Сравнительно-анатомический анализ листовых пластинок некоторых представителей рода Festuca L.

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный университет» Институт естественных наук Кафедра биологии Майоров Сергей Александрович Сравнительно-анатомический анализ листовых пластинок некоторых представителей рода Festuca L. По направлению подготовки бакалавра 020400.62 «Биология» Научный руководитель к.б.н., доц. каф. Биологии Горемыкина Е.В. «Работа допущена к защите» Заведующий кафедрой: д.б.н., профессор Сагалаев В.А.______ « « ______ 2015г. Волгоград 2015

СОДЕРЖАНИЕ Оглавление ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 3 Глава 1. Обзор литературы ................................................................................. 6 1.1. Общие особенности строения склерофитов ............................................ 6 1.2. Особенности жизненных форм злаков. .................................................... 8 1.3. Морфолого-анатомические особенности листьев злаков. ..................... 9 1.4. Анатомические особенности листовых пластинок овсяниц. ............... 11 1.5. Характеристика объектов исследования. ............................................... 13 1.6. Приемы обработки листьев овсяниц ...................................................... 15 Глава 2. Материал и методика. ........................................................................ 17 Глава 3. Результаты исследования .................................................................. 19 3.1. Овсяница валлисская ................................................................................ 19 3.2. Овсяница Беккера ..................................................................................... 28 3.3. Статистический анализ ............................................................................ 36 3.4. Сравнение методов фиксации материала............................................... 41 Заключение. .......................................................................................................... 43 Выводы .................................................................................................................. 47 Список использованной литературы .............................................................. 48 2

ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследования. Для определения злаков традиционно используются признаки генеративной сферы, в том числе анатомические признаки листовых пластинок генеративных побегов, как, например, в монографии «Злаки Украины» [12]. Однако цветение злаков может наступить на 3-8 году жизни, и до этого момента их определение по обычным ключам не представляется возможным. Существуют определители, использующие признаки вегетативных побегов [7], в том числе анатомические особенности их листьев [12, 20, 26]. При этом рассматривают только среднюю часть листовой пластинки. Существует дефицит сведений о структуре листовых пластинок выше и ниже средней части, а также о сезонной и экологической изменчивости анатомических особенностей листьев злаков, в том числе овсяниц. Детальное анатомическое исследование листьев вегетативных побегов овсяниц позволит выявить стабильные признаки, которые можно использовать в диагностических целях и, кроме того, даст возможность подобрать подходящий объект-склерофит из местной флоры, подходящий для изучения на практических занятиях по экологической анатомии растений. Объектами исследования являются два вида овсяниц: овсяница валлисская Festuca valesiaca Schleich. ex Gaudin и овсяница Беккера Festuca beckeri (Hack.) Trautv. Предмет исследования - анатомическая структура листовых пластинок двух видов овсяниц. Цель работы: выявление стабильных и изменчивых анатомических признаков листовых пластинок F. valesiaca и F. beckeri, а также оценка возможности использования этих объектов на занятиях по экологической анатомии. Задачи: 3

1. Выявить сезонную динамику анатомических особенностей листовых пластинок F. valesiaca. 2. Выявить изменчивость анатомической структуры внутри одного листа для обоих видов. 3. Выявить различия в анатомической структуре одного и того же листа в зависимости от способа фиксации материала Методологические основы исследования. В ходе выполнения дипломной работы применялись как общенаучные, так и частные методы исследования, методы анализа и синтеза. Проводилась системная работа по изучению работ и публикаций как отечественных, так и зарубежных исследователей. Все полученные эмпирические данные логически обобщались. Экспериментальные методы включали в себя статистическую обработку информации, методы сравнения и сопоставления, а также стандартные методы анатомического исследования растений (сбор материала, его обработка, приготовление временных препаратов). Эмпирическая база. В эмпирическую базу дипломной работы входят научные труды зарубежных и отечественных ученых по экологии, анатомии и систематике злаков. Научная новизна результатов исследования. В работе представлены эмпирические данные по строению листовых пластинок овсяниц в зависимости от периода вегетации и экологических условий, причём кроме средних исследованы также нижние и верхние участки пластинок. Практическая значимость. Результаты данного исследования можно использовать для разработки ключа для определения злаков Волгоградской области, а также при проведении занятий, посвященных склерофитам в курсе «Экологическая анатомия». Апробация результатов исследования. Результаты исследования представлены на Научной сессии ВолГУ (г. Волгоград, 2013, 2014 – работа 4

награждена дипломом III степени по направлению «Естественные науки», 2015 гг. – дипломом I степени по направлению «Естественные науки»), на XVIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (2013г.) – III место по направлению «Биология и география», 64-ой (2014 г.) (Победитель секции «Биология, экология и природопользование) и 65-ой (2015г.) Международной Студенческой научно-технической конференции при Астраханском Государственном Техническом университете. По материалам выступлений опубликован ряд работ [5, 6, 16, 17]. Структура работы: дипломная работа представлена на 50 страницах машинописного текста, включает в себя введение, три главы, заключение, список цитируемой литературы. В первой главе представлен анализ научных трудов отечественных и зарубежных авторов об особенностях строения склерофитов, анатомии их листовой пластинки, а также имеющиеся данные о строении листовой пластинки у исследуемых объектов. Вторая глава посвящена описанию методов сбора и обработки объектов исследования. В третьей главе представлены результаты исследований анатомических пластинок F. valesiaca и F. beckeri. Заключение содержит основные выводы, полученные в результате исследования анатомических пластинок. Список литературы содержит 28 источников отечественных и зарубежных авторов. 5

