Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Морфогенез проростков пшеницы и его регуляция (обзор литературы) 9
1.1 Понятие о морфогенезе пшеницы 9
1.2 Особенности морфогенеза проростка пшеницы 12
1.3 Рост и развитие колеоптиля 19
1.4. Рост и развитие эпикотиля побега пшеницы 22
1.5 Влияние механических напряжений на рост растений 26
1.6 Фоторегуляция морфогенеза растений 32
1.6.1 Интенсивность света 32
1.6.2 Спектральный состав света 35
1.6.3 Продолжительность освещения 38
1.7 Роль колеоптиля в фотозависимых реакциях проростка 39
1.8 Рецепция света растениями 45
1.8.1 Пигментные системы растения 45
1.8.2 Действие света на биоэлектрогенез растений 48
1.9 Оптические свойства тканей растений 50
1.9.1 Световой градиент в тканях и органах 55
1.10. Фотоморфогенез как модель интеграции органов растения 59
Глава 2. Объекты исследований, методика и условия проведения опытов 64
2.1. Объекты исследований 64
2.2. Методика исследований 72
Глава 3. Фотоморфогенез проростков пшеницы 78
3.1. Рост и развитие проростка пшеницы в полевых условиях 78
3.2 Особенности роста и развития проростков пшеницы в контролируемых условиях выращивания 84
Глава 4. Влияние механического давления на морфогенез проростка пшеницы 95
Глава 5. Анатомические особенности и оптические свойства колеоптиля и эпикотиля проростка пшеницы ... 104
5.1 Особенности анатомического строения проростка 104
5.1.1 Анатомическое строение колеоптиля 104
5.1.2 Анатомическое строение эпикотиля 108
5.2 Оптические свойства тканей проростка 111
5.2.1 Поглощение света колеоптилем 111
5.2.2 Проведение света структурами колеоптиля 117
5.2.3 Спектральные характеристики тканей колеоптиля и эпикотиля... 124
Глава 6. Видовые и сортовые различия анатомии и морфологии эпикотиля пшеницы 136
Выводы 146
Список литературы 148
Приложение 168
- Особенности морфогенеза проростка пшеницы
- Роль колеоптиля в фотозависимых реакциях проростка
- Особенности роста и развития проростков пшеницы в контролируемых условиях выращивания
- Анатомическое строение колеоптиля
Введение к работе
Актуальность темы. Выяснение принципов, лежащих в основе морфогенеза — образования специфической формы растения, является одной из фундаментальных проблем ботаники. Для её решения применительно к многоклеточным организмам необходимо понять, каким образом клетки, ткани и органы взаимодействуют между собой в ходе онтогенеза (Кефели, 1978; Madela, Kopcewicz, 1989).
Важнейшим морфогенетическим фактором внешней среды является свет, значимость которого повышается при росте растений (lino, 1990; Briggs, Olney, 2001). В силу этого вопрос о значении всех основных фоторе-цепторных систем, воспринимающих действие максимально активных участков спектра, и последующей реакции на данный фактор имеет большое значение.
Фоторегуляторная система на начальных этапах онтогенеза представлена в основном фитохромом. Изучение фитохромной системы на сегодняшний день, как правило, посвящено выяснению общих принципов функционирования фоторегуляторной системы, представленной этим пигментом, в то время как её распределение в растительных тканях и локализация световос-принимающих структур в органе стало новым и перспективным направлением в научных исследованиях (Федоренко, Савушкин, 2006; Mandoli, Briggs, 1982; Wang, lino, 1997). Большинство предложенных моделей функционирования фоторегуляторных систем носят либо теоретический характер, либо существенно абстрагированы, и построены на основании данных опытов с растениями различных систематических групп. Это объясняется не низким уровнем знаний, а ограниченностью экспериментальных данных ввиду сложности технического исполнения (Deny, Roenneberg, 1997).
Фоторецепторные структуры незначительны по размерам и локализованы в клеточных компартментах. При этом благодаря своей высокой чувствительности к световому фактору, их концентрация в этих системах мала.
5 Одним из важнейших подходов к данной проблеме в этой связи является поиск необходимых модельных объектов для исследования.
