем более что подобные структурные исследований, во многом для эпифитов, находятся в зачаточном состоянии.
Рост с экологической точки зрения это - процесс инвестиции и перераспределения ассимилятов, и он связан с рядом экоморфологических и экофизиологических показателей, таких как: удельная длина корня, удельная листовая поверхность, содержание азота и углерода в корнях и листьях и рядом других (Зитте и др., 2007). Данные параметры в современной экологии растений часто рассматриваются, однако, в основном, для бореальных наземных растений (Edwards et al., 2005; Eissenstat, 1991; Eissenstat, Caldwell, 1988; Farrar, Jones, 2003; Fitter, 1985; Guo et al., 2004; Pregitzer et al., 1997; Roumet et al., 2008; Schippers, Olf, 2000; Shaver, Billings, 1975; Shipley et al., 2005; Smilauerova, Sniilauer, 2006; Theodose et al., 1996; Tjoelker et al., 2005; Wells, Eissenstat, 2001; Withington et al., 2006; и др.).
Функциональный состав признаков объясняет до 80% флористических различий, что показывает важную роль этих признаков для формирования состава растительных сообществ (Douma et al., 2012). Для горных условий показано снижение функционального разнообразия по сравнению с более благоприятными условиями (de Bello et al., 2013). Функциональное и филогенетическое разнообразие скоррелированы между собой (Mason et al., 2013), что особенно актуально для тропических местообитаний, отличающихся как богатством жизненных форм, так и биоразнообразием.
Средневзвешенные для сообществ величины, такого важного функционального признака, как удельная листовая поверхность (УЛП) и его варьирование, снижается при увеличении широты местности. В тропиках и по широтному градиенту отношение внутривидовой к межвидовой вариабельности отрицательно скоррелированы с видовым разнообразием сообществ (Hulshof et al., 2013). Внутривидовая (межпопуляционная) вариабельность содержания углерода в сухой биомассе, содержание сухого вещества, содержание азота в листьях и УЛП зависят от эдафических факторов и характера землепользования у наземных растений, но только содержание сухого вещества зависит от климата (количества осадков). Из всех изученных признаков, содержание углерода в сухом веществе листа показывает наименьшее число значимых связей с параметрами среды (связь только с количеством осадков) (Pakeman, 2013).
В тропических лесах (на примере лесов острова Хайнань) изучение связи почвенных и микроклиматических условий с функциональными признаками растений показывает, что ключевыми факторами, влияющими на функциональную структуру листопадного муссонного тропического леса, являются сомкнутость древесного полога, режим увлажнения и доступного азота в почве. В тропическом хвойном лесу – сомкнутость древесного полога и содержание доступного азота в почве, в тропическом низинном дождевом лесу – содержание доступного фосфора в почве, в тропическом горном дождевом лесу – сомкнутость полога и общее содержание фосфора в почве, в тропическом горном вечнозеленом лесу – рН, содержание органики и общий фосфор в почве, в тропическом горном низкоствольном лесу – содержание воды, рН, общий почвенный азот и фосфор (Jiang et al., 2016).
Всего 4-5 параметров достаточно для корректного отнесения до 85% растений к функциональным типам. Наиболее информативными признаками являются удельная длина корней, максимальная высота растений, площадь листьев. Следующими по важности – минимальная глубина укоренения, содержание азота и фосфора на массу листа, УЛП и интенсивность фотосинтеза (Verheijen et al., 2016).
