Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Физико-географические особенности Юга Сахалина 9
1.1 Рельеф 9
1.2 Климат 12
1.2.1 Температура 14
1.2.2 Осадки 18
1.2.3 Облачность 22
1.2.4 Ветер 24
1.3 Почвы 25
1.4 Растительность 28
Глава 2 Формирование однолетних стеблей взрослых деревьев и степень изученности структурных преобразований в них 37
2.1 Клеточные аспекты роста растений 38
2.2 Закономерности морфологических проявлений в ходе роста 42
2.3 Внутреннее строение однолетнего стебля взрослых деревьев 44
2.4 Формирование структуры однолетнего стебля в течение вегетационного периода 63
Глава 3 Объекты и методика исследования 68
3.1 Методика сбора материала 71
3.2 Методика изготовления постоянных препаратов 74
3.3 Обработка и анализ материалов 75
Глава 4 Анатомическое строение однолетних стеблей 76
4.1 Строение однолетнего стебля голосеменных растений 76
4.2 Строение однолетнего стебля некоторых покрытосеменных 99
4.3 Диагностические признаки однолетних стеблей 135
4.4 Ключ для определения исследованных видов Сахалина по анатомически признакам однолетних стеблей 136
Глава 5 Развитие структуры однолетнего стебля в течение вегетационного периода 139
5.1 Морфологические особенности роста однолетних стеблей 139
5.2 Сезонная динамика структуры стебля представителей семейства Pinaceae Lindl 144
5.2.1 Соотношение тканей в сформировавшемся стебле 144
5.2.2 Сезонные изменения тканей в стебле сосновых 148
5.3 Формирование структуры однолетнего стебля представителей покрытосеменных 164
5.4 Выводы 191
Глава 6 Обсуждение результатов 193
Выводы 199
Литература 202
Приложение
- Рельеф
- Клеточные аспекты роста растений
- Методика сбора материала
- Строение однолетнего стебля голосеменных растений
Введение к работе
Актуальность исследования
Не менее важной проблемой на современном этапе развития ботаники, чем сохранение биоразнообразия, является исследование структур и физиологических процессов, так как только на основе знания внутреннего строения и процессов жизнедеятельности можно решать проблемы рационального использования естественных растительных сообществ, повышения продуктивности как естественных, так и искусственных фитоценозов, разрабатывать методы и способы управления процессами роста и развития растений, и, в конечном счете, решить проблему продовольствия и сохранения биоразнообразия.
До сих пор главенствующим направлением в области структурной ботаники является изучение дефинитивной структуры организмов и ее изменений под влиянием экологических факторов.
Вопросам динамики формирования структур, до настоящего времени уделяется значительно меньше внимания. Без знания же процессов формирования тканей и органов невозможно говорить о решении проблемы управления ростом и развитием, повышении устойчивости к болезням и вредителям, улучшении селекционным путем качества естественных и искусственных фитоценозов.
Очень актуальны такие исследования на Дальнем Востоке и в Сибири, богатейшая флора которых в этом плане абсолютно не изучена, а состояние лесных фитоценозов требует переориентации потребительского отношения к ним на ресурсосберегающее и природоохранное.
Цель исследования: изучение процесса становления анатомической структуры однолетних стеблей взрослых деревьев в условиях южного Сахалина.
Задачи исследования
Изучить анатомическое строение однолетних стеблей взрослых деревьев некоторых видов аборигенной флоры и интродуцентов.
Выявить структурные признаки однолетних стеблей, оценить их диагностическую значимость и возможность применения для целей научной, технической и криминалистической диагностики.
Проследить процесс формирования общей структуры стебля и его тканей в течение вегетационного периода.
Выявить общие закономерности и специфические особенности процесса становления анатомической структуры однолетних стеблей.
Научная новизна работы
Впервые на примере десяти сахалинских и двух интродуцированных видов голо- и покрытосеменных древесных растений по единой методике и на сравнительном материале изучено анатомическое строение однолетних стеблей, доказана диагностическая ценность структурных признаков коры и древесины, прослежен процесс развития внутреннего строения в различных частях однолетнего стебля по высоте, прослежены общие закономерности и специфические особенности становления внутренней структуры в условиях южного Сахалина. Установлено соотношение различных тканей в стебле и их динамика в разных междоузлиях. Зафиксированы даты начала и окончания процессов формирования тканей стебля.
