Морфологическая изменчивость представителей рода Nymphaea L. в Европейской части России

П. Волкова

Волкова П. Морфологическая изменчивость Nymphaea alba L. s.l. в европейской части России // Материалы Беломорской экспедиции Московской Гимназии на Юго-Западе. Вып. 6 [Электронный ресурс]. 2006. Режим доступа: http://herba.msu.ru/shipunov/belomor/2006/flora/nymph.htm

Volkova P. Morphological variability of Nymphaea alba L. s.l. in the European Russia // The materials of the White Sea Expedition of Moscow South-West High School. Vol. 6 [Electronic resourse]. 2006. Mode of access: http://herba.msu.ru/shipunov/belomor/2006/flora/nymph.htm [in Russian]

Введение

Род Nymphaea широко распространен в зоне тропического и умеренного климата обоих полушарий. В Европейской России, по мнению различных систематиков, произрастает от двух до 11 видов кувшинки. Такая неопределенность обусловлена высоким уровнем внутривидового полиморфизма и интенсивной межвидовой гибридизацией в роде кувшинка. Разработка надежной диагностики видов необходима для успешного проведения природоохранных мероприятий, в частности для создания региональных Красных книг.

Кувшинки обладают определенной эстетической ценностью и используются в декоративных целях. Разновидности и формы видов кувшинки имеют разные по числу, размерам и внешнему виду цветки и листья, что позволяет на основании изучения экологических условий их произрастания создавать аналогичные формы в искусственных бассейнах и рекомендовать лучшие из них для зеленого строительства. Кувшинки издавна применяются в народной медицине. Важным вопросом является также отбор форм кувшинковых со значительным содержанием биологически активных веществ и высокой продуктивностью биомассы, а также устойчивых к загрязнению водоемов.

Таким образом, всестороннее изучение морфологической изменчивости представителей рода кувшинка в Европейской России необходимо для успешного решения многих природоохранных и хозяйственных задач.

Обзор литературы

Род Nymphaea содержит около 50 видов, распространенных как в тропической зоне, так и в зоне умеренного климата обоих полушарий. Эти виды имеют широкую экологическую амплитуду, обитая на минеральных или органических отложениях в стоячих или медленно текущих водоемах с реакцией среды от кислой до щелочной. Во многих видах выделяют многочисленные подвиды, хромосомные расы, формы гибридного и искусственного происхождения. Принято считать, что в России произрастает три вида кувшинки: N. alba L., N. candida J. Presl и N. tetragona Georgi. N. alba распространена в Европейской части России, N. candida – в Европейской части России и в Сибири, N. tetragona – в Сибири, на Дальнем Востоке и на Кольском полуострове (Комаров, 1937; Muntendam et al., 1996). Надо отметить, что P. Uotila (2001), признавая существование видов N. alba и N. candida, придает им ранг подвидов (N. alba subsp. alba L. и N. alba subsp. candida (J. Presl) Korsh. соответственно).

До настоящего времени не существует более или менее общего мнения по поводу трактовки видов рода Nymphaea, в частности N. alba, N. candida и N. tetragona (Heslop-Harrison, 1955; Маевский, 1964; Колесниченко, 1977).

Полиплоидия, хромосомные перестройки и генные мутации сыграли важную роль в эволюции кувшинок (Wiersema, 1988). Например, для N. alba известны следующие хромосомные числа: 2n=64, 96, 48, 84, 105, 112 (Heslop-Harisson, 1955), 52, 56, 160 (Крупкина, 2001), 108 (Дубына, 1982). Основным хромосомным числом для рода Nymphaea считают 7, 8 или 14. По-видимому, точное определение хромосомных чисел затрудняется большим числом и мелкими размерами хромосом (Heslop-Harrison, 1955). На основании этих данных Л.И. Колесниченко (1977) считает, что хромосомные числа у кувшинки не являются видовым признаком и отражают сложность популяционной структуры и историю развития этого рода.

В наблюдаемом в природе морфологическом многообразии кувшинок, можно выделить три составляющих: формы, обусловленные внутривидовым полиморфизмом, гибридные и экологические формы.

Внутривидовой полиморфизм

Из-за пространственной обособленности водоемов, заселенных кувшинкой, происходит ограничение скрещивания между особями пределами одной лишь заросли, что приводит к выделению местных форм со своеобразными сочетаниями признаков (Комаров, 1937; Heslop-Harrison, 1955). В.Л. Комаров (1937) отмечал крайне слабую изученность этих форм и подчеркивал необходимость исследований живого материала, особенно формы и окраски рыльца, способных выявить еще неизвестные внутривидовые подразделения кувшинки. J. Heslop-Harrison (1955) отрицает возможность выделения таких форм в отдельные таксоны любого уровня.

Д.В. Дубына (1982) считает N. alba видом с чрезвычайно изменчивой морфологией. В качестве наиболее вариабельного признака этот автор выделяет размер листовой пластинки. N. candida в Липецкой области характеризуется как весьма изменчивый вид с сильно варьирующим размером всех частей растения (Флора Липецкой области, 1996), тогда как на Украине морфологические признаки этого вида колеблются в незначительной мере (Дубына, 1982). Наряду с типичной формой N. tetragona на протяжении всего ареала этого вида встречается форма с более узкими чашелистиками и лепестками, более многолепестным венчиком (10-15 лепестков) и более узким основанием чашечки. Для этой формы не может быть использовано название N. fennica Mela, как это делали некоторые авторы, так как оно является излишним названием, относящимся к типичной форме N. tetragona в Фенноскандии, что было признано и самим Mela (Колесниченко, 1977). На Дальнем Востоке отмечена крупнолистная (22-27см х 13-16 см) и крупноцветковая (до 9 см в диаметре) форма N. tetragona, выделенная в отдельный вид N. wenzelii Maack (Маак, 1859).

Существуют различные культурные формы кувшинок, которые впоследствии могут натурализоваться: N. alba с красными чашелистиками (N. alba f. rosea C. Hartm.) и с очень крупными и/или красно-пурпурными цветками (Uotila, 2001); N. candida с кроваво-красным с фиолетовым оттенком рыльцем (N. biradiata Sommer.) или с желтым рыльцем с красными точками на концах лучей (N. punctata Kar. et Kir.) (Колесниченко, 1977; Крупкина, 2001), с розовыми (N. candida f. rosea Mela) или с красными цветками (N. candida f. erythropetala Mela) и N. tetragona с изменяющими окраску цветками от белой через розовую до синевато-красной (N. tetragona f. colorata (Mela) Gurke) (Uotila, 2001).

Гибридные формы

В местах симпатрического произрастания разных видов кувшинки наблюдается интенсивная межвидовая гибридизация, а также возвратные скрещивания с частым формированием гибридных популяций. Считается, что гибриды обладают промежуточной морфологией по сравнению с родительскими видами (Heslop-Harrison, 1955; Маевский, 1964; Куприянова, 1976; Цвелев, в печати), хотя по мнению Л.И. Колесниченко (1977), родительские признаки у гибридогенных форм существуют почти не изменяясь. R. Neuhausl и P. Tomsovic (1957, цит. по: Дубына, 1982) отрицают гибридное происхождение промежуточных форм и указывают, что причиной существования этих форм в природе является широкая морфологическая изменчивость данных видов. Такого же подхода придерживается и Д.В. Дубына (1982), который отмечает существование на Украине большого числа переходных форм между N. alba и N. candida, но по неясным причинам относит все эти формы к N. alba. P. Uotila (2001) вообще считает, что определение видовой принадлежности отдельных растений в гибридных популяциях становится невозможным.

Естественные гибриды N. alba × N. candida = N. ×borealis Camus, возникшие в конце плейстоцена, имеют промежуточные признаки строения листьев и цветков (Heslop-Harrison, 1955; Маевский, 1964; Куприянова, 1976; Цвелев, в печати). По мнению В.Г. Папченкова (2003), N. × borealis характеризуется неясно четырехугольным основанием чашечки и яйцевидными очертаниями закрытого цветка и на территории Европейской России чрезвычайно полиморфна. Она представлена как типичной, наиболее распространенной формой, у которой в равной степени сочетаются признаки родительских видов (N. × borealis var. intermedia), так и изредка встречаемыми N. × borealis var. percandida K. Valle (часто определялась в Средней и Северной России как N. candida) и N. ×borealis var. peralba K. Valle (часто определялась в средней полосе как N. alba), у которых преобладают признаки либо одного, либо другого вида (Папченков, 2003).

Изредка, как правило, в местах совместного произрастания родительских видов, встречается гибрид между N. candida и N. tetragona – N. × sundvickii Hiit., характеризующийся более крупными по сравнению с N. tetragona размерами цветков (5-8 см в диаметре) и округло-эллиптических листьев, обратно-ланцетными нитями внутренних тычинок и сильно вдавленным красным или прурпурным рыльцем (Tutin, Webb, 1993). По мнению В.Г. Папченкова (2003), N. tetragona в Средней России отсутствует, а все сборы этого вида относятся к N. x sundvickii, хотя В.Л. Комаров (1937) указывал Карело-Лапландию как единственную возможную область произрастания N. × sundvickii в России.

