Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ДАННЫЕ ПО РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ ГНЕЗДОВКИ (NEOTTIA NIDUS-AVIS (L. ) RICH. ,ORCHIDACEAE)

Верещагина В.А. 1 Дорофеева М.М. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский Государственный национальный исследовательский университет»
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.
репродуктивная биология
эмбриология
семязачаток
зародышевый мешок
зародыш
эндосперм.
1. Андронова Е. В. Новые аспекты изучения семенного размножения северных видов орхидных // Биологический вестник. - 2003. - Т. 7. - № 1-2. - С. 67-69.
2. Антипова Е. М. О видах гнездовки (Neottia Guett., Orchidaceae) во флоре северных лесостепей средней Сибири // Современные проблемы науки и образования. - 2007. - № 5. - С. 7-12.
3. Вахрамеева М. Г. Орхидеи нашей страны / М. Г. Вахрамеева, Л. В. Денисова, С. В. Никитина, С. К. Самсонов. - М.: Наука. - 1991. - 223 с.
4. Горчаковский П. А., Шурова Е. А. Редкие и исчезающие растения Урала и Приуралья. - М.: Наука, 1982. - 208 с.
5. Князев М. С., Князева О. И. Особенности развития и возможные методы интродукции гнездовки настоящей на Урале // Интродукция, акклиматизация, охрана и использование растений. - Куйбышев, 1988. - С. 80-83.
6. Поддубная-Арнольди В. А. Характеристика семейств покрытосеменных растений по цитоэмбриологическим признакам. - М.: Наука, 1982. - 351 с.
7. Савина Г. И., Поддубная-Арнольди В. А. Сем. Orchidaceae // Сравнительная эмбриология цветковых растений. Однодольные. Butomaceae-Lemnaceae. [Ред. Батыгина Т. Б., Яковлев М. С.]. - Л.: Наука, 1990. - С. 172-179.
8. Татаренко И. В. Биоморфологические особенности Neottia nidus-avis (Orchidaceae) // Бот. журнал. - 2002. - № 11. - С. 60-67.
9. Терёхин Э. С., Камелина О. П. Эндосперм Habenaria linearifolia Maxim. и Neottia nidus-avis (L.) Rich // Бот. журнал. - 1972. - Т. 57. - № 11. - С. 1373-1384.
10. Шамров И. И., Никитичева З. И. Морфогенез семяпочки и семени у Gymnadenia conopsea (Orchidaceae): структурное и гистохимическое исследование // Бот. журн. - 1992. -Т. 77. - № 4. - С. 45-60.
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.

Библиографическая ссылка

Верещагина В.А., Дорофеева М.М. ДАННЫЕ ПО РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ ГНЕЗДОВКИ (NEOTTIA NIDUS-AVIS (L. ) RICH. ,ORCHIDACEAE) // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=5610 (дата обращения: 09.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074