Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Морфо-физиологические основы адаптации березы к условиям Севера и сохранение ее уникальных форм (обзор литературы) 12
1.1. Видовое и формовое разнообразие березы в Карело-Мурманском регионе 12
1.2. Особенности адаптации березы в условиях Севера 18
1.3. Влияние условий произрастания растений на содержание липидов и их жирнокислотный состав в различных органах и тканях 22
1.4. История изучения и ресурсы карельской березы на территории Карелии 30
1.5. Физиолого-биохимическая характеристика карельской березы 35
1.6. Клональное микроразмножение березы 37
Глава 2. Район, объекты и мегоды исследований 48
2.1. Климатическая харакгеристика районов исследования 48
2.2. Объекты исследований 54
2.3. Основные мегоды исследований 59
Глава 3. Особенности проявления морфо-физиологических признаков у побегов в генеративном и вегетативном потомстве березы 65
3.1. Возрастные изменения морфо-физиологических признаков у побегов в генеративном потомстве березы, полученном при внутривидовых скрещиваниях 72
3.2. Особенности проявления морфо-физиологических признаков у побегов в генеративном потомстве березы, полученном от межвидового скрещивания 88
3.3. Особенности проявления морфо-физиологических признаков побегов в вегетативном потомстве карельской березы 98
Глава 4. Рост и развитие семенного и вегетативного потомства карельской березы 103
4.1. Особенности ростовых процессов семенного потомства карельской березы и проявление у него признаков узорчатости древесины 103
4.2. Динамика проявления узорчатой текстуры древесины в онтогенезе карельской березы 112
4.2.1- Особенности фенотипического проявления узорчатой текстуры древесины в гибридном потомстве карельской березы в зависимости от формы роста растений 112
4.2.2. Выявление корреляции роста растений и образования узорчатой текстуры древесины у карельской березы 128
4.2.3. Закономерности динамики проявления узорчатой текстуры древесины в гибридном потомстве карельской березы в условиях Карелии 131
4.3. Особенности роста и развития вегетативного потомства карельской березы 146
Глава 5. Локализация липидов в почках, их содержание и жирно кислотный состав в различных органах и тканях березы 154
5.1. Морфо-физиологическая характеристика почек березы и локализация в них липидов 154
5.2. Исследование химического состава веществ, экстрагируемых из почек березы 160
5.3. Физиологические особенности изменчивости различных видов березы по содержанию липидов и их жирно кислотному составу в почках 164
5.3.1. Содержание липидов и их жирнокислотный состав в почках березы в пределах дерева 165
5.3.2. Индивидуальные различия особей березы по содержанию липидов и жирнокислотному составу в почках (индивидуальная изменчивость) 166
5.3.3. Сезонные и возрастные изменения липидов в почках 169
5.3.4. Изменение содержания липидов и их жирнокислотного состава в почках березы при продвижении на Север 180
5.4. Жирнокислотный состав суммарных липидов в различных органах и тканях ствола основных видов березы и их разновидностей 186
5.4.1. Сравнительная характеристика жирнокислотного состава липидов, содержащихся в почках, листьях и семенах березы 187
5.4.2. Жирнокислотный состав суммарных липидов стволовой части березы 193
5.4.3. Особенности жирнокислотного состава в органах и тканях различных видов и разновидностей березы 196
5.5. Жирнокислотный состав липидов в почках гибридного потомства березы 202
Глава 6. Физиолого-биохимичсские особенности редких и исчезающих представителей рода Betula 212
6.1. Биологические особенности и ареал карельской березы, ледяной березы и далекарлийской березы 212
6.1.1. Карельская береза 212
6.1.2. Ледяная береза 220
6.1.3. Далекарлийская береза 222 6.2. Физиолого-биохимические особенности видов и разновидностей березы в условиях Карело-Мурманского региона 230
6.2.1. Изоферменты пероксидазы 230
6.2.2. Состав аминокислот 235
6.2.3. Содержание и качественный состав эфирных масел у березы 241
Глава 7. Исследование способности березы к реювенилизации и регенерации 251
7.1. Основные способы размножения березы 251
7.2. Реювенилизация редких и исчезающих представителей рода Betula с целью их сохранения и размножения путем прививки 261
7.3. Трансплантация тканей коры карельской березы 270
Глава 8. Изучение потенциальных способностей органов и тканей березы к морфогенезу и мультипликации в культуре in vitro 283
8.1. Изучение влияния стерилизации на инфицированность эксплантов и способность их к морфогенезу 284
8.2. Исследование морфогенетических потенций различных органов и тканей березы в культуре in vitro 287
8.3. Влияние состава культуральной среды на процессы элонгации и мультипликации побегов 292
8.4. Индукция корней (ризогенез) 298
8.5. Изучение роста и развития растений-регенерантов ex vitro 301
Заключение , 317
Выводы 332
Список литературы 336
- Влияние условий произрастания растений на содержание липидов и их жирнокислотный состав в различных органах и тканях
- Особенности проявления морфо-физиологических признаков у побегов в генеративном потомстве березы, полученном от межвидового скрещивания
- Динамика проявления узорчатой текстуры древесины в онтогенезе карельской березы
- Исследование химического состава веществ, экстрагируемых из почек березы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Раскрытие механизмов приспособления растений к экстремальным условиям Севера имеет не только большое теоретическое, но и практическое значение. Древесные растения по сравнению с травянистыми изучены в этом отношении гораздо слабее, хотя именно они занимают доминирующее положение в лесных и лесотундровых ценозах. Важнейшим компонентом данного типа ценозов являются различные виды березы, значение которых особенно велико в северных растительных сообществах. Род Береза (Betula L.) имеет обширный ареал и отличается значительным полиморфизмом. В европейской части России наиболее часто встречаются береза повислая Betula pendula Roth и береза пушистая Betula pubescens Ehrh. Являясь лесообразующими, они имеют огромное экологическое и экономическое, а также эстетическое значение. Их ареалы в значительной степени перекрываются, однако береза пушистая несколько менее требовательна к экологическим условиям произрастания, характеризуется более высокой пластичностью и способна дальше продвигаться в северные широты.