Теоретическая и практическая значимость
Впервые проведено в динамике детальное описание анатомического строения однолетних стеблей, что позволило выявить признаки, имеющие диагностическое значение, которые использованы при составлении ключа, рекомендованного для определения видовой принадлежности образцов при проведении научной, технической и криминалистической экспертиз.
Установленные временные рамки формирования тканей позволят обосновать наиболее оптимальные сроки прививок в селекционных целях и при создании маточных плантаций.
7 Диагностические качественные и количественные признаки делают возможным применение исследованных видов в целях экологического мониторинга.
Полученные материалы могут быть использованы при составлении монографических описаний таксонов, представители которых послужили объектом исследования. Сведения по анатомии стебля будут полезны при изучении курса анатомии и проведении больших спецпрактикумов в ВУЗах на биологических и экологических специальностях.
Положения, выносимые на защиту
Анатомическая структура однолетнего стебля 12 видов древесных растений при сходстве топографии и гистологии тканей обладает значительным количеством специфических особенностей, имеющих диагностическое значение на уровне вида.
Процесс становления дефинитивной структуры однолетних стеблей, не зависимо от региона обитания, подчиняется общим закономерностям, однако реализация программы формирования стебля сопровождается специфическими особенностями, присущими каждому виду.
Климатические условия региона вносят некоторые коррективы в процесс формирования стебля и степень развития тканей инорайонных видов (даты начала и окончания дифференциации тканей, количество пробки в нижнем и верхнем междоузлиях и др.), что необходимо учитывать при интродукции растений на Сахалине.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы были доложены или представлены на VIII Молодежной конференции ботаников в Санкт-Петербурге (2004), VII Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (Москва, 2004), I (IX) Международной конференции молодых ботаников в Санкт-Петербурге (2006), 3 Международном конгрессе ботанических садов (Ухань, 2007), XII съезде РБО (Петрозаводск, 2008), на заседаниях Ученых Советов Института морской
8 геологии и геофизики (ИМГиГ) и Сахалинского ботанического сада Дальневосточного отделения Российской Академии Наук (2005 - 2008).
По теме диссертации опубликовано и депонировано 5 статей, в том числе 1 в рекомендованном ВАКом издании, тезисов докладов - 3.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 255 страницах, проиллюстрирован 67 рисунками и фотографиями, приложение содержит 23 таблицы. Список цитированных работ включает 311 названий, в том числе 94 на иностранном языке.
Благодарности
За постоянную помощь и поддержку в процессе работы выражаю искреннюю благодарность научному руководителю, профессору, д.б.н. Еремину В.М., зав. лабораторией островных экологических проблем ИМГиГ ДВО РАН, к.г-м.н. Побережной Т.М., с.н.с. этой лаборатории, Ученому секретарю ИМГиГ, к.б.н. Копаниной А.В., директору Сахалинского ботанического сада ДВО РАН, к.б.н. Тарану А.А. и заместителю директора по научной работе Сахалинского ботанического сада, к.б.н. Чабаненко СИ.
Рельеф
Юг Сахалина представляет собой чередование вытянутых в меридиональном направлении горных хребтов и долин. Самый высокий горный хребет - Сусунайский. Он достигает высоты 1047 м и расположен на северо-востоке этой части острова и расчленен узкими и крутосклонными (40 — 60) долинами рек, в которых террасы появляются только при выходе за пределы хребта. С востока и севера хребет омывается Охотским морем, с запада расположена Сусунайская долина, а на юге он переходит в Корсаковское плато, имеющее высоту 100 — 180 м н. у. м., представленное древней абразионной равниной, расчлененной реками и оврагами. В долинах рек насчитывается до 4 террас. Плато имеет общий уклон к югу. К востоку от него лежит Муравьёвская низменность, сформировавшаяся на месте пролива между ним и Тонино-Анивским низкогорным хребтом.
