ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕНОТИПИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ИНВАЗИВНОГО СОРНЯКА TRIANTHEMA PORTULACASTRUM L.

Исследование фенотипической пластичности инвазивного сорняка Trianthema portulacastrum L.

Марва А. Фахр

Ясир С.А. Мазру

Фатен Ю. Эльмуни

Фенотипическую пластичность часто называют ключевым фактором инвазивности растений, поскольку она позволяет инвазивным видам адаптироваться к разнообразным и сложным средам обитания. Trianthema portulacastrum — один из самых распространенных агрессивных видов, угрожающих различным культурам по всему миру. Фенотипическая пластичность T. portulacastrumбыла исследована путем сравнения изменчивости всхожести, вегетативной макроморфологии, фотосинтетических пигментов, устьичных комплексов и микроморфологических признаков семян 35 образцов, собранных в 35 различных местах. Однофакторный кластерный анализ и анализ основных компонентов (PCA) использовались для классификации образцов на однородные группы на основе измеренных признаков. Попарные статистические сравнения были проведены между тремя полученными группами. Рассчитывали и сравнивали индекс фенотипической пластичности (ИП) между разными группами признаков. Результаты показали, что фотосинтетические пигменты и макроморфологические характеристики имели самый высокий ИП, за ними следовала микроморфология семян, а затем признаки устьичного комплекса, в то время как параметры прорастания показали самый низкий ИП. Мы предполагаем, что влажность почвы, засоленность, и температура являются наиболее определяющими и объяснительными переменными вариации между тремя классифицированными группами. Мы твердо верим, что фенотипическая пластичностьТ . portulacastrum будет поддерживать численность и распространение видов даже при ожидаемых изменениях климатических условий, в отличие от уязвимых традиционных культур.

Ключевые слова: кластерный анализ ; инвазивный сорняк ; микроморфология листьев ; морфометрический анализ ; фенотипическая пластичность ; микроморфология семян ; Триантема портулакаструм

1. Введение

Фенотипическая пластичность является ключевым фактором в процессе инвазии, способствуя приспособляемости и инвазивности чужеродного вида за счет увеличения или поддержания роста популяции в необычных условиях окружающей среды [ 1 , 2 , 3 ]. Следует изучить функциональные признаки растений, чтобы определить, какой параметр (параметры) пластичности может играть роль в реакции растения на глобальное изменение [ 4 ]. Исследования изменчивости признаков в зависимости от градиента окружающей среды также могут предоставить жизненно важные данные для распознавания факторов инвазии растений и для разработки стратегий управления [ 5 ].]. На уровне экосистем конкуренция между дикими и инвазивными видами считается естественным следствием, когда виды с более значительной адаптивной пластичностью могут иметь больше шансов выжить в сложных и разнообразных местообитаниях [ 6 , 7 ]. Пластические реакции органов растений, индуцированные средой, способствуют морфологическим и физиологическим изменениям поведения у видов, обитающих в гетерогенных и изменчивых условиях [ 7 , 8 ]. Для некоторых морфологических признаков была показана фенотипическая пластичность, отражающая генетические корреляции. Признаки, принадлежащие к одному и тому же набору характеристик, генетически и фенотипически более коррелированы, чем признаки из разных наборов [ 9 ].]. Наблюдение за влиянием среды на микроморфологию листьев и семян свидетельствует о том, что растения адаптируют свою морфологию к новым условиям среды [ 10 , 11 ]. Многие авторы сообщают о таксономическом значении макро- и микроморфологических признаков листьев и семян Aizoaceae [ 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

Род Trianthema L. (Aizoaceae, Sesuvioideae) включает около 28 видов, разделенных на два подрода: Papularia и Trianthema [ 19 ]. Почти все виды рода относятся к С4- растениям , приобретающим суккулентность с высоким адаптивным характером в засушливых условиях [ 20 , 21 ]. Trianthema portulacastrum L. ( Син. Trianthema monogynumL.) рассматривается как агрессивный инвазивный сорняк. Этот вид растет на нескольких полевых культурах и считается основным конкурентом кукурузы, хлопка, горчицы, сои и некоторых фруктовых деревьев. Было обнаружено, что он агрессивно конкурирует с соей, вызывая снижение полевой продуктивности на 60% и снижение урожайности зерна на 34% [ 22 , 23 ]. Trianthema portulacastrum характеризуется факультативным ауткроссингом, давлением пропагулы, высокой репродукцией, огромным банком семян, низким периодом покоя, эффективным распространением семян и термоустойчивостью [ 22 ]. Все эти особенности поддерживают распространение, приспособляемость и выживание этого инвазивного сорняка перед лицом изменения климата [ 24 , 25 ].

Европейская и средиземноморская организация по карантину и защите растений (ЕОКЗР) добавила T. portulacastrum в Список предупреждений организации на 2020 г. из-за потенциального экономического ущерба, причиняемого этим видом. Кроме того, CABI поместил его в «Компендиум инвазивных видов», назвав его угрозой для сельскохозяйственных культур и средств к существованию во всем мире [ 22 ]. С другой стороны, T. portulacastrum известен своими преимуществами в качестве средства традиционной медицины и корма в различных частях мира [ 26 ].

В Египте Shaltout et al. [ 27 ] изучили поведение распространения и показатели роста T. portulacastrum в дельте Нила, указав, что его распространение может привести к серьезной экологической катастрофе. Недавно Эллмуни и соавт. [ 28 ] сообщили о значительных различиях между генотипами T. portulacastrum в пределах одной и той же популяции, а также о существовании полового и клонального размножения в Фаюмской низменности (ФД), подразумевая, что локальная адаптация и фенотипическая пластичность могут способствовать инвазии видов.