Гибриды N. alba × N. tetragona характеризуются округлым основанием чашечки цветка, пурпурной окраской малолучевого сильно вдавленного рыльца с коническим центральным отростком цветоложа и расширенными нитями внутренних тычинок. Диаметр цветка такого гибрида составляет 5-6 см в диаметре, листовые пластинки эллиптические, 10-15 х 5-12 см (Комаров, 1937). Интересно, что иногда такие гибриды встречаются в отсутствие N. tetragona (Uotila, 2001).

Необходимо отметить, что все приведенные в этом подразделе сведения о морфологии межвидовых гибридов не подкреплены цитологическими и/или молекулярными доказательствами гибридного происхождения исследованных образцов.

Экологические формы

В старицах и мелких лесных озерах, в кислых олиготрофных водах с неблагоприятными гидрологическими (особенно температурными) и эдафическими условиями можно встретить кувшинки с мелкими цветами и листьями, меньшим числом лучей рыльца и более темной его окраской. В больших озерах мезотрофного типа, в старицах вдоль больших рек встречаются растения с более крупными цветками и листьями, большим числом лучей рыльца и более светлой его окраской (Heslop-Harrison, 1955; Куприянова, 1976; Колесниченко, 1977). Необходимо учитывать, что количественная оценка трофности водоемов в этих исследованиях не проводилась.

Опыты с искусственным изменением температуры и уровня воды показали, что размеры у кувшинки изменяются в зависимости от гидрологических условий и не являются наследственными признаками (Дубына, 1982). Несмотря на экологическую обусловленность существования мелко- и крупноцветковых форм, некоторые авторы описывают эти формы как подвиды или даже особые виды: N. minoriflora (Borb.) Wissjul. или N. alba var. minoriflora Aschers. (Комаров, 1937; Куприянова, 1976; Колесниченко, 1977; Папченков, 2003), N. occidentalis (Ostenf.) Moss или N. alba subsp. occidentalis (Ostenf.) Hyl. (Heslop-Harrison, 1955), N. candida var. minor Wainio (Комаров, 1937; Колесниченко, 1977; Цвелев, в печати), тогда как существенных отличий в диагностических признаках, имеющих видовое значение, у этих форм обнаружено не было (Колесниченко, 1977).

В обсыхающих водоемах и на отмелях встречается мелколистная и мелкоцветковая форма N. alba с укороченными черешками – N. alba f. terrestris Clavand. Такие растения после пересадки в более глубокий водоем приобретают типичную для N. alba морфологию (Heslop-Harrison, 1955).

Для различных видов кувшинки была найдена зависимость размера отдельных частей растения от возраста (Gluck, 1924, цит. по: Muntendam et al., 1996; Дубына, 1976).

Макроморфологические диагностические признаки

Значения основных диагностических признаков для N. alba, N. candida и N. tetragona, содержащиеся в основных определителях и обработках, обобщены в табл. 1. Во всех проанализированных источниках указываются сходные значения качественных диагностических признаков, теоретически разграничивающих эти три вида кувшинки. Исключением является такой трудно формализуемый признак, как форма листовой пластинки, упоминаемый тем не менее во многих определителях (Маевский, 1976; Крупкина, 2001; Uotila, 2001; Цвелев, в печати и др.). Для характеристики таких трудно формализуемых качественных признаков, как форма листовой пластинки и форма ее крайних главных жилок, Л.А. Колесниченко (1977) и Д.В. Дубына (1982) используют коэффициент округлости листовой пластинки (отношение площади листовой пластинки к площади круга, описанного вокруг нее) и коэффициент кривизны крайних жилок (отношение длины перпендикуляра, опущенного от места наибольшего изгиба крайней главной жилки на соединяющий начало и конец этой жилки отрезок, к длине этого отрезка). Очевидно, что такие коэффициенты чрезвычайно затруднительно использовать на практике, к тому же их значения для разных видов кувшинки различаются несущественно, что ставит под сомнение ценность этих признаков как диагностических. Различия в длине чашелистиков и наружных лепестков у разных видов кувшинки незначительны (Колесниченко, 1977; Цвелев, в печати), что также затрудняет использование этого признака в качестве диагностического. Приводимые в большинстве работ типичные значения количественных признаков для разных видов имеют широкий размах, заметно различаются в обработках разных авторов и сильно перекрываются между собой. Вероятно, причиной такой ситуации служит сильная вариабельность размеров кувшинки в зависимости от экологических условий и других факторов (Колесниченко, 1977; Дубына, 1982 и др.). Большая лабильность размеров листовой пластинки и затруднения в использовании формы листовой пластинки и формы ее крайних главных жилок в качестве диагностических признаков, вероятно, привели В.Э. Скворцова (2000) к выводу о невозможности разграничения видов кувшинки по вегетативным признакам.

Таблица 1. Принятые в литературе диагностические признаки различных видов кувшинки

Полужирным шрифтом выделены исследованные нами макроморфологические признаки

Многие основные диагностические признаки (цвет и форма рыльца, форма основания чашечки и т.д.) в роде Nymphaea меняются или исчезают даже при очень аккуратной гербаризации. Надо отметить, что в связи со спецификой объекта качественная гербаризация кувшинок затруднена и требует больших временных затрат при сушке (Лисицына, 2003). По этой причине чрезвычайно важно исследовать морфологию кувшинок на живом материале (Uotila, 2001).

Палиноморфологические диагностические признаки

Для диагностики видов рода Nymphaea часто используют признаки пыльцевых зерен. Представители этого рода обладают своеобразным типом пыльцы, несвойственным другим группам покрытосеменных растений. Вопрос о том, к какому типу следует относить апертуру пыльцевого зерна Nymphaea активно обсуждался в литературе. M. Jones и G. Clarke (1981, цит. по: Мейер-Меликян, Диамандопулу, 1996), а также некоторые другие авторы предлагают считать апертуру кувшинок большой порой, расположенной на дистальном полюсе и почти полностью покрытой оперкулумом (однопоровые пыльцевые зерна). Некоторые исследователи (Снигеревская, 1955; Мейер, 1966 и др., цит. по: Мейер-Меликян, Диамандопулу, 1996) считают бороздой лишь участок апертуры, не покрытый оперкулумом (зонально-бороздные пыльцевые зерна). Наконец, еще одна группа исследователей (Агабабян, 1976, цит. по: Мейер-Меликян, Диамандопулу, 1996; Куприянова, 1976 и др.) апертурой считают всю дистальную часть пыльцевого зерна под оперкулумом. Последняя точка зрения подтверждается и сравнительно недавними исследованиями ультратонкого строения пыльцевых зерен Nymphaea (Мейер-Меликян, Диамандопулу, 1996). Таким образом, пыльцевые зерна Nymphaea следует считать дистально-однобороздными.

Существует мнение, что N. candida и N. alba могут быть уверенно разграничены лишь по размеру, форме и скульптуре экзины пыльцевых зерен (Куприянова, 1976; Muntendam et al., 1996; Uotila, 2001). Л.А. Куприянова (1976) показала, что пыльцевые зерна видов Nymphaea европейской части СССР характеризуются высокой морфологической стабильностью и четко различаются в основном по характеру скульптуры экзины. К сожалению, эта работа выполнена на очень малой выборке образцов (1-3 на вид), а N. minoriflora и N. fennica на основании морфологии пыльцы выделены в отдельные виды, что позволяет считать результаты исследования Л.А. Куприяновой предварительными. Исследования J.B. Muntendam с соавторами (1996) проведены на СЭМ-фотографиях, что не позволяет корректно оценить форму и размеры интактных пыльцевых зерен из-за их деформации при сканирующей микроскопии в условиях высокого вакуума. На этом литература, посвященная изучению размеров, формы и скульптуры экзины у европейских видов Nymphaea, насколько нам известно, исчерпывается (за исключением малодоступных работ K.J. Valle, 1927 и E. Pertola, 1962, 1975, написанных на финском языке), хотя эти признаки упоминаются во многих распространенных обработках и определителях в качестве диагностических (Комаров, 1937; Дубына, 1982; Цвелев, 2000; Uotila, 2001 и др.).

В.А. Поддубная-Арнольди (1967) указывала, что хотя строение, величина и форма пыльцевых зерен являются систематическими признаками, эти признаки могут значительно варьировать внутри одного вида. В литературе существует немало иллюстраций этого тезиса. Полиплоидные формы имеют значительно более крупную пыльцу, чем диплоидные формы того же вида (Поддубная-Арнольди, 1976). В одной популяции N. candida пыльца из крупных и мелких цветков была фертильна, а из цветков среднего размера более или менее стерильна (Uotila, 2001). У N. tetragona скульптура экзины пыльцевых зерен изменяется от мелкозернистой до крупнобугорчатой (Колесниченко, 1977). Подобные факты, вероятно, привели Н.И. Габараеву (личное сообщ.) к взгляду на скульптуру экзины как на результат самоорганизации коллоидных систем, отражающий нелинейные закономерности поведения таких систем, а не филогенетические взаимоотношения между таксонами.

