Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Реконструкция морфогенеза листа мхов и его связь с формой листа и особенностями биологии видов

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Реконструкция морфогенеза листа мхов и его связь с формой листа и особенностями биологии видов"

005013496

¿у

Донсков Дмитрий Геннадиевич

РЕКОНСТРУКЦИЯ МОРФОГЕНЕЗА ЛИСТА МХОВ И ЕГО СВЯЗЬ С ФОРМОЙ ЛИСТА И ОСОБЕННОСТЯМИ БИОЛОГИИ ВИДОВ

03.02.01 - Ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 5 мар 20/2

Москва 2012

005013496

Работа выполнена в

Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Игнатов Михаил Станиславович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Константинова Надежда Алексеевна

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Афонина Ольга Михайловна

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет»

Защита диссертации состоится «29» марта 2012г. в 13 ч. на заседании диссертационного совета Д.002.028.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главном Ботаническом саду им. Н.В. Цицина РАН по адресу: 127276, Москва, ул. Ботаническая, д. 4. Факс: (495)-977-91-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН.

Автореферат диссертации разослан «¿? » февраля 2012г. и на сайтах.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук

Ю.К.Виноградова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Проблема развития в биологии всегда привлекала исследователей. Однако прямые наблюдения не всегда возможны, и в этих случаях используются косвенные методы - например, реконструкция хода развития по сериям объектов, достигшим разных стадий развития.

Проблема морфогенеза листа является одной из важных проблем ботаники. Структура листа отражает ряд разномасштабных, асинхронных и относительно независимых процессов. В связи с этим лист, с одной стороны, сам может выступать объектом познания, а с другой - служить модельным объектом для изучения процессов развития растений.

Хотя общее понимание процессов развития листа мхов было достигнуто еще в 19 веке, работы на эту тему и в наше время не потеряли своей актуальности. Их рассмотрение приводит к постановке сложных задач, решение которых немыслимо без применения математического аппарата, и стало возможным только с появлением соответствующего технического оснащения, с внедрением цифровой фотографии и ее компьютерной обработки. Применение этих методов позволяет не только более углубленно проанализировать и обобщить ранее накопленный материал, но также выявить и изучить некоторые прежде неизвестные особенности морфогенеза листьев мхов.

Цель работы - реконструкция развития листа для группы модельных видов мхов и выявление связи структуры клеточной сети листа с формой листа и особенностями биологии видов.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1) разработать методику реконструкции морфогенеза листа и провести реконструкцию развития листьев трех модельных видов;

2) разработать методику сравнительного анализа клеточных сетей листьев;

3) охарактеризовать связь последовательности формирования клеточной сети с формой листа;

4) дать сравнительную морфологическую характеристику ломкости для четырех видов рода Окгатип;

5) выявить связь ломкости листьев в роде Окгапит с морфологией листа и особенностями биологии видов.

Научная новизна работы. На основе принципиальной схемы разработана методика ретроспективной реконструкции порядка клеточных делений листа мхов. Разработан и успешно апробирован метод оцифровки клеточной структуры листа, который позволяет проводить ее сравнительный анализ у разных листьев одного или нескольких видов. Для трех модельных видов семейства Бипапасеае выявлены и охарактеризованы закономерности связи структуры клеточной сети с формой листа.

Изучены особенности формирования ломкости листьев у видов рода Вкгапит (Бкгапасеае), и описана связь их со структурой клеточной сети и биологией видов.

Практическая значимость. Разработанный метод оцифровки клеточных сетей позволяет быстро накапливать массивы данных для дальнейшей статистической обработки и использовать их для исследования изменчивости листьев в зависимости от условий произрастания, для уточнения таксономии видов и выяснения их эволюционных взаимоотношений.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались на XI Международной Школе по теоретической морфологии растений «Меристемы, модули, побеги в разных царствах живых организмов» в Тверском Государственном Университете (ноябрь 2008г., Тверь, Россия), Международной конференции "Бриофлора российского Дальнего Востока: таксономия, генезис, географические связи" в Биолого-почвенном институте ДВО РАН (сентябрь 2010г., Владивосток, Россия), Международной бриологической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения З.Н. Смирновой и 110-летию со дня рождения К.И. Ладыженской, в Ботаническом институте им. В. Л. Комарова РАН (октябрь 2010г., Санкт-Петербург, Россия), Конференции молодых ученых ГБС им. Н.В. Цицина (ноябрь 2011г.)

Публикации. По теме работы опубликовано 4 работы, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, и 2 статьи в материалах международных конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка использованной литературы, и 3 приложений. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц, 53 рисунка. Список литературы содержит 124 наименования, в том числе 43 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Поскольку исследования включали две группы объектов, работа разделена на две части и состоит из общего обзора - Морфогенез листа мхов и подходы к структурному анализу морфологии листа (глава 1), части I -Морфогенез листа у трех модельных видов семейства Рипапасеае (главы 2 -4), и части II - Ломкость листьев в роде Окгапит (Окгапасеае) (главы 5 - 7).

ГЛАВА 1. МОРФОГЕНЕЗ ЛИСТА МХОВ И ПОДХОДЫ К СТРУКТУРНОМУ АНАЛИЗУ МОРФОЛОГИИ ЛИСТА Общий план развития листьев мхов. Важный вклад в понимание морфогенеза листа мхов внес П.Г. Лоренц (Ьоге^г, 1864, 1867). Он показал, что лист формируется из одной апикальной клетки, которая совершает небольшое количество делений, и относительно немногих ее производных, возникающих в результате этих делений. Лоренц впервые очертил секторную

структуру листа, где под секторами понимаются группы клеток, производные от дочерних клеток апикальной клетки.

Проблеме развития листа мхов, последовательности делений клеток при его формировании посвящен цикл работ (Leitgeb, 1874а, 1874b, 1874с; Pottier, 1921, 1925; Janzen, 1929; Mägdefrau, 1937; Ворр, 1961, 1984; Hebant, 1967; Eschrich, Steiner, 1968a, 1968b; Robinson, 1970; Berthier, Hebant, 1971; Puri, 1986; Frey, 1971, 1972).

Структурный анализ морфологии листа. Исследования по данной тематике немногочисленны (Шмидт и др., 1978; Васильев, Дариев, 1980; Русанович 1982а, 19826; Васильев, 1988; Паутов, 1995, 2002; Ильинский, Шипунов, 2005; Орленко, 2007; Корона, Васильев, 2007; Гашева, 2008; Федорова, 2008).В новейшее время появились работы посвященные разработке алгоритма развития пространственной структуры листа (Корона, 1978, 1987; Исакова и др., 1984; Bell, Tomlinson, 1980; Barlow et al., 1982, 1991, 1997; Barlow, Lück, 2004).

Особенности морфологии и биологии видов Dicranum (Dicranaceae) с ломкими листьями. В роде Dicranum имеются виды с сильно ломкими верхушками листьев, служащими для вегетативного размножения. Систематика видов отличается сложностью и противоречивостью (Игнатов, Игнатова, 2003; Takaki, 1964; Iwatsuki, 2004; Ignatova, Fedosov, 2008). Морфологические отличия видов не всегда надежны, и их набор нуждается в расширении; при этом особенности ломкости верхушек листьев никогда предметом специального изучения не были.

