Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Морфология апертур. Разнобороздные пыльцевые зерна 5
1.2. Структура и функции апертур 8
1.3. Особенности строения интины в апертурных участках 10
1.4. Распространение разнобороздных пыльцевых зерен у покрытосеменных растений 11
Глава 2. Материалы и методы 14
Глава 3. Результаты работы
3.1. Морфологические описания пыльцевых зерен 17
3.2. Развитие спородермы пыльцевых зерен .36
3.3. Функции апертур и псевдоборозд.. 41
3.4. Анализ эволюции особенностей строения пыльцевых зерен методом максимальной экономии 41
Глава 4. Обсуждение результатов
4.1. Структурные элементы гармомегатной системы 42
4.2. Морфо-функциональные особенности псевдоборозд и межапертурных углублений 48
4.3. Эволюция пыльцевых типов в порядке Myrtales .53
4.4. Эволюция пыльцевых типов в семействе Lythaceae .56
4.5. Морфологическое разнообразие пыльцевых типов в семействе Boraginaceae 60
4.6. Возникновение разнобороздного типа в процессе эволюции высших растений 62
Выводы .65
Список литературы
- Особенности строения интины в апертурных участках
- Распространение разнобороздных пыльцевых зерен у покрытосеменных растений
- Развитие спородермы пыльцевых зерен
- Эволюция пыльцевых типов в порядке Myrtales
Введение к работе
Актуальность исследования. Морфология и внутренняя структура апертур всегда были в центре внимания палиноморфологов. Именно характеристики апертур – форма, положение и число – определяют палиноморфологический тип и лежат в основе классификации пыльцевых зерен и спор (Erdtman, 1952; Tsukada, 1964; Thanikaimoni, 1986; Halbritter, Hesse, 2004). Наибольшее разнообразие апертурных типов встречается у пыльцевых зерен покрытосеменных растений, среди которых существует целый ряд филогенетически не связанных друг с другом видов с разнобороздными пыльцевыми зернами, у которых простые апертуры чередуются со сложными. Простые апертуры у таких пыльцевых зерен часто называют «псевдоапертурами», «псевдобороздами» или «дополнительными бороздами», однако до настоящего времени эти термины трактуются разными исследователями по-разному. Некоторые авторы полагают, что «псевдоборозды» (или «простые апертуры») представляют собой настоящие апертуры (El Ghazali, Krzywinski, 1989), другие предпочитают использовать термин «дополнительные борозды» (Clarke et al., 1979: цит. по El Ghazali, Krzywinski, 1989; Muller, 1981; Yatskievych, Zavada, 1984; Patel et al., 1984). Эти разночтения связаны в основном со смешением морфологических (Erdtman, 1947; Faegri, Iversen, 1950; Clarke, 1977; Clarke et al., 1979) и функциональных понятий (Faegri, Iversen, 1950; Erdtman, 1952). Использование ацетолизного метода как стандартного при изучении морфологии пыльцевых зерен и спор не позволяет изучать структуру всей спородермы в целом и делать выводы об особенностях ее функционирования. Для понимания природы апертур и псевдоборозд необходимы исследования спородермы на живых пыльцевых зернах представителей различных семейств покрытосеменных растений и эксперименты по выявлению их функций. Решение вопроса происхождения и функционирования псевдоборозд возможно лишь в ходе комплексных исследований, включающих изучение функций апертур и псевдоборозд, а также их тонкого строения и развития.
Цели и задачи исследования. Целью работы было изучение структуры, развития и функций псевдоборозд у разнобороздных пыльцевых зерен и выявление возможных путей становления разнобороздного пыльцевого типа в разных группах покрытосеменных растений. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
-
Изучить морфологию и тонкое строение спородермы разнобороздных пыльцевых зерен представителей семейств Acanthaceae, Apocynaceae, Boraginaceae, Combretaceae, Fabaceae, Hydrophyllaceae, Lennoaceae, Lythraceae, Melastomataceae, Rhynchocalycaceae и пыльцевых зерен с апертурами одного типа у представителей близкородственных им родов.
