Анатомическое строение побега Juniperus polycarpos С. Koch в предгорном Дагестане

Систематика рода Juniperus L. основана на признаках морфологического и анатомического строения вегетативных органов [Комаров, 1934; Hall, 1961], морфологии шишек, биохимических данных [Gadek, Quinn, 1984; Farjon, 1992, 2001;

Adams, 2008; Adams et al., 2016], экологических и ботанико-географических исследованиях [Исмаилов, 1975], и неоднократно пересматривалась.

Особенно много вопросов возникает при идентификации видов Juniperus excelsa Bieb. и J. poly-

carpos C. Koch, имеющих сходные морфологические признаки, но разные ареалы и экологию.

J. polycarpos считают ксерофитом, он встречается в Закавказье, Турции, Иране, а на территории России – в Дагестане [Кецховели, 1980]. J. excelsa – мезоксерофит с более широким ареалом, охватывающим Балканский полуостров, острова Греческого архипелага, Малую Азию, Иран, Крым (от Балаклавы до Карадага); на Северо-Западном Кавказе встречается от Анапы до Геленджика [Ареалы …, 1977].

Оба упомянутых вида древовидных можжевельников по причине их реликтовости и сокращающихся ареалов включены в разные Красные книги: J. polycarpos занесен в Красную книгу Дагестана [Красная…, 2009], J. excelsa – в Красную книгу России [Красная…, 2008].

В Конспекте флоры Кавказа [2003] J. polycarpos приводится в ранге подвида ( J. excelsa subsp. polycarpos ), тогда как другими авторами рассматривается в качестве самостоятельного вида [Галушко, 1978; Муртазалиев, 2009; Adams et al., 2016; Hojjati et al., 2018 и др.]. Результаты современных молекулярно-генетических исследований [Adams et al., 2016] также свидетельствуют об обособленности J. polycarpos от J. excelsa и подтверждают его видовой статус.

Но тем не менее, таксономическое положение J. polycarpos остается дискуссионным и требует проведения дополнительных исследований.

В связи с этим была поставлена задача сравнительной оценки J. polycarpos и J. excelsa по анатомическим признакам их вегетативных и генеративных органов.

В данной статье представлено описание и количественная оценка анатомических признаков побегов J. polycarpos , произрастающего в условиях Предгорного Дагестана .

Материал и методы исследований

Объектом исследования послужили 1–3-летние побеги J. polycarpos , собранные в 2019 г. на южных отрогах хр. Чонкатау в окрестности с. Губден Карабудахкенского р-на Предгорного Дагестана на высоте 800 м над ур. м. Модельные побеги (1–3летние) собирали с северной стороны кроны на уровне 1.5 м от земли. Их фиксировали в 70%-ном растворе спирта с глицерином. Приготовление временных микропрепаратов проводили по общепринятой методике анатомических исследований [Барыкина, 2004]. Описание основных структурных элементов тканей листа проводили в соответствии с разработками И.А. Самылиной, О.Г. Аносовой [2007].

Анатомические исследования проведены в Лаборатории интродукции и генетических ресурсов древесных растений ГорБС ДФИЦ РАН на оптиче- ском микроскопе Levenhuk D870T с использованием окуляр-микрометра. Микропрепараты фотографировали на микроскопе Ломо–АТ 054 и с помощью оптического видеоокуляра DCM 510 SCOP. Статистическая обработка полученных данных выполнена с использованием компьютерной программы Microsoft Excel.

Схемы поперечных сечений побегов J. polycarpos , представленных на рис. 1 и 2, даны авторами на основе анализа анатомических срезов.

Результаты и их обсуждение

У Juniperus polycarpos C. Koch побеги имеют супротивное и мутовчатое листорасположение, которым на поперечном срезе стебля соответствуют двух- и трехлопастное строение (рис. 1). При этом число и размеры лопастей связывают как с особенностями филлотаксиса, так и с неравномерным разрастанием разных участков стебля и оснований листьев [Лотова, 1987]. По мере утолщения стебля вследствие разрастания ксилемы к концу второго года роста выемки между лопастями распрямляются.

