Ботанический журнал, 2023, T. 108, № 4, стр. 349-359

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Строение мезофилла и формы ассимиляционных клеток рассматривались у хвои брахибластов Larix gmelini var. gmelini (Rupr.) Kuzen (L. cajanderi Mayr), L. decidua Mill., L. kaempferi (Lamb.) Camère (L. leptolepis Gonf.) и L. sibirica Ledeb.

Хвоя отбиралась в нижней части кроны с трех-пяти деревьев каждого вида в июле-августе и фиксировалась в смеси Гаммалунда (Grodzinskij, Grodzinskij, 1973). Образцы хвои Larix gmelini var. gmelini были собраны в дендропарке пос. Краснообск Новосибирской области, L. decidua – в Ботаническом саду Самарского государственного университета, L. kaempferi – в Ботаническом саду Поволжского государственного технологического университета, L. sibirica – в среднегорье Центрального Алтая (Онгудайский район, Республика Алтай).

Исследование проведено с помощью светового микроскопа на мацерированных препаратах (Possingham, Saurer, 1969), а также на поперечных, парадермальных и радиальных срезах средней части хвои. Размеры и форму клеток хлоренхимы определяли у адаксиальной и абаксиальной эпидермы в области проводящего пучка по малому радиусу среза, а также в средней части хвоинки у эндодермы по большому радиусу (рис. 1). Измерения осуществлены с помощью шкалы окуляр-микрометра в 30-кратной повторности. Для фотографирования анатомических срезов хвои использовали микроскоп МС 300 и камера V 200.

Рис. 1.

Схема расположения ассимиляционной ткани на поперечном срезе хвои Larix sibirica. м р – малый радиус среза; б р – большой радиус среза; ад э – адаксиальная эпидерма; аб э – абаксиальная эпидерма; г – гиподерма; пр п – проводящий пучок; энд – эндодерма; с к – слои клеток мезофилла. Выделен слой клеток мезофилла вокруг эндодермы: к б – по большому радиусу; к м – по малому радиусу.

Fig. 1. Scheme of the assimilation tissue on a transverse section of the Larix sibirica needles. м р – small radius of the section; б р – large radius of the section; ад э – adaxial epidermis; аб э – abaxial epidermis; г – hypodermis; пр п – conducting bundle; энд – endodermis; с к – mesophyll cell layers. A layer of mesophyll cells around the endodermis was isolated: к б – along a large radius; к м – along a small radius.

При описании формы клеток опирались на подходы, предложенные для характеристики мезофилла злаков и хвойных (Berezina, Korchagin, 1987; Ivanova, P’yankov, 2002; Zvereva, 2009, 2020). Конфигурации ассимиляционных клеток могут быть простыми (с ровными или чуть волнистыми стенками) и сложными (при наличии выраженных складок и выростов). Клетки сложной формы обнаруживаются как на поперечных срезах листьев в виде разнообразных разветвленных очертаний (лопастные или складчатые клетки), так и на продольных сечениях в виде более или менее равномерных клеточных ячеек или секций (ячеистые клетки). Сложные контуры могут проявляться в одной плоскости (плоские складчатые или ячеистые клетки) или в трех направлениях (складчато-ячеистые или ячеисто-лопастные клетки). Плоские ячеистые клетки, ориентированные своими секциями перпендикулярно листовой поверхности, относим к первой группе, а расположенные параллельно к ней – к клеткам второй группы (рис. 2). Ячеистые клетки первой группы демонстрируют определенное сходство с палисадной паренхимой, а ячеистые клетки второй группы – с губчатой тканью. Высокие складчато-ячеистые клетки могут усиливать столбчатую ткань, а их низкие варианты – губчатую паренхиму. К лопастным формам складчатых клеток относим клетки с более или менее равномерными выростами, к губчато-лопастным – клетки, у которых выросты сочетаются с небольшой волнистостью края.

Рис. 2.

Схема проекций плоских клеток сложной формы на поперечном (А), парадермальном (Б) и радиальном (В) срезах хвои. Клетки: 1 – ячеистые первой группы; 2 – ячеистые второй группы; 3 – складчатые (лопастные). Форма проекций клеток: п – простая (с ровными стенками); г – губчатая (с чуть волнистыми стенками); яч – ячеистая; г-яч – губчато-ячеистая; л – лопастная; г–л – губчато-лопастная.

Fig. 2. Scheme of projections of complex-shaped flat cells on transverse (A), paradermal (Б) and radial (В) sections of needles. Cells: 1 – cellular of the first group; 2 – cellular of the second group; 3 – folded (lobed). The shape of cell projections: n – simple (with smooth walls); г – spongy (with slightly wavy walls); яч – cellular; г-яч – spongy-cellular; л – lobed; г-л – spongy-lobed.