-
Исследовать развитие спородермы разнобороздных пыльцевых зерен на примере Lagerstroemia indica L., Lythrum salicaria L., Myosotis palustris (L.) L.
-
Исследовать прорастание, рост пыльцевых трубок и гармомегатную функцию разнобороздных пыльцевых зерен на примере Lythrum salicaria L., Vinca minor L., Anthyllis vulneraria L., Phacelia tanacetifolia Benth.
-
Проанализировать возможные пути становления разнобороздного пыльцевого типа в разных группах покрытосеменных растений.
Научная новизна. Проведены палиноморфологические исследования 22 видов покрытосеменных растений, относящихся к 10 семействам. Впервые изучена ультраструктура спородермы 20 из этих видов. Впервые изучено развитие спородермы у пыльцевых зерен Lythrum salicaria L., Lagerstroemia indica L. и Myosotis palustris (L.) L. Впервые исследованы функции апертур пыльцевых зерен Lythrum salicaria L., Vinca minor L., Anthyllis vulneraria L., Phacelia tanacetifolia Benth. Предложены гипотезы возможного становления разнобороздного пыльцевого типа в разных группах покрытосеменных растений.
Научная и практическая значимость работы. Предложен комплексный подход к анализу особенностей спородермы, необходимый для адекватной интерпретации ее структуры. Полученные данные важны для уточнения палиноморфологической терминологии и имеют значение для понимания возможных путей морфологической эволюции апертур в разных линиях покрытосеменных растений. Результаты работы могут быть использованы при чтении лекций и проведении практических занятий в ВУЗах, при составлении атласов пыльцы и анализе спорово-пыльцевых спектров различного генезиса.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на XVII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» (Москва, 2010), VIII Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (Москва, 2010), 8
Международной конференции «European Palaeobotany-Palynology Conference» (Будапешт, 2010), Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора А.П. Меликяна (Москва, 2011), конференции «Морфогенез в индивидуальном и историческом развитии: симметрия и асимметрия» (Москва, 2012), IV Международной школе для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Пермь, 2012).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 10 работ, из них 4 – статьи в журналах (3 – из списка журналов, рекомендованных ВАК), 6 – материалы и тезисы конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Список литературы включает 139 работ (из них 22 на русском и 117 на иностранных языках). Общий объем диссертации – 118 страниц (основной текст – 76 страниц, приложение – 42 страницы). Диссертация включает 41 иллюстраций.
Особенности строения интины в апертурных участках
Пыльцевые зерна, сфероидальные, разнобороздные, три сложные апертуры чередуются с двенадцатью псевдобороздами, крупные, с экватора эллиптические, с полюсов округлые. Длина полярной оси 80,09 (71,6–89,1) мкм; экваториального диаметра 47,33 (46,1–48,8) мкм. Борозды сложных апертур длинные, широкие на экваторе, сужаются к полюсам. Оры эллипсоидальные, вытянутые вдоль экваториальной оси. Край оры четкий, ровный. Псевдоборозды очень узкие, равные по длине апертурам. Экзина толстая, двухслойная, равномерно утолщенная. Скульптура поверхности сетчатая, ячеи сетки расположены в один ряд, образуя узкие полосы, ячеи разной величины, на полюсах более мелкие, на экваторе вытянутые вдоль полярной оси (Рис. I, 1-4 Приложения).
(СЭМ). Поверхность экзины 2-слойно-сетчато-перфорированная. Псевдоборозд 12, длинные, очень узкие. Сложных борозд 3, с отчетливо выраженными округлыми орами, длинные, очень узкие, мембрана борозд гранулярная. Оры экваториальные, округлые, мембрана гранулярная. Апертуры и псевдоборозды делят поверхность на 15 узких полос, сливающихся около полюсов. Каждая полоса имеет крупную сетку, центр каждой крупной сетки имеет вогнутый участок с перфорированной поверхностью спородермы. По краю сетки вдоль псевдоборозд поверхность перфорированная (Рис. I, 5 Приложения).
(ТЭМ). Оболочка пыльцевого зерна в межапертурных областях представлена экзиной и интиной. Эктэкзина толстая, образована покровом и столбиковым слоем. Столбики двух типов – прямые и разветвленные. Эндэкзина толстая, гомогенная, около апертур наружный слой утолщается. Интина тонкая, однослойная, значительно тоньше эндэкзины (Рис. I, 7 Приложения).