ЧАСТЬ I. МОРФОГЕНЕЗ ЛИСТА У ТРЕХ МОДЕЛЬНЫХ ВИДОВ СЕМЕЙСТВА FUNARIACEAE

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования. В качестве объектов исследования были отобраны Physcomitrella patens (Hedw.) Bruch et al., Physcomitrium pyriforme (Hedw.) Натре и P. sphaericum (C.F. Ludw.) Brid. Данные объекты выбраны из 20 первоначально протестированных видов в связи с относительно небольшим количеством клеток, формирующих пластинку листа, их четкими границами, не доходящей до верхушки жилкой, отсутствием дифференцированной каймы. У остальных видов отсутствует комплекс перечисленных особенностей, что существенно затрудняет однозначную интерпретацию последовательности клеточных делений.

Методика исследования. Микропрепараты листьев различного возраста готовились на предметных стеклах и заливались в среды мовиол или глицерин-желатин.

Препараты фотографировались с помощью светового микроскопа. Всего отснято фотографий: Physcomitrium pyriforme - 1160 шт., Р. sphaericum -110 шт, Physcomitrella patens - 1510 шт.. Далее фотографии упорядоченно выстраивались по степени развития листьев и давалась реконструкция

развития, основывающаяся на разработанной принципиальной схеме построения листа, критериях и правилах реконструкции клеточной сети.

Перевод последовательности формирования клеточной сети листа в цифровую форму осуществлялся на основе принципиальной схемы развития листа с помощью метода оцифровки собственной разработки, заключающегося в присвоении каждому клеточному делению уникальной последовательности цифр.

Обработка оцифрованных данных осуществлялась на компьютере с использованием программ: Microsoft Excel, и PAST (Hammer et al., 2008). Кластерный анализ цифровых данных с построением дендрограмм проводился: методом невзвешенного попарного группирования со средним арифметическим (UPGMA) и методом ближайшего соседа (neighborlinnes method). Дистанция между клеточными сетями измерялась с помощью: дистанции Хемминга (Hamming distance) и дистанции Манхеттен (Manhattan distance) (Лукашов, 2009; Реброва, 2002).

Принципиальная схема развития листа и критерии выделения секторов. На полученных фотографиях листьев границы секторов отчетливо видны только у самых молодых листьев. У взрослых листьев они сильно «размыты» за счет роста и смещения клеток, что редко дает возможность реконструировать ход развития клеточной сети по взрослому листу.

В связи с этим была теоретически разработана принципиальная схема развития листа (Рис. 1). Основными требованиями к ней были: 1) построение однослойной плоскости листа из одной клетки (апикальной); 2) последовательное отделение дочерних клеток апикальной клеткой и построение симметричных половин листа за минимальное число шагов; 3) все клетки одинаковы по форме и размеру; 4) правильность и одновременность делений дочерних клеток, при которых число клеток в секторе увеличивается согласно последовательности 1, 2, 4, 8, 16, 32, и т.д. Здесь сектор - это группа клеток, производных от дочерней клетки апикальной клетки. Форма апикальной клетки в принципиальной схеме ромбическая.

Основными свойствами принципиальной схемы являются: 1) каждый нижележащий сектор больше вышележащего по размеру и по числу клеток; 2) сектора левой и правой половин листа симметричны по принципу «скользящей симметрии», т.е. смещены по оси; 3) жилка отсутствует, но область жилки выделить можно; 4) число секторов не ограничено.

Несмотря на лишь частичное соответствие с реальной клеточной сетью, принципиальная схема развития позволяет сформулировать критерии выделения секторов:

1) учет общих особенностей деления растительной клетки, когда клетки, скрепленные клеточными стенками, не могут сильно смещаться;

2) верхняя, внутренняя граница нижележащего сектора должна соприкасаться с нижними границами двух вышележащих секторов;

3) продолжение линии, обозначающей верхнюю, внутреннюю границу вышележащего сектора, оказывается линией первого деления в нижележащем секторе.

Данные критерии представляются логичными, хотя возможность альтернативных критериев не исключена. При этом даже с учетом критериев определить границы не всегда можно сразу. Тем не менее, число вариантов для перебора значительно сокращается, и реконструкцию можно производить сразу по взрослому листу.

Рис.1. Принципиальная схема развития листа. I41, I42,1 , I52, I61, I62 - обозначения секторов по W. Frey (1971).

Правила реконструкции последовательности делений клеток в отдельном секторе. После установления наиболее вероятных границ секторов реконструировалась последовательность делений клеток, их образовавших. Визуальный анализ клеточной сети позволяет установить последовательность делений только в самых верхних секторах. В 5 - 6 секторах, где число клеток превосходит 16, вариантов для выбора методом простого перебора становится слишком много.

Поэтому для формализации реконструкции последовательности клеточных делений в секторе, опираясь на принципиальную схему делений и особенности дифференциации растительных клеток, были сформулированы следующие правила:

1) первое деление в секторе всегда продольное и является продолжением линии, обозначающей верхнюю, внутреннюю границу вышележащего сектора (см. критерий 3);

2) при каждом последующем шаге происходит смена направления деления; при этом, однако, важно учитывать отклонения, возникшие при формировании реальной клеточной сети;

3) учет клеточного растяжения и возможности образования у клеток дополнительных стенок; стенки соседних клеток не всегда четко

выравниваются друг относительно друга, а образуются со смещением, что дает дополнительную стенку; направление этой дополнительной клеточной стенки служит хорошим указателем на направление деления; если дополнительная клеточная стенка расположена под углом ~45°, вопрос о направлении деления решается, исходя из 2-го правила;

4) минимизация числа отклонений; если на каком-либо шаге реконструкции количество отклонений от 2-го правила, или количество несоответствий реальной клеточной сети (3-е правило) становится существенным, изменяется направление одного из предшествующих делений; затем вновь производится реконструкция и подсчитывается количество отклонений, и если их все еще много, меняется направление еще более раннего деления и т.д. вплоть до 1-го деления в секторе - оно не может быть изменено (см. 1-е правило).

Перевод последовательности клеточных делений в цифровую форму. Сравнение клеточных сетей листьев как внутри вида, так и у разных видов поставило задачу разработки метода перевода последовательности образования клеточной сети в цифровую форму. Данная задача была решена путем построения алгоритма нумерации последовательности делений в листе после того, как произведена его реконструкция.

Выбор алгоритма нумерации осуществлялся, исходя из требований: 1) уникальность, при которой каждое деление получает индивидуальный номер; 2) последовательность номеров отражает последовательность делений; 3) перевод может быть осуществлен как в прямом, так и обратном направлении; 4) номер предыдущего деления автоматически задает номера последующих.

Номер деления задается тремя числами (Рис.2). Первое число - это номер сектора. Счет ведется от верхушки листа к основанию. Второе число -показывает, каким по счету произошло деление во времени в секторе. Третье число - показывает положение деления в пространстве в секторе относительно других синхронных с ним делений, и рассчитывается следующим образом. Обозначим: ] = 1, 2, 3, ..., со — шаг итерации, к, - третье число предыдущего деления; ^ - третье число рассчитываемого медиального или проксимального деления; п^ - третье число рассчитываемого латерального или дистального деления. Для первого деления в каждом секторе j = 1, 1С1 = 1.