Количественные показатели обработаны с помощью программы Statistica 10. В таблицах указаны средние значения и стандартные ошибки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рассматриваемые виды лиственниц близки по количественно-анатомическим показателям хвои. Так, средняя толщина эпидермы примерно одинаковая на обеих листовых поверхностях и колеблется от 13 до 17 мкм, утолщение наружной стенки составляет 18–21%, лишь у Larix gmelini var. gmelini достигает до 25–29%. Устьица погруженные, длина их замыкающих клеток варьирует от 44 до 51 мкм. Однослойная гиподерма локализована над и под проводящим пучком, а также в виде островков из 2–3 рядов клеток на краях хвоинки.

Ассимиляционная паренхима состоит в основном из трех слоев, расположенных вокруг проводящего пучка, по бокам от него их до 7–9 (рис. 1). При этом в области проводящих пучков наблюдается слабая дифференциация мезофилла на палисадный и губчатый. Так, на поперечных срезах под адаксиальной эпидермой клетки имеют преимущественно вытянутые, палисадообразные контуры, высота которых превышает ширину в 1.6–2.0 раза (табл. 1, рис. 3). В небольшом количестве здесь также выделяются более широкие клетки с лопастными и губчато-лопастными очертаниями, чаще они встречаются у Larix gmelini var. gmelini и L. kaempferi, менее всего их у L. sibirica.

Рис. 3.

Основные проекции ассимиляционных клеток хвои у видов Larix на поперечных (а) и парадермальных (б) срезах у адаксиальной (А) и абаксиальной (Б) эпидермы. Виды: 1 – L. gmelini var. gmelini; 2 – L. decidua; 3 – L. kaempferi; 4 – L. sibirica. Форма проекций клеток: с-яч – слабо ячеистая. Остальные обозначения см. рис. 2.

Fig. 3. Main projections of assimilative cells of needles in Larix species on transverse (a) and paradermal (б) sections at the adaxial (A) and abaxial (Б) epidermis. Species: 1 – L. gmelini var. gmelini; 2 – L. decidua; 3 – L. kaempferi; 4 – L. sibirica. The shape of cell projections: с-яч – weakly cellular. For other designations see Fig. 2.

Первый ряд клеток мезофилла у абаксиальной эпидермы на поперечных сечениях отличается в основном овальными проекциями, у которых ширина больше высоты в 1.1–1.8 раза. При этом иногда отмечается чередование таких клеток с клетками палисадной формы. В стороне от проводящих пучков располагаются, сменяя друг друга, ассимиляционные клетки палисадообразных, овальных и сложных лопастных проекций.

При рассмотрении субэпидермальных клеток на продольных срезах хвои выявляется, что палисадная паренхима представлена преимущественно плоскими ячеистыми клетками первой группы, а губчатая ткань – ячеистыми клетками второй группы, своими звеньями они протягиваются вдоль хвоинки, при этом возможно небольшое участие клеток простой формы. В таких клетках насчитывается до 10–15 секций. В клетках первой группы более многочисленные и выровненные ячейки наблюдаются у Larix sibirica, а наиболее разнообразные по форме и размерам – у L. gmelini var. gmelini и L. decidua. Ячеистые клетки второй группы своей наибольшей поверхностью опираются на эпидерму и часто значительно различаются по размерам в отдельных рядах, особенно это проявляется у Larix decidua и L. sibirica. У Larix gmelini var. gmelini и L. kaempferi рассматриваемые клетки нередко имеют дополнительные поперечные складки в секциях, что приводит к увеличению их поверхности.

В хвое Larix sibirica и особенно L. gmelini var. gmelini более часты ряды с ячеистыми клетками первой группы, у Larix decidua, напротив, превалируют клетки второй группы с хорошо выраженными многочисленными ячейками. Наряду с плоскими ячеистыми клетками возле эпидермы встречаются и более сложные складчато-ячеистые, особенно это характерно для Larix gmelini var. gmelini и L. kaempferi.

Между палисадной и губчатой паренхимой, по обе стороны от проводящего пучка по большому радиусу хвои, расположены наиболее крупные вытянутые ассимиляционные клетки. Эти клетки у хвойных с плоскими листьями характеризуются как “клетки средней части хвоинки” и рассматриваются в виде отдельного типа мезофилла наряду с палисадным и губчатым (Eremin, Zerkalʹ, 2002). По своим конфигурациям и расположению они близки к выделенным нами для злаков срединным клеткам, протягивающимся между проводящими пучками в центральной части поперечного сечения листовых пластинок (Zvereva, 2009). Поэтому далее будем их называть срединными клетками.