Исследование морфо-физиологических и биохимических особенностей различных видов и разновидностей березы в условиях Восточной Фенноскандии актуально во многих отношениях. Во-первых, здесь проходит северная граница ареала березы. Приспособление древесных растений, имеющих многолетний цикл развития, к экстремальным факторам Севера может осуществляться как в форме фенотипических изменений, так и генетических. Изучение внутри- и межвидовой изменчивости березы по ряду показателей позволяет глубже понять характер и сущность этих изменений. Во-вторых, для территории Фенноскандии характерны нестабильность погодных условий, резкие перепады температур и короткий вегетационный период, что в значительной мере синхронизирует сроки прохождения фенологических фаз у растений и способствует тем самым естественной гибридизации близкородственных видов. Это, в свою очередь, является одной из причин существования многих спорных вопросов, касающихся таксономии берез. В-третьих, в условиях Фенноскандии у березы выделились уникальные особи с наследственными изменениями в текстуре древесины (карельская береза Betula pendula Roth var.carelica Merckl, ледяная береза - ice birch) и форме листовой пластинки (далекарлийская береза Betula pendula Roth var. dalecarlica Schneid.). Их происхождение и физиолого-биохимические особенности по сути дела пока не изучены, ареалы ограничены и прерывисты. В России в естественных условиях наибольшее число деревьев карельской березы, отличающейся узорчатой текстурой древесины, произрастает на территории Карелии, поэтому ее изучение и решение вопросов воспроизводства имеет здесь особое значение. В-четвертых, изучение морфогенеза редких и исчезающих представителей рода Betula в природе и культуре in vitro, обладающих уникальными особенностями роста и развития и имеющих важное хозяйственное значение, позволяет разработать подходы к управлению этими процессами.
Цель и задачи исследования. Целью нашей работы явилось изучение морфо-физиоло-гических и биохимических особенностей различных видов и разновидностей березы семенного и вегетативного происхождения в условиях Восточной Фенноскандии. При этом предполагалось решить следующие задачи:
• исследовать на примере генеративного (от внутри- и межвидового скрещивания) и вегетативного потомства особенности роста и развития березы в условиях Восточной Фенноскандии;
• изучить закономерности фенотипического проявления узорчатой текстуры древесины на стволах карельской березы в онтогенезе;
• исследовать роль липидов в механизмах адаптации березы к неблагоприятным условиям Севера;
• дать сравнительную характеристику различных видов и разновидностей березы по ряду физиолого-биохимических показателей;
• провести анализ способов сохранения и размножения редких и исчезающих представителей рода Betula, произрастающих в естественных условиях Фенноскандии;
• изучить потенциальные способности органов и тканей березы к морфогенезу и регенерации в природе и культуре in vitro.
Научная новизна. Впервые проведено одновременное изучение морфо-физиоло-гических, биохимических, экологических и генетических особенностей ряда видов и к разновидностей березы, определяющих возможности их произрастания в условиях Восточной Фенноскандии. Показано, что внутривидовое разнообразие березы, прежде всего, обусловлено экологическими условиями и возможностью естественной гибридизации березы повислой с березой пушистой. В результате осуществления искусственной гибридизации основных видов березы с участием карельской березы и последующего изучения гибридного материала, установлены возрастные изменения морфо-физиологических признаков у побегов в генеративном потомстве. Многолетние наблюдения за ростом и развитием гибридного потомства карельской березы позволили выдвинуть гипотезу о возможности изменения характера фенотипического проявления узорчатой текстуры древесины в онтогенезе растений. На основании морфологического и гистохимического изучения получены новые данные о локализации липидов в почках березы. Проведен анализ содержания липидов и их жирнокислотного состава в различных органах и тканях основных видов березы и их j разновидностей, произрастающих в условиях Фенноскандии, и впервые установлены видовые различия между Betula pendula Roth и Betula pubescens Ehrh. no жирнокислотному составу липидов в почках. Проведенные исследования показали, что в почках березы пушистой при адаптации к условиям Севера регуляция фазового состояния липидов осуществляется не только в результате увеличения полиненасыщенных, но и за счет накопления короткоцепочковых жирных кислот. Впервые проведено физиолого-биохимическое изучение карельской березы, ледяной березы и далекарлийской березы. Дана оценка способам воспроизводства редких и исчезающих представителей рода Betula, особое внимание уделено клональному микроразмножению в культуре in vitro. На основании выявленных физиолого-биохимических и эколого-генетических особенностей видов березы предложена гипотеза происхождения карельской березы.
Основные положения, выдвигаемые на защиту.
1. В условиях Восточной Фенноскандии морфо-физиологические и биохимические особенности березы определяются как экологическими факторами, так и возможностью естественной гибридизации между березой пушистой и березой повислой, которая наблюдается здесь благодаря совпадению у них сроков цветения (в отличие от других регионов, где имеет место фенологическая изоляция этих видов). 2. Фенотипическое проявление узорчатой текстуры древесины карельской березы изменяется в онтогенезе и зависит от формы роста растений.