Межвидовые гибриды кувшинки характеризуются пониженной фертильностью и разнообразной морфологией пыльцевых зерен (Комаров, 1937; Heslop-Harrison, 1955; Маевский, 1964; Куприянова, 1976; Цвелев, в печати). К примеру, пыльцевые зерна N. × borealis неоднородны в пределах одного цветка: они могут быть округлыми и непрозрачные или продолговатыми и прозрачными, иногда грушевидной формы, со скульптурой или полностью либо отчасти гладкие (Папченков, 2003), а для гибридов N. alba × N. candida характерна неясно шиповатая скульптура экзины пыльцевых зерен (Uotila, 2001).

Цель и задачи

Из всего вышесказанного ясно, что существуют значительные трудности в разграничении видов кувшинки в европейской части России. Целью настоящей работы было как можно более подробное исследование морфологической изменчивости представителей рода Nymphaea L. в европейской части России.

В связи с этим перед нами были поставлены следующие задачи:

1. Выявить диагностические морфологические признаки, позволяющие разграничивать виды кувшинки;
2. Исследовать характер изменения формы и размера листовых пластинок кувшинки при гербаризации;
3. Исследовать характер изменения формы и размера пыльцевых зерен кувшинки при ацетолизной обработке и в условиях высокого вакуума при сканирующей электронной микроскопии;
4. Выявить характер зависимости количественных морфологических признаков кувшинки от трофности воды;
5. Исследовать распространение видов кувшинки на территории Европейской России.

Материалы и методы

Сбор материала

Популяция как элементарная эволюционная структура выделяется на основании географической и репродуктивной изоляции от других подобных структур (Тимофеев-Ресовский и др., 1977). Мы считали отдельной популяцией кувшинки пространственно обособленную группу растений. Таким образом, мы рассматривали как отдельные популяции не только группы кувшинок, произрастающих в различных небольших озерах, но и в разных плесах одного обширного озера. Одним растением мы считали обособленную группу листьев и цветков, так как из-за активного ветвления подводных корневищ и их частой фрагментации прямое разграничение растений затруднено.

Мы исследовали 53 популяции кувшинки из 47 водоемов и водотоков следующих регионов европейской части России (рис. 1): Московская обл. (Волоколамский, Можайский и Одинцовский районы), Тверская обл. (Вышневолоцкий и Удомельский районы), Челябинская обл. (Кизильский район), Липецкая обл. (Грязинский район), республика Карелия (Лоухский район), Мурманская обл. (Кандалакшский район) и Астраханская обл. (Володаровский и Наримановский районы). Мы старались включить в программу исследований те популяции кувшинки, о таксономической принадлежности которых были ранее сделаны заключения специалистами по этой группе (В.Г. Папченков, Л.И. Лисицына – ИБВВ АН РАН). Мы также исследовали три популяции N. tetragona на побережье оз. Байкал (респ. Бурятия, Кабанский р-н), расположенных недалеко от типового местонахождения этого вида (Крупкина, 2001), для сравнения их с популяциями из Европейской России. Кроме того, в этом районе были исследованы и две популяции N. alba s.l.

Рисунок 1. Местонахождение исследованных популяций кувшинки в Европейской России

Условные обозначения: кружочками и цифрами обозначены местонахождения исследованных популяций в Европейской России: 1 – Лоухский р-н респ. Карелия и Кандалакшский р-н Мурманской обл.; 2 – Удомельский и Вышневолоцкий р-ны Тверской обл.; 3 – Волоколамский р-н, 4 – Одинцовский р-н и 5 – Можайский р-н Московской обл.; 6 – Мосальский р-н Калужской обл.; 7 – Грязинский р-н Липецкой обл.; 8 – Кизильский р-н Челябинской обл.; 9 – Володаровский и Наримановский р-ны Астраханской обл. Не показаны исследованные популяции в Сибири (респ. Бурятия, Иркутская обл.).

Озерам, не имеющим названий на картах Генштаба масштаба 1: 50 000, были присвоены условные названия, указанные далее в тексте в кавычках (табл. 3). Мы отмечали основные характеристики водоемов и водотоков, в которых произрастали исследованные популяции кувшинки (размер, характер зарастания, другие особенности).

Мы гербаризировали измеренные цветок и лист от одного растения из каждой популяции и закладывали несколько тычинок этого цветка в силикагель для того, чтобы в последствии иметь возможность экстрагировать ДНК из собранных образцов.

Если число растений в популяции не превышало 15, были исследованы все ее растения; если популяция была более многочисленной, то исследовалось не менее 15 растений из нее. Таким образом, число исследованных растений в каждой популяции колебалось от одного до 15 и в среднем было равно пяти. Всего исследовано 344 растения.

У каждого исследованного растения в полевых условиях мы регистрировали 9 качественных (форму бутона, цвет и форму рыльцевого диска, форму центрального отростка цветка, форму крайних жилок листа, форму нитей внутренних тычинок, форму основания чашечки, покрыта ли завязь до верхушки рубцами от тычинок, суживается ли завязь к рыльцу) и 6 количественных морфологических признаков (число лучей рыльца, длину, ширину и положение наибольшей ширины листовой пластинки, длину наружного лепестка и длину круга, образованного наружными тычинками), приводимых как диагностические в большинстве определителей и обработок (табл. 1, 2).

Таблица 2. Исследованные нами мерные макроморфологические признаки листьев и цветков кувшинки

признак	расположение промеров
размер листовой пластинки: AC – ширина DE – длина BD – положение наибольшей ширины
размер цветка: A – диаметр круга, образованного наружними тычинками B – длина наружного лепестка

Оценка степени сапробности водоема

Количество растворенной в воде органики является одним из немногих интегральных показателей состояния любых водных объектов, применяемых для оценки большинства факторов внешнего воздействия. Этот показатель отражает количество органических веществ, возникших в процессе жизнедеятельности организмов на всех трофических уровнях, а также внесенных с водосбора в результате природных и антропогенных процессов. Наиболее перспективным объектом для оценки состояния вод и экосистем, по мнению С.С. Бариновой (1992), являются водоросли – первичное и очень информативное звено трофических цепей. Водоросли встречаются практически во всех водоемах, поэтому оценка состояния водных экосистем, основанная на биоиндикации с помощью водорослей, позволяет сравнивать водные объекты разного типа и расположенные в разных регионах. При изменении содержания органических веществ в воде изменяется видовой состав индикаторных видов водорослей и их обилие.

Методы биоиндикации разрабатываются с начала 20 века. Наиболее распространенным методом в странах Восточной Европы и СНГ является метод Пантле-Бука, модифицированный В. Сладечеком (1967). Этот метод основан на понятии сапробности – способности организмов выживать в загрязненной органикой среде. Виды-индикаторы сапробности имеют в этой системе свой вес, выраженный в виде индекса сапробности S числом от 0 до 4. Индекс сапробности – это численное выражение способности сообщества гидробионтов выдерживать определенный уровень органического загрязнения. В системе Пантле-Бука и Сладечека индекс сапробности вычисляется по формуле: S=å s× h/å h, где s – сапробное значение организма-сапробионта в пробе, h – частота встречаемости сапробионта в пробе. Степень загрязнения в месте отбора пробы водорослей определяется по набору видов-индикаторов и по их обилию в пробе через индекс сапробности (Сладечек, 1967).

Для того, чтобы оценить степень сапробности исследованных нами водоемов и водотоков, мы отбирали гидробиологическую пробу для каждого из них. При отборе пробы в пенициллиновый пузырек мы помещали немного разнообразного донного материала (ил, песок, грунт, камни, обрастания, растительные остатки), доливали пузырек примерно на 2/3 его объема водой из исследуемого водоема, добавляли 4-6 капель 40% формалина для консервации и герметично закрывали пузырек с указанием на нем номера популяции согласно морфометрическому бланку. Дальнейшая обработка пробы велась на каф. микологии и альгологии биологического факультета МГУ под руководством и при участии О.В. Анисимовой.

Несколько капель пробы наносили на покровное стекло, смешивали с несколькими каплями 33% перекиси водорода и нагревали на асбестовом столике до полного выгорания органики, добавляя перекись водорода по мере ее испарения. Далее на предметное стекло помещали небольшое количество твердого канадского бальзама, расплавляли его на горелке и накрывали каплю канадского бальзама, образовавшуюся на предметном стекле, покровным стеклом с прокаленной пробой. Такая обработка позволяет получить препарат, на котором видны практически одни кремнеземные створками диатомовых водорослей, что существенно облегчает их определение. Расчет индекса сапробности производился по данным о видовом составе и по частоте встречаемости водорослей-индикаторов в пробе по методу Пантле-Бука в модификации В. Сладечека (1967).

