ГЕТЕРОФІЛІЯ У РОСЛИН - О.М. НЕДУХА - 2011

ЗАГАЛЬНІ ПІДСУМКИ

Написана монографія дає змогу віддати належне теоретичним та експериментальним працям дослідників багатьох країн світу, що вивчали гетерофілію у рослин. У результаті спільних зусиль ботаніків, фізіологів і молекулярних біологів заново відроджено новий розділ ботаніки, який висвітлює на різних рівнях організації взаємодію та реакцію-відповідь різних органів рослини на контрастну зміну оточуючого середовища, зокрема, повітря ↔ вода.

Водночас, ознайомлення з цією монографією переконує нас у тому, що лишається ще багато невирішених питань, тобто проблема гетерофілії у рослин на сьогодні потребує подальших досліджень, які не лише поглиблять уявлення та знання про гетерофілію, але навіть дадуть змогу й змінити її.

Дослідження еволюційного процесу походження гетерофілії з приміненням молекулярних методів, зокрема аналізу позитивного відбору послідовностей хлоропластного гена rbcL(Рубіско) у екологічно різних водних рослин Японії, а саме у видів роду Potamogeton, які є досить різноманітними за морфологією й ростовими показниками, припускають, що гомофілія у видів цього роду є спадковою, а гетерофілія, яка також передається спадково, можливо, існує, як паралельна еволюція (Iida et al., 2004; 2009).

У цій книзі ми намагалися показати, що вивчення явища гетерофілії в рослин, яке зводилося, головним чином до дослідження морфолого- анатомічної будови листків із різними формами, значно розширилися останніми роками. Це відбулося внаслідок проведення порівняльних досліджень ультраструктури клітин мезофілу та епідермісу надводних і підводних листків вищих водних рослин, які перебували або в умовах тривалого затоплення, або в обмілілих водоймах, а також під час досліджень гідрофітів, у яких листки та генеративні органи у природних умовах перебувають на поверхні води.

Останніми роками вдалося наблизитися до розуміння механізму таких змін на генетичному рівні. Було доказано, що у процесі поділу та розтягування клітин беруть участь гени, які залучені до кодування циклінів, експансинів, гідролаз, а також гени, які задіяні в регуляції вуглеводного обміну в листках гетерофільних суходільних і водних рослин у разі контрастної зміни оточуючого середовища: повітря ↔ водне оточення.

Результати дослідження молекулярних основ генетичної різноманітності рослин при затопленні чи зростанні їх у воді дадуть змогу забезпечити своєчасне виведення стійких сортів для таких умов. Вивчення їхньої різноманітності свідчить про значну пластичність метаболізму та розвитку рослин до умов затоплення. Природні варіації під час акліматизації забезпечуються виявом певних генетичних ознак підводної стійкості. Одним із прикладів використання даних молекулярної біології в сільському господарстві є використання маркерів, виведених для інтродукції генотипу у рису (Subi), який є стійким до затоплення (Xu et al., 2006). Окрім цього, подальше вивчення молекулярних основ генетичної різноманітності при стійкості до затоплення є критичним у разі глобальних змін клімату в певних районах нашої планети.

Велику увагу привертає до себе проблема фотосинтезу в підводних листках як гідрофітів, так і культурних рослин при затопленні останніх, вивчення якого дасть змогу розкрити клітинні механізми, завдяки яким досягається оптимізація фотосинтезу в підводних листках в умовах недостатнього вмісту СО₂ та кисню. З'ясовано кореляцію вмісту фото- синтезуючих пігментів із відносним вмістом Са²⁺ у хлоропластах гетеро- фільних рослин. Суттєвим виявилося також явище використання іонів НСО₃^-, розчинених у воді, для фотосинтезу підводних листків вищих водних рослин.

Встановлено також, що більшість підводних листків у гетерофіль- них рослин не мають продихів, зрідка вони можуть утворюватися, але їх кількість і розміри значно менші порівняно з надводними листками. У зв'язку з цим, за відсутності продихів у підводних листках по-новому постає питання, яким чином розчинені у воді гази (СО₂, НСО₃^-, О₂) транспортуються до фотосинтезуючих тканин, де важлива транспортна роль відводиться аеренхімі й кутикулярним порам у зовнішніх клітинних оболонках епідерми. Достовірні дані одержані й щодо наявності хлоропластів у клітинах епідермісу підводних листків гетерофільних рослин. Частково досліджено також процес формування та функціонування аеренхіми у підводних органах.

Нарешті, отримані достатньо переконливі дані про перерозподіл та участь фітогормонів (АБК, етилену, ГК) у регуляції росту підводних і повітряних листків у рослин, у яких виявляється гетерофілія. Доведено причетність фітогормонів до експресії генів, до зміни інтенсивності їх синтезу (АБК і ГК) в залежності від зміни інтенсивності та складу світла під час морфогенезу рослин.

