Anatomo-morphological structure features of Chimaphila umbellata leaf on industrial dumps (Middle Ural)

Full Text

Введение. Возрастающее с каждым годом антропогенное воздействие на растительный покров Земли приводит к глубоким его изменениям. Источником значительного загрязнения и нарушения природных ландшафтов являются промышленные отвалы, образованные вследствие деятельности предприятий горнодобывающей и перерабатывающей промышленности.

В процессе самозарастания промышленных отвалов на Среднем Урале формируются преимущественно лесные фитоценозы. Растения в этих растительных сообществах часто испытывают воздействие неблагоприятных факторов внешней среды, к которым относят недостаточное увлажнение, засоленность, низкое содержание элементов минерального питания в субстратах и т. д.

Защитой от неблагоприятных факторов среды у растений могут быть как структурные приспособления, так и особенности анатомического строения листьев (развитие кутикулы, механических тканей, изменение толщины эпидермиса, мезофилла и т. д.) [1; 7; 13]. Изучение эпидермиса листьев и особенностей строения устьичного аппарата имеет большое значение в экологии растений. В настоящее время исследуются адаптивные перестройки листа у видов растений, произрастающих в импактных зонах, а также на урбанизированных территориях. Показаны как неспецифические реакции фотосинтетического аппарата, так и видоспецифические адаптивные изменения в структуре мезофилла листа и эпидермиса, а также устьичного аппарата [4; 18; 13; 20-22]. При этом работы, посвященные изучению фотосинтетического аппарата и эпидермальных структур листа у видов, произрастающих на нарушенных промышленностью землях, малочисленны.

Одним из видов, которые поселяются в лесных фитоценозах, формирующихся на промышленных отвалах на Среднем Урале, является Chimaphila umbellata (L.) W.P.C. Barton (Ericaceae Juss.; триба Pyroleae Dumort.) – северо- и центральноевропейско-азиатско-североамериканский вид [16]. Это длиннокорневищный вечнозеленый явнополицентрический кустарничек [3]. Вид способен произрастать на субстратах в диапазоне рН от слабокислых до слабощелочных [12], является индикатором сухих местообитаний [2], из всех грушанковых наиболее требователен к свету [11]. На Урале встречается преимущественно в сосновых борах и вторичных лиственных лесах.

Цель исследования – сравнить анатомо-морфологические особенности листа Ch. umbellata, произрастающей на отвалах горнодобывающей и перерабатывающей промышленности и в естественном местообитании на Среднем Урале.

Материалы и методы исследования. Исследования проводили в июне–августе 2022–2023 гг. в четырех ценопопуляциях (ЦП) Ch. umbellata в лесных фитоценозах на рекультивированном (ЦП1) и нерекультивированном (ЦП2) участках золоотвала Верхнетагильской государственной районной электростанции (ВТГРЭС), отвале пустых пород и вскрыши Шабровского тальк-магнезитового камня (ЦП3) и в естественном лесном фитоценозе (ЦПк). Все объекты расположены в зоне умеренно континентального климата (таежная зона, подзона южной тайги) с характерной резкой изменчивостью погодных условий, хорошо выраженными сезонами года (с холодной зимой и теплым летом) [15]. Краткая характеристика отвалов приведена ниже.

Золоотвал ВТГРЭС находится в 5 км от г. Верхний Тагил, в 70 км к северо-западу от г. Екатеринбурга (57°20′45″ с. ш. 59°56′46″ в. д.; 276 м над ур. м.). Площадь золоотвала составляет 125 га. Образован золой бурых углей Коркинского карьера и Калачевских шахт. Зола содержит малое количество азота и калия, и достаточное фосфатов. Реакция среды зольного субстрата слабощелочная (pH 8,5). Общее содержание микроэлементов в золе выше, чем в почве [8]. В результате проведенных в 1968–1970 гг. рекультивационных мероприятий на золоотвале были созданы различные экотопы: участки с нанесением глинистого грунта полосами (шириной 6–10 м; толщиной 0,10–0,15 м), участки золы без нанесения какого-либо субстрата, оставленные для самозарастания.

Платообразный террасированный отвал пустых пород и вскрыши Шабровского месторождения тальк-магнезитового камня находится в 27 км к югу от г. Екатеринбурга (56°37′45″ с. ш. 60°35′59″ в. д.; 322 м над ур. м.). Высота отвала достигает 326 над ур. м., площадь около 1 км². Породы, складируемые в отвалы, сильнокаменистые (каменистость 50–90 %). Оценка агрохимических свойств субстратов отвалов показала, что реакция среды (рН) слабощелочная, обеспеченность азотом и доступными фосфатами очень низкая, обменным калием – средняя и высокая. В породах повышенное содержание Mn, Cr, Cu, Mo, Co, Ni, V, Pb и др. [8].

В качестве контроля была изучена ЦПк Ch. umbellata в естественном лесном фитоценозе около п. Исток, расположеном в восточной части г. Екатеринбурга (56°47′04″ с. ш. 60°55′23″ в. д.; 309 м н. у. м.). В почвенном покрове района преобладают подзолистые и дерново-подзолистые, суглинистые и глинистые почвы. Основными лесами являются сосновые, но в результате вырубок они сменились на березовые и осиновые [5; 15].

Для сравнения условий произрастания Ch. umbellata было проведено геоботаническое обследование лесных фитоценозов детально-маршрутным методом с описанием растительности по общепринятым методикам [10].

Для изучения анатомического строения листьев из каждого местообитания c 10−15 генеративных особей Ch. umbellata отбирали по 3–5 сформированных листьев и фиксировали их в 70% этаноле. В камеральных условиях на охлаждающем микротоме были приготовлены поперечные срезы листьев, с которых измеряли следующие параметры: толщина листа, мезофилла, верхнего и нижнего эпидермиса, кутикулы; толщина столбчатого и губчатого мезофилла (N=30, для каждого параметра). На препаратах эпидермиса проводили подсчет количества устьиц в единице площади (шт/мм²) и измеряли их размеры (N=30, для каждого параметра). Размеры клеток палисадного и губчатого мезофилла определяли в суспензии клеток в растворе 5 % хромового ангидрида в 1N HCl, согласно методике [6; 9]. Размеры хлоропластов измеряли на поперечных срезах листьев, объем хлоропласта вычисляли по формуле эллипсоида вращения. Все измерения проводили с использованием системы анализа изображений Simagis Mesoplant (ООО «СИАМС», Россия) и светового микроскопа Meiji MT 4300L («Meiji Techno», Япония).

Для обработки полученных данных использовали программный пакет MS Office (Excel 2016) и Statistica 12.0. Достоверность различий оценивали по критерию Манна–Уитни при уровне значимости р < 0,05. В таблице и на рисунке 1 представлены средние значения и ошибки среднего. Разными буквами отмечены достоверные различия между изученными цепопуляциями (смотри примечания к таблицам и рисункам). Дискриминантный анализ проводили в Statistica 12.0

Результаты исследования и их обсуждение. Исследования показали, что в техногенно-нарушенных и в естественном местообитаниях Ch. umbellata произрастала небольшими группами в смешанных лесных фитоценозах с доминированием Pinus sylvestris L., Betula pendula Roth и Populus tremula L., сомкнутость крон древесного яруса варьировала от 0,6 до 0,8. Общее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса (47,3%) и число видов на единицу площади (9,6 шт/0,25 м²) в естественном лесу были выше, чем на отвалах (27,3–41,1% и 4,6–5,6 шт/0,25 м² соответственно).Численность побегов данного вида на нарушенных территориях изменялась от 24 шт/200 м² (ЦП1) до 222 шт/200 м² (ЦП3), в контроле – 148 шт/200 м² (ЦПк). Средняя плотность ЦП на отвалах была ниже (в ЦП3 – 10,09 шт/0,25 м²; в ЦП2 –3,44 шт/0,25 м²), чем в контроле (13,46 шт/0,25 м²). Субстраты отвалов отличались более низким содержанием элементов минерального питания растений и повышенным содержанием металлов по сравнению с естественным лесным фитоценозом [8].

Известно, что фотосинтетическая функция растений реализуется листьями. В связи с чем, анатомо-морфологические особенности строения листа являются результатом адаптации растений к факторам окружающей среды (свет, температура, влажность и т. д.).

Площадь листьев растений Ch. umbellata во всех изученных ЦП варьировала от 1,6 до 4,5 см². Установлено, что для данного вида растений характерен дорсовентральный тип строения мезофилла: хорошо выражены два–три слоя палисадного мезофилла, толщина и объем клеток которого в ЦП1–ЦП3 и ЦПк достоверно не различались (табл.). Клетки губчатого мезофилла расположены под слоем палисадного мезофилла рыхло, в связи с чем в листе хорошо развита система межклетников. Показано, что толщина губчатого мезофилла в листьях растений, произрастающих на отвалах, была достоверно больше, чем в контрольном местообитании. Вместе с тем, объем клеток губчатого мезофилла в листьях растений из ЦП1–ЦП3 был на 25 % меньше, чем в растениях из естественного лесного фитоценоза. Достоверных различий по объему хлоропластов у растений из исследованных местообитаний обнаружено не было. Это свидетельствует о стабильности размеров пластид, которые мало подвержены фенотипическим изменениям [9], что согласуется с ранее полученными нами данными [14].

 

Таблица. Параметры мезоструктуры листа Ch. umbellata из изученных ценопопуляций, произрастающих на Среднем Урале

Показатели	ЦП	Хср.±m	lim
Толщина листа, мкм	ЦП1	426,8±2,8bс	404,0–451,0
	ЦП2	433,9±3,3с	401,0–460,0
	ЦП3	419,3±3,7b	377,0–445,0
	ЦПк	388,5±5,9a	326,0–446,9
Толщина палисадного мезофилла, мкм	ЦП1	113,0±1,5a	93,0–130,0
	ЦП2	107,1±2,0a	86,0–128,0
	ЦП3	103,3±1,6a	86,0–129,0
	ЦПк	105,7±2,6a	80,0–130,0
Толщина губчатого мезофилла, мкм	ЦП1	262,5±2,9b	237,4–292,3
	ЦП2	275,9±3,4c	241,0–309,0
	ЦП3	263,0±3,5b	224,4–300,0
	ЦПк	237,7±4,4a	193,0–291,0
Толщина верхнего эпидермиса, мкм	ЦП1	16,70±0,24a	14,30–19,20
	ЦП2	16,91±0,24a	14,50–19,30
	ЦП3	17,08±0,33a	14,60–20,00
	ЦПк	16,18±0,51a	9,80–19,80
Толщина кутикулы на верхней стороне листа, мкм	ЦП1	11,23±0,19b	9,30–13,0
	ЦП2	10,99±0,17b	9,40–12,90
	ЦП3	11,17±0,15b	10,00–12,40
	ЦПк	8,05±0,21a	6,90–11,60
Толщина нижнего эпидермиса (с кутикулой), мкм	ЦП1	23,79±0,38a	20,00–26,00
	ЦП2	22,93±0,45a	19,00–27,00
	ЦП3	23,67±0,27a	21,00–26,00
	ЦПк	22,95±0,54a	17,00–25,80
Объем клеток палисадного мезофилла, тыс, мкм3	ЦП1	27,37±1,36a	14,62–37,81
	ЦП2	27,01±1,37a	15,12–42,90
	ЦП3	26,12±6,50a	14,61–46,72
	ЦПк	26,57±1,58a	10,75–46,56
Объем клеток губчатого мезофилла, тыс, мкм3	ЦП1	25,00±2,35a	7,32–48,94
	ЦП2	26,18±1,76a	11,89–50,95
	ЦП3	22,00±1,53a	11,31–45,06
	ЦПк	30,70±2,12b	12,82–60,15
Объем хлоропласта, мкм3	ЦП1	41,78 ±1,96a	25,51–68,16
	ЦП2	43,60±1,45a	29,23–61,92
	ЦП3	40,89±1,80a	25,38–65,37
	ЦПк	43,94±2,46a	24,55–67,72

Примечание: разные буквы (a, b, c) в столбцах (Хср.±m) указывают на достоверные различия по каждому показателю между исследованными ЦП, одинаковые буквы – на отсутствие различий при уровне значимости p˂0,05.

 

Наиболее общей реакцией, возникающей у растений в процессе приспособления к стрессовым условиям обитания, является развитие ксероморфной структуры листьев, что может служить индикатором загрязнения окружающей среды [13]. Согласно полученным нами данным, у растений Ch. umbellata, произрастающих на отвалах, толщина листа была достоверно больше, чем у растений в естественном лесу (ЦПк) (в среднем на 10 %) (табл.). Аналогичные изменения обнаружены у орхидей, произрастающих на техногенных субстратах, а также у древесных видов растений, в условиях аэротехногенного загрязнения [4; 14].

Эпидермис листа Ch. umbellata однослойный, высота клеток вехнего эпидермиса у растений в ЦП1–ЦП3 и ЦПк достоверно не различались (табл.). При этом, на верхней стороне листа хорошо выражен слой кутикулы, толщина которой в ЦП1–ЦП3 больше, чем в ЦПк. Усиление барьерной функции эпидермы за счет увеличения кутикулярного слоя также отмечено в литературе [19]. Толщина нижнего эпидермиса с кутикулой во всех ЦП не различалась, и составляла, в среднем, 23,3±2,4 мкм.

Известно, что устьица являются структурными элементами эпидермиса листа, через которые осуществляются процессы газообмена и транспирации. Размеры устьиц, а также их число на единицу площади листа видоспецифичны и зависят от факторов среды. Так, например, в засушливых местообитаниях растения оптимизируют величину устьичной проводимости, сочетая увеличение плотности устьиц с уменьшением их линейных размеров. По мнению ряда авторов, данные изменения обеспечивают более короткий путь диффузии углекислоты внутрь листа при фотосинтезе, а также паров воды с поверхности листа, что и способствует поддержанию оптимального уровеня газообмена в растении. Сходные адаптивные реакции обнаруживаются у растений в ответ на аэротехногенное загрязнение среды [17; 19]. Полагают, что данные адаптивные реакции направлены на активное ограничение влияния стрессового фактора и уменьшение проникновения токсикантов внутрь ассимиляционного аппарата листа [13].

У Ch. umbellata устьица непогруженные, расположены только на нижней стороне листа. По числу устьиц в расчете на единицу площади листа растения из исследованных местообитаний имели существенные различия. Количество устьиц на мм² в листьях растений, произрастающих на отвалах (ЦП1, ЦП2, ЦП3), было достоверно меньше, чем у растений из контрольного местообитания (ЦПк) (в среднем в 1,5 раза). При этом площадь устьиц у растений с отвалов была на 34 % выше, чем у растений из естественного лесного фитоценоза (ЦПк). Установлено, что растения Ch. umbellata из изученных ЦП по суммарной площади устьиц в листе достоверно не различались, и в среднем этот показатель составлял 17,5 ±0,3 мм² (рис. 1).

 

Рис. 1. Параметры устьиц листа Ch. umbellata из изученных ценопопуляций, произрастающих на Среднем Урале. Разные буквы указывают на достоверные различия площади устьиц (a, b), числа устьиц (а, b) между исследованными ЦП; одинаковая буква (a) по показателю суммарной площади устьиц во всех ЦП обозначает отсутствие достоверных отличий по этому показателю между исследованными ЦП при уровне значимости p˂0,05

 

Таким образом, изменение параметров устьичного аппарата листа у растений Ch. umbellata свидетельствует об их адаптивном характере. Вероятно, растения данного вида, произрастающие на техногенных субстратах, компенсируют снижение плотности устьиц в листе увеличением их размеров, что позволяет им осуществлять нормальный уровень газообмена и транспирации. Полученные нами результаты согласуются с исследованиями устьичного аппарата древесных растений в условиях техногенной среды [18; 20-22].

Дискриминантный анализ, проведенный с использованием таких анатомических признаков, как число устьиц на единицу площади, средняя площадь устьица, толщина листа, толщина мезофилла, толщина губчатой паренхимы, отделил ЦПк от ЦП1–ЦП3 по дискриминантной функции 1 (рис. 2). Корректность отнесения в группы составляла: ЦПк – 100%, ЦП1 – 60%, ЦП2 – 45%, ЦП3 – 50%.

 

Рис. 2. Дискриминантный анализ изученных ценопопуляций Ch. umbellata, произрастающих на Среднем Урале (Wilks` Lambda=0,09990, F=15,126, при p<0,0000)

 

Заключение. В настоящем исследовании выявлены адаптивные структурные перестройки фотосинтетического аппарата растений Ch. umbellata, которые позволяют данному виду успешно колонизировать техногенные субстраты на Среднем Урале.

К числу таких защитно-приспособительных реакций относятся: увеличение толщины листовой пластинки, губчатого мезофилла и верхней кутикулы, снижение плотности устьиц при увеличении их размеров. Данные изменения связаны с усилением барьерной функции покровных тканей листа, а также оптимизацией процессов газообмена и транспирации в условиях техногенеза.

Оценка адаптивных возможностей и потенциала устойчивости растений позволяет решать разнообразные фундаментальные и прикладные задачи, а также прогнозировать поведение видов и состояние экосистем при возрастании техногенных нагрузок. Планируется дальнейший мониторинг состояния локальных популяций Ch. umbellata на территории Уральского региона, а также оценка их физиолого-биохимических показателей, что позволит установить более четкую связь с условиями окружающей среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения государственного задания УрФУ FEUZ-2023-0019.

About the authors

Nadezhda V. Chukina

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: nady_dicusar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5517-0240
SPIN-code: 8413-2670

Candidate of Biological Sciences

Russian Federation, Yekaterinburg

Margarita A. Glazyrina

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: Margarita.Glazyrina@urfu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8258-270X

Candidate of Biological Sciences

Russian Federation, Yekaterinburg

Natalia V. Lukina

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Author for correspondence.
Email: natalia.lukina@urfu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6425-6214

Candidate of Biological Sciences

Russian Federation, Yekaterinburg

References

Supplementary files