3. Для видов березы, произрастающих в Восточной Фенноскандии, характерно наличие существенных различий по содержанию липидов и их жирнокислотному составу в почках, в частности, короткоцепочковых жирных кислот.
4. В условиях естественной гибридизации при неперманентности проявления морфологических признаков побегов для систематики рода Betula целесообразно использовать физиолого-биохимические критерии (жирнокислотный состав липидов, изоферментный состав и др.).
5. Разновидности березы, такие как карельская, ледяная и далекарлийская возникли и существуют в Восточной Фенноскандии благодаря естественной гибридизации между основными видами. Для сохранения их декоративных и хозяйственных признаков следует сочетать традиционные (прививки) и нетрадиционные (клональное микроразмножение) способы размножения.
6. Согласно гипотезе происхождения карельской березы, выдвинутой автором, появление признака узорчатости носит вероятностный характер и связано как с климатическими условиями, так и генетическим качеством опыления.
Практическая значимость работы. Изучение морфо-физиологических и биохимических особенностей различных видов березы, произрастающих в условиях Восточной Фенноскандии, позволяет глубже понять механизмы устойчивости и, соответственно, продуктивности древесных растений на северном пределе их выживания. Полученные данные по динамике содержания липидов и их жирнокислотному составу должны учитываться при оценке почек березы с точки зрения фармакологии: они позволяют уточнить виды и сроки сбора почек как лекарственного сырья. Видоспецифичность березы по содержанию липидов и особенно их жирнокислотному составу в почках, выявленная в работе, способствует проведению таксономической оценки представителей рода Betula при непостоянстве проявления морфологических признаков у побегов. Отработанные способы прививки и клонального микроразмножения в культуре in vitro предлагаются для широкого использования при восстановлении генофонда как редких и исчезающих видов и разновидностей березы, так и других древесных растений. Показана возможность использования метода трансплантации для изучения природы карельской березы.
Результаты исследований рекомендуется учитывать в лесной селекционной практике при выделении хозяйственно ценных и декоративных морфоформ березы и их интродукции в новые районы, а также они могут быть использованы в учебном процессе при чтении курсов физиологии растений, экологии, дендрологии, генетики и селекции древесных растений на биологических и лесохозяйственных факультетах вузов.
Личный вклад автора состоит в разработке программы исследований, планировании, организации и проведении всех полевых и лабораторных работ, определении методических подходов, выборе объектов. Обработка, обобщение и интерпретация представленных в диссертации материалов, а также их оформление выполнены при непосредственном участии автора или под его руководством. Работы, проведенные в соавторстве, опубликованы, и ссылки на них даны в соответствующих разделах диссертации. Часть селекционно-генетических исследований велась под руководством заслуженного деятеля науки КАССР, к.с.-х.н. В.И. Ермакова, которому автор глубоко признательна.
Основу работы составляют материалы более чем 25-летних исследований, осуществленных в соответствии с планами НИР в Институте леса Карельского научного центра РАН в период с 1974 по 2001 г. Автор являлась руководителем и ответственным исполнителем разделов и тем. Отдельные этапы работы выполнялись лично автором на основании соответствующих заданий и при финансовой поддержке Государственного комитета по лесу Республики Карелия (1992-1994 гг.); Научного Совета по государственной научно-технической программе России «Биологическое разнообразие» (1994 г.); государственного заказа по линии Миннауки и технической политики РФ по важнейшим народнохозяйственным программам и проектам (1995-1996 гг.) и приоритетным направлениям генетики» (1998-1999 гг.); проекта «Интеграция» с Петрозаводским государственным университетом и Карельским государственным педагогическим университетом (1995-2001 гг.); Академии наук Финляндии на базе Отделения физиологии растений Хельсинкского университета по проекту «Липиды древесных растений» (1999 г.).
Апробация работы. Результаты исследований докладывались или представлялись на Всесоюзных конференциях, совещаниях и симпозиумах: по основам рационального использования биологических ресурсов (Рига, 1978; Петрозаводск, 1976, 1978, 1982; Апатиты, 1978; Сыктывкар, 1979; 1995; Архангельск, 1991; Оренбург, 1998); «Исследования в области химии древесины» (Рига, 1978); «Проблемы физиологии и биохимии древесных растений» (Красноярск, 1982); по лесной генетике, селекции и физиологии древесных растений (Петрозаводск, 1983; Воронеж, 1989; Уфа, 1991); «Хемосистематика и эволюционная биохимия высших растений» (Ялта, 1979; Звенигород, 1986); «Проблемы физиологии и биохимии древесных растений» (Петрозаводск, 1989); «Факторы таксономического биохорологического разнообразия» (Санкт-Петербург, 1995); на школе-конференции «Актуальные проблемы геоботаники.,.» (Петрозаводск, 2001); на сессиях комиссии Л.А. Иванова по анатомии, физиологии и экологии лесных растений» (Ленинград, 1983; Петрозаводск, 1991); на съездах Всесоюзного и Русского ботанического общества (Донецк, 1983; Санкт-Петербург, 1998); Всесоюзного и Российского общества генетиков и селекционеров» (Минск, 1992); Общества физиологов растений (Москва, 1999); на международных симпозиумах, конференциях и совещаниях . «Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология» (Москва, 1997); «Биология культивируемых клеток растений и биотехнология» (Алма-Ата, 1993); «Forest, environment and new technology in Northern Europe» (Petrozavodsk-Joensuu, 1993); «Популяции и сообщества растений: экология, биоразнообразие, мониторинг» (Кострома, 1996); «М.