1) Зная цифры предыдущих делений к^ задаем числа последующих делений следующим образом: ^ = 2 х ^ , т; = ^ - 1. 2) Переходим к следующей итерации, т.е. j = j + 1. 3) Производим переприсвоение: Ц = П; _ 1 или Ц = 1. 4) Переходим к шагу 1.

При этом цифровые обозначения присваиваются даже тем делениям, которые отсутствуют, т.к. ориентируясь на принципиальную схему, можно установить, где они должны быть.

Представленный алгоритм отвечает всем поставленным требованиям, однако ничего не говорит о реализованности и направлении делений.

Поэтому для каждого деления дается еще одно числовое обозначение: 0 - нет деления, 1 - продольное, 2 - поперечное.

номер 1 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

деления 1 1 2 2 1 2 2 3 3 3 3 1 2 г 3 3 3 3 4 4 4 4

1 1 1 2 1 1 2 1 2 3 4 1 1 г 1 1 3 4 1 2 3 4

реализа-

ция 0 1 0 2 1 2 2 0 1 2 0 1 1 г 2 2 2 2 0 1 0 2

деления

Рис. 2. Пример перевода последовательности делений клеточной сети листа в числовую матрицу. I41, I42, I51, I52, I61, I62 - обозначения секторов по W. Frey (1971). Числа по стрелкам обозначают: до дефиса - номер деления, после дефиса - числовое значение реализованное™ и направления делений.

В результате формируется матрица чисел, в которой имена столбцов -это номера делений, имена строк - это номера листьев, а заполнение матрицы — это числа реализованности и направления делений.

Перевод последовательности делений может быть осуществлен и в обратном направлении. При этом получаем картину клеточной сети в виде типовой схемы (Рис. 7), более удобной для прочтения и дальнейшей работы.

Область жилки и ограничения проводимых реконструкций. В приводимых ниже реконструкциях развития листа не учитывалась область

жилки, и сама реконструкция касалась верхних 6 секторов. Область жилки исключалась поскольку: 1) у мелких взрослых листьев с нижней части стебля жилки нет; 2) у крупных листьев она многослойна и строится из очень узких клеток, изучение границ которых невозможно с помощью светового микроскопа; 3) в принципиальной схеме развития жилки нет, а алгоритм реконструкции последовательности делений клеток в секторе рассчитан только на плоскостную структуру. Однако, опираясь на принципиальную схему, всегда можно выделить границы области жилки и соотнести ее с секторной структурой листа. Изучение верхних 6 секторов листа связано с большой неопределенностью границ 7-8(-10) секторов и их подсекторов, связанных с растяжением нижней части листа.

ГЛАВА 3. РЕКОНСТРУКЦИЯ РАЗВИТИЯ ЛИСТА ВИДОВ FUNARIACEAE

Апикальная клетка листа всех трех видов имеет более или менее ромбовидную форму. По серии фотографий видно, что она совершает косые деления, последовательно откладывая клетки в обе стороны. У мелких листьев с нижней части стебля она совершает от 4-х до 6-ти делений, у крупных - от 6-ти до 10-ти. Ее дочерние клетки сразу переходят к делению.

В молодом листе клетки мелкие и однородные. Во взрослом, полностью сформированном листе, все клетки довольно крупные, и их число колеблется от 200 до 500. У Physcomitrella patens, Physcomitrium pyriforme взрослые листья, расположенные внизу стебля, мелкие, но при этом образованы крупными клетками, число которых может быть всего 25-30.

На снимках самых первых стадий развития листа просматриваются сектора, сформированные квадрантами, октантами и т.д. недавно поделившихся клеток. В дальнейшем этот численный ряд нарушается, и число клеток не строго соответствует ряду степеней 2 (т.е. 8, 16, 32 и т.д.) Секторам присваивались обозначения I41 и I42, I51 и I52, и т.д., следуя обозначениям, предложенным W. Frey (1961).

Опираясь на критерии и правила, произведена реконструкция последовательности образования клеточной сети у верхних 6-ти секторов листа. При этом у крупных листьев данные сектора составили от 1/3 до 1/2 площади листа, у средних - от 1/2 до 2/3, у мелких листьев, взятых с нижней части стебля - весь лист.

Всего произведено полных (все 6 секторов) или почти полных (5 секторов) реконструкций: Physcomitrium pyriforme - 88 (51 и 37) шт., Р. sphericum - 35 (25 и 10) шт., Physcomitrella patens - 140 (83 и 57) шт. Примеры полных реконструкций показаны на Рис. 3.

Основные результаты проведенной реконструкции следующие:

- разработанные критерия и правила пригодны для использования при реконструкции развития листа для всех трех модельных видов;

- реконструкция дала непротиворечивую схему развития листовой пластинки с точностью до клетки;

Рис. 3. Реконструкция развития 6-ти верхних секторов листьев - Physcomitrium pyriforme (1,2), Physcomitrellapatens (3, 4), Physcomitrium sphaericum (5).

- установлено, что в 5-м и 6-м секторах 2-е деление по времени в подавляющем большинстве случаев продольное, что является отклонением от предсказанного принципиальной схемой (для Physcomitrium pyriforme в 85%, P. sphaericum в 100%, Physcomitrella patens в 92% случаев для полных реконструкций);

- это отклонение в 5-х и 6-х секторах чаще проявлялось в крупных листьях (в 82 - 100% случаях), чем в мелких с нижней части стебля (в 60 -75% случаях). Это можно объяснить тем, что мелкие листья с нижней части стебля не имеют жилки, и ширина их основания соизмерима с диаметром стебля. Поэтому для них нет препятствий в формировании клеточной сети в

Рис. 4. Дендрограммы групп листьев РЬуэсотИгшт руп/огте - ОК Каждая ветвь соответствует листу, обозначенному номером. ЗиЬОЯ - подгруппы листьев, рппмр -принципиальная схема делений группы, г - ширина пластинки листа в клетках.

z =

P. païens P. pyriforme P. sphericum

(3 = 40-60° р = 45-60° р = 85-100°

Рис. 5. Суммарная дендрограмма усредненных клеточных сетей с укоренением на принципиальную схему группы и стандартные листья трех модельных видов. Каждая ветвь соответствует усредненной клеточной сети подгруппы - руг (Physcomitrium pyriforme), pat (Physcomitrella patens), sph (Physcomitrium sphaericum). princip - принципиальная схема делений группы, р - угол заострения листа.

SubGR

SiibGR,

SubGR:

iubGR

SubGR:

SubGR,

.SubGR,

SubGR,

GR3 z = 17...24

SubGR-,,

jbGR

32

GR z = 17...24

Рис. 6. Листья с типичными формами для подгрупп SubGR. а - матрица листьев Phvscomitriumpyriforme, б - ряд из матрицы листьев Physcomitrella patens, в -ряд листьев Physcomitrium sphaericum. GR - группы листьев.

bGR

SubGR,

GR, z = 17...24

GR2 z = 13...16

GR, z = 9...12

ругЗІ

1

1 1

1 ГШ Вк ..-1-і. -ТІ

руШ

-1- -.1

Г г |»5" і «•0|= о

pyrll

1

1 -1.