При оценке морфогенетических эффектов под действием света чаще используют апикальную часть колеоптиля злаков как систему чувствительную к интенсивности и качеству света (Lokhard, цит. по Кефели, 1973). При изучении явлений фотоморфогенеза исследователи стремились выяснить первичные изменения, происходящие в этой апикальной структуре колеоптиля и установить последовательность физиологических и биохимических факторов, трансформирующих световой сигнал в морфогенетический эффект. Одним из наиболее плодотворных подходов к выяснению сущности фотоморфогенеза является исследование фоточувствительного пигмента фи-тохрома (Mandoli, Briggs, 1981).
Однако ювенильная структура растения имеет несколько фоторегуля-торных систем, часть из которых принадлежит верхушечной почке. Следовательно, вся система ювенильной структуры должна обеспечивать и фоторецепцию, и светопроводимость с комплексом физиологической реализации света (Мандоли, Бриггс, 1984; Раденович и др. 1997; Mandoli, Briggs 1982; Neumann, lino 1997). Последние два направления научных исследований получили широкое развитие в последние годы. Наиболее удобной модельной системой для изучения фоторецепции и светопроводимости, а также их вклада в морфогенез растения являются проростки пшеницы.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы являлось выявление анатомо-физиологических особенностей фоторегуляции морфогенеза проростков пшеницы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установить морфолого-анатомические особенности морфогенеза
проростков пшеницы при наличии и отсутствии света.
Выявить специфику роста колеоптиля и эпикотиля при прорастании зерновок пшеницы на различной глубине почвенного слоя.
Определить оптические свойства колеоптиля и эпикотиля при нали-
чий и отсутствии светового фактора.
Выявить влияние времени и порядка активации пигментных систем колеоптиля и эпикотиля на морфогенез проростка пшеницы.
Провести оценку видовых и сортовых особенностей анатомии эпикотиля пшеницы.
Научная новизна работы. В работе впервые показано, что наблюдается специфичность ростовых процессов колеоптиля, эпикотиля и зародышевых листьев главной почки проростка в зависимости от действия светового фактора и нагрузок.
В колеоптиле проростка пшеницы выделено три зоны, различающихся анатомически и функционально: зоны восприятия, проведения и реализации светового потока. Впервые показано, что светопроведение осуществляется двумя основными потоками — тканями проводящих пучков и тканями паренхимы. Выявлено изменение светопропускной способности колеоптиля в онтогенезе проростка пшеницы.
Установлено, что общее количество света, проходящего до апикальной меристемы этиолированного проростка, постоянно и не зависит от линейных размеров колеоптиля. Впервые представлена спектральная характеристика тканей колеоптиля и эпикотиля, показавшая наличие в них нескольких функционирующих пигментных систем.
Выявлено наибольшее разнообразие в анатомическом строении и мор-фометрических характеристиках при изучении видовых и сортовых особенностей для эпикотиля. Более консервативным органом в анатомическом плане у изученных видов и сортов является колеоптиль.
Теоретическое и практическое значение. Полученные в процессе исследования сведения вносят вклад в изучение морфологии, анатомии и физиологии важнейшей сельскохозяйственной культуры — пшеницы, и могут быть использованы для теоретического исследования морфогенеза растений, а также в селекционных работах для оценки перспективности сорта. Проведенный в работе анализ ското- и фотоморфогенеза проростков пшеницы от-
7 крывает перспективы для выявления условий целенаправленной регуляции роста и развития пшеницы, в разрешение вопросов, связанных с механизмами фоторецепции света и реакцией на него эффекторными структурами, коррелятивных взаимоотношений между органами на уровне целого растения.
Результаты исследований включены в курсы лекций по анатомии, физиологии растений. Они используются при проведении лабораторных практикумов, выполнении курсовых и дипломных работ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Условия прорастания зерновок пшеницы (наличие или отсутствие света, глубина посева семян) влияют на морфогенез колеоптиля, эпикотиля, первого-третьего зародышевых листьев.
Существуют различия оптических свойств колеоптиля и эпикотиля, обеспечивающие последовательность морфогенеза проростков пшеницы.
Наблюдаются видовые и сортовые различия анатомического строения эпикотиля.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на XXXV Международной научной студенческой конференции (апрель 1997 г., Новосибирск), Международной научной конференции (ноябрь 1997 г., Саратов), П(Х) съезде русского ботанического общества (26-29 мая 1998 г., Санкт-Петербург), конференции молодых ученых и аспирантов по проблемам физиологии и биохимии растений (Саратов, 1998), V съезде общества физиологов растений России, международной конференции «Физиология растений — основа фитобиотехнологии» (Пенза, 15-21 сентября 2003 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.