Рис. 1 . Поперечный срез двухлопастного однолетнего побега:

СХ – смоляной ход; ЛП – листовые подушки; ФЛ – флоэма; КС – ксилема; С – сердцевина; СЛ – сердцевинные лучи; ЭНД – эндодермоидный слой; ПР – перидерма

Несмотря на внешнее морфологическое различие, связанное с лопастностью (рис. 2), общее анатомическое строение и взаиморасположение тканей в стебле побегов при этом однотипное. Кутикула стебля хорошо развитая, с толщиной от 10.5 до 13.5 мкм (в зависимости от возраста). Эпидерма однослойная, сохраняется и на трехлетних побегах. Высота клеток колеблется от 7.5 мкм до 20.0 мкм, при этом стенки клеток с возрастом становятся более толстыми и более плоскими (табл. 1).

Волоски на стебле встречаются редко, они простые, серповидно изогнутые. Между клетками эпидермы четко выделяются двухэтажные устьица.

Под эпидермой прерывистыми рядами расположена 1–2-слойная гиподерма с толстыми, сильно лигнифицированными клеточными стенками. Толщина ее варьирует в зависимости от числа слоев от 14.5 мкм до 25.3 мкм у трехлопастных и 15.3 мкм до 22.8 мкм ‒ у двухлопастных побегов. Первичная кора одно- и двулетних побегов содержит хлорофиллоносную, связанную с листовыми по- душками паренхиму, и имеет 3–4 слоя клеток. Внутренний слой первичной коры, окружающий центральный цилиндр, также четко выражен и называется эндодермоидным [Эзау, 1980]. Толщина этого слоя у трехлопасных побегов на второй год жизни увеличивается от 31.3 мкм до 39 мкм, у трехлетних побегов, наоборот, уменьшается до 32.8 мкм.

А (однолетний без смоляных ходов)

Б (однолетний со смоляными ходами)

Рис. 2 . Поперечные срезы трёхлопастных разновозрастных побегов.

Обозначения см. на рис. 1

Таблица 1

Морфометрические показатели структурных элементов тканей побега Juniperus polycarpos C. Koch

Признак	Двухлопастные побеги		Трехлопастные побеги
	x ± s x CV,%		x ± s x CV,%
	1-летний	2-летний	1-летний	2-летний	3-летний
Кутикула, мкм	10.5 ±0.82	12.5 ±0.64	12.3 ±0.78	12.0 ±0.82	13.5 ±1.00
	24.6	16.3	20.3	21.5	23.4
Эпидерма, мкм	13.3 ±1.12	12.5 ±0.91	14.5 ±0.62	13.8 ±1.13	13.3 ±1.06
	26.8	23.1	13.6	26.1	25.2
Гиподерма, мкм	15.3 ±0.69	22.8 ±1.80	14.5 ±1.22	20.0 ±1.05	25.3 ±1.60
	14.4	25.1	26.7	16.7	20.1
Эндодермоидный слой, мкм	33.5 ±3.42	22.8 ±2.59	31.3 ±2.14	39.0 ±3.78	32.8 ±2.09
	32.3	36.1	21.7	30.7	20.2

Окончание табл. 1

Признак	Двухлопастные побеги		Трехлопастные побеги
	x ± s x CV,%		x ± s x CV,%
	1-летний	2-летний	1-летний	2-летний	3-летний
Флоэма, мкм	39.3 ±2.11 17.0	65.5 ±2.66 12.8	41.3 ±2.39 18.3	69.0±4.63 21.2	152.0 ±4.21 8.8
Флоэма проводящая, мкм	–	16.3 ±1.30 25.4	–	20.5 ±2.41 37.2	40.8 ±2.61 20.3
Ксилема, мкм	25.5 ±1.57 19.5	71.0 ±2.27 10.1	34.8 ±1.99 18.1	90.8 ±3.92 13.7	283 ±10.48 11.7
Число трахеид в ксилемном ряду, шт.	4.2 ±0.39 29.3	6.3 ±0.26 13.1	7.5 ±0.48 20.1	15.9 ±0.82 16.4	11.5 ±0.37 10.2
Число клеток в сердцевинном луче, шт.	3.7 ±0.42 30.0	4.6 ±0.56 38.6	5.6 ±0.27 15.1	5.8 ±0.49 26.7	10.3 ±0.86 26.3

Уменьшение толщины эндодермоидного слоя у трехлетних побегов мы объясняем тем, что клетки становятся более плоскими в связи с увеличением диаметра ксилемы при незначительном увеличении общего диаметра стебля.

В листовых подушках хлорофиллоносная паренхима дифференцирована на палисадную и губчатую, граничащую с паренхимой первичной коры. В области губчатой ткани встречаются клетки двух типов: вытянутые с ровными контурами (40.5 и 28.9 мкм) и более крупные, с извилистыми клеточными стенками. Последние к третьему году разрушаются и объединяются в полости (рис. 3).

