Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

PARTICULARS CONCERNING REPRODUCTIVE BIOLOGY OF NEOTTIA NIDUS-AVIS (L. ) RICH. (ORCHIDACEAE)

Vereschagina V.A. 1 Dorofeeva M.M. 1
1 Perm State National Research University
Гнездовка обыкновенная (Neottia nidus-avis (L.)Rich., Orchidaceae) характеризуется следующими особенностями: сапрофитизм, отсутствие зеленой окраски при наличии хлорофилла А, микотрофность и монокарпичность. Проведены четырехлетние наблюдения над ценопопуляцией гнездовки (Neottia nidus-avis (L.)Rich., Orchidaceae) в предгорьях западного Урала. Установлено колебание численности популяции гнездовки в разные годы, причины которого неизвестны. В статье рассматриваются особенности репродуктивного процесса. Эмбриологические данные: семязачатки двупокровные, тенуиннуцеллятные, анатропные, тетрада мегаспор Т-образная, формирование зародышевого мешка Polygonum-типа, угнетение развития халазальной области зародышевого мешка; наблюдалось оплодотворение лишь одного из полярных ядер, эндосперм диплоидный, максимальное число ядер эндосперма – 4; полная дегенерация эндосперма происходит, когда зародыш достигает своего максимального размера, зародыш не дифференцирован. Для полного представления о репродуктивной биологии гнездовки необходим дальнейший мониторинг ее популяций и темпоральная фиксация.
Neottia nidus-avis (L.) Rich. (Orchidaceae) is characterized by such features as the absence of green color in the presence of chlorophyll A; its mycotrophic, saprophytic and monocarpic plant. Four-year monitoring of populations of Neottia nidus-avis conducted in the foothills of the west Ural. Fluctuations of numbers in population of Neottia nidus-avis in different years are installed. This article discusses features of the reproductive process. Embryological data: ovules bitegmic, tenuinucellate, anatropous, T-shape tetrad megaspore, formation of the embryo sac Polygonum type, inhibition development of chalaza in embryo sac, fertilization was observed in single of the polar nucleus, diploid endosperm, the maximum number of endosperm nucleus is 4; complete degradation of endosperm occurs when the embryo reaches its maximum size, the embryo is not differentiated. For a complete notions of reproductive biology of Neottia nidus-avis is required further monitoring of populations and temporal fixation.
reproductive biology
embryology
ovule
embryo sac
embryo
endosperm
Введение

Изучение гнездовки (Neottia nidus-avis (L.) Rich., Orchidaceae) представляет особый интерес в связи с некоторыми особенностями биологии, отличающими этот вид от других орхидных. К таким особенностям относится сапрофитизм, отсутствие зеленой окраски при наличии легко обнаруживаемого хлорофилла А, микотрофность и монокарпичность; обильное цветение и плодоношение.

Это экологически пластичный вид с широким ареалом. Из литературы известно, что гнездовка настоящая (N. nidus-avis L. Rich) распространена по всей средней Европе, включая среднюю Россию, встречается в Крыму, на Кавказе и в некоторых иранских провинциях. Многочисленные описания гнездовки отмечают ее приуроченность к дубравам, дубово-еловым лесам, хвойно-широколиственным.

Гнездовка в разное время привлекала многих исследователей. Хорошо описаны ее морфология [3], микотрофность и способность к вегетативному размножению [5, 8], освещены вопросы охраны [4, 1].

Что касается репродуктивной биологии гнездовки, то эти сведения ограничены. Есть указания, что для гнездовки характерна энтомофилия, цветки с медовым запахом хорошо привлекают насекомых, преимущественно перепончатокрылых. В процессе опыления насекомые садятся на губу так, что их ось параллельна оси цветка и ориентируется в направлении центра цветка. Поллинарии легко отделяются от клювика и с помощью клейкой железки пристают к телу насекомого, посетившего цветок [2]. Видовой состав опылителей и частота посещений цветков под пологом леса не установлены.

Соцветию не всегда удается пробиться на поверхность почвы, и в таком случае у N. nidus-avis может произойти самооплодотворение: семена прорастают прямо в коробочке, находящейся в почве [3]. Очень любопытный факт, но, по-видимому, необходима специальная методика, чтобы обнаружить и изучить соцветия, скрытые в почве.

Вообще автогамия у орхидных наблюдается сравнительно редко и рассматривается как вторичное явление, связанное с условиями среды, препятствующими перекрестному опылению - неблагоприятные погодные условия, отсутствие опылителей и т.д. Однако, на наш взгляд, необходимы точные наблюдения за отдельными конкретными видами.