Декларация личного участия автора. Автор лично провел полевые и лабораторные эксперименты, осуществил сбор объектов, провел морфомет-рические и анатомические исследования. Анатомические материалы частично предоставлены С.А. Степановым. Обработка полученных данных, их интерпретация, оформление проведены автором самостоятельно. В совместных публикациях вклад автора составил 50-80%.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 169 страницах,
состоит из введения, 6 глав, выводов и приложения. Список цитированной
литературы включает 241 источника, из которых 99 иностранных авторов.
Работа содержит 6 таблиц и 53 рисунков.
Особенности морфогенеза проростка пшеницы
Процесс прорастания, под которым обычно понимают совокупность физиологических и биохимических изменений, происходящих в семенах в процессе их перехода из состояния покоя к активной жизнедеятельности, заканчивается образованием проростка (Физиология ... , 1969; Скрипчинский, 1985). Весь процесс прорастания семян и развития проростка, совпадающий с началом I этапа органогенеза по Ф.М.Куперман (1956), делится на пять фаз: поглощение воды до критической влажности, набухание, рост первичных корешков, развитие ростка и становление проростка вследствие начала перехода к автотрофному типу питания (Кефели, 1973).
Зрелая зерновка, отражая всю совокупность эндо- и экзогенных факторов в период её образования, в последующем, неся черты этих факторов от посева и прорастания семян, будет определять развитие соответствующих элементов метамеров побега в конкретных условиях среды. При этом, очевидно, что структурная и функциональная взаимосвязь между развитием метамеров растения и состоянием конуса нарастания побега устанавливается уже с момента формирования зерновки на материнском растении (Коновалов, 1975; Кумаков, Степанов, 1991; Степанов, 1991,2003).
Зародыш пшеницы составляет всего лишь 2% от общего веса зерновки (Иоффе, 1950; Яковлев, 1950). Он имеет сложную морфологию, что определяет существование нескольких различных точек зрения на происхождение его структуры (Эсау, 1980).
В зародыше зерновки пшеницы различают колеоптиле, почечку главного побега, состоящего из конуса нарастания и зачатков трёх зародышевых листьев, зачатки конусов нарастания боковых побегов, из которых наиболее дифференцирована и легко различима апикальная меристема почки первого листа, зачатков главного и придаточных зародышевых корней, щиток с лигулой и эпибласт (Яковлев, 1939, 1946, 1948; Кумаков, 1980). Для сорта мягкой яровой пшеницы Саратовской 52 установлено, что длина ближайшего к конусу нарастания примордия, третьего снизу от переходной зоны побег-корни, составляет от 84±4 мкм (от верхней части основания примордия) до 140±6 мкм (от нижней части основания примордия). При визуальном наблюдении поперечных срезов эмбрионального побега на уровне нижней части основания примордия третьего листа установлено наличие только одного проводящего пучка, тогда как выше, в его средней части, кроме центрального пучка отмечено ещё два боковых. Длина примордия второго листа составляет от 277±12 мкм (от верхней части его основания) до 340±15 мкм (от нижней части основания листа). Примордий, основание которого составляет 63 мкм, образует своеобразный колпачок над конусом нарастания побега. В средней части примордия наблюдается восемь проводящих пучков. На уровне верхней части основания примордия второго листа наблюдается только семь проводящих пучков (Степанов, Даштоян, 2004).
Длина примордия первого листа, ближнего к переходной зоне и наиболее морфологически выраженного, составляет от 900±43 мкм (от верхней части его основания) до 970±32 мкм (от нижней части его основания), при этом протяженность основания примордия листа — 70 мкм. На поперечных срезах средней части примордия наблюдается 12 проводящих пучков. Отмечена дифференциация клеток центрального проводящего пучка на протофло-эму и протоксилему. В нижней части первого листа наблюдается только 9 проводящих пучков. Таким образом, отмечается тенденция уменьшения числа боковых пучков от места их возможной инициации в средней части растущего листа к его основанию, и далее в ниже расположенных структурах эмбрионального побега (Степанов, Даштоян, 2004).