Поверхность низменности волнистая, слабо расчлененная пологосклонными долинами рек и котловинами крупных озер лагунного происхождения, большинство которых связано с морем протоками. Крайнюю юго-восточную окраину Сахалина - Тонино-Анивский полуостров, занимает низкий (в среднем 300 - 500 м), Тонино-Анивский хребет. Западный его склон, к которому примыкает небольшое возвышение - Новиковское плато, менее крутой, чем восточный. К западу от Сусунайского хребта и Корсаковского плато лежит Сусунайская низменность, переходящая на юге в бухту Лососей Анивского залива, а на севере — в Охотское море. По центральной части протекают 2 реки: Сусуя, впадающая в бухту Лососей, и Большой Такой, впадающий в реку Найба недалеко от ее устья на побережье Охотского моря. Ширина равнинного днища низменности — от 6 до 23 км. По краям долины развита лестница узких уступов, переходящих в предгорья. На севере и юге долина постепенно сливается с морской террасой, оконтуренной песчаными косами и высокими дюнами. К западу от Сусунайской низменности расположены Западно-Сахалинские горы, уходящие на север более чем на 500 км, а на юге завершающиеся полуостровом и мысом Крильон. Они представляют собой систему в целом параллельных горных гряд, которые вытянуты в северо-западном и северо-северо-западном направлении (Пармузин, 1967). Из них настоящими горными хребтами являются только 3: Южно-Камышовый хребет, и отходящие от него в юго-восточном направлении хребет Шренка и Мицульский хребет. Между Южно-Камышовым хребтом и хребтом Шренка зажата долина реки Найба. Между Южно-Камышовым и Мицульским хребтами располагается другая долина — самой крупной реки юга Сахалина - Лютоги, которая течет на юго-восток в бухту Лососей и в совсем недавнем геологическом прошлом также выходила в Сусунайскую низменность, вбирая в себя реку Сусуя. Днища долин Лютоги и Найбы широкие, террасированные. Высота террас достигает 50 м. На северо-западе региона среди горных гряд изолированным горным массивом стоит гора Спамберг - самая высокая точка южной части Западно-Сахалинских гор - 1021 м. Остальные горы этой части юга Сахалина, как правило, не достигают и 800 м над уровнем моря. Большая часть горных гряд резко расчленена поперечной речной сетью. Преобладают крутые склоны, на которых развиваются оползни, лавины, камнепады. В районе перешейка Поясок Западно-Сахалинские горы низкие и имеют вид высоких и нередко очень крутых холмов (Пармузин, 1967).
Находясь на границе между континентом Евразии и Тихим океаном, о. Сахалин попадает в зону муссонной циркуляции, где происходит сезонная смена воздушных течений, возникающих под влиянием термических контрастов между континентом и океаном. Зимой воздушные потоки перемещаются с материка в сторону Тихого океана, а летом - с моря на материк. Влияние географической широты как фактора, определяющего приход солнечной радиации, на Сахалине в значительной мере ослаблено большой облачностью и частыми туманами, обусловленными циркуляцией воздушных масс и воздействием подстилающей поверхности окружающих морей. Они то и являются основными климатообразующими факторами.
Для муссонного климата характерно чередование дождливого и сухого периодов. Дождливый период характерен для второй половины лета, весна же и начало лета характеризуются незначительным количеством осадков.
Особенностью Сахалина является то, что он располагается вблизи границы муссонного и океанического климатов. Поэтому влияние сухого зимнего муссона на этой территории ослаблено. Наоборот, нередки подходы тропических циклонов, вызывающих в Японии сильные дожди, а на Сахалине — обильные снегопады. В результате снежный покров зимой на острове значительно мощнее, чем даже в большинстве районов северо-западной части Евразии с умеренно-континентальным климатом. Зима на Сахалине более мягкая, а лето, наоборот, более прохладное, чем на прилегающих территориях материка. Этому способствует также позднее стаивание накопившегося за зиму глубокого снега, что существенно отличает климат Сахалина от прилегающих районов Японии и даже крайнего юга Курильской гряды. Еще одна особенность, характерная также для Курил и северо-востока о. Хоккайдо, -влияние в первой половине лета холодного охотоморского антициклона. Он формируется над Охотским морем в конце весны. В это море не проникают теплые течения, а зимой происходит сильное выхолаживание воды воздушными массами, формирующимися над бассейнами рек Колымы и Лены (Витвицкий, 1961). В результате зимой море почти полностью замерзает, а летом плавучие льды сохраняются до июля. Антициклон делает начало лета в находящихся под его влиянием районах еще более прохладным, а кроме того, до своего разрушения почти не пропускает к Сахалину океанические циклоны. Поэтому до середины июля в глубинных районах острова нередко почти не бывает дождей. В прибрежных же районах, наоборот, отмечается продолжительная холодная мелкая морось.