Геометрическая морфометрия

В настоящее время появился существенно новый подход к изучению разнообразия форм объектов как таковых, исключая размерный фактор – геометрическая морфометрия (Bookstein, 1991; Adams et al., 2002). В настоящее время особенно широко распространены методы геометрической морфометрии, основанные на постановке точек (так называемых “меток”) на исследуемом контуре, например, метод тонких пластин (TPS) (Adams et al., 2002). Эти метки, маркирующие ключевые точки контура, должны быть гомологичны хотя бы геометрически, так как методы, основанные на метках, оперируют только с их координатами, и различия между объектами должны быть сравнимыми. В случае, когда строгая фиксация меток не представляется возможной из-за отсутствия четких “привязок” (как для листа кувшинки), допустимо использовать так называемые “полуметки”. Они расставляются по контуру равномерно в соответствии с заданным алгоритмом, число полуметок одинаково на всех сравниваемых контурах, причем первая из них обязательно фиксируется в строго определенной точке (Павлинов, 2001). При использовании TPS вычисляется степень деформации, необходимая для трансформации контура, образованного метками на одном образце, в такой же контур другого образца (прокрустова трансформация: Rolf, Slice, 1990). Многомерные методы анализа данных могут быть применены и к результатам TPS, так как проекция каждой формы на плоскость двух первых главных компонент, вычисленных из матрицы прокрустовых трансформаций, может играть роль обычной матрицы данных (Adams et al., 2002). Более подробный обзор методов геометрической морфометрии и ее математического аппарата, а также обширную библиографию по этой теме можно найти в статье И.Я. Павлинова и Н.Г. Микешиной (2002).

Подавляющее большинство публикаций, связанных так или иначе с методами геометрической морфометрии, выходит на английском языке, причем применению этого подхода для анализа формы ботанических объектов посвящено лишь несколько статей (например, Ray, 1992; Kores et al., 1993; Jensen et al., 2002). Русскоязычная литература по этой тематике невелика и посвящена в основном изучению зоологических объектов (Павлинов и др., 1994; Павлинов, 1999; Павлинов, 2000). Лишь в последнее время стали появляться немногочисленные русскоязычные статьи по применению методов геометрической морфометрии в ботанике (Волкова и др., 2005; Ильинский, Шипунов, 2005).

Контур гербаризируемого листа кувшинки сразу после его сбора мы обводили на бумаге. Для некоторых популяций мы обводили контуры 10-15 листьев, взятых с одного и того же или разных растений, чтобы исследовать изменчивость формы листовой пластинки в пределах одного растения и внутри одной популяции. Мы обвели контуры всех листьев у 11 растений, чтобы исследовать закономерности изменения формы листовой пластинки в зависимости от положения листа на корневище. Контуры удачно гербаризированных листьев (без явных признаков деформации их формы) мы также обводили на бумаге и измеряли, когда листья были полностью высушены. Мы также использовали контуры листовой пластинки N. candida и N. tetragona, заимствованные из “Flora Nordica” (Uotila, 2001) и из “Illustrated Flora of Northern US and Canada” (Britton, Brown, 1913) в качестве “якорных образцов”.

Для характеристики формы листовой пластинки методами TPS мы расставляли на контуре листовой пластинки 100 полуметок при помощи экранного дигитайзера tpsDig (Rohlf, 2001b). Начальная полуметка располагалась в единственной биологически обусловленной точке листа кувшинки – вершине выемки между лопастями. Использование эквивалентных меток типа III, какими являются и полуметки (Павлинов, 2001), позволяет сравнивать форму объектов как таковую, не получая представления о биологическом смысле обнаруженных различий (Kores et al., 1993), что вполне отвечает нашим задачам.

Координаты точек снимали с изображений и записывали в файл данных при помощи экранного дигитайзера tpsDig (Rohlf, 2001b). Координаты эталонной конфигурации, а также значения главных, относительных и частных трансформаций, характеризующие меру отличия образца от эталона, вычисляли при помощи программы tpsRelw, реализующей идею геометрической морфометрии в форме метода, аналогичного методу главных компонент (Rohlf, 2001a). Исходные координаты экземпляров нормировали относительно эталонной конфигурации при помощи прокрустова наложения, коэффициент шкалирования альфа принимали равным 0.

Мы проверили наличие зависимости формы листа от его положения на корневище и сравнивали форму листьев до и после гербаризации при помощи программы tpsRegr (Rohlf, 2005). Усреднение формы листовых пластинок проводили при помощи программы tpsSuper (Rohlf, 2003). Редактирование и конвертирование файлов данных мы производили при помощи вспомогательной программы tpsUtil (Rohlf, 2000).

Морфология пыльцевых зерен

Для сравнения наших данных о размерах и скульптуре экзины пыльцевых зерен кувшинки с данными Л.А. Куприяновой (1976), полученными на ацетолизированном материале, мы провели ацетолизную обработку пыльцы из десяти гербаризированных цветков по стандартной методике (Основы…, 2000). Затем размеры пыльцевых зерен (большой и малый экваториальный диаметр) и характер скульптуры экзины ацетолизированной пыльцы были сопоставлены с аналогичными показателями для неацетолизированной пыльцы тех же цветков. Оказалось, что достоверные различия между размерами пыльцевых зерен одного и того же цветка до и после ацетолиза отсутствуют (малый экваториальный диаметр: t =1,8, p = 0,1; большой экваториальный диаметр: t = 0,8, p = 0,5), заметных изменений скульптуры экзины также не произошло. Поэтому все последующие исследования пыльцы под световым микроскопом мы проводили на интактной (не ацетолизированной) пыльце из гербаризированных цветков.

При изучении пыльцы под световым микроскопом мы приготовляли временный препарат, помещая пыльцу под покровное стекло в каплю глицерина, и просматривали препарат под микроскопом последовательно, измеряя все пыльцевые зерна, обнаруженные в подходящем положении (вид точно с полюса). Морфология пыльцы исследовалась при помощи светового микроскопа МИКМЕД-1 на увеличении 1,5×15×40, все измерения проводили при помощи окуляр-микрометра (×15) с точностью до 1 мкм. Всего было исследовано 564 пыльцевых зерна. Исследование скульптуры экзины пыльцы под световым микроскопом не позволяет уверенно отнести большинство просмотренных образцов к одному из типов, традиционно выделяемых в роде Nymphaea систематиками и палинологами (Куприянова, 1976; табл. 1). По этой причине мы осуществили дальнейшее исследование скульптуры экзины пыльцы при помощи сканирующего электронного микроскопа (далее СЭМ) в межфакультетской лаборатории электронной микроскопии МГУ. Для сопоставления с нашими образцами мы исследовали под СЭМ и пыльцу нескольких гербарных образцов из типичных местообитаний. Пыльцу прикрепляли к столику для СЭМ при помощи маникюрного лака, напыление проводили в ионнораспылительной установке IB-3 фирмы Eiko сплавом золота и палладия (примерная толщина напыления 25 нм). Микрографии получали при помощи сканирующего электронного микроскопа Camscan S-2 при ускоряющем напряжении 20 кВ в режиме SEI. Мы фотографировали первые увиденные в поле зрения 3-10 пыльцевых зерен, которые находились в нужном положении (вид с точно полюса или точно с экватора). Оцифровка изображения производилась при помощи компьютерной программы Scan Microcapture 2.20119 (разработчик А.В. Григорьев). Всего была сделана 421 микрофотография.

Пыльца из гербаризированных цветков проверялась на фертильность путем ее окраски ацеткармином по стандартной методике без предварительной фиксации в реактиве Карнуа (Основы…, 2000). Под световым микроскопом на увеличении 1,5× 10×10 мы подсчитывали число окрашенных пыльцевых зерен, приходившееся на 100 первых попавшихся в поле зрения зерен, вычисляя, таким образом, процент фертильных пыльцевых зерен в пробе (табл. 3).

Таблица 3. Фертильность пыльцы, тип скульптуры проксимальной части экзины пыльцевых зерен и степень сапробности воды для исследованных популяций кувшинки

Через точку с запятой указана доля фертильных зерен у разных цветков из одной популяции; тип скульптуры [проксимальной части] пыльцевых зерен – см. раздел “Результаты”.

Статистический анализ данных

С целью проверки полученных классификаций мы синтезировали четыре морфотипа (далее “якорных образца”), соответствующих N. alba s. str., N. candida, N. tetragona и N. x sundvickii на основе распространенных в литературе представлений о морфологии этих таксономических единиц.

Для выявлений различий и связей между переменными использовались такие методы анализа данных, как многомерный дисперсионный анализ, непараметрический корреляционный анализ, непараметрический тест Уилкоксона и параметрический тест Стьюдента. Тест на соответствие распределения значений данных нормальному был проведен при помощи вспомогательной программы, написанной А.Б. Шипуновым на основе теста Шапиро-Уилкса. Для классификации исследованных растений на основании их морфологии мы применили неметрическое многомерное шкалирование (Kruskal’s non-metric MDS) матрицы различий между объектами, вычисленной методом “daisy”. Этот метод классификации специально разработан для данных со смешанным типом переменных (непрерывные и балльные), какими являются и наши морфометрические данные (Kaufman, Rousseeuw, 1990). Для классификации листьев по их форме методом геометрической морфометрии мы использовали анализ главных компонент, так как в этом случае мы имели дело с непрерывными переменными матрицы относительных деформаций. При подготовке определительного ключа мы использовали метод дихотомической рекурсивной классификации образцов, так называемого “дерева регрессии” (Ripley, 1996), для вычисления типичных для каждого вида кувшинки значений количественных морфологических признаков. Для всех вычислений и графического представления результатов использовалась компьютерная статистическая среда R (R Development Core Team, 2004).