Среди ассимиляционных клеток, примыкающих к эндодерме, на поперечных срезах хвои Larix можно выделить клеточные проекции разнообразных, чаще слабо лопастных, очертаний: более длинные, направленные к краям хвоинки, и более короткие, расположенные по малому радиусу (табл. 2, рис. 4–5).

Рис. 4.

Проекции ассимиляционных клеток у эндодермы по большому радиусу хвои у видов Larix на поперечных (а) и радиальных (б) срезах. Форма проекций клеток: с-л – слабо лопастная. Остальные обозначения см. рис. 2–3.

Fig. 4. Projections of assimilative cells adjacent to the endodermis along a large radius of needles in the Larix species on transverse (a) and radial (б) sections. The shape of cell projections: с-л – weakly lobed. For other designations see Figs. 2–3.

Рис. 5.

Основные проекции ассимиляционных клеток, расположенных возле эндодермы над (А) и под (Б) проводящим пучком у видов Larix на поперечных (а) и радиальных (б) срезах хвои. Остальные обозначения см. рис. 2–3.

Fig. 5. Main projections of assimilative cells located near the endodermis above (A) and under (Б) conducting bundle in the Larix species on transverse (a) and radial (б) sections of the needles. For other designations see Figs. 2–3.

В области малого радиуса у эндодермы значительная часть клеток представлена сложными складчато-ячеистыми, у которых разные варианты лопастных проекций на поперечных срезах сочетаются с губчато-ячеистыми конфигурациями вдоль хвоинки (рис. 6). Со стороны губчатой ткани они нередко с более многочисленными секциями, особенно это заметно у L. sibirica. Среди ассимиляционных клеток этого ряда имеются также и плоские ячеистые клетки, более часты они на стороне, обращенной к адаксиальной эпидерме. В целом высота таких клеток над проводящим пучком в 1.1–1.5 раза больше по сравнению с клетками, расположенными под ним.

Рис. 6.

Складчато-ячеистые клетки у абаксиальной эпидермы в мезофилле хвои Larix decidua на тангентальном срезе по малому радиусу в стороне от проводящего пучка. э – эпидерма; к м – клетки мезофилла; мк – межклетники. Масштабная линейка – 10 мкм.

Fig. 6. Folded-cellular cells near the abaxial epidermis in the needle mesophyll of Larix decidua on a tangentinal section along a small radius away from the vascular bundle. э – epidermis; к м – mesophyll cells; мк – intercellular spaces. Scale bar: 10 µm.

Клетки промежуточных слоев отличаются в основном хорошо выраженными и более равномерными лопастными очертаниями на поперечных сечениях хвои и преимущественно ячеистой формой – на продольных срезах.

В сложении мезофилла хвои лиственниц велико участие клеток сложной ячеистой формы, различающихся по размерам и ориентации секций к листовой поверхности. Так, усложненные срединные клетки состоят из наиболее длинных клеточных ячеек, которые в основном имеют палочкообразную форму, их высота больше ширины в 2.3–3.0 раза (рис. 7). Наиболее мелкие и близкие по размерам секции характерны для ячеистых клеток обеих групп, опирающихся на эпидерму, их высота превышает ширину в 1.5–2.5 раза. Звенья в клетках, обращенных к эндодерме по малому радиусу хвои, наиболее вариабельны по размерам, их коэффициенты вариации изменялись от 10 до 19%, а отношение длины ячейки к ее ширине составило 1.5–2.0.

Рис. 7.

Высота (а) и ширина (б) секций ячеистых и складчато-ячеистых клеток мезофилла хвои у изученных видов рода Larix. 1 – клетки у эндодермы по большому радиусу (срединные клетки); клетки у эндодермы по малому радиусу над (2) и под (3) проводящим пучком; клетки у эпидермы: 4 – адаксиальной, 5 – абаксиальной.

Fig. 7. Height (a) and width (б) of sections of cellular and folded-cellular mesophyll cells of needle mesophyll in the studied Larix species. 1 – cells near the endodermis along a large radius (median cells); cells near the endodermis along a small radius above (2) and under (3) the conducting bundle; cells near the epidermis: 4 – adaxial; 5 – abaxial. Y- axis – sizes, µm.