В пределах Сахалина выделяют 3 климатические области. Г. Южно-Сахалинск расположен в южно-сахалинской климатической области, занимающей часть Сахалина к югу от перешейка Поясок. В пределах этой области зимняя циклоническая деятельность выражена особенно ярко. Летом и осенью на этой территории осадков также больше, чем в более северных районах, где влияние летнего муссона несколько ослаблено. Т. е. это наиболее увлажненный район Сахалина. Это также и самый теплый район острова. Горный рельеф обусловливает разграничение территории юга острова на отдельные климатические районы, которые могут значительно отличаться друг от друга по своим погодным условиям. В пределах Южно-Сахалинской климатической области А.И. Земцова (1968) выделяет 3 климатических района: 1) юго-западное побережье и южная часть Камышового хребта (западный климатический район); 2) район Южно-Сахалинской низменности, в который включается, кроме самой Южно-Сахалинской (Сусунайской) низменности, также побережье бухты Лососей - северной части залива Анива; 3) юго-восток Сахалина. Первый из этих районов находится под влиянием теплого течения как на Западном побережье, так отчасти и на юго-восточном. Влияние теплого течения с востока связано с тем, что через пролив Лаперуза проникают теплые воды ответвления Цусимского течения — течение Соя. В западном климатическом районе самая теплая в пределах острова многоснежная зима, наиболее теплое лето, наименьшее число дней с туманами. В Южно-Сахалинской низменности, в которой расположен Сахалинский ботанический сад, ее долинное положение определяет большую, чем в двух других районах, континентальность климата. Зима здесь наиболее холодная в пределах климатической области. Юго-восток Сахалина находится под влиянием холодных вод Охотского моря. Лето здесь холоднее, чем в Южно-Сахалинской низменности, зима теплее. Рассмотренная схема районирования лишь отчасти отражает реальное разнообразие местных климатических условий.
Клеточные аспекты роста растений
Мы не ставили себе целью изучение роста растений на клеточном уровне, однако анализ данных этого характера роста необходим для более полного понимания процесса формирования тканей стебля на уровне тканей. Клеточные основы детально обобщены в крупных работах В.Ф. Раздорского (1949), Ю.В. Гамалея (1972; 1981 а, б; 2002; 2004), М.Ф. Даниловой (1974), В.Б. Иванова (1974), А.Л. Курсанова (1976). На основе анализа процессов развития апексов корня и стебля В.Б. Иванов (1974) выявляет их общие закономерности в этих точках роста. Тем не менее, в апексах стеблей процессы морфогенеза более сложны, что связано с формированием примордиев и образованием листьев.
Отмечая справедливость выделения в процессе онтогенеза клетки отдельных этапов, он подвергает сомнению целесообразность вычленения стадии растяжения, так как уже на этом этапе происходит резкое усиление перестройки структуры клетки (развитие вакуолей, появление новых органелл цитоплазмы). Темпы растяжения менее значительны в клетках стебля, чем корня. Одновременно с растяжением происходит их деление, т.е. переход к растяжению не связан с прерыванием митотического цикла (Strange, 1965). В более поздних работах В.Б. Иванов (1985) отмечает, что регуляция процесса перехода клеток к растяжению имеет ключевое значение в регуляции роста растения как целостного организма.
Деятельность латеральной меристемы - камбия, детально проанализирована Л.А. Лебеденко и А.А. Яценко-Хмелевским (1984). К настоящему времени выявлено происхождение камбия в процессе эволюции стебля, его общая характеристика, цитологические механизмы размножения клеток этой латеральной меристемы, зависимость его деятельности от экологических факторов (Лобжанидзе, 1961; Рой, 1996). Особенно значителен вклад в изучение этой меристемы J.W.Bailey (1920), установившего два морфологических типа камбия: ярусный и неярусный.
