Ботанический журнал, 2019, T. 104, № 11-12, стр. 1740-1752

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Район и место исследования. Работа выполнена на микропопуляции Rubus chamaemorus, которая была обнаружена в 2015 г. в окрестностях п. Баренцбург на территории о. Западный Шпицберген. Растения произрастали на антропогенно трансформированном незаболоченном склоне западной экспозиции рядом с теплотрассой вблизи дороги (N 78003.365, E 014013.142) (Markovskaya, Shmakova, 2015). Микропопуляция морошки в травяно-кустарничковом сообществе представлена 35 побегами на площади 80 × 50 см. По данным метеорологической обсерватории п. Баренцбург среднегодовое значение суммарной солнечной радиации составляет 2214 МДж/м², средняя продолжительность солнечного сияния составляет 886 часов. На широте Баренцбурга с 19 апреля по 24 августа полярный день, с 28 октября до 15 февраля полярная ночь. Наиболее холодный месяц февраль с температурой –18°С. В среднем в год выпадает 563 мм осадков, которые в основном приходятся на январь-февраль. Территория находится в зоне вечной мерзлоты, глубина летнего оттаивания 98–190 см в зависимости от характера растительного покрова (Osokin, Sosnovskiy, 2008). Климатические особенности обусловливают короткий вегетационный период (40–70 дней), продолжительность которого определяется временем схода снега в локальных местообитаниях. Среднегодовая температура самого теплого месяца июля (период исследования) +8°С. Летом часты туманы и осадки в виде мороси.

Объект исследования. Rubus chamaemorus – поликарпическое, длиннокорневищное, травянистое, двудомное растение с однолетними надземными безрозеточными побегами (Kositsin, 2001). Взрослая особь морошки представляет собой сложную побеговую систему, состоящую из травянистых однолетних побегов, отходящих от симподиально ветвящегося корневища с придаточными корнями в узлах. Во флоре Шпицбергена R. chamaemorus является редким видом, побеги которого в сезонном развитии не вступают в фазу цветения. Самоподдержание микропопуляции морошки в районе исследования происходит в основном за счет медленно разрастающегося корневища.

Методы исследования. Rubus chamaemorus – редкий вид, что ограничивает изъятие исходного растительного материала из природной популяции. Все возможные биометрические измерения (длина и ширина листьев) были проведены в поле на интактных растениях.

Анатомо-морфологические методы. Для проведения анатомического исследования отбирали хорошо развитые листья и фиксировали в 70% спирте. Анатомическую структуру листьев изучали на временных препаратах, делая поперечные срезы и анализируя их при помощи световых микроскопов МИКМЕД-6 (ЛОМО, Россия) и Scope A1 (ZEIZZ, Германия) с увеличением окуляра 4× , 10× , 40× . Измерения показателей (толщина листьев, размеры устьиц, размеры клеток тканей) проводили с помощью окуляр-микрометра WF10X/22 мм в 50–90-кратной повторности.

Изучение морфометрических параметров мезоструктуры листа проводили по методике А.Т. Мокроносова и Р.А. Борзенковой (Mokronosov, Borzenkova, 1978). Определение типа устьичного аппарата, подсчет устьиц и измерение их размеров проводили на продольных парадермальных срезах (Sautkina, Poliksenova, 2011). Площадь устьиц рассчитывали по форме площади сферы (S ус = π × D × L/4, где D – длина устьица, L – ширина, π = 3.14). Подсчет числа устьиц проводили не менее чем в 10 полях зрения для каждого листа на обеих сторонах. Измерение устьичной щели не проводили (закрыта). Подсчет количества клеток, хлоропластов и объема клетки, соответствующей одному хлоропласту, проводили отдельно в клетках губчатого и палисадного мезофилла. Повторности вычисления составляли от 40 до 170.

Площадь листьев (3-й сформированный лист, повторность 6-кратная) определяли гравиметрическим методом после получения отпечатков на миллиметровой бумаге. Далее рассчитывали показатели листовой поверхности – УПП (удельная поверхностная плотность листа, г сух. дм^–2).

Физиологические методы. Содержание фотосинтетических пигментов определяли в спиртовых вытяжках (96%) по оптической плотности в максимумах поглощения хлорофиллов a и b, каротиноидов с помощью спектрофотометра UV–1800 (Shimadzu, Япония) (Lichtenthaler, Wellburn, 1983; Maslova, Popova, 1993). Отбор материала проводили в течение 2 лет в одни и те же сроки в четырехкратной биологической повторности. Содержание сухого вещества определяли высушиванием при температуре 105°С до абсолютно сухого веса.