В области апертур и псевдоборозд эктэкзина прерывается. Эндэкзина по краю апертур немного утолщается, в области псевдоборозд имеет такую же толщину как в межапертурных участках (Рис. I, 6, 8, 9 Приложения). Интина под орами сложных борозд значительно утолщена, двухслойная, внутренний слой в два раза толще наружного, более электронно-плотный (Рис. I, 6, 8, Приложения). Под псевдобороздами интина имеет такую же толщину как в межапертурных участках (Рис. I, 6, 9, Приложения). Apocynaceae Vinca minor L. (Рис. II Приложения).
(СМ). Пыльцевые зерна сфероидальные, 3-бороздно-оровые, с экватора сплюснуто сфероидальные, с полюсов трехлопастные. Длина полярной оси 25,9 (21,6–32,3) мкм; экваториального диаметра 24,1 (17,3–29,6) мкм (Рис. II, 1, 2, Приложения). Борозды длинные, оры экваториальные, крупные. Межапертурные углубления эллипсоидальные, широкие. При окрашивании рутениевым красным в межапертурных участках видны межапертурные углубления. Экзина очень тонкая, слабозаметная. Апертуры и межапертурные углубления окаймляют утолщения наружного слоя интины. Утолщения интины выглядят как шесть утолщенных меридиональных полос, сливающихся на полюсах (Рис. II, 3, 4 Приложения). Внутренний слой интины равномерно утолщен вдоль всей поверхности пыльцевого зерна (Рис. II, 1, 2 Приложения). Скульптура поверхности гладкая.
(СЭМ). Поверхность экзины гладкая. Три сложные борозды с отчетливо выраженными округлыми орами, борозды длинные, мембрана борозд морщинистая. Оры экваториальные, округлые, мембрана мелкоморщинистая. Меридиональные углубления в центре каждого межапертурного участка отчетливо заметны лишь на лиофильно высушенном материале. Поверхность углублений морщинистая (Рис. II, 6, 7 Приложения).
(ТЭМ). Оболочка пыльцевого зерна в межапертурных областях представлена экзиной и интиной. Экзина очень тонкая, образована покровом и столбиками, утолщена по краю апертур за счет утолщения покрова и увеличения высоты столбиков (Рис. II, 9, 10, 12 Приложения). Подстилающий слой экзины развит только около апертурных участков и в области межапертурных углублений. Эндэкзина в межапертурных участках утолщена. Интина толстая, значительно толще экзины, сложно устроенная. В области апертур и межапертурных углублений в три раза толще экзины, образована тремя слоями (Рис. II, 8, 11, 12 Приложения). В области между апертурами и углублениями в шесть раз толще экзины, образована тремя слоями (Рис. II, 8, 10 Приложения).
Наружный слой интины пронизан трубчатыми белковыми компонентами, значительно утолщен в межапертурных участках по обеим сторонам вдоль апертур и отсутствует в апертурных участках (Рис. II 10 Приложения). Средний слой более электронно-плотный, гомогенный, утолщен по краю апертур, в апертурных и межапертурных участках тонкий. Внутренний слой интины более электронно-плотный, чем средний, утолщен в области апертур (Рис. II 11, 12 Приложения). В центре межапертурного участка интина тонкая, что соответствует межапертурным углублениям. В области апертур эктэкзина прерывается. Эндэкзина утолщена в области углублений и по краю апертур. Наружный слой интины в области апертур и межапертурных углублений тонкий.
Boraginaceae Cryptantha celosioides (Eastw.) Payson. (Рис. III Приложения).
(СМ). Пыльцевые зерна гантелеобразные, разнобороздные, три сложные апертуры чередуются с тремя псевдобороздами, экваториальный поясок пересекает апертуры и псевдоборозды, пыльцевые зерна очень мелкие, с экватора продолговатые, с сильным сужением в экваториальной части, с полюсов шестилопастные. Длина полярной оси 7,30 (6,73–7,87) мкм; экваториального диаметра 3,44 (3,03–3,96) мкм в области сужения; наибольший диаметр 4,18 (3,87–4,75) мкм. Экзина тонкая, в области экваториального пояска отсутствует. Скульптура гладкая (Рис. III 1, 2 Приложения).