Фаюмская впадина расположена в засушливой полосе Египта, с продолжительным, сухим, жарким летом и слегка теплой зимой [ 23 ]. Он имеет уникальное физическое, экологическое и географическое положение в Западной пустыне Египта с отличительной топографией с точки зрения типа почвы, почвообразования, дренажа, орошения и использования сельскохозяйственных земель [ 29 ]. Кроме того, он отличается высокой скоростью испарения, низким количеством сезонных осадков при термической температуре почвы и засушливой влажности почвы [ 30 , 31 ].

Однако влияние фенотипической пластичности на успешность инвазии остается в значительной степени неизвестным, и жизненно важно повышать осведомленность о грядущем инвазивном потенциале T. portulacastrum [ 32 , 33 ]. Таким образом, данное исследование направлено на изучение фенотипической пластичности T. portulacastrum , распространяющегося в Фаюмской котловине, путем изучения его макро- и микроморфологических и физиологических признаков, а также на оценку индекса фенотипической пластичности вида, который может иметь значение для инвазивности растений. .

2. Результаты

Описательные данные по вегетативной макроморфологии, параметрам прорастания и анализу фотосинтетического пигмента приведены в таблице S1 .

2.1. Вегетативная макроморфология

Триантема портулакаструм – многолетнее суккулентное опушенное травянистое растение ( рис. 1 , а). Стебель распростерт, количество вторичных ветвей колеблется от 3 до 17, а количество третичных ветвей стебля колеблется от 3 до 9. Число междоузлий на первичной ветви колеблется от 5 до 15, а на число междоузлий вторичной ветви варьирует от 3 до 12. Длина междоузлий первичной ветви колеблется от 0,5 до 14,5 см, тогда как длина междоузлия вторичной ветви колеблется от 0,3 до 10,5 см.

Рис. 1. ( а , б ) фотографии Trianthema portulacastrum в естественной среде обитания, сделанные авторами.

Листья супротивные, разнолистные, с пленчатым краем у основания. Размер одного листового черешка варьирует от 0,5 до 3 см, размер листа 1,4-4,4 × 1,2-4,5 см, площадь от 1,12 до 13,2 см 2 . Форма одиночного листа округлая или яйцевидная, с выемкой или закругленной вершиной ( рис. 1 б). Листовой черешок колеблется от 0,2 до 1,3 см, размер листа 0,9-2,3×0,5-1,8 см, площадь от 0,3 до 2,76 см 2 . Форма листа от округлой или яйцевидной до эллиптической, с верхушкой от остроконечной до закругленной.

2.2. Анализ прорастания

Средняя длина корневого проростка составила 2,498 см, при этом минимальная длина (1,3 см; образец 7) наблюдалась в Файюме, а максимальная длина (4,43 см; образец 24) была зарегистрирована на северо-востоке в Тамии. Средняя длина перышка составила 2,67 см. Самая короткая и самая длинная длина плюмажей отмечена на Этсе на юге ФО (1,73 см — обр. 3 и 3,53 см — обр. 4 соответственно). Средняя длина профилактория составила 0,37 см, при этом минимальное значение зафиксировано у Etsa (0,26 см; образец 2), а максимальное значение (0,46 см) – у Юсефа Эль-Седдика (образец 30), Тамии (образец 25) и Фаюм (обр. 8).

2.3. Анализ фотосинтетического пигмента

Описательная статистика измерений пигмента листьев показала, что среднее значение хлорофилла а (Хл а) составляет ~5 мг/г сырой массы, при этом минимальное значение зафиксировано у Ибшави (2,61 мг/г сырой массы; образец 27), а максимальное значение наблюдается у Сенуриса (8,06 мг/г сырой массы; образец 20). Среднее значение концентрации хлорофилла b (Chl b) составило 1,58, с самым низким наблюдаемым значением в Ибшави (0,68 мг/г сырой массы; образец 28), а самым высоким значением было продемонстрировано в Файюме (2,68 мг/г сырой массы; образец 10). . Средняя концентрация каротиноидов составила 1,14 мг/г сырой массы, а минимум и максимум наблюдались у Юсефа Эль-Седдика (0,63 мг/г сырой массы; образец 31) и Сенуриса (1,89 мг/г сырой массы; образец 18) соответственно.

Анализы показывают, что содержание пигментов хлорофилла значительно различалось в разных местообитаниях. Это означает, что T. portulacastrum проявлял разные пластические реакции в разных участках БФ.

Данные по трем функциональным признакам (вегетативная морфология, анализ прорастания и анализ фотосинтетических пигментов) для 35 исследованных образцов были собраны для получения глобальной перспективы изменений этих функциональных признаков.

Интеграция между кластерным анализом ( Рисунок 2 ) и анализом главных компонентов (PCA) ( Рисунок 3 ), а также корреляции первого и второго измерений для наиболее значимых признаков, влияющих на различия между группами и выборками ( Таблица 1 ), привели к в различении трех основных групп (кластеров): Group-TE, Group-YB и Group-FS. Группа-TE включала образцы, собранные в Tamia, Etsa, Fayoum, и один образец в Senouris. Группа-YB включала образцы из Ибшави, Юсефа Эль-Седдика и по одному образцу из Этсы и Фаюма. Группа-FS содержала образцы из центра FD (Файюм и Сенурис) и два из Etsa.

Рис. 2. Агломеративный кластерный анализ 35 образцов Trianthema portulacastrum , разделенных на три группы (кластера) на основе объединенных макроморфологических характеристик, анализа фотосинтетического пигмента и признаков прорастания.

Рисунок 3. ( а ) Анализ основных компонентов (PCA) 35 образцов Trianthema portulacastrum с общей вариацией 30,6%, объясненной вдоль первой оси (Dim1), за которой следует общая вариация 14,2%, объясненная вдоль второй оси (Dim2). ( б ) Корреляция между различными переменными и первыми двумя компонентами. Интенсивность цвета и длина стрелки переменной на графике ( b ) представляют важность различных переменных, где более длинные стрелки с высокой интенсивностью цвета представляют переменные, которые в наибольшей степени способствуют различению трех групп.

