Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

У растений из сем. Juglandaceae поверхность листьев и перикарпия покрыта железистыми и нежелезистыми трихомами нескольких морфологических типов. Одни авторы выделяют 4 основных типа [2], другие – 6, при этом учитывается внутривидовая, сезонная, географическая и экологическая изменчивость, распределение на адаксиальной и абаксиальной поверхностях листовой пластинки [8]. Несмотря на то, что существует единая база данных о трихомах и генах вовлеченных в синтез метаболитов трихом [6], в работах разных авторов основные типы трихом имеют разные обозначения. Важное значение имеет идентификация трихом в систематическом отношении [6], в том числе для определения ископаемых видов [7,10]. Трихомы играют важное значение в поддержании водного баланса и в регулировании температуры листа [4,12], так же они выполняют защитную роль по отношению к возбудителям болезней, способствуют опылению в фазу цветения, оказывают влияние на фотосинтез [12].

Цель настоящего исследования – идентифицировать трихомы поверхности листа интродуцированных в Белгородскую область видов рода Juglans, обобщить и дополнить существующие классификации.

Материалы и методы. Объектами исследования стали растения семи видов рода Juglans, произрастающих в Ботаническом саду БелГУ, 2001 года посадки: J. regia L., J. manshurica Max., J. siboldiana Maxim., J. cjhdiformis Max., J. nigra L., J. cinerea L., J. rupestris Engelm. Контроль – растения вида J. regia L., произрастающий в течение длительного времени в Белгородской области.

Учитывалось происхождение видов. Для исследования отбирались листья с годичных приростов (7-й от основания прироста) с учетом их морфологического адреса, освещенности в утренние часы. Консервация листьев проводилась общепринятым способом в смеси: спирт, вода, глицерин (1:1:1) [3]. Приготовление препаратов эпидермиса проводилось по модифицированной методике [3].

Изучение эпидермиса и его структур проводилось с помощью СМ «Биолам С 13», Микромед-5, бинокуляра МБС 10 и РЭМ Quanta 200 3D в центре коллективного пользования научным оборудованием БелГУ.

При составлении классификации учитывались признаки зрелых, полностью сформированных структур. Учитывали форму трихом, число клеток, измеряли морфологические параметры, распределение на адаксиальном и абаксиальном эпидермисе листовой пластинки. Рассчитывали площадь пельтатных трихом и коэффициент их эксцентричности [4].

Результаты и обсуждение

У представителей семейства Juglandaceae вегетативные и репродуктивные органы покрыты морфологически разнообразными трихомами [2]. А.Tachtadjan характеризует растения семейства Juglandaceae наличием на поверхности листьев погруженных пельтатных трихом и нежелезистых волосков [11. David L. Dilcher (1986), использует особенности листовой поверхности для идентификации растений в палеоботанике [7]; автор описывает типы трихом известных растений семейства Juglandacea, он выделяет три типа трихом: простые одноклеточные («simple»), большие и маленькие пельтатные трихомы («large» and «small pellate»). Пельтатные трихомы характерны для растений семейства Juglandaceae [15]. David L. Dilcher отмечает их у растений трех родов Alforoa, Oreomunnea, Engelhardia [13]. Растения родов Alforoa, Oreomunnea могут отличаться наличием или отсутствием простых одноклеточных трихом [10].

Для описания разнообразия и морфофункциональных особенностей трихом в роде Salvia Е.В. Байкова [1] использует маркировку, которую мы применяем в нашем исследовании - пояснения: Г1 – ножка 2-хклеточная, головка 2-4-хклеточная;Г2 – ножка 5-клеточная, головка 8-9-клеточная;Г3 – ножка 8-9-клеточная, головка 4-6-клеточная.

В настоящем исследовании проводится классификация типов трихом рода Juglans, учитываются известные варианты классификаций, дополняются существующие сведения, дается характеристика различным подтипам (морфологические параметры, распределение) (табл. 2). Учитываются такие характеристики как число клеток в структурах трихом, разветвленность.