Сведения по эмбриологии гнездовки ограничены, хотя  в целом эмбриология  семейства орхидных исследована достаточно подробно [7]. Имеются данные о строении стенки пыльника и образовании микроспор; рассматривалось развитие и строение зародышевого мешка и образование эндосперма [9]. Нет сведений о ранних этапах развития женской генеративной сферы, начиная с образования  семязачатков, но имеются данные, что у других орхидных, в частности, у Gymnadenia conospea [10] и Dactylorhiza  примордии, семязачатки закладываются только после раскрывания цветков и опыления. Эти данные весьма интересны, поскольку возникают вопросы о возможной роли пыльцевых трубок в инициации формирования семязачатков, скорости их роста и порядке оплодотворения огромного количества семязачатков в пределах завязи.

В связи с этим было предпринято исследование эмбриологии орхидных Предуралья, данное сообщение касается N. nidus-avis.

Материал и методы

Полевые наблюдения и сбор материала проведены в 2007-2011 годах на территории учебно-научной базы «Предуралье» Пермского университета, расположенной в предгорьях западного склона Урала, на участке реки Сылва между Кишертью и Кунгуром, в полосе широколиственно-хвойных лесов таежной зоны, в непосредственной близости к Кунгурской лесостепи. Было заложено шесть стационарных участков для наблюдений, площадью 10 кв. м  каждый. Древесный ярус на выделенных площадках включал липу, сосну, ель, березу. Сомкнутость крон деревьев около 50-60 %. В травяном покрове преобладали: сныть, майник двулистный, кислица обыкновенная. Моховой ярус не выражен. Почва подзолистая.  Характер увлажнения почвы - атмосферный, увлажнение достаточное.

Фиксация завязей проводилась в фиксаторе Навашина. Фиксировались бутоны разных стадий развития и завязи после естественного опыления цветков. Проводка зафиксированного материала и парафинирование проводились по общепринятой методике [9], с использованием автоматической системы для подготовки цитологических препаратов Leica TP 1020 и гистоэмбеддера Leica EG 1166. Для изготовления срезов толщиной 10-15 мкм использовался ротационный микротом Leica RM 2125 и нагревательный столик Leica HI 1220 для их наклейки. Окраска срезов проведена галлоцианином, окрашивающим нуклеиновые кислоты в сине-фиолетовый цвет. Фотографии  сделаны с помощью микроскопа Olympus BX-51 с цифровым фотоаппаратом Olympus Camedia C-300Zoom. Увеличение 100-400-кратное.

Результаты

При многолетних наблюдениях у гнездовки обнаруживаются непредсказуемые всплески массового появления генеративных побегов в одни годы и практически полное их отсутствие в последующее время. При этом периодичность  наступления максимумов неизвестна. Поэтому мы остановились на использовании стационарных участков, позволяющих фиксировать численность популяции гнездовки, планировать наблюдения и сбор материала.

В 2007 году на всех площадках было отмечено 50 растений гнездовки, со средней плотностью 1-2 особи на 1кв. м. Растения располагались одиночно или скоплениями от 2 до 15 особей в группе, их пространственное распределение было неравномерным. В 2008 году на этих же площадках оказалось 62 растения, которые были не только подсчитаны, но и закартированы. Попутно был проведен анализ распределения древесных растений и гнездовки в фитоценозе, чтобы выяснить, существует ли связь между ними. Деревья, под которыми произрастала гнездовка, были обозначены как «сопутствующая древесная порода». Обнаружилась устойчивая связь гнездовки с двумя древесными породами - елью и липой. На шести площадках из 62 учтенных растений гнездовки 17 произрастали совместно с елью и 45 - совместно с липой. Совместно - это означает, что растения гнездовки располагались не далее 50 см от ствола. Растения на пространстве, свободном от деревьев, не обнаруживались.  Любопытно, что между особями N. nidus-avis постоянно встречались группы Hypopitys monotropa - подъельника обыкновенного. Оба вида являются сапрофитами. Причины совместного произрастания этих растений для нас остаются неясными.

В 2009 году на этих площадках (как и на прилегающих территориях) было найдено только 2 растения, засохших от аномальной жары. В 2010 году обнаружено 3  растения на наших участках и 3 - за их пределами. В 2011 году были 4 растения гнездовки на участках и 2 найдено за их пределами.

Таким образом, пик обилия гнездовки (50 и 62 растения) пришелся на 2007-2008 гг., в 2009-2011 гг. встречались лишь редкие одиночные особи. Какое-либо объяснение этому явлению мы не нашли, необходимы дальнейшие наблюдения и многолетний мониторинг, чтобы выполнить намеченную нами программу исследований в полном объеме.

Стебель цветущих растений N. nidus-avis несет от двух до четырех листьев и варьирует по длине от 6 до 30 см. Соцветие содержит от 9 до 52 цветков, среднее количество цветков в соцветии - 28. В зависимости от числа цветков на одном растении число плодов варьирует от 3 до 23. Процент плодоцветения ценопопуляции составил 56 %. Изучение эмбриологии гнездовки не обнаружило отклонений в развитии женской генеративной сферы по сравнению с другими орхидными.