Монография Ю.В. Гамалея (1972) посвящена одной из центральных проблем биологии - клеточной дифференциации. В работе обобщены мировые данные по дифференцировке водопроводящих элементов ксилемы. На основе собственных и литературных данных Ю.В. Гамалей детально анализирует процессы формирования оболочки, образования вакуолей и очищения клеточной полости, указывает на тесную взаимосвязь этих процессов. По мнению автора, следует различать внутрицитоплазматический этап отложения оболочки (синтез и транспорт за плазмалемму исходных веществ) и заключительный этап формирования оболочки, протекающий за пределами цитоплазмы с участием плазмалеммы.
Последующие исследования процесса клеточной дифференциации подтверждают выявленные закономерности и детализируют их ультраструктурный механизм. Установлено, что в процессе формирования ксилемы стенки ее элементов сильно обводнены, но к концу сезона вегетации они дегидратируют, происходит формирование тилл в сосудах (врастание паратрахеальной паренхимы через поры). В дифференцирующихся дериватах камбия микрофиламенты сохраняют осевую ориентировку (Sperry, Donnely,
Tyree, 1988; Utsumi, Sano, Ohtani, Fujikawa, 1996; Crow, Murphy, Culter, 1996; Гамалей, 2004).
Применение в практике анатомических исследований электронного микроскопа резко усилил интерес ученых к динамике формирования структур клетки. Классическим обобщением ультраструктурных данных о клетке и процессах, происходящих в ней, является монография А. Фрей-Висслинга и К. Мюлеталера (1968), в которой значительное внимание уделяется морфологическим аспектам. Представляют интерес сведения о процессах опробковения и кутинизации. Отмечается очень быстрый рост клеток феллемы, однако субериновый слой в их оболочках становится четко заметным только после достижения дефинитивных размеров. Он в виде тонкой мембраны откладывается изнутри на первичную оболочку, в нем сохраняются остатки плазмодесм. От содержимого клетки субериновый слой отграничивается вторичной, а иногда третичной оболочкой. (Wattendorff, 1974).
Исследования ультраструктуры клеток перидермы (Наумова, 1986) позволили установить ее сезонные изменения. К концу периода формирования уменьшается содержание гранулярного компонента в системе ЭПС, он локализуется только в зоне около ядра, заметно увеличиваются количество митохондрий, объем цитоплазмы, протяженность мембран. Более поздние исследования подтвердили эти результаты.
Изучение тонкой структуры клеток камбия позволило выявить, что их ультраструктурная организация в период перехода к покою почти не изменяется в сравнении с таковой в период активной деятельности. Во время покоя резко уменьшается степень вакуолизации, увеличивается объем системы эндоплазматического ретикулюма, возрастает число свободных моносом. Ультраструктурная организация инициальных веретеновидных и лучевых клеток во многом сходна. Активация весной характеризуется резким увеличением степени вакуолизации клеток. Контуры ядра становятся извилистыми, усиливается контрастность всех исследованных мембран (Itoh, 1971; Murmanis, 1971; Лебеденко, Яценко-Хмелевский, 1984; Farrar James J., Evert Ray F., 1994).
У многих растений в тканях стебля формируются различные секреторные структуры, развитие которых на уровне электронного микроскопа исследовано А.Е. Васильевым (1977). В своей монографии он анализирует мировую литературу по этому вопросу. Очень существенны сезонные изменения в эпителиальных клетках смоляных ходов, которые сводятся к следующему: в конце вегетационного периода заметно уменьшается количество гиалоплазмы и органелл (лейкопластов, митохондрий, рибосом и элементов агранулярного эндоплазматического ретикулюма). Менее активным становится аппарат Гольджи, лейкопласты уменьшаются и становятся эллипсовидными, в их строме формируются пластоглобулы. Существенно увеличивается степень вакуолизации.
Особенно интенсивно электронно-микроскопическая техника была использована при изучении ситовидных элементов флоэмы, что позволило внести существенные коррективы в классические взгляды на механизм флоэмного транспорта, но который до сих пор окончательно невыяснен. Начиная с 50-ых годов, в этом направлении активно работали американские исследователи Шумахер, Шривастава, Вудинг и др. (цит. по А.Л. Курсанову, 1976). А.Л. Курсанов обобщил имевшиеся на то время данные по микроструктуре этих элементов. Сезонное развитие ситовидных элементов сопровождается разрушением ядра, деградация которого может быть не окончательной, а ограничивается разрушением ядерной оболочки. Одновременно деструктуризируется тонопласт, при этом может образоваться новая, очень тонкая вакуолярная мембрана, уменьшается количество митохондрий, рибосом, аппарата Гольджи; образуются наросты жемчужно-белого вещества (каллозы) в каналах ситовидных пластинок.