Рис. 3 . Смоляные полости

Кроме полостей, с обеих сторон листовых подушек ближе к ложбинкам побегов встречаются собранные в группы от двух (однолетние) до 14 (трехлетние) масляные клетки. На наличие в коре хвойных указанных групп клеток указывает и Л.И. Лотова [1987]. Для уточнения природы этих клеток и их принадлежности к тканям листа или стебля необходимо провести дополнительное анатомическое исследование и гистохимический анализ.

Коэффициент вариации (CV) у изученных признаков тканей стебля относительно стабильный и колеблется пределах от 8.8 у проводящей части флоэмы на третьем году жизни трехлопастного по- бега до 38.6% у числа клеток в сердцевинном луче первого года двухлопастных побегов. При этом высокая изменчивость показателей второго признака зависит от места прохождения поперечного среза и не всегда отражает реальную картину внутренней структуры поводящей системы.

У основной группы признаков изменчивость относительно невысокая, колеблется в пределах от 13 до 26%, что отражает надежность полученных результатов и, соответственно, возможность последующего их использования при сравнительной интерпретации признаков других видов и популяций. Показатели признаков как ксилемы, так и флоэмы с возрастом стабилизировались, и в связи с этим уменьшились значения CV от 17.0 до 12.8% у двулопастных и от 18.3 до 8.8% у трехлопастных по флоэме и от 19.5 до 10.1% и 18.1 до 11.7% по ксилеме соответственно. Изменчивость показателей числа трахеид в ксилемном ряду также с возрастом побега стабилизировалась. У остальных признаков выявить определенные закономерности в изменении показателей CV не удалось.

На поперечных срезах листовых подушек у побегов разных возрастов имеется по одному схизо-генному смоляному ходу, на некоторых срезах они не обнаруживаются, что может быть связано с местом прохождения среза. Форма смоляных ходов первоначально округлая или овальная радиально вытянутая (одно-, двулетние побеги), с возрастом при утолщении стебля их форма становится тан-гентально-вытянутой (трехлетние побеги), края их ровные. Размеры в зависимости от возраста и формы побега различны, у трехлопасных побегов крупнее (табл. 2). Смоляные ходы имеют многослойную (3–5 слоев клеток) обкладку из паренхимных клеток.

В паренхиме листовых подушек и первичной коре стебля встречаются склерефицированные (каменистые) клетки разных размеров (от 57.5 мкм до 107.5 мкм) и формы. Расположены они группами или по одному. Особенно много каменистых клеток в парен- химе двулопастных побегов независимо от возраста, трехлопастных побегов (рис. 4).

и они крупнее по сравнению с такими же клетками

Таблица 2

Морфометрические показатели признаков клеток тканей побегов Juniperus polycarpos C. Koch (поперечный срез)

Типы клеток и их признаки, в мкм		Двухлопастные побеги x ± s x		Трехлопастные побеги x ± s x
		1-летний	2-летний	1-летний	2-летний	3-летний
Эпидермальные	д	13.3 ±1.12	12.5 ±0.91	14.5 ±0.62	13.8 ±1.13	13.3 ±1.06
	в	9.0 ±0.41	10.0 ±0.53	12.3 ±1.08	10.8 ±0.75	9.5 ±0.50
Гиподермальные	д	15.3 ±0.82	14.5 ±0.97	14.5 ±1.22	20.0 ±1.05	14.8 ±0.58
	ш	13.0 ±0.82	12.8 ±0.95	12.0 ±0.89	15.8 ±0.75	13.0 ±0.73
Сердцевинные	д	14.5 ±1.22	13.5 ±0.85	16.3 ±1.07	17.8 ±1.02	18.8 ±1.50
	ш	8.5 ±0.93	10.0 ±0.75	13.3 ±0.99	12.0 ±0.73	12.8 ±0.69
Трахеиды	д	7.0 ±0.50	11.0 ±0.67	9.0 ±0.55	10.0 ±0.64	10.5 ±0.33
	ш	5.8 ±0.38	8.5 ±0.50	7.5 ±0.55	9.0 ±0.76	9.8 ±0.58
Флоэмные   во локна	д	–	14.5 ±0.75	–	10.5 ±0.82	14.5 ±0.89
	ш	–	5.3 ±0.45	–	5.3 ±0.25	7.8 ±0.78
Сердцевинные лучи	д	13.5 ±1.06	16.5 ±1.07	13.8 ±1.0	17.8 ±1.02	22.5 ±1.75
	ш	8.0 ±0.50	6.5 ±0.41	7.0 ±0.50	6.8 ±0.38	7.5 ±0.37
Каменистые	д	единичн.	71.1 ±7.39	–	единичн.	59.4 ±8.38
	ш	единичн.	56.4±4.75	–	единичн.	44.4 ±4.71
Масляные	д	35.3 ±1.46	33.3 ±2.44	25.0 ±1.70	23,3 ±1,29	лизирован.
	ш	25.0 ±1.05	26.3 ±1.67	18.8 ±1.0	17.8 ±0,95	лизирован.
Смоляные ходы	д	267.5±34.03	305 ±0.0	335.8± 22.1	350 ±12.83	402.5 ±80.47
	ш	174.2 ±19.7	145 ±0.0	230 ±6.29	228,3±10.63	199.2 ±36.32
Обкладочные смоляных ходов	д	26.8 ±2.97	21.1 ±1.88	23,0 ±1.70	28,0 ±1.10	35.3 ±2.25
	ш	17.1 ±1.15	13.2 ±0.89	12,3 ±0.95	16,8 ±1.24	13.0 ±0.89