В классическом исследовании R.H. Whittaker (1960) разнообразие травянистых растений уменьшалось от мезофитных (холодных, влажных, северных) склонов к более сухим (теплым, южным). На базе этих данных изучали 4 функциональных параметра (высота растений, УЛП, содержание воды в листьях и отношение C/N в листьях) и использовали их для расчетов 3-х метрик функционального разнообразия (функциональное богатство, выравненность и разброс). В соответствии с гипотезой физиологической толерантности было выявлено, что функциональное разнообразие было выше на мезофитных склонах. Гипотеза физиологической толерантности (Currie et al., 2004) предполагает, что в условиях достаточного поступления воды и солнечной энергии могут сосуществовать растения с широким спектром функциональных стратегий и большое число видов растений может сосуществовать в этих условиях. В то же время немногие виды могут быть устойчивы к более суровым условиям недостатка тепла и/или аридности. Функциональная выравненность не отражала функционального разнообразия, но функциональный разброс отражал. Причину наблюдаемых явлений объясняют длительной эволюцией большинства цветковых растений в условиях влажного и теплого климата Эоцена (Spasojevic et al., 2014).
Функциональные признаки редких и охраняемых видов растений, по сравнению с более распространенными родственными видами, имели меньшие размеры, цвели более короткий период времени, большая часть видов были самосовместимы и имели большую скорость разлета семян. Они чаще встречались в открытых местообитаниях на бедных почвах (Gabrielova et al., 2013).
Функциональные признаки растений (УЛП, содержание сухого вещества, высота вылета семян, распределение листьев и начало цветения) на уровне средневзвешенных величин для сообществ хорошо отражают интенсивность землепользования, часто лучше, чем показатели разнообразия (Pfestorf et al., 2013).
Индивидуальные функциональные признаки лучше описывают изменения условий среды по сравнению индексами, основанными на многих признаках (например, функциональное разнообразие). Отдельные признаки хорошо соответствовали положению сообществ на градиентах высоты и плотности почвы, а также были связаны с экосистемными функциями. Содержание углерода в почве увеличивалось с увеличением средневзвешенных значений плотности корней, а продукция – с увеличением диапазона и средней высоты растений (Butterfield, Suding, 2013). Таким образом, как мы видим, функциональные признаки описывают множество аспектов экологии растений: формирование сообществ, их флористический состав, степень антропогенного влияния, жизненные стратегии их участников.
Общая характеристика исследованных видов и их биоморфология
Биоморфологическая классификация, которой мы придерживаемся в данной работе, нами была предложена ранее (Еськов, 2012б) (Табл.3) призвана типизовать эпифиты по экофизиологическим требованиям и экоморфологическим особенностям, и вместе с тем показать все разнообразие морфологических приспособлений эпифитов (Еськов, 2012а). Как выше было показано, существующие классификафии линейны, соответственно предложены разные классификации для разных целей (Benzing,1990; Zotz, 2016), без попыток свести их воедино. Вместе с тем любое биологическое явление в онтологическом смысле обладает внутренним единством и чем полнее классификация отображает различные аспекты биологии, тем очевидным образом она точнее. Наиболее совершенной явилась бы иерархическая классификация, которая захватывала как экологические «вызовы» стоящие перед эпифитами, так и экофизиологические «ответы» на них, выразившиеся в конкретных биоморфологических моделях. М. Т. Мазуренко, А. П. Хохряков (2010), сделавшие в своей знаменитой статье опыт аналитического обзора российской биоморфологии, замечают, что основным объектом биоморфологии высших растений стал побег – “cormus”. Такой, механистически - модульный подход неизбежно сосредотачивается на видоизменениях гомологий осевых органов. Подобный подход не очень применим к эпифитам как экогруппе, хотя бы потому, что подавляющее их большинство - многолетние травянистые растения, и типизация на основе морфологии побега малоинформативна с точки зрения познания их экологии. В сущности, эпифиты представляют довольно уникальный биоморфологический объект, когда сравнительно однотипные группы растений (травянистые из немногих семейств в большинстве своем) в довольно узких экологических рамках развивают впечатляющее биоразнообразие (Еськов, 2011; 2012а; 2013) и способны активно влиять на вмещающие их биоценозы (Еськов, Дубовиков, 2015; Abakumov et al., 2018). Ниже описаны исследованные виды с точки зрения их биоморфрологической принадлежности и характера выполненных исследований (Табл. 4).
