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.