Результаты

Макроморфология: метрические признаки

При классификации исследованных растений методом многомерного шкалирования на основании их морфологии “якорный образец” N. candida располагается между “якорными образцами” N. alba и N. tetragona, а “якорный образец”N. x sundvickii – между “якорными образцами” N. candida и N. tetragona, что полностью соответствует известным по литературе представлениям о морфологии этих таксономических единиц и свидетельствует об адекватности полученной классификации (рис. 3). На плоскости двух первых измерений многомерного шкалирования можно выделить три размытых “облака” растений. Вокруг “якорного образца” N. alba сосредоточены все кувшинки, исследованные нами в Астраханской обл., и кувшинки из трех приморских популяций Карелии. Для этих растений характерна морфология, типичная для N. alba (табл. 1), за исключением округло-четырехугольной формы основания чашечки цветка у карельских кувшинок. Вокруг “якорного образца” N. tetragona сосредоточены все кувшинки с побережья Байкала, предварительно определенные нами как N. tetragona. Наконец, все остальные исследованные растения, в том числе и байкальские, определенные нами предварительно как N. alba s.l., сгруппировались вокруг “якорного образца” N. candida (рис. 3).

Рисунок 3. Распределение исследованных растений кувшинки в пространстве двух первых измерений неметрического многомерного шкалирования матрицы морфологических признаков

Условные обозначения: число обозначает одно растение, принадлежащее к популяции с соответствующим номером (табл. 3), красным цветом обозначены растения с “мелкими” пыльцевыми зернами, синим – с “крупными”, черным – с пыльцевыми зернами неизвестного размера (см. Результаты). Черными точками обозначены “якорные образцы” (см. Материалы и методы, статистическая обработка данных).

Мы проанализировали морфологические признаки, которые были характерны для каждой из выделенных групп (см. также рис. 9), и смогли составить определительный ключ для трех видов кувшинки, произрастающих в Европейской России. Мы использовали такие простые и надежные признаки как форма основания чашечки цветка, форма нитей внутренних тычинок, число лучей рыльца цветка, размер листовой пластинки и размер цветка. Предлагаемый ключ предназначен для разграничения видов кувшинки в природе, а не по гербарному материалу, что можно считать недостатком ключа, обусловленным, впрочем, спецификой объекта.

1. Основание чашечки квадратное, с ясно выраженными гранями (смотреть со стороны цветоножки). Нити внутренних тычинок округлые. Растения мелкие: длина наружных лепестков не превышает 3 см, ширина листовой пластинки не превышает 9 см -------------------------------------------------------------------------- N. tetragona Georgi

--- Основание чашечки округлое или округло-четырехугольное, без ясно выраженных граней. Нити внутренних тычинок продолговатые. Растения более крупные -------- 2

2. Основание чашечки округлое (смотреть со стороны цветоножки). Нити внутренних тычинок линейные. Листовые пластинки налегают друг на друга, приподнимаясь над поверхностью воды. Лучей рыльца более 13. Длина листовой пластинки более 15 см ------------------------------------------------------------------------------------ N. alba L.

--- Основание чашечки округло-четырехугольное. Четырехугольность может быть выражена в разной степени, но четких граней никогда не наблюдается. Нити внутренних тычинок линейные или обратно-ланцетные. Листовые пластинки плавают на поверхности воды. Лучей рыльца менее 13, реже больше, но тогда длина листовой пластинки не превышает 15 см ----------------------------- N. candida J. Presl

Рисунок 2. Качественные признаки, используемые для различения Nymphaea alba, N. candida и N. tetragona

1. форма основания чашечки цветка (вид со стороны цветоножки, не в масштабе):

Nymphaea alba	Nymphaea candida	Nymphaea tetragona

2. форма нитей внутренних тычинок (в одном масштабе):

Nymphaea alba	Nymphaea candida	Nymphaea tetragona

Форма листовой пластинки

При классификации листовых пластинок методом главных компонент на основании их формы (данные геометрической морфометрии) мы можем выделить три слабо обособленные области (рис. 4). Одна из этих областей (“зона A”) представлена исключительно листьями астраханских растений до гербаризации. Вторая область (“зона B”) представлена листьями растений из республики Бурятия с типичной для N. tetragona макроморфологией и гербаризированными листьями растений из других регионов России. В центральной части этой области располагается “якорный образец” N. tetragona. Между “зоной A” и “зоной B” помимо “якорного образца” N. candida находятся все остальные исследованные листовые пластинки, включая несколько гербаризированных.

Рисунок 4. Распределение исследованных растений в пространстве двух первых главных компонент анализа главных компонент относительных деформаций контуров листовой пластинки

Условные обозначения: каждый лист обозначен как xx-yy, где xx – номер популяции (согласно табл. 3), а yy – номер растения в этой популяции согласно бланку. Индекс h или d указывает на листовые пластинки после гербаризации. Черными точками обозначены “якорные образцы” (см. Материлы и методы, статистическая обработка данных). Отграничены области растений из Астраханской обл. (зона A) и из респ. Бурятия (зона B). Стрелки соединяют одни и те же листовые пластинки до и после гербаризации.

Легко заметить, что после гербаризации листовые пластинки из “зоны A” “перемещаются” в центральную область или даже в “зону B”, а листовые пластинки из центральной области “перемещаются” в “зону B” (рис. 4). Различия по форме между одними и теми же листовыми пластинками до и после гербаризации высоко достоверны (generalized Goodall F-test: p=0). При “продвижении” из “зоны A” в “зону B” листовые пластинки становятся более продолговатыми, более заостренными на конце, выемка между лопастями листа сужается и углубляется (рис. 8).

Длина и ширина листьев до и после гербаризации различается с высокой степенью достоверности (N=32, t-test: t=2,9; Df=63; p=0,005 и t=3,9; Df=59; p=0,0003 соответственно). При гербаризации длина листьев без учета выбросов уменьшается в 1,05-1,4 раза (среднее арифметическое± стандартное отклонение 1,3± 0,2) – эта величина отражает степень деформации листа в продольном направлении, ширина – в 1,15-1,5 раза (в среднем 1,35± 0,2) – эта величина отражает степень деформации листа в поперечном направлении. Степень деформации листа в продольном направлении достоверно не связана (r=0,3; p=0,1) со степенью деформации листа в поперечном направлении. Коэффициент деформации листа (отношение степени деформации листа в продольном направлении к степени деформации листа в поперечном направлении) колеблется от 0,75 до 1,1 (в среднем 0,9± 0,1). Таким образом, лист при высыхании уменьшается в размерах примерно в 1,3 раза.

Мы обнаружили достоверную зависимость (generalized Goodall F-test: p<0,05) формы листовой пластинки от положения листа на корневище (удаленности от апекса) у 6 из 11 исследованных растений. Однако характер этой зависимости у разных растений был неодинаков. При продвижении по корневищу в акропетальном направлении у двух растений было отмечено округление листа и расхождение его лопастей, у двух растений -- вытягивание листа и схождение его лопастей, у одного растения – округление листа без существенных изменений его общей формы и еще у одного растения – схождение лопастей листа без существенных изменений его общей формы.

Зависимость размерных характеристик кувшинки от степени сапробности водоема

Различия в степени сапробности (содержании органики в воде или трофности водоема) в исследованных водоемах и водотоках не велики. Значения индекса сапробности колеблются от 0,65 до 2,00, что соответствует второму и третьему классу чистоты воды (табл. 3). Большинство исследованных нами водоемов и водотоков олиго- или бетамезосапробные (индекс сапробности 1,4-2,0), а все карельские сплавинные озера и озеро на болоте “Сима” Московской обл. относятся к олигоксено- или к ксенобетасапробным водоемам (индекс сапробности 0,65-1,00) по классификации В. Сладечека (1967).

Анализ главных компонент матрицы размерных характеристик кувшинки (число лучей рыльца, размеры цветка и листовой пластинки) не позволяет выделить отдельные популяции с “мелкими” или “крупными” растениями. Мы не обнаружили статистически значимых корреляций размерных характеристик кувшинки со значением индекса сапробности или достоверных различий в размерах кувшинок, произрастающих в водоемах второго и третьего классов чистоты воды.

Палиноморфология

Размеры пыльцевых зерен (малый и большой экваториальный диаметр) у двух разных растений из одной популяции достоверно различаются (t-test, wilcox-test; p<0,05) в пяти популяциях из семи исследованных.

Значения большого (рис. 5) и малого экваториальных диаметров пыльцевых зерен имеют бимодальное распределение. Практически все исследованные популяции по этому признаку четко разделяются на две группы с “мелкой пыльцой” (большой экваториальный диаметр 32-40 мкм, малый – 28-37 мкм) и с “крупной пыльцой” (44-52 мкм и 38-50 мкм соответственно). Значения отношения большого экваториального диаметра к малому имеют унимодальное распределение с медианой 1,08 и квартильным размахом 1,04 – 1,1.