Глава 1. Обзор литературы 1.1. Общие особенности строения склерофитов Склерофиты – экологическая группа растений, относящаяся к ксерофитам, то есть к растениям, произрастающим в условиях водного дефицита. В отличие от суккулентов, основная жизненная стратегия которых состоит в запасании воды, склерофиты приспособились к активному ее добыванию [8]. Для этого у них имеется разветвлённая корневая система, способствующая максимальному использованию влаги почвы. Зачастую такие корни уходят на глубину нескольких метров [21]. Для склерофитов характерно высокое содержание осмотически активных веществ в клеточном соке, создающих мощную сосущую силу для извлечения труднодоступной почвенной влаги [10]. При отсутствии дефицита влаги устьица склерофитов открыты и растение активно транспирирует. Однако при недостатке воды, устьица закрываются, транспирация снижается либо полностью прекращается. Размещаются устьица, как правило, в небольших углублениях, на верхней стороне листа (у растений со сворачивающимися листьями). Высокая водоудерживающая способность склерофитов обуславливается также упругой деформацией клеточной стенки, за счет чего создается отрицательное давление внутри клетки (дополнительная сосущая сила), и высокой вязкостью, и эластичностью цитоплазмы, связанной с высоким содержанием слизей и дубильных веществ [14,25]. У склерофитов крайне высокая выживаемость даже после сильных (до 80%) потерь воды. Это связывают со способностью ферментов таких растений нормально функционировать даже в условиях сильной засухи [22]. Помимо активного поглощения воды из почвы, склерофиты характеризуются высокой скоростью проведения воды между различными частями растения. Это связанно с наличием густой сети жилок в листьях. У 6

представителей этой экологической группы транспирационная поверхность сокращена из-за наличия мелких, узких, редуцированных листьев, а у некоторых растений – из-за смены широких листьев узкими или из-за сбрасывания листьев в период засухи Сокращение поверхности испарения может происходить из-за сворачивания листовых пластинок, как у злаков. Эпидермальные клетки склерофитов мелкие, многоугольные за счет того, что сухость воздуха препятствует растяжению клеток при формировании листовых пластинок. У таких растений эпидерма может быть многослойной. Внешние стенки эпидермальных клеток утолщены, с хорошо развитой кутикулой, нередко присутствует опушение. Толстая кутикула сокращает кутикулярную транспирацию, а густое опущение препятствует движению воздуха, создавая вокруг растения тонкий слой воздуха с повышенным содержанием паров воды, что в свою очередь также снижает транспирацию. Условия дефицита влаги зачастую связанны с высокой степенью инсоляции, при этом волоски и кутикула отражают большую часть солнечной энергии, предотвращая перегрев. Мощное развитие лигнифицированных тяжей механической ткани способствует сохранению формы органов склерофитов. При большом дефиците влаги такие тяжи обеспечивают равномерное сворачивание листовой пластинки, вызванное потерей тургора пузыревидными и паренхимными клетками. Также, толстый слой склеренхимы защищает от избытка солнечной радиации, предотвращая проникновение излишнего излучения в мезофил [4]. Увеличение объёма склеренхимы в основании листовой пластинки у некоторых злаков способствует поддержанию листа в вертикальном положении [9], благодаря чему лист освещается максимально в утреннее и вечернее время, когда воздействие солнечной радиации менее губительно [24]. Среди склерофитов находятся представители разных семейств, в том числе многочисленные степные злаки. 7

1.2. Особенности жизненных форм злаков. Согласно И.Г. Серебрякову под жизненной формой следует понимать общий облик (габитус) определенной группы растений, возникающий в онтогенезе как результат роста и развития в определенных условиях среды. Деление растений на формы по его системе сходно с иерархической системой таксономии. Выделяют жизненные формы, объединение в более крупные единицы – группы, классы, типы, отделы жизненных форм. Согласно этой классификации, злаки входят в отдел наземных травянистых растений, в котором выделяют два типа: 1. Травянистые поликарпики – многолетние злаки. 2. Травянистые монокарпики – однолетние злаки. Поликарпические многолетние злаки относятся к классу несуккулетных трав, преимущественно к подклассу дерновых многолетников. Для представителей подкласса характерно отсутствия главного корня во взрослой стадии, корневая система из стеблеродных корней, ежегодно раскрывается несколько почек возобновления. В данном подклассе выделяется три группы: 1. Плотнокустовые. В основании каждого надземного побега имеется зона укороченных междоузлий, симподиальная система укороченных оснований побегов образует многолетнюю часть растения. Вегетативно почти неподвижны. 2. Рыхлокустовые. Есть выраженная плагиотропная часть, образующее недлинное горизонтальное корневище. 3. Длинокорневищные. Образуют крупные рыхлые куртины. Выраженная способность к вегетативному размножению. Некоторые злаки относятся к подклассу столонообразующих и ползучих, для которых характерен плагиотропный рост надземных укороченных побегов, ползучие побеги сохраняются несколько лет. 8

Однолетние злаки относятся к подклассу однолетних монокарпиков, делятся на группы длительно вегетирующих или эфемеров. Иной подход реализован в классификации, разработанной Т.Г. Серебряковой. В ее основе положено наличие или отсутствие укороченных междоузлий (розетки) у побегов злаков, как важного идентификатора эволюционной продвинутости представителей этой группы. Согласно классификации Т.Г. Серебряковой, все злаки делятся на безрозеточные и розеткообразующие. К безрозеточным относятся древесные и кустарниковые (рыхлокустовые, длинокорневищные, корневищно-кустовые, лиановидные), травянистые кустовые, многолетние клубневые, (рыхлокустовые, луковичные, корневищные, плотнокустовые, корневищно- назмено-ползучие, лиановидные), травянистые однолетники (прямостоячие, ползучие, вьющиеся). К розеткообразующим относятся травянистые многолетники (рыхлокустовые, корневищные, клубневые, корневищно-кустовые, луковичные), дерновинные, травянистые столонообразующие, однолетники (рыхлокустовые, плотнокустовые, наземно-ползучие). По мнению Т.Г. Серебряковой эволюция шла от безразеточных форм к разеткообразующим [23]. 1.3. Морфолого-анатомические особенности листьев злаков. Листья злаков существенно отличаются от листьев других покрытосемянных растений. У листьев генеративных побегов верхняя сторона листа может быть ровной, волнистой, или ребристой, в то время как нижняя сторона, как правило, имеет киль в области средней жилки. В строении эпидермы можно выделить несколько разных типов клеток: покровные длинные или короткие, пузыревидные клетки, клетки устьичного аппарата и трихобласты. У длинных клеток, вытянутых вдоль листовой пластинки, антиклинальные стенки зачастую извилистые. Наряду с длинными у некоторых злаков имеются короткие клетки, приобретающие 9 различные формы:

