Research paper

Botanica Pacifica. A journal of plant science and conservation Preprint
Article first published online: 20 OCT 2015 | DOI: 10.17581/bp.2015.04213

Evolutionary Transformations of Sporoderm Ultrastructure in Certain Monophyletic Lineages of Higher Plants

Natalia E. Zavialova

A.A. Borissiak Palaeontological Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow 117997, Russia

Data of transmission electron microscopy can be successfully used to reveal evolutionary transformations, which occurred in pollen or spores during the existence of monophyletic lineages of higher plants. On the basis of such data, one can discover gradual transitions in groups, which include new forms, that at the first glance seem to be totally dissimilar to the predecessors. One can trace sequences of morphological transitions within lineages from the earliest to latest members of a given group and connect the first and last members, which do not share any common features. Hidden transformations are traceable in groups, which seemed unchanged during the entire period of their existence. Parallelisms can be revealed between unrelated groups of higher plants not only in final forms, but also in succession of transformations. The successful application of this approach has been exemplified in lyginopteridaleans, peltasperms, equisetaleans, and the Cheirolepidiaceae. Particularly promising seem groups that have a long geological history and survive until now.

Завьялова Н.Е. Эволюционные преобразования в ультраструктуре спородермы в некоторых монофилетических группах высших растений. Данные трансмиссионной электронной микроскопии могут с успехом применяться для выявления эволюционных преобразований в ультраструктуре пыльцевых зерен или спор, происходивших в монофилетических линиях высших растений. На основе таких данных можно находить постепенные переходы в тех случаях, когда новые и совершенно не похожие на предшественников формы возникали в геологической летописи на первый взгляд внезапно. Можно прослеживать последовательные морфологические преобразования в ряду от самых ранних к самым поздним представителям определенной группы, что удается даже если между первыми и последними членами цепи вообще не наблюдается сходных признаков. Скрытые преобразования удается проследить в группах, казалось бы остававшихся практически не измененными в течение всего периода их существования. Могут быть выявлены параллелизмы между неродственными группами высших растений, касающиеся не только отдельных стадий, но и последовательностей преобразований, которые к этим стадиям привели. В качестве примеров рассмотрены лигиноптерисовые и пельтаспермовые семенные папоротники, хвощи, хейролепидиевые. Особенно перспективными представляются группы, имеющие длительную геологическую историю и дожившие до настоящего времени.

Keywords: sporoderm ultrastructure, evolutionary transformations, peltasperms, lyginopteridaleans, horsetails, Cheirolepidiaceae, ультраструктура спородермы, эволюционные преобразования, пельтаспермовые, лигиноптеридиевые, хвощи, хейролепидиевые

PDF


References

Audran J.C. & E. Masure E. 1977. Contribution à la connaissance de la composition des sporodermes chez les Cycadales (Préspermaphytes). Étude en microscopie électronique à transmission (M.E.T.) et à balayage (M.E.B.). Palaeontographica 162:115–158.

Azar D., Dejax J. & Masure E. 2011. Palynological analysis of amber-bearing clay from the Lower Cretaceous of central Lebanon. Acta Geological Sinica 85(4):942–249. CrossRef

Balme B. 1995. Fossil in situ spores and pollen grains: an annotated catalogue. Review of Palaeobotany and Palynology 87(2–4):81–323. CrossRef

Barreda V.D., Cúneo N.R., Wilf P.L., Currano E.D., Scasso A. & Brinkhuis H. 2012. Cretaceous/Paleogene Floral Turnover in Patagonia: drop in diversity, low extinction and a Classopollis spike. PLoS ONE 7(12): e52455. CrossRef

Chaloner W.G. 2013. Three palynological puzzles. International Journal of Plant Sciences 174(3):602–607. CrossRef

Clement-Westerhof J.A. & Van Konijnenburg-van Cittert J.H.A. 1991. Hirmeriella muensteri: new data on the fertile organs leading to a revised concept of the Cheirolepidiaceae. Review of Palaeobotany and Palynology 68:147–179. CrossRef

Doludenko M.P. & Orlovskaya E.R. 1976. Jurassic flora of Karatau. Nauka, Moskva, 262 pp. (in Russian). [Долуденко М.П., Орловская Э.Р. 1976. Юрская флора Каратау. Изд-во "Наука". Москва. 262 с.].

de Jersey N.J. 1973. Rimulate pollen grains from the Lower Mesozoic of Queensland. In: Mesozoic and Cainozoic palynology: essays in honour of Isabel Cookson (J.E. Glover & G. Playford, eds.), pp. 127–140, Special Publication of the Geological Society of Australia, Sydney.

