Белое море – это полуизолированный внутриконтинентальный водоем, который соединяется с Баренцевым морем и представляет часть Северного Ледовитого океана [1]. Белое море относится к приливным морям и характеризуется значительными колебаниями уровня воды за счет приливно-отливной динамики. Растения, обитающие на литорали, заливаются водой и освобождаются от нее 2 раза в сутки, т.е. происходит смена водной и воздушной сред. Эта смена сред сопровождается изменением освещенности, температуры, давления, концентрации кислорода и других климатических параметров [2]. Данные условия привели к формированию галофитного комплекса высших наземных растений, устойчивых к резкой смене экологических условий обитания за счет изменения анатомических структур вегетативных органов, изменения их морфологии и приспособлений на уровне физиологических процессов, которые связаны с поддержанием фотосинтеза, водного режима, устойчивостью к недостатку освещенности, кислорода и углекислого газа.

Клубнекамыш морской (Bolboschoenus maritimus (L.) Palla) произрастает в приморских сообществах на побережье Белого моря. Ареал и биологию B. maritimus изучали многие исследователи [3, 4], при этом работы по анатомии вегетативных органов носят описательный характер без определения количественных показателей анатомической структуры [5, 6]. По данным литературы [7–9] именно количественные показатели устьичного и ассимиляционного аппаратов листа изменяются в разных условиях обитания видов. Цель исследования – изучить морфолого-анатомические особенности листьев Bolboschoenus maritimus (L.) Palla, произрастающего в разных условиях обитания в приморских сообществах на побережье Белого моря.

Материалы и методы исследования

B. maritimus – это многолетнее травянистое растение с ползучим узловатым корневищем и с шаровидными клубнелуковицами из семейства Осоковые (Cyperaceae). Данный вид предпочитает увлажненные почвы, расселяется по берегам рек, озер, встречается на болотах, затопленных территориях и на морском побережье [1, 3]. Относится к группе факультативных галофитов, которые произрастают на засоленных территориях за счет устойчивости к повышенному содержанию солей, но при этом увеличение солености не влияет на их рост и развитие.

Исследование проводили в окрестностях пос. Колежма (64 °22'81"N 35 °93'14"E) на Поморском берегу Белого моря в Карелии. На берегу моря вблизи поселка была заложена трансекта шириной 10 м и длиной от зоны штормовых выбросов (супралитораль) до нижней границы максимального отлива (литораль). Литораль – это приливно-отливная зона (осушка) или экологическая зона морского дна, затопляемая во время прилива и осушаемая при отливе. Супралитораль – это участок суши, примыкающий к литорали, куда морская вода попадает во время ветровых нагонов, штормов в виде брызг или просачивается через грунт [1]. Субстрат в местах проведения исследования представляет собой маршевые примитивные слабо дерновые почвы. В приливно-отливной зоне отмечены монодоминантные сообщества B. maritimus. На супралиторали исследуемый вид произрастает вместе с Triglochin maritimа L., Plantago maritima L., Tripolium pannonicum (Jacg.) Dobrocz., видами рода Carex L., видами семейства Poaceae. Листья собраны у растений B. maritimus, обитающих на супралиторали, где их надземная часть не заливается морской водой, и в верхнем горизонте литорали, где во время прилива растения наполовину заливаются морской водой (высота водного столба над субстратом достигала 60 см).

Для выполнения исследования в разных условиях обитания отбиралось по 10 хорошо развитых и хорошо освещенных растений. Из средней части стебля каждого растения взято по 5 листьев для фиксации в 70 % этаноле. Площадь определяли у 10 листьев разных растений из каждого из двух мест обитания вида по формуле: S = a*b, где а – длина листа, b – ширина листа. Анатомическую структуру листовых пластинок изучали на временных препаратах, делая поперечные срезы, при помощи светового микроскопа МИКМЕД-6 (ЛОМО, Россия) с увеличением окуляра 4х, 10х, 40х. Измерения параметров (толщина листьев, размеры устьиц, размеры клеток тканей) проводили окуляр-микрометром.

Определение количественных показателей мезоструктуры листа выполняли по методике А.Т. Мокроносова и Р.А. Борзенковой [10]. На продольных парадермальных срезах листьев подсчитывали число устьиц в 1 мм² поверхности листа, измеряли их размеры и рассчитывали их площадь (мкм²) по формуле: Sус = π*(L/2)*(d/2), где L – длина устьица, d – ширина устьица. Толщину листьев, параметры устьиц определяли в 50-кратной повторности для растений из каждого исследованного местообитания.

В суспензии после мацерации клеток подсчитывали число клеток тканей (тыс./см²) с помощью камеры Горяева и число хлоропластов (шт.) [10]. Расчет числа клеток выполняли по формуле: n = N*V*250/x*S, где n – число клеток в единице площади листа (тыс./см²); N – число клеток в х больших квадратов камеры (шт.); V – объем суспензии (мл) после мацерации; S – площадь листа, которая взята для приготовления суспензии (см²). Объем клетки (тыс. мкм3) палисадного мезофилла, моторной клетки вычисляли по линейным размерам клетки по формуле цилиндра с поправочным коэффициентом k: k = 0,38 + 0,117*L/d, V = 1/4*π*d²*L*k, где V – объем клетки, L – длина клетки, d – ширина клетки. Объем клетки губчатого мезофилла, аэренхимы определяли по формуле эллипсоида, так как соотношение L/d менее 2.5: V = 4/3π*L/2*(d/2)2, где L – длина клетки, d – ширина клетки. Объем клетки, соответствующий одному хлоропласту (мкм3) или клеточный объем хлоропласта (КОХ) рассчитывали по формуле: КОХ = Vкл/Хл, где Vкл – объем клетки, Хл – число хлоропластов в клетке [10]. Подсчет количества пластид, клеток, КОХ проводили в 50 клетках палисадной паренхимы и в 50 клетках губчатой паренхимы в листьях, собранных у растений на литорали и отдельно на супралиторали. Для статистической обработки данных использовали стандартный пакет программ MS Exsel и Statgraphics for Windows. Достоверность различий параметров листьев оценивали по t-критерию Стьюдента при Р = 0,95.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам выполненного исследования лист у B. maritimus имеет изолатеральный тип строения мезофилла с расположением палисадной паренхимы под верхней и нижней эпидермой, что согласуется с данными литературы [5, 6]. В центральной части листовой пластинки расположены клетки губчатого мезофилла, между проводящими пучками – аэренхима. М. Amini Rad и Z. Hroudová [5] определяют листья B. maritimus как V-образные или килевидные в поперечном сечении.

Устьица парацитного типа и расположены на обеих сторонах листовой пластинки, т.е. лист амфистоматический. В верхней эпидерме в области центральной жилки формируются особые структурные образования – моторные клетки, характерные для видов семейства Cyperaceae, к которому относится B. maritimus. Ряд исследователей [5, 6, 11] считают, что моторные клетки участвуют в сворачивании листовой пластинки у галофитов, периодически переживающих засуху. Механическая ткань склеренхима образуется вокруг проводящих пучков, а также в виде отдельных групп клеток под верхней и нижней эпидермой листа. Аналогичное расположение склеренхимы отмечено и в стебле B. maritimus [5, 6]. Формирование механической ткани в надземных вегетативных органах позволяет растениям изучаемого вида противостоять приливно-отливным колебаниям на побережье Белого моря.

Установлено, что площадь листьев у B. maritimus в разных условиях обитания достоверно не отличается (табл. 1). Толщина листьев у литоральных растений существенно больше, чем у незаливаемых морской водой растений.

В разных условиях обитания на морском побережье у B. maritimus количество устьиц в нижней эпидерме в 1,5–2 раза выше, чем в верхней эпидерме, что согласуется с данными М. Amini Rad и Z. Hroudová [5] о многочисленных устьицах на нижней стороне листа. Большое число устьиц в листьях галофитов способствует их значительной транспирации, что важно для растений этой экологической группы, которые в условиях засоления подвержены обезвоживанию тканей органов.

По данным анализа количественных показателей мезоструктуры ассимиляционного аппарата B. maritimus определено, что объем моторной клетки, клеток палисадного и губчатого мезофилла, аэренхимы существенно выше в листьях у растений на супралиторали. Наименьший объем определен у клетки губчатой паренхимы, наибольший объем – у моторной клетки в листьях у вида в разных условиях обитания (табл. 3).

Число клеток палисадного и губчатого мезофилла значительно выше в листьях B. maritimus, обитающего в приливно-отливной зоне (табл. 3). Клеток губчатой паренхимы в 2 (на супралиторали), 3 (на литорали) раза меньше, чем клеток палисадной паренхимы. Повышение числа клеток мезофилла у B. maritimus на литорали способствует увеличению толщины листовой пластинки, что особенно важно для растений в условиях сильного воздействия приливно-отливного цикла.

Количество хлоропластов, как и число клеток палисадного и губчатого мезофилла, выше у B. maritimus на литорали. Число пластид в клетках губчатой паренхимы почти в 2 раза меньше, чем в клетках палисадной паренхимы, у вида в разных условиях произрастания. С числом пластид связаны различия в значениях объема клетки, соответствующего одному хлоропласту (табл. 3). Так, у B. maritimus установлена обратная зависимость между этими двумя показателями – чем больше количество хлоропластов, тем меньше объем клетки, соответствующий одному хлоропласту. Наибольший объем хлоропласта в клетках ассимиляционного аппарата отмечен у вида на супралиторали. У растений в разных местообитаниях значение этого показателя анатомической структуры листовой пластинки в 3–4 раза выше в клетках палисадного мезофилла.

Виды-галофиты разных групп сосудистых растений отличаются по своему анатомическому строению, сочетая своеобразные признаки ксероморфной и галоморфной организации. Ряд исследователей [7, 12, 13] отмечают такие черты ксероморфной структуры, как увеличение толщины листовых пластинок, преобладание видов с изолатеральным типом мезофилла, четко выраженный палисадный мезофилл, увеличение развития воздухоносных полостей, уменьшение размеров клеток тканей и увеличение их числа, снижение величины объема клетки, соответствующего одному хлоропласту. К признакам галоморфной структуры листьев относятся слабое развитие механических тканей, крупные по размерам клетки губчатой паренхимы, большое число устьиц в эпидерме и хлоропластов в клетках мезофилла [2, 7, 14]. Анализ полученных нами результатов показал, что для листьев B. maritimus также характерны указанные ксероморфные и галоморфные черты анатомической структуры. При этом по данным количественных параметров мезоструктуры листьев ксероморфные, как и частично галоморфные (большое количество устьиц и пластид) признаки особенно выражены у листьев B. maritimus, который произрастает в приливно-отливной зоне. При этом толщина листьев у изучаемого вида больше – 486,0 ± 19,2 мкм (на супралиторали) и 646,5 ± 15,2 мкм (на литорали), чем значение данного показателя у растений пустынной зоны Средней Азии – 339,0 ± 12,0 мкм [12]. Возможно, увеличение толщины листьев у галофитов обусловлено лучшими условиями водного режима растений на морских побережьях.

Вóды Поморского мелководного прибрежья вблизи устья р. Колежма в окрестностях пос. Колежма, где произрастает B. Maritimus, характеризуются низкой соленостью (до 7 ‰), в результате поступления большого объема пресных речных вод [1], поэтому данный вид возможно в большей степени испытывает водный, а не солевой стресс. B. maritimus является факультативным галофитом, который предпочитает расти в увлажненных местах обитания, но часто встречается и на морских побережьях. Как отмечает Е.Ф. Марковская с соавт. [9], водный стресс у растений в приливно-отливной зоне побережья Белого моря обусловлен тем, что в период отлива они достаточно длительное время (от 3 до 12 ч в сутки) могли находиться на воздухе, где отмечалась не только высокая температура (до 25 °С), но и высокая освещенность (до 1200–1400 мкмоль фотонов/(м2с)) в сочетании с длинным полярным днем в этих широтах. В связи с этим у B. maritimus более выражены черты ксероморфной структуры листьев, которые позволяют виду адаптироваться к водному дефициту и повышенной инсоляции.

Заключение

На морских побережьях постоянно складываются стрессовые экологические ситуации, поэтому их флора находится в экологически напряженных условиях, обусловленных естественной нестабильностью – засоленность, мозаичность и подвижность субстрата, влияние ветра определенной направленности, специфический температурный режим, недостаточная или избыточная аэрация, штормовые волны и другие факторы [1, 7]. В таких условиях прибрежного обитания у растений сформировались различные адаптивные механизмы, которые обеспечивают протекание жизненных процессов и приспособленность к стрессам [7]. По данным проведенного исследования у B. maritimus в контрастных условиях обитания на побережье Белого моря сформировались следующие приспособления анатомической структуры листьев – образование изолатерального мезофилла, аэренхимы, увеличение толщины листа, переход к мелкоклеточности мезофилла и повышение числа его клеток, увеличение числа хлоропластов и устьиц, расположенных на верхней и нижней сторонах листовой пластинки. Формирование механической ткани склеренхимы у B. maritimus в надземных вегетативных органах позволяет растениям произрастать в нестабильных условиях обитания, особенно в приливно-отливной зоне морского побережья.

Авторы выражают большую благодарность Гуляевой Е.Н. за помощь в сборе полевого материала для проведения исследования.