квадратные, округлые, овальные, седловидные. Другое их название – вставочные, могут содержать кремниевые тельца. Короткие клетки могут быть одинаковыми или парными. Если короткие клетки парные, то каждая пара обычно состоит из окременевшей и опробковевшей клетки [12]. Трихобласты образуют шиповидные волоски различной длины, на верхних и нижних сторонах листовой пластинки. Парацитный устьичный аппарат располагают продольными рядами по всей длине листовой пластинки. Средние и внутренние части клеточных стенок у замыкающих клеток утолщены. Пузыревидные клетки встречаются на верхней стороне листовой пластинки. Их основное отличие от основных эпидермальных клеток – более крупный размер. Роль пузыревидных клеток в сворачивании листа остается спорным вопросом. Некоторые авторы считают, что они способствуют разворачиванию развивающегося листа, а некоторые считают, что участвуют в сворачивании и разворачивании уже сформированного листа. Существует мнение, что эти клетки выполняю водозапасающую функцию [12]. По своему строению мезофилл всех злаков можно разделить на две группы – фестукоидный тип и паникоидный тип. Для фестукоидного типа характерно равномерное расположение клеток мезофилла, для паникоидного – расположение клеток мезофилла венцом вокруг проводящего пучка. Мезофилл может видоизменяться – терять способность к фотосинтезу, тем самым образуя участки с бесцветной паренхимой, как правило, в области средней жилки и по обеим сторонам от нее. Проводящие пучки у злаков коллатеральные, с 1-2 сосудами протоксилемы и парой широких сосудов метаксилемы. Под ксилемой располагается флоэма, состоящая из ситовидных трубок и сопровождающих 10

клеток. У фестукоидных злаков хорошо развита склеренхимная обкладка вокруг пучка, может образовываться и паренхимная обкладка. У некоторых злаков также могут встречаться мелкие пучки, состоящие из небольшого количества флоэмы и протоксилемы, чередующиеся с крупными пучками. Склеренхима может располагаться по краям листовой пластинки, субэпидермальными тяжами или сплошным слоем под верхней и нижней эпидермой, а также образовывать контакты с проводящими пучками [15]. Многие признаки, касающиеся анатомического строения листовой пластинки, широко используются как диагностические, а именно расположение клеток хлоренхимы, моторных клеток, склеренхимы, число обкладок, особенности окременевших и опробковевших клеток, трихом, степень ребристости пластинки, форма ребер, наличие киля, форма киля, форма пластинки на поперечном срезе [12]. 1.4. Анатомические особенности листовых пластинок овсяниц. Анатомические особенности овсяниц считаются важными диагностическими признаками [2, 12]. Листовая пластинка овсяниц плоская, полусвернутая или вдоль сложенная, сверху слабоволнистая или б.м. ребристая, снизу нередко килеватая, б.м. бороздчатая или ровная. Эпидерма из округлых или овальных клеток, более крупных на нижней стороне пластинки. Опушение представлено шипиками, щетинками или волосками. Моторные клетки на верхней стороне пластинки расположены в бороздках группами по 3-8. Они овальные, округлые, грушевидные или треугольные, у узколистных видов моторные клетки почти не отличаются от прилежащих эпидермальных клеток. Лист амфи- и эпистоматический. Склеренхима в виде тяжей, балок, сплошного или б.м. разорванного абаксиального слоя, состоящего из 1-3 рядов клеток. 11

Под верхней эпидермой склеренхимные тяжи у одних видов отсутствуют, у других имеются (F. woronowii Hack., F. djimilensis Boiss. et Bal., F. daghestanica (Tzvel.) E. Alexeev). Под нижней эпидермой склеренхима располагается в виде чехла или отдельных тяжей. В первом случае у одних видов он совершенно равномерный (F. ovina L., F. beckeri (Hack.) Trautv.), у других расширен по краям и напротив средней жилки (F.pseudodalmatica Krajina.), только напротив средней жилки постепенно (F. callieri (Hack.) Markgr.) или внезапно (F. elbrusica E. Alexeev). В случае расположения склеренхимы под нижним эпидермисом в виде отдельных тяжей существенна относительная их ширина. У одним видов все тяжи примерно одинаковой ширины (F. rubra L.), у других - килевой и краевые могут превосходить по ширине промежуточные (F. valesiaca Gaud.), у третьих – лишь килевой тяж самый широкий, а остальные примерно одинаковые (F. callieri (Hack.) Markgr.) [2]. Проводящие пучки округлые или овальные, крупные чередуются с мелкими пучками, окружены 2 обкладками: паренхимная обкладка из округлых, чаще бесцветных, тонкостенных клеток, нередко прерывается только со стороны ксилемы или разрывается балками склеренхимы; в клетках склеренхимной обкладки сильнее утолщены внутренние и радиальные стенки. Хлоренхима диффузного типа. Край листовой пластинки большей частью сужен и заострен, с более или менее развитым тяжем склеренхимы, нередко оканчивается шипиком [12]. В качестве анатомических признаков, имеющих диагностическую ценность, для узколистных овсяниц указывают следующие: 1. Диаметр свёрнутой пластинки листа. 2. Число ребер на верхней стороне пластинки листа 3. Число проводящих пучков. 4. Наличие или отсутствие верхних проводящих пучков третьей величины, размеры их по сравнению с нижними. 12