(СЭМ). Поверхность экзины в экваториальной части гладкая, на полюсах перфорированная. Три более короткие сложные борозды чередуются с тремя псевдобороздами. Псевдоборозды длинные, линейные. Сложные борозды ромбовидные, расширяются на экваторе. Оры экваториальные, округлые или округло-эллипсоидальные, мембрана гранулярная. По краю апертур и псевдоборозд расположены гранулы спорополленина. Вдоль экватора расположен экваториальный поясок, который пересекает апертуры и псевдоборозды (Рис. III 3 Приложения). В дегидратированном состоянии небольшие углубления видны на полюсах (Рис. III 4 Приложения).
(ТЭМ). Оболочка пыльцевого зерна в межапертурных областях представлена двухслойной экзиной и интиной. Эктэкзина толстая, образована несколькими слоями: покровом, образованным слившимися головками столбиков, столбиковым и толстым подстилающим слоями. Эндэкзина толстая, гомогенная, в экваториальной части толще, чем на полюсах. Интина тонкая, однослойная, значительно тоньше эндэкзины (Рис. III 5, 6 Приложения).
Распространение разнобороздных пыльцевых зерен у покрытосеменных растений
Способность пыльцевого зерна к быстрому прорастанию напрямую зависит от степени его дегидратации, определяющей физиологическую активность (Scotland et al., 1990). Степень дегидратации, в свою очередь, определяется особенностями способа опыления и структурой оболочки пыльцевого зерна. При узконаправленном быстром переносе пыльцы из тычинки на рыльце пестика дегидратация минимальна, пыльцевые зерна рассеиваются в гидратированном состоянии и остаются метаболически активными (Nepi, Pacini, 1993). Однако поддержание такого метаболически активного состояния возможно лишь на протяжении сравнительно короткого промежутка времени, поэтому такие пыльцевые зерна способны сохранять жизнеспособность очень недолго. Более длительное сохранение жизнеспособности пыльцевого зерна связано с его дегидратацией, что в свою очередь, снижает скорость прорастания. Одной из эволюционных инноваций, которые дали пыльцевым зернам возможность поддерживать жизнеспособность при высыхании, является гармомегат – структура или комплекс структур, которые позволяют изменять объем пыльцевого зерна в зависимости от влажности окружающей среды в процессе транспорта к рыльцу без потери жизнеспособности.
Участие апертур в выполнении гармомегатной функции было показано в серии работ (Muller, 1979; Halbritter, Hesse, 2004; Katifori et al., 2010), продемонстрировавших, что апертуры являются предпочтительным участком изгибания спородермы при дегидратации зерна. Преимущественное сжатие пыльцевого зерна в области апертур объясняется особенностями ультраструктуры спородермы в этих участках – как правило, утолщенной эластичной интиной и редуцированной экзиной. При дегидратации пыльцевого зерна мембрана апертур прогибается, гранулы спорополленина на апертурной мембране сближаются, края апертур соединяются, защищая интину. Пыльцевое зерно в целом приобретает более вытянутую в полярном направлении форму, поэтому такой тип гармомегатной системы J. Muller (1979) называет полярно-ориентированным (Рис. 2). Для сфероидальных пыльцевых зерен характерны, как правило, три меридиональные борозды, обеспечивающие равномерное изменение объема.
Можно предположить, что формирование в процессе эволюции сложных апертур следует рассматривать как первый этап структурного разделения двух основных функций апертур: формирование пыльцевой трубки оказывается локализованным в области эндоапертуры (оры) – самого эластичного участка оболочки, а функцию гармомегата берет себя экзоапертура. В структуре спородермы таких пыльцевых зерен нередко Рис. 2. Полярно-ориентированный тип гармомегатной системы. Схема. отмечается утолщение эндэкзины вокруг апертур, обеспечивающее прочность оболочки при сжатии (Payne, 1981).