В. Ломоносов и национальное наследие России» (Архангельск, 1996); по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 1997); «Karelia and Norway: the main trends and prospects of scientific cooperation» (Petrozavodsk, 1997); «Biodiversity of Fennoskandia (diversity, human impact, nature conservation)» (Petrozavodsk, 1997); «Masurbjork. Odling, produktion och virkesan-vandninh» (Tranas, Sweden, 1998); «Изучение онтогенеза растений природных и культурных флор в ботанических учреждениях и дендропарках Евразии» (Белая Церковь, Украина, 1999); «Проблемы дендрологии на рубеже XXI в.» (Москва, 1999); «Biological basis of the study, management and protection of flora, fauna and the soil cover in Eeastern Fennosckandia» (Petrozavodsk, 1999); «Интеграция фундаментальной науки и высшего образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (Воронеж, 2000); «Строение, свойства и качество древесины -2000» (Петрозаводск, 2000); «Biodiversity and conservation of Boreal Nature» (Kuhmo, Finland, 2000); «Проблемы сохранения биоразнообразия в наземных и морских экосистемах Севера» (Апатиты, 2001); «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке» (Сыктывкар, 2001); «Биологические ресурсы и устойчивое развитие» (Пущино, 2001); «Биоразнообразие Европейского Севера» (Петрозаводск, 2001); «Человек и окружающая среда Баренц-региона в начале 21 века» (Петрозаводск, 2001); «Computer data analysis and modeling. Robustness and Computer Intensive Methods» (Minsk, Belarussia, 2000); «32nd International Symposium on Essential Oils» (Wroclaw, Poland, 2001); «Tree Biotechnology: the next Millennium» (Washington, USA, 2001); на научных семинарах: «Системный анализ в исследованиях природы и общества» (Петрозаводск, 2000); Depature of Silviculture Swedish University of Agricultural Sciences, Umea (Умео, Швеция, 1996); Lovtrainstitutet Ydre och In-stitutionen for skogsskotsel, SLU, Tranas (Транас, Швеция, 1998); Punkaharju Research Station Finnish Forest Research Institute (Пункахарью, Финляндия, 1993, 1998); Depature of Plant Physiology, the University of Helsinki (Хельсинки, Финляндия,. 1999) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 90 научных работ, в том числе около 40 статей в отечественной и зарубежной печати, 1 монография (в соавторстве), 4 авторских свидетельства на изобретения и 1 патент.
Структура и об ем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, выводов и списка литературы, включающего 464 наименования (из них 165 на иностранных языках). Работа изложена на 366 страницах, содержит 82 таблицы и 122 рисунка.
Влияние условий произрастания растений на содержание липидов и их жирнокислотный состав в различных органах и тканях
Накопление липидов и зимостойкость растений. Древесные растения в онтогенезе проходят ряд закономерных изменений, которые проявляются в годичной ритмике физиологе-биохимических и морфо-генетических процессов. В период прекращения роста и перехода древесных растений в состояние глубокого покоя изменяется направленность обменных процессов в сторону накопления пластических веществ, выполняющих в организме запасную и защитную роль (Генкель, Окнина, 1964; Pomeroy et al., 1970). По характеру запасных веществ Фишер (Fisher, 1891), а затем Н.И. Перетолчин (1904), Винклер (Winkler, 19ІЗ), Синнот (Sinnot, 1918) и другие исследователи предложили разделять древесные растения на «маслянистые» и «крахмалистые». К группе «маслянистых» растений Синнот относит ель, сосну, тополь (большинство видов), липу, калину, грецкий орех, лещину, а к «крахмалистым» -клен, барбарис, каштан, магнолию, платан, дуб, сирень. Березу автор считает «маслянистым» растением, лишь некоторые ее виды (не указывая) он определяет в промежуточную группу. При анализе выделенных групп растений нетрудно заметить, что к «маслянистым» относятся в основном деревья, ареал которых располагается в более северных широтах. Дальнейшие исследования (McNair, 1945) показали, что в тропиках всего 5% семейств растений запасает масло, тогда как в умеренном поясе такие семейства составляют 80% от общего числа. Это свидетельствует о том, что растения, содержащие масло, являются более морозоустойчивыми, чем растения, запасающие крахмал. Взаимосвязь между содержанием масла и степенью морозоустойчивости растений проявляется на видовом и даже сортовом уровне (Проценко,
Полищук, 1948; Генкель, Окнина, 1964, Вакарь, 1976), У морозоустойчивых древесных форм растений в осенне-зимний период наблюдается гидролиз крахмала и превращение образующихся в результате Сахаров в масла (Tuttle, 1919, 1921; Миронова и др., 1971; Пачулия, 1969). Превращение крахмала в сахара и масла является результатом приспособления растений к осенне-зимним условиям при переходе в состояние покоя. И.И. Туманов (1940, 1979) относит эти процессы ко II фазе закаливания. По данным К.М. Поплавского (1956) жиры в коре и древесине ветвей яблони присутствуют уже в летнее время. При похолодании, начиная с листопада, содержание их только увеличивается, что совпадает с процессами превращения крахмала в жиры. О наличии масел в летний период в побегах некоторых устойчивых сортов лимона указывает также К.Ф. Пачулия (1969). Сравнительной оценке накопления липидов в растениях разных климатических зон посвящены исследования С.Л. Иванова (1961), которые по существу стали классическими. Им установлено, что в большинстве случаев при продвижении посевов ряда масличных культур с юга на север и при повышении высоты места их произрастания над уровнем моря увеличивается количество масла и возрастает не предельность составляющих его жирных кислот.