5. Индекс положения проводящего пучка второй величины, т.е. отношение расстояния его от средней жилки к расстоянию от края пластинки листа. 6. Расположение склеренхимы в пластинке листа. Диагностическими признаками рода овсяница являются сплошной или прерывистый абаксиальный слой склеренхимы. 7. Опущение верхней и нижней частей листа [2, 12, 87]. В качестве диагностических для типчака выделяют следующие признаки: 5(7) проводящих пучков, 3 ребра, второй по величине пучок располагается примерно вдвое дальше от средней жилки, чем от края листа [11]. Склеренхима образует 3 мощных или 2 более слабых тяжа, которые иногда сливаются друг с другом [12]. Листья опушены с обеих сторон, волоски направлены вверх [11]. Для овсяницы Беккера характерны иные особенности: пластинка листа сверху с (3) 5 (7) ребрами, из них 3 срединных треугольные, а краевые, если они есть, с несколько уплощенной вершиной. Лист сверху с густыми волосками. Пучков 7-9 (11). Склеренхима образует более или менее равномерный по толщине непрерывный абаксиальный субэпидермальный слой из 2-4 рядов клеток [12]. 1.5. Характеристика объектов исследования. Овсяница валлисская Festuca valesiaca Gaud. и овсяница Беккера Festuca beckeri (Hack.) Trautv. – растения, относящиеся к семейству злаковые (Gramíneae) [1], трибе мятликовые (Poeae), подтрибе овсянициевые (Festucinae), подрод овсяницы (Festuca), секция овсяницы (Festuca) [27]. Овсяницы - многолетние травянистые растения, достигающие в высоту (5) 10 – 120 (200) см с ползучими подземными побегами или без них, и тогда образующие густые дерновины. Общее соцветие – б.м. раскидистые или сжатые метелки с б.м. шероховатыми, реже гладкими или коротковолосистыми ветвями. Длина колоска от 5 до 20 мм, с 2-15 цветками. Ось колоска обычно 13

б.м. шероховатая. Стебли прямостоячие. Влагалища б.м. замкнутые или расщепленные, без ушек или с ланцетными ушками. Листовые пластинки линейные, до 15 мм шириной, часто вдоль сложенные или свернутые, обычно б.м. шероховатые или волосистые, реже голые и гладкие. В хозяйственном значении все представители рода овсяница являются кормовыми растениями. Особо ценным является F. pratensis. Также очень существенное кормовое значение на степных пастбищах имеют узколистные секции, к которым относится и F. valesiaca. Некоторые представители овсяниц применяются для закрепления различных насыпей [27]. F.valesiaca Gaud. является плотнодерновинным многолетником, достигающим в высоту (10)20-30(50) см. Стебли тонкие, гладкие и вверху шероховатые. Листовые пластинки с сизым налетом, щетиновидно-сложенные, часто торчащие, снаружи шероховатые, в диаметре от 0,4 до 0,8 мм. Влагалища листьев замкнутые или открытые, голые или опушенные. Язычок в виде короткой каймы. Метелка длинной до 8 мм, сжатая, с короткими острошероховатыми веточками и осью. Колоски ланцетные, 5-8 мм в диаметре. Вид весьма вариабелен [11]. Среди всех «сулькатных» растений F. valesiaca начинает цвести в сезоне раньше всех остальных. Она имеет суточную ритмику цветения, то есть время раскрытия всех цветков у данного вида совпадает [12]. Растет данный вид на степных склонах, остепненных лугах, в остепненных борах [26], также на сухих, неплодородных, уплотненных почвах, в то время как некоторые другие виды (например, F.rupicola), с которыми типчак имеет много общих экологических черт, на таких почвах не произрастают [12]. Распространен типчак в центральной и юго-восточной Европе, Средиземноморье, Малой Азии, на Кавказе, юге Западной и Восточной Сибири, Средней Азии, Иране, Монголии и Гималаях [12]. 14

Как и все виды рода, овсяница валлисская считается хорошим пастбищным растением, которое охотно поедают овцы и лошади [19]. Применяется при создании газонов [11]. Овсяница Беккера Festuca beckeri (Hack.) Trautv. является плотнодерновинным многолетником 20-50 (70) см высотой. Корни покрыты чехликом из склеенных песчинок. Стебель генеративных побегов под соцветиями коротковолосистый. Листовые пластинки жесткие, торчащие, щетиновидно-свернутые, 0,5-1 мм в диаметре, на верхней стороне с 5-7(9) ребрами, покрытыми короткими волосками, с нижней стороны со сплошным слоем склеренхимы под эпидермисом. Влагалищно-пластиночное сочленение или только основание пластинки листа обычно с короткими волосками. Влагалища олиственных вегетативных побегов до 8 см длиной, открытые, голые или слабоопушенные; в основаниях побегов они часто светло-бурые или желтоватые. Язычок малозаметный, иногда в виде мелких ресничек. Метелка 812 см длиной, густая, с шероховатыми веточками и осью. Обитает в сухих разреженных сосняках, на боровых пустырях, на дюнных песках [11]. Объем данных по анатомии листовых пластинок овсяниц внушетелен, но существует недостаток сведений об изменчивости анатомических признаков. Кроме того, в работах обычно отсутствуют методические рекомендации по работе с данными объектами, что не позволяет оценить возможность их эффективного их использования на практических занятиях. 1.6. Приемы обработки листьев овсяниц Традиционно в ботанической микротехнике срезы листовых пластинок приготавливаются из живых, заспиртованных и гербаризованных образцов. В случае приготовления среза из засушенного образца, его необходимо предварительно выдержать в растворе глицерина с водой 1:1 в течение нескольких часов [2, 12]. На таком срезе различимы все анатомические 15

структуры, которые необходимо учитывать при определении родовой и видовой принадлежности [2]. Однако, в литературе существует дефицит сведений о степени искажения действительной анатомической структуры листовой пластинки. Также в литературе не упоминается о технических сложностях приготовления таких срезов. 16

Глава 2. Материал и методика. Изучены анатомические особенности листовых пластинок вегетативных побегов овсяницы валлийской Festuca valesiaca Gaud., и овсяницы Беккера Festuca beckeri (Hack.) Trautv., относящихся к секции узколистных овсяниц Festuca [2, 3]. Для наблюдения за сезонными изменениями в листовых пластинках использовали 3 модельных растения овсяницы валлисской, расположенных на остепнённом участке возле главного корпуса Волгоградского Государственного Университета (ВолГУ). Листовые пластинки срезали трижды за вегетационный период с каждого растения (24.04.2012г., 15.06. 2012г., 03.09. 2012г.). Для наблюдения за изменением анатомического строения листовой пластинки от основания до верхушки использовались указанные выше образцы F. valesiaca, а также листовые пластинки с 5 дерновин 5 экземпляров F. beckeri, собранных в Урюпинском районе Волгоградской области близ х. Котовских 26.06.2014г. С вегетативных побегов каждой дерновины случайным образом отбирали по пять листьев, обрезали вместе с влагалищем. Материал помещали в 95% этиловый спирт. Обработку материала проводили по стандартной анатомической методике [24]. Поперечные и парадермальные срезы делали в средней части листовой пластинки и в её основании у растений из окрестностей ВолГУ, у некоторых образцов исследовали также верхний участок на расстоянии 2-3 мм от кончика листа. Для наблюдения за изменением анатомической структуры в зависимости от метода фиксации исследовали 10 листьев овсяниц разных видов из природного парка «Донской» Иловлинского района Волгоградской области, собранные 22.05.2013г., листья разрезали посередине, одну половину фиксировали в 95% этиловом спирте, а другую половину высушивали. Срезы делали в области, близкой к разрезу, гербарные образцы предварительно размачивали в смеси равных частей этилового спирта и глицерина в течение недели. 17