В последние 3 десятилетия тщательно исследована эндоплазматическая сеть всех составляющих элементов флоэмы (Гамалей, 1981 а, б; 1990; 1994; 2002; 2004; Гамалей, Пахомова, 1981). Установлено, что ее сезонные изменения коррелируют с сезонной динамикой фотосинтеза. К началу периода покоя уменьшается пропускная способность ЭС, происходит необратимый коллапс ее каналов, уменьшается количество пластид.
Оценивая результаты исследований динамики развития клеток различных тканей на ультраструктурном уровне, следует отметить, что их интенсивность в последние 10 лет несколько снизилась. Тем не менее, выдвинуты новые гипотезы о причинах многих структурных изменений. Одной из основных причин последних Л.Л. Новицкая видит в нарушении баланса углеводов (Новицкая, 1998).
На первый взгляд изложенные нами сведения не имеют непосредственного отношения к нашей работе, тем не менее, их краткий обзор, позволяет дать целостную картину сезонных изменений в тканях стебля, которые на макро- и микроскопическом уровнях составляют единую систему взаимосвязанных процессов.
Методика сбора материала
Материал для анализа собран в 2005 году, за исключением кедрового стланика (2004г.), как мы уже отмечали выше, на территории Сахалинского ботанического сада ДВО РАН. Формирующиеся стебли текущего года отбирали с трех модельных деревьев каждого вида в средней части кроны с западной стороны. Возраст деревьев составлял 20 — 40 лет. У хвойных для сравнения отбирали как боковые, так и главные стебли. Отбор образцов производили с момента распускания почки через 14-15 дней в течение всего вегетационного периода. Структуру зачаточных стеблей анализировали на стадии внутрипочечного состояния, для чего верхушечные почки брали с деревьев в декабре и апреле. Прирост на каждую дату срезали и целиком фиксировали в 96% этаноле, после недельной выдержки добавляли глицерин в количестве 1/3 от объема этанола. Этанол обеспечивал уплотнение (дегидратацию) материала, а глицерин - придавал эластичность тканям.
В течение всего периода отбора для получения материала использовали одни и те же деревья. Все они имели нормальное развитие, хорошее состояние, признаков повреждения грибными болезнями, вредителями, механическим воздействием не было.
Так как в разные годы у одних и тех же видов, а в один год у разных видов начало периода вегетации не совпадало по времени, то все заметные изменения структур мы соотносим не с конкретными календарными датами, а указываем временной период между проявлением тех или иных изменений, появлением структур и датой начала роста. Календарные даты начала и окончания вегетации приведены в Приложении (табл. 1). Поскольку все таблицы помещены в Приложении, то в тексте мы будем указывать только их номера.
Поперечные и продольные срезы из средней части каждого междоузлия готовили на санном микротоме с замораживающим столиком. Микрообразцы помещали в воду на 25 — 30 минут, чтобы спирт диффундировал в растворитель, после чего объект легче подвергается заморозке и прочнее удерживается на столике. Толщина срезов составляла 10-30 мкм, Затем срезы окрашивали регрессивным способом, помещая в спиртовые растворы сафранина и нильского синего. После окраски срезы проводили через растворы этанола разных концентраций (50%, 75%, 96%). На следующем этапе их обрабатывали карболксилолом и ксилолом, после чего помещали в канадский бальзам. Поскольку после «проводки» через этанол срезы просветляли в карболксилоле, то абсолютный спирт не использовали. Таким образом была использована методика, общепринятая в анатомии растений (Прозина, 1960; Барыкина и др., 2000).
Постоянные препараты готовили только из срезов, полученных от образцов одной модели. Срезы двух других моделей каждого вида использовали в качестве временных препаратов для контроля.
Для описания отдельных элементов участки тканей подвергали мацерации. Из фиксированного стебля нарезали пластинки не толще 1, 5 мм, которые помещали в смесь, состоящую из 100 мл азотной кислоты и 40 мл насыщенного при 20С раствора бихромата калия. В такой смеси пластинки находились 24 часа, после чего их выдерживали 3-5 минут в 5% соляной кислоте и промывали водой. Ткань, прошедшую такую обработку помещали на предметное стекло и расчленяли с помощью препаровальной иглы.