Причину подобной закономерной зависимости между климатом и маслообразованием у растений С.Л. Иванов усматривает в том, что высокая теплотвор ная способность масла и особенно наличие в нем непредельных кислот служит защитным приспособлением у растений в холодных условиях северных широт. П.А. Генкель (1978), изучая зимостойкость некоторых плодовых культур, также заостряет внимание на защитной роли липидов, поскольку при недостаточном их количестве наблюдается гибель растений зимой в результате обезвоживания клеток и механического повреждения их кристаллами льда, образующихся в межклетниках. По мнению А.Г. Верещагина-(1958, 1972), в холодное время года липиды биологически выгодны организму в качестве запасных веществ, поскольку на единицу объема они содержат вдвое большее количество энергии, чем углеводы. Автор отмечает, что «именно необходимость сохранения зародыша от неблагоприятных условий зимы заставило растения в процессе эволюции перейти от запасания высокомолекулярного крахмала к запасанию жидкого, низкомолекулярного и легко мобилизуемого продукта - жира» (Верещагин, 1958, с. 115). Индуцирующим фактором в накоплении масел, по мнению С.Л. Иванова (1961), является температура. Кроме того, в литературе имеются данные, свидетельствующие о значительном влиянии на маслообразовательный процесс у растений и других климатических факторов, например, влажности (Иванов Н.Н., 1926, 1931; Шарапов, 1954), фотопериода (Sai-ram, Srivastava, 1977) и минерального питания (McNair, 1945; Царегородцева и др., 1976). Содержание и локализация липидов в различных органах древесных растений. Многообразие функций липидов стимулировало многочисленные работы по определению их состава и содержания в различных органах, тканях, клетках и субклеточных органоидах растений, животных и микроорганизмов, установлению структуры природных липидов, их биосинтеза, а также характера взаимодействия липидов с белками в биологических мембранах. Этому способствовало и совершенствование методов исследования (применение хроматографических методов разделения и анализа). К настоящему времени имеется довольно много работ, посвященных изучению общего содержания липидов в различных органах древесных растений. Следует заметить, что лучше всего в этом отношении изучены семена. Повысился интерес к изучению накопления липидов в побегах и древесине. И лишь отдельные работы посвящены изучению количества липидов в почках и корнях. Содержание липидов в древесных растениях имеет широкий диапазон колебаний - от 0,4 до 60% от сухой массы, а у семян грецкого ореха достигает и более высоких значений.
В почках концентрация липидов значительно выше по сравнению с листьями. По данным Хока (Hawke, 1973), содержание липидов в листьях составляет 3-10% от сухой массы, в древесине - не превышает 2— 3%. Считается, что в заболонной древесине липидов меньше, чем в ядровой (Лир и др., 1974). Следовательно, содержание липидов в древесных растениях зависит от видовой принадлежности деревьев и специфики их органов. Согласно данным световой и электронной микроскопии конституционные липиды обычно локализованы в цитоплазматической мембране. В этом отношении фосфолипи-ды, гликолипиды и липопротеиды, имеющие важное значение в клетке, изучаются достаточно широко. В результате многочисленных исследований получены данные по локализации липидов в листьях (Mackender, Leech, 1974; Harwood, Stump f, 1976), стеблях (West, 1969), коре {Siminovitch et al., 1968; Joshida, 1973). До сих пор нет единого мнения о форме локализации запасных липидов. Одни авторы (Голдовский, 1948) считают, что липиды в клетках семян находятся в гомогенном состоянии. Другие (Белецкая, 1967; Shugo, 1975) пришли к заключению, что липиды накапливаются в виде капель в пространстве между алейроновыми зернами. По данным О.С. Жукова, И.И. Туровского (1971), а также Крогмана (Krogman, 1973) растительные клетки содержат осмиефильные глобулы, в которых накапливаются различные липиды. Н.В. Бе-лицер с сотр. (1972) сделали вывод, что аккумуляция запасных липидов, ведущая к формированию липидных глобул, происходит не в специализированных жирозапасающих органеллах, а непосредственно в гиалоплазме.
По данным Фрей-Висслинга и Мюлеталера (1968) центрами синтеза и накопления липидов являются сферосомы. В то же время X. Сорокин и С. Сорокин (Sorokin Н.Р., Sorokin S., 1968) отрицают связь между сферосома-ми и каплями масла в запасающих тканях. Оценивая работы этих авторов, А.Е. Васильев (1972) приходит к выводу, что «с морфологической точки зрения выделение сферосом как особых органел, отличных от липидных капель, пока не оправдано...»(с. 41). Жирнокислотный состав липидов и его значение в систематике растений. Жирные кислоты, входящие в состав липидов высших растений содержат в основном четное число атомов углерода от 12 до 22, чаще всего - 16 или 18 (табл. 1). Содержание ненасыщенных жирных кислот, как правило, выше, чем насыщенных. Ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления, что важно для организмов,
Особенности проявления морфо-физиологических признаков у побегов в генеративном потомстве березы, полученном от межвидового скрещивания
Многолетние исследования показали возможность межвидового скрещивания березы повислой с березой пушистой и наоборот березы пушистой с березой повислой, а также карельской березы с березой пушистой и березы пушистой с карельской березой.