Таблица 1. Корреляция Пирсона (r) для значимо коррелирующих переменных (со значением p <0,001) с первыми двумя компонентами PCA. Переменные сортируются в порядке убывания по значению корреляции.

Сравнение этих признаков для трех основных групп с использованием однофакторного анализа ANOVA показало значимость некоторых вегетативных макроморфологических признаков, как показано в Таблице 2 . Между группами достоверно различались следующие характеристики: количество вторичных и третичных ветвей, количество междоузлий первичной и вторичной ветвей, максимальная длина междоузлия первичной ветви, минимальная длина междоузлия вторичной ветви, длина одной листовой пластинки, ширина, Д/Ш. отношение и вершина, и длина черешка листа. Кроме того, сравнение длины радикала T. portulacastrum , концентрации пигмента хлорофилла (Chl a, Chl b, Chl a + Chl b) и каротиноидов для трех выделенных групп выявило значительные различия ( таблица 2 ).

Таблица 2. Результаты однофакторного дисперсионного анализа и попарные сравнения среди трех групп Trianthema portulacastrum , показывающие существенные признаки вегетативной макроморфологии, прорастания и фотосинтетического пигмента. Группы с одинаковыми буквами не имеют значения, в то время как разные буквы представляют значительно разные группы.

2.4. Микроморфологический анализ

Девять образцов были отобраны из общего количества образцов для микроморфологического анализа листьев и семян, чтобы охватить изменчивость в пределах трех полученных групп (группа-TE, группа-YB и группа-FS).

2.4.1. Микроморфология листьев

Количественные и качественные микроморфологические характеристики листа были описаны отдельно для абаксиальной и адаксиальной поверхностей ( рисунок 4 и дополнительные таблицы S2 и S3 ).

Рисунок 4. Микрофотографии поверхности листьев Trianthema portulacastrum , сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) : ( а , б ) общий вид, показывающий очертания эпидермальных клеток, антиклинальную стенку, изгиб наружной периклинальной стенки и мелкий рельеф клеточной стенки; ( в – д ) с тонким рельефом клеточной стенки, поверхностью замыкающих клеток, формой пор и типом эпикутикулярной секреции; ( f ) тонкие тромбоциты неправильной формы с неравномерным краем. Абаксиальная поверхность листа ( б – г ); Адаксиальная листовая поверхность ( а , д , е ). Масштабная линейка = 50 мкм ( a, b ); 10 мкм (в, г, д ); 1 мкм ( f ).

Очертания клеток эпидермиса обычно были изодиаметрическими или от тетрагональных до многоугольных ( рис. 4 , а–г). Размер эпидермальных клеток составлял 19,84-101,95 × 11,35-144,83 мкм, площадь этих клеток варьировала от 201,76 до 9940,53 мкм 2 . Размер вспомогательных клеток находился в пределах 15,77–66,98 × 7,0–47,33 мкм. Площадь вспомогательных клеток варьировала от 128,41 до 1569,26 мкм 2 , в среднем 528,58 мкм 2 . Антиклинальные стенки в большинстве образцов имели неравномерную кривизну ( рис . 4в), в то время как для образцов 12 и 28 (взятых из Файюма и Ибшави соответственно) на обеих поверхностях была зафиксирована прямая АВ ( рис . 4а ). Рельеф клеточной стенки в целом был приподнятым и гладким на обеих поверхностях ( рис. 4 ).а–в). Кривизна наружных периклинальных стенок была плоской ( рис. 4 б) или выпуклой у исследованных образцов ( рис. 4 а, в). Тонкий рельеф клеточной стенки был гладким ( рис. 4 а, б), слегка бороздчатым ( рис. 4 г, д) или полосатым, как листья образца 4 (от Etsa) на обеих поверхностях ( рис. 4 с) . . Эпикутикулярный секрет был либо пленкообразным (в образцах 2, 7, 28 и 33; из Этса, Файюм, Ибшави и Юсеф Эль-Седдик, соответственно; рис. 4 г), либо тонкими тромбоцитами неправильной формы с неравномерным краем высоты тромбоцитов. менее 1 мкм (0,295–0,807) (в остальных образцах; рис. 4 , в, д, е).

Листья амфистоматические с приподнятыми тетрацитарными устьицами ( рис. 5 а, б). Устьичный индекс (SI%) был выше на AB-поверхностях, чем на AD-поверхностях. В целом, SI колебался от 16,67% (в образце 35, из Юсеф Эль-Седдик) до 44,44% (в образце 4, из Etsa).

Рисунок 5. Микрофотографии семян Trianthema portulacastrum , сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) : ( а – в ) общий вид боковой стороны семени, показывающий форму, вершину, край и выступ ребра; ( г ) общий вид дорсальной стороны семени, показывающий количество ребер; ( д , е ) общий вид вентральной стороны семени, показывающий различные положения ворот; ( g - k ) поверхность семени, показывающая контур эпидермальных клеток, антиклинальную стенку, рельеф границы клетки, кривизну наружных периклинальных клеточных стенок, форму выступов периклинальных стенок и тонкий рельеф клеточной стенки. ( г ,i , j ) Боковая сторона в центре затравки; ( з ) – боковая сторона на краю семени; ( k ) дорсальная сторона в центре семени. Масштабная линейка = 500 мкм ( а – е ); 50 мкм ( ч , к ); 10 мкм ( g,i,j ).

Поверхность замыкающих клеток была либо гладкой, как в большинстве образцов ( рис. 4 d, e), либо покрыта очень тонкими тромбоцитами (как в образцах 4 и 25 от Etsa и Tamia соответственно) на обеих поверхностях ( рис. 4 c). Размер открытого устьичного комплекса 12,20–42,16 × 4,08–13,33 мкм, размер устьичных пор 6,67–32,06 × 0,71–7,08 мкм. Форма пор представляла собой эллиптическую или линейную щель на обеих поверхностях ( рис. 4 d, e соответственно), хотя образец 25 от Tamia имел оба типа на поверхности AD. Размер закрытого устьичного комплекса 12,42–42,31 × 2,43–9,28 мкм.