Параметры интенсивности флуоресценции хлорофилла a (ИФХ) регистрировали с помощью флуориметра JUNIOR-PAM с импульсно-модулированным освещением (Heinz, Walz, Германия) после 30-минутной темновой адаптации. После темновой адаптации определяли начальную (F₀) и максимальную (Fm) флуоресценцию (PPFD насыщающего импульса составила 10 000 мкмоль м^–2 с^–1), рассчитывали максимальный фотохимический квантовый выход ФС II (Fv/Fm); эффективный квантовый выход ФС II (Y(II)), скорость фотосинтетического транспорта электронов (ETR) и нефотохимическое тушение флуоресценции хлорофилла a (NPQ). Параметры флуоресценции измеряли при интенсивности действующего света 820 мкмоль фотонов м^–2 c^–1 в 3-кратной повторности.

Статистическая обработка данных проведена с использованием стандартных пакетов программ Microsoft Excel 7 и Statgraphics for Windows. Для оценки достоверности различий использовали t-критерий Стьюдента. Статистически значимыми считали различия при p < 0.05. Обработка результатов флуориметра осуществлена с помощью программного обеспечения WinControl.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Растительное сообщество в течение нескольких лет наблюдений сохранялось разреженным, видовой состав остался неизменным: Oxyria digyna (L.) Hill, Bistorta vivipara (L.) Delarbre, Salix polaris Wahlenb., Trisetum spicatum (L.) K. Richt, Poa arctica R. Br., несколько видов мхов и лишайников (виды нарушенных экотопов). В исследуемой микрогруппировке растения представлены только вегетативными побегами, которые отходят от корневища, лежащего в основном на поверхности (толщина около 1 см). На момент исследования (вторая декада июля) побеги имели по 2–3 хорошо развитых листа, а 4 и 5-й листья еще формировались. Растения визуально не имели зачатков репродуктивных органов (рис. 1 фото микропопуляции).

Рис. 1.

Микропопуляция Rubus chamaemorus на Западном Шпицбергене (фото Н.Ю. Шмаковой, Е.Ф. Марковской),

Fig. 1. Micropopulation of Rubus chamaemorus in West Svalbard (photo by N.Yu. Shmakova and E.F. Markovskaya).

По имеющимся данным в других регионах Севера морфометрические показатели листьев морошки очень близки, несмотря на различия условий обитания (табл. 1).

Анатомия листа. Листья морошки приземистой имеют дорзовентральный тип строения мезофилла. Палисадный мезофилл расположен на адаксиальной стороне листа, губчатый мезофилл – на абаксиальной стороне.

Толщина листовой пластинки 161.89 ± 2.06 мкм (табл. 3) с низким коэффициентом вариации – 9.7%. Нижняя сторона листовой пластинки опушена длинными простыми и головчатыми волосками (состоят из двухклеточной ножки и одноклеточной головки). На верхней стороне листа отмечены более редкие простые волоски, в основном вдоль жилок. Это согласуется с данными об опушенности листа морошки приземистой, произрастающей в Ямало-Ненецком регионе (Egorova, Vandyshev, 2009). Как отмечает Н.В. Василевская (Vasilevskaya, 2014), дорзовентральный тип строения мезофилла у арктических видов слабо выражен и встречается реже, чем гомогенный тип. По мнению Ю.В. Гамалея (Gamaley, 2004) гомогенная структура характерна для листьев, не прошедших полностью дифференцировку и не закончивших растяжение. Заторможенный рост клеток связан с подавлением оттока ассимилятов низкими температурами, поскольку плазмодесмы и флоэма постоянно находятся в состоянии функциональной депрессии. Ряд исследователей (Antipov, 1974; Goryshina, 1989; Pyankov, 1993) считают, что растения с дорзовентральным строением мезофилла листа обладают значительной экологической пластичностью, что позволяет им произрастать в широком диапазоне условий обитания.