У всех видов лиственниц наиболее плотное расположение ассимиляционных клеток наблюдается под эпидермой. Клетки внутренних слоев расположены рыхло и создают развитую систему межклетников, особенно заметную на продольных сечениях. Например, клетки средней части хвои по большому радиусу соприкасаются друг с другом своими короткими концами и протягиваются в виде узких и достаточно редких контуров от эндодермы до субгиподермального клеточного слоя, что ярко проявляется на радиальных срезах. Клетки у эндодермы по малому радиусу хвоинки, представленные преимущественно плоскими ячеистыми и усложненными складчато-ячеистыми, расположены рядами вдоль листа и касаются друг друга в основном лишь выпуклыми частями, что также увеличивает долю площади клеточной поверхности, обращенную к межклеточному пространству.

Во многих исследованиях показано, что отношение открытой поверхности ассимиляционных клеток к площади листа (A_mes/A) коррелирует с уровнем ассимиляции СО₂ (Nobel et al., 1975; Patton, Jones, 1989; Smith et al., 1997 и др.). Так, у двудольных растений разных жизненных форм и экологии этот показатель изменяется от 2.0 до 34.3, в том числе для лесных растений – от 5.1 до 9.1 (Slaton, Smith, 2002). В опытах по влиянию повышенных концентраций углекислого газа на хвою двухлетних саженцев Larix kaempferi Carr. отношение A_mes/A было достаточно высоким и составляло 9.6–15.6 (Eguchi et al., 2004).

Показатели ассимиляционной активности более полно исследованы у L. sibirica. Установлено, что высокие значения ее сезонной фотосинтетической продуктивности проявляются в теплые годы при умеренном почвенном увлажнении (Suvorova, 2009; Zagirova, 2014). В разных природных регионах отмечалось, что Larix sibirica, как правило, превышает Pinus sylvestris L. и Picea abies (L.) Karst. по интенсивности фотосинтеза в 2.6–2.8 раза, по общей и удельной фотосинтетической продуктивности – в среднем в 2.8–4.9 раза (Shcherbatjuk et al., 1991; Karaseva et al., 2003; Suvorova, Popova, 2015). При этом подчеркивалось, что у лиственницы по сравнению с елью и сосной объем межклетников в мезофилле хвои больше, что может способствовать более высокой скорости диффузии углекислого газа (Zagirova, 2004).

В нашем исследовании показано, что рыхлое расположение ассимиляционных клеток сложной формы внутри хвои у видов Larix способствует увеличению их свободной поверхности и объема межклетников, и, тем самым, вероятно, создается структурная основа для интенсивного фотосинтеза. Выделим, что у Larix gmelini var. gmelini и L. kaempferi можно отметить дополнительные черты увеличения клеточной поверхности за счет возрастания числа субэпидермальных ассимиляционных клеток складчато-ячеистой формы и усиления рассеченности отдельных секций ячеистых клеток поперечными складками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ассимиляционная паренхима хвои изученных лиственниц в подавляющем большинстве состоит из крупных клеток сложной формы, преимущественно, это разные варианты плоских складчатых, плоских ячеистых и складчато-ячеистых клеток, которые своими наибольшими проекциями располагаются в разных плоскостях. Соприкасаясь своими выпуклыми частями или концами, они образуют хорошо развитую во внутреннем листовом пространстве систему межклетников, которая способствует увеличению открытой клеточной поверхности и, вероятно, может быть структурной основой интенсивного газообмена. Рыхлое расположение ассимиляционных клеток внутри хвои совмещается с достаточно плотной их упаковкой в субэпидермальном слое, состоящем из чередования в разных соотношениях рядов ячеистых клеток первой и второй групп, что в целом свидетельствует о сочетании теневых и световых признаков в организации хлоренхимы.

В мезофилле хвои лиственниц проявляется слабая дифференциация на палисадную и губчатую ткани, между ними выделяются клетки средней части (срединные клетки). Палисадная паренхима более развита под адаксиальной эпидермой, особенно в области проводящего пучка, и состоит из ячеистых клеток первой группы и высоких складчато-ячеистых клеток в следующем слое. Губчатая ткань расположена под абаксиальной эпидермой и образована ячеистыми клетками второй группы, а также, по-видимому, низкими складчато-ячеистыми клетками. Средняя часть хвои по обе стороны от проводящего пучка по большому радиусу заполнена удлиненными и рыхло расположенными срединными клетками, представленными разными вариантами плоских складчатых и складчато-ячеистых клеточных форм.

Все рассмотренные виды Larix близки по размерам ассимиляционных клеток и строению мезофилла хвои. Различия связаны в основном с соотношением клеток разной формы и с особенностями их рассеченности как в поперечном, так и продольном направлениях.