Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 8
1.1. Женьшень настоящий Panax ginseng С.А. Меу биологическая характеристика, распространение, лекарственная ценность, особенности развития в культуре 8
1.2. Мезоструктура и функциональная активность ассимиляционного аппарата 13
1.3. Анатомия листа и условия среды Ї 7
1.3.1. Устьица как объект исследования 17
1.3.2. Влияние экологических факторов на структуру мезофилла листа 20
1.3.3. Изучение структуры листа в онтогенезе растения 24
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 30
2.1. Объекты исследования 30
2.2. Районы исследования 33
2.3. Методы исследования 37
ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение 44
3.1. Онтогенез плантационного P. ginseng 44
3.2. Структура ассимиляционного аппарата листа плантационного P. ginseng 55
3.2.1. Возрастные изменения мезоструктуры листа у P. ginseng в условиях промышленной плантации (г. Дальнегорск) 55
3.2.2. Возрастные изменения мезоструктуры листа и морфометрических признаков вегетативных и генеративных органов у P. ginseng в условиях Спасской плантации 62
3.2.3. Индивидуальная изменчивость количественных показателей устьичного аппарата у одновозрастных растений P. ginseng 65
3.3. Возрастная структура природных популяций P. ginseng
3.4. Мезоструктура листа дикорастущего P. ginseng
3.4.1. Мезоструктура листа P. ginseng в сравнении с модальными классами по признакам мезоструктуры листа для сосудистых растений
3.4.2. Особенности структуры мезофилла листа P. ginseng в сравнении с другими дальневосточными аралиевыми
3.4.3. Изменчивость мезоструктуры листа природных популяций P. ginseng
Заключение
Выводы
Литература
- Женьшень настоящий Panax ginseng С.А. Меу биологическая характеристика, распространение, лекарственная ценность, особенности развития в культуре
- Мезоструктура и функциональная активность ассимиляционного аппарата
- Онтогенез плантационного P. ginseng
- Возрастные изменения мезоструктуры листа у P. ginseng в условиях промышленной плантации (г. Дальнегорск)
Введение к работе
Женьшень настоящий (Panax ginseng С.А. Меу.: сем. Araliaceae) - ценное лекарственное растение. P. ginseng является реликтом третичной флоры, в настоящее время приобрел статус исчезающего растения 1 категории редкости (Харкевич, Качура, 1981) и занесен в Красную книгу РСФСР (Красная..., 1988). Российское Приморье является единственным местом на Земле, где P. ginseng сохранился в дикорастущем виде. Запасы этого вида предельно истощены в результате незаконного сбора растений браконьерами, о чем постоянно сигнализируют статьи в публичной печати ("Май- пора женьшеня?" Красное знамя от 11.05.03; ''Корень жизни", Мир в доме от 23.05.03; "Дикоросы из питомника", Владивосток от 04.06.02). Для определения стратегии выживания вида необходимо проведение всестороннего комплексного изучения этого индивидуума, что является основным положением выполнения программы по реинтродукции женьшеня - восстановлению вида в пределах бывшего ареала (Краевая,.., 1998). P. ginseng еще недавно обитал на юге Дальнего Востока России, севере Китая и в Корее (рис. 1). В настоящее время в двух последних странах растения P. ginseng в дикорастущем виде не встречаются, хотя в большом количестве культивируются на плантациях. Культивируемые формы, к сожалению, не сохраняют разнообразия признаков, присущих виду в целом. Поэтому в анализе наиболее важным моментом было изучение особей из их естественных местообитаний.
Охрана таких видов ставит перед исследователем задачу выявления их полиморфизма различными методами исследования. Генетические методы давно применяются в изучении растений. Однако при исследовании генетического полиморфизма не учитываются продуктивность, адаптивность и онтогенетические аспекты, поэтому А.Т. Мокроносов (1978, 1981) предложил комплексный подход оценки функциональной активности растений в онтогенезе, который объединяет тканевый и клеточный уровни организации фотосиитетического аппарата растений. Использование мезоструктурного анализа даст ценную информацию в изучении биологии P. ginseng. Для выяснения диапазона варьирования мезоструктурных признаков в пределах этого вида привлекались и изучались растения P. ginseng с различных точек ареала. Кроме того, географическое положение района
исследования, которое охватывает обширную часть современного ареала P. ginseng, позволяет выявить особенности организации фотосинтетического аппарата этого вида, связанные с адаптацией.
Цель и задачи исследований
Цель работы заключалась в изучении мезоструктуры листа на различных этапах жизненного цикла растений P. ginseng, произрастающих в естественных местообитаниях и возделываемого в культуре.