Rhipsalis mesembryanthemoides Haw.
Данный вид является одним из типичных эпифитных представителей семейства Cactaceae. Эпифиты занимают 10% видового разнообразия всех катсусов, причем эволюция эпифитных кактусов происходила сравнительно недавно (Calvente et al., 2011). Как и у всех кактусов, у рипсалисов почти полностью редуцированы листья, фотосинтетические ткани сосредоточены в стеблях, поэтому биоморфологически они принадлежат к стеблевым суккулентным эпифитам (Еськов, 2012б). Метаболизм для всех рипсалисов САМ типа (Kluge, Ting, 1978). R. mesembryanthemoides распространен в Бразилии, штат Рио-де-Жанейро, в низинных лесах. Легко образует многочисленные, тонкие, свисающие воздушные корни. Было исследовано три экземпляра одного клона (инвентарный номер образца 0000.07312 коллекции живых растений Фондовой оранжереи ГБС РАН, происхождение неизвестно). У данного вида были исследована скорость роста и функциональные признаки (Табл. 5), а так же проанализирован характер линейного прироста клеток в зоне растяжения (Рис. 1–2). Подробнее результаты исследованния рассмотрены ниже.
Ficus formosana Maxim. Этот вид - представитель многочисленной биоморфологической группы полуэпифитов - душителей (Еськов, 2012б). Для него характерно начало жизни в роли эпифита, после достижения корнями земли, происходит их утолщение, оплетение многочисленными придаточными корнями форофита и его постепенное «удушение». Душитель получает конкурентное преимущество по сравнению с близлижащими деревьями, сразу становясь деревом первого яруса и имея сложный «ствол» образованный утолщенными, сросшимися и переплетенными корнями бывшего эпифита, достигшими земли (Benzing, 1990). Данная жизненная стратегия достаточно характерна для рода Ficus (Moraceae). F.formosana произрастает во влажнотропических лесах Южного Китая и Северного Вьетнама. Был исследован один взрослый экземпляр, «удушающий» семиметровый экземпляр Antiaris toxicaria Lesch, растущий в открытом грунте в Новой фондовой оранжерее ГБС РАН (№ 0000.09164, происхождение неизвестно). У данного вида были исследована скорость роста и функциональные признаки (Табл. 5), а так же проанализирован характер линейного прироста клеток в зоне растяжения (Рис. 3–4). Подробнее результаты исследованния рассмотрены ниже.
Hydnophytum formicarium Kurz., Myrmecodia tuberosa Jack Данные виды и систематически и экологически близки и представляют собой высокоспециализированные представители экобиоморфы мирмекофильных стеблевых эпифитов (Еськов, 2012б) подтрибы Hydnophytinae семейства Мареновые (Rubiaceae), включающей пять родов (Chomicki, Renner, 2017), распостраненных в Ю-В.Азии и Австралазии. Для этих растений характерны каудесоподобные домации (полые образования мирмекофильных растений, предназначенные для поселения муравьев), вызванные разрастанием гипокотиля. Это явление не специфично и происходит вне зависимости от наличия или отсутствия муравьиной колонизации. Более того, показано, что неспецифичность симбиоза с муравьями является для группы исходной, хотя и утрачивалась в ходе эволюции 12 раз (Chomicki, Renner, 2017). При этом 13 раз возникший (включая существующий) мутуализм с муравьями ограничивается почти полностью родом Philidris (Chomicki et al., 2017). У большинства видов подтрибы домации имеют снаружи ребра или бугры, заканчивающиеся в ряде случаев шипиками. Судя по всему, эти «шипы» -видоизмененные воздушные корни, т.к. довольно часто они начинают расти по направлению к блоку и при соприкосновении с ним, дают придаточные корни. Мы изучили 4 экземпляра (по 2 каждого вида, № 2015.11072 и № 2015.11328), привезенных нами из Южного Вьенама (о. Фу-Куок) и о. Борнео. У данных видов была исследованы скорость роста и функциональные признаки (Табл. 5). Подробнее результаты исследованния рассмотрены ниже.