Зрештою, з'явилися експериментальні дані, що проливають світло на деякі механізми функціонування листків у гетерофільних рослин.

Отримані досить докладні відомості про зміни форм целюлози у листків гетерофільних рослин, що свідчить про активну роль полісахаридів клітинних оболонок в адаптації рослин до водного існування. Показано, що аморфна форма целюлози, яка може адсорбувати на собі значну масу води, є головною складовою у загальному вмісті полісахаридів клітинних оболонок підводних листків порівняно з надводними та листками суходільних рослин, для яких більш характерною є наявність кристалічної форми целюлози, яка не здатна на своїх молекулах адсорбувати воду.

Попередні досягнення спонукають не лише до ретроспективного аналізу, але більшою мірою - до подальших наукових пошуків. Особливо бажано продовжувати дослідження транспортних шляхів газів, розчинених у воді, по апопласту та цитоплазмі епідермісу підводних листків, зокрема пошук кутикулярних порових каналів та вивчення механізмів їхнього функціонування, функціонування плазмодесм й аквапоринів в клітинах підводних листків з використанням імунноцитохімічних, ультраструктурних і молекулярних методів.

Використовуючи у своїх дослідженнях електронну та лазерно- конфокальну мікроскопію, можна було б дослідити роль елементів ци- тоскелета у процесі морфогенезу листків.

Заслуговують серйозного вивчення первинні фізичні та хімічні сигнали, які спричиняють зміни у процесах поділу та розтягування клітин при набутті певної форми листка чи у разі структурно-функціональних відмінностей листків суходільних гетерофільних рослин, а також підводних і надводних листків гетерофільних водних рослин. Окрім цього, заслуговують на подальше вивчення молекулярні основи як генетичної різноманітності листків гетерофільних рослин, так і генетичної різноманітності листків у рослин, стійких до затоплення та під час глобальних змін у певних районах нашої планети. Для цього потрібно буде провести ретельні лабораторні та польові дослідження.

Крім цього, суттєве значення має вивчення водних макрофітів, оскільки вони вже давно використовуються людиною, забезпечуючи її їжею, ліками та будівельними матеріалами. Ще стародавні єгиптяни, греки та китайці використовували квіти, листки, корені водної лілії (Nymphaea sp.) для приготування салатів, а висушені квіти та кореневища - для борошна. Тимчасом, китайці також широко використовували для виготовлення борошна й кореневища (бульби) Eleocharis sp. (Hebert, 2007), а плоди водяного горіха - для лікування.

Питання, які виникають у зв'язку з дослідженням гетерофілії у вищих водних і суходільних рослин, настільки різнобічні, що ця галузь ботаніки буде й надалі привертати до себе увагу багатьох дослідників.

CONCLUSION

Heterophylly, the production of two or more leaf forms within the same individual on one plant shoot, is a common characteristic of high aquatic and terrestrial plants. General conclusion of the latest achievements of our knowledge about heterophylly in plants is considered in the monograph. We agree with the theoretical concepts of concerning to heterophylly development in aquatic and terrestrial plants: heterophylly is result of heteroblast development of leaf primordium, effect of heredity, and action of environmetal factors. According to the E. Sinnot's concept of plant morphogenesis (Sinnot, 1941; 1963), the leaf shape depends on primordial shape, regulation of the number of cells that divide and expanse during juvenile phase of leaf development.

A functioning and adaptation of heterophyllous high aquatic plants to submergence leads to an appearance of specific morpho-anatomical signs of dimorphic leaves and to an activation of the cellular mechanisms of this phenomenon. It has been established on the basis of the numerous results of literature data and our experimental investigations during of study of structural and functional features of submerged and aerial leaves of Sium latifolium, Nuphar lutea, and Sagittaria sagittifolia, which are heterophyllous.

The development of heterophylly in high aquatic plants is the result of the influence of both the endogen factors on submerged leaves, and the changes in the environment conditions. It takes place when plant roots and stems are flooded, when the intensity light is slackened and the speed of СО₂diffusion is decreased, when the light spectrum is changed in depend on depth of shoot submergence, when the temperature is changed, soil humidity around of roots is increased, and when oxygen content in soil near roots dramatically is decreased too.