Покровная ткань на поперечном срезе представлена однослойной верхней и нижней эпидермой с овальными или прямоугольными клетками. Клетки верхней эпидермы (табл. 2) несколько крупнее и более вытянуты, чем клетки нижней эпидермы (значение показателя длина/ширина у клеток верхней эпидермы составляет 1.9, у клеток нижней эпидермы – 1.6). На обеих сторонах эпидермы видны многочисленные, мелкие, овальные, не погруженные, хаотично расположенные устьица. Устьица окружены неопределенным числом клеток, которые не отличаются по форме и размерам от основных клеток покровной ткани (аномоцитный тип устьичного аппарата). Количество устьиц на адаксиальной и абаксиальной сторонах достоверно не отличается и составляет 174.18 ± 7.86 и 191.75 ± 11.62 шт. мм^–2, соответственно. Однако, устьица на абаксиальной стороне имеют площадь в 1.3 раза больше, чем устьица на адаксиальной стороне (366.22 ± 10.74 и 289.44 ± 6.56 мкм²). Столбчатый мезофилл состоит из 1 ряда плотно расположенных прямоугольных клеток. Длина клеток в 2.2 раза больше ширины (32.2 ± 0.6 и 14.5 ± 0.36 мкм). Губчатая паренхима образована клетками, длина которых (22.6 ± 0.41 мкм) больше ширины (14.66 ± 0.39 мкм) в 1.5 раза. Клетки губчатого мезофилла расположены рыхло и формируются межклетники. Отмечено, что ширина клеток столбчатого и губчатого мезофилла одинакова, а длина достоверно различается (p < 0.001). Число клеток губчатого мезофилла в 1.5 раза больше, чем столбчатых (183.78 ± 12.88 тыс. см^–2 и 123.56 ± 7.36 тыс. см^–2, соответственно, табл. 3). Коэффициент палисадности (отношение толщины палисадной к толщине губчатой ткани на поперечном срезе листа) у исследованной популяции низкий и равен 0.33. Отмечено, что при продвижении на север этот показатель уменьшается (Nazarov, 1978). Для морошки сфагновых болот в районе Прибайкалья (Buinova, 1988) коэффициент палисадности составил 0.6. Кудрявцева О.В. с соавторами (Kudryavtseva et al., 2001) указывают, что снижение коэффициента палисадности связано с изменением в небольших пределах длины клеток столбчатой паренхимы.

Сравнение размеров клеток покровной ткани и мезофилла листьев морошки приземистой (табл. 2), произрастающей в условиях Арктики и таежной зоны Карелии (сообщества болот), показало снижение размеров на северной границе распространения (верхней и нижней эпидермы на 50–40%, соответственно; палисадного мезофилла на 50%). В растительных сообществах Карелии клетки губчатой паренхимы округлой формы, диаметр составляет от 38.7 ± 3.6 до 45.6 ± 2.7 мкм (Morozova, Shevchenko, 2017). Необходимо отметить, что клетки верхней и нижней эпидермы листа морошки в Карелии, несмотря на некоторые различия в размерах, имеют округлую форму (Д/Ш – 1.5). У арктической популяции такую же форму наблюдали у клеток нижней эпидермы (Д/Ш – 1.6), а у клеток верхней – более вытянутую (Д/Ш – 1.9). Возможно, это связано с изменением светового режима в условиях Арктики, где морошка произрастает при круглосуточном освещении на открытом местообитании в отличие от условий на затененных экотопах в болотных экосистемах Карелии.

Исследование содержания хлоропластов в клетках столбчатой и губчатой хлоренхимы показало, что их число достоверно не различается в разных типах мезофилла: 18.11 ± 0.54 шт. и 16.93 ± 0.69 шт., соответственно. Однако объем клетки, соответствующий одному хлоропласту, в палисадном мезофилле в 1.3 раза больше, чем в губчатом, что связано с большим объемом клеток палисадного мезофилла (табл. 3). Сходное количество хлоропластов свидетельствует о существенном вкладе в общую продуктивность фотосинтеза как палисадной, так и губчатой хлоренхимы. Аналогичные данные для этого вида (16–17 хлоропластов на клетку) получены в Большеземельской тундре (Nazarov, 1978). Количество хлоропластов на единицу площади листа к северу уменьшается, что обусловлено снижением их числа в основном в палисадном мезофилле, тогда как количество хлоропластов в губчатой ткани почти не изменяется (табл. 3).

Наиболее вариабельными показателями анатомической структуры листьев (поперечный срез) являются длина и ширина клеток эпидермы на адаксиальной стороне листьев (CV 32.3–37.8%), количество клеток мезофилла (CV 25.2–29.7%) и их объем (CV 35.9–43.3%), площадь устьиц (CV 26.9–30%); количество хлоропластов в губчатом мезофилле (CV 25.8%), клеточный объем хлоропластов (CV 21.1–23.3%). К менее изменчивым показателям относятся длина (13.1%) и ширина (17.4–19%) клеток палисадного и губчатого мезофилла, размеры клеток эпидермы на абаксиальной стороне листьев (CV 10.1–21.6%). Несмотря на то, что количество устьиц достоверно не различается на нижней и верхней стороне листа, на верхней стороне листа этот показатель менее изменчив, чем на нижней стороне (CV 15 и 24.2%, соответственно).