Долгое время считалось, что апертуры – единственные структуры, участвующие в регуляции объема пыльцевого зерна. Впервые значение всей спородермы как единой гармомегатной системы было показано в работах W.W. Payne (Payne, Skvarla, 1970; Payne, 1972, 1981). В этих исследованиях, а также в более поздних работах S. Blackmore и S.H. Barnes (1986) и E. Katifori с соавторами (2010) было показано, что прерывистая экзина, столбиковая ультраструктура и утонченные участки оболочки обеспечивают дополнительную эластичность спородермы. Различное сочетание этих элементов обеспечивает разную степень эластичности. По мнению W.W. Payne (1981), столбиковая экзина не только обеспечивает дополнительную эластичность оболочки, но и придает ей большую устойчивость силам сжатия. Наши исследования показали, что прочность на сжатие также обеспечивают экваториальные мостики, которые не позволяют полностью закрыться апертуре при дегидратации (Decodon verticillatus).
Дополнительными элементами гармомегатной системы могут служить специальные области в межапертурных участках, где происходит утончение эктэкзины. Наличие дополнительных элементов в системе гармомегата позволяет частично снять напряжение, возникающее при сжимании дегидратированного пыльцевого зерна. Если такие области имеют четкие границы, к ним применим термин «псевдоборозда» – по своей морфологии они напоминают истинные борозды, но, как показали наши исследования, функционально таковыми не являются, так как через эти участки никогда не происходит прорастание пыльцевого зерна. В том случае, если границы утончений нечеткие и отличаются по скульптуре от остальной поверхности спородермы, такие области описывают как межапертурные углубления. Число псевдоборозд и межапертурных углублений обычно кратно числу сложных апертур и может варьировать от 3 до двенадцати у разных видов. Обобщение полученных нами данных о морфологии и ультраструктуре разнобороздных пыльцевых зерен у представителей различных семейств позволяет говорить, что в выполнении гармомегатной функции могут принимать участие три псевдоборозды, как у изученных нами представителей Boraginaceae (Cryptantha celosioides, C. coryi, Rindera bungei, Heliotropium europaeum), Combretaceae (Calycopteris floribunda, Combretum lecardii, C. pilosum), Lennoaceae (Lennoa madreporoides), Lythraceae (Ammania, Lythrum, Nesea, Peplis), Melastomataceae (Melastoma sanguineum, Osbeckia stellata), Rhynchocalycaceae (Rhynchocalyx lawsonioides), шесть (Lythraceae: Ginoria, Lawsonia, некоторых видов Ammania и Nesea) или двенадцать (Acanthaceae: Diflugossa colorata).
Анализ литературных и оригинальных данных показывает, что полярно-ориентированная гармомегатная система преобладает среди бороздных и бороздно-оровых пыльцевых зерен. У многих растений сжатие/растяжение пыльцевого зерна происходит и в экваториальном направлении. J. Muller (1979) предложил такой тип гармомегатной системы называть экваториально-ориентированной и считал, что у пыльцевых зерен с экваториально-ориентированной системой полярно-ориентированная система не функционирует, а апертуры не принимают участие в гармомегатной функции. Наши исследования показали, что экваториально-ориентировання система всегда существует в дополнение к полярно-ориентированной. К элементам такой экваториально-ориентированной системы мы относим экваториальные пояски, экваториальные борозды, полярные апертуры, утолщенную или утонченную на апокольпиумах спородерму, слияние апертур на полюсах. Различные варианты сочетания полярно- и экваториально-ориентированных элементов гармомегатной системы у исследованных нами видов представлены в табл. 1.