Рисунок 5. Распределение значений большого экваториального диаметра пыльцевых зерен Nymphaea

Условные обозначения: числа внутри столбцов диаграммы обозначают номера популяций (согласно табл. 3), медианное значение максимального экваториального диаметра пыльцевых зерен которых совпадает с его значением для данного столбца. Номер популяции с нулем на конце означает другой цветок этой популяции.

Растения с типичной для N. alba и N. tetragona макроморфологией имеют “мелкую” пыльцу. Растения с типичной для N. candida макроморфологией имеют как “крупную”, так и “мелкую” пыльцу (рис. 3). Нам не удалось выделить отдельных морфотипов N. candida на основании размерного класса пыльцы.

Фертильность пыльцы из разных цветков, принадлежащих к одной популяции, различалась не более чем на 15% (табл. 3). Растения из подавляющего большинства исследованных популяций имеют высоко фертильную пыльцу (>75% фертильных пыльцевых зерен в пробе), для одной популяции характерна пониженная фертильность пыльцы (63%): оз. Почаево Тверской области, две популяции характеризуются низкой фертильностью пыльцы: оз. “Х” респ. Карелия (38%) и оз. Рогозино Тверской области (33%) и две – очень низкой (5%): оз. Сорока и оз. Клин Тверской области (табл. 3). Пыльцевые зерна в пыльниках растений из последней популяции были чрезвычайно немногочисленны (10-20 на пыльник) и имели нетипичный внешний вид. Макроморфология растений из этой популяции также довольно своеобразна и сочетает в себе признаки N. alba (линейные нити внутренних тычинок, желтое и плоское рыльце) и N. candida (конический центральный отросток рыльца).

Визуальный анализ полученных СЭМ-фотографий пыльцевых зерен показал, что скульптура экзины на всей поверхности пыльцевых зерен кувшинки неоднородна. Скульптура дистальной части пыльцевого зерна (крышечки), по нашему мнению, не демонстрирует дискретной изменчивости, представляя собой бугры разного размера, более крупные по краям крышечки. Скульптура экзины проксимальной части пыльцевых зерен чрезвычайно разнообразна. Далее мы будем понимать под скульптурой экзины пыльцевых зерен именно скульптуру их проксимальной части, как наиболее перспективную для выделения различных морфотипов пыльцы. Можно выделить четыре основных типа скульптуры экзины проксимальной части пыльцевых зерен (табл. 3):

1. редко расположенные (7-9 элементов скульптуры на 100 кв. мкм поверхности пыльцевого зерна) плотные группы и одиночные пузыревидные элементы скульптуры в сочетании с одиночными палочковидными элементами скульптуры 2-4 мкм длиной (рис. 6а);
2. довольно густые (22-38 элементов скульптуры на 100 кв. мкм) бугорчатые и палочковидные элементы скульптуры 1-5 мкм длиной (рис. 6б);
3. очень густые нередко сливающиеся между собой бугорчатые элементы скульптуры разного размера от почти плоских до заметно выдающихся (рис. 6в);
4. сборный тип, скульптура экзины которого представляет собой различные комбинации бугорчатых, пузыревидных и палочковидных элементов скульптуры различной плотности (13-33 элементов скульптуры на 100 кв. мкм) (рис. 6г).

Надо отметить, что между этими типами скульптуры проксимальной части пыльцевых зерен существует непрерывный переход.

Рисунок 6. СЭМ-фотографии пыльцевых зерен: типы скульптуры экзины

а) скульптура экзины первого типа (р. Ресса Калужской обл.)

б) скульптура экзины второго типа; вариант с длинными палочковидными выростами (оз. “И” респ. Карелия)

в) скульптура экзины третьего типа; вариант с крупно-бугорчатыми элементами скульптуры (оз. Головец Тверской обл.)

д) скульптура экзины четвертого типа (оз. Беленькое Тверской области)

Нередко скульптура экзины существенно различается у разных растений из одной популяции. Особенно интересной представляется нам популяция кувшинки в пруду у турбазы Можайского р-на Московской обл. У южного берега пруда произрастает кувшинка с типичной для N. candida макроморфологией (табл. 1) и скульптурой экзины второго типа. В центре пруда произрастает кувшинка с некоторыми макроморфологическими признаками, характерными для N. tetragona (изогнутые по всей длине главные жилки листа, сильно вогнутое рыльце – см. табл. 1) и скульптурой экзины третьего типа. Три исследованные нами в разных частях обширного оз. Молдино (Тверская обл.) популяции кувшинки характеризуются различными типами скульптуры экзины пыльцы (табл. 3), обладая при этом чрезвычайно сходной макроморфологией (рис. 3).

Скульптура экзины третьего типа обнаружена нами у всех гербарных образцов N. tetragona, и у собранных нами в республике Бурятия растений этого вида (табл. 3). Кроме того, такая скульптура экзины была обнаружена в популяции оз. Головец Тверской области, в которой макроморфология кувшинки отличалась от типичной для N. candida линейными нитями тычинок, изогнутыми по всей длине главными жилками листа и сильно вогнутым рыльцем (табл. 1). Для прочих популяций кувшинки свойственна скульптура экзины первого, второго и четвертого типов вне зависимости от морфологии растений и региона их произрастания (табл. 3).

Сканирующая электронная микроскопия, несомненно, позволяет более подробно изучить скульптуру экзины пыльцевых зерен. Обычной является ситуация, когда под световым микроскопом мы видим только палочковидные выросты, а на СЭМ фотографии наряду с палочковидными выростами становятся отчетливо заметны более мелкие бугорчатые или пузыревидные выросты.

Однако условия высокого вакуума, необходимого для СЭМ, приводят к заметной деформации пыльцевых зерен (рис. 7). Значения малого экваториального диаметра существенно уменьшаются при СЭМ (квартильный размах 30-36 мкм по сравнению с 37-46 мкм по данным промеров под световым микроскопом), эти различия высоко достоверны (t-test: p<<0,01). Значения большого экваториального диаметра у пыльцевых зерен после СЭМ достоверно не изменяются (t-test: p=0,56). Естественно, что при этом на СЭМ фотографиях пыльцевые зерна оказываются гораздо более вытянутыми, чем они есть на самом деле (квартильный размах отношения большого экваториального диаметра к малому 1,0-1,1 до СЭМ и 1,2-1,5 после СЭМ), эти различия высоко достоверны (t-test: p<<0,01).

Рисунок 7. Размеры пыльцевых зерен из гербаризованных цветков кувшинки без последующей обработки и после ацетолиза или СЭМ исследований

Условные обозначения: числа и число-буквенные комбинации обозначают отдельные пыльцевые зерна, принадлежащие растениям из соответствующих популяций (табл. 3) или гербарным образцам, цвет обозначает тип обработки пыльцевых зерен после гербаризации цветков: красный – отсутствие последующей обработки, зеленый – ацетолиз, синий – сканирующая электронная микроскопия

Рисунок 8. Усредненные контуры листовых пластинок кувшинки для трех различных групп листьев, выделенных по их форме

А. Группа астраханских кувшинок (рис. 4, “зона A”)

Б. Группа “якорного образца” N. candida (рис. 4, центральная область)

В. Группа “якорного образца” N. tetragona (рис. 4, зона “B”)

Рисунок 9. Результат рекурсивного дихотомического деления исследованных растений на основании количественных морфологических признаков

Условные обозначения: cand – морфотип Nymphaea candida, alba – морфотип N. alba, tetr – морфотип N. tetragona; LEPEST – длина наружного лепестка (мм), ROUND – диаметр круга, образованного внешними тычинками (мм), RAYS – число лучей рыльца, D.LEAF – ширина наибольшей листовой пластинки (мм), L.LEAF – длина наибольшей листовой пластинки (мм)

Обсуждение

Изменения морфологии кувшинки при традиционных способах обработки живого материала

Наши исследования показали, что морфология кувшинки существенно изменяется при традиционных способах обработки живого материала. При гербаризации непредсказуемым образом искажаются размер и форма листьев, а также необратимо меняются важные диагностические признаки (например, цвет и форма рыльца). Этот факт справедливо отмечался ранее рядом исследователей (Комаров, 1937; Uotila, 2001; Лисицына, 2003), хотя количественные исследования изменений макроморфологии кувшинки при гербаризации на конкретных образцах были впервые проделаны лишь в настоящей работе. Нами также впервые показано, что характер различий формы листовой пластинки – часто используемого диагностического признака (Комаров, 1937; Маевский, 1976; Лисицына и др., 1993; Uotila, 2001) – до и после гербаризации чрезвычайно сходен с характером межвидовых различий (листья с формой листовой пластинки, типичной для N. alba, после гербаризации приобретают типичную для N. tetragona форму). В связи с этим нужно более критически относиться к систематическим обработкам рода, так как они в основном проводятся на основе гербарного материала (Комаров, 1937; Маевский, 1974; Лисицына и др., 1993; Определитель…, 1995), что вызывает дополнительные трудности в диагностике видов кувшинки. По нашему мнению, исследования макроморфологии кувшинки должны проводиться на живом материале.