Вариант скрещивания березы повислой (в том числе карельской березы) с березой пушистой. Изучение возрастных изменений морфо-физиологических признаков побегов в варианте скрещивания карельской березы с березой пушистой проводилось на одних и тех же 10 деревьях из 4 гибридных семей в возрасте 17 и 26 лет (табл. 7). Потомство, полученное при скрещивании карельской березы с березой пушистой, отлича 1987 г. наличие опушенности на черешках, стеблях и листовых пластинках. В онтогенезе в сравнении с другими вариантами скрещивания, на побегах не только резко-уменьшилось число бородавок на стеблях и листьях, но и появилась опушенность на них, а также в углах жилок. У значительной части растений листья имеют короткую заостренную вершину с прямыми или слабо выпуклыми линиями, подобными таковым у березы пушистой. По краю почечных чешуи гибридные растения развивают более густые и длинные реснички, на поверхности чсшуй восковой налет выражен не столь сильно, как у типичных растений березы повислой.
К 1996 г. у 33 % деревьев этого варианта величина гибридного индекса увеличилась, но незначительно - на 1-2 единицы. У отдельных растений (деревья № 383 и 384) она выросла с 27 до 35, т. е. на 8 единиц (карельская береза № 273 х береза пушистая). У50% растений в варианте скрещивания карельской березы с березой пушистой значения гибридных индексов под влиянием отцовских деревьев снизились на 5-12 единиц в сторону березы пушистой. У 17% гибридов величина индекса осталась прежней. Противоположные изменения произошли в варианте скрещивания карельской березы № 927 с березой пушистой. Здесь, у дерева № 203 (рис. 15 А) величина гибридного индекса увеличилась с 39 до 51 (на 12 единиц), а у дерева № 201 (рис. 15 Б) и № 153, наоборот, уменьшилась с 46 до 31 (на 15 единиц) и с 53 до 44 (на 9 единиц), соответственно. Изменение значений произошло по 11 показателям в сторону увеличения у дерева № 203, и уменьшения у деревьев № 153 и 201 соответственно на 7 и 11 пунктов из 16. В обоих случаях инвариантными являются: отсутствие опушения на ауксибластах В варианте скрещивания карельской березы № 927 с березой пушистой наблюдается изменение (уменьшение величины гибридного индекса на 5 единиц) морфо-физиологических признаков под влиянием отцовских деревьев в сторону березы пушистой. Опушенность отсутствует или имеется очень слабая на стеблях молодых побегов (признак №. 2), черешках и в углах жилок листовых пластинок (признаки № 3, 5), тогда как на поверхности листовых пластинок она выражена несколько сильнее (признак № 6). Контрастность жилок (признак № 7) в основном переходная от резкой к неясно выраженной. Текстура листовой пластинки (признак № 8) у большинства деревьев переходная к блестящей и тонкой. Форма вершины листовой пластинки (признак № 9) переходная, но имеет тенденцию к острой и вытянутой со слегка вогнутой линией ее очертания (признак № 10). Относительная длина черешков листовой пластинки (признак № 14) переходная к длинной или длинная. Реснички на почечных чешуях (признак № 15) в основном короткие, почки содержат липиды (признак № 16). Значительные колебания наблюдаются по признакам: № 11,12, 13.
Следовательно, изменчивость морфо-физиологических показателей у побегов гибридных растений в варианте скрещивания карельской березы с березой пушистой по ряду признаков (№ 2, 3, 5) небольшая и соответствует материнскому растению. По содержанию липидов (признак № 16) очевидно влияние отцовских растений. По характеру проявления ряда признаков (№ 4, 7, 8, 11, 12, 13) гибридные растения отражают промежуточное положение значений оценочных показателей (от 1 до 3).Хронографический анализ показал, что в потомстве от скрещивания карельской березы с березой пушистой с 1987 по 1996 гг. оценочные показатели снижаются (в сторону отцовского растения) по признакам № 6 и 15,апо№9и 10 — увеличиваются (в сторону материнского растения). По остальным признакам изменения имеются, но четких тенденций доминирования родительских деревьев не выявлено.
Для сравнения следует подчеркнуть, что значения оценочных показателей морфо-физиологических признаков побегов у потомков, полученных от скрещивания карельской березы с березой пушистой (рис. 14 Б) оказались более вариабельными, чем при скрещивании карельской березы с карельской березой (рис. 7 А) или карельской березы с березой повислой (рис. 7 Б). Большое влияние на изменение признаков оказали отцовские деревья березы пушистой. По сравнению с другими вариантами скрещивания у гибридов усилилась опушенность стеблей молодых побегов, черешков и в углах жилок листовых пластинок (признаки № 2, 3, 5). Более резкой стала контрастность жилок на нижней стороне листовой пластинки (признак № 7), изменилась текстура (признак № 8)
Динамика проявления узорчатой текстуры древесины в онтогенезе карельской березы
Выше мы отмечали, что классический гибридологический анализ расщепления и наследования признаков у карельской березы затруднен длительностью фенотипическо-го проявления узорчатости древесины и сложностью сохранения потомства от конкурентного отпада и антропогенного воздействия, искажающих исходное соотношение форм. Кроме того, высота растений и интенсивность проявления у них узорчатости древесины варьируют в зависимости от условий произрастания. Это определяет сложность изучения наследования узорчатой текстуры древесины у карельской березы и актуальность применения многомерного анализа. Фенотипическое изучение изменчивости гибридного потомства карельской березы по проявлению признака «узорчатости» в течение тридцати пяти лет позволило привлечь многомерные статистические методы для оценки наличия связи между формой роста и характером поверхности ствола, а также поиска биологических закономерностей образования узорчатой текстуры древесины в онтогенезе. При изучении фенотипического проявления и динамики развития узорчатой текстуры древесины нам не представлялось целесообразным исследовать полусибсовое потомстве карельской березы в природных популяциях. Для этого мы использовали гибридное сибсовое потомство (24 семьи), полученное в результате контролируемого скрещивания карельской березы - восьми материнских растений с семью отцовскими - в 1964 г. (табл. И, 12). В настоящее время потомство состоит из 349 деревьев, фенотипи-чески различающееся по типу поверхности ствола и форме роста. проявления узорчатости древесины и формы роста.