1 4!. 4

pyr32

I- 1

-- і 1

І- ■1 -I : 1

I-: 4- 5 1-ї- •»•IB 4-|w

pyr23

1

1 1 1 l-l-l-1 |>l* 1

і: 1 =

pyrl2

1 --1

1 і 1 I-

ругЗЗ

1 1

1! -I. -I- 4

1" 4: ЖН »1-11

pyr24

1

1

1 -1 - -1 z\z

4- .¡.і:

pyi'13

1 і

1 M' =j- 1 1 -■I !|.T

z = 17...24

pat31

I 1

1

і — \ ; 4» TIT 4: '¡-It ■i-i-i-■>-h

pat32

1

1 "і

і-;- 1 - « fi

para

1 1

1 1 1

1. . 1. , -1-І

Г 4- ■ "I"" 4

GR z = 17...24

B.

sphl

1 1 I 1 1

j-l. »-I 1

S ¡"И - j-" ■3»|»i

'I'IT'Î

sph2

1 1

1 1 1

r Г -і» "T"

РШ fifjfn

-5-І--." -«■I»- TIT _ ■і- -і-

sph3

1

1

1 1 1

■5"|»E= ■1>

rr TIT

Рис. 7. Типовые формы клеточных сетей, соответствующие усредненным клеточным сетям подгруппы, а - матрица Physcomitrium pyriforme, б - ряд из матрицы листьев Physcomitrella patens, в - ряд листьев Physcomitrium sphaericum. GR - группы листьев, z - ширина пластинки листа в клетках. Цветовое обозначение как на Рис. 3.

соответствии с принципиальной схемой. В листьях, развивающихся по пути формирования крупных, сначала происходят продольные деления вместо поперечных, чтобы «успеть выйти» на заданную ширину;

- в 4-м секторе 2-е деление по времени преимущественно продольное (для Physcomitrium pyriforme в 80%, P. sphaericum в 100%, Physcomitrella patens в 75% случаев для полных реконструкций);

- в 3-м секторе 2-е деление по времени преимущественно поперечное в согласии с принципиальной схемой у Physcomitrium pyriforme и Physcomitrella patens, но не у Physcomitrium sphaericum. Отклонения наблюдаются для Physcomitrium pyriforme в 18%, P. sphaericum в 80%, Physcomitrella patens в 30% случаев для полных реконструкций;

- в 1-м и 2-м секторах 2-е по времени деление происходит без какой либо определенной закономерности или отсутствует.

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОРФОЛОГИИ И КЛЕТОЧНЫХ СЕТЕЙ ЛИСТЬЕВ ВИДОВ FUNARICEAE

Связь клеточной сети с формой листа. Установление связи формы листа и клеточной сети, его образующей, была одной из основных задач работы. Как видно из реконструкций, в процессе формирования клеточной сети листа появляется довольно много отклонений от принципиальной схемы, что сказывается на конечной форме листа, которая хотя и определяется генотипом, но в процессе развития по различным причинам каждый лист получается уникальным.

Первоначально был проведен кластерный анализ всей матрицы клеточных делений листьев для каждого вида, но без видимых результатов. Поэтому совокупность листьев каждого вида была разбита на группы по ширине пластинки листа, которая измерялась по нижним границам 5-го - 6-го секторов. Ширина измерялась в числе клеток. Жилка не учитывалась.

Был построен последовательный ряд принципиальных схем формирования 5-го - б-го секторов, с шагом в одну итерацию деления, при этом деления в 5-м секторе запаздывали на один шаг.

Далее для каждой схемы считалась ширина пластинки листа в клетках - zb z2, z3, ..., Zj. В группу попадали листья с шириной пластинки, отвечающей условию:

Zj.i < ширина пластинки листа < zj.

Таким образом, в группу попадают листья с клеточными сетями, в которых полностью завершена предыдущая итерация делений и начата следующая итерация. В результате были получены четыре группы листьев с шириной пластинки от 5 до 8, от 9 до 12, от 13 до 16, и от 17 до 24 клеток. Далее для каждой группы была определена принципиальная схема делений и построены дендрограммы, укорененные на эти схемы (Рис. 4).

На построенных дендрограммах каждой группы можно видеть, что листья образуют кластеры по характеру клеточной сети. Совокупность

листьев, образовавших один кластер, будем именовать подгруппой. Листья подгрупп были визуально проанализированы по характеру формы верхушки, и для каждой подгруппы был выбран лист, обладающий типичной формой. Эти листья сформировали матрицы листьев для каждого вида (Рис. 6).

Из анализа подгрупп листьев и их матрицы выявлены следующие закономерности:

- у Physcomitrium pyriforme верхушки листьев с клеточной сетью, близкой к принципиальной схеме группы, обладают широким заострением, а при удалении от последней, верхушки становятся более заостренными или приобретают более менее выраженный оттянутый кончик;

- у Physcomitrella patens листья с клеточной сетью, близкой к принципиальной схеме группы, обратнояйцевидные и короткозаостренные. При удалении от принципиальной схемы верхушки становятся более длинно заостренными, а листья - узколанцетными;

- у Physcomitrium sphericum листья с клеточной сетью, близкой к принципиальной схеме группы, имеют типичную форму для вида -широкозаостренные, с закругленной верхушкой. При удалении от последней листья лучше сохраняют форму, чем два другие вида, и происходящие изменения клеточной сети отражаются на ней слабо. Однако можно отметить, что листья с клеточной сетью, далекой от принципиальной схемы группы, имеют верхушку со слабо выраженным закруглением;

- закономерности изменения формы повторяются в каждой группе, т.е. у листьев трех рассмотренных видов существуют гомологические ряды изменения формы, повторяющиеся в каждом размерном классе листьев.

Поскольку изменения, которые происходят в клеточных сетях групп листьев, отследить крайне сложно, были построены усредненные клеточные сети для каждой подгруппы, осуществлялось следующим образом. Просматривалась цифровая матрица делений подгруппы и формировалась строка, содержащая только часто встречающиеся деления. В случае спорных моментов выбор происходил из учета принципиальной схемы группы, и в строку записывалось значение, соответствующее этой схеме.

Далее строилась дендрограмма группы по матрице с добавлением строк, несущих информацию об усредненных клеточных сетях, и проводилась оценка ее структуры. Усредненные клеточные сети признавались верными, если они попадали каждая в середину своего кластера и не оказывали влияния на первоначальную структуру дендрограммы. По полученным матрицам усредненных клеточных сетей строились типовые формы, представленные на Рис. 7.

Проведенный анализ усредненных клеточных сетей выявил следующие закономерности:

- при удалении клеточной сети от принципиальной схемы возрастает количество отклонений, выражаемое в том, что уменьшается количество

продольных делений, а количество поперечных приближенно остается тем же; данные изменения прослеживаются во всех группах трех видов;

- при увеличении размера листа, отклонения в клеточных сетях от принципиальной схемы происходят на более поздних итерациях делений;

- закономерности изменения клеточной сети повторяются в каждой группе, т.е. можно говорить, что у листьев трех рассмотренных видов существуют параллельные ряды изменения клеточной сети, повторяющиеся в каждом размерном классе листьев.

В конечном итоге можно заключить, что форма листа хоть и не жестко, но довольно сильно связана с клеточной сетью, и эта связь характеризуется определенными закономерностями.

Сравнительный анализ клеточных сетей трех модельных видов. Был проведен сравнительный кластерный анализ трех модельных видов. При этом анализировалась суммарная матрица усредненных клеточных сетей для группы с шириной пластинки листа от 17 до 24 клеток. На Рис. 5 показаны дендрограммы с укоренением на принципиальную схему группы.