Размерные характеристики пыльцевых зерен существенно искажаются при СЭМ. В связи с этим промеры пыльцевых зерен кувшинки на СЭМ-микрографиях, сделанные J.B. Muntendam с соавторами (1996), нельзя считать корректными. Ацетолизная обработка, с одной стороны, не изменяет существенно размерных характеристик пыльцевых зерен, а, с другой стороны, не облегчает заметно анализ скульптуры экзины, поэтому применение трудоемкой методики ацетолиза для изучения палиноморфологии кувшинки неоправданно. Надо отметить, что без применения СЭМ невозможно в полной мере исследовать скульптуру экзины пыльцевых зерен. Исследования морфологии пыльцевых зерен кувшинки на малых выборках, как это было проделано Л.А. Куприяновой (1976), некорректны из-за большой изменчивости палиноморфологии даже в пределах одной популяции. Таким образом, для исследования палиноморфологии кувшинки необходимо использование как световой, так и электронной микроскопии на больших выборках пыльцевых зерен без их ацетолизной обработки.

Зависимость размерных характеристик кувшинки от степени сапробности водоема

Достоверная зависимость размерных характеристик кувшинки от трофности водоема (содержания органических веществ в воде) нами не выявлена, что противоречит распространенному в литературе мнению (Комаров, 1937; Heslop-Harisson, 1955; Куприянова, 1976; Колесниченко, 1977; Дубына, 1982; Папченков, 2003). С одной стороны, можно предположить, что диапазон трофности исследованных нами водоемов был недостаточно широк для выявления подобной зависимости. С другой стороны, ранее специальных количественных исследований трофности водоемов не проводили, оценивая ее на основании общих соображений. Небольшие северные сплавинные озера традиционно относятся к олиготрофным в противоположность мезотрофным озерам средней полосы России (Куприянова, 1976; Колесниченко, 1977). Наши количественные исследования не демонстрируют существенных различий в трофности исследованных озер. Отсюда следует, что размерные характеристики кувшинки не так четко обусловлены трофностью водоемов, как это считалось ранее.

Некоторые соображения по систематике кувшинки на территории Европейской России

Наши данные позволяют выделить три морфотипа кувшинки, соответствующих литературным описаниям N. alba, N. candida и N. tetragona. Наиболее уверенно эти виды можно различать по комплексу макроморфологических признаков у живых растений, как видно из предлагаемого выше диагностического ключа. Эти виды различаются и по форме свежих листьев, однако эти различия не такие четкие и сложно формулируемые, поэтому мы не рекомендуем признак формы листовой пластинки в качестве диагностического. Наши исследования не выявили определенной зависимости формы листовой пластинки от ее положения на корневище, что позволяет анализировать форму листовых пластинок без учета их положения. Морфология пыльцы по нашим данным имеет гораздо меньшую диагностическую ценность, чем это предполагалось ранее (Комаров, 1937; Куприянова, 1976; Дубына, 1982; Uotila, 2001). Значения размера пыльцевых зерен N. alba, N. candida и N. tetragona существенно перекрываются, кроме того, этот признак значительно варьирует внутри одной популяции. По скульптуре проксимальной части экзины пыльцевых зерен выделяются лишь растения N. tetragona, тогда как растения N. alba и N. candida не различаются между собой по этому признаку, вопреки мнению Л.А. Куприяновой (1976) и J.B. Muntendam с соавторами (1996), работавших с маленькими выборками.

Растения с типичной для N. alba макроморфологией были встречены нами лишь в самом южном районе Европейской России (Астраханской области), а растения с типичной для N. tetragona морфологией были встречены только в Сибири (республика Бурятия). Наши исследования не подтвердили сведений о произрастании на территории Средней России N. alba и N. tetragona (Лисицына и др., 1993; Папченков, 2003; Лисицына, личное сообщ.). По нашим данным, многообразие морфотипов кувшинки на территории Средней России нельзя разделить на более или менее дискретные группы.

Отдельные крайние морфотипы существующего в Средней России морфологического континуума могут трактоваться как N. alba и N. tetragona, а образцы, занимающие по морфологии промежуточное положение между воображаемым центром континуума (типичная N. candida) и его крайними морфотипами – как гибридные формы N. alba x N. candida = N. x borealis и N. tetragona x N. candida = N. x sundvickii. Подобный подход доведен до своего логического завершения В.Г. Папченковым (2003). Необходимо отметить, что такая трактовка не соотвествует общепринятому определению вида (Тимофеев-Ресовский и др., 1977) и не может считаться справедливой. Недопустимость выделения видов на основании небольших отличий в морфологии особенно актуальна для растений, у которых вегетативное размножение преобладает над семенным (Elven et al., 2004), таких как кувшинка (Heslop-Harrison, 1955; Дубына, 1982).

Мы полагаем, что в Средней России распространена исключительно N. candida – вид с чрезвычайно широким морфологическим полиморфизмом. Это подтверждает данные К.И. Александровой с соавторами (Флора…, 1996) для Липецкой области России и не согласуется с данными Д.В. Дубыны (1982) для Украины.

Нашу точку зрения подтверждают и сведения о произрастании “гибридных форм” в отсутствие родителей (Колесниченко, 1977; Uotila, 2001; Папченков, 2003). Насколько нам известно, в этих исследованиях гибриды выделялись только по морфологии, и за “гибридные формы” легко могли быть приняты растения с нетипичными комбинациями морфологических признаков, не имеющие гибридного происхождения. Проведенные нами исследования фертильности пыльцы показали, что растения с нетипичными сочетаниями морфологических признаков, как правило, имеют высоко фертильную пыльцу и вряд ли являются гибридами, что подтверждает мнение многих авторов (Комаров, 1937; Heslop-Harrison, 1955; Neuhausl, Tomsovic,1957, цит. по: Дубына, 1982).

Разделение исследованных популяций N. candida по размеру пыльцы, соответствующее их разделению по совокупности макроморфологических признаков, позволило нам сделать предположение о существовании двух хромосомных рас N. candida на территории Средней России. Это предположение согласуется с данными о скоррелированности размера пыльцевых зерен с уровнем плоидности растений (Поддубная-Арнольди, 1976) и о большом числе известных хромосомных чисел для европейских видов кувшинки (Heslop-Harisson, 1955; Дубына, 1982; Wiersema, 1988; Крупкина, 2001). В этом случае легко предположить, что растения с разным уровнем плоидности несколько отличаются друг от друга по комплексу макроморфологических признаков. Для проверки этой гипотезы в дальнейшем нужно оценивать уровень плоидности исследуемых растений.

Для решения вопроса о видовом разнообразии кувшинки в Европейской России необходимо провести анализ ДНК исследованных популяций (Muntendam et al., 1996), что, насколько нам известно, до сих пор не было сделано для европейских видов кувшинки.

Выводы

1. Nymphaea candida, N. alba и N. tetragona различаются по макроморфологическим признакам живых растений (форма основания чашечки цветка, форма нитей внутренних тычинок, размер цветков и листьев);
2. Nymphaea tetragona отличается от N. alba и N. candida скульптурой проксимальной части экзины пыльцевых зерен: для N. tetragona характерны густо расположенные бугорчатые элементы скульптуры, а для N. alba и N. candida – разнообразные типы скульптуры с обязательным участием палочковидных элементов;
3. Nymphaea tetragona и N. alba имеют “мелкую” пыльцу (32-40 мкм×28-37 мкм), а среди популяций N. candida выделяются популяции с “мелкой” и “крупной” (44-52 мкм×38-50 мкм) пыльцой;
4. Характер изменения формы листовой пластинки кувшинки при гербаризации чрезвычайно сходен с характером межвидовых различий ее формы;
5. Форма и размер пыльцевых зерен кувшинки не изменяются после ацетолизной обработки, тогда как в условиях глубокого вакуума при СЭМ пыльцевые зерна становятся менее округлыми;
6. На территории Европейской России количественные признаки листьев и цветков кувшинки не зависят от трофности воды
7. В Средней России по нашим данным распространен один полиморфный вид кувшинки -- N. candida. В Европейской России нами не обнаружена N. tetragona, а N. alba выявлена только в Астраханской области.

Благодарности

Мы искренне благодарны всем, кто оказывал нам всестороннее содействие при сборе материала в полевых условиях: участникам летних практик Московской Гимназии на Юго-Западе (№1543), проходивших под руководством С.М. Глаголева; зам. директора по НИР природно-исторического заповедника “Аркаим” Е. Чибилеву; зам. директора по НИР государственного природного Кандалакшского заповедника А.С. Корякину, доценту Липецкого университета К.И. Александровой, директору Байкальского государственного природного заповедника В.И. Сутула и зам. директора по НИР Астраханского заповедника А.К. Горбунову. Мы также благодарны сотруднице каф. высших растений биологического факультета МГУ С.В. Полевовой за консультации в области палинологии, сотруднице каф. альгологии и микологии биологического факультета МГУ О.В. Анисимовой за помощь в обработке гидробиологических проб и консультации по определению степени сапробности водоемов, сотруднику зоологического музея И.Я. Павлинову за консультации в области геометрической морфометрии, А.Б. Шипунову и Л.И. Лотовой за обсуждение работы и ведущему инженеру МЛЭМ А.Г. Богданову за компетентную и доброжелательную помощь на сеансах электронной микроскопии.