Для поверхностей АВ статистический анализ показал, что длина устьичного комплекса (открытое состояние); длина устьичных пор и отношение Д/Ш; длина устьичного комплекса, ширина и отношение Д/Ш (закрытое состояние), а также длина вспомогательной клетки продемонстрировали значительные различия между тремя группами. Для АД-поверхностей — длина, ширина устьичного комплекса и отношение Д/Ш (открытое состояние); длина и ширина устьичных пор; длина и ширина устьичного комплекса (закрытое состояние); длина, ширина и площадь клеток эпидермиса; и площадь вспомогательной ячейки имела значительно разные значения для трех групп ( Таблица 3 ).

Таблица 3. Результаты однофакторного дисперсионного анализа и попарные сравнения среди трех групп Trianthema portulacastrum , демонстрирующие значительные микроморфологические признаки листьев и семян. Группы, которые имеют одинаковые буквы, не имеют значения, в то время как разные буквы представляют значительно разные группы.

Статистический тест (двусторонний ANOVA) не выявил значительных различий между большинством измеренных характеристик поверхностей AB и AD для трех групп ( таблица S4 ). Тем не менее, ширина устьичного комплекса (закрытое состояние) была значительно больше на поверхности AB, чем на поверхности AD, в то время как отношение L/W комплекса устьиц (закрытое состояние) было выше на поверхности AD, чем на поверхности AB для группы TE. Для группы YB отношение L/W устьичных пор было значительно выше на поверхности AB, чем на поверхности AD, а ширина устьичного комплекса (закрытое состояние) была больше на поверхности AD, чем на поверхности AB. Напротив, Group-FS показала незначительные значения для всех изученных характеристик.

2.4.2. Микроморфология семян

Количественные и качественные признаки микроморфологии семян описаны для центральной части, положения ребер, дорсальной и вентральной боковых поверхностей ( рис. 5 и таблицы S5–S7 ).

Семена Trianthema portulacastrum двуцветные, цвет их разнообразен: от коричневато-черного до тускло-черного в пределах семян одной и той же особи. Размер семян составлял 1,427–2,270 × 1,319–2,080 мм, а отношение L/W семян варьировало от 0,88 до 1,36. Площадь затравки колебалась от 1,469 до 3,234 мм 2 , а высота находилась в диапазоне от 0,655 до 0,936 мкм. Форма суборбикулярная ( рис. 5 а), почковидная ( рис. 5 б) или округлая почковидная ( рис. 5 в), сжатая с боков со слегка выпуклой боковой поверхностью ( рис. 5 а–в). Семена были поперечно ребристыми с 7–12 прерывистыми ( рис. 5 г ), от умеренных ( рис. 5 б, в ) до сильно выступающих ребер (Рисунок 5 а). Верхушка была закругленной ( рис. 5 , а-с), а край варьировался от волнистого ( рис. 5 , а) до извилистого ( рис. 5 , б, в). Длина ворот варьировала от 0,107 мм до 0,343 мм. Положение ворот было суббазальным (расположенным во второй трети) ( Рисунок 5e) или базальным (расположенным в последней трети семени) ( Рисунок 5f).

Статистический анализ показал, что длина и площадь семени значительно различались между группами TE (1,75 мм и 2,18 мм 2 , соответственно) и группой FS (1,87 мм и 2,50 мм 2 , соответственно), в то время как не было никаких существенных различий между первых групп и группы-YB (1,85 мм и 2,35 мм 2 соответственно). Длина ворот показала значительную разницу между группой-TE (0,178 мм) и группой-YB (0,225 мм), но группа-FS (0,196 мм) не показала существенной разницы.

Поверхность семени была описана для боковой (в центре и на краях; таблица S6 ), дорсальной и вентральной (в центре и у основания; таблица S7 ) сторон. Контуры эпидермальных клеток были изодиаметрическими от четырехугольных до восьмиугольных ( рис . 5g,j,k), продолговатыми ( рис . 5h) или округлыми ( рис . 5i) и располагались рядами. У изодиаметрических клеток антиклинальные стенки прямые, с острыми ( рис. 5 , ж) или изогнутыми углами ( рис . 5 , к, л), а у продолговатых и округлых клеток антиклинальные стенки всегда прямые ( рис. 5 , з, и соответственно). Рельеф клеточной стенки умеренно ( рис. 5 и) или сильно приподнят ( рис.Рисунок 5g,h), а кривизна наружных периклинальных клеточных стенок варьировалась от плоской вдавленной до выпуклой ( Рисунок 5g-k). Некоторые клетки эпидермиса имели выпячивания периклинальных стенок, причем форма этих выпячиваний была клиновидной ( рис. 5 , ж, и), куполообразной ( рис. 5 , з, к) или папилловидной ( рис. 5 , л). Мелкий рельеф клеточной стенки был слегка бороздчатым ( рис. 5 , к, л) или полосатым ( рис. 5 , ж-и).

В центре латеральной стороны количество эпидермальных клеток находилось в диапазоне от 57 до 84 клеток. Размер эпидермальных клеток составлял 10,15-27,02 × 7,20-19,17 мкм, а их площадь варьировала от 68,97 до 337,57 мкм 2 . На краю размер клеток был намного больше, чем у упомянутых выше клеток, 17,12-43,27×10,27-24,29 мкм, с площадью от 158,88 до 741,45 мкм 2 .

Однофакторный дисперсионный анализ для боковых сторон семян показал значительную вариацию количества эпидермальных клеток в центре и ширины эпидермальных клеток по краям ( таблица 3 ).