Gomankov A.V. 1986. Taxonomic affinity of Permian miospores. In: Theory and practice of palynological studies of the Permian and Triassian in the USSR. pp 4–9, Syktyvkar (in Russian) [Гоманьков А.В. 1986. Систематическая принадлежность пермских миоспор. Теория и практика палинологических исследований перми и триаса СССР. Сыктывкар, с. 4–9. Деп. ВИНИТИ Ю 4839 В86].

Grauvogel-Stamm L. & Lugardon B. 2009. Phylogeny and evolution of horsetails: evidence from spore wall ultrastructure. Review of Palaeobotany and Palynology 156:116–129. CrossRef

Grauvogel-Stamm L. & Lugardon B. 2010. Erratum to: Phylogeny and evolution of horsetails: evidence from spore wall ultrastructure [Rev. Palaeobot. Palynol. 156 (2009): 116–129]. Review of Palaeobotany and Palynology 159: 141–142. CrossRef

Kedves M. 1994. Transmission electron microscopy of the fossil gymnosperm exines. Szeged, 125 pp.

Klavins S.D., Taylor E.L., Krings M. & Taylor T.N. 2003. Gymnosperms from the Middle Triassic of Antarctica: the first structurally preserved cycad pollen cone. International Journal of Plant Sciences 164(6):1007–1020. CrossRef

Krassilov V.A., Zherikhin V.V. & Rasnitsyn A.P. 1997. Classopollis in the guts of Jurassic insects. Paleontology 40: 1095–1101.

Lugardon B. 1985. Observations nouvelles sur l'ultrastructure des Circumpolles. In: IX. Symposium de l'association des palynologues de langue française (A.P.L.F.), Montpellier, Abstract volume, 21.

Lugardon B. & Brousmuche-Delcambre C. 1994. Exospore ultrastructure in Carboniferous sphenopsids. In: Ultrastructure of fossil spores and pollen (M.H. Kurmann & J.A.Doyle, eds.), pp. 53–66, Royal Botanical Garden, Kew.

Médus J. 1977. The ultrastructure of some Circumpolles. Grana 16:23–29.

Meyer N.R. 1977. Comparative morphological studies of the development and ultrastructure in the sporoderm of gymnosperms and primitive angiosperms. D. Sci. dissertation. Leningrad, 360 pp., 179 plates (in Russian). [Мейер Н.Р. 1977. Сравнительно-морфологические исследования развития и ультраструктуры спородермы голосеменных и покрытосеменных растений. Диссертация на соиск. ... докт. биол. наук. Ленинград. 360 с., 179 фототаблиц].

Orlova O.A., Meyer-Melikian N.R. & Zavialova N.E. 2009. A new microsporangiate organ from the Lower Carboniferous of the Novgorod Region, Russia. Paleontological Journal 43(10):1316–1329. CrossRef

Pettitt J.M. & Chaloner W.G. 1964. The ultrastructure of the Mesozoic pollen Classopollis. Pollen et spores 6:611–620.

Petrosianz M.A. & Bondarenko N.M. 1983. Characteristic and correlative gymnosperm pollen taxa (Late Cretaceous–Paleogene): pollen of Cheirolepidiaceae: a synopsis. Nauka, Moskva, 79 pp. (in Russian). [Петросьянц М.А., Бондаренко Н.М. 1983. Характерные и коррелятивные таксоны пыльцы голосеменных (поздний мел – палеоген). Пыльца хейролепидиевых. Синопсис. Москва: Наука. 79 с.].

Pocock S.A.J., Vasanthy G. & Venkatachla B.S. 1990. Pollen of Circumpolles – an enigma or morphotrends showing evolutionary adaptations. Review of Palaeobotany and Palynology 65:179–193. CrossRef

Raine J.I., de Jersey N.J., & Ryan K.G. 1988. Ultrastructure and lycopsid affinity of Densoisporites psilatus (de Jersey) comb. nov. from the Triassic of New Zealand and Queensland. Memoirs of the Association of Australasian Palaeontologists 5:79–88.