Колеоптиль представляет собой листовое влагалище, имеющее форму клина с овальным основанием, которое заключает в себя эмбриональные листья (Физиология ... , 1969; Данилова, Соколовская, 1973). Листья располагаются в центральной полости колеоптиля, которая ограничивается от парен-химных клеток внутренним эпидермисом. Снаружи ткани колеоптиля покры 14 ты внешним эпидермисом. Как на адаксиальном, так и на абаксиалыюм эпидермисе по всей длине колеоптиля на его киле расположены устьица трех типов: аперигенного, диперигенного и моноперигенного (Васильев, 1984; Lange, 1927; Racusen, 1976).
Угол клина, образованного боковыми стенками колеоптиля, составляет около 75. Отношение малой и большой оси овала у пшеницы и овса равно 1:1,45. Диаметр колеоптиля равен примерно 1,5 мм. Продольный медиальный срез через зародыш разделяет колеоптиль на две симметричные половины, в каждой из которых имеется по одному сосудистому пучку, погруженному в паренхиму. Эти пучки слепо оканчиваются у самой верхушки. Колеоптиль имеет слегка дорзовентралыюе строение, ту сторону, которая обращена к семени называют спинной, а противоположную — брюшной. У верхушки дор-зовентралыюсть выражена более определенно: с брюшной стороны образуется небольшая щель или пора, через которую затем выдвигается первый лист (рис. 1.1). Большая часть колеоптиля состоит из удлиненных паренхим-ных клеток. Верхний участок между порой и верхушкой образован из мелких изодиаметрических клеток с крупными ядрами, густой протоплазмой и небольшими вакуолями (Avery, 1930; Boyd, Avery, 1936; Добрынин, 1969).
В зародыше зерновки мягкой пшеницы Саратовская 52 длина колеоптиля от места смыкания со щитком составляет 1150+45 мкм. На поперечных срезах колеоптиля (на уровне верхушки второго листа), представленного в виде сплюснутой трубочки, его размеры составляют: по длинной оси среза-1210±57 мкм, по короткой оси (перпендикулярно к щитку) — 769±32 мкм. В колеоптиле отмечены два проводящих пучка (по бокам длинной оси среза), размеры которых достигают от 105x112 до 112x125 мкм. В этой части колеоптиля наблюдаются различия по степени дифференциации клеток протоф-лоэмы проводящих пучков (Степанов, Даштоян, 2004).
Роль колеоптиля в фотозависимых реакциях проростка
Выделяют несколько функций колеоптиля. Одной из первых была отмечена функция колеоптиля как защитного образования, прикрывающего листья в зерновке и защищающего их при прорастании от механических повреждений частицами почвы (Портянко, 1961).
Помимо этого колеоптиль создает влажную камеру со средой, наиболее благоприятной для роста листьев, и обеспечивает успешный рост проростка. Клинообразная верхушка наилучшим образом соответствует назначению колеоптиля, когда в период всхода проростка с ее помощью раздвигаются частички почвы. Угол клина, образованного боковыми стенками колеоптиля у пшеницы составляет около 75. Колеоптиль первым выходит из почвы, таким образом, листья сами не пробивают почву в процессе прорастания (Физиология ..., 1969).
Установлена корреляция между числом проводящих пучков в колеоптиле и процентом взошедших растений в условиях образования почвенной корки. Наибольший процент всхожести имели растения с тремя парами проводящих пучков в колеоптиле. Более того, стенки колеоптиля должны быть не только прочными, но и иметь отверстие, служащее для свободного газообмена и выхода первого листа из-под покрова колеоптиля. Этому условию отвечает наличие щели в тонкой стенке колеоптиля (Яковлев, Каспиров, 1940).
Следующая функция колеоптиля связана с его способностью проявлять фото- и геотропическую реакцию. Было замечено, что если у колеоптиля отрезать верхушку, то нарушаются фото- и геотропические реакции растения, и у проростков, не выходящих на поверхность почвы, обнаруживаются гипертрофированные круговые нутационные движения (Физиология ... , 1969; Neumann, 1997).