Пыльцевые зерна Rindera tetraspis сочетают полярно- (апертуры) и экваториально-(поясок) ориентированные элементы гармомегатной системы. Полярно-ориентированная система гармомегата пыльцевых зерен Heliotropium europaeum образована сложными апертурами и псевдобороздами. Гладкая поверхность на полюсах, придающая большую прочность оболочке, и мелкоморщинистая в межапертурных участках обеспечивает растяжение и сжатие в экваториальной плоскости. Сходная экваториально-ориентированная система была описана J.W. Nowicke и J.J. Skvarla (1974) для некоторых видов Tournefortia. Для них характерно наличие жесткой и толстой экзины с гладкой поверхностью на полюсах и более тонкой и гибкой с бородавчатой поверхностью в экваториальной части. Благодаря такой структуре экваториальная часть пыльцевого зерна может прогибаться при дегидратации. Жесткость экваториальной части придает утолщенная по сравнению с полярными областями эндэкзина
Развитие спородермы пыльцевых зерен
Анализ распространения разноборозных пыльцевых зерен среди покрытосеменных показал, что они характерны для некоторых представителей филогенетически продвинутых семейств, не связанных друг с другом родственными связями. Среди двудольных они встречаются у представителей семейств Apocynaceae (Gentianales), Leguminosae (Fabales), Acanthaceae, Orobanchaceae и Verbenaceae (Lamiales), Combretaceae, Crypteroniaceae, Lythraceae, Melastomataceae, Oliniaceae, Penaeaceae, Rhynchocalycaceae (Myrtales) и в семействах Boraginaceae и Hoplestigmataceae (Wang, Harley, 2004). У магнолиид и однодольных разнобороздные пыльцевые зерна до настоящего времени не обнаружены. Наличие псевдоборозд у представителей филогенетически отдаленных групп указывает, что разнобороздный пыльцевой тип формировался, по-видимому, многократно и независимо в ходе эволюции.
Возможны два пути становления разнобороздного пыльцевого типа: 1. Редукция трех апертур у исходно шестибороздно-орового пыльцевого зерна. 2. Возникновение псевдоборозд de novo у исходно трехбороздно-орового пыльцевого зерна. Многобороздно-оровый пыльцевой тип встречается среди двудольных достаточно редко, в настоящее время шести- или многобороздно-оровые пыльцевые зерна известны у представителей семейств Boraginaceae, Cucurbitaceae, Passifloraceae, Lentibulariaceae, Polygalaceae и Sarraceniaceae. За исключением бурачниковых, отличающихся очень широким разнообразием палиноморфологических типов, ни в одном из вышеперечисленных семейств разнобороздные пыльцевые зерна не отмечены. Отсутствие в палеоботанической летописи многобороздно-оровых пыльцевых зерен и одновременное присутствие разнобороздных пыльцевых типов уже в нижнем мелу (Graham, Graham, 1971; Muller, 1981; Graham, 2013), сравнительно неширокое распространение этого пыльцевого типа только среди эволюционно продвинутых групп двудольных свидетельствуют в пользу второй точки зрения.
С чем может быть связано возникновение разнобороздного пыльцевого типа?
Адаптация к условиям обитания. Хотя морфологические особенности пыльцевых зерен не всегда отчетливо коррелируют с особенностями опыления и обитания растения (Hesse, 2000), для некоторых видов покрытосеменных было показано наличие такой связи (Thanikaimoni, 1986). В частности, было показано, что наличие утончений экзины часто наблюдается у растений, приуроченных к водным местообитаниям и характеризующихся гидрофилией. Большинство дербенниковых и акантовых связаны с влажными местообитаниями (Гладкова, 1981). Так, представители Ammania и Lythrum, характеризующиеся разнобороздными пыльцевыми зернами, обитают во влажных экотопах, тогда как представители родов Cuphea и Woodfordia, пыльцевые зерна которых лишены псевдоборозд, в целом приурочены к более сухим местам обитания (Graham, 2013). Распространение современных Acanthaceae, Verbenaceae и порядка Mirtales также в основном связано со сравнительно влажными субтропическими и тропическими областями (Patel et al., 1983; Joseph, Sivarajan, 1989; Scotland, 1992; Kubitzki, 2007). Вероятно, псевдобороздный пыльцевой тип мог возникнуть в различных таксонах в результате параллельной эволюции под влиянием сходных внешних условий.
