КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Вашека Олена Володимирівна
УДК 582.394.72/154.3:574.24
Фізіологічні особливості папоротей-інтродуцентів родини
Dryopteridaceae Ching з різними ритмами сезонного розвитку
03.00.12 – фізіологія рослин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Київ – 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Ботанічному саду ім. акад. О.В. Фоміна Київського національного університету імені Тараса Шевченка
Науковий керівник: кандидат біологічних наук, професор
БРАЙОН Олександр Володимирович
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
професор кафедри фізіології та екології рослин
біологічного факультету
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор
Мусатенко Людмила Іванівна
Інститут ботаніки імені М.Г. Холодного НАН України
завідувач відділу фітогормонології
кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник
Буюн Людмила Іванівна
Національний ботанічний сад ім. акад. М.М. Гришка НАН України
завідувач відділу тропічних та субтропічних рослин
Провідна установа: Львівський національний університет імені Івана Франка
Захист дисертації відбудеться “_23_” ___квітня_____ 2001 р. о _1400_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, Київ – 22, вул. академіка Глушкова, 2, біологічний факультет, ауд. 215. Поштова адреса: 01033, Київ – 33, вул. Володимирська, 64.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ – 33, вул. Володимирська, 58.
Автореферат розісланий “_23_” _____березня_______ 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради д.б.н. Матишевська О.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Папороті належать до числа найдавніших рослин світової флори. Вони нараховують близько 12 тисяч видів, притаманних переважно вологим регіонам тропічної та субтропічної кліматичних зон. За видовим складом птеридофлора України є досить бідною і нараховує за останніми даними (Mosyakin, Fedoronchuk 1999) 53 види, 2 підвиди та 7 гібридних форм. В той же час 11 видів папоротей потребують охорони і занесені до Червоної книги України (1996). В зв'язку з цим інтродукція папоротей становить значний науковий та практичний інтерес з точки зору збереження та відтворення зникаючих видів, а також розроблення методів їх господарського використання, адже багато видів, що широко застосовуються в декоративному садівництві країн Західної Європи (Kaye, 1968; Maatsch, 1980), ще не зайняли належного місця серед декоративно-листяних рослин для озеленення населених пунктів України.
Проблема класифікації сезонної ритміки розвитку розробляється ботаніками, починаючи з ХІХ сторіччя, однак, роботи, які б розкривали фізіологічне підгрунтя та особливості, притаманні рослинам з різними феноритмотипами у Polypodiophyta, розпочаті лише наприкінці ХХ сторіччя (Bauer, Gallmetzer, Sato, 1991; Shun-Li Yu, You-xing Lin, 1997), і потребують подальших досліджень. Аналіз ритмів сезонного розвитку рослин, особливостей формування пристосувань до перенесення несприятливих періодів року має також важливе прикладне значення. Саме від пізнання цих особливостей залежить збереження та відтворення дикорослих, в тому числі і рідкісних видів, а також успіх їх інтродукції і використання в культурі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності до плану науково-дослідних робіт Київського ботанічного саду ім. акад. О.В. Фоміна по розділах теми № 97/093 "Охорона та збагачення рослинного різноманіття шляхом інтродукції" (1997 – 2000 рр. № д/р 0197U003571).
Мета і задачі дослідження. В роботі поставлено за мету з'ясувати відмінності в анатомічній будові та фізіологічних показниках, які визначають своєрідність адаптивних стратегій представників родини Dryopteridaceae, що належать до різних феноритмогруп.
Об'єкт дослідження нашої роботи - це процес адаптації рослин з різними ритмами сезонного розвитку до перенесення несприятливих періодів протягом року.
Предметом дослідження є папороті-інтродуценти родини Dryopteridaceae Ching з колекції спорових рослин відкритого грунту Ботанічного саду ім. акад. О.В. Фоміна.
Для досягнення мети були поставлені такі завдання:
серед представників родини Dryopteridaceae з колекції спорових рослин відкритого грунту Ботанічного саду ім. акад. О.В. Фоміна виділити феноритмогрупи згідно класифікації І.Г. Серебрякова (1964).
Для рослин з різними ритмами сезонного розвитку:
дослідити водний режим та його динаміку (швидкість втрати водного запасу та сублетальний водний дефіцит);
дослідити анатомічну будову вай, черешків та кореневищ і провести їхню порівняльну характеристику;
вивчити анатомічну будову пір'їн різних ярусів в межах вайї;
дослідити динаміку пігментного складу вай;
оцінити можливість практичного використання досліджених папоротей.
Методи дослідження. В роботі було застосовано методи фенологічних спостережень, світлової та люмінесцентної мікроскопії, мікрофотографування, кількісно-анатомічні методи, спектрофотометричний метод визначення пластидних пігментів.
Наукова новизна одержаних результатів. На основі фенологічних спостережень визначені феноритмотипи для рослин 19 видів з родів Dryopteris Adans., Polystichum Roth, Cyrtomium Presl в умовах Ботанічного саду ім. акад. О.В. Фоміна. Вперше встановлені закономірності, що характеризують водний режим, анатомічну структуру, динаміку пігментного складу вай у папоротей-інтродуцентів з родини Dryopteridaceae залежно від ритму їх сезонного розвитку. Встановлено, що вічнозеленим представникам притаманні риси ксероморфізму, які проявляються як в анатомічній будові, так і в фізіологічних параметрах. Вперше обгрунтовано існування проявів закону Заленського у папоротей. Вперше виявлено лектинову активність екстрактів вай та кореневищ 5 видів папоротей.
Практичне значення одержаних результатів. Одержані в процесі виконання роботи результати фізіологічних та анатомічних досліджень можуть бути використані як критерії оцінки адаптації інтродуцентів до умов культури, що має важливе значення при створенні та збагаченні колекційних фондів для наукової та науково-просвітницької роботи.
Матеріали, викладені в дисертаційній роботі, включені в курс лекцій з анатомії, фізіології, та екології рослин для студентів І – ІІІ курсів біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка та слугують допоміжним наглядним матеріалом при проведенні планових наукових та ознайомчих екскурсій на експозиційній ділянці "Спорові рослини" відкритого грунту. Запропоновано способи застосування представників вивчених видів папоротей в озелененні з урахуванням специфіки, зумовленої ритмікою їх сезонного розвитку.
Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто проаналізувала літературу за темою роботи, виконала весь обсяг лабораторних та польових дослідів, проаналізувала та провела статистичну обробку результатів.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були представлені автором та обговорювались на семи наукових конференціях та симпозіумах: "Environment protection: modern studies in ecology and microbiology" (Ужгород, 1997); "Інтродукція та збереження рослинного різноманіття" (Київ, 1999); "Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования" (Москва - Пущино, 1999); "Актуальні проблеми ботаніки та екології" (Ніжин – Ядути, 1999); VII Молодежная конференция ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2000); "Теоретичні та прикладні аспекти інтродукції рослин та зеленого будівництва" (Київ, 2000); "Актуальні проблеми ботаніки та екології" (Чернігів – Седнів, 2000).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 10 друкованих роботах, з них 5 статей у провідних фахових журналах.
Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків та списку цитованої літератури, що включає 331 посилання. Робота викладена на 169 сторінках, містить 15 таблиць та 48 рисунків.
ОБ'ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Об'єктами досліджень були рослини 19 видів папоротей-інтродуцентів з родини Dryopteridaeae Ching, що зростають на експозиційній ділянці спорових рослин Ботанічного саду ім. акад. О.В. Фоміна. Назви видів наведено згідно С.К. Черепанова (1995), та відповідно до "Flora of Japan" (1965) та "Flora of North America, North of Mexico" (1993).
Фенологічні спостереження за інтродуцентами проводили відповідно до методичних рекомендацій, розроблених спеціально для папоротеподібних (Котухов, 1974). Особливу увагу приділяли стану вай протягом року (до повного відмирання всієї пластинки). У фазу інтенсивного росту спостереження проводили щодня, в інші фази – тричі на тиждень. Відмічалось пошкодження рослин шкідниками та хворобами, а також потерпання від метеорологічних чинників.
Характер сезонного розвитку рослин кожного виду відображено на феноспектрах, побудованих згідно методики І.Г. Серебрякова (1947). Використання цієї методики дає змогу відобразити такі важливі параметри, як число генерацій вай протягом року, тривалість життя кожної генерації, наявність чи відсутність зелених листків протягом зимового періоду, тривалість росту листкової поверхні, час появи сорусів, початок і тривалість спороношення, співвідношення тривалості спороношення і розвитку листкового апарату. Для класифікації папоротей за ритмами розвитку застосовували підхід І.Г.Серебрякова (1964).
Для вивчення водного режиму та проведення анатомічних досліджень зразки відбирали з середнього ярусу вай у фазі спороношення, оскільки вона є найбільш стабільною в річному циклі розвитку папоротей (Храпко, 1989). Досліди виконували в лабораторних умовах при температурі 20-22 С і відносній вологості повітря 75 %. Оводненість об'єктів визначали за загальноприйнятою методикою, швидкість втрати водного запасу - згідно методики А.О. Ничипоровича (1926) (Белая, 1978), визначення сублетального водного дефіциту проводили за методикою Т.К. Горишиної і Л.І. Самсонової (1966). Питому поверхневу щільність листків (ППЩЛ) визначали зважуючи висічки певного діаметра (Двораковский, Чуркина, 1968; Казаков, Мусієнко, Казакова, 1993).
Мікроскопічні дослідження виконували за допомогою мікроскопів МЛ-2, МБС-15, МКУ-1. Будову епідерми описували згідно прийнятої методики (Захаревич, 1954). Кількість продихів на одиницю поверхні визначали на репліках, отриманих на частково розчиненій ацетоном очищеній основі кіноплівки (модифікований метод Молотковського). Структуру продихового комплексу залежно від виду рослин визначали візуально на мікроскопах МЛ-2, МКУ-1 та на мікрофотографіях. Фотографування на чорно-білу та кольорову плівки здійснювали за допомогою мікрофотонасадки МФН-12. Товщину пластинок вай вимірювали товщиноміром-тургороміром Т-1. Зрізи черешків, кореневищ та коренів виконували від руки. Для визначення ступеня лігніфікації клітинних оболонок та локалізації здерев'янілих ділянок застосовували метод люмінесцентної мікроскопії (Брайон, 1973), та флороглюцинову реакцію згідно прописів Є.Й. Барської (1967).
Кількісне визначення фотосинтетичних пігментів (хлорофілу а, хлорофілу b, суми каротиноїдів) проводили спектрофотометричним методом у 96 %-ному етанолі (Шлык, 1968). Лектинову активність визначали згідно методики М.Д. Луцика (1981).
Одержані дані оброблені статистично згідно роботи Б.О. Доспєхова (1985).
ФЕНОРИТМОТИПИ ПАПОРОТЕЙ-ІНТРОДУЦЕНТІВ РОДИНИ DRYOPTERIDACEAE
За результатами фенологічних спостережень папороті-інтродуценти родини Dryopteridaceae належать до трьох основних феноритмогруп – вічнозеленої (ВЗ), залишково вічнозеленої (ЗВЗ) та літньозеленої (ЛЗ). Рослинам лише одного виду (D. cristata (L.) A. Gray) був притаманний літньо-зимозелений ритм сезонного розвитку.
До літньозелених рослин ми віднесли 5 видів з роду Dryopteris (D. goeringiana (G. Kunze) Koidz., D. dilatata (Hoffm.) A. Gray, D. goldiana (Hook.) A. Gray, D. filix-mas (L.) Schott, D. oreades Fomin) Вегетація вай однієї генерації у рослин цих видів триває близько 200-225 днів, причому відмирання вай відбувається восени або на початку зими при дії пошкоджуючих метеорологічних чинників (рис. 1).
Залишково вічнозелена група представлена видами з родів Dryopteris (D. affinis (Lowe) Fraser-Jenkins, D. carthusiana (Vill.) H.P. Fuchs, D. crassirhizoma Nakai), та Polystichum (P. tripteron (G. Kunze) C. Presl, P. braunii (Spenn.) Fee, P. setiferum (Forssk.) Moore ex Woynar). Відмирання вай у рослин цієї групи розпочинається в жовтні або на початку листопада, а стан рослин навесні визначається перш за все умовами їх зимівлі. Тривалість вегетації вай однієї генерації складає 340-370 днів (рис. 1).
У рослин з вічнозеленим ритмом розвитку повне руйнування вай старої генерації відбувається вже після закінчення росту нової. До цієї групи належать представники трьох родів: Dryopteris (D. uniformis (Makino) Makino, D. varia (L.) G. Kunze), Polystichum (P. acrostichoides (Mich.) Schott, P. aculeatum (L.) Roth, P. munitum (Kaulf.) C. Presl, P. woronowii Fomin), та Cyrtomium (C. fortunei J. Smith.). У деяких випадках (P. acrostichoides, P. munitum) відмирання повністю відбувається лише на початку липня, при цьому тривалість життя вай однієї генерації становить 430-460 днів, тобто більше року (рис. 1).
Рис. 1. Феноспектри літньозеленого (D. goeringiana), вічнозеленого (P. acrostichoides), залишково вічнозеленого (P. tripteron) видів папоротей: 1 – площа листової поверхні зимуючих вай; 2 – площа листкової поверхні вай весняної генерації; 3 – поява сорусів; 4 – висівання спор.
Отже, у папоротей з різними ритмами сезонного розвитку по-різному проявляються адаптивні можливості до перенесення зимового періоду, а відміни у фенологічних процесах, ймовірно, зумовлені особливостями проходження і напруженістю процесів життєдіяльності. Одним із розділів нашої роботи було виявлення на модельних об'єктах морфолого-анатомічних та фізіологічних особливостей, притаманних рослинам кожної групи.
ОСОБЛИВОСТІ ВОДНОГО РЕЖИМУ ВИДІВ З КОНТРАСТНОЮ ФЕНОЛОГІЄЮ
Зважаючи на важливість водного режиму у життєдіяльності рослин, та враховуючи, що зимуючі вайї вічнозелених видів витримують значні періоди фізіологічної сухості, а також на те, що рослини з різними ритмами розвитку по-різному реагують на несприятливі, в тому числі й посушливі періоди, нами було визначено водоутримуючу здатність та сублетальний водний дефіцит у рослин 9 видів папоротей-інтродуцентів, що належать до різних феноритмогруп.
Динаміка втрати води в процесі в'янення значно різнилась для досліджених видів. Як видно з наведених ілюстрацій (рис. 2, 3), фертильним вайям вічнозелених рослин притаманна вища водоутримуючу здатність, ніж представникам з літньозеленим ритмом розвитку. Наприклад, вайї P. acrostichoides втрачають за перші 6 год в'янення менше 20% водного запасу, в той час як його втрата рослинами літньозеленого виду (D. goeringiana) становить близько 40%. За водоутримуючою здатністю залишково вічнозелені D. affinis, та P. tripteron наближаються до вічнозелених видів протягом перших годин в'янення, однак надалі водовіддача зростає, сягаючи за добу 84-99%.
Рис. 2. Динаміка втрати водного запасу Рис. 3. Динаміка втрати водного запасу фертильними вайями папоротей. фертильними вайями папоротей.
Значна відмінність у динаміці втрати водного запасу спостерігається між стерильними та фертильними (спороносними) вайями в межах як одного виду, так навіть і однієї рослини (рис. 4). Фертильні вайї втрачають воду значно швидше. Таке явище, що відмічено нами вперше, можна пояснити пристосуванням для розповсюдження спор, оскільки їх розсіювання відбувається лише при низькій оводненості, яка необхідна для розриву спорангіїв способом ксеронастичного вкорочення кільця спеціалізованих клітин.
Рис. 4. Динаміка втрати водного запасу фертильними та стерильними вайями D. cristata.
Іншим важливим показником водного режиму є здатність рослин витримувати глибоке зневоднення тканин. Визначення сублетального водного дефіциту спрямоване на з'ясування граничного дефіциту вологи в тканинах рослин, при якому ще можливе відновлення тургору. Значення сублетального водного дефіциту для рослин видів, що досліджувались, коливались в межах 21- 66%. Найнижчі середні значення були притаманні фертильним вайям гігрофільного виду D. cristata, найвищі – мезофітним вічнозеленим P. acrostichoides, P. munitum. Сублетального стану вічнозелені рослини досягали при значно меншому вмісті води в тканинах, ніж літньозелені представники. В той же час тривалість в'янення зростала в напрямку від літньозелених до вічнозелених видів, сягаючи 20 год у P. munitum (табл. 1).
Відмінності помічені також і для стерильних та фертильних вай одного й того ж виду, причому, більш стійкими виявились трофофіли. Наприклад, сублетальний водний дефіцит для стерильних вай D. cristata становив 49%, майже вдвічі перевищуючи значення для спорофілів (23%). Такі ознаки є, найбільш ймовірно, пристосувальними для ефективного розсівання спор. На нашу думку, такими особливостями можна пояснити і факт зимозеленості ювенільних рослин типово літньозелених видів, на що неодноразово зверталась увага в літературі (Серебряков, 1962; Sato, 1987; Willmot, 1989).
Табл. 1.
Характеристика сублетального стану фертильних вай папоротей різних сезонних аспектів
Вид | Фено-ритмо-тип | Час в'янення, год | Сублеталь-ний водний дефіцит, % | Втрата водного запасу, % | Критична вологість, %
D. dilatata | ЛЗ | 4-6 | 33,891,33 | 26,150,57 | 62,192,48
D. goeringiana | ЛЗ | 6-8 | 50,431,54 | 40,371,89 | 56,522,30
D. affinis | ЗВЗ | 10-12 | 36,681,69 | 31,580,75 | 57,142,04
P. tripteron | ЗВЗ | 8-11 | 51,671,67 | 45,932,29 | 53,242,13
P. acrostichoides | ВЗ | 18-19 | 53,471,32 | 51,331,86 | 50,992,81
P. munitum | ВЗ | 18-20 | 57,501,54 | 54,242,91 | 45,572,76
Таким чином, одним із можливих механізм адаптації рослин до перенесення зими в зеленому стані є зменшення їх залежності від водопостачання, оскільки, вайї вічнозелених представників (D. varia, P. acrostichoides, P. munitum), та зимуючі вайї літньо-зимозеленого D. cristata мають значно вищу водоутримуючу здатність, високі показники сублетального водного дефіциту, термін настання якого значно перевищує тривалість в'янення вай літньозелених папоротей. Тобто рослинам вічнозелених видів притаманні риси ксероморфізму, зумовлені як морфоструктурними так і структурно-функціональними особливостями їх будови.
АНАТОМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ПАПОРОТЕЙ, ЩО НАЛЕЖАТЬ ДО РІЗНИХ ФЕНОРИТМОГРУП
Встановлені нами в попередньому розділі відмінності в показниках водного режиму можуть бути зумовлені як морфоструктурними, так і структурно-функціональними особливостями будови досліджуваних видів папоротей. Тому, предметом нашої подальшої роботи було з'ясування особливостей анатомічної будови рослин з різними ритмами сезонного розвитку, та можливість використання отриманих результатів для аргументації концепції ксероморфізму вічнозелених видів. Нами визначались такі показники: товщина пластинок вай, щільність розміщення продихів, розміри продихових та епідермальних клітин, а також анатомічна будова черешків та коренів.
Важливим інтегральним фізіологічним показником, що характеризує адаптивні можливості рослин до водно-температурних умов, є товщина листкових пластинок. Нами встановлено (табл. 2), що вона була максимальною у рослин вічнозелених видів P. munitum, та P. acrostichoides і становила близько 250 мкм. Мінімальні розміри спостерігались у літньозелених представників (D. dilatata, D. goeringiana) – 130 і 110 мкм відповідно. Продихи у всіх досліджуваних представників розміщувались лише з абаксіального боку листкових пластинок, що пов'язано із зменшенням транспірації із зовнішньої, направленої в бік сонячного світла, поверхні. Щільність розміщення продихів також була більшою у рослин вічнозелених видів.
Табл. 2.
Анатомічні показники фертильних вай папоротей з різними ритмами сезонного розвитку
Вид | Фено-ритмо-тип | Товщина пластинки, мкм | Кількість продихів на 1мм2 | Розміри продихових клітин, мкм
Довжина | Ширина
D. dilatata | ЛЗ | 130,001,40 | 33,190,41 | 54,670,70 | 36,670,45
D. goeringiana | ЛЗ | 110,001,25 | 28,190,31 | 60,000,65 | 34,000,38
D. affinis | ЗВЗ | 148,891,16 | 50,070,78 | 55,330,50 | 38,000,53
P. tripteron | ЗВЗ | 136,502,50 | 33,311,32 | 44,000,53 | 38,670,40
P. acrostichoides | ВЗ | 247,781,95 | 46,650,44 | 50,000,75 | 38,670,54
P. munitum | ВЗ | 257,752,78 | 70,140,53 | 44,000,65 | 32,670,40
Форма клітин адаксіальної епідерми була витягнута з дрібно-звивистими (D. goeringiana), звивисто-хвилястими (P. acrostichoides), дрібно-хвилястими обрисами (P. munitum). Найбільшими були клітини у D. goeringiana (130 мкм), одними з найменших - у P. acrostichoides (близько 100 мкм) (табл. 3). Тобто вічнозеленим видам притаманні ксероморфні риси в анатомічній будові, що виражається в дрібноклітинності, більшій щільності розміщення продихів, а також значному розвитку покривних тканин, що відбивається на значеннях товщини пластинок вай.
Табл. 3.
Розміри епідермальних клітин фертильних вай папоротей з різними ритмами сезонного розвитку
Вид | Фено-рит-мотип | Адаксіальна епідерма | Абаксіальна епідерма
Довжина, мкм | Ширина, мкм | Довжина, мкм | Ширина, мкм
D. dilatata | ЛЗ | 99,201,29 | 45,200,76 | 121,201,60 | 40,400,66
D. goeringiana | ЛЗ | 110,001,23 | 44,400,70 | 131,202,82 | 45,200,58
D. affinis | ЗВЗ | 122,001,80 | 44,000,68 | 144,402,45 | 35,200,42
P. tripteron | ЗВЗ | 80,000,98 | 40,800,71 | 97,601,03 | 35,600,50
P. acrostichoides | ВЗ | 67,601,35 | 36,000,43 | 104,001,63 | 36,800,45
P. munitum | ВЗ | 71,201,24 | 37,200,49 | 123,201,88 | 40,000,58
Стерильні вайї відрізнялись від фертильних більшою щільністю розміщення продихів. Наприклад, у D. filix-mas на одиницю площі спорофілів припадало вдвічі більше продихів (39 на мм2), ніж у трофофілів (18 на мм2). На нашу думку, це свідчить про здатність до більш інтенсивної транспірації, тому спороносні вайї мають значно нижчі показники, що характеризують водоутримуючу здатність. Крім того, більша кількість продихів в даному випадку може сприяти більш швидкому випаровуванню води і досягненню вайями критичного рівня оводненості, необхідного для розсіювання спор.
Згідно даним літератури (Shun-Li Yu, You-xing Lin, 1997), у представників роду Pleopeltis Holub. & Bonpl. ex Willd. залежно від ритму сезонного розвитку спостерігались відмінності в ступені розвитку склеренхімних елементів. З метою виявлення подібної тенденції у представників роду Dryopteris, ми провели дослідження поперечних перерізів черешків та коренів. Однак, достовірної різниці в ступені розвитку склеренхімних елементів ні в коренях (для D. varia та D. goeringiana), ні в черешках (для D. varia, P. acrostichoides, P. munitum, P. tripteron, та D. filix-mas) рослин з контрастною фенологією нами не відмічено. Можна припустити, що дана ознака є консервативною, яка не зазнавала значних змін, і є спільною для видів, що належать до однієї родини.
Для вічнозелених представників (тривалість життя вай однієї генерації 14-15 місяців) анатомічні дослідження проводили і в зимовий період (січень-лютий). Було виявлено інтенсивну червону флуоресценцію хлоропластів в клітинах паренхіми вай та її індукційні, що свідчить про функціональну активність хлорофілоносних структур.
Таким чином, для рослин вічнозелених видів (P. acrostichoides, P. munitum) характерними є такі анатомічні ознаки: максимальна товщина пластинок вай (247,781,95 мкм, 257,752,78 мкм відповідно), значна щільність розміщення продихів (46,650,44 шт/мм2, 70,140,53 шт/мм2 відповідно), а також найменші у порівнянні з іншими видами розміри епідермальних клітин та продихів. Для рослин літньозелених видів (D. dilatata, D. goeringiana) типовими ознаками є: мінімальна товщина пластинок вай (130,001,40 мкм, 110,001,25 мкм відповідно), незначна щільність розміщення продихів (33,190,41 шт/мм2, 28,190,31 шт/мм2 відповідно), а також найбільші у порівнянні з іншими видами розміри продихів та клітин адаксіальнї і абаксіальної епідерми. Рослини залишково вічнозелених видів (D. affinis, P. tripteron) мають показники, що наближують їх до вічнозелених видів.
ПРОЯВИ ЗАКОНУ ЗАЛЕНСЬКОГО У ПАПОРОТЕЙ
Слід зазначити, що саме у папоротеподібних серед сучасних рослин спостерігається найширший спектр типів продихових комплексів, так само як і стелярних структур. Ймовірно, у папоротей відбувалось еволюційне "випробування" різних типів анатомічних структур, і лише найдосконаліші з них знайшли подальший розвиток у філогенетично молодших груп. Папоротеподібні були однією з перших груп рослин, у яких з'явились продихи, сформувались справжні корені. Ці ароморфози суттєво вплинули на стратегію фізіологічних і біохімічних адаптацій у Polypodiophyta. Папороті були першою групою вищих рослин, що змогли активно завоювувати сушу, а отже перейти з відносно гомогенного (водного, або дуже вологого) середовища в гетерогенне. Причому, розвиваючи значну вегетативну масу, різні за віддаленістю від кореневої системи ділянки вай потрапляли в середовище з різними мікрокліматичними умовами. Тому у них могли формуватись певні пристосувальні ознаки до вертикальних градієнтів абіотичних чинників. Тому, на нашу думку, було принципово необхідним перевірити, чи існують у сучасних птеридофітів прояви закону Заленського.
Існування закономірного збільшення ксероморфних ознак зі зміною ярусного розташування вегетативних органів було доведено В.Р. Заленським в результаті дослідження 175 видів вищих рослин (1904). І.П. Білокінь встановив існування закономірності Заленського у хвойних (1950), однак даних стосовно папоротеподібних, в доступній літературі нами не знайдено.
Для простеження ярусної мінливості ксероморфних ознак ми визначали такі показники: товщину пластинок вай, щільність розміщення і розміри продихів, та питому поверхневу щільність листків (ППЩЛ). Вимірювання проводили для трьох основних ярусів пір'їн в межах вайї. Об'єктами були види, що належать до трьох основних феноритмогруп (ЛЗ D. filix-mas, ВЗ D. varia, та ЗВЗ P. tripteron).
Товщина листкових пластинок у досліджених видів сягала від 110 до 212 мкм, причому, максимальні значення були притаманні вічнозеленому виду, а мінімальні – літньозеленому D. filx-mas. Залишково вічнозелений P. tripteron займав в цьому ряду проміжне положення. Товщина пластинок сегментів першого порядку вай у видів папоротей, що досліджувались, також не була постійною, а змінювалась відповідно ярусності (рис. 4). Для всіх видів найтовщими були нижні пір'їни, а найтоншими — верхні. Середній ярус відповідно мав середні значення.
Рис. 4.Товщина пір'їн вай різної ярусності. Рис. 5. Щільність розміщення продихів пір'їн різної ярусності.
Щільність розміщення продихів у рослин досліджених видів папоротей була незначною. Спостерігається тенденція до збільшення кількості продихів у напрямку до верхівки вайї (рис. 5). Особливо чітко це можна помітити у D. filix-mas. Кількість продихів, що знаходяться на 1 мм2 пір'їн верхнього ярусу майже в 1,5 рази перевищує значення для нижнього.
Для додаткової характеристики анатомічних особливостей нами був використаний такий показник, як ППЩЛ. Ця величина є важливим фізіологічним параметром продуктивності рослин, що відіграє роль у процесі адаптації до певних умов зростання (Шенников, 1950; Корнюшенко, 1989; Казаков, Мусієнко, Казакова, 1993), і відзеркалює рівень утворення та нагромадження органічної речовини. В нашому випадку (рис. 6) ППЩЛ була тим більшою, чим далі від кореневої системи знаходилась дана пір'їна, при тому, що товщина відповідних ярусів вай збільшувалась у зворотньому напрямку. Значення ППЩЛ коливались в межах від 1,5 до 7 г/дм2. Мінімальні значення були притаманні літньозеленому D. filix-mas, а максимальні – вічнозеленому D. varia, товщина вай в якого найбільша. Залишково вічнозелений P. tripteron мав відповідно середні значення.
Принципово важливо, що підняття асиміляційного апарату спорофіта над поверхнею землі в умови більшої фізіологічної сухості за рахунок активного осьового росту органів стало можливим з одночасним зростанням градієнта продихових структур і інших ксероморфних ознак, які забезпечили ефективну роботу фізіологічних механізмів водозабезпечення верхніх ярусів листостеблових утворів.
Рис. 6. Питома поверхнева щільність пір'їн різної ярусності.
В результаті проведених досліджень нами вперше встановлено, що вірогідна зміна ксероморфних ознак вай папоротей в акропетальному напрямку відповідає закону Заленського, згідно якому анатомічна будова рослин підкоряється правилу ярусності.
ДИНАМІКА ПІГМЕНТНОГО СКЛАДУ У ВИДІВ З РІЗНИМИ РИТМАМИ СЕЗОННОГО РОЗВИТКУ
Як було показано в попередніх розділах, види з контрастними ритмами сезонного розвитку мають різну тривалість вегетації вай однієї генерації, а отже і тривалість життя асиміляційного апарату, що забезпечує продуктами фотосинтезу ці рослини. Оскільки досліджувані нами папороті зростали в практично тотожних екологічних умовах, ми сподівались отримати дані, що характеризують співвідношення пігментних компонентів у рослин залежно від їх феноритмотипу.
Як відомо, трактування даних, що відображають вміст пігментів, в значній мірі залежить від способу розрахунку (табл. 4), тому ми визначали вміст пігментів відносно трьох основних показників: одиниці площі, сирої та сухої маси. Враховуючи дані (Корнюшенко, Соловьева, 1992), згідно з якими вміст пігментів на одиницю сухої речовини є найбільш лабільною і чутливою характеристикою при порівнянні видів у складі екологічних груп, що різняться за умовами місцезростань та феноритмотипом, динаміку пігментів ми визначали саме за цим показником.
При розрахунку на одиницю площі, максимальний вміст пігментів притаманний рослинам з вічнозеленим ритмом розвитку (P. acrostichoides), а мінімальний – літньозеленому D. goeringiana.
При розрахунку на одиницю площі, максимальний вміст пігментів притаманний рослинам з вічнозеленим ритмом розвитку (P. acrostichoides), а мінімальний – літньозеленому D. goeringiana. При визначенні кількості пігментів на одиниці сирої, і, особливо, сухої речовини, їх найменший вміст був у вічнозелених представників, що збігається з даними отриманими для дерев (Куликов, Иванцова, 1977) та чагарників (Корнюшенко, Соловьева, 1992). Такі дані легко пояснити з огляду на ППЩЛ та товщину листкових пластинок. Вічнозелені види мають значно більшу товщину пластинок вай, а отже висічки, які мають однакову площу, різняться за масою, що впливає на результати при розрахунках. Загалом, спостерігається зменшення вмісту пігментів в ряду від літньозелених через залишково вічнозелені до вічнозелених рослин.
Табл. 4.
Вміст пластидних пігментів (С) у вайях папоротей залежно від способа розрахунку
Вид | Фенорит-мотип | Пігмент | С, мг/дм2 | С, мг/г сирої маси | С, мг/г сухої маси
D. goeringiana | ЛЗ | Хлорофіл a | 2,200,06 | 3,980,16 | 13,070,50
Хлорофіл b | 0,880,03 | 1,940,07 | 5,870,22
Каротиноїди | 0,590,03 | 0,930,04 | 3,200,15
D. filix-mas | ЛЗ | Хлорофіл a | 3,570,06 | 6,600,18 | 13,580,60
Хлорофіл b | 1,410,06 | 2,530,12 | 6,990,21
Каротиноїди | 0,930,04 | 1,740,05 | 4,210,13
D. affinis | ЗВЗ | Хлорофіл a | 3,800,17 | 5,160,25 | 9,840,44
Хлорофіл b | 1,530,07 | 2,080,09 | 4,780,21
Каротиноїди | 0,900,03 | 1,310,06 | 3,830,19
P. tripteron | ЗВЗ | Хлорофіл a | 3,500,16 | 4,790,14 | 8,980,15
Хлорофіл b | 1,360,04 | 1,080,09 | 2,920,08
Каротиноїди | 1,070,03 | 1,160,05 | 2,460,03
D. varia | ВЗ | Хлорофіл a | 2,690,07 | 3,280,08 | 6,470,04
Хлорофіл b | 1,080,04 | 1,460,04 | 4,710,23
Каротиноїди | 0,970,03 | 0,870,04 | 2,990,13
P. acrostichoides | ВЗ | Хлорофіл a | 4,220,06 | 3,290,02 | 8,090,41
Хлорофіл b | 1,750,01 | 1,370,03 | 3,810,14
Каротиноїди | 1,390,03 | 0,770,01 | 2,210,04
Відношення хлорофілу а до хлорофілу b для всіх досліджених рослин було в межах 2 -2,7, причому, найменшим цей показник був у літньозелених представників. Такі низькі значення в усіх випадках є вираженням належності досліджених нами видів папоротей до тінистих місць зростання (Годнев, Судник, 1959).
Відношення суми хлорофілів до каротиноїдів складало від 4,85 - до 6,20, причому, найменшим воно було у вічнозелених представників, що свідчить про дещо більший відносний вміст каротиноїдів у порівнянні з літньозеленими видами. Можливо, що відносно більший вміст каротиноїдів у рослин вічнозеленої та залишково вічнозеленої групи пов'язаний із захисною функцією жовтих пігментів (Судник, 1959), що особливо необхідно в пізньо-осінній та ранньо-весняний періоди, коли інсоляція під пологом листопадних дерев значно вища, ніж в літній період (Горышина, 1979).
Рис. 7. Динаміка пластидних пігментів Рис. 8. Динаміка пластидних пігментів
вай D. goeringiana. вай P. acrostichoides:
(зимуючі вайї: 1 – хлорофіл а, 2 – хлорофіл b, 3 – каротиноїди; вайї весняної генерації: 4 - хлорофіл а, 5 – хлорофіл b, 6 – каротиноїди).
Різні за феноритмотипом рослини відрізнялись також за сезонними змінами вмісту пластидних пігментів. Динаміка величин, що відображають сезонні зміни вмісту хлорофілу а, хлорофілу b та каротиноїдів у літньозелених видів (D. filix-mas, D. goeringiana), виражена одновершинною кривою з літнім максимумом, що припадає на фазу спороношення (рис. 7). Найбільші коливання вмісту притаманні хлорофілу а, найменші – каротиноїдам.
Для рослин з вічнозеленим (D. varia, P. acrostichoides) та залишково вічнозеленим (D. affinis, P. tripteron) ритмами розвитку характерні також осінні максимуми (рис. 8), що пов'язано з динамікою світлового режиму під пологом дерев після листопаду. Цікавим також є факт збільшення вмісту фотосинтетичних пігментів у вайях, що перезимували. Це свідчить про функціональну активність хлорофілоносних структур, притаманну їм ще до закінчення росту вай нової генерації. Отже, види з різними ритмами сезонного розвитку різняться як за вмістом, так і за сезонною динамікою пластидних пігментів, що є відображенням їхніх адаптивних процесів.
ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ПАПОРОТЕЙ
В дисертаційній роботі розглянуто також практичний аспект використання папоротей. Папороті поки що не відіграють значної господарчої ролі. Це пояснюється як незначними запасами більшості видів у флорі України, тривалим періодом росту, складністю розмноження, так і недостатньою вивченістю корисних властивостей цих рослин та способів їх вирощування. Всі досліджені 29 видів та культиварів з родів Cyrtomium, Dryopteris та Polystichum успішно інтродуковані і рекомендуються для декоративного садівництва з метою використання їх як елементів оформлення камянистих гірок, для посадки на схилах, біля водойм, в тінистих місцях парків, під пологом дерев. При цьому варто враховувати специфіку, зумовлену ритмікою їх сезонного розвитку, а отже належність до певних феноритмогруп. Це дасть можливість прогнозувати вигляд фітокомпозицій в різні періоди року.
Окрім високих декоративних якостей папороті родини Dryopteridaceae (D. affinis, D. carthusiana, D. crassirhizoma, D. goeringiana, D. varia) відзначаються значним вмістом лектинів (титр еритроаглютинації 24-210), що дає можливість пропонувати їх для подальших досліджень з метою оцінки як можливих джерел сировини для одержання препаратів лектинів.
Висока декоративність, належність до різних феноритмогруп, невибагливість, видова різноманітність, значна кількість культиварів, зручність і доступність папоротей для наукових досліджень та навчальної мети повинні якнайширше використовуватись в практичній діяльності людини.
ВИСНОВКИ
Папороті-інтродуценти родини Dryopteridaceae в умовах Ботанічного саду ім. акад. О.В. Фоміна різняться за термінами початку та кінця вегетації, тривалістю життя вай, а також особливостями їх сезонної зміни, що дозволяє віднести досліджувані види до трьох основних феноритмогруп - вічнозеленої, залишково вічнозеленої та літньозеленої.
Вічнозеленим представникам родини Dryopteridaceae у порівнянні з літньозеленими притаманні риси ксероморфізму, виражені у показниках водного режиму та особливостях анатомічної будови.
Вічнозелені папороті (D. varia, P. acrostichoides, P. munitum) найбільш стійкі до несприятливих умов водозабезпечення протягом року про що свідчить майже в 1,5 раза вища у порівнянні з літньозеленими представниками водоутримуюча здатність, та високі показники сублетального водного дефіциту (до 58%).
Вічнозелені папороті (D. varia, P. acrostichoides, P. munitum) мають приблизно вдвічі більшу порівняно з літньозеленими товщину пластинок вай (до 262 мкм), щільність розміщення продихів (до 70 шт/мм2), а також найменші у порівнянні з іншими видами розміри епідермальних та продихових клітин, що у поєднанні із значним розвитком кутикули покривних тканин призводить до утворення щільних, стійких до зневоднення вай.
Фертильні вайї більшості видів відрізняються від стерильних майже вдвічі більшою щільністю розміщення продихів. Це сприяє інтенсифікації процесу транспірації з метою зниження оводненості вай, що є необхідною умовою для розриву спорангіїв способом ксеронастичного вкорочення кільця спеціалізованих клітин та розсіювання спор.
Вперше доведено, що закономірна зміна в акропетальному напрямку ксероморфних ознак вай папоротей (D. varia, D. filix-mas, P. tripteron) відповідає закону Заленського, згідно якому анатомічна будова листків, що знаходяться на різній відстані від кореневої системи, підкоряється правилу ярусності. Отже, прояви закону Заленського притаманні не лише голонасінним та покритонасінним, а і папоротям.
Літньозелені рослини (D. filix-mas, D. goeringiana) мають найбільший вміст фотосинтетичних пігментів з максимумом в період спороношення, що є свідченням здатності рослин названих видів накопичувати значну кількість пластидних пігментів за короткий проміжок часу.
Збільшення вмісту фотосинтетичних пігментів у вайях після зимівлі свідчить про функціональну активність їх хлорофілоносних структур у рослин вічнозелених видів папоротей (D. varia, P. acrostichoides) після відновлення весняної вегетації.
Екстракти вай та кореневищ досліджених видів (D. affinis, D. carthusiana, D. crassirhizoma, D. goeringiana, D. varia) відзначаються значним вмістом лектинів (титр еритроаглютинації 24-210), що дає можливість пропонувати їх як об'єкт подальшого пошуку джерел сировини для одержання препаратів лектинів.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ РОБІТ
Вашека О.В., Брайон О.В. Ярусна мінливість анатомічних ознак вай деяких видів папоротей-інтродуцентів // Інтродукція та збереження рослинного різноманіття. – 1999. – Вип. 2. - С. 66-67.
Вашека О.В., Стеценко Н.М., Погоріла Н.Ф. Лектини папоротей роду Dryopteris Adans. // Укр. біохім. журн. – 1999. – Т. 71, № 2. – С. 93-95.
Вашека О.В., Брайон О.В. Підтвердження Закону Заленського у папоротей // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, біологія. – 2000. – Вип. 30. - С. 81-83.
Вашека О.В., Брайон О.В. Класифікація ритмів сезонного розвитку папоротей регіонів із помірним кліматом // Інтродукція та збереження рослинного різноманіття. – 2000. – Вип. 3. - С. 24-28.
Вашека О.В., Брайон О.В. Особливості анатомічноїї будови черешків вічнозелених представників родини Dryopteridaceae Ching // Інтродукція рослин. – 2000. – № 1. - С. 68-70.
Pohorila N., Vasheka E., Stetsenko N. The lektins and mineral elements content of some fern species, that seldom strike by phytopathogens // Proc. International regional seminar "Modern studies in ecology and microbiology". – Uzgorod (Ukraine). – 1997. – P. 360-361.
Погорила Н.Ф., Мусиенко Н.Н., Брайон А.В., Коваленко А.Г., Славный П.С., Мережинский Ю.Ю., Панюта О.А., Вашека Е.В., Суржик Л.М., Маковецкая Л.И., Кухтей Р.Р., Погорила З.А., Васильчук Ю.М. Неофицинальные растения как источник перспективных биополимеров белковой природы лектинов // Труды ІІІ Междунар. симп. "Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования". – Том 2. – Москва: РАСХН. – 1999. – С. 140-142.
Вашека О.В., Брайон О.В. Феноритмотипи папоротей-інтродуцентів родини Aspidiaceae з колекції спорових рослин Ботсаду ім. акад. О.В. Фоміна // Матеріали Конф. молодих вчених-ботаніків України "Актуальні проблеми ботаніки та екології". – Ніжин: НПУ. – 1999. – С. 71-72.
Вашека Е.В. Папоротники семейства Dryopteridaceae Ching в открытом грунте Ботанического сада им. акад. А.В. Фомина // Тезисы VII Молодежной конф. ботаников в Санкт-Петербурге. – С-Пб.: Бот. и-т им. В.Л. Комарова РАН. – 2000. - С. 219.
Вашека О.В. Швидкість втрати водного запасу папоротями родини Dryopteridaceae Ching, що належать до різних феноритмогруп // Матеріали Конф. молодих вчених-ботаніків України "Актуальні проблеми ботаніки та екології". – Чернігів: ЧДПУ ім. Т.Г. Шевченка. – 2000. – С. 82.
АНОТАЦІЇ
Вашека О.В. Фізіологічні особливості папоротей-інтродуцентів родини Dryopteridaceae Ching з різними ритмами сезонного розвитку. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 – фізіологія рослин. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2001.
Дисертація присвячена встановленню відмінностей фізіологічного та анатомічного характеру у