Hoya carnosa (L.f.) R.Br., Dischidia nummularia R.Br. Эти два типичных для тропиков Ю-В. Азии вида являются представителями двух близкородственных родов, представляющих, судя по всему, в филогенетическом смысле единую кладу и не очень четко отличающихся друг от друга (Wanntorp, Kunze, 2009). Оба вида принадлежат к экобиоморфе эпифитных лиан (Еськов, 2012б). Они легко образуют тонкие и достаточно короткие воздушные корни в междоузлиях, с помощью которых прикрепляются к субстрату. Оба вида имеют САМ-метаболизм (Martin et al., 2009; Winter et al., 1983). Мы изучили 2 экземпляра (по 1 каждого вида), привезенных нами из экспедиций (№ 2015.10974, № 2015.10997, Nat: Ю.Вьетнам, о. Фу-Куок). У данных видов были исследованы скорость роста и функциональные признаки (Табл. 5). Подробнее результаты исследованния рассмотрены ниже.
Hedychium bousigonianum Pierre ex Gagnep.
Вид представляет собой один из немногочисленных эпифитных представителей семейства имбирных (Zingibiraceae) и широко распространен в лесах Южного Вьетнама, в частности, в национальном парке Кат-Тьен (Кузнецов, Кузнецова, 2011). В экобиоморфологическом смысле принадлежит к группе «гнездовых» эпифитов (Еськов, 2012б). Это крупный эпифит, растущий в развилках ветвей и собирающий значимые массы «подвешенной» почвы в своем «гнезде». Воздушные корни очень толстые (до 5 мм), белые, не свисающие, ветвятся по поверхности коры дерева или блока, врастая в субстрат эпифитного «гнезда», легко дают множество более тонких придаточных корней. Мы изучили один крупный экземпляр, привезенный нами из Южного Вьенама (Nat: Кат-Тьен, № 2015.11175). У данного вида были исследованы скорость роста и функциональные признаки (Табл. 5). Подробнее результаты исследованния рассмотрены ниже.
Функциональные признаки и их связь с параметрами роста воздушных корней
Важнейший показатель, характеризующий тип метаболизма растений - содержание тяжелых изотопов углерода 13C, был нами использован для того, чтобы выяснить, каким типом метаболизма характеризуются экспериментальные виды растений.
Орхидные. Оказалось, что все исследованные орхидные, кроме двух видов (Stanhopea tigrina и Grammatophyllum speciosum) являются САМ-метаболитами (Табл. 5). Но непосредственной связи между скоростью роста корней и типом фотосинтеза мы не обнаружили. Так, САМ-метаболит Guarianthe skinneri имела большую скорость роста корня, чем С3-метаболит Stanhopea tigrina, хотя считается, что вегтативные органы САМ-растений растут медленнее. Однако мы обнаружили другой интересный аспект, связанный с различными изотопными показателями в листьях и корнях. Показатель 13С у корней Stanhopea tigrina, Grammatophyllum speciosum имели величины -14,5 и -14,4 соответственно, что говорит о наличии САМ в корнях этих видов, в отличие от листьев, которым судя по изотному составу углерода, свойственен С3-фотосинтез. Таким образом, если сравнивать изотопный состав углерода корней и листьев, всем корням исследованных видов эпифитных орхидных свойственен САМ, а листьям не всем.
УЛП (сух) существенно различалось, колеблясь от 38 см2/г у Cymbidium finlaysonianum до 156,3см2/г у Grammatophyllum speciosum, что скорее всего связано с различной степенью суккулентности листа у САМ метаболитов (Cymbidium finlaysonianum) и С3-метаболитов (Grammatophyllum speciosum).