Семяпочки у N. nidus-avis анатропные, двупокровные, тенуинуцеллятные. Семяпочки возникают на краях молодого плодолистика в виде бугорков. В дальнейшем из вершины этого бугорка развивается нуцеллус. По бокам нуцеллуса закладываются интегументы, которые растут от основания нуцеллуса к верхушке.

В субэпидермальном слое нуцеллуса семяпочки закладывается археспориальная клетка, которая дифференцируется в материнскую клетку мегаспор. В результате мейоза в мегаспороците образуется Т-образная тетрада мегаспор. Зародышевый мешок развивается из халазальной мега­споры.

Обычно уже на стадии двух ядер про­является угнетение развития халазальной области зародышевого мешка, хотя в его развитии нетрудно уловить модификацию зародышевого мешка Роlуgоnum-типа. Угнетение развития халазальной области проявляется в том, что на двухъядерной стадии развития зародышевого мешка халазальное ядро оказывается существенно меньше  по размеру, чем микропилярное ядро, и окружено более тонким слоем цитоплазмы. Возможно, именно различия в распределении цитоплазмы в двухъядерном зародышевом мешке N. ni­dus-avis ответственны за угнетение развития ядер в его халазальной области: замедление роста ядра и задержку его деления. Такие данные  имеются в литературе [9] и они не вызывают возражений.

Микропилярная область зародышевого мешка развивается обычным образом, формируется яйцевой аппарат из яйцеклетки и двух синергид, а также верхнее полярное ядро. Поскольку развитие халазальной области зародышевого мешка  угнетено, то сформированный зародышевый мешок N. nidus-avis бывает либо 5-ядерным, либо 6-ядерным и никогда 8-ядерным.

Структуры антиподальной области зародышевого мешка представлены свободно лежащими ядрами, образования обособленных клеток не наблюдалось.

В некоторых случаях деление халазального ядра в 2-ядерном зародышевом мешке запаздывает или протекает с различного рода нарушениями. Два дочерних ядра обычно вскоре после деления приобретают характерный вид более или менее пикнотизированных, плотно окрашивающихся, деформированных ядер. В зрелом зародышевом мешке халазальные ядра всегда занимают положение у антиподального полюса зародышевого мешка.

В период двойного оплодотворения наблюдаются дегенерирующие халазальные ядра обычно без ядрышек, с разной степенью деформации. Полное отсутствие ядер в халазальной области и на последующих этапах развития зародышевого мешка у других орхидей, а также в период роста и деления первичного ядра эндосперма отмечала В. А. Поддубная-Арнольди [6].

После двойного оплодотворения N. nidus-avis первое деление зиготы всегда поперечно, формируются терминальная и базальная клетки проэмбрио. В результате заложения вертикальных перегородок в этих клетках образуется тетрада бластомеров.

Первичное ядро эндосперма образуется при слиянии спермия с микропилярным полярным ядром. Оно делится всего дважды; максимальное число ядер эндосперма у N. nidus-avis - 4. По нашим данным, полная дегенерация эндосперма у гнездовки  происходит, когда зародыш достигнет своего максимального размера, что согласуется с имеющимися в литературе сведениями [9]

Как видим, гнездовка вполне укладывается в общую схему развития женской генеративной сферы орхидных.

Семена N. nidus-avis содержат недифференцированный зародыш, останавливающийся в развитии на стадии проэмбрио.  В зрелых семенах гнездовки нами наблюдались зародыши, с хорошо выраженной эмбриодермой, у которых отсутствовала полярная дифференциация.

 Заключение

Таким образом, у N. nidus-avis можно наблюдать полный процесс мегаспорогенеза  без каких-либо признаков редукции, частичную редукцию халазальной области зародышевого мешка, незавершенный процесс двойного оплодотворения, в результате которого формируется диплоидный эндосперм и  недифференцированный зародыш.

Для полного представления о репродуктивной биологии гнездовки необходим дальнейший мониторинг ее популяций; при очередном массовом появлении этих растений появится возможность изучить перекрестное опыление при участии насекомых-опылителей и их состав, а также механизм предполагаемого самоопыления. Для более полной эмбриологической картины нужна темпоральная фиксация, чтобы проанализировать недостающие детали.

Рецензенты:

  • Новоселова Л. В., д.б.н., профессор кафедры ботаники и генетики растений, ФГБОУ ВПО «Пермский Государственный национальный исследовательский университет», Пермь.
  • Колясникова Н. Л., д.б.н., доцент, зав. кафедрой ботаники, генетики, физиологии растений и биотехнологий ФГБОУ ВПО «Пермская ГСХА», г. Пермь.