Нарушения целостности верхушки колеоптиля приводит к аномалии в геотропизме и фототропизме проростков, при этом сильно угнетаются ростовые процессы. Исходя из представлений, что одной из причин тропизмов у растений является неравномерное распределение ауксинов в протоплазме, можно предполагать, что нарушение целостности колеоптиля ведет к изменению в восприятии геотропического раздражения и к некоторому перераспределению ауксинов. Опыт и наблюдения над распределением радиоактив-пости меченого углерода С ИУК не подтвердили перераспределение ауксинов в случае декапитации колеоптилей. Также было показано, что и фототропический эффект у колеоптиля не может быть сведен к одному лишь распределению ауксинов (Физиология ..., 1969; Mandoli, Briggs, 1981). Наряду с ауксинами в реакции восприятия света участвуют рибофлавины и флавоно-протеиды. При этом каротиноиды и антоцианы играют роль фильтра (Salomon etal, 2001).
Попытки объяснить явление фототропизма неравномерным распределением светового потока в тканях наталкиваются на ряд трудностей, поскольку измерение величины поглощения светового потока тканей различных зон колеоптиля показало, что при прохождении через верхушку колеоптиля синие лучи ослабляются в 2,2 раза, тогда как в нижней части колеоптиля свет ослаблялся в 33-37 раз (Lange, 1927; Mandoli, Briggs, 1981). Тем не менее, стимулирующее влияние света обуславливается главным образом его воздействием на апикальную часть верхушки. Впервые S. Lange (1927) было показано, что чувствительность к свету по зонам колеоптиля различается. Наибольшей чувствительностью обладают первые 100 мкм верхушки колеоптиля. В нижележащих зонах чувствительность к свету падает экспоненциально.
Различие в чувствительности по зонам колеоптиля обуславливает зо-носпецифичность проявления его светозависимых ростовых реакций. В работе A. Bleiss (1990) с использованием непрерывно регистрирующего ауксоно-графа изучали действие красного света на рост колеоптилей этиолированных проростков пшеницы в возрасте 70 и 90 часов. Общая ростовая реакция ин-тактных колеоптилей складывалась из различающихся по интенсивности фо-тоиндуцированных ростовых реакций отдельных зон. В первые 5 часов в кинетике ростовых реакций колеоптилей на красный свет наблюдали две фазы. Первая фаза — кратковременное ингибирование роста, достигающее максимального уровня через 60 минут с начала освещения. В эту фазу кинетика ростовых реакций колеоптилей была одинакова для трех исследованных зон: верхушки, субапикальной зоны и основания, и не зависела от возраста проростков. Вторая фаза кинетики ростовых реакций продолжалась в течение последующих четырех часов. Она зависела от возраста проростков и была зоноспецифичной. Рост апикальной зоны 5 мм длиной стимулировался под действием красного света, а субапикальной зоны сначала ингибировался, а затем стимулировался.
Реакция колеоптиля на световое воздействие зависит также от длины волны и интенсивности света. Причем реакция на слабый свет имеет свою специфичность (Мандоли, 1984; Полевой, 1991; Раденович, 1997; Mandoli, 1982).
Изучение влияния света на рост интактных колеоптилей злаков показало, что кратковременное освещение дальним красным светом обращается красным, синим и белым светом, стимулирующим рост растяжением клеток верхней части колеоптиля, но снижающим рост его базальной части. Про-должительный синий свет (1,65 Вт м" ) подавляет рост всех частей колеоптиля. Рост изолированных колеоптилей овса ускоряется красным светом в низких дозах (от 10 до 50 Дж м ). У апикальных отрезков этих колеоптилей после кратковременного освещения ускорение удлинения клеток продолжается около 50 минут. Краткие импульсы синего света действуют на отрезки колеоптилей как красный свет, и его эффект часто обращается дальним красным светом. Слабый синий свет (1,8-6,4 Дж м" ) при длительном действии временно снижает скорость роста отрезков колеоптилей овса, а сильный (400 Дж м ) — сначала стимулирует, а затем снижает. Рост колеоптилей может усиливаться также на 10-20% зеленым светом в зависимости от возраста (Mandoli, 1982).
Рост мезокотилей также очень чувствителен к свету, но в отличие от роста колеоптилей, действие света в этом случае не зависит от возраста проростка (Полевой, 1991). Красный свет низкой интенсивности от 10 до 10"3 Дж м 2 снижает удлинение мезокотилей овса на 15%, от 10" до 102 Дж м"2 — подавляет на 50%, и этот эффект обращается дальним красным светом. Красный свет высокой интенсивности (до 10 Дж м" ) ингибирует рост примерно на 50% и необратим дальним красным светом. Действие красного света зависит больше от продолжительности освещения, чем от общей освещенности. Как и у колеоптилей, низкоэнергетические ответы мезокотилей опосредуются фитохромом, а высокоэнергетические — криптохромом (Kunzel-mann, Schafer, 1985; Kunzelmann et al., 1988).