В связи с этим, мы поставили задачу выявить особенности сходства гибридов различных форм роста по карелистости в процессе онтогенеза (по десятилетиям), оценить при этом степень участия (доминирования) различных типов поверхности ствола, а также устойчивость доминирования в проявлении признака узорчатости в потомстве. Поиск закономерностей проявления узорчатой текстуры древесины в гибридном потомстве осуществлялся методами математической классификации: кластерным и пошаговым дискриминантным анализами. На первом этапе была поставлена задача оценки внутривидового разнообразия и наличия связи между формой роста и характером поверхности ствола, на втором -изучение закономерностей проявления узорчатой текстуры древесины в гибридном потомстве в процессе онтогенеза растений. Анализ категоризирования данных для каждой из изученных гибридных семей карельской березы показал, что для всех семей нулевая гипотеза об отсутствии зависимости между формой роста и характером поверхности ствола отвергается, что указывает на существование связи между ними. Рассмотрим подробно результаты кластеризации гибридных семей, полученных на первое десятилетие (к 1975 году) развития растений (рис. 28 А). При классификации семей по характеру поверхности ствола у особей высокоствольной формы роста были выделены три кластера (группы) с доминированием (по величинам центроидов) отдельных типов поверхности ствола (рис. 28 А).
В первой (Г) группе доминирующее положение занимает обычный по текстуре, безузорчатый (№ 8) тип поверхности ствола (значение соответствующего ей центроида - наибольшее), затем со слабовыраженными признаками узорчатости (№ 9) и, наконец, узорчатый тип с мелкобугорчатым (№ 5) типом поверхности ствола. Во второй (П) группе семей доминирующее положение по типу поверхности ствола занимают деревья безузорчатые (№ 8) по фенотипу, затем узорчатые с бугорчатым (№ 6) и мелкобугорчатым (№ 5) типами поверхности ствола. Для третьей (HI) группы семей также характерно доминирование безузорчатого (№ 8), затем - шаровидноутолщенного (№ 4) и со слабовыраженными признаками узорчатости (№ 9). Для проверки корректности группировки семей проведен пошаговый диск-риминантный анализ. Полученные результаты позволили выявить на первое десятилетие (1975 г.) для высокоствольной формы роста три дискриминатора (типы поверхности верхности ствола наиболее информативными для разделения семей на группы, исходя из величин F-критерия исключения дискриминаторов из дискриминационных функций вляются деревья с шаровидноутолщенным типом поверхности ствола (№ 4) (наибольшее значение F-критерия), затем следуют безузорчатые (№ 8) и ребристые (№7). Результаты групповой классификации с учетом выделенных дискриминаторов показали 100%-ную корректность разделения семей на группы-кластеры (табл. 14).
Эти группы семей статистически достоверно отличаются друг от друга попарно по F-критерию (табл. 15). При классификации гибридных растений по характеру поверхности ствола у особей с короткоствольной формой роста выявлены четыре группы (рис. 28 Б), в которых доминируют ярко выраженные узорчатые типы. Результаты пошагового дискриминантного анализа подтвердили корректность полученной классификации. Наиболее информативными для группирования семей по F-критерию исключения (табл. 15), оказались безузорчатый (№ 8), затем - мелкобугорчатый (№ 5) и бугорчатый (№ 6) типы поверхности ствола. У растений кустообразной формы роста в результате кластеризации семей выделены три группы (рис. 28 В). В первой, самой многочисленной по гибридным семьям, доминирующие формы отсутствуют ввиду малочисленности деревьев с кустообразной формой роста в каждой семье. Во второй группе доминирует шаровидноутолщенный (№ 4) тип поверхности ствола. В третьей - бугорчатый (№ 6). Пошаговый дискриминантный анализ показал, что шаровидноутолщенный тип поверхности ствола наиболее информативен для различия этих трех групп (табл. 13). Для дереввев всех форм роста на 1975 г. при классификации отмечено убывание насыщенности кластеров по числу гибридных семей (табл. 16, 17). Следовательно, в первое десятилетие своего развития карельская береза начинает
Исследование химического состава веществ, экстрагируемых из почек березы
Высокую устойчивость почек березы в условиях Севера некоторые авторы (Ефимова, 1955; Шлякова, 1961) связывают с наличием в них "смолистых веществ". В.И. Ермаков (1971; 19756) защитные вещества, содержащиеся в почках, называет «растительными маслами». По данным Рейхарта (Reichardt, 1981) с соавт. (1984) в почках березы содержится смесь фенолов и стероидальных тритерпеноидов. Большинство авторов отмечают наличие в них от 3 до 7% эфирных масел (Вершняк, Степень, 1992), 0,3% 5-окси-7,4-диметоксифлавона (Атлас ареалов и ресурсов лекарственных растений СССР, 1976; Ведерников и др., 2000), а также присутствие смол, сапонинов, дубильных веществ и некоторых витаминов (Йорданов и др., 1972). По данным ЯЛ. Балвочюте с соавт. (1980) береза пушистая и бородавчатая значительно различаются по содержанию эфирных масел. Так, береза пушистая накапливает в почках до 6-8% эфирного масла, а береза бородавчатая - лишь около 0,2%, т. е. в 30-40 раз меньше. Таким образом, химический состав компонентов почек березы довольно сложен и к началу наших исследований был изучен явно недостаточно. В частности, в публикациях отсутствует единое мнение о химической природе веществ, содержащихся в почках березы, хотя с давних времен они используются в медицинской практике. В связи с этим были предприняты настоящие исследования.