Сравнение анатомо-морфологических данных листа морошки по широтному градиенту в работе С.К. Назарова (Nazarov, 1978) показало, что указанные закономерности более четко прослеживаются от 56° с.ш. до 70° с.ш. Однако, по нашим данным, полученным в более высоких широтах (78° с.ш.), по толщине и площади листа такой строгой закономерности не отмечено. Это несоответствие может быть связано с тем, что климатические условия местообитания этого вида в районе Ис-фьорда на Шпицбергене оказались менее суровыми за счет влияния теплых вод Гольфстрима (средняя температура июля в районе Баренцбурга +8°С), наличия фьордов и защищенного от ветров склона западной экспозиции. Климатические условия мыса Болванский Нос, самой северной точки острова Вайгач (56° с.ш.) считаются наиболее суровыми на материковой Арктике: средняя температура вегетационного периода +3.5°С, частые холодные ветры. И хотя по данным С.К. Назарова (Nazarov, 1978) морошка может там цвести, семена не вызревают даже в самые благоприятные годы. В условиях Шпицбергена, независимо от климатических условий года, растения исследуемой микропопуляции не образуют генеративных органов. Морошка, как олиготрофный вид, обычно приурочена к торфянисто-глеевым тундровым и торфяно-глеевым болотным почвам, на умеренно обогащенных кальцием рыхлых горных породах встречается только на участках с застойным увлажнением и хорошо развитым торфянистым горизонтом. Для местообитания исследуемой популяции морошки на Западном Шпицбергене характерны аркто-тундровые дерновые почвы, не содержащие торфянистый горизонт (Litvinova, Kashulina, 2015), что делает условия ее существования нехарактерными для биологии этого вида и, соответственно, вносит дисбаланс в тенденцию изменения морфолого-анатомических показателей при продвижении в высокие широты и способности к генеративному возобновлению.

Содержание пигментов пластид у Rubus chamaemorus на протяжении нескольких лет наблюдений изменялось незначительно. Содержание хлорофиллов в среднем составило 3.28 мг/г сухой массы (табл. 3), каротиноидов – 0.95 мг/г сухой массы, доля хлорофиллов в светособирающем комплексе (ССК) – 52%. По количеству зеленых пигментов морошка относится к группе видов, которые не являются доминантами в арктических тундровых сообществах Западного Шпицбергена, а тяготеют к специфическим экотопам. Полученные данные характеризуют морошку как вид светолюбивого типа, не испытывающий потребности в защите ассимиляционного аппарата от избытка солнечного света.

По сравнению с другими видами сем. Rosaceae, изученными нами на Шпицбергене, морошка как арктобореальный вид, существующий здесь на границе своего ареала, имеет самые низкие значения содержания пигментов. По-видимому, это связано с ингибированием синтеза фотосинтетических пигментов при низких температурах, круглосуточном освещении и коротком вегетационном периоде в условиях Арктики (Markovskaya, Shmakova, 2017).

Поскольку для поглощения солнечной радиации важна не столько листовая масса, сколько образуемая поверхность, существенной характеристикой фотосинтетического аппарата служат показатели, отражающие соотношение массы и площади листа. Удельная поверхностная площадь листа (УПП) составила – 0.54 г сухой массы/дм². С возрастанием УПП увеличивается поверхность мезофилла и уменьшается сопротивление диффузии углекислоты.

Морошка – объект с широким ареалом распространения, поэтому интересно сравнение имеющихся данных по содержанию фотосинтетических пигментов в листьях по широтному градиенту, которое подтвердило ранее установленную зависимость – снижение их содержания с продвижением в высокие широты (Lyubimenko, 1916). Наибольшие величины содержания хлорофиллов отмечены в листьях морошки в Ленинградской области (10 мг/г сухой массы – Popova et al., 1989) и окрестностях Свердловска (7.4 мг/г сухой массы – Nasarov, 1978). В центральной части ареала (Республика Коми) содержание зеленых пигментов в фазе плодоношения составило 4.1 мг/г сухой массы (Lashmanova, Kuzivanova, 2011). При продвижении к северным границам ареала особо выделяется местообитание о. Вайгач, где содержание хлорофиллов достаточно высокое и составляет 6.2 мг/г сухой массы (Nasarov, 1978). В более высоких широтах содержание зеленых пигментов в 3 раза ниже, чем в благоприятных условиях умеренных широт: на п-ве Таймыр 2.9 мг/г сухой массы (Popova et al., 1989), а на границе ареала (Западный Шпицберген) – 3.3 мг/г сухой массы. Несмотря на значительный диапазон содержания хлорофиллов у морошки, соотношения компонентов пигментного комплекса при этом почти не меняются, что говорит о функциональной активности фотосинтетического аппарата морошки. Для оценки этого параметра были исследованы реакции флуоресценции хлорофилла.