Для выполнения этой цели были поставлены следующие задачи:
Изучить онтогенез P. ginseng в условиях плантации и особенности возрастной структуры природных популяций.
Оценить связь мезоструктурных характеристик с определенными возрастными состояниями P. ginseng в естественных местообитаниях и в условиях плантации.
Изучить мезоструктуру листа P. ginseng в сравнении с другими видами сосудистых растений из разных экологических групп.
Провести сравнение структуры мезофилла листа P. ginseng с другими видами семейства Araliaceae.
Выявить мезоструктурные и морфологические признаки листа, по которым имеются существенные различия между растениями P. ginseng из природных популяций.
Работа выполнена в лаборатории биотехнологии Биолого-почвенного института ДВО РАН под руководством академика Ю.Н. Журавлева. Работа частично поддержана грантом ДВО РАН (проект № 04-1-П12-033) "Молекулярные и эколого-физиологические маркеры в популяционно-генетических исследованиях редких видов растений Дальнего Востока". Основные положения, выносимые на защиту
В условиях плантации у P. ginseng 3 возрастных периода и 8 возрастных состояний. Онтогенез плантационного P. ginseng неп одночленный с продолжительным генеративным периодом.
Адаптация растений к условиям среды на структурном уровне происходит путем изменений количественных параметров мезофилла листа.
Женьшень по количественным показателям мезоструктуры листа обнаруживает сциоморфную структуру - низкое пластидное наполнение листа, низкие мембранные индексы клеток и хлоропластов и очень крупные размеры хлоропластов.
Плантационные растения P. ginseng разных онтогенетических групп достоверно отличаются по основным количественным показателям структуры мезофилла листа.
Научная новизна
Впервые исследованы структурно-функциональные характеристики ассимиляционного аппарата P. ginseng в пределах его современного ареала в Приморском крае. Определены структурные признаки фотосинтетического аппарата и диапазоны их варьирования в пределах одного вида. Впервые проведено описание возрастных состояний P. ginseng в условиях плантации. Выявлена связь мезоструктурных характеристик листа с возрастом растения в условиях выращивания.
Теоретическая н практическая значимость
Работа является частью комплексной программы, проводимой в лаборатории биотехнологии по исследованию, сохранению и рациональному использованию ценнейшего лекарственного растения P. ginseng. Полученные оригинальные данные демонстрируют возможность использования "метода мезоструктуры" для изучения особенностей видового уровня в диапазоне условий, наиболее характерных для вида. Анализ причин и закономерностей внутривидовой изменчивости дает ценный материал в выявлении экологического оптимума вида. Сравнительный анализ того же вида в культуре позволяет оценить, насколько условия культуры соответствуют экологическому оптимуму. Результаты исследований могут быть использованы в целях селекции P. ginseng на "светоустойчивость"' и для проведения целенаправленного отбора особей по мезоструктурным показателям с целью повышения продуктивности женьшеневых плантаций. Параметры мезоструктуры листа следует использовать в качестве дополнительных диагностических признаков при регуляции светового режима при выращивании этого вида в условиях культуры. Результаты могут быть использованы другими научными учреждениями, в сводках по анатомии, морфологии и экологии растений.
Благодарности
Мне хотелось бы выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю Ю.Н. Журавлеву за ценные советы, обсуждение и консультации в течение работы над диссертацией. Я признательна О.Л. Бурундуковой за помощь в работе - методическую подготовку, планирование опытов, обсуждение результатов. Я выражаю глубокую благодарность Н.М. Воронковой за помощь в подготовке рукописей статей, за внимание к работе и ценные замечания. Я благодарна сотрудникам Биолого-почвенного института, особенно Ї.А. Безделевой, Т.А. Комаровой, Т.И. Музарок, А.Б. Холиной, О.Г. Корень и Е.В. Бурковской за помощь на разных этапах работы над диссертацией. Отдельно хочется поблагодарить бывшего аспиранта Ю.Н. Судакова за предоставленную часть растительного материала, полученного в ходе индивидуальной поездки, а также В.Ю. Баркалова и сотрудницу Горнотаежной станции Н.А. Коляда за помощь в определении видов семейства Araliaceae.
"\ Хабаровск
КИТ
Рис, 1. Ареал женьшеня настоящего в начале прошлого века (1) и в настоящее время (2).