УДК колебалась от 96,5 см/г у Neofinetia falcata до 388,2 см/г у Cymbidium finlaysonianum. Обводненность листьев колебалась от 78% Neofinetia falcata до 88% у Cymbidium finlaysonianum, тогда как у корней от 61% у Guarianthe skinneri до 84% у Neofinetia falcata (Табл.5).
Содержание азота в корнях и листьях имело тенденцию к увеличению при уменьшении тяжелого углерода (то есть при переходе от САМ к С3). Так, у видов с повышенной величиной 13С в листьях и корнях сопоставимые значения содержания азота в этих органах соответственно: Guarianthe skinneri – 0,6% и 0,8%; Cymbidium finlaysonianum – 0,7% и 0,5%; Neofinetia falcata – 0,8% и 0,8%. Тогда как у Grammatophyllum speciosum содержание азота в листьях 1,8%, а в корнях 0,7%; у Stanhopea tigrina – 1,7% и 0,6%, соотвественно. Такая же тенденциях свойственна и эпифитам других групп, в среднем, содержание азота (выраженная как в %, так и в С/N) явственно ниже у эпифитов с САМ, чем у С3.
Сравнение содержания углерода корней и листьев дает представление об экофизиологической «стоимости» органа, с точки зрения инвестиций в него продуктов фотосинтеза. Содержание углерода в листьях и корнях эпифитных орхидных различалась незначительно, имея тенденцию к увеличению углерода в органах при переходе от суккулентных к гнездовым видам. Наибольшая разница была у типичного гнездового эпифита Cymbidium finlaysonianum - вида с самым большим содержанием тяжелого углерода в корнях (Рис. 29).
Ароидные. УЛП (сух) ароидных сравнительно высокая и составляла 153-315 см2/г. УДК имела невысокие величины и колебалась от 31,3 см/г у Monstera deliciosa до 204,5 см/г у Anthurium gracile. Листья у исследованных ароидных сравнительно тонкие и малосочные, содержание воды в тканях листа 78-86%, при этом влажность корней несколько выше (92-94%). Всем исследованным видам ароидных свойственен С3 фотосинтез: 13С в листьях колеблется от -22,4±6,5 у Anthurium gracile, до -32,1±0,7 у Monstera deliciosa. 13С корней отличалась незначительно. С/N как корней, так и листьев показывает большое удельное содержание азота в тканях (Табл. 5). Для всех четырех видов ароидных свойственны большее содержание углерода в листьях чем в корнях (Рис.29).
Бромелиевые. У всех трех экспериментальных видов бромелиевых величина 13С указывает на наличие САМ. УЛП (сух) довольно низкая, и не превышала 121,4 см2/гр. Сравнительно тонкие корни эпифитных бромелиевых имели низкую УДК, что говорит об их плотности (Табл. 5). У изученных видов семейства корни содержат больше тяжелого углерода, чем листья (Рис. 29). Изотопный состав углерода корня практически полностью соответствовал изотопный состав углерода листьев (Табл. 5), что очевидно говорит об отсутствии заметной фотосинтетической активности в корнях.
УДК в воздушных корнях видов остальных семейств имела различные величины. Наибольшая УДК была выявлена у вида с наиболее тонкими корнями - Rhipsalis mesembryanthemoides (Табл. 5). Содержание тяжелого азота в корнях и листьях довольно низкое, максимального значения достигало в листьях полуэпифита-душителя Ficus formosana (2,74%). У большинства видов показана значимая разница в содержании азота в корнях и листьях. Содержание тяжелого углерода в конях и листьях также различалось у разных видов, большинству эпифитов с бльшим содержание углерода в корнях свойственны листья с меньшим его содержанием, наконец, ряду видов свойственно одинаковое содержание углерода в корнях и листьях (Рис. 29).