Исследование фотохимической активности фотосинтетического аппарата листьев морошки в течение двух лет показало, что величина максимального квантового выхода, который оценивается по показателю Fv/Fm, оказалась низкой. В 2015 году в среднем Fv/Fm – 0.61 ± 0.05, в 2018 г. – 0.55 ± 0.05 отн. ед., что свидетельствует о снижении потенциальной фотосинтетической активности фотохимических реакций. Реальный квантовый выход Y(II) был низким и мало изменчивым по годам наблюдений. При низких значениях освещенности его величина 0.3, что составило около 50% от максимума (Fv/Fm). При увеличении освещенности до 600 ммоль м^–2 с^–1 отметили снижение до 0.15, а при освещенности 1150 ммоль м^–2 с^–1 фотохимические реакции ингибированы. Величина ЭТР (скорость транспорта электронов) в 2015 году была низкой 37.2 ± 6.5 ммоль м^–2 с^–1 (по быстрой световой кривой флуоресценции), а по данным 2018 г. она составила – 65.6 ± 3.3 ммоль м^–2 с^–1 (по индукционным световым кривым флуоресценции). Однако, оба значения для растений Арктики очень низкие (Markovskaya, Shmakova, 2017). Эффективность нефотохимического тушения (NPQ) показывает ту часть энергии, которая растением не используется в фотосинтезе. В изученной микропопуляции морошки в 2015 г. эта величина достигла 2.7 отн.ед., в 2018 г. 2.2. отн.ед. Полученные значения свидетельствуют о неспособности растений использовать приходящую энергию. Необходимо отметить, что высокие значения этого показателя отмечались и при низких значениях освещенности. При 200 мкмоль NPQ было выше 1.0 отн.ед., а в некоторых опытах и при более низких значениях освещенности его значения были около 1.5 отн.ед. Полученные результаты показали, что фотосинтетический аппарат R. chamaemorus в условиях произрастания на территории Западного Шпицбергена функционально ингибирован. Это касается фотохимического этапа фотосинтеза – солнечная энергия поглощается, но не уходит в энергию химических связей, поэтому даже при низких освещенностях происходит подключение систем ее диссипации в виде тепла, что актуально для вида.

В работе Т.В. Герасименко и В.М. Швецовой (Gerasimenko, Shvetsova, 1989) для R. chamaemorus (о. Врангеля) определены условия реализации максимальной потенциальной интенсивности фотосинтеза: освещенность 68 клк, температура 23°С, но даже в этом случае значение потенциальной интенсивности фотосинтеза достигает 35 мг СО₂/г сухой массы в час. Это соответствует почти самым низким значениям по сравнению с другими исследованными видами на острове Врангеля, и R. chamaemorus входит в группу низкоассимилирующих видов. На Полярном Урале (Gerasimenko et al., 1996) интенсивность наблюдаемого фотосинтеза морошки при разных условиях температуры и освещенности варьирует в диапазоне 5.2–12.5 мг СО₂/г сухой массы в час; максимальные значения в суточной динамике отмечены уже при 10–15 клк и 16–19°С (последующий дневной рост температуры и освещенности вызывал снижение интенсивности фотосинтеза). Вид имеет низкое световое насыщение.

Таким образом, Rubus chamaemorus на границе своего северного ареала (Западный Шпицберген) имеет дорзовентральный тип строения мезофилла, менее характерный для арктических видов растений, чем гомогенный. Поддержание выявленной микропопуляции R. chamaemorus происходит за счет ежегодного разрастания корневища. Морошка на Западном Шпицбергене относится к группе видов со средним содержанием хлорофиллов. При значительном диапазоне содержания хлорофиллов по широтному градиенту ареала распространения вида, соотношения компонентов пигментного комплекса при этом мало изменчивы. Показано, что фотосинтетический аппарат R. chamaemorus не адаптирован к высокоэффективной работе в условиях Арктики, а ингибирование ряда структурно-функциональных параметров жизнедеятельности R. chamaemorus в этих условиях привело его к положению редкого вида.