Адаптация к типу опыления. Среди видов с разнобороздными пыльцевыми зернами неизвестны анемофилы, для некоторых из них показано опыление насекомыми или другими животными. Для семейства Lythraceae описан специальный механизм, обеспечивающий эффективную систему спорофитной самонесовместимости – гетеростилия – который проявляется, в том числе и в целом комплексе палиноморфологических признаков. К ним относятся цвет пыльников, размеры и скульптура поверхности пыльцевых зерен. Длинные тычинки коротко- и среднестолбиковых морф имеют зеленые пыльники, тогда как короткие и средние тычинки – желтые пыльники. В пределах длинностолбиковой морфы тычинки обоих кругов имеют пыльники желтого цвета. Пыльцевые зерна из длинных тычинок средне- и короткостолбчатых морф крупнее, чем пыльцевые зерна из коротких и средних тычинок всех трех морф (Schoch-Bodmer, 1940; Weber-El Ghobary, 1986; Бутов и др., 2005). Для пыльцевых зерен всех типов характерна струйчатая скульптура поверхности спородермы, однако длина струй, степень их выраженности и ориентация в разных морфах различна. Как правило, пыльцевые зерна из длинных тычинок обладают отчетливыми, длинными струями. У пыльцевых зерен из коротких тычинок поверхность морщинистая, струи короткие, сглаженные, часто беспорядочно ориентированные (Волкова, Северова, 2009; Волкова, 2010).
Псевдоборозды и межапертурные углубления следует рассматривать как результат компромисса между двумя основными функциями пыльцевого зерна – прорастанием и защитой. С одной стороны редукция или наличие более тонкой эктэкзины делает эти участки оболочки более проницаемыми для воды по сравнению с межапертурными областями. В то же время отсутствие полностью открытых участков, таких как оры, делает их менее проницаемыми по сравнению с апертурами. Псевдоапертуры в данном случае представляют собой эволюционный компромисс, означающий успешную, но не оптимальную для каждой отдельной функции структуру оболочки (Muller, 1979). Тот факт, что морфологические особенности оболочки являются проявлением адаптации, объясняет сходства в структуре спородермы в отдаленных группах.
Эволюция пыльцевых типов в порядке Myrtales
Последние характеризуются утолщенной эндэкзиной и интиной, равной по толщине интине в межапертурных участках. Полярные поровидные участки втягиваются внутрь пыльцевого зерна при дегидратации. Структурно и функционально они сходны с меридиональными псевдобороздами: выход пыльцевых трубок при прорастании через них не происходит. Структуры, сходные с полярными поровидными участками M. palustris, были описаны J.L. Jr. Genty a. R.L. Carr (1976 – цит. по Hargrove, Simpson, 2003) как «мелкие углубления на полюсах» у Hackelia (близкородственной Cryptantha). Наличие утончений или развитие перфораций на дистальной полусфере отмечены в диадах, тетрадах и полиадах у Annonaceae, Burmanniaceae, Asclepiadaceae, Mimosaceae, Orchidaceae (Thanikaimoni, 1986).
При изменении объема пыльцевого зерна важную роль играют меридиональные утолщения экзины, обеспечивающие дополнительную прочность и определяющие направление преимущественного сжатия. Они, как правило, развиваются в центре межапертурного участка и могут быть соединены на полюсах. Такие меридиональные утолщения экзины были отмечены нами у пыльцевых зерен Decodon, Lagerstroemia и Anthyllis. У пыльцевых зерен Decodon и Lagerstroemia такие утолщения обусловлены утолщением эктэкзины, тогда как у Anthyllis – гомогенной, слегка утолщенной эндэкзиной. Пыльцевые зерна изученного нами Anthyllis vulneraria имеют также кольцевые утолщения экзины на полюсах, соединяющие меридиональные утолщения.
Появление в разных группах растений дополнительных элементов в системе гармомегата позволяет более тонко контролировать процессы гидратации и дегидратации, осуществляя сжатие и растяжение в определенных участках спородермы. Перенос гармомегатной функции от апертур к дополнительным элементам гармомегатной системы может служить способом преодоления противоречий, связанных с выполнением апертурой разных функций (Corner, 1949). Поэтому мы считаем, что гармомегатная система, включающая только апертуры, сочетающие в себе функции прорастания и гармомегата, более примитивна, а перенос гармомегатной функции на дополнительные структуры можно рассматривать как признак эволюционной продвинутости.