В результате проведенного анализа были выявлены следующие тенденции. Величина 13C служит хорошим диагностическим признаком типа метаболизма, все исследованные виды делятся на две группы: у 10 видов с САМ среднее значение 13C = -12,9, у 10 видов с С3 среднее значение 13C = -28,9. У двух видов орхидных (Grammatophyllum speciosum, Stanhopea tigrina) существенно отличался 13C в листьях (-30,7 и -29,6, соответсвенно) и корнях (-14,3 и -14,4, соответственно), что говорит о разных путях метаболизма в разных органах и согласуется с литературными данными (Rodrigues et al., 2013). Хотя для указанных видов описано впервые.
УЛП (сух) отличалась на порядок и варьировала от 38 см2/г у Cymbidium finlaysonianum до 336,2 см2/г у Hedychium bousigonianum. Этот параметр явственно связан с изотопным составом углерода: так, у видов с повышенным значением 13C (САМ-эпифиты) среднее значение УЛП составило 65,4 см2/г, у видов с пониженным значением 13C среднее значение УЛП - 203,2 см2/г.
Содержание азота (выраженное как в % N, так и в C/N) в таканях САМ-эпифитов намного меньше чем у С3-эпифитов: так, содержание азота составило 0,6% и 1,6%, а отношение C/N — 72,4 и 31,1, соотвественно.
Эти параметры коррелируют с ростом воздушных корней изученных видов (Табл.7). Так, средняя скорость роста положительно скоррелирована с УЛП (вл.) и более слабо отрицательно с УДК. По всей выборке наблюдается достаточно выраженная обратная зависимость между скоростью роста корня и величиной 13С в листьях (r= - 0,69) и корнях (r= -0,71). Это говорит о том, что растения с более тонкими и менее сочными листьями, и тонкими корнями быстрее растут. Причину этого показывает корреляция роста с 13C в корнях и листьях. Растения, обогащенные 13C, медленнее растут, а так как наличие САМ предполагает определенную ксероморфную морфологию растения, в частности, повышенную «сочность» мезафилла листа, что также выражено в показателях УЛП. Более «низкая» цена корня связана с более быстрым ростом, содержание тяжелого углерода и азота в корнях связано обратной зависимостью (r = -0,5), тогда как в листьях прямой (r = 0, 23) (Табл.7).
В целом, средняя величина УДК эпифитов составила 3,5 м/г, что намного меньше описанных величин для многих наземных растений. Так, у двудольных травянистых альпийских растений удельная длина корней составляла 125,4 м/г, однодольных - 134,8 м/г (Салпагарова и др., 2013), для бореальных древесных растений УДК сильно варьирует, в зависимости от толщены корня, однако, почти во всех случаях намного превышала 20 м/г (Ostonen et al., 2007). Тогда как среди изученных нами видов подобная величина оказалась свойственна только виду с наиболее тонкими корнями - Rhipsalis mesembryanthemoides (УДК = 20, 7 м/г). Это говорит о том, что в подавляющем большинстве воздушные корни эпифитов намного толще субстратных корней наземных растений. Тот факт, что УДК воздушных корней эпифитов в среднем намного ниже УДК наземных растений, свидетельствует о сниженной всасывающей функции первых. Кроме того, растения с высокой УДК образуют более «дорогие» корни, тратя на их построение больше углерода и более «дешевые» листья (Табл.5).