В результате количественного изучения эфирных масел, проведенного нами (Ветчинникова и др., 1999), установлено, что наибольшее их содержание находится в почках (от 0,5 до 2,2%). Сравнительный анализ отдельных видов березы свидетельствует о преобладании эфирных масел в почках березы пушистой - до 2,5%, у березы повислой их обнаружено не более 0,4% (рис. 47). Детальная идентификация компонентов эфирных масел, выделенных нами из почек березы, потребовала проведение специальных методических исследований, результаты которых опубликованы (Isidorov et. al., 2000). Данные, полученные при использовании газовой хроматографии и масс-спектроскопии, показали наличие в летучей фракции терпеновых гидрокарбонов и их кислородсодержащих производных. Исследования по эфирным маслам продолжаются (см. гл. 6.2.3), но основное внимание мы уделили липидам, так как нами установлено, что в покоящихся почках (в декабре) березы пушистой до 58% от абсолютно сухого вещества составляют не эфирные масла, а липиды; у березы повислой последних - до 47% (Конина, 1978а, б). Изучение химического состава эфирного экстракта, полученного из почек березы пушистой, показало, что в нем содержится около 45% свободных и 15-20% связанных жирных кислот; 40% приходится на неомыляемые соединения. Проведенные анализы подтвердили отсутствие в почках березы смоляных кислот.
По структуре и химическим свойствам к липидам близки воска — эфиры высших жирных кислот с длиной цепи 26-34 атомов углерода и одноатомных спиртов. Отделить воск, покрывающий почку снаружи (характерный признак березы повислой; оценочный показатель гибридного индекса — 4, см. гл. 3) можно с помощью гексана (Shizuma, 1974). Согласно нашим данным, сухой остаток гексанового экстракта, полученный при анализе почек березы повислой, оказался в 3,4 раза больше (это свидетельствует о значительном количестве воска на поверхности почек) по сравнению с таковым у березы пушистой. В то же время хлороформ-метанольная фракция (более 50% от абсолютно сухого вещества в навеске), содержащая липиды, в почках березы пушистой в 4,3 раза превышала количество гексанового экстракта, т. е. воска. И это соответствует морфологическому описанию почек, согласно которому, у березы пушистой даже снаружи почки очень липкие (клейкие) (характерный признак березы пушистой: оценочный показатель гибридного индекса - 1-2, см. гл. 3), восковой налет у них отсутствует. Результаты фракционного исследования (рис. 48) хлороформ-метального экстракта почек березы, полученные с помощью колоночной хроматографии (Kates, 1972), свидетельствуют о преобладающем содержании в нем нейтральных липидов (I фракция, элюируемая хлороформом).
Методом тонкослойной хроматографии качественно установлено, что нейтральные липиды представлены главным образом триглицеридам. Галактолипиды, выделенные с помощью колоночной (II фракция, элюируемая ацетоном) итонкослойной хроматографии, присутствуют в следовых количествах. В незначительном объеме вьивлены и фосфолипиды (III фракция, элюируемая метанолом), среди которых идентифицированы: фосфатидилинозит, фосфатидилхолин, фосфатидилглицерин, фосфатидилэтаноламин (рис. 49), причем количественно доминирует фосфатидилхолин. Низкое содержание галактолипидов и фосфолипидов не вызывает удивления, так как после удаления из почек свободно локализованных липидов (г. е. нейтральных), в клетках, по нашим данным, остается менее 2% мембранных липидов. Учитывая результаты качественного анализа, выполненного с помощью колоночной и тонкослойной хроматографии, основное внимание в дальнейшем мы уделили ис следованию жирнокислотного состава суммарных липидов и его изменению в почках изученных видов и разновидностей березы.
В результате газохроматографического анализа в почках березы повислой и березы пушистой нами идентифицированы: лауриновая или н-додекановая (С о ), тридекановая (С3;о), миристиновая или тетрадекановая (Ci4:o), пальмитиновая или гексадекановая (С о), маргариновая (Ci7:o) стеариновая или октадекановая (CJSIO), олеиновая или октадеценовая (Ci8:i)s линолевая или октадекадиеновая (Cig:2), линоленовая или октадекат-риеновая (С з). Кроме того, в состав липидов почек березы повислой входят неидентифицированные жирные кислоты с 16 углеродными атомами (Сіб), и две кислоты с длиной цепи углеродных атомов больше 18 (C is). Жирнокислотный состав липидов представлен различными насыщенными и ненасыщенными кислотами, имеющими одну или несколько двойных связей в различных положениях. Соотношение между этими компонентами неодинаково. Анализ метиловых эфиров жирных кислот почек березы пушистой и березы повислой, выполненный в одинаковых условиях, показал существенные различия между ви дами по характеру жирнокислотных кривых. В почках березы пушистой содержание ки Жирные кислоты имеют сокращенное обозначение: первая цифра перед двоеточием соответствует общему числу атомов углерода в алифатической цепи, вторая - после двоеточия - числу диеновых связей в молекуле жирной кислоты
