При интродукции растений возникают различные адаптивные изменения их биологических признаков, оценить которые можно на основе анализа генетических, биохимических, физиологических и морфолого-анатомических механизмов. Судить о пластичности вида можно, зная морфолого-анатомическое строение вегетативных органов растений, в частности листа как наиболее пластичного органа, в структуре которого отражена экологическая эволюция вида, слагающегося под влиянием изменяющихся условий среды в прошлом и настоящем.
Структура листа отражает результат адаптации растения к воздействию различных факторов внешней среды, поэтому сведения о строении листа позволяют дополнить экологическую характеристику вида и уточняют представление об амплитуде его пластичности. Выбор листа в качестве ключевого органа исследований обусловлен тем, что лист занимает ведущее положение в формировании адаптивного ответа растений.
Эволюционно ассимилирующие структуры являются первичными по отношению к другим – опорным, проводящим и запасающим (Тахтаджян, 1961). Адаптации растений к экстремальным условиям существования связаны со значительными перестройками их ассимилирующего аппарата, высокочувствительного к внешним воздействиям. Фотосинтетический аппарат растений обладает высокой пластичностью, что выражается в значительной вариабельности размеров листа и его анатомических характеристик (Шварц, 1980; Eamus, 1998; Zhang, 2012).
Особенности анатомического строения листа видов и сортов рода Hemerocallis
Листья видов и сортов Hemerocallis дорсовентральные, амфистоматические. Эпидермис состоит из плотно сомкнутых удлиненных клеток вытянутой формы, прямолинейного очертания. Эпидермальные клетки адаксиального эпидермиса имеют прямоугольную, а абаксиального – ромбическую проекцию. Эпидермис верхней стороны листа состоит из крупных, со слегка утолщенными стенками клеток. Эпидермис нижней стороны – из более мелких клеток сосочковидной формы, стенки которых утолщены.
Устьица крупные овальные, находятся в местах соединения клеток по длине суженными концами. Над жилками листа устьица отсутствуют. Устьичные щели обычно ориентированы более или менее параллельно жилкам. Имеются 2 типа устьиц: аномоцитные устьица, окруженные лишь соседними клетками; гемидиацитные устьица с одной мелкой побочной клеткой в полярном положении. Устьица окружены 4, реже 5-6 околоустьичными клетками. Устьица погруженные.
На обеих сторонах листа, под эпидермисом, располагается 5-6 рядов клеток ассимиляционной паренхимы, содержащей большое количество хлоропластов. Расположение проводящих пучков в листьях в одной площади с клетками мезофилла и воздухоносными полостями способствует оптимальному функционированию фотосинтетической системы. Проводящие пучки расположены упорядоченно, в одном ряду, при этом крупные пучки принадлежат центральной жилке, а при движении от нее к обеим сторонам пластинки листа размеры проводящих пучков уменьшаются.
Мощная система проводящих пучков имеет тесную пространственную связь с мезофиллом. Крупные проводящие пучки, простираясь от верхнего эпидермиса к нижнему, разделяют ткань мезофилла на участки, окружены обкладкой, состоящей из тонкостенных, паренхимных, бесцветных клеток. Проводящие пучки листа бывают различных размеров и по своему гистологическому составу обнаруживают количественные и качественные различия.
Наиболее крупные пучки содержат ксилему и флоэму. В коллатеральных пучках ксилема располагается на адаксиальной, а флоэма – на абаксиальной сторонах листа. Мелкие проводящие пучки обычно окружены ассимиляционной паренхимой, в них, как правило, имеется мало проводящих элементов, ситовидные элементы располагаются рядом с трахеальными. Значительная часть толщины листа занята вентиляционной тканью, окруженной ассимиляционной паренхимой.
С ростом листа клетки водоносной ткани теряют воду и разрушаются, образуя при этом большие сквозные пространства, заполненные воздухом и обрывками оболочек разрушенных клеток. В результате смены функции эта ткань на ранней стадии развития водоносная, а на более поздней стадии – вентиляционная. Воздушные пространства, имея прямую связь с расположенной ниже водоносной тканью листа, заполняются воздухом, богатым влагой. При большой сухости окружающего воздуха роль вентиляционной ткани в жизнедеятельности фотосинтезирующего листа довольно существенна.