Особенности роста и развития проростков пшеницы в контролируемых условиях выращивания
При почвенном прорастании установлено, что в условиях темноты рост эпикотиля активируется через 120 часа после начала опыта, что совпадает с началом ингибирования роста колеоптиля. В итоге наблюдался вынос эпикотиля на поверхность почвы (30 мм выше уровня почвы). При освещении рост эпикотиля отставал от роста в условиях темноты и начинал инги-бироваться при достижении размеров 60 мм. Таким образом, механические нагрузки почвы оказывают стимулирующее воздействие на рост эпикотиля, ингибируясь световым потоком.
Природа передачи механического воздействия от колеоптиля на эпико-тиль не совсем понятна. С одной стороны, из структуры проростка пшеницы ясно, что колеоптиль является жёсткой структурой и должен снимать эффект воздействия почвенного давления на внутренние органы проростка. С другой стороны, эпикотиль должен испытывать гравитационное давление главной почки и первых сформированных листьев при вертикальном прорастании, а также давление, вызванное трением первого листа о внутренний эпидермис колеоптиля. Исходя из этих соображений, эпикотиль должен «чувствовать» вес побеговой части проростка. Максимальная нагрузка на эпикотиль приходится на момент прорыва колеоптиля первым листом.
Доказательством действия механических нагрузок на эпикотиль служит его осевая деформация в условиях отсутствия тургорного давления. Рисунок (прил. рис. 2) показывает потерю устойчивости конструкции у эпикотиля при воздействии фиксатора ФУС на проростки с интактным колеоптилем и первым листом, имеющим такие размеры, когда кончик листа изнутри вплотную примыкает к верхушке колеоптиля, не нарушая её. Как известно (Прозина, 1976) при действии фиксаторов на живую ткань происходит в первую очередь потеря тургорного давления. В этих условиях ткани с эластичным клеточными стенками в присутствии как внешних, так и внутренних напряжений могут подвергаться деформации. Нами был отмечен факт деформации эпикотиля проростков, выросших в полной темноте, находящиеся в фазе своего развития, при котором первый лист еще не прорвал колеоптиль. При этом, участоки тканей колеоптиля, вплотную примыкающие к эпикоти-лю не деформировлись, указывая на то, что проростки не испытывали никаких внешних механических давлений. Деформация апикальной части первого листа, испытывающей давление со стороны верхушки колеоптиля, в этих условиях показывает, что эпикотиль испытывает именно осевую нагрузку со стороны побеговой части, а не деформируется под внутренним действием остаточных напряжений на сжатие в своих тканях. Деформация именно этих участков в проростке пшеницы при отсутствии тургорного давления указывает на происходящие в них активные процессы роста растяжением и, как следствие, первичность строения клеточных стенок. Остальные участки тканей не подвержены заметным деформациям вследствие наличия в них хорошо развитой проводящей системы.
Рост первого листа также зависит от света и механических нагрузок. Максимальные размеры в конце опыта имел первый лист у проростков, вы-расших на свету в почве. Почвенные нагрузки оказывали также заметное стимулирование ростовых процессов роста данного органа при почвенном прорастании в полной темноте, хотя конечные размеры первого листа в этом варианте опыта были несколько меньшими. При условиях освещения на поверхности почвы рост первого листа по-видимому ингибировался высокой интенсивностью света, приходящей на все органы проростка. Его длина была примерно в два раза меньше длины первого листа проростков в условиях почвенного прорастания на свету. Это объясняется, по нашему мнению, строгой упорядоченностью светового потока относительно фотозависимых органов проростка и его адаптированным по интенсивности градиентом внутри тканей. В темноте на поверхности почвы рост первого листа заметно ингибировался.
Характер роста второго листа полностью соответствует таковому первого листа во всех вариантах опыта. Третий лист показывает чёткую зависимость от наличия светового фактора — варианты опыта на свету как при почвенном прорастании, так и при поверхностном показывают самые большие величины линейных размеров этого органа. Следует отметить, что высокая интенсивность света на поверхности почвы несколько снижают активность роста третьего листа. Чувствительность к механическим нагрузкам почвы на фоне светового фактора играет меньшую роль, хотя и оказывают заметное влияние в условиях прорастания в полной темноте.