Литература

1. Баринова С.С. Оценка состояния водных экосистем // Оценка состояния и устойчивости экосистем.— М., 1992.— С. 49—55.
2. Волкова П.А., Юфряков И.С., Шипунов А.Б. Анализ изменчивости различных видов росянки (Drosera, Droseraceae) методами классической и геометрической морфометрии // Бюл. МОИП. Отд. биол.— 2005.— Т. 110, вып. 6.— С. 60—66.
3. Дубына Д.В. Кувшинковые Украины.— Киев: Наукова Думка, 1982. — 230 с.
4. Ильинский В.В., Шипунов А.Б. Анализ изменчивости различных видов ольхи (Alnus Mill., Betulaceae) методами классической и геометрической морфометрии // Бот. журн.— 2005.— № 11.— С. 1720—1733.
5. Колесниченко (Крупкина) Л.И. К систематике кувшинок европейской части СССР: Дипломная работа. Л., 1977.
6. Комаров В.Л. Кувшинка – Nymphaea L. // Флора СССР. Л.—М., Т. 7. 1937. С. 6—12.
7. Крупкина Л.И. Nymphaeceae Salisb. -- Кувшинковые // Флора Восточной Европы. СПб., 2001. Т. 10. С. 25—30.
8. Куприянова Л.А. Морфология пыльцы видов Nymphaea европейской части СССР // Бот. журн.— 1976.— Т. 61, № 11.— С. 1558—1563.
9. Лисицына Л.И. Гербаризация водных растений, оформление коллекций // Гидроботаника: методология, методы: Материалы школы по гидроботанике. Рыбинск: ОАО “Рыбинский дом печати”, 2003. С. 49—56.
10. Лисицына Л.И., Папченков В.Г., Артеменко В.И. Род Nymphaea L. – Кувшинка // Флора водоемов Волжского бассейна. Спб., 1993. С. 136—137.
11. Маевский П.Ф. Флора средней полосы европейской части СССР. 9-ое изд. Л., 1964. 880 с.
12. Маак Р.К. Путешествие на Амур. СПб., 1859.
13. Мейер-Меликян Н.Р., Диамандопулу Н. Ультраструктура пыльцевых зерен представителей порядка Nymphaeales // Бот. журн.— 1996.— Т. 81, № 7.— С. 1—9.
14. Определитель сосудистых растений центра европейской части России / И.А. Губанов и др.— 2-е изд., дополн. и перераб.— М.: Аргус. 1995.— 560 с.
15. Основы микротехнических исследований в ботанике: справочное руководство / Р.П. Барыкина, Т.Д. Веселова, А.Г. Девятов и др.— М., 2000.— 127 с.
16. Павлинов И.Я., Волцит О.В., Россолимо О.Л. Анализ изменчивости формы методами геометрической морфометрии: демонстрация некоторых возможностей на примере гнатосомы клещей (Acari: Ixodes) и коренного зуба полевок (Mammalia: Alticola) // Журнал общей биологии.— 1994.— Т. 55, № 1.— С. 110—118.
17. Павлинов И.Я. Анализ изменчивости формы третьего верхнего коренного у скальных полевок рода Alticola (Cricetidae) методами геометрической морфометрии // Зоологический журнал.— 1999.— Т. 78, № 1.— С. 78—83.
18. Павлинов И.Я. Геометрическая морфометрия черепа мышевидных грызунов (Mammalia, Rodentia): связь формы черепа с пищевой специализацией // Журнал общей биологии.— 2000.— Т. 61, № 6.— С. 583—600.
19. Павлинов И.Я. Геометрическая морфометрия – новый аналитический подход к сравнению компьютерных образов // Информационные технологии в исследованиях биоразнообразия.— СПб., 2001.— С. 65—90.
20. Павлинов И.Я., Микешина Н.Г. Принципы и методы геометрической морфометрии // Журнал общей биологии.— 2002.— Т. 63, № 6.— С. 473—493.
21. Папченков В.Г. К определению сложных групп водных растений и их гибридов // Гидроботаника: методология, методы: Материалы школы по гидроботанике. Рыбинск: ОАО “Рыбинский дом печати”, 2003. С. 82—91.
22. Поддубная-Арнольди В.А. Цитоэмбриология покрытосеменных растений.— М.: Наука, 1976.— 508 с.
23. Скворцов В.Э. Атлас-определитель сосудистых растений таежной зоны Европейской России.— М.: Гринпис России, 2000.— 587 с.
24. Сладечек В. Общая биологическая схема качества воды // Санитарная и техническая гидробиология.— М., 1969.— С. 26—31.
25. Тимофеев-Ресовский Н.В., Воронцов Н.Н., Яблоков А.В. Краткий очерк теории эволюции.— М.: Наука, 1977.— 297 с.
26. Цвелев Н.Н. Определитель сосудистых растений Северо-Западной России.— СПб.: Изд-во С.-Петерб. гос. хим.-фармацевт. акад., 2000.— 781 с.
27. Цвелев Н.Н. Nymphaeaceae Salisb. // П.Ф. Маевский. Флора Средней России. 10 изд. М., в печати.
28. Флора Липецкой области / К.И. Александрова и др.— М.: Аргус, 1996.— 376 с.
29. Adams D.C., Rohlf F.J., Slice D.E. Geometric Morphometrics: Ten Years of Progress Following the ‘Revolution’ [Electronic resource]. 2002. Mode of access: http://life.bio.sunysb.edu/morph/review/review.html.
30. Bookstein F.L. Morphometric tools for landmarks data.— New York: Cambridge University Press, 1991.— 435 p.
31. Britton N., Brown A. An illustrated flora of Northern US, Canada and british possessions.— 2nd ed.— C. Scribners son.1913.
32. Elven R., Jonsell B., Murray D.F., Yurtsev B.A. An operational species concept for the panarctic flora [Electronic resource]. 2004. Mode of access: http://binran.spb.ru/projects/paf/papers/sp_concept/sp_concept.htm.
33. Heslop-Harrisson J. Nymphaea // J. Ecol. 1955. Vol. 43. P. 719—734.
34. Jensen R.J., Ciofani K.M., Miramontes L.C. Lines, outlines and landmarks: morphometric analyses of leaves of Acer rubrum, Acer saccharinum (Aceraceae) and their hybrid // Taxon.— 2002.— Vol. 51, N 3.— P. 475—492.
35. Kaufman L., Rousseeuw P.J. Finding groups in data: an introduction to cluster analysis.— New York: Wiley. 1990.
36. Kores P.J., Molvray M., Darwin S.P. Morphomeric variation in three species of Cyrtostylis (Orchidaceae). // Systematic Botany.— 1993.— Vol. 18, N 2.— P. 274—282.
37. Muntendam J.B., Povel G.D.E., van der Velde G. Morphometric patterns in the Nymphaea alba-candida complex // Acta Bot. Neerl.— 1996.— Vol. 45, N 3.— P. 279—302.
38. R Development Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna. 2004.
39. Ray T.S. Landmark eigenshape analyis: homologous contours: leaf shape in Syngonium (Araceae) // Am. J. Bot.— 1992.— Vol. 79, N 1.— P. 69—76.
40. Ripley B.D. Pattern Recognition and Neural Networks.— Cambridge: Cambridge University Press, 1996.
41. Rohlf F.J. tpsUtil – TPS utility program [Electronic resource]. 2000. Mode of access: http://life.bio.sunysb.edu/morph/.
42. Rohlf F.J. tpsRelw: relative warps. Version 1.23 [Electronic resource]. 2001a. Mode of access: http://life.bio.sunysb.edu/morph/.
43. Rohlf F.J. tpsDig. Version 1.23 [Electronic resource]. 2001b. Mode of access: http://life.bio.sunysb.edu/morph/.
44. Rohlf F.J. tpsSuper. Version 1.12 [Electronic resource]. 2003. Mode of access: http://life.bio.sunysb.edu/morph/.
45. Rohlf F.J. tpsRegr. Version 1.31 [Electronic resource]. 2005. Mode of access: http://life.bio.sunysb.edu/morph/.
46. Rolf F. J., Slice D. Extensions of the procrustes method for the optimal superimposition of landmarks // Syst. Zool.— 1990.— Vol. 39.— P. 40—59.
47. Tutin T.G., Webb D.A. Nymphaea L. // Flora Europaea. Ed. 2. Vol. 1. 1993. P. 246—247.
48. Uotila P. Nymphaea L. // Flora Nordica. Vol. 2. 2000. P. 216—221.

Главная

Общая информация

Карты

Фото

Фольклор

Острова

Озера

Флора

Фауна