Анализ исследуемых объектов проводили на световых микроскопах Olimpus, Микмед - 2 в проходящем свете. Измерения осуществляли с помощью винтового окуляр-микрометра МОВ-1-15. Для фотографирования использовали микроскоп Микмед — 1, оборудованный цифровой камерой. Часть измерений подвергали математической обработке методом вариационных рядов. Для этой цели проводили 25 или 49 (в зависимости от варьирования признака) измерений. Затем находили среднюю величину (Мер.) и отклонение от средней величины (а). После чего рассчитывали среднее квадратичное отклонение (о), коэффициент вариации (С) и ошибку средней величины (тм).
Помимо названных величин, вычисляли достоверность средней величины (Дм), показатель точности (Р) (Зайцев, 1990).
Следует заметить, что не все показатели подвергались вариационной обработке, так как по некоторым признакам выполнять эту работу нецелесообразно. Все биометрические показатели сведены в таблицы, помещенные в приложении. Данные всех измерений по каждому виду и на каждую конкретную дату заносили в «исходные» таблицы, которые использовали затем для составления «сравнительных» таблиц. Пример «исходной» таблицы приводим в Табл. 2. Таким образом, основным методом исследования был сравнительно-анатомический.
При описании структуры стебля мы пользовались общепринятой терминологией (Яценко-Хмелевский, 1954 а; Эсау, 1969; Чавчавадзе, 1979; Junikka, 1994; Лотова, 2000; Бавтуто, Еремин, Жигар, 2001; Бавтуто, Еремин, 2003).
Строение однолетнего стебля голосеменных растений
Анализ внутреннего строения однолетних стеблей четырех представителей сем. Pinaceae Lindl. показал, что они обладают как чертами сходства, так и отличительными особенностями. Исследованные нами виды сближают:
1. Способ формирования стебля: на основе прокамбиальных пучков. Последние очень четко различимы как на стадии внутрипочечного развития, так и на первых этапах вторичного роста до момента образования сплошного камбиального кольца и первых слоев вторичных ксилемы и флоэмы. Но и после начала вторичного роста расположение первичной ксилемы отдельными участками на границе сердцевины и вторичной ксилемы сохраняется до тех пор, пока центральная часть стебля не будет разрушена грибами.
2. Топография тканей в стебле. У всех видов в центре расположена паренхимная сердцевина, которую окружает годичный слой вторичной ксилемы. На границе между ними, как мы отмечали выше, находятся ксилемные группы (ксилема первичная) открытых проводящих коллатеральных пучков. Вторичная ксилема отграничена от вторичной флоэмы камбием. Первичная флоэма располагается за вторичной напротив групп первичной ксилемы, но эта ткань в результате дилатации паренхимы и облитерации ситовидных клеток в конце первого вегетационного сезона практически неотличима от вторичной флоэмы. Проводящий цилиндр (ксилема и флоэма) окружены мощным слоем паренхимы первичной коры. На первых этапах формирования все названные ткани покрыты эпидермой, но в процессе развития у елей формируются листовые подушки и гиподерма, отсутствующие у пихт и пятихвойных сосен (Еремин, 1978). В первой половине вегетационного периода происходит формирование перидермы, у пихт и пятихвойных сосен субэпидермально, у елей под воздухоносной тканью, листовых подушек.
3. Однотипные проводящие элементы ксилемы и флоэмы (трахеиды и ситовидные клетки).
4. Мощное развитие смолоносной системы в паренхиме первичной коры, представленной основными и дополнительными смоляными ходами. Таким образом, представители сосновых, обитающие на Сахалине, не отличаются в организации общей структуры стебля от видов Евроазиатского и других континентов, исследованных другими авторами (Holdheide, 1944; 1951; Chang, 1954; Еремин, 1975; 1976 б; 1978).
Различия в структуре стебля исследованных видов носят как качественный, так и количественный характер. Количественные различия касаются степени развития тканей и параметров составляющих их элементов. Качественные же отражают или особенности в топографии, обусловленные присутствием гиподермы и воздухоносной ткани у одних и отсутствием их у других, или спецификой морфологии отдельных элементов и структур (форма кристаллов оксалата кальция, их локализация, форма поперечного сечения смоляных ходов, форма клеток феллемы и т.д.). Характеристику этих особенностей мы и даем ниже.