Общие особенности роста воздушных корней изученных видов в сравнении с субстратными
В корнях проростков сельскохозяйственных культур и арабидопсиса, обычно изучаемых физиологами растений и цитологами, четко видна граница между меристемой и зоной растяжения, более резкого изменения средней длины клеток с удалением от кончика (Ivanov, Dubrovsky, 2013). В воздушных корнях такой резкой зависимости нет и в коре, и в ризодерме. В коре большая часть митозов сосредоточена в апикальной части корня, однако, в ряде случаев они распостраняются намного дальше. Таким образом, правильнее говорить о единой зоне роста у воздушных корней (Рис. 38)
На основе полученных нами данных можно обозначить следующие тенденции, характеризующие рост воздушного корня цветковых эпифитов:
1) рост клеток коры и ризодермы происходит прямо пропорционально их расстоянию от кончика корня;
2) длина зоны растяжения прямо пропорциональна скорости роста, что подтверждается прямыми корреляциями параметров, характеризующих рост корня (Табл. 9);
3) у воздушных корней всех исследованных видов с не редуцированной меристемой наблюдается принципиально одна и та же схема роста, при которой нет скачка относительной скорости роста с переходом к растяжению. Мы назвали эту зону «единой зоной роста». Она отличается от таковой у наземных корней, для которой свойственен резкий скачок роста при переходе к растяжению (Иванов, 1974; 2011).
Кроме того, говоря о митозах в воздушных корнях, необходимо сделать существенную оговорку. При конечной длине клеток коры и ризодермы, в среднем, в 100-150 мкм, скорость роста корня эквивалентна приросту менее 1 клетки в ряду в час у большинства видов. Кроме быстрорастущих полуэпифитов, скорость образования клеток в коре у эпифитов составляла от 0,06±0,01 до 0,67± 0,08 клетки в час (Табл. 6). Это свидетельствует о наличии любопытной особенности у медленно растущих видов (например, у орхидных): митозы визуально на срезах наблюдаются мало, что говорит о крайне медленных митотических циклах. Выводы о митотической активности в тканях зоны растяжения мы делаем, исходя из морфологии ядер: ядра пролиферирующих клеток ярче окрашиваются нуклеиновыми красителями (Рис. 27) и не имеют ядрышек, кроме того, в ряде случаев наблюдается уменьшение длин клеток, очевидно связанные с делением (Рис. 10; 33б). Кривые изменения средней длины клеток коры на протяжении зоны растяжения в воздушных корнях принципиально отличаются от таких же кривых для обычных корней. В этих корнях длина клеток коры очень резко возрастает с началом зоны растяжения, средняя длина клеток увеличивается в гораздо большей степени, чем расстояние клетки от кончика корня (Иванов, 1974). В корнях М. deliciosa длины клеток коры увеличиваются прямо пропорционально их расстоянию от кончика. Это означает, что в них нет скачка относительной скорости роста с переходом к растяжению. Это несложно заметить даже визуально (Рис. 34-36; 38). Обратим внимание, что такое же явление наблюдается в меристеме корней однодольных растений для клеток метаксилемы (для клеток других сосудов оно не изучено). Так, например, в корнях кукурузы, лука и пшеницы на протяжении меристемы длины клеток метаксилемы после окончания митозов (гораздо ближе к кончику корня, чем в других тканях), растут прямо пропорционально их расстоянию от кончика корня (Иванов, 1974).
После начала растяжения длины этих клеток начинают расти значительно быстрее. Таким образом, клетки метаксилемы уже не делятся на протяжении базальных двух третей меристемы, но вряд ли правильно сказать, что они растягиваются, хотя иногда так говорят (Dello Ioio et al., 2007) потому, что они растут с очень низкой относительной скоростью.
Особенности клеточной организации роста воздушных корней и обычных корней существенно различаются. В корнях большинства исследованных растений зона роста мала, меристема и зона растяжения резко разделены, делятся только меристематические клетки.
Относительная скорость роста высокая и у меристематических клеток она даже выше, чем у большинства растягивающихся клеток других органов. У растущих клеток корней относительная скорость роста в несколько раз выше, чем у меристематических. Продолжительность митотических циклов у большинства видов 10-15 ч, а растяжения 6-15 ч. Время жизни клеток в меристеме не превышает нескольких суток. Таким образом, для корней характерна быстрая смена растущих клеток, и длительное поддержание роста обусловлено делениями инициальных клеток. В отличие от корней, в надземных органах продолжительность прохождения клетками меристемы и зоны растяжения значительно длиннее. В разных органах есть различия в организации роста на клеточном уровне, но указанные особенности организации роста корня и наземных органов на клеточном уровне четко выявляются (Иванов, 2011).