Таблица 2 - Трихомы абаксиальной поверхности листа видов рода Juglans

Нежелезистые одноклеточные трихомы (рис. 2), которые похожи по описанию на «игольчатые» [16], обнаружены на адаксиальном и абаксиальном эпидермисе ореха серого, серповидно изогнуты (рис. 1, КП1) (длина 319,23±44,13мкм). У ореха Зибольда кроющие одноклеточные трихомы располагаются на абаксиальном и адаксиальном эпидермисе редко, только на жилках (длина 327,39±25,84 мкм). У ореха маньчжурского располагаются равномерно на абаксиальном и на адаксиальном эпидермисе (длина 373,88±44,32 мкм). На абаксиальном эпидермисе ореха черного редко встречаются одноклеточные кроющие трихомы конической формы, длина 91,19±10,11 мкм.

Рис.1. Форма нежелезистых одноклеточных трихом растений рода Juglands

Сложные однорядные неветвистые конические волоски у основания изогнутые обнаружены на адаксиальном и абаксиальном эпидермисе ореха сердцевидного (рис. 2, КП), длина от 122 до 200 мкм. На адаксиальном эпидермисе они распределены равномерно. На абаксиальном эпидермисе их концентрация больше на жилках. У ореха скального многоклеточные однорядные трихомы обнаружены только на абаксиальном эпидермисе. Они прямые, распределены равномерно, длина 150,56±15,5 мкм.

Рис. 2. Морфологическая классификация трихом рода Juglands

Нежелезистые одиночные трихомы («Solitary»), длиной 450-1600 мкм, описанные James Hardin (1984) [8], не были обнаружены.

Нежелезистые сложные пучковатые трихомы и многолучевые имеют вид нескольких одноклеточных и многоклеточных однорядных нежелезистых трихом, имеющих общее основание (рис. ПУ 2). Длина ответвлений варьирует от 125 до 560 мкм. Диаметр многоклеточного основания 47,24±2,50 мкм. У сложных пучковых трихом число ответвлений 2-8 шт., у многолучевых – 8-15 шт.

Пучковые трихомы обнаружены на абаксиальном эпидермисе ореха серого, Зибольда, маньчжурского, сердцевидного. Многолучевы трихомы обнаружены на жилках на адаксиальной и абаксиальной поверхностях ореха Зибольда.

Длина самого большого ответвления пучковой трихомы у ореха серого 553,04±143,11 мкм (число ответвлений 5,3±0,503), у ореха Зибольда – 302,48±76,83 мкм (число ответвлений 7,10±1,13), у ореха манчьжурского - 498,44±129,45 мкм (число ответвлений 3,40±0,340). Обнаружена высокозначимая линейная корреляция между длиной ответвлений и их числом (r=0,833).

James Hardin отметил на поверхности эпидермиса листьев растений Carya tomentosa приподнятые пучковые трихомы, которые находятся на многоклеточном основании [15]. Для всех видов нами отмечены только сидячие пучковые трихомы.

Основные клетки эпидермиса, прилегающие к основанию трихом, обнаруживают иную форму и размеры, чем остальные клетки эпидермиса. Они имеют трапециевидную форму. Своими малыми основаниями они примыкают к основанию волоска, создавая вид радиального расположения антиклинальных оболочек клеток, образующих ребра трапеции. Клетки у основания волоска, покрыты кутикулой, внешне напоминая «валик», диаметр валика – 50,05±10,5 мкм.

Головчатые трихомы обнаружены на адаксиальном и абаксиальном эпидермисе всех видов ореха, кроме грецкого.

Головчатые трихомы на короткой ножке (рис. 2, Г1). Орех серый имеет на адаксиальной и абаксиальной поверхности листа маленькие головчатые трихом, ножка двуклеточная, головка имеет от 2-х до 4-х клеток. Их концентрация больше на жилках.