Сердцевина — хорошо развита у всех видов, но наибольший ее диаметр имеет кедровый стланик (2800 - 3000 мкм) и ель аянская (1600 - 1800). В конце вегетационного периода диаметр сердцевины занимает у стланика 25 — 40% диаметра стебля, у пихты 20 - 30%, у ели аянской 20 - 50%, у ели Глена 30 -35%. Количественное участие сердцевины в сложении стебля зависит от степени развития последнего: большее ее участие наблюдается в центральном осевом стебле, меньшее - в боковых. На поперечном срезе ее форма — многолучевая звезда, т.к. между проводящими пучками «заходят» участки паренхимы. Форма клеток на поперечном срезе - многоугольная, округлая, диаметр их колеблется от 29 до 74 мкм у стланика и от 20 до 70 у ели аянской. На продольных срезах клетки вытянуты по оси стебля. Их размер в этом направлении в 2 — 2,5 раза превышает размер поперечника. Клетки живые, содержат многочисленные крахмальные зерна и хлоропласты. У ели аянской среди типичных клеток имеются мешковидные, более крупные танидоносные. Как на поперечных, так и на продольных срезах у елей и пихты хорошо выражена дифференциация клеток по величине. В перимедуллярной зоне диаметр клеток в 2 — 3 раза меньше, чем в центральной части и они более толстостенные (Рис. 10). Клетки сердцевины у стланика и пихты тонкостенные, поэтому они часто деформированы (Рис. 11), у елей - они более толстостенные, округлые и многоугольные по форме поперечника. Сложение клеток плотное, сеть межклетников выражена слабо.
За исключением стланика в сердцевине остальных исследованных видов обнаружена интересная особенность: по оси стебля слои тонкостенных почти прямоугольных, иногда трапециевидных клеток, шириной 200 - 400 мкм чередуются со слоями толстостенных клеток. Их размер по оси органа равен 30 - 50 мкм, толщина двойной стенки больше полости. Стенки слабо лигнифицированы и пронизаны многочисленными поровыми каналами (Рис. 12). У ели аянской такие «перемычки» толстостенных клеток «пересекают» всю сердцевину, у пихты и ели Глена они достигают середины или чуть более, так что две соседние по высоте перемычки перекрывают друг друга. Несомненно, основная функция этих клеток - обеспечение механической прочности растущему стеблю. Только в сердцевине елей нами обнаружены немногочисленные мелкопризматические кристаллы оксалата кальция (Рис. 13).
Первичная ксилема чрезвычайно сходна у всех исследованных видов. На поперечном срезе она представлена небольшими сегментами (ксилемная часть проводящих пучков) (Рис. 10, 11). Трахеиды первичной ксилемы многоугольные в поперечном сечении, имеют длину до 300 - 400 мкм, с длинными наклонными поперечными стенками. В радиальном ряду расположены 4-6 трахеид. Вторичная оболочка в виде спирали, витки которой сближены (Рис. 14). Только у елей нами обнаружены единичные кольчатые трахеиды. Четкими диагностическими признаками на видовом уровне эта ткань не обладает.
Смоляные ходы у ели Глена сосредоточены в периферической части годичного слоя, у ели аянской - почти в средней части, у кедрового стланика -в средней и в периферической части (Рис. 15, 16). У елей эпителиальные клетки толстостенные, лигнифицированные, у стланика — тонкостенные (Рис. 15, 16). Эпителиальные клетки граничат с клетками паренхимной обкладки, которая также различна у стланика и ели. Сердцевидные лучи однорядные (узкие), линейные гетерогенные (краевые клетки стоячие), все клетки (вертикальные и горизонтальные) живые. По высоте не более 5 клеток (5-слойные) (20 - 60 мкм), преобладают 1 - 3-слойные. Плотность лучей на 1 мм поперечного среза различна: у кедрового стланика 13, ели Глена 10-12, ели аянской 8-14, пихты сахалинской 10 - 18. Поры на полях перекреста - типичны для этих видов: оконцевые у стланика, пицеоидные у елей.