По нашим данным, в воздушных корнях рост на клеточном уровне происходит по-другому. Длины зоны растяжения сильно варьирует, но относительная скорость роста остается похожей, что говорит об одинаковой схеме роста. Клетки делятся не только в меристеме, но и на протяжении значительной части зоны растяжения, особенно клетки ризодермы и перицикла. В отличие от большинства корней, в воздушных корнях нет скачка относительной скорости роста при переходе меристематических клеток в зону растяжения. Поэтому на протяжении этой зоны длина делящихся клеток растет прямо пропорционально их удалению от кончика корня, тогда как в обычных корнях наземных растений на протяжении зоны растяжения длина клеток растет значительно быстрее, чем их расстояние от кончика корня. Средняя относительная скорость роста растягивающихся клеток в воздушных корнях 0,026 час -1, то есть гораздо ниже относительной скорости роста не только растягивающихся, но и меристематических клеток в обычных корнях. Именно поэтому растягивающиеся клетки в воздушном корне могут делиться, и соотношение размеров клеток разных тканей, которое в обычных корнях закладывается в меристеме, может меняться в ходе растяжения. Низкая относительная скорость растяжения позволяет дифференцироваться растягивающимся клеткам. Продолжительность роста клеток растяжением в воздушных корнях - более недели, что во много раз больше, чем в обычных корнях. Таким образом, на клеточном уровне рост воздушных корней сходен с ростом междоузлий, листьев двудольных и сочных плодов, в которых деления могут продолжаться во время растяжения и клетки растут с гораздо меньшими относительными скоростями, чем в корнях (Иванов, 2011). Низкая относительная скорость роста клеток коры во время растяжения делает возможным одновременное деление не только в других тканях (ризодермы), но, в отдельных случаях, клеток коры и стелы. Это делает крайне интересным вопрос о механизмах регуляции таких разнородных процессов, как рост и деление в одной и в соседствующих тканях.
Возникает вопрос: а не является ли данный тип роста характерным только для воздушных корней с длинной зоной растяжения, свойственным таким растениям, как М. deliciosa? Скорость и длина клеток не могут экспоненциально расти на таком огромном участке, как длина зоны роста у М. deliciosa только линейно, иначе клетки бы достигали огромных размеров, а из-за больших скоростей роста не могли бы делиться. Но тот факт, что у большинства воздушных корней изученных нами видов похожие относительные скорости роста, говорит об одинаковой схеме роста, что подтверждается исследованиями продольных срезов зон роста.
Необходимо отметить, что наличие иной схемы роста, схожей не с ростом корней, а с ростом междоузлий, листьев двудольных и сочных плодов, делает невозможным применение полного математического клеточного анализа, традиционно применяемого к корням. В частности, формульного высчитывания митотических циклов, основанного на разделении во времени и последовательности фаз деления и растяжения, что в воздушных корнях отсутствует. Рост воздушных корней во многом копирует их смешанную функциональную роль.
Характерной особенностью корня М. deliciosa и других исследованных видов является наличие крупных полицитов, которые могут ветвиться. В корне М. deliciosa число полицитов возрастает с увеличением толщины корня. Также предполагается наличие скользящего (интрузивного) роста у полицитов, когда пролиферирующие клетки и новые клеточные ряды могут внедряться в межклеточные пространства. Если есть скользящий рост у полицитов, что требует еще дополнительного подтверждения, то это довольно неожиданный пример его проявления, ведь традиционно считается, что он свойственен индивидуальным клеткам: камбиальным инициалям, первичным и вторичным волокнам, трахеидам, трихосклереидам и некоторым другим клеткам