По полученным дендрограммам можно заключить, что:

- усредненные схемы Physcomitrium sphaericum стоят ближе к принципиальной схеме, следовательно, деления клеток в его листьях идут более согласовано, и клеточная сеть получается более упорядоченной; клеточные сети двух других видов имеют явные отличия, как от принципиальной схемы, так и от Physcomitrium sphaericunr,

- усредненные схемы Physcomitrium pyriforme и Physcomitrella patens не образуют отдельных клад, а довольно перемешаны, т.е. характеристики их клеточных сетей перекрываются и не могут быть явлены данным методом. Перекрытие характеристик объясняется близким родством видов (Игнатов, Игнатова, 2003), при котором эволюционные изменения в большей степени отразились на спорофите, а не на гаметофите вообще, и листьях в частности;

- поскольку клеточная сеть связана с формой листа, можно утверждать, что чем ближе к принципиальной схеме, тем листья становятся менее заостренными, а угол заострения стремится к 90°.

ЧАСТЬ II. ЛОМКОСТЬ ЛИСТЬЕВ В РОДЕ DICRANUM

(DICRANACEAE) ГЛАВА 5. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования были выбраны виды из рода Dicranum, имеющие характерную особенность - ломкие верхушки листьев: D. fragilifolium Lindb., D. hakkodense Cardot, D. tauricum Sapjegin, D. viride (Sull. & Lesq.) Lindb. Данные объекты выбраны в связи с тем, что подробные сравнительные исследования ломкости на них не проводились; кроме того, эти виды занимают различные экологические ниши, что позволяет выявить связь особенностей морфологии с местообитаниями видов.

Материал для исследования (обломанные верхушки) получался сбором обломанных верхушек, которые находились в конверте с образцом, в виде мелкой россыпи, а также полученных в процессе механического воздействия на верхушки побегов.

Затем готовились микропрепараты обломанных верхушек листьев, которые фотографировались с помощью светового микроскопа. Всего отснято фотографий: D. fragilifolium - 600 шт., D. hakkodense - 1200 шт., D. tauricum - 955 шт., D. viride - 925 шт. Далее обломанные верхушки были измерены, причем измерялись только фрагменты с апексом листа, а фрагменты с обломами по двум концам не включались в исследование.

Обработка числовых данных и построение графиков осуществлялись на компьютере с использованием программ Microsoft Excel, Mathcad 14, Visual Basic и PAST (Hammer et al., 2008).

График распределения длин строился, как сумма

"AMV

распределений, по формуле (Шмидт, 1984): F(x)=

нормальных где

х 6 (0, 4000] - диапазон значений длин в мкм для которого строилось суммарное распределение; п - 1,2, ..., пМАХ ; пМАх - количество измеренных верхушек; а - дисперсия нормального распределения; ^ - математическое ожидание распределения, которое в данном случае равно длине отдельной верхушки в мкм. Дисперсия а выбиралась с таким расчетом, чтобы было видно: с одной стороны, общий характер кривой (модулирующая составляющая), а с другой - все существенные отклонения от усредненного графика. Значения дисперсии нормального распределения о: £>. fragilifolium -28, Л hakkodense - 40, Д. ¡аипсит — 30, Д. viride - 28.

ГЛАВА 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЛОМКОСТИ ЛИСТЬЕВ Главные параметры обломанных верхушек листьев даны в Табл.1, а графики распределения длин верхушек представлены на Рис.8. Расчеты показателей и ошибки рассчитаны по стандартным методикам (Лакин, 1990; Малета, Тарасов, 1982; Шмитд, 1984).

верхушек листьев

ПМАХ, шт M, мкм d, мкм P,% As Ex

D. fragilifolium 1222 1128 ±19 663 ±13 1,68 ±0,04 1,13 ±0,07 1,1 ±0,1

D. hakkodense 1146 1720 ±29 980 ±20 1,68 ±0,05 0,89 ±0,07 0,2 ±0,1

D. tauricum 1137 1044 ±19 625 ±14 1,85 ±0,05 1,40 ±0,07 2,0 ±0,1

D. viride 1190 1135 ±16 544 ±11 1,53 ±0,04 1,02 ±0,07 0,8 ±0,1

Условные обозначения: пМАХ - количество измеренных верхушек; М - среднее арифметическое; (1 - дисперсия длин верхушек; Р — относительная ошибка, которая при достаточной выборке должна быть <5%; Аэ - асимметрия; Ех - эксцесс.

Рис. 8. 1, 2, 3, 4 -Графики распределений длин обломанных верхушек листьев. 5, 6, 7, 8 - Графики распределений длин обломанных верхушек листьев после вычитания логнормального распределения. Сплошная линия - D. fragUifoUum (1, 5), D. hakkodense (2, 6), D. tauricum (3, 7), и D. viride (4, 8). Пунктирная линия (1, 2, 3, 4) -аппроксимирующее логнормальное распределение. Пунктирная линия (5, б, 7, 8) -аппроксимирующая функция синуса. X - длина верхушек в мкм, Y - значение распределения, полученное по формуле. Int - интервал расчета корреляции, Per -период синусоиды, о-дисперсия нормального распределения.

Таблица 2. Расстояние между зубцами для двух видов Dicranum.

t, шт М,, мкм dt, мкм Р„ %

D. hakkodense 103 79 ± 1 11,7± 0,8 1,5 ±0,1

D. tauricum 117 77 ± 1 13,5 ±0,8 1,6±0,1

Условные обозначения: I - количество измеренных секторов; М, - среднее арифметическое; с), - дисперсия; Р, - относительная ошибка, которая при достаточной выборке должна быть <5%.

Было сразу отмечено, что распределение длин обломанных верхушек подобно нормальному распределению, но с умеренной правосторонней асимметрией и явным чередованием пиков и провалов в интервале 1-2 мм от верхушки листа, что схоже с синусоидальной функцией.

Поэтому сначала было подобрано статистическое распределение, которое можно использовать в качестве аппроксимирующего, для всех графиков распределения длин верхушек. С этой целью протестированы следующие распределения: распределение Рэлея, Гамма-распределение, логнормальное распределение, т.к. они отвечают необходимым требованиям (Выгодский, 1964; Ивантер, Коросов, 2010; Малета, Тарасов, 1982).

Для проверки этих распределений в качестве гипотез использовался критерий хи-квадрат (%2) (Лакин, 1990; Шмидт, 1984). Самое оптимальное согласование с эмпирическими данными показало логнормальное распределение. Далее из распределений длин верхушек было вычтено логнормальное распределение, с целью получения графиков пиков и провалов без модулирующей составляющей (Рис.8). Участок для исследования выбирался для каждого вида индивидуально.

Полученные графики соотносились с графиками синусоидальной функции посредством корреляционного анализа, с помощью программы PAST, при сравнении данных для каждого микрона. Параметры синусоидальной функции подбирались для каждого вида отдельно.