Roghi G., Ragazzi E. & Gianolla P. 2006. Triassic amber of the Southern Alps (Italy). Palaios 21:143–154. CrossRef

Rowley J.R. & Srivastava S.K. 1986. Fine structure of Classopollis exines. Canadian Journal of Botany 64:3059–3074. CrossRef

Sahashi N. & Ueno J. 1986. Pollen morphology of Ginkgo biloba and Cycas revoluta. Canadian Journal of Botany 64: 3075–3078. CrossRef

Scheuring B.W. 1976. Proximal exine filaments, a wide- spread feature among Triassic Protosaccites and Circumpolles to secure the dispersal of entire tetrads. Pollen et spores 18: 611–639.

Taylor T.N. & Alvin K.L. 1984. Ultrastructure and development of Mesozoic pollen: Classopollis. American Journal of Botany 71:575–587. CrossRef

Taylor T.N. & Taylor E.L. 1987. The ultrastructure of fossil gymnosperm pollen. Bulletin de la Société botanique de France. 13, Actual. bot. 2:121–140.

Taylor T.N., Taylor E.L. & Krings M. 2009. Paleobotany: the biology and evolution of fossil plants. Elsevier, 718 pp.

Tekleva M.V. & Krassilov V.A. 2009. Modern Gnetales and fossil gnetophytes: comparative pollen morphology and ultrastructure. Review of Palaeobotany and Palynology 156: 130–138. CrossRef

Tekleva M.V., Polevova S.V. & Zavialova N.E. 2007. On some peculiarities of sporoderm ultrastructure in members of the Cycadales and Ginkgoales. Paleontological Journal 41:1162–1178. CrossRef

Tryon A.F. & Lugardon B. 1990. Spores of the Pteridophyta. Surface, wall structure and evolution based on electron microscope studies. Springer Verlag, New York, 648 pp.

Watson J. 1988. The Cheirolepidiaceae: In: Origin and evolution of gymnosperms (C.B. Beck, ed.), pp. 382–447, Columbia University Press, New York.

Zavialova N.E. 1998. Morphology and ultrastructure of fossil pollen grains (from the Upper Permian deposits of the Vyakta River and the Lower Jurassic deposits of western Siberia). PhD dissertation, Moscow, 280 pp. (in Russian, unpublished). [Завьялова Н.Е. 1998. Морфология и ультраструктура ископаемых пыльцевых зерен (из верхнепермских отложений верховий реки Вятка и нижнеюрских отложений Западной Сибири). Диссертация на соиск. ... канд. биол. наук. Москва. 280 с.].

Zavialova N.E. 2003. On the ultrastructure of Classopollis exine: a tetrad from the Jurassic of Siberia. Acta Palaeontologica Sinica 42:1–7.

Zavialova N., Buratti N. & Roghi G. 2010. The ultrastructure of some Rhaetian Circumpolles from southern England. Grana 49:281–299. CrossRef

Zavialova N. & Karasev E. 2015. Exine ultrastructure of in situ Protohaploxypinus from a Permian peltasperm pollen organ, Russian Platform. Review of Palaeobotany and Palynology 213:27–41. CrossRef

Zavialova N.E., Meyer-Melikian N.R. & Gomankov A.V. 2001. Ultrastructure of some Permian pollen grains from the Russian Platform. In: Proceedings of the IX International Palynological Congress, Houston, Texas, U.S.A., 1996 (D.K. Goodman & R.T. Clarke, eds.), pp. 99–114, American Association of Stratigraphic Palynologists Foundation, New York.

Zavialova N. & Roghi G. 2005. Exine morphology and ultrastructure of Duplicisporites from the Triassic of Italy. Grana 44:337–342. CrossRef

Zavialova N.E., Tekleva M.V., Smirnova S.B. & Mroueh M. 2010. Exine ultrastructure in pollen grains of Classopollis Pflug from the Cretaceous of Lebanon. Paleontological Journal 44(10):1353–1367. CrossRef

Zavialova N. & Van Konijnenburg-van Cittert J.H.A. 2011. Exine ultrastructure of in situ peltasperm pollen from the Rhaetian of Germany and its implications. Review of Palaeobotany and Palynology 168:7–20. CrossRef

Zavialova N. & Van Konijnenburg-van Cittert J.H.A. 2012. Exine ultrastructure of in situ pollen from the cycadalean cone Androstrobus prisma Thomas et Harris 1960 from the Jurassic of England. Review of Palaeobotany and Palynology 173:15–22. CrossRef

Zavialova N. & Van Konijnenburg-van Cittert J.H.A. Exine ultrastructure of in situ pollen from the cycadalean cone Androstrobus manis Harris 1941 from the Jurassic of England. Review of Palaeobotany and Palynology (submitted).







© 2015-2017 Botanica Pacifica