H. lilio—asphodelus, в отличие от других изученных видов, характеризуется меньшим количеством воздухоносных полостей на поперечном срезе листа. По экологической природе этот вид ксеромезофит. H. minor, который является псаммоксеромезофитом, напротив, характеризуется большим в сравнении с другими исследованными видами количеством воздухоносных полостей, что говорит о высокой его устойчивости к засушливым условиям. Наряду с этим, у H. lilio—asphodelus и H. citrina имеется гиподерма, в которой накапливается вода.
В условиях степной зоны у H. minor и H. citrina происходит дифференциация мезофилла адаксиальной стороны листа. У первого вида отмечено наличие двухслойного, у второго – однослойного столбчатого мезофилла. H. minor отличается большим значением коэффициента палисадности листа. Таким образом, у этих двух видов появляется значимый адаптивный признак. H. fulva отличался достоверно большей толщиной верхнего и нижнего эпидермиса в сравнении с другими изученными видами.
У H. minor формируется большое количество воздухоносных полостей в сравнении с другими исследованными видами. У H. citrina и H. lilio-asphodelus под адаксиальным эпидермисом образуется водоносная ткань гиподерма. H. minor и H. citrina отличаются дифференциацией мезофилла. У H. fulva –утолщенный эпидермис. Для всех видов, кроме H. middendorfii, характерно наличие устьиц на верхнем эпидермисе. Для H. minor и H. citrina характерна высокая плотность устьиц на адаксиальной поверхности листа и малый размер клеток абаксиального эпидермиса.
В задачу наших исследований входило также определение морфолого-анатомической адаптации листа сортов рода Hemerocallis, которые происходят от видов разной экологии. Высокая плотность устьиц и клеток на нижней поверхности листа, большая длина эпидермальных клеток, размер устьиц верхнего эпидермиса и ширина устьиц нижнего эпидермиса характерны для сортов, которые происходят от H. citrina .
Выявлено, что высокая плотность устьиц и большая ширина клеток верхнего эпидермиса характерны для H. minor. Этот вид отличается также большой плотностью клеток нижнего эпидермиса и их размером, длиной устьиц. Выявлено, что меньшая плотность клеток и устьиц, их размер характерны для сортов, которые происходят от H. lilio-asphodelus. Выявлено, что меньшими плотностью устьиц и их размером отличаются сорта, которые происходят от H. middendorfii. H. minor и сорта `Only Yesterday`, `Emerald Joy`, `Gold Dust`, `Lizzie Wong` характеризуются большим количеством воздухоносных полостей, что свидетельствует о высокой степени их устойчивости. Наряду с этим, у H. lilio-asphodelus (рис. 1) и H. citrina под адаксиальным эпидермисом располагается гиподерма.
Она имеется также у сортов `Only Yesterday`, `Lizzie Wong`, `Melody Line`, которые происходят от этих видов. У H. minor и H. citrina, и сортов `Emerald Joy`, `Primrose Mascotte`, `Girl Scout`, `Gold Dust`, которые происходят от этих видов, отмечена дифференциация мезофилла адаксиальной стороны листа (рис. 2-3).
У H. minor, `Emerald Joy`, `Primrose Mascotte` отмечено наличие двуслойного, у H. citrina, Girl Scout`, `Gold Dust` – однослойного столбчатого мезофилла. Толщина столбчатого мезофилла видов и сортов рода Hemerocallis варьировала от 37,7 мкм (`Primrose Mascotta`) до 43,1 мкм (`Gold Dust`).
Таким образом, виды H. minor, H. citrina и некоторые сорта, которые происходят от них, характеризуются наличием столбчатого мезофилла.
Выявлено, что H. middendorfii (рис. 4), H. lilio-asphodelus и сорта `Sammy Russel`, `Dr. Regel`, `Nigrette` характеризуются отсутствием на адаксиальном эпидермисе устьиц (рис. 5).
Таким образом, H. minor и H. citrina, а также сорта `Emerald Joy`, `Primrose Mascotta`, `Girl Scout`, `Gold Dust`, которые происходят от этих видов, кроме общих для всех изученных видов и сортов адаптивных признаков, выработали значимую приспособительную особенность, которая выражается в дифференциации мезофилла. Наличие столбчатого мезофилла, на наш взгляд, можно рассматривать как маркер устойчивости видов и сортов рода Hemerocallis к природно-климатическим условиям степной зоны.
Зависимость анатомии листа видов рода Hemerocallis от погодных условий
Изучена зависимость анатомического строения листа H. citrina и H. minor от погодных условий разных лет исследования (2008-2010 гг.). Выявлено, что в наиболее благоприятный по количеству выпавших осадков год (2008) (за весенние месяцы, а также по суммарному количеству осадков за весенние и осенние месяцы предыдущего года) у видов происходит уменьшение толщины листа, а также размера воздухоносных полостей. Следовательно, в более засушливые годы у H. citrina и H. minor увеличивается толщина листа за счет увеличения объема воздухоносных полостей, что обусловливает увеличение вентиляционной поверхности внутри листа.
В более благоприятные по количеству осадков за весенние месяцы 2008-2009 годы H. citrina отличается уменьшением размеров устьиц нижнего эпидермиса и уменьшением плотности клеток верхней поверхности листа за счет увеличения их длины. В 2008 г. у H. citrina отмечено увеличение плотности устьиц на нижней поверхности листа. Для H. minor в более благоприятные годы характерно увеличение плотности устьиц и эпидермальных клеток верхней поверхности листа за счет уменьшения их ширины.
При анализе полученных результатов за три года исследований выявлена обратная зависимость высоты столбчатого мезофилла, размера устьиц нижнего эпидермиса H. citrina от суммы осадков за весенние месяцы (рис. 6). С повышением средней температуры воздуха за весенние месяцы у H. citrina уменьшаются толщина листа, размер воздухоносных полостей, плотность устьиц на нижней стороне листа и их суммарное количество на 1 мм2 обеих сторон листа (рис. 7).
По данным некоторых авторов, среднегодовая температура воздуха больше влияет на функциональные признаки растений, чем осадки (Granda, 2014). При уменьшении количества осадков за весенние месяцы у H. minor увеличивается толщина листа за счет увеличения воздухоносных полостей, уменьшается толщина мезофилла (рис. 8).
При уменьшении суммарного количества осадков за осенние и весенние месяцы у двух исследованных видов увеличивается толщина листа и размер воздухоносных полостей (рис. 9). Выявлена обратная зависимость количества устьиц на 1 мм2 нижней поверхности листа от средней температуры воздуха за осенние месяцы предыдущего года, когда закладываются листовые примордии в почках возобновления, и весенние месяцы года вегетации, когда происходит формирование взрослого листа (рис. 10).
В результате анализа пластичности видов рода Hemerocallis при интродукции в условиях степной зоны выявлено, что H. citrina и H. minor обладают способностью адаптироваться к изменяющимся погодным условиям: при повышении средней температуры за весенние месяцы у H. citrina уменьшается толщина листа, размер воздухоносных полостей, суммарное количество устьиц на 1 мм2, у H. minor – уменьшается размер устьиц. При повышении средней температуры воздуха за осенние и весенние месяцы у двух исследованных видов уменьшается плотность устьиц нижней поверхности листа, при уменьшении количества осадков – увеличивается толщина листа за счет возрастания объема воздухоносных полостей. При уменьшении осадков у H. citrina увеличивается также высота столбчатого мезофилла, плотность устьиц верхней поверхности, размер устьиц нижнего эпидермиса, у H. minor – толщина мезофилла, размер устьиц.
Сравнение особенностей анатомического строения листа Hemerocallis citrina и Hemerocallis minor из различных географических регионов
Изучены особенности анатомического строения листа и структура эпидермиса H. citrina и H. minor из 5 регионов интродукции: Донецк, Кривой Рог, Днепропетровск, Харьков, Киев.
Выявлено, что киевский образец H. citrina отличается от других исследованных образцов меньшей толщиной листа, мезофилла, большей толщиной верхнего эпидермиса (рис. 11 А). Для криворожского образца H. citrina характерны больший размер и площадь сечения воздухоносной полости, что обусловливает увеличение вентиляционной поверхности внутри листа и способствует уменьшению влияния перегрева в засушливых условиях. Наиболее сильно отличается харьковский образец, для которого характерны наименьшие значения толщины листа, эпидермиса (рис. 11 Б), размера и площади сечения воздухоносной полости в сравнении со всеми исследованными образцами. Киевский образец H. minor отличается от контроля меньшей толщиной листа и площадью сечения воздухоносной полости.
У всех изученных образцов H. сitrina, за исключением киевского, а также у донецкого образца H. minor происходит формирование столбчатого мезофилла (рис. 11). Наибольший коэффициент палисадности листа отмечен у донецких образцов H. minor (1,6) и H. citrina (1,5), наименьший – у харьковского образца H. citrina (1,2). У киевских образцов изученных видов на обеих сторонах листа под эпидермисом располагается 3 ряда клеток ассимиляционной паренхимы в отличие от других образцов, у которых насчитывается от 5 до 6 рядов.
При сравнении анатомических признаков эпидермиса листа образцов H. citrina выявлены отличия киевского образца по 11 показателям. Для него характерна меньшая плотность клеток и устьиц верхней поверхности листа, больший размер устьиц, большая плотность клеток и устьиц нижней поверхности, меньший их размер. У образцов H. citrina из Донецка и Днепропетровска, которые сходны по климатическим условиям, плотность устьиц на обеих сторонах листа почти одинакова, тогда как у криворожского и харьковского образцов плотность устьиц на верхней поверхности листа меньше.
У киевского образца устьица на верхнем эпидермисе отсутствуют. У образцов H.citrina из увлажненных регионов (Харьков, Киев) наблюдается высокая плотность устьиц нижней поверхности. Выявлено, что киевский и харьковский образцы отличаются большим количеством эпидермальных клеток на обеих сторонах листа, отсутствием устьиц на верхней поверхности, большим их количеством на нижней. Появление устьиц на верхнем эпидермисе H. minor и H. citrina можно рассматривать как адаптивный признак к засушливым условиям.
При уменьшении годового количества осадков в Донецке у образцов H. citrina увеличивается толщина листа, мезофилла, уменьшается толщина верхнего эпидермиса (рис. 12 А, Б; рис. 13 А, Б,), плотность устьиц на нижнем эпидермисе, увеличивается их размер, плотность устьиц на верхнем эпидермисе, уменьшается их размер (рис. 13 В, Г).
У образцов исследованных видов при возрастании среднегодовой температуры воздуха увеличивается площадь сечения воздухоносных полостей. У образцов H. minor при увеличении температуры уменьшается плотность устьиц на нижней поверхности листа, увеличивается их размер (рис. 14).
Таким образом, при интродукции в степной зоне у H. citrina и H. minor отмечено появление адаптивных признаков листа: формирование столбчатого мезофилла, увеличение слоев ассимиляционной паренхимы, появление устьиц на верхней поверхности листа, уменьшение плотности устьиц на нижней поверхности при увеличении их размера.
При повышении среднегодовой температуры воздуха в регионе интродукции у видов увеличивается площадь сечения воздухоносных полостей листа. У образцов H.citrina с убыванием годового количества осадков увеличивается толщина листа, мезофилла, плотность устьиц верхнего эпидермиса, уменьшается их размер, плотность устьиц нижнего эпидермиса, увеличивается их размер. У образцов H. minor при возрастании среднегодовой температуры воздуха уменьшается плотность устьиц нижнего эпидермиса, увеличивается их размер.
Следовательно, морфолого-анатомическими детерминантами адаптации видов рода Hemerocallis L. к условиям региона интродукции является дифференциация мезофилла, появление устьиц на верхнем эпидермисе, увеличение площади вентиляционной ткани. У наиболее приспособленных видов отмечены высокие значения устьично-порового индекса, однако он зависит от условий доступности влаги, поэтому не может являться детерминантой адаптации видов рода Hemerocallis.
Выявлена одинаковая закономерность в изменении строения листа видов рода Hemerocallis в градиенте климатических факторов степной и лесостепной зон и метеорологических факторов региона интродукции. Уменьшение осадков приводит к возрастанию толщины листа, мезофилла, в частности столбчатого, увеличению плотности устьиц адаксиального эпидермиса и размера устьиц абаксиального эпидермиса; возрастание температуры – к снижению плотности устьиц абаксиального эпидермиса.