Женьшень настоящий Panax ginseng С.А. Меу биологическая характеристика, распространение, лекарственная ценность, особенности развития в культуре
Биологическая характеристика
P. ginseng - травянистое многолетнее растение, с 1. реже 2-3 стеблями. Стебель от 20 до 75 см высотой, с мутовкой из 2-5(7) пальчатых листьев, в центре которой находится цветонос. Цветки - актиноморфные, обоеполые, зеленовато-белого цвета, собраны в соцветие - простой зонтик. Плоды крупные, ярко-красные, сверху сплющенные. Плод - сочная синкарпная костянка. Семена обладают глубоким морфофизическим эндогенным покоем (Николаева и др., 1985). Данному виду свойственно недоразвитие зародыша. В естественных условиях P. ginseng размножается семенами (Гутникова, 1941). Примеры вегетативного размножения в природе единичны (Грушвицкий, І961). Корневая система - стержневая с утолщенными главным и боковыми корнями. У этого вида ежегодно формируется удлиненный побег, отмирающий к концу вегетации. Возобновление побега происходит из почки, формирующейся в пазухе верхнего чешуевидного листа в основании побега. По окончании периода вегетации побег отмирает, а его основание с заложившимися на нем почками сохраняется. Ежегодно остающиеся основания отмерших побегов формируют одноглавый каудекс, по их числу приблизительно определяется возраст растения. Жизненная форма P. ginseng может быть определена как летне-зеленый стержнекорневой травянистый поликарпик с удлиненным моноциклическим, монокарпическим побегом (Безделева, 2000).
Наиболее подробное описание этапов индивидуального развития P. ginseng было сделано И.В. Грушвицким (1961), он в качестве критерия, определяющего возрастное состояние, выбрал степень дифференциации надземного побега. Им были выделены следующие этапы: всходы через 2-3 недели после появления переходят в ювенильное состояние, которое занимает конец первого года и второй год развития. Всходы имеют 1-й тройчатосложный лист, а, начиная со 2-го года жизни, когда побег имеет 1, чаще всего пятипальчатосложный лист, ежегодно нарастает по одному листу. 3-й год развития, когда большая часть растений имеет два и даже три листа, связан с наступлением виргинильного периода. Четвертый год характеризуется вступлением большей части растений в зрелое состояние. Переход от одного возрастного состояния к другому у разных особей P. ginseng весьма неоднороден, даже в условиях плантации. И.В. Грушвицкий пользовался определением "формула надземного побега", вероятно, по аналогии с формулой цветка, которая представляет числовые отношения членов цветка. Формула надземного побега отображает не только состав мутовки, но и число листочков в каждом листе, например, формула у особи P. ginseng с мутовкой из 4 листьев, в трех из которых по 5 листочков, а в одном листе 4 листочка будет следующей: 5+5+5+4,
Особенности строения надземного побега, характер его расчлененности определяются уже в состоянии почки и не меняются до осеннего отмирания. В зависимости от условий года, каких-либо механических повреждений почки и т.д. возобновление побега может не происходить в течение года и даже нескольких лет, и таким образом виргинильному побегу, имеющему 2-3 листа, может быть 10-15 календарных лет. Это связано со способностью P. ginseng находиться длительное время в состоянии покоя. Корни у P. ginseng контрактильные, что позволяет им принимать такое положение в грунте, которое обеспечивает более или менее комфортные условия зимующей почке.
Распространение
P. ginseng распространен в Приморском крае на территории 19 современных административных районов, 23 лесхозов, 98 лесничеств (Журавлев и др., 2003). Однако обозначить границы его ареала можно только в общих чертах, так как ревизию таежных урочищ на наличие в них P. ginseng никто специально не проводил. Примерная северо-восточная граница в направлении с востока на запад будет проходить от устья р. Зеркальная до верхних притоков рек Журавлевка и Малиновка (исключая их истоки), далее к устью р. Арму, от него по бассейну р. Леснуха, включая левые притоки нижнего течения р. Хор и до границы с Китаем по р. Уссури. В природе P. ginseng растет одиночно или группами-"семьями". Этот вид предпочитает зрелые густые кедровые, кедрово-чернопихтово-широколиственные грабовые леса (Журавлев, Коляда, 1996). Нетронутые рубкой и пожарами грабовые кедровники определены З.И. Гутниковой (1941) как оптимальные для его развития. Подобные смешанные леса, чрезвычайно многообразные и сложные, объединяются в формацию кедрово-широколиственных. Одна из основных групп этой формации является группа горных кедрово-широколиственных лесов, растущих по влажным горным склонам различной крутизны, обращенных преимущественно на север, восток и запад. Наилучшего развития такие леса достигают на пологих склонах и у их перехода в речные долины лесов (Колесников, Цымек, 1947). P. ginseng отдает предпочтение пологим платообразным в 6-12 склонам северо-западной, юго-восточной, юго-западиой и южной экспозиций (Гутникова, 1941; Баянова, 1941). P. ginseng избегает селиться в долинах и вообще в пониженных местах, но в отдельных случаях он заходит в нижние части склонов и также встречается по водораздельным хребтам. По наблюдениям Ю.Н. Судакова, экспозиция участков существенно не влияет на произрастание женьшеня, но склоны западной и юго-западной экспозиций для него наиболее предпочтительны (Судаков, 2004). По-видимому, более редкая встречаемость его на восточных склонах связана с отрицательным влиянием влажных океанических ветров, которым более подвержены эти склоны. И.В. Грушвицким (1961) было отмечено губительное влияние на женьшень туманов.