Фотографии выполнены с помощью микроскопа Микмед-5, цифровой камеры DCM510, DCM900 и программы Scope Photo3.0. Схематичные рисунки выполнены на основе фотографий в среде Photoshop CS5. Статистический анализ проведен в программе STATISTICA 10 согласно стандартным методикам [13, 18]. 18

Глава 3. Результаты исследования 3.1. Овсяница валлисская Овсяница валлисская имеет жизненную форму розеткообразующего плотнокустового злака. В нижней части (рис. 1) листовая пластинка вдоль сложенная, слегка приоткрытая, ровная и округлая с абаксиальной стороны, ребристая с адаксиальной; рёбер 3, борозды глубиной менее половины толщины листовой пластинки. Основные эпидермальные клетки на абаксиальной поверхности одревесневшие, покрыты тонкой кутикулой. Мелкие шиповидные и короткие одноклеточные волоски направленны вверх. Опробковевшие и окремневшие клетки расположены, равномерными рядами (рис. 5). Лист эпистоматический. Устьица с одревесневающими замыкающими клетками расположены на участках верхней эпидермы между проводящими пучками, а также за краевым пучком (рис. 4). Моторные клетки мало отличаются по размеру от основных эпидермальных клеток на поперечных срезах. Проводящих пучков фестукоидного типа 5. Для проводящих пучков характерно наличие хорошо выраженной склеренхимной обкладки. Её клетки имеют неравномерно утолщённые одревесневшие стенки: утолщаются радиальные стенки и стенки, обращенные к проводящим тканям (Рис. 6, Рис. 7). Паренхимная обкладка выражена слабо. Центральный и краевые пучком крупные, промежуточные пучки мелкие. Мезофилл из плотно расположенных изодиаметрических клеток. Одревесневшие склеренхимные волокна всегда располагаются в виде хорошо заметных тяжей под центральным пучком и на краевых участках листовой пластинки, могут быть небольшие субэпидермальные склеренхимные тяжи под мелкими пучками. 19

Рисунок 1. Основание листовой пластинки овсяницы валлисской. Июнь. (Шп-шипик, Эп-эпидерма, Ск-склеренхима, М-мезофил, Пп-проводящий пучок, Кс-ксилема, Фл-флоэма, По-паренхимная обкладка, Момеханическая обкладка, У-устьице) 20

Рисунок 2. Средняя часть листовой пластинки овсяницы валлисской. Апрель. (Шп-шипик, Эп-эпидерма, Ск-склеренхима, М-мезофил, Пп-проводящий пучок, Мк-моторные клетки, Кс-ксилема, Фл-флоэма, По-паренхимная обкладка, Мо-механическая обкладка) 21

Рисунок 3. Строение верхней части листовой пластинки. (У-устьице, Пп-проводящий пучок, М-мезофил, Эп-эпидерма, Сксклеренхима) 22

Такое расположение склеренхимы характерно для апрельских и сентябрьских образцов. В июньских образцах в нижней части листовой пластинки происходит увеличение объема склеренхимы: в отдельных случаях она образует сплошной неравномерный субэпидермальный слой, контактирует с проводящими пучками (рис. 1). В средней части листовых пластинок общий план анатомического строения сохраняется, но не наблюдается одревеснения основных эпидермальных клеток, сокращается объем склеренхимной ткани по сравнению с базальной частью листовой пластинки у всех образцов. Тяжи склеренхимы сохраняются на краевых участках листовой пластинки, под центральным пучком, а также под мелкими боковыми пучками (рис. 2). Строение верхней части листовой пластинки сходно у всех исследованных образцов: происходит слияние боковых пучков, вследствие чего количество пучков сокращается до трех, количество ребер сокращается до одного. Склеренхима сокращается, сохраняются небольшие тяжи по краям листовой пластинки и под центральным пучком. Контур среза деформируется (рис. 3). 23

Рисунок 4. Устьице (У-устьице, Пп-проводящий пучок, Эп-эпидерма) 24

Рисунок 5. Парадермальный срез листовой пластинки овсяницы валлисской (фото) (К-окременевшая клетке, П-опробковевшая клетка, Эп-основная эпидермальная клетка) 25

Рисунок 6. Крупный проводящий пучок (Festuca valesiaca) (По-паренхимная обкладка, Мо-механическая обкладка, Фл-флоэма, Кс-ксилема) 26

Рисунок 7. Мелкий проводящий пучок (Festuca valesiaca) (По-паренхимная обкладка, Мо-механическая обкладка, Фл-флоэма, Кс-ксилема) 27

3.2. Овсяница Беккера Основание листовой пластинки более округлое с абаксиальной стороны, чем у овсяницы валлисской, адаксиальная сторона ребристая (рис.8). Рёбер 3-5. Ребра округлые, борозды глубиной менее трети толщины листовой пластинки, по краям мелких ребер борозды почти отсутствуют. Лист симметричен относительно центральной жилки. В отличие от овсяницы валлисской, основные эпидермальные клетки одревесневшие с абаксиальной стороны и слегка одревесневшие с адаксиальной. Опушены только ребра верхней эпидермы, опушение крайне густое. Строение и расположение устьиц такое же, как у овсяницы валлисской, но крайние устьица будут располагаться за 4 проводящим пучком, если считать от центрального, а не за 3, как у валлисской. Склеренхима нижней части листовой пластинки одревесневшая, располагается в виде 1 тонкого слоя в 4-5 клетки под всей нижней эпидермой. Толщина склеренхимы под центральным проводящим пучком состовляет в среднем 56мкм (таб. 1). Слой утолщается на краевых участках листовой пластинки. Мезофилл состоит из б. м. одинаковых изодиаметрических плотно расположенных клеток. Строение пучков такое же (рис. 6, рис.7), как и у овсяницы валлисской, но их количество возрастает от 7 до 9(11) (рис. 13). Существует закономерность в расположении пучков: чередуются 3 крупных (центральный, 2 боковых), и 6(8) маленьких (краевые и прилегающие к центральному). Если пучков 7, тогда имеется 3 крупных (центральный, 2 боковых) и 4 маленьких (краевые и прилегающие к центральному). 28