Для того чтобы установить связь ломкости листьев с клеточной сетью, были произведены измерения длин секторов. Листья Dicranum, как и других мхов, имеют секторную структуру, которая хорошо прослеживается в верхушке листа. Однако в интересующей нас средней части листа (1-2 мм), установить границы целого сектора возможно только в редких случаях. Краевые зубцы могут служить указателями секторной структуры, т.к. обычно расположены через 4 или 8 клеток. При этом невозможно установить что это - целый сектор, или подсектор (или четверть сектора). Тем не менее, поскольку зубцы расположены по краю листа с определенной регулярностью, расстояния между ними были промерены.

Зубчатость особенно легко видеть у D. tauricum и D. hakkodense. Иллюстрация измерений представлена на Рис.9, а данные измерений сведены в Табл.2.

Два других вида было невозможно включить в анализ. У D. viride имеются только отдельные зубцы, расположенные случайным образом. Край листа D. fragilifolium совершенно гладкий.

ГЛАВА 7. СВЯЗЬ ЛОМКОСТИ ЛИСТЬЕВ С ОСОБЕННОСТЯМИ МОРФОЛОГИИ И БИОЛОГИИ ВИДОВ

Сопоставление ломкости с секторной структурой листа.

Синусоидальная функция распределений длин обломанных верхушек хорошо видна в интервале 1-2 дт, что соответствует середине листа. Этот факт

особенно интересен, так как период синусоидальной функции приближенно равен 160 и 240 |Ш1, а, следовательно, в сопоставлении с данными промеров равен удвоенному или утроенному расстоянию между зубцами (=80 щп). Это же расстояние соответствует группе из 4 или 8 клеток, что согласуется с секторной структурой принципиальной схемы развития листа.

80 МКМ

160 мкм

Рис. 9. Фотографии верхушек листьев О. каккойете - слева и £>. шипсит - справа.

Непосредственно в местах облома видно, что в большинстве случаев, хотя и не во всех, облом идет по границе сектора, т.е. квадранты и октанты краевых клеток не нарушены и видны полностью. Сектора длиной около 160 |дт также встречаются, но только в единичных случаях.

Все вышесказанное указывает на то, что границы облома верхушек располагаются неслучайным образом, а преимущественно приурочены к границе секторов.

Сравнительная характеристика ломкости верхушек листьев. Из

полученных данных видно, что Д какко/Лете сильнее всего выделяется в данной группе. Его обломанные верхушки в среднем более длинные, чем у

других видов, и имеют значительный разброс значений. Другие виды образуют противоположную группу, т.к. их обломанные верхушки большей частью короткие и более одинаковые по длине. Данные различия в длине можно объяснить особенностями клеточной сети Д 1гаккос1еп$е.

У Д fragilifolium, Д /аипсит, Д \iride в средней части листа преобладают участки с упорядоченной клеточной сетью. Клетки короткие, квадратные, однородные по размеру. Их поперечные стенки в продольном отношении слабо смещены относительно друг друга. Поэтому границы секторов слабо «размыты» и облому верхушки ничто не препятствует.

У Д каккос1е№е же в средней части листа преобладает неупорядоченная клеточная сеть. Клетки от коротких до прямоугольных, сильно варьируют по размеру. Их края в продольном отношении заметно смещены относительно друг друга. Границы секторов сильно «размыты», за счет чего приобретается дополнительная прочность.

Характер зубчатости, вероятно, также оказывает влияние на ломкость. Зубцы Д hakkoden.se длинные, направлены под углом -45° к пластинке листа и сильно налегают на клетки соседнего сектора, тем самым, снижая ломкость. Зубцы Д [аигкит короткие и направлены под 60 - 80° к пластинке листа, слабо налегают на клетки соседнего сектора, и привносят лишь незначительный дополнительный эффект.

Связь ломкости листьев с экологией вида. Отличия ломкости верхушек листьев у модельных видов йгсгапит хорошо согласуются с экологией этих видов.

Д fragilifoГшm и О. ¡аигшит - эпиксилы, обычно встречающиеся на гниющей древесине, пнях, упавших стволах и на основании стволов. Д viride является эпифитом, произрастающим на стволах, нередко довольно высоко над землей. Д hakkodense — эпифит и эпилит, растущий как на стволах хвойных деревьев, так и на скальных выходах.

Отсюда следует, что первые два вида находятся в более жесткой зависимости от эффективности освоения новых мест для поселения. Их субстрат существует недолго, и им необходимо постоянно переселяться для поддержания стабильной численности популяций. В этом случае вегетативное размножение повышает шансы на выживание, а малые размеры обломанных верхушек и их большая однородность по длине могут указывать на высокую специализацию к данному процессу.

йгсгапит viride поселяется на более долговременно существующем субстрате, а для Д. hakkodense время существования одного из характерных для него субстратов, а именно камней, неопределенно долго. Последнее обстоятельство, очевидно, и определяет значительно меньшую ломкость листьев Д hakkodense (судя по длине не разламывающихся фрагментов), не находящуюся под жестким влиянием отбора. Вместе с тем, поскольку места, пригодные для его заселения, расположены спорадически, вегетативный способ размножения явно способствует успешному распространению вида.

выводы

1. Принципиальная схема развития листа хорошо согласуется с реальными картинами клеточных сетей родов Physcomitrium и Physcomitrella. Сформулированные на ее основе критерии и правила позволяют дать непротиворечивую реконструкцию развития листовой пластинки с точностью до отдельной клетки.

2. Разработанный метод оцифровки клеточных сетей позволяет переводить последовательности клеточных делений в цифровую матрицу и проводить ее дальнейшую математическую обработку.

3.Установлена связь последовательности образования клеточной сети листа с формой листа для трех модельных видов родов Physcomitrium и Physcomitrella - в частности, показано, что чем меньше число отклонений клеточных делений от принципиальной схемы, тем более широко заостренными оказываются листья.

4. Показано, что для четырех видов рода Dicramim, характеризующихся ломкими верхушками листа, облом верхушек листьев происходит преимущественно по границам секторов, сформированных потомками одной клетки.

5. Отличия ломкости верхушек листьев у модельных видов Dicramim согласуются с экологией этих видов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Донсков Д.Г. Морфогенез листа листостебельного мха Physcomitrium pyriform II Вестник Тверского государственного университета, 2008, №25, С. 58-66.

2. Donskov D.G. Comparative leaf morphology of Dicranum viride and Dicramim hakkodense I/ Bryoflora of the Russian Far East: taxonomy, genesis, phytogeographic relation. Vladivostok, 2010, P. 27-28.

3. Донсков Д.Г. Взаимосвязь формирования клеточной сети с формой листа мха Physcomitrium pyriforme (Hedw.) Натре // Бриология: традиции и современность. Сборник статей по материалам международной бриологической конференции, посвященной 110-летию со дня рождения З.Н. Смирновой и К.И. Ладыженской. Ботанический институт им.В.Л. Комарова, С.-П., 2010. С. 50-53.

4. Donskov D.G. On the leaf fragility in Dicranum (Dicranaceac, Bryophyta) // Arctoa, Vol. 20, 2011, P. 99 - 105.

Отпечатано в типографии ООО «Даймонд Тим» 115280, г. Москва, 2-ой Автозаводский пр-д, д. ЗА Тираж 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Донсков, Дмитрий Геннадиевич, Москва

61 12-3/596

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главный ботанический сад имени Н.В. Цицина РАН

На правах рукописи

Донсков Дмитрий Геннадиевич

Реконструкция морфогенеза листа мхов и его связь с формой листа и особенностями биологии видов

03.02.01 - ботаника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -профессор, докт. биол. наук Игнатов М.С.