Сходная картина ростовой активности третьего листа наблюдается и у четвёртого. Разница проявляется только в увеличении отрыва скорости роста четвёртого листа на свету при подземном прорастании и в меньшем разбросе значений линейных размеров листьев у остальных вариантов опыта.
Наряду с различием в скорости роста указанных органов проростка на свету, изменяется и характер морфогенеза главной почки зародыша — наблюдается закладка пятого и шестого листовых примордиев.
Таким образом, исследования, проведённые в полевых и лабораторных условиях показали влияние на рост органов проростка светового фактора и почвенного давления. Действие данных факторов влияет на синхронность ростовой активности колеоптиля, эпикотиля и трёх зародышевых листьев. Чувствительность к свету и механическому давлению указанных органов различна и оба этих фактора влияют на рост растительных структур с взаимоисключающим эффектом. Механическое давление почвы изменяет порядок синхронизации активности роста различных органов проростка пшеницы.
Как вытекает из последовательности развития органов проростка пшеницы — колеоптиля, эпикотиля, листьев — в ходе онтогенеза происходит постепенное становление системы регуляции гомеостаза растения. Результатом этого является существующая этапность в дифференциации клеток. Очевидно, доминирующее влияние одних органов должно переходить к другим, чье значение на данном онтогенетическом этапе более существенно, то есть в онтогенезе постоянно должна осуществляться настройка каждого из компонентов системы с сохранением общей тенденции поддержания целостности растения. В конкретных условиях среды каждый из элементов системы регуляции выполняет роль своеобразного «резонатора», обеспечивающего настройку и поддержание общего гомеостаза растительного организма в конкретных условиях среды.
Анатомическое строение колеоптиля
Анатомическая организация является определяющей в распределении светового лучей, поэтому необходимо выявить те структуры, которые могут выполнять функции пространственной организации светового потока, и возможные пути его распределения. При этом необходимо учитывать, что форма, организация клеточных оболочек и выполненность клеток вносит свой вклад в оптические свойства ткани. Рассматривая органы в развитии, нужно помнить, что ростовые процессы влияют на перечисленные выше параметры, что неизменно влечет к изменению оптических свойств и эти изменения у высокоспециализированных фоточувствительных структур должны носить направленный характер.
Изучение анатомического строения колеоптиля выявило наличие специфической организации трех зон: верхушки, средней части и основания.
Верхушка колеоптиля состоит из мелких изодиаметрических клеток, которые располагаются в пять слоев (прил. рис. 3). Толщина тканей между внутренней полостью, где находятся зародышевые листья, и поверхностью эпидермиса составляет 0,190±0,07 мм и практически не изменяется в процессе роста колеоптиля. Цитоплазма клеток гомогенная, с мелкими вакуолями, межклетники отсутствуют. Проводящие пучки в этой части колеоптиля представлены 6-8 короткими толстыми кольчатыми сосудами протоксилемы, иногда вильчатыми, суженными к концу и имеющими неравномерную утол-щешюсть вторичной оболочки. Проводящие пучки разветвляются в двух направлениях: 3-4 сосуда идут в направлении верхушки, остальная часть плавно изгибается в направлении более толстой стенки колеоптиля и входит в нее.
Таким образом, проводящие пучки в верхушке ассиметрично располагаются на продольной оси эллиптического поперечного сечения этой зоны и изгибаясь заходят на более толстую стенку колеоптиля. Флоэмные элементы и склеренхимные клетки в проводящем пучке верхушки колеоптиля не отмечаются. Прилегающие к ксилемным элементам клетки паренхимы, мельче, чем паренхимные клетки, образующие собственно верхушку, и радиально располагаясь вокруг кольчатых сосудов проводящего пучка, нарушают правильные ряды клеток верхушки. Необходимо отметить, что как в верхушке, так и в нижележащей зоне размером 2 мм различаются не окончившие дифференциацию кольчатые и спиральные сосуды ксилемы с хорошо различимыми остатками клеточного содержимого, что особенно характерно для 42-часовых колеоптилей.