Примечание. Здесь и в табл. 3 – Д – длина, Ш – ширина, В – высота клеток. Радиальный диаметр трахеид, фло- эмных волокон и смоляных ходов обозначен так же буквами «Д – длинная ось», «Ш» - короткая ось.

трехлопастной двухлопастной

Рис. 4. Каменистые клетки в паренхиме двухлетних побегов разной лопастности

Двух- и трехлопастные побеги первого и второго года жизни зеленого цвета, трехлетние ‒ бурого цвета и покрыты пробкой. Феллоген закладывается под листовыми подушками в эндодермоидном слое первичной коры. В середине лета феллема имеет серографитовый цвет и толщину 8–13 мкм, к осени цвет стебля приобретает характерную красно-бурую окраску.

Сердцевина стебля выраженная, у трехлопастных треугольной формы, в перимедуллярной части кото- рой расположены пучками тяжи первичной ксилемы. По мере роста в результате функционирования камбия у побегов в середине лета первого года формируется сплошное ксилемное кольцо. У однолетних двухлопастных побегов ксилема представлена двумя частями полулунной формы (по 4 пучка в каждой) (см. рис. 1), которые разделены листовыми лакунами, соединенными с сердцевиной стебля. У трехлопастных побегов ксилема разделена на три части, соответственно тремя листовыми лакунами (см. рис. 2).

Вторичная ксилема представлена трахеидами, расположенными радиальными рядами, число которых в зависимости от возраста побега (1–3-летние) изменяется у двухлопастных в среднем от 4.2 до 6.3 шт., у трехлопастных ‒ от 3.7 до 15.9 шт. Ксилемные ряды объединены в группы (максимальное число рядов в группах 11), их разделяют однорядные сердцевинные лучи. Размеры клеток сердцевинных лучей с возрастом увеличиваются от 13.5 до 16.5 мкм у двухлопастных побегов и от 13.8 до 22.5 мкм ‒ у трехлопастных. Во флоэме у трехлетних побегов J. polycar-pos , кроме проводящей системы и паренхимных клеток, встречаются и смолоносные полости. У трехлетнего трехлопастного побега толщина флоэмы достигает 152 мкм, что составляет пятую часть от толщины ксилемы.

Флоэма представляет собой два тангентальных слоя (проводящий и запасающий). Часть флоэмы с проводящей функцией на поперечных срезах трехлетних трехлопастных побегов имеет более светлую окраску (толщина 40.8 мкм) и состоит из четырехпяти рядов клеток. По бокам замыкают эту часть флоэмы крупные клетки тяжевой паренхимы. Размеры клеток тяжевой паренхимы увеличиваются в непроводящей части флоэмы и примыкают к фелло-дерме. Перидерма на третий год жизни побега уже формирует вокруг проводящей системы сплошное кольцо. Сердцевинные лучи во внешней части флоэмы приобретают более извилистую форму, видимо из-за внутреннего давления утолщающейся ксилемы и наружного сопротивления этому давлению уже сформированного сплошного слоя феллемы.