Москва-2012

Содержание

Введение....................................................................................................................4

Глава 1. Морфогенез листа мхов и подходы к структурному анализу морфологии листа......................................................................................................9

1.1. Общий план развития листьев мхов............................................................9

1.1.1. Общие вопросы морфогенеза растительных клеток.............................9

1.1.2. Общие закономерности деления инициальных клеток.......................11

1.1.3. Морфогенез листа зеленых мхов (Вгуорз1с1а)......................................11

1.2. Структурный анализ морфологии листа.....................................................24

1.3. Особенности морфологии и биологии видов Вюгапит (Бюгапасеае)

с ломкими листьями.............................................................................................29

Часть I. Морфогенез листа у трех модельных видов семейства Рипаиасеае.....34

Глава 2. Объекты и методика исследования...........................................................34

2.1. Первоначальный тест....................................................................................34

2.2. Объекты исследования..................................................................................35

2.3. Методика исследования................................................................................37

2.3.1. Принципиальная схема развития листа и критерии выделения секторов..............................................................................................................40

2.3.2. Правила реконструкции последовательности делений клеток

в отдельном секторе..........................................................................................44

2.3.3. Перевод последовательности формирования клеточной сети

листа в цифровую форму..................................................................................49

2.3.4. Область жилки и ограничения проводимых реконструкций..............55

Глава 3. Реконструкция развития листа видов Рипаиасеае...................................59

Глава 4. Сравнительный анализ морфологии и клеточных сетей листьев видов Рипапасеае.......................................................................................................68

4.1. Связь клеточной сети с формой листа.........................................................68

4.2. Сравнительная характеристика клеточных сетей трех модельных видов......................................................................................................................83

4.3. Сравнительный анализ листьев как пространственной конструкции

у трех модельных видов.......................................................................................86

Часть II. Ломкость листьев в роде Окгапит (Оюгапасеае)................................90

Глава 5. Объекты и методика исследования...........................................................90

Глава 6. Закономерности ломкости листьев...........................................................93

Глава 7. Связь ломкости листьев с особенностями морфологии и биологии видов.........................................................................................................................100

7.1. Сопоставление ломкости с секторной структурой листа.......................100

7.2. Сравнительная характеристика ломкости верхушек листьев.................103

7.3. Связь ломкости листьев с экологией вида................................................104

Выводы.....................................................................................................................106

Список литературы........................................ .........................................................107

Приложение 1...........................................................................................................118

Приложение II..........................................................................................................130

Приложение III........................................................................................................148

Введение

Актуальность. Проблема развития в биологии всегда привлекала исследователей. Процессы образования тех или иных структур, дифференцировка тканей, функциональное разделение органов, которые изначально казались практически одинаковыми, - все это уже давно находится под пристальным вниманием ученых.

Особенный интерес представляют эти процессы, когда они наблюдаются в динамике, когда наглядно видно, как и в какой момент происходят изменения в исследуемом объекте. Однако, прямые наблюдения не всегда возможны, по причине сложности наблюдения объекта или несовершенства методов исследования. В этих случаях допустимы и косвенные методы - например реконструкция всего хода развития по нескольким ключевым моментам, которые зафиксированы документально, с последующей вероятностной интерполяцией. Подобные методы широко применяются в различных областях научного знания: физике, экологии, социологии и прочих (Апостолов, 1981; Малков, 2004; Турчин, 2007; Федосеев, 2007).

Морфологическое разнообразие живых организмов объясняется тем, что в процессе развития их части различаются характером, скоростью роста и особенностями дифференциации. Возникая в определенной последовательности, эти различия могут прогрессивно нарастать или, наоборот, нивелироваться. Появление этих различий происходит в определенном порядке до тех пор, пока не образуется та или иная своеобразная структура. Несмотря на специфичность развития разных организмов, в ходе их морфогенеза проявляется действие закономерностей, присущих всему органическому миру.

Проблема морфогенеза листа является одной из важных проблем ботаники. Структура листа отражает ряд разномасштабных, асинхронных и относительно независимых процессов и явлений: общие закономерности морфогенеза растительного мира, систематическое и филогенетическое положение вида, особенности экологических условий места произрастания. В связи с этим лист с

одной стороны, сам может выступать объектом познания, а с другой -применяться в качестве модели и служить средством познания явлений, которые являются предметом изучения разнообразных отраслей биологии.

Работ на подобные темы было проведено довольно много, но и в наше время они не потеряли своей актуальности. Изучение структурных и функциональных аспектов морфогенеза листа привело к накоплению обширного фактического, но описательного материала. Обобщение его затруднено недостаточным знанием связей между строением и условиями обитания, между внутренним (структура) и внешним (форма) строением и пр. До настоящего времени предприняты только отдельные попытки количественной оценки корреляции признаков (Колосова, 1973; Шмидт, 1978; Васильев, Дариев, 1980).

Рассмотрение таких взаимосвязей приводит к постановке сложных задач, решение которых не мыслимо без применения математического аппарата, и стало возможным только с появлением соответствующего технического оснащения. С развитием техники исследователи получили новые, более совершенные орудия. Внедрение компьютерной и цифровой техники дало возможность быстрого накопления необходимого массива данных, предоставило удобные формы его хранения, и значительно облегчило обработку большого количественного материала. Так что современная биология становиться все более точной наукой, но при этом математические методы, конечно, не могут подменить собой классические методы биологии, а, напротив, базируясь на них, способны вскрывать неизвестные или ранее не замеченные закономерности, и решать проблемы, которые невозможны без крупномасштабных количественных оценок.

В настоящей работе проведено изучение морфогенеза листьев двух групп мхов класса ВгуорБ1с1а. Этот предмет исследования был выбран в связи с тем, что он до сих пор остается мало изученным. Хотя общее понимание процессов развития листа мхов было достигнуто еще в 19 веке, работы на эту тему и в

наше время они не потеряли своей актуальности, а применение новейших технологий позволило не только более углубленно проанализировать и обобщить весь ранее накопленный материал, но также выявить и изучить некоторые прежде неизвестные особенности морфогенеза листьев мхов.

Цель и задачи работы. Цель работы - реконструкция развития листа для группы модельных видов мхов и выявление связи структуры клеточной сети листа с формой листа и особенностями биологии видов.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1) разработать методику реконструкции морфогенеза листа и провести реконструкцию развития листьев трех модельных видов;

2) разработать методику сравнительного анализа клеточных сетей листьев;

3) охарактеризовать связь последовательности формирования клеточной сети с формой листа;

4) дать сравнительную морфологическую характеристику ломкости для четырех видов рода Огсгапит;

5) выявить связь ломкости листьев в роде Игсгапит с морфологией листа и особенностями экологии видов.

Научная новизна работы.

На основании литературных данных разработана теоретическая, принципиальная схема клеточных делений в листе, которая легла в основу реконструкции морфогенеза.

В результате проведенных исследований выявлены и охарактеризованы основные особенности и закономерности морфогенеза трех модельных видов.

Обработка полученного материала осуществлялась не только стандартными методиками. Мной был разработан, внедрен, и успешно опробован новый метод оцифровки клеточных сетей, что позволило оперировать не только качественными характеристиками, но и количественными значениями.