В зрелых колеоптилях дифференциация этих элементов проводящего пучка заканчивается, что подтверждается увеличением спиральных и кольчатых утолщений их клеточной стенки, вместе с этим наблюдается образование новых сосудов ксилемы по всему проводящему пучку. Диаметр проводящих элементов в верхней части колеоптиля равен 6,75-9,00 мкм, а поперечное сечение всего проводящего пучка составляет 67,5 мкм. При движении в бази-петальном направлении по оси колеоптиля проводящий пучок увеличивается в диаметре и вместе с этим увеличивается число спиральных сосудов, достигающее максимума в средней части. Здесь же находятся два спиральных сосуда с расстоянием между утолщениями 4,5 мкм и шесть сосудов с расстоянием между утолщениями 1,8 мкм.
Расстояние между утолщениями вторичной клеточной оболочки увеличивается по мере роста колеоптиля и зависит от его зоны. Так, в верхушке колеоптиля эти утолщения вплотную примыкают друг другу, что особенно характерно для кольчатых сосудов. Чем дальше располагается зона колеоптиля от его верхушки или чем более зрелым становится этот орган, тем больше кольчатые и спиральные утолщения ксилемных клеток отходят друг от друга. В базальной части колеоптиля кольца ксилемных элементов переходят в наклонное положение, видны кольчатые и спиральные клетки, подверженные сильному растяжению с разрывом оболочки.
Ксилемные элементы располагаются ближе к внутреннему эпидермису колеоптиля. Диаметр проводящего пучка 112,5 мкм, а поперечное сечение проводящих элементов 11,25 мкм. В средней части колеоптиля у проводящего пучка хорошо различима обкладка, в которой, у колеоптилей выращенных на свету, содержится большое количество мелких хлоропластов. У этиолированных колеоптилей обкладка проводящего пучка пигментирована кароти-ноидами.
В средней части колеоптиля начинает дифференцироваться флоэма. В этиолированных колеоптилях во флоэме находятся клетки с симметрично расположенными относительно ядра вакуолями (прил. рис. 4). Эти клетки не выявляются у колеоптилей, выращенных на свету.
В основании колеоптиля в проводящем пучке также отмечаются сосуды с кольчатым и спиральным утолщениями, однако в этой зоне преобладающими становятся кольчатые ксилемные элементы. Диаметр проводящего пучка ПО мкм, а поперечное сечение проводящих элементов 4,5-6,75 мкм. Хорошо различимой является обкладка пучка, состоящая из непигментиро-ванных клеток.
Условия выращивания влияют не только на скорость дифференциации проводящей системы колеоптиля, но также на степень развития клеточной оболочки, которые выше при выращивании растений на свету. Соотношение диаметра к толщине оболочки ксилемного сосуда у этиолированных и выросших на свету колеоптилей составляет 0,153±0,004, но утолщения клеточной оболочки менее выражены у этиолированных колеоптилей.
В паренхиме колеоптиля нами выявлены клетки двух типов: содержащие мелкие хлоропласты, прилегающие к обкладке пучка и образующие су-бэпидермальный хлорофиллоносный слой, и непигментированные, расположенные в центральной части паренхимы и содержащие крупные лейкопласты. В непигментированных клетках вакуоль занимает центральное положение, а ядро и лейкопласты — пристеночное. Это самые длинные клетки паренхимы колеоптиля. После прорыва колеоптиля первым листом на месте непигментированных, центрально расположенных клеток паренхимы в результате разрушения клеточных стенок образуются воздушные полости.
Основание колеоптиля состоит из мелких непигментированных парен-химных клеток, с мелкими вакуолями и не имеющих четкого осевого расположения (прил. рис. 5). В этой части колеоптиля хорошо развиты межклетники.
Таким образом, изученные зоны колеоптиля действительно должны обладать различными оптическими свойствами. Оптическая однородность верхушки обеспечивает восприятие света с минимальными потерям. Зоны, лежащие ниже верхушки, напротив рассеивают свет вследствие хорошо развитых межклетников и многочисленных клеточных слоев с различными оптическими плотностями (клеточная стенка-вакуоль-цитоплазма), причем максимум рассеивания света приходится на основание колеоптиля. Особенность расположения паренхимы вокруг проводящих ксилемных элементов в верхушке, представляющее собой строго ориентированные на проводящий пучок ряды клеток, позволяет рассматривать данную структуру как оптический вход в светопроводящую систему колеоптиля.