Рисунок 8. Основание листовой пластинки овсяницы Беккера (фото) 29

Рисунок 9. Основание листовой пластинки овсяницы Беккера (Шп-шипик, М-мезофил,Пп-прводящий пучок, Ск-склеренхима, Эпэпидерма) 30

Рисунок 10. Средняя часть листовой пластинки овсяницы Беккера (М-мезофил,Пп-прводящий пучок, Ск-склеренхима, Эп-эпидерма) 31

Рисунок 11. Верхняя часть листовой пластинки Овсяницы Беккера (У-устьице, Пп-проводящий пучок, М-мезофил, Эп-эпидерма, Сксклеренхима) 32

Рисунок 12. Верхняя часть листовой пластинки Овсяницы Беккера (фото) 33

В средней части листовой пластинки наблюдается сокращение (среднее значение толщины склеренхимы под центральным проводящим пучков состовляет 35мкм (таб. 1) объема склеренхимной ткани, имеют место разрывы слоя в участках под эпидермой между пучками (рис. 10). Строение верхней части листовой пластинки отличается от нижней и средней частей слиянием боковых пучков, сокращением количества ребер, сокращением объема склеренхимы (рис. 11, рис. 12). 34

Рисунок 13. Средняя часть листовой пластинки Овсяницы Беккера (фото) 35

3.3. Статистический анализ Для проверки гипотезы о том, что при движении от основания листовой пластинки к верхней части происходит сокращение объема склеренхимы, был проведен статистический анализ. Для этого измеряли толщину склеренхимы под центральным проводящим пучком в нижней и средней частях листовой пластинки у овсяницы Беккера. Было проведено по 30 измерений. Среднее значение составило 56 мк в нижней части и 35 мк в средней. Среднее квадратичное отклонение составило 16,7 мк и 8,3 мк, соответственно; коэффициент вариации 30 и 24% (табл.1; рис. 14). Для проверки соответствия распределения значений толщины склеренхимы закону нормального распределения воспользовались тестом Шапиро-Уилка. Данный тест проверяет нулевую гипотезу о том, что наблюдаемое распределение не отличается от теоретически ожидаемого нормального распределения. Если вероятность ошибиться, отклонив эту гипотезу, равняется меньше 0,05, то распределение отличается от нормального. Для нижней части листовой пластинки вероятность составила 0,0014, для средней – 0,4867. Распределение значений толщины склеренхимы в нижней части отклоняется от нормального, поэтому, несмотря на то, что значение толщины склеренхимы в средней части подчиняется закону нормального распределения, для сравнения использованы непараметрические методы статистического анализа (рис. 15, рис. 16). Так как измерялась толщина склеренхимы на разных участках одного листа, выборки являются зависимыми. Непараметрическим методом сравнения зависимых выборок является тест Уилкоксона. Согласно тесту, различия между выборками статистически значимы, поскольку вероятность недостоверного различия между средними значениями выборок составила P=0,000002 (P<<0,05). 36

Рисунок 14. Размах изменчивости толщины склеренхимы на разных участках листовой пластинки F. beckeri (Коэффициент стандартного отклонения = х2) 37

Таблица 1. Статистический анализ толщины склеренхимы на разных участках листовой пластинки F. beckeri 38

Рисунок 15. Проверка соответствия распределения значений толщины склеренхимы в нижней части листовой пластинки закону нормального распределения (тест Шапиро-Уилка) 39

Рисунок 16. Проверка соответствия распределения значений толщины склеренхимы в средней части листовой пластинки закону нормального распределения (тест Шапиро-Уилка) 40

Для установления связи между толщиной склеренхимы и уровнем среза листовой пластинки проведён корреляционный тест Спирмана. Значение коэффициента корреляция составило r=-0,75 при этом вероятность отсутствия связи близка к нулевому значению (p=7*10-11), что свидетельствует о тесной отрицательной статистически достоверной связи между толщиной склеренхимы и уровнем среза. Полученные данные подтверждают визуальные наблюдения, согласно которым, чем выше срез, тем тоньше склеренхима. 3.4. Сравнение методов фиксации материала Гербарные образцы овсяниц отличаются от заспиртованных тем, что при гербаризации лист сжимается из-за впячивания наружной эпидермы и углубления борозд, кроме того, листовые пластинки гербарных образцов менее открыты (рис. 17). При гербаризации в мезофилле лучше видны границы клеток, клеточные стенки. При проведении флороглюциновой реакции одревесневшие элементы у засушенных образцов прокрашиваются с меньшей интенсивностью, чем у заспиртованных. 41

Рисунок 17. Различия в очертании срезу у заспиртованного и гербаризованного образцов; А. Заспиртованный образец; Б. Гербаризованный образец 42