На дорсальной стороне формы периклинальных стенок выпячивания были куполообразными, а тонкий рельеф клеточной стенки слегка бороздчатым. Количество эпидермальных клеток колебалось от 41 до 61 клетки (в образцах 2 и 33 соответственно; из Этса и Юсеф Эль-Седдик соответственно), а размер эпидермальных клеток составлял 9,82–28,85 × 7,97–18,49 мкм, площадь колебалась от от 65,65 до 385,90 мкм. В центре количество клеток эпидермиса варьировало от 26 до 59 клеток (соответственно в образцах 21 и 4; из Senouris и Etsa соответственно); размер эпидермальных клеток составлял 9,60-26,19 × 6,31-20,19 мкм, а их площадь варьировала от 54,02 до 292,66 мкм.

Двухфакторный дисперсионный анализ измерений эпидермальных клеток (длина, отношение Д/Ш и площадь) на краю семян показал значительную разницу: клетки были намного крупнее, чем клетки, расположенные в других местах на поверхности семян. Между тем параметры клеток эпидермиса были незначительными для трех исследованных групп между центральным, дорсальным и вентральным положением семян ( таблица S8 ).

2.5. Фенотипический индекс пластичности (PI)

Значения индекса фенотипической пластичности для всех исследованных признаков всхожести, макроморфологии, фотосинтетических пигментов, микроморфологии семян и устьичного комплекса показаны в таблице 4 . Боксплоты со сравнением исследованных образцов показали более высокий средний ИП фотосинтетических пигментов и макроморфологических признаков (0,91 и 0,90 соответственно), затем значения, полученные из микроморфологических признаков (признаки устьичного комплекса, 0,80; микроморфология семян, 0,77); напротив, данные о прорастании показали самый низкий PI (0,54) ( рис. 6 ).

Рисунок 6. Коробчатые диаграммы, показывающие распределение фенотипического индекса пластичности (PI) для каждого из измеренных признаков вдоль образцов Trianthema portulacastrum .

Таблица 4. Значения описательного индекса пластичности (PI) для всех изученных данных Trianthema portulacastrum , демонстрирующие значительное сравнение между ними. Группы, которые имеют одинаковые буквы, не имеют значения, в то время как разные буквы представляют значительно разные группы.

Индекс пластичности показал переменные значения между тремя анализируемыми группами ( Таблица 5 ). Блочные диаграммы, сравнивающие эти группы, показали самый высокий PI для микроморфологических признаков, микроморфологии семян и устьичного комплекса для трех групп со значениями 0,77 и 0,70, соответственно, для группы-YB; 0,72 и 0,64 соответственно для группы-ФС; и 0,71 и 0,73 соответственно для группы-ТЕ. Между тем, макроморфологические данные и данные фотосинтетического пигмента показали умеренный PI для трех групп со значениями 0,62 и 0,49, соответственно, для группы-TE; 0,56 и 0,48 соответственно для группы-YB; и 0,45 и 0,48 соответственно для группы-ФС. Данные о прорастании показали самый низкий PI (0,49, 0,44 и 0,38 для группы TE, группы FS и группы YB соответственно). Окончательные результаты подтвердили, чтоT. portulacastrum имел широкие вариации фенотипической пластичности ( рис. 7 ).

Рисунок 7. Графики, показывающие распределение фенотипического индекса пластичности (PI) для каждого из измеренных признаков среди трех идентифицированных групп.

Таблица 5. Описательная статистика индекса пластичности (PI) изучаемых признаков, показывающая попарные сравнения между тремя группами Trianthema portulacastrum . Группы, которые имеют одинаковые буквы, не имеют значения, в то время как разные буквы представляют значительно разные группы.

3. Обсуждение

Впадина Фаюм имеет диапазон высот от -52 м ниже уровня моря до 141 м над уровнем моря; его самая высокая точка находится в юго-восточной части впадины, где она впадает в Нил, а самая низкая точка находится в северо-западной части впадины, у озера Карун. В целом высота над уровнем моря постепенно увеличивается с юга на север. Уровень солености также связан с высотой, где соленость колеблется от менее 2 дс/м в самой высокой точке до более 16 дс/м на озере Карун и его окрестностях, что неудивительно, поскольку в озеро Карун поступали сельскохозяйственные сточные воды. всей депрессии на протяжении многих десятилетий [ 34 ].

Инвазивные виды могут поддерживать нормальное развитие, используя различные механизмы морфологической и физиологической пластичности, что позволяет им адаптироваться к разнообразным условиям окружающей среды [ 35 ]. Настоящее исследование было направлено на оценку фенотипической пластичности Trianthema portulacastrum с точки зрения прорастания, макроморфологии, фотосинтетических пигментов, микроморфологии семян и признаков устьичного комплекса. Наши результаты показали, что 35 образцов, собранных в разных местах Фаюмской впадины, можно разделить на три основные группы, каждая из которых имеет отличительные характеристики, отличающие их от остальных.

Группа FS имела самое высокое содержание фотосинтетических пигментов, включая Chl a, Chl b и каротиноиды, по сравнению с двумя другими группами. Накопление Chl b облегчает поглощение света, улавливая длины волн, отличные от тех, которые захватывает Chl a, и передавая их в реакционные центры [ 36 ]. Это может способствовать акклиматизации T. portulacastrum к засоленным регионам, поскольку Хл b является основным компонентом белка LHC, выполняющего роль сложной антенны при передаче энергии фотосистеме II реакционного центра [ 36 ].]. На макроморфологическом уровне результаты значимых признаков показали умеренные значения по сравнению с двумя другими группами. Площадь листьев и длина корней также были умеренными. Из 36 измеренных параметров в устьичном комплексе значимыми были 18. В целом эта группа имела самые высокие средние значения по большинству размеров листьев, но самые низкие по микроморфологическим признакам семян. При этом эпикутикулярные выделения были пленкообразными. В эту группу в основном входят образцы, собранные в Фаюме и Сенурисе. В экологическом отношении эта группа характеризуется высоким содержанием глины (>50%), умеренным органическим веществом (1,6%), умеренной высотой (15–30 м над уровнем моря), уровнями солености от низкого до среднего (2–6 дс/м). ) и умеренным содержанием карбоната кальция (3–5%) [ 37 , 38]. Эта группа представляет собой плодородную среду обитания с высоким содержанием глины, низким уровнем воды и засоления почвы, хорошей водообеспеченностью и большой высотой над уровнем моря.