Исследована связь структуры клеточной сети с формой листа, выявлены ее основные закономерности.

Впервые, подробно изучена ломкость листьев у видов рода Ижгапит, и описана связь ее с морфологией и клеточной сетью.

Практическая значимость.

Разработанный метод оцифровки клеточных сетей нагляден и удобен в использовании, не требует больших временных затрат. Он позволяет быстро накапливать массивы данных для дальнейшей статистической обработки.

Полученные данные будут полезны в первую очередь для морфологии и анатомии, например, при исследовании изменчивости листьев в зависимости от условий произрастания, что имеет большое значение в экологических работах.

Результаты работы могут быть использованы для систематики, например в таких сложных задачах как разграничение близкородственных видов в вегетативном состоянии, когда отсутствуют явные морфологические признаки.

Также настоящие результаты могут быть рекомендованы для филогении, в вопросах прослеживания мелких изменений от вида к виду, с целью установления хода развития рода.

Апробация работы.

Материалы исследований докладовались на XI Международной Школе по теоретической морфологии растений «Меристемы, модули, побеги в разных царствах живых организмов» в Тверском Государственном Университете (10 -16 ноября 2008г., Тверь, Россия), Международной конференции "Бриофлора российского Дальнего Востока: таксономия, генезис, географические связи" в Биолого-почвенном институте ДВО РАН (3-12 сентября 2010г., Владивосток, Россия), Международной бриологической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения З.Н. Смирновой и 110-летию со дня рождения К.И. Ладыженской, в Ботаническом институте им. В. Л. Комарова РАН (11 - 15 октября 2010г., Санкт-Петербург, Россия), Конференции молодых ученых ГБС им. Н.В. Цицина РАН (29 ноября 2011г.)

Публикации.

По теме работы опубликовано 4 работы, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, и 2 статьи в материалах международных конференций.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка использованной литературы и 3 приложений. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц и 53 рисунка. Список литературы содержит 124 наименования, в том числе 43 на иностранных языках.

Глава 1. Морфогенез листьев мхов

1.1. Общий план развития листьев мхов и подходы к его изучению 1.1.1. Особенности морфогенеза растительных клеток

Растение, как и любой живой организм, состоит из клеток, причем каждая клетка образуется в результате деления предшествующей клетки. Растительные клетки, в отличие от животных, имеют клеточную стенку, что задает существенные ограничения для морфогенеза отдельных органов растения.

Формирование клеточной стенки происходит в результате цитокинеза. В ранней телофазе между двумя дочерними ядрами, не достигая их, формируется цилиндрическая система волокон, называемая фрагмопластом. Волокна фрагмопласта, также как и волокна ахроматинового веретена, состоят из микротрубочек и связаны с ним. В центре фрагмопласта на экваторе между дочерними ядрами скапливаются пузырьки Гольджи, содержащие пектиновые вещества. Они сливаются друг с другом и дают начало межклеточной пластинке, а их мембраны участвуют в построении плазмалемм по обеим сторонам пластинки. Межклеточная пластинка закладывается в виде диска, подвешенного в фрагмопласте. Волокна фрагмопласта контролируют направление движения пузырьков Гольджи. Межклеточная пластинка растет центробежно по направлению к стенкам материнской клетки за счет включения в нее полисахаридов все новых и новых пузырьков Гольджи. Межклеточная пластинка имеет полужидкую консистенцию, состоит из аморфного протопектина и пектатов магния и кальция. В это время из фрагментов трубчатого эндоплазматического ретикулума образуются плазмодесмы. Расширяющийся фрагмопласт постепенно приобретает форму бочонка, позволяя межклеточной пластинке расти латерально, пока она не соединится со стенками материнской клетки. Фрагмопласт исчезает, обособление двух дочерних клеток заканчивается (Андреева, Родман, 1999; Арронет, 1974; Бавтуто, 2001; Иванов, 1974; Лотова, 2000; Тутаюк, 1980).

По мере формирования межклеточной пластинки в цитокинезе на нее со стороны каждой дочерней клетки откладывает тонкая первичная оболочка, и смежные стенки клеток становятся трехслойными. Первичная оболочка довольно эластична и по мере роста клетки растягивается, а потому не препятствует росту клетки.

Однако клеточная стенка довольно жестко скрепляет дочерние клетки, и они не могут свободно перемещаться. Следовательно, дочерние клетки остаются расположенными рядом друг с другом на всю жизнь (Иванов, 1974; Тутаюк, 1980).

Эта особенность позволяет давать ретроспективные реконструкции формирования клеточной сети, причем как индуктивным, так и дедуктивным подходом: 1) устанавливая по тем, или иным признакам, какие клетки являются дочерними, объединять их в материнскую клетку последнего порядка, затем искать дочернюю клетку к ней и так шаг за шагом, двигаться к единственной инициальной клетке; 2) или, ориентируясь на общие правила, сразу выделять группы дочерних клеток, а уже потом определять последовательность их делений.

Происходящий затем рост клеток в большинстве случаев симпластический, при котором клеточные стенки характеризуются равномерным ростом на всем их протяжении и когерентно у соседних клеток. Второй тип роста связан с внедрением клетки в пространство, образующиеся вследствие расхождения соседних клеток. Такой рост называется интрузивным. В листе мхов преобладает симпластический рост клеток, однако интрузивный, возможно, также имеет место. В последнем случае происходит некоторое смещение дочерних клеток друг относительно друга, что «размывает» изначальную картину их расположения (Игнатов, Игнатова, 2003).

и

1.1.2. Общие закономерности деления инициальных клеток

Инициальная (^апикальная, ^верхушечная) клетка может делится в одной, двух и трех плоскостях. Если деления идут в одной плоскости, то образуется нитевидная структура, примером которой могут служить нитчатые водоросли и протонема мхов. В этом случае, инициальная клетка, в продольном сечении, имеет форму близкую прямоугольной.

Инициальная клетка, делящаяся в двух плоскостях, строит плоскостную структуру, характерную для листа и пластинчатой протонемы. У листа большинства мхов (исключение - мхи семейства Sphagnaceae) эта клетка имеет ромбическую форму.

Деление в трех плоскостях производит объемную структуру, которая наблюдается в стебле, а клетка имеет форму трехгранной пирамиды, выпуклое основание которой обращено наружу (Лотова, 2ООО; Ворр, 1984; Frey, 1971).

В нашем случае рассматриваются двухплоскостные деления, формирующие плоскость листа. Однако надо заметить, что эти деления не всегда располагаются четко в плоскости и могут отклоняться. Тогда могут возникать изгибы листа, проистекающие уже из направленности первых делений.

В сравнении с листьями сосудистых растений, листья мхов состоят из меньшего числа клеток, и, как правило, проще устроены. Пластинка листа у большинства видов однослойная, реже дву- или многослойная. Жилка всегда многослойная. Часто большее число слоев имеется по краю листа; клетки края листа иногда значительно отличаются от клеток средней части пластинки и образуют кайму (Еленевский и др., 2001; Игнатов, Игнатова, 2003).

1.1.3. Морфогенез листа у мхов (Bryophita)

История исследований процесса развития листа.

Первые представления о развитии листьев у мхов принадлежат Х.Ф. Хорншуху (Hornschuch, 1821, цит по: Frey, 1971). Он считал, что стеб