Заключение. На основании проведённого исследования можно выделить структуры, стабильные для овсяницы валлисской:  Листовая пластинка вдоль сложенная, слегка приоткрытая, ровная и округлая с абаксиальной стороны, ребристая с адаксиальной;  Основные эпидермальные клетки одревесневшие с адаксиальной стороны, мелкие шиповидные и короткие одноклеточные волоски направлены вверх; опробковевшие и окремневшие клетки эпидермы идут попарно, равномерными рядами; устьица с адаксиальной стороны с одревесневающими замыкающими клетками;  Проводящие пучки фестукоидного типа. Клетки механической обкладки с утолщенными радиальными и внутренними стенками.  Мезофил из плотно расположенных изодиаметрических клеток.  Склеренхимные волокна всегда присутствуют под центральным пучком и на краевых участках листовой пластинки. Значительно варьирует объем склеренхимы. У овсяницы валлисской на разных этапах вегетативного роста появляются контакты склеренхимы с проводящими пучками, появляются дополнительные субэпидермальные тяжи, иногда образуется сплошной слой склеренхимы. Контакты склеренхимы с проводящими пучками обнаружены в нижней части листовой пластинки, исследовать которую не принято, и, таким образом, существование такой структуры у данного вида не описано. Значительно варьирует строение листовой пластинки типчака от основания до верхней части: снизу-вверх идет заметное сокращение объема склеренхимы и сокращение числа ребер. У овсяницы Беккера выявлены следующие стабильные признаки: 43

 Листовая пластинка вдоль сложена, округлой формы, ребристая с адаксиальной стороны.  Основные эпидермальные клетки на абаксиальной поверхности всегда одревесневают, на адаксиальной они одревесневают в участках между бороздами. Опушение присутствует только на адаксиальной поверхности. Устьица с одревесневшими замыкающими клетками.  Проводящие пучки фестукоидного типа. Утолщение клеток механической обкладки стабильно и всегда наблюдается у радиальных и внутренних стенок.  Мезофилл из плотно расположенных изодиаметрических клеток.  Склеренхимные волокна всегда присутствуют под крупными проводящими пучками. Изменчивость у овсяницы Беккера связана с различным объёмом склеренхимы: от основания к верхней части идет сокращение объема склеренхимы, слой склеренхимы может прерываться. Если разрыв слоя присутствует в основании листовой пластинки, то он будет увеличиваться на протяжении всего листа. В некоторых случаях основание листовой пластинки имеет сплошное кольцо субэпидермального слоя склеренхимы, но в средней и верхней частях листа присутствует разрыв этого слоя. Также, встречаются листья, сохраняющие сплошной субэпидермальный слой на протяжении всего листа. Количество ребер также сокращается. Исследованные виды возможно различить по ряду анатомических особенностей. Для сравнения использовались срезы, сделанные в нижней части листовой пластинки, как более информативные. Форма среза листовой пластинки у овсяницы валлисской удлиненная, в отличие от овсяницы Беккера, у которой форма среза округлая. Опушение у обоих видов представлено шипиками, однако, опушение овсяницы Беккера более густое, опушена в основном адаксиальная сторона, на абаксиальной стороне шипики встречаются крайне редко. У овсяницы валлисской опушение менее густое, редкими 44

шипиками опушены обе стороны. У изученных видов отличаются особенности расположения склеренхимы. У овсяницы Беккера склеренхима располагается в виде равномерного кольца (может прерываться), а у овсяницы валлисской склеренхима располагается в массивных тяжах на краях листовой пластинки и под центральным проводящим пучком, причем, если происходит образование сплошного субэпидермального слоя, то утолщения сохраняются в указанных выше местах. Различно количество проводящих пучков. У овсяницы валлисской - 5(7) пучков, у овсяницы Беккера 7-9(11). Наличие более прочного механического U-образного каркаса в нижней части листовой пластинки у обоих исследованных видов, вероятно, связанно с тем, что такая конструкция является более прочной на изгиб, и благодаря усиленной базальной части вся листовая пластинка поддерживается в вертикальном положении, что отмечено и у других видов плотнокустовых злаков [9]. Применение различных методов фиксации ботанического материала способно в некоторой степени исказить картину на срезах листовых пластинок овсяниц. Гербаризованные образцы отличаются большей деформацией формы листовой пластинки. При проведении флороглюциновой реакции одревесневшие элементы у засушенных образцов прокрашиваются с меньшей интенсивностью. Эта особенность отмечается в пособиях по микротехнике [24]. Однако, такие признаки, как количество ребер, количество пучков, расположение склеренхимы не изменяются в зависимости от метода фиксации. Это позволяет в равной мере использовать гербарные и заспитованные листья овсяниц с учетом возможных искажений. Но на занятиях по экологической анатомии предпочтение следует отдавать заспиртованным образцам, т.к. они нагляднее позволят продемонстрировать лигнификацию тканей. 45

К методическим сложностям работы с гербаризованными образцами относится тот факт, что такие образцы необходимо на несколько дней помещать в раствор спирт/глицерол. В целом, в работе с овсяницами основную трудность в приготовлении микропрепарата составляет малый диаметр листовой пластинки в поперечном сечении. Традиционные подходы к исследованию листовых пластинок злаков не всегда могут дать желаемые результаты, поскольку использование середины листовой пластинки в ряде случает оказывается затруднительным (часть пластинки поедается животными, а также отсыхает во время засухи). При отсутствии целостности листа невозможно сказать, какая его часть является серединой. Поскольку структура листовой пластинки существенно меняется по всей длине, то использование традиционных определителей, ориентированных на среднюю часть пластинки, проблематично. В этой связи заслуживает внимания базальная часть пластинки, т.к. её положение рядом с пластинчатовлагалищным сочленением всегда легко установить. 46

Выводы 1. Для изученных видов следующие признаки являются стабильным:  Одревеснение эпидермы, опушение, расположение устьичных и моторных клеток эпидермы  Строение проводящих пучков  Строение мезофилла  Склеренхимные волокна всегда имеются под центральным пучком и на краевых участках листовой пластинки 2. Изученные виды отличаются друг от друга по следующим признакам: форма листовой пластинки, опушение, особенности расположения склеренхимы, количество проводящих пучков 3. однако, Расположение и объем склеренхимы считается диагностическим, высокая степень варьирования этих параметров затрудняет использование этого признака в качестве диагностического. Для уточнения границ варьирования необходимо исследование более обширного материала. 4. Базальная часть листовой пластинки у исследованных видов механически усилена по сравнению с выше расположенными участками, что позволяет поддерживать лист в вертикальном положении. 5. Использование базальной части листовой пластинки для диагностики злаков предпочтительно по сравнению со средней частью. 6. Применение различных методов фиксации ботанического материала способно в некоторой степени исказить картину на срезе, но существенные особенности сохраняются, что оправдывает использование гербарных образцов для изучения анатомии листовых пластинок овсяниц. 7. Использование исследованных видов в качестве учебного материала для самостоятельной работы студентов не рекомендуется в связи со сложностью техники приготовления микропрепаратов. 47