Группа ТЕ имела наибольшее количество вторичных и третичных ветвей и междоузлий, в то время как, с другой стороны, она имела наименьшую площадь листа и длину черешка, а также большую длину корня по сравнению с другими группами. Это может быть связано с эколого-физиологическими особенностями листьев, которые имеют тенденцию к уменьшению площади листа и длины корней для сохранения воды в стрессовых условиях, поскольку вода может быть доступна в более глубоких слоях почвы. В ответ на солевой стресс характеристики листа были связаны с непосредственными физиологическими процессами и пигментами, усиливающими пластическую реакцию [ 39 ].]. В этой группе наблюдалось умеренное содержание Chl a, Chl b и каротиноидов по сравнению с двумя другими группами. Измерения микроморфологии листьев и семян показали умеренные значения в этой группе по сравнению с двумя другими группами. Микроморфологические признаки листьев T. portulacastrum в этой группе сильно коррелировали с окружающей средой, что подтверждает наблюдения Chen et al. [ 40 ]. Эпикутикулярные воски являются важными структурными элементами поверхности растений, отражающими взаимодействие между растениями и окружающей их средой [ 41 ]; они считаются многофункциональной поверхностью для ограничения неконтролируемой потери воды, защиты от микробов и насекомых и повышения реакции растений на засуху и засоление [ 42 ].]. Относительно более высокая плотность восковок листьев и наличие тонких пластинок неправильной формы на замыкающих клетках у представителей этой группы можно объяснить засолением и засушливым стрессом [ 38 ]. Соленость уменьшала параметры размера эпидермальных клеток изученных образцов, такие как длина, ширина и площадь, аналогично результатам El-monim [ 43 ] и Zörb et al. [ 44 ]. Эта группа представляет собой образцы из Тамии, Этсы и Файюма и характеризуется высоким содержанием песка (> 50%), умеренным содержанием органического вещества (1,5%), высоким содержанием карбоната кальция (13–20%), умеренно-высоким содержанием песка. соленость (5–10 дс/м) и средне-низкий уровень высот — от −15 м ниже уровня моря до 15 м над уровнем моря [ 37 , 38 ].]. Эта группа представляет собой среду обитания среднего уровня с умеренной засоленностью воды и почвы, малой водообеспеченностью, высоким содержанием песка и умеренной высотой.

Группа-YB имела наименьшее количество вторичных и третичных ветвей и междоузлий, в то время как, с другой стороны, у нее была самая большая площадь листьев, самая длинная длина черешка и более короткая длина корня по сравнению с другими группами из-за высокой солености воды и высокая скорость испарения [ 45 , 46 ]. Неожиданно большая площадь листа в этой группе может отражать способность этих образцов поддерживать значительную площадь поверхности для транспирации, что может быть частью интегрированного механизма акклиматизации всего растения к солевому стрессу [ 47 , 48 ].]. Содержание фотосинтетических пигментов показало, что в этой группе наименьшее содержание Хл а, Хл b и каротиноидов. Ингибирование синтеза хлорофилла является типичным симптомом окислительного стресса наряду с активацией его деградации ферментом хлорофиллазой [ 49 ]. Снижение концентрации хлорофилла указывало на механизм фотозащиты, который уменьшал поглощение света за счет снижения содержания хлорофилла [ 50 ]. Наши результаты выявили значительное снижение содержания каротиноидов в соленых местообитаниях, что согласуется с предыдущими выводами Ghanem et al. [ 51 ]. Каротиноиды аккумулируют солнечную энергию для процесса фотосинтеза, а также гасят триплетные состояния хлорофилла [ 52]. Снижение содержания каротиноидов указывало на то, что защита, обеспечиваемая каротиноидами, не была одним из наиболее важных механизмов при солевом стрессе [ 53 ]. Результаты микроморфологии листьев и семян показали, что эта группа имела самые низкие показатели по сравнению с группами TE и FS. При этом отмечен самый низкий устьичный индекс на обеих поверхностях листа. Бертолино и др. [ 54 ] предположили, что уменьшение количества устьиц может быть связано со стрессом, вызванным засухой. Эта группа представляет собой образцы, собранные в Юсеф-эль-Седдик и Ибшави, и характеризуется низкими уровнями высоты (от -50 м ниже уровня моря до 0 м), условиями от умеренного до чрезвычайно соленого (6–32 дс/м), умеренно- к высокому содержанию органического вещества (от 1,3 до 2,2%) и высокому содержанию карбоната кальция (11–18%) [ 34 ,37 ]. Эта группа представляет собой суровую среду обитания с высокой засоленностью воды и почвы, малой доступностью воды и низкой высотой над уровнем моря.

Морфология семян и микроструктура их поверхности являются важными инструментами для выяснения влияния различных факторов окружающей среды на фенотипическую изменчивость некоторых видов-вселенцев, населяющих широкий диапазон местообитаний [ 55 ]. Примечательно, что цвет, размер и форма семян T. portulacastrum были разнообразными в семенах одного и того же человека. Сингх [ 56] отметили, что Aizoaceae демонстрируют специфическое расположение эпидермальных клеток и ориентацию более мелких и более крупных клеток, известную как центроспермоидный паттерн. Соответственно, край семени показал самые высокие средние значения по всем характеристикам (длина клеток эпидермиса, отношение длины к ширине и площадь) по сравнению с латеральной (центральной), дорсальной и вентральной сторонами во всех группах, в то время как между группами не было различий. исходные ребра между любой из групп.