Большинство показателей размерных признаков клеток тканей побегов имеют незначительный (4.7– 15.1%) или средний (15.7–34.6%) коэффициент вариации (табл. 3). Какой-либо общей тенденции в изменении вариабельности изученных признаков у разновозрастных двух- и трехлопастных побегов выявить не удалось. CV одних признаков с возрастом увеличивается, других – уменьшается. Причем, если изменчивость признака «длина клеток эпидермы» у трехлопастных побегов с возрастом увеличивается в 1.9 раза, то признак «высота клеток эпидермы» наоборот, в 1.7 раз уменьшается. Коэффициенты вариации показателей клеток гиподермы у двухлопастных побегов имеют средний уровень вариации и с возрастом практически не изменяются (19.7–23.5%), в то же время у трехлопастных побегов наблюдается уменьшение вариабельности в 2.1 раза. Стабилизация CV показателей клеток гиподермы объясняется прекращением роста клеток и их растяжения вследствие раннего одревеснения (на первом году жизни). Наиболее вариабельными оказались размерные признаки смоляных ходов у трехлопастных побегов от 4.7% у одно- и двухлетних побегов до 34.6% ‒ у трехлетних. Низкий CV, возможно, связан с ранней закладкой и дифференциацией эпителиальных клеток будущих смоляных ходов однолетних побегов [Лотова, 1987], а к третьему году жизни побег утолщается в 1.4 раза за счет активного неравномерного прироста ксилемы, что приводит к неравномерному растягиванию смоляных ходов.

Таблица 3

Коэффициенты вариации показателей признаков клеток тканей побегов Juniperus polycarpos C. Koch (CV, %)

Типы клеток и их признаки, в мкм		Двухлопастные побеги		Трехлопастные побеги
		1-летний	2-летний	1-летний	2-летний	3-летний
Эпидермальные	д	26.8	23.1	13.6	26.1	25.2
	в	14.3	16.7	27.9	22.1	16.6
Гиподермальные	д	19.7	21.2	26.7	16.7	12.5
	ш	19.9	23.5	23.7	15.1	17.7
Сердцевинные	д	26.7	19.9	20.8	18.1	25.3
	ш	34.5	23.6	23.6	19.1	17.2
Трахеиды	д	22.6	19.2	19.4	20.4	10.0
	ш	21.0	19.7	22.2	26.8	18.9
Флоэмные волокон	д	–	15.8	–	24.6	19.6
	ш	–	27.0	–	15.1	32.1
Сердцевинные лучи	д	25.0	20.5	23.1	18.1	24.6
	ш	19.7	38.6	22.6	17.9	15.7
Каменистые	д	единич.	31.2	–	единич.	28.2
	ш	единич.	25.3	–	единич.	21.3
Масляные	д	13.1	23.3	21.6	17.6	лизиров.
	ш	13.3	20.2	16.9	16.9	лизиров.
Смоляные ходы	д	22.0	–	11.4	6.3	34.6
	ш	19.6	–	4.7	8.1	31.6
Обкладочные смоляных ходов	д	29.4	23.6	23.4	23.7	20.2
	ш	17.7	18.0	24.4	23.4	21.8

Заключение

В работе впервые дано описание анатомического строения молодых побегов Juniperus polycarpos , произрастающего в условиях Предгорного Дагестана. Цель – выявление при изучении анатомического строения стебля таксоноспецифичных и адаптивных признаков. На основе полученных результатов и сравнительного анализа литературных источников показано, что в целом побег J. polycar-pos имеет типичное для рода анатомическое строение [Лотова, 1987]. Специфическими особенностями его морфологии можно считать наличие двух типов побегов (двух- и трехлопастных). При этом у двухлопастных побегов, в отличие от трехлопастных, выявлено наличие в паренхиме листовых подушек первых большего числа каменистых клеток. Отличаются указанные побеги и строением центрального цилиндра. У трехлопастных побегов сердцевина имеет в целом треугольную форму с извилистым контуром. Он формируется благодаря наличию в перимедуллярной зоне множества (до десяти) тяжей первичной ксилемы. К концу первого года, с формированием камбия, ксилема формирует сплошное годичное кольцо. У двухлопастных побегов проводящие пучки к концу первого года полностью не сливаются и сохраняют автономность благодаря наличию более крупных листовых лакун.

Цвет стебля первого и второго года жизни зеленый, на третий год стебель полностью теряет зеленую окраску и приобретает бурый оттенок.

Межпопуляционные и межвидовые сравнительно-анатомические исследования вегетативных и генеративных органов Juniperus polycarpos C. Koch и J. excelsa Bieb. будут продолжены с целью выявления диагностических и адаптивных признаков этих видов и представлены в последующих сообщениях. При этом соответствующая обозначенным выше целям интерпретация количественных признаков может быть проведена только при получении сравнительных данных.