Список использованной литературы 1. Алексеев, Е.Б. Овсяницы (Festuca L., Poaceae) Аляски и Канады / Е.Б. Алексеев // Новости систематики высших растений, Том 12. – Л., 1975. С.5-35. 2. Алексеев, Е.Б. Овсяницы Кавказа / Е. Б. Алексеев; под ред. Е. Б. Алексеев. – М.: изд-во МГУ, 1980. – 164 с. 3. Алексеев, Е.Б. Узколистные овсяницы (Festuca L.) Европейской части СССР / Е.Б. Алексеев // Новости систематики высших растений, Том 22. – Л., 1985. - С.11-43. 4. Барыкина, Р.П. Большой практикум по ботанике. Экологическая анатомия цветковых растений. Учебно-методическое пособие / Р.П. Барыкина, Н.В. Чубатова. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 77с. 5. Батырбекова, Д.К. Изменчивость анатомической структуры внутри одной листовой пластинки у некоторых степных злаков / Батырбекова Д.К., Лосев А.А., Майоров С.А.//Материалы научной сессии, г.Волгоград, 20-25 апреля 2015г. – Волгоград, Изд-ва ВолГУ, 2015. - (в печати). 6. Батырбекова, Д.К. Изменчивость анатомической структуры листовой пластинки у некоторых степных злаков / Батырбекова Д.К., Горемыкина Е.В., Лосев А.А., Майоров С.А.//Бюл. МОИП.Отд.бтол. - 2015. – Т.120, вып.5 (в печати). 7. Бегучев, П.П. Ключ для определения наиболее распространенных дикорастущих злаков Нижнего Поволжья в нецветущем состоянии / П. П. Бегучев, Р.Л. Вознесенская. – Волгоград: «Издательство ВСХИ», 1976. – 57 с. 8. Березина, Н.А. Экология растений: учеб. Пособие для студ. Высш. Учеб. заведений / Н.А.Березина, Н.Б.Афанасьева. – М., 2009. – 400 с. 9. Горемыкина, Е.В. Особенности анатомической структуры листовых пластинок некоторых степных злаков Волгоградской области/ Е.В. Горемыкина // Вестник ВолГУ. Серия11. Естественные науки. – 2013. - №1(5). – С.4-12. 10. Горышина, Т.К. Экология растений/ Т.К. Горышина. – М: Высш. школа, 1979. – 368 с. 48

11. Злаки и злаковидные растения Нижегородской области / В.П. Воротников [и др.]– Н. Новгород: Ю.А. Николаев, 2008.- 160 с. 12. Злаки Украины (Анатомо-морфологический, кариосистематический и эколого-фитоцетонический обзор) / Ю.Н. Прокудин [и др.]– Киев: «Наукова думка», 1977.- 518 с. 13. Ивантер, Э.В. Элементарная биометрия: учеб. пособие / Э.В.Ивантер, А.В.Коросов. – Петрозаводск, 2010. – 104 с. 14. Культиасов, И. М. Экология растений / И. М.Культиасов. – М., 1982. – 383 с. 15. Лотова, Л.И. Сравнительная анатомия высших растений: учебно- методическое пособие / Л.И. Лотова, А.К. Тимонин. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 80с. 16. листовой Майоров, С.А. Сезонная динамика анатомической структуры пластинки овсяницы валисской Festuca vallesiaca Gaud. / С.А.Майоров, А.А.Лосев // Материалы научной сессии, г.Волгоград, 22-26 апреля 2013г. Вып. 1. Естественные науки. – Волгоград, Изд-ва ВолГУ, 2013. С.196 – 202. 17. Майоров, С.А. Сравнительно-анатомический анализ листовых пластинок некоторых представителей рода Festuca L. / С.А.Майоров// Материалы научной сессии, г.Волгоград, 21-25 апреля 2014г. – Волгоград, Издва ВолГУ, 2014. - С.432 – 435. 18. Мастицкий, С.Э. МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ по использованию программы STATISTICA при обработке данных биологических исследований/ С. Э. Мастицкий. – Мн.: РУП «Институт рыбного хозяйства», 2009. – 76 с. 19. Медведев, П.Ф. Кормовые растения европейской части СССР: Справочник / П.Ф.Медведев, А.И.Сметанникова. – Л., 1981. – 336 с. 20. Определитель растений нечерноземного центра Европейской России по вегетативным органам. Однодольные растения / Ю.Е.Алексеев [и др.]– - М., 2000. – 192 с. 49

21. Паутов, А.А. Морфология и анатомия вегетативных органов растений: учебник / А.А. Паутов. – СПб: Изд-во С.-Петер. ун-та, 2012. – 336 с. 22. Поплавская, Г. И. Экология растений: учебное пособие, 2-е изд., перераб. и доп. / Г. И. Поплавская. – М., 1948. – 295 с. 23. Серебрякова, Т.И. Морфогенез побегов и эволюция жизненных форм злаков: монография / Т.И. Серебрякова. – М.: Наука, 1971.- 360 с. 24. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы : справочник / Р.П. Барыкина [и др.]; под ред. Р.П. Барыкиной. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 312 с. 25. Тимонин, А.К. Большой практикум по экологической анатомии покрытосеменных растений / А.К.Тимонин, А.А.Нотов. – Тверь., 1993. – 106 с. 26. Флора Нижнего Поволжья. Том 1. / Ю.Е. Алексеев, Г.Ю. КЛинкова, А.П. Лактионов и др./под ред. А. К. Скворцов. – М.: Т-во научных изданий КМК, 2006. – 435 с. 27. Цвелев, Н.Н. Злаки СССР / Н. Н. Цвелев ; под ред. А. А. Федоров. – Ленинград: «Наука», 1976. – 788 с. 28. Zarinkamar, F. Foliar anatomy and micromorphology of Festuca L. and its taxonomic applications / Zarinkamar F. and Jouyandeh N. E. // Taxonomy and Biosystematics – 2011. - №8. – P. 55-63. 50

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв