Ботанический журнал, 2022, T. 107, № 5, стр. 441-452

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Полевые работы по изучению биологии цветения и опыления A. plantago-aquatica были проведены на территории Пушкинского р-на Московской обл., близ дер. Ивошино, берег водоема, 56°04'27.8"N, 38°00'00.8"E. Наблюдение за цветущими растениями проводились в период с 24.06.2020 по 07.07.2020 в дневное время в период функционирования цветка.

Для наблюдения последовательных стадий цветения и образования плодов соцветия и отдельные цветки были отмечены индивидуальными этикетками. В целом было изучено 20 соцветий (для 15 из них были получены данные по динамике цветения), а также 20 отдельных цветков. Полевые наблюдения проводили как визуально, так и с помощью фото/видео камер Pentax Optio W80, Canon 70D и Panasonic HC-VX1. В общей сложности было проведено 13 часов визуальных наблюдений, а также отснято 14 часов видеозаписи и 808 фотографий. Фото в ультрафиолетовом (УФ) свете были сделаны с помощью камеры Canon 70D при освещении УФ-лампой Uniel UV LED. Насекомые, посещавшие цветки, были пойманы с помощью эксгаустера, заморены этилацетатом и зафиксированы в 96% этаноле индивидуально в пробирках объемом 1.5 мл.

Подсчет числа пыльцевых зерен на теле пойманных насекомых проводили следующим образом. Насекомое перемещали в новую пробирку объемом 1.5 мл, исходную пробирку центрифугировали на скорости 3500 об/мин в течение 10 минут. После этого со дна брали 50 мкл осадка, из которого делали временный препарат. Препарат изучали с помощью светового микроскопа Микромед-3 и подсчитывали все пыльцевые зерна на стекле. Подсчет производили отдельно для каждого пойманного насекомого. Для последующего сопоставления данных использовали средние значения числа пыльцевых зерен в расчете на одно насекомое для каждого таксона (семейства, рода) пойманных насекомых (табл. 3).

Для сканирующей электронной микроскопии части растений, зафиксированные в 70% этаноле, проводили через раствор этанола и ацетона в 100% ацетон. Далее образцы подвергали сушке в критической точке (с помощью прибора Hitachi HCP-2), монтировали на столики, напыляли золотом (с помощью прибора Eiko IB-3) и изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа CamScan S2 в Общефакультетской лаборатории электронной микроскопии Биологического факультета МГУ.

Для проведения теста на самоопыление 25 неоткрывшихся цветков изолировали с помощью бумажных пакетиков, у 26 цветков были удалены тычинки до вскрытия, а цветки также изолированы, 30 интактных цветков составили контрольную группу. Через 7 дней после изоляции цветки были собраны, в них подсчитали как общее число плодолистиков, так и число плодолистиков, содержащих развивающиеся семена.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Цветок и соцветие. Цветок Alisma plantago-aquatica имеет 3 чашелистика, 3 лепестка, 6 тычинок и 19–30 плодолистиков, каждый из которых несет по одному семязачатку. Каждый цветок функционировал в течение одного светового дня (рис. 1). Отдельные цветки начинали открываться с 9:00, пыльники вскрывались одновременно с открыванием цветка или еще в бутоне. К 11:00 околоцветник всех наблюдаемых цветков был открыт, лепестки расправлены, а пыльники вскрыты, у основания гинецея видны капли нектара. Практически сразу после начала цветения на рыльцах пестиков визуально обнаруживались пыльцевые зерна (рис. 2), что свидетельствует об активном процессе опыления. Начиная с 14:00 пыльники большинства цветков становились заметно скрученными, за счет чего остатки пыльцы высыпались из них. В 17:00–18:00 у цветка проявлялись первые признаки старения. Лепестки начинали вянуть и усыхали. В 20:00 лепестки всех наблюдаемых цветков увядали и цветение заканчивалось.

Рис. 1.

Последовательные стадии функционирования цветка Alisma plantago-aquatica: бутон (А), открытый цветок (B–F) и увядающий цветок (G–H). В нижнем левом углу каждого изображения отмечено время съемки.

Fig. 1. Successive stages of anthesis of a flower of Alisma plantago-aquatica: flower bud (A), open flower (B–F) and withering flower (G–H). Shooting time is indicated in the lower left corner of the each subpict.

Рис. 2.

Рыльцевые поверхности плодолистиков Alisma plantago-aquatica с пыльцевыми зернами (отмечены стрелками). Масштабный отрезок: A, B – 100 мкм.

Fig. 2. Stigma surface of Alisma plantago-aquatica carpels with pollen grains (arrowed). Scale bar: A, B – 100 µm.

Общее соцветие A. plantago-aquatica – разветвленная кисть с длинной главной осью и мутовчато расположенными боковыми веточками. Срок цветения одного растения сильно растянут (выходит за рамки нашего исследования). На одном соцветии одновременно наблюдали в открытом состоянии от 1 до 78 цветков (в среднем 21 цветок). Однако изменение числа цветков, которые открываются в каждый последующий день на отдельном соцветии, носит сложный характер, и, вероятно, отчасти определяется погодными условиями (табл. 1).

Ультрафиолетовый рисунок. Чашелистики, тычинки и плодолистики A. plantago-aquatica, зеленые при дневном освещении, имеют темный оттенок при освещении УФ-светом (рис. 5). Лепестки двуцветные: в дневном свете дистальная часть белая, и небольшой участок при основании имеет желтый цвет. При освещении лепестков УФ-светом дистальные части отражают УФ, вследствие чего имеют светлый оттенок на фото. Проксимальные участки лепестков, имеющие желтую окраску при дневном свете, имеют вид темных пятен в УФ-спектре, поскольку поглощают УФ‑свет. В результате цветок под УФ-светом имеет вид светлого диска с темной серединой.

Посетители цветков. Насекомые активно посещали цветки A. plantago-aquatica в течение всего светового дня. Наибольшее число посетителей наблюдалось в период сразу после открытия цветков с 11:00 и до 15:00 (табл. 2). Среди посетителей были отмечены жесткокрылые (Coccinellidae), различные двукрылые (Drosophilidae, Hybotidae, Muscidae, Sepsidae, Syrphidae) и перепончатокрылые (Apidae) (рис. 3, 4) насекомые. Наиболее многочисленными являлись мухи из семейств Syrphidae и Drosophilidae, а также пчелы (Apidae). Мухи-журчалки (Syrphidae) в основном посещали цветки в первой половине дня (10:00–15:00), они проводили на отдельном цветке 10–20 секунд, поедали пыльцу, а также поглощали нектар. Пчелы были замечены на цветках в середине дня (12:00–15:00), они, находясь на цветке около 10 секунд, собирали пыльцевые зерна и изредка поглощали нектар. Мухи из семейства Drosophilidae встречались на цветках в течение всего дня, однако наиболее многочисленными их посещения были в период времени от 14:00 до 17:00. Данные мухи проводили довольно продолжительное время на цветке (до нескольких часов), при этом периодически питались нектаром. В период между 14:00 и 17:00, когда листочки околоцветника еще не имели явных признаков увядания, мухи из семейства Drosophilidae активно слизывали влагу с поверхности лепестков так, что сами лепестки вскоре имели поврежденный вид. Также было отмечено, что Drosophilidae используют цветки A. plantago-aquatica в качестве места для спаривания (рис. 3, D) и как укрытие, прячась от солнца на абаксиальной поверхности лепестков.

Рис. 3.

Посетители цветков Alisma plantago-aquatica: мухи из семейства Drosophilidae (А–E), муха из семейства Sepsidae (F), жесткокрылые из семейства Coccinellidae (G–H).

Fig. 3. Visitors of Alisma plantago-aquatica flowers: flies from Drosophilidae family (А–E), a  fly from Sepsidae family (F), coleopteran insects from Coccinellidae family (G–H).

Рис. 4.

Посетители цветков Alisma plantago-aquatica: мухи из семейства Syrphidae (А–D), пчелы Apidae (E–H).

Fig. 4. Visitors of Alisma plantago-aquatica flowers: flies from Syrphidae family (А–D), Apidae bees (E–H).

Рис. 5.

Цветок Alisma plantago-aquatica при дневном освещении (А) и при освещении ультрафиолетовым светом (B).

Fig. 5. Flower of Alisma plantago-aquatica in daylight (А) and in UV spectrum (B).

Пыльцевые зерна. По результатам изучения смывов с поверхности тела насекомых пыльца A. plantago-aquatica была обнаружена на представителях всех семейств насекомых, пойманных на цветках (табл. 3). Наибольшее среднее число пыльцевых зерен частухи подорожниковой в расчете на одно насекомое (1763 шт.) было обнаружено на теле пчел (Apidae). Также много пыльцы было найдено на теле мух журчалок (Syrphidae) – от 70 до 674 пыльцевых зерен в среднем на одно насекомое. Пчелы и журчалки переносили как пыльцу частухи, так и пыльцу других растений. Минимальное среднее количество пыльцы A. plantago-aquatica было обнаружено на теле мух из семейства Drosophilidae – 1 пыльцевое зерно на особь (табл. 3).

Плоды. Эксперимент с изоляцией и кастрацией цветков показал, что у интактных цветков 98.8% плодолистиков несут оплодотворенные семязачатки (табл. 4). При изоляции цветка процент завязавшихся плодиков снижается до 91.4. Изолированные и при этом кастрированные цветки имели 21.4% завязавшихся плодиков (рис. 6).

Рис. 6.

Гинецей изолированного цветка (А) и изолированного кастрированного цветка (B) через 7 дней после цветения. На рисунке B стрелками отмечены завязавшиеся плодолистики.

Fig. 6. Gynoecium of isolated flower (A) and isolated and emasculated flower (B) 7 days after flowering. Carpels developed to fruitlets arrowed on the subfigure B.

ОБСУЖДЕНИЕ

Цветки Alisma plantago-aquatica функционируют в течение светового дня, имеют яркий светлый околоцветник, тогда как центр цветка более темного цвета. Контрастность окраски более четко наблюдается в УФ-свете и, по-видимому, служит в качестве указателя нектара для насекомых-опылителей. Нектар и пыльцевые зерна могут служить съедобным вознаграждением для опылителей. Цветение в светлое время суток, а также наличие визуальных указателей нектара свидетельствуют о том, что цветок приспособлен для опыления дневными насекомыми. Кратко перечисленные здесь особенности строения цветка A. plantago-aquatica, свидетельствующие о наличии энтомофилии у данного растения, были подробно изучены ранее (Daumann, 1964; Charlton, 1973). Имеются литературные данные о строении септальных нектарников в основании гинецея (Daumann, 1964; Van Heel, 1988). Также была показана важная роль листочков околоцветника в привлечении насекомых цветками A. plantago-aquatica (Daumann, 1965). Известно, что большинство представителей Alismataceae насекомоопыляемые (Tzvelev, 1981; Haynes et al., 1998). На примере североамериканского вида Alisma subcordatum Raf. было показано, что цветение популяции частухи может продолжаться до четырех месяцев (Kaul, 1985), что способствует опылению различными группами насекомых.

Поскольку на теле представителей всех семейств насекомых, пойманных нами на цветках A. plantago-aquatica, была обнаружена пыльца этого вида, следует признать, что все они могут играть роль в процессе опыления данного растения. Плодовые мушки (Drosophilidae), мухи-журчалки (Syrphidae) и пчелы (Apidae) в данном исследовании были отмечены в качестве наиболее массовых посетителей цветков, также на их теле были обнаружены пыльцевые зерна частухи. Эти факты дают повод рассмотреть подробнее участие данных насекомых в качестве вероятных опылителей.

Наиболее частыми посетителями цветков A. plantago-aquatica были плодовые мушки из семейства Drosophilidae. Однако на теле данных насекомых было обнаружено незначительное число пыльцевых зерен частухи. Плодовые мушки питаются нектаром и выделениями лепестков частухи и проводят много времени на одном цветке, не перелетая на другой. Данное поведение говорит о том, что Drosophilidae не являются эффективными переносчиками пыльцы A. plantago-aquatica, но могут вносить вклад в опыление (особенно в самоопыление) за счет массового посещения цветков.

Кроме плодовых мушек также часто цветки A. plantago-aquatica посещали мухи-журчалки (Syrphidae). Среди пойманных журчалок были отмечены представители родов Eristalis, Neoascia и Syrphus. На теле данных насекомых было обнаружено большое количество пыльцы частухи. Частота посещений и наличие пыльцы на теле позволяет сделать вывод, что журчалки (Syrphidae) являются эффективными опылителями частухи. Известно, что журчалки являются распространенными опылителями и питаются как нектаром, так и пыльцевыми зернами (Dixon, 1959; Araki et al., 2005). Согласно нашим наблюдениям, журчалки проявляли свойственное им пищевое поведение.

E. Daumann (1965) наблюдал за опылением A. plantago-aquatica в двух популяциях: на территории Чехии и Словакии. В качестве основных посетителей цветков в первой локации им были отмечены двукрылые из семейств Chloropidae, Scatopsidae, Lycoriidae и Agromyzidae. Во второй популяции посетителями являлись многочисленные мелкие мухи-журчалки из семейства Syrphidae (роды Epistrophe, Syrphus и Sphaerophoria). Наблюдения на территории Бельгии показали, что цветки A. plantago-aquatica посещаются двукрылыми насекомыми из семейств Muscidae и Syrphidae (роды Melanostoma и Eristalis) (Thijs et al., 2012). Несмотря на то, что в нашем исследовании таксономический состав двукрылых посетителей несколько отличался от данных, полученных другими исследователями, приспособленность цветка для посещения именно двукрылыми насекомыми подтверждается нашими данными. Во всех исследованиях было зафиксировано массовое посещение цветков мухами-журчалками (Syrphidae). Это полностью подтверждается и нашими данными и дает основание утверждать, что журчалки являются наиболее стабильными и эффективными опылителями частухи.

Нами было отмечено посещение A. plantago-aquatica пчелами (Apidae), а также обнаружено большое число пыльцы частухи на их теле. Это доказывает их эффективное участие в опылении A. plantago-aquatica. Таким образом, в настоящем исследовании впервые показано участие пчел в опылении частухи. Для других представителей семейства Alismataceae пчелы были ранее отмечены в качестве опылителей. Например, известно, что пчелы семейства Colletidae являются специализированными опылителями южноамериканского растения Echinodorus grandiflorus (Cham. et Schltdl.) Micheli из семейства частуховые (Vieira, de Souza Lima, 1997).

Эксперимент по изоляции цветков показал, что в пределах изученной популяции A. plantago-aquatica является самосовместимым растением. Для представителей семейства Alismataceae в родах Baldellia и Echinodorus известны примеры, когда подвиды одного вида могут резко отличаться друг от друга по способности к самоопылению (Vuille, 1988; Vieira, de Souza Lima, 1997). Однако в роде Alisma, наоборот, встречаются случаи облигатной автогамии, например у подводной формы Alisma gramineum Lej., а также у Alisma wahlenbergii (Holmb.) Juz., имеющей клейстогамные цветки (Tzvelev, 1981). Следует обратить внимание, что пыльники тычинок в цветке A. plantago-aquatica располагаются на одном уровне с рыльцами и находятся на расстоянии от них. При таком положении самоопыление не может произойти пассивно. Перенос пыльцы в изолированном цветке мог происходить за счет колебания растения на ветру. В результате самоопыления завязались 91.4% плодолистиков, однако данный показатель при открытом цветении и перекрестном опылении приближается к ста (98.8%). Можно сделать вывод, что цветки A. plantago-aquatica нуждаются в участии насекомых для наиболее эффективного перекрестного опыления, однако могут образовывать плоды, как в результате ксеногамии, так и при автогамии. E. Daumann (1965) полагал, что перенос пыльцы ветром может вносить существенный вклад в опыление A. plantago-aquatica. Вероятно, именно ветер способствовал переносу пыльцы из пыльников на рыльце в случае изолированных (но не кастрированных) цветков в проведенном эксперименте. Мы можем предположить, что, хотя ветер и играет роль в опылении частухи, ксеногамия и гейтоногамия A. plantago-aquatica определяется преимущественно насекомыми.

В изолированных цветках с удаленными тычинками завязались 21.4% плодолистиков. В данном варианте эксперимента этот показатель значительно меньше, чем при самоопылении или открытом опылении, однако не равен нулю. Подобный результат может быть интерпретирован как свидетельство наличия апомиксиса или партенокарпии у A. plantago-aquatica. При внимательном изучении изолированных цветков было замечено, что завязавшиеся плодолистики находятся рядом друг с другом (рис. 6, B: отмечены стрелками). Наиболее вероятно, что несколько плодолистиков были опылены в процессе кастрации (удаления пыльников) несколькими зернами, выпавшими из удаляемых пыльников. Таким образом, наши данные не позволяют подтвердить или опровергнуть наличие апомиксиса в цветках A. plantago-aquatica, однако его наличие представляется маловероятным, поскольку не было обнаружено ранее у других представителей данного рода, а в семействе Alismataceae апомиксис отмечен лишь в роде Sagittaria L. (Kamelina, 2011³³).