На абаксиальном эпидермисе ореха Зибольда на жилках обнаружены головчатые трихомы на двуклеточной ножке. Головки крупные, в них от 6 до 12 клеток, большая их часть повреждена. Орех сердцевидный имеет трихомы с двухклеточной ножке, 3-4-х клеточной головкой на абаксиальном эпидермисе.

Головчатые трихомы на длинной ножке из 5 клеток (длина 120,42±15,70 мкм), 3-4 клеточной головкой (диаметр 93,1±3,17 мкм) расположены на абаксиальном и адаксиальном эпидермисе ореха серого (рис. 2, Г2). На абаксиальном эпидермисе они обнаруживаются только на жилках. У ореха Зибольда такие железистые трихомы обнаружены на абаксиальном эпидермисе на жилках (длина ножки 54,37±3,14 мкм, диаметр головки 77,10±5,58 мкм). Орех черный имеет головчатые трихомы на ножке из 6 клеток (длина 115,17±20,15 мкм), головка из 7-8 клеток (диаметр 57,48±5,87 мкм) на адаксиальном эпидермисе (только на жилках) и на абаксиальном эпидермисе (равномерно расположены) (рис. 2, Г3). Орех скальный имеет данный подтип железистых трихом на абаксиальном и адаксиальном эпидермисе. Число клеток в ножке варьирует от 3 до 7 (длина 56,35±8,24 мкм), большая часть головок разрушена. Орех манчьжурский имеет головчатые трихомы на длинной ножке на адаксиальном и абаксиальном эпидермисе, расположенные только на жилках. Длина ножки 44,69±5,45 мкм, диаметр головки 64,49±11,11 мкм. На адаксиальном и абаксиальном эпидермисе ореха сердцевидного головчатые трихомы имеют в ножке 3-5 клеток.

Пельтатные трихомы характерны для растений семейства Juglandacea. В литературе название этого типа трихом имеет ряд синонимов the «peltate glands», «resin dots», «scales» и «lepidote scales». Они встречаются с разной частотой у всех изученных нами видов. Отмечены 4-х, 8-клеточные (маленькие), а также многоклеточные (большие) пельтатные трихомы. У ореха серого четырехклеточные пельтатные трихомы отмечены на адаксиальном эпидермисе редко, на абаксиальном эпидермисе – равномерно. У ореха Зибольда мелкие пельтатные железки на адаксиальном эпидермисе редко встречаются, а на абаксиальном – четырех- и восьмиклеточные (S 509,17±38,54 мкм2) (табл. 3). У ореха черного мелкие пельтатные трихомы обнаружены на абаксиальном и адаксиальном эпидермисе, диаметр 400,74±39,20 мкм. У ореха манчьжурского мелкие пельтатные трихомы располагаются на адаксиальном и абаксиальном эпидермисе редко. Многоклеточные пельтатные трихомы отмечены у всех изучаемых видов рода Juglans. У ореха грецкого отмечен только этот подтип трихом, 2,96±0,249 штук на 1 мм2 абаксиального эпидермиса. Наибольшая площадь многоклеточных пельтатных трихом отмечена у ореха манчьжурского, Зибольда, а наименьшая у ореха сердцевидного, грецкого и скального. Наиболее округлую форму имеют пельтатные трихомы ореха Зибольда и грецого, что соответствует большей их наполненности секретом.

Таблица 3 - Характеристика многоклеточных пельтатных трихом растений рода Juglans

На поверхности пельтатных трихом кутикулярный слой более толстый, он формирует особый рельеф. Чаще всего многоклеточные пельтатные трихомы имеют радиальные складки вдоль антиклинальных стенок (орех серый, сердцевидный). У ореха черного кутикула более тонкая, восковой налет на поверхности эпидермы не выражен. Кутикула в большей степени спадает вокруг субкутикулярной полости (рис. 4 Б).