Этот вид произрастает на сравнительно богатых, хорошо дренированных почвах, избегая как сухих, так и избыточно увлажненных, но в то же время легко мирится с весьма сильной каменистостью почвы. По данным В.П. Баяновой (1941) он чаще всего встречается на бурых лесных суглинках.
Мезоструктура и функциональная активность ассимиляционного аппарата
Термин мезоструктура, введенный А.Т. Мокроносовым, объединяет клеточный и тканевый уровни организации ассимиляционного аппарата: 1) на уровне целого листа (размеры, толщина листовой пластинки); 2) на уровне клеток мезофилла (число и размеры клеток, объем клетки, приходящийся на один хлоропласт, общая поверхность клеток в расчете на единицу площади листа); 3) на уровне пластидного аппарата (число и размеры хлоропластов в клетке, доля суммарного объема хлоропластов в клетке, число и суммарная поверхность наружных мембран хлоропластов в расчете на единицу площади листа).
Всего охватывается более 20 количественных параметров. Исследование мезоструктуры листа успешно используется в следующих направлениях: а) в исследовании особенностей фотосинтетического аппарата растений разных ботанико-географических зон; б) в изучении развития фотосинтетического аппарата в процессе роста и дифференциации листа (Мокроносов, 1981; Пьянков, Мокроносов, 1993).
Сотрудниками кафедры физиологии растений Уральского университета создана база данных количественных показателей структуры мезофилла листа более 1000 видов растений разных климатических зон: Арктики - о-в Врангеля, Субарктики - Полярный Урал (Пьянков и др., 1984; Пьянков, 1993), бореальной и лесостепной зон Урала и Западной Сибири (Иванова, 2001; Иванова, Пьянков, 2002), пустынь и полупустынь Центральной Азии и Монголии (Пьянков и др., 1993), высокогорных растений Восточного и Западного Памира (Пьянков, Кондрачук, 1995; Пьянков, Кондрачук, 1998; Кондрачук, 1999).
Интерес к количественной характеристике мезофилла листа был привлечен работой F.M. Turrell (1936), в которой он разработал методику определения площади поверхности мезофильных клеток, отнесенную к единице площади листа (Ames/A), но первоначально связал это отношение только с интенсивностью транспирации. Позднее, в работах многих ученых было показано, что анатомическая структура листа, особенно мезофильной ткани - соотношение числа и размеров клеток и хлоропластов, развитие внутрилистовой поверхности, соотношение развития палисадной и губчатой ткани, в значительной степени определяет фотосинтетическую активность листа (Nobel, 1977; Мокроносов, 1978; Цельникер, 1978; Araus et al, 1986).
Для того, чтобы количественно выразить влияние листовой анатомии на фотосинтез, необходимо проанализировать путь обмена СОг в пределах листа. P.S. Nobel (1977), P.S. Nobel и D.B.Walker (1985) исследовали вклад различных сопротивлений в общее сопротивление диффузии газа в лист. При расчете сопротивлений использовали количественные соотношения по аналогии с сопротивлением проводников в электрической цепи (рис. 2). Авторы предлагают определять влияние различных этапов на полный процесс посредством выражения этих этапов в виде последовательных сопротивлений, а в том случае, когда возможны разные тти, то в виде параллельных сопротивлений. Для простоты было предположено, что С02 входит только через нижнюю поверхность листа.
Электрическая цепь аналогичная сопротивлениям диффузии газа СОг в лист на различных участках пути из атмосферы до центров карбоксилирования (Nobel, Walker, 1985).
Источник С02 - воздух окружающий лист (Е - батарея) и С02 