Лучшее понимание инвазивной способности интродуцированных видов и их будущего инвазивного потенциала может быть достигнуто путем исследования их фенотипической пластичности [ 57 ]. Пластичные модели распределения биомассы могут помочь видам растений более успешно внедряться за счет более эффективного поиска ресурсов по мере изменения условий окружающей среды [ 58 ].]. Индекс пластичности морфологических и фотосинтетических признаков пигмента показал самую высокую вариацию между тремя группами (> 90%), но самую низкую вариацию внутри каждой из трех выделенных групп (45–60%). С другой стороны, показатели пластичности устьичного комплекса и микроморфологии семян были постоянными между группами и внутри групп и составляли около 65–80%. Данные о всхожести оставались низкими между группами и внутри групп, около 40–55%. Самые высокие значения PI для различных признаков объясняют более высокую восприимчивость T. portulacastrum к различным средам, например, его способность распространяться и расти в различных средах обитания в ФО [ 59 ]. В целом его семена обладают большей репродуктивной способностью и способностью к рассеиванию, а также могут выдерживать высокие температуры почвы [ 22 ].]. Кроме того, различные исследования выявили доказательства влияния влажности почвы, засоления и стресса от засухи на вариации признаков, что способствует инвазии растений и адаптации к различным средам обитания [ 35 , 60 ]. На успех инвазии могут влиять фенотипическая пластичность и эволюция репродуктивных характеристик, которые связаны с полиморфизмом семян и их дисперсионным поведением [ 61 ]. Соответственно, эти особенности необходимы для инвазивных растений, поскольку они связаны с тактикой и системами расселения, чтобы справиться со стрессом окружающей среды, максимизируя их производительность и приживаемость в новой среде [ 55 , 62 ].]. Это также может быть связано с восприимчивостью семян к различным абиотическим и биотическим условиям [ 63 ]. Эти переменные считаются наиболее значимыми для трех групп в районе исследования и улучшают пластичность T. portulacastrum в FD. Согласившись с этим, Bufford et al. [ 39 ] выявили положительную корреляцию мультипризнаковой пластичности к засухе с возможной адаптацией инвазивных чужеродных видов.

В заключение, настоящее исследование показывает, что Trianthema portulacastrum имеет высокий индекс пластичности, что может позволить инвазивным видам адаптироваться, процветать и распространяться в различных средах обитания — даже в условиях засухи и засоления. Три группы, выявленные в настоящем исследовании, показали большие различия в различных признаках и условиях окружающей среды, связанных с каждой группой, что может объяснить широкое распространение инвазивных видов не только на уровне Файюма, но и по всей территории Египта, как а также соседние страны.

Дальнейшие исследования по изучению способности T. portulacastrum адаптироваться и распространяться при ожидаемых изменениях климатических условий помогут в разработке будущих сценариев для предотвращения инвазии этого вида против традиционных культур. В свете сообщений о высокой фенотипической пластичности было бы беспроигрышной ситуацией использовать этот вид и одновременно избавиться от него.

4. Материалы и методы

4.1. Область исследования

Фаюмский оазис представляет собой естественную топографическую депрессию и считается одним из самых важных продуктивных агрономических районов Египта со времен эоценового известнякового плато. ФО расположен на западе долины Нила, почти в 90 км к юго-западу от Каира, занимая северную часть Западной пустыни [ 29 ]. Фаюмская впадина — это уникальная депрессия, которая находится на окраине Ливийской пустыни — одной из самых засушливых пустынь в мире — и лежит над самым большим водоносным горизонтом в мире: системой водоносных горизонтов Нубийских песчаников. В то же время он связан с долиной Нила небольшим каналом под названием «Бахр Юссеф» [ 34 , 64]. Все эти особенности объединяются для создания самых разных мест обитания в зависимости от наличия воды, солености воды и почвы и высоты над уровнем моря [ 65 ].

4.2. Растительные материалы

Тридцать пять образцов T. portulacastrum были собраны в шести округах: Этса, Файюм, Сенурис, Тамия, Ибшави и Юсеф Эль-Седдик. Собранные образцы были случайным образом распределены по шести районам ( рис. 8 ). Их собирали со всех местообитаний (мезофиты, галофиты и ксерофиты), полевых культур, обочин дорог и пустырей. Trianthema portulacastrum также встречается на разных высотах в ФО, от -47 до 27 м. Места сбора и информация о выборке тридцати пяти образцов представлены в Таблице S9 . Образцы ваучеров были депонированы в гербарии Файюмского университета, Фаюм, Египет.

Рисунок 8. Карта географического распределения 35 образцов T. portulacastrum , собранных в Фаюмской впадине, Египет. Красными точками обозначены девять образцов, отобранных для микроморфологических исследований листьев и семян (СЭМ) на основе кластерного анализа макроморфологических характеристик.

4.3. Морфометрический анализ, анализ прорастания и фотосинтетического пигмента

Для 35 гербарных образцов T. portulacastrum исследовано 22 морфологических признака стебля и листа . Как описано Эшем [ 66 ], площадь листа была рассчитана с использованием следующего уравнения (длина листа × ширина листа × 2/3). Количественные обработки измерялись с использованием ImageJ (1.51j8) и терминологии Shaltout et al. [ 27 ].

Семена Trianthema portulacastrum, собранные в шести районах, проращивали в течение 14 дней, чтобы определить различия в параметрах роста. Пигменты хлорофилла определяли по методу Лихтенталера–Бушмана [ 67 ].

4.4. Микроморфология листьев и семян (SEM)

Микроморфологию поверхности листьев и семян исследовали для девяти образцов T. portulacastrum (2, 4, 7, 12, 21, 25, 28, 33 и 35), как показано красными точками на Фигуре 8 .