Based on the results of our investigations and data of literature, the following suggestions could be made: the structural and functional differences of leaves and stems of heterophyllous aquatic plants are consequence of the activation of a cellular mechanisms, which predetermine of growth and development of dimorphic leaves depending on dramatic changes in an environment: air ^ water. Submerged leaves of high aquatic plants are differed from floating and aerial leaves by the structural and functinal signs, which are adaptive signs of plant to the influence of flooding. These signs include:

✵ Changes of the shape, area and anatomical structure of leaf blade (lamina). Shape of submerged leaf become dissected, narrow, elongated or rounded/fanlike; such shape of leaves leads to intensification of plant resistance to fluctuating of water stream and water pressure. An area and perimeter of submerged leaves increases, and this promotes to elevation of area for gas (О₂, СО₂, and ethylene) transport. Thickness of submerged leaf reduces on several times in comparison with aerial leaf thickness. These changes leads to the optimal increasing of СО₂conductivity into cells. Isolateral or centric type of leaf anatomy with undifferentiated mesophyll, and the presence of chloroplasts in epidermal cells are typical for submerged leaves;

✵ Stomata are absent in epidermis or their number decreases, wax deposit is absent on adaxial and abaxial surfaces of submerged leaf. Cuticle layer in cell walls of leaf epidermis become very thin. Epidermal cells of submerged organs are capable of absorb of water, nutrients and dissolved gases directly from the surrounding water. It can promote to accelerated transport of gas from water into cells through cell walls of epidermis and to opposite direction (leaf epidermis ↔ water environment);

✵ Formation of enough developed aerenchyma is occurred in submerged leaves, stem and roots; tissues of submerged plant has access to the internal air-filled cavities as their own oxygen and СО₂ source;

✵ Changes of cell ultrastructure of submerged leaves is observed in comparison with aerial and floating leaves. Chloroplasts are characterized by a presence of a lot of thylakoids in grana and by a decrease in starch content; such chloroplasts are like to the chloroplasts in shaded plants; population of peroxysomes increases in cell, that results in activation of photorespiration;

✵ The change in photosynthesis occurs in submerged leaves, including the decrease of activities of enzymes, such as Rubisco, PEP - carboxylase and P-kinase; the reduction of chlorophylls concentration on unit of leaf area, and the ratio of chlorophylls sum to carotynoids occurs too. The changes in synthesis of photosynthetic pigments is consequence of changed intensity and spectrum of light in water environment.

✵ The exhaustion of carbohydrates store and the decrease of aerobic respiration are observed in submerged plant organs.

The role of phytohormones, expression of the genes, redistribution in synthesis of amorphous and crystalline cellulose in cell walls of dimorphic leaves has been analyzed on the basis of integrated data of concerning endogenous mechanisms of plant heterophylly revealing. It is known that leaves of heterophyllous plants during submergence or under usual terrestrial conditions are passed of all phases of development from primordium formation to natural senescence. This suggests that the discovered differences in dimorphic leaves can be related to endogenous mechanisms, including:

✵ Redistribution of phytohormones (ABA, ethylene and GA) in leaves of heterophyllous plants, in particular, increase in ABA content, decrease in GA and ethylene content are occurred in above-water leaves, while the opposite event could be noted in submerged leaves, namely, an increase in GA and ethylene content, decreasing of ABA content. The marked changes are consequence of the modulations in phytohormones balance;

✵ Influence of gibberellins and ethylene on genes expression that take part in the regulation of cellular cycle and in cell growth of emergent, floating, and submerged leaves. It is noted that the intensification of synthesed mRNAs, which code of expansins A and B, endotransglycosilases, cyclins (CYC2Os1), cyclin-dependent kinase (CDC2Os), α-amylase (OsAmy3D) leads to the changes in rate of cell division and cell growth in submerged leaves;

✵ It is possible that the decrease in relative content of Са²⁺in chloroplasts of submerged leaves in comparison with ones of above-water (aerial) leaves occurs because partial inhibition or change in a rate of calcium-dependent processes in chloroplasts, including chlorophyll synthesis, activation of NAD-kinase and reparation of PS II reactive centers take place;

✵ Distribution in content of two forms cellulose in cell walls of dimorphic leaves in heterophyllous plants is revealed. The increase in content of amorphous form cellulose and decrease of content of crystalline form cellulose is shown in submerged leaves. The contrary events occurs in above-water (aerial) leaves: the content of crystalline cellulose is increased, and content of amorphous form cellulose is decreased. Taking into account that molecules of amorphous cellulose have ability to absorb of water molecules whereas crystalline form does not able to absorb of water, we think that the increase in amorphous cellulose content can to intensify of apoplast water transport in submerged leaves in comparison with above-water leaves.

Thus, on basis of theoretical and experimental data we can conclude that heterophylly in high aquatic and terrestrial plants is result of action of the specific cellular mechanisms, which start working during development of primordium in the juvenile phase. The differences of anatomical structure and cell ultrastructure between submerged and aerial leaf of heterophyllous aquatic plant allow us to conclude that vital functions of plant are depended on the conditions of environment.