Как показали наши исследования, у всех изученных разнобороздных пыльцевых зерен спородерма в области сложных борозд имеет строение, типичное для апертурных областей, и характеризуется фрагментарной эктэкзиной и утолщенной, по сравнению с межапертурными областями, двух- или трехслойной интиной. В области псевдоборозд интина однослойная, толщина ее такая же, как в межапертурных участках. Изученное нами развитие пыльцевых зерен Lagerstroemia indica, Lythrum salicaria, Myosotis palustris показывает, что заложение сложных апертур и псевдоборозд происходит одновременно в среднем тетрадном периоде, причем на ранних стадиях развития строение апертур и псевдоборозд не отличается. Различия в строении апертур и псевдоборозд становятся заметными лишь на последней, поздней посттетрадной стадии развития спородермы, когда формируется интина. По своим функциям псевдоборозды и сложные апертуры не идентичны и играют разную роль в жизнедеятельности пыльцевого зерна. Проведенные нами впервые исследования функций апертур и псевдоборозд показали, что функцию гармомегата выполняют и апертуры, и псевдоборозды. Прорастание и образование пыльцевых трубок происходит только через сложные борозды, псевдоборозды не функционируют как проростковые апертуры, что подтверждают проведенные нами исследования цитохимических особенностей спородермы: у изученных разнобороздных пыльцевых зерен утолщение среднего слоя интины, содержащего скопления трубчатых белковых компонентов (Рис. XXIX Приложения) и интенсивная автофлуоресценция (Рис. XXVIII, 1, 2 Приложения) отмечена именно в области эндоапертур – местах выхода пыльцевой трубки.
Таким образом, псевдоборозды представляют собой утоньшения экзины, которые внешне сходны с простыми апертурами, но не связаны с утолщением интины и не функционируют как места прорастания, но выполняют гармомегатную функцию, что удовлетворяет морфолого-функциональному определению термина «псевдоапертура» (Erdtmen, 1952; Сладков, 1967; Thanikaimoni, 1986). Наши исследования подтверждают правомерность использования термина «псевдоапертура» для этих структур. Структура оболочки в области полярных поровидных участков у пыльцевых зерен Myosotis сходна с таковой в области псевдоборозд, поэтому для таких структур правомерно использование термина «полярная псевдоапертура».
Наличие псевдоапертур у пыльцевых зерен Anthyllis неоднократно было описано в литературе (Dez, Ferguson, 1990; 1994; 1996) и рассматривалось как один из немногих структурных признаков, характеризующий клады Vulneraria и Dorycnioides (Degtjareva et al., 2012), сестринские по молекулярно-филогенетическим данным. Изучение пыльцевых зерен семи представителей этих групп (Волкова, Северова, 2011) показало, что ни для одного из исследованных видов не характерно наличие структур, удовлетворяющих структурным критериям псевдоапертур. Пыльцевые зерна Anthyllis относятся к трехбороздно-оровому типу. Отличительной особенностью всех пыльцевых зерен является наличие в центре межапертурных участков меридиональных утолщений экзины в виде валиков, объединенных кольцевыми валиками на полюсах. Впервые наличие таких утолщений у A. vulneraria было описано H. Halbritter и M. Hesse (2004), использовавших сушку материала в критической точке для палиноморфологических исследований. Наши исследования показали, что меридиональные утолщения обусловлены гомогенной, утолщенной эндэкзиной. Между меридиональными утолщениями и апертурами эндэкзина рыхлая, ламеллятная, интина утолщена по сравнению с апертурными областями (Рис. 3, 4,5). Эктэкзина на всем протяжении межапертурного участка характеризуется толстым покровом, столбиковым слоем, сформированным короткими широкими столбиками и гранулами, и отсутствием подстилающего слоя. Таким образом, участки спородермы между апертурами и меридиональными валиками могут прогибаться при дегидратации пыльцевого зерна благодаря рыхлой ламеллятной эндэкзине и растягиваться благодаря утолщенной интине, кроме того, для этих участков не характерно утончение эктэкзины и они не имеют отчетливо выраженной границы, что не позволяет использовать термин «псевдоапертуры» для их описания. 4