Эти образцы были отобраны из трех кластеров, полученных в результате многофакторного анализа макроморфологических характеристик. Образцы фиксировали непосредственно на заглушках двусторонней клейкой лентой, а затем покрывали золотом в течение 5 мин в установке для нанесения покрытий Polaron JFC-1100E. Листья и семена исследовали и фотографировали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-IT200 (Япония) (факультет естественных наук Александрийского университета, Александрия, Египет).

Для микроморфологии листа было изучено в общей сложности пятьдесят количественных и качественных характеристик как абаксиальной (АБ), так и адаксиальной (АД) поверхностей листа. К количественным признакам относились длина и ширина устьиц (в закрытом и открытом состояниях); длина и ширина устьичных пор; длина, ширина и площадь клеток эпидермиса; длина, ширина и площадь вспомогательной ячейки. Устьичный индекс (SI%) рассчитывали по следующей формуле:

Ст о м а т а л я н де х ( % ) = Количество устьиц на единицу площади _     Количество устьиц на единицу площади      + Количество эпидермальных клеток на единицу площади _ _      × 100

Терминология Barthlott et al. [ 41 ] и Сингха [ 56 ].

Для микроморфологии семян было изучено сорок три характеристики дорсальной, латеральной и вентральной сторон семени. Исследуемые образцы оценивали по диагностическим характеристикам поверхности семян, таким как положение ворот, контур и размер эпидермальных клеток, антиклинальная стенка и внешняя периклинальная стенка, используя терминологию Hassan et al. [ 15 ] и Цзэн и соавт. [ 68 ]. Количественные измерения листьев и семян проводились с помощью ImageJ (1.51j8) [ 69 ].

4.5. Индекс пластичности (PI)

Индекс фенотипической пластичности (PI) рассчитывали отдельно для измеренных признаков растений — данных о прорастании, макроморфологии, фотосинтетических пигментов, признаков устьичного комплекса и микроморфологии семян [ 60 ]. Разница между минимальным и максимальным значениями была разделена на максимальное значение для получения индекса [ 70 ]. Более высокие значения PI, которые ближе к единице, означают, что переменная более пластична [ 70 ]. Средний индекс пластичности (PI) был получен путем усреднения индекса пластичности для всех изученных характеристик листа. Преимущество PI заключается в сравнении переменных с различными единицами измерения и контрастными диапазонами [ 32 , 71 ].

4.6. Статистический анализ

Данные анализировались с использованием различных инструментов, включая Excel 365, Minitab ver. 20 и Р [ 72 ]. Данные были очищены перед запуском любого статистического анализа. Отсутствующие данные и опечатки были проверены. Для каждого фактора рассчитывали описательную статистику, включая среднее значение и стандартное отклонение. Выводная многомерная статистика использовалась для группировки 35 населенных пунктов в ряд однородных групп на основе различных измеренных признаков. Агломеративный кластерный анализ с использованием измерения евклидова расстояния и метода сцепления Уорда был проведен после стандартизации и масштабирования различных переменных с помощью R [ 73 ].]. Анализ главных компонентов (PCA) — метод ординации — использовался для нахождения корреляции между различными кластерами и измеряемыми переменными вдоль первых двух осей PCA. PCA был проведен после внедрения двух пакетов «Factoextra» и «FactoMineR» в R для визуализации результатов совместного биплота и ординации [ 73 ].

Выводная одномерная статистика использовалась для сравнения результатов разных групп (кластеры, полученные в результате многомерного анализа). Данные о прорастании, макроморфологии и фотосинтетическом пигменте были проанализированы и сравнены между полученными группами. Параметрические допущения всех переменных были проверены. Преобразование Бокса-Кокса было применено для ненормальных зависимых переменных с помощью метода оптимальной λ с использованием Minitab 19. Различные сравнения были проведены с использованием однофакторного и двустороннего дисперсионного анализа (ANOVA) в рамках общей линейной модели. Результаты показали хорошее соответствие для различных моделей, в то время как нормальные графики остаточной вероятности показали линейную зависимость для всех анализов после преобразования данных. п-значения считались значимыми при α < 0,05. Апостериорный анализ взаимодействий между всеми группами был проведен с использованием теста Тьюки для попарных сравнений. Результаты апостериорного анализа представлены в виде букв, где группы с одинаковыми буквами существенно не различаются, в то время как разные буквы выражают значительные различия между разными группами. Представление данных, включая блочные диаграммы, PCA и кластерные дендрограммы, осуществлялось с использованием R и Excel 365. Аналогичные процедуры применялись для сравнения результатов морфологии семян и признаков устьичного комплекса после отбора репрезентативных образцов из каждого кластера, полученных в многофакторном анализе.

Дополнительные материалы

Следующее доступно в Интернете по адресу https://www.mdpi.com/article/10.3390/plants11010077/s1 : Таблица S1: Описательная статистика вегетативной макроморфологии, прорастания и фотосинтетических пигментных признаков Trianthema portulacastrum , Таблица S2: Количественные характеристики абаксиальных и адаксиальная микроморфология листьев Trianthema portulacastrum , Таблица S3: Качественные характеристики абаксиальной и адаксиальной микроморфологии листьев Trianthema portulacastrum , Таблица S4: Двусторонний дисперсионный анализ микроморфологических характеристик абаксиальных и адаксиальных листьев Trianthema portulacastrum , Таблица S5: Описательная статистика Trianthema portulacastrumмикроморфология семян, Таблица S6: Качественные характеристики микроморфологии семян Trianthema portulacastrum для боковой стороны, Таблица S7: Качественные характеристики микроморфологии семян Trianthema portulacastrum для дорсальной и вентральной сторон, Таблица S8: Двусторонний дисперсионный анализ микроморфологии семян Trianthema portulacastrum , Таблица S9 : Места сбора и информация о пробах тридцати пяти образцов, представляющих Trianthema portulacastrum, собранных во впадине Файюм (ФД), Египет.