Рис. 4. Рельеф поверхности кутикулярного слоя пельтатных трихом абаксиальной поверхности листа растений рода Juglands

По-видимому, складчатость кутикулы является следствием сжатия имевшейся в головке субкутикулярной полости. Особенности поверхностного рельефа обусловлены не только локализацией и размером субкутикулярной полости, но также толщиной кутикулы. Очевидно, что более толстая кутикула препятствует образованию складок [2].

В отсутствии внешних воздействий поверхность пельтатных трихом остается целостной, в противном случае приподнятая кутикула полностью отрывается и оторванный секреторный продукт оказывается снаружи [13]. Существует мнение [14] о том, что факторами, вызывающими разрыв кутикулы, является высокая температура, низкая влажность воздуха и механическое давление. Такой же механизм секреции, сопровождающийся отрывом кутикулы, наблюдается в пельтатных железках листьев R. americanum [8], Ocimum basilicum [9] и в трихомах завязи Zeheria mantana [11].

Функции трихом, расположенных на поверхности околоплодников и способных синтезировать вторичные метаболиты, многообразны. В период цветения эфирные масла, входящие в состав секрета, капли слизи, а также яркое окрашивание привлекают насекомых-опылителей. Фенольные и терпеноидные соединения защищают вегетативные и генеративные органы от фитопатогенов, как это было установлено для растений из других систематических групп [11]. Трихомы играют определенную роль как в механической защите плодов от травоядных насекомых, так и в предотвращении иссушения их поверхности [3].

Заключение

Листья растений видов J. regia, J. manshurica, J. siboldiana, J. cjhdiformis, J. nigra, J. cinerea, J. rupestris опушены. Трихомы, расположенные на абаксиальной и адаксиальной поверхности листа классифицируют на две группы: железистые и нежелезистые. К нежелезистым трихомам относятся простые (одноклеточные) конические трихомы, которые по форме делятся на прямые и серповидно изогнутые. Также среди нежелезистых трихом впервые описаны многоклеточные однорядные конические трихомы. К этой же группе трихом относятся пучковые сложные с 5-7-ю ответвлениями и многолучевые с 8-15 ответвлениями (обнаружены только на листьях J. siboldiana и на абаксиальной поверхности листа J. cinerea). К группе железистых трихом относятся головчатые трихомы: маленькие (с двухклеточной ножкой, 2-4-хклеточной головкой), большие (с 5-клеточной ножкой, 8-9-клеточной головкой и трихомы с 8-9-клеточной ножкой и 4-6-клеточной головкой). К железистым трихомам относятся пельтатные железки, среди которых выделены маленькие 4-х клеточные железки, 6-8-клеточные железки и большие многоклеточные железки.

Поверхность волосков не образует складок, однако на ней хорошо выявляется микрорельеф, спирально ориентированный по отношению к вертикальной оси клеток. Многоклеточные пельтатные трихомы морфологически отличаются. На поверхности эпидермиса листов J. nigra с недостаточно выраженным восковым налетом кутикула «спадает», субкутикулярная полость хорошо выражена. Особенности поверхностного рельефа обусловлены не только локализацией и размером субкутикулярной полости, но и также толщиной кутикулы.

Исследования выполнены в рамках реализации государственного задания Министерства образования и науки РФ Белгородским государственным национальным исследовательским университетом на 2013 год (№ проекта 5.1739.2011).

Рецензенты:

Ткаченко И.К., д.с.-х.н., профессор, профессор кафедры анатомии и физиологии живых организмов Биолого-химического факультета Белгородского государственного университета Министерства образования и науки РФ, г. Белгород.

Лазарев А.В., д.б.н., доцент, профессор кафедры биотехнологии и микробиологии Биолого-химического факультета Белгородского государственного университета Министерства образования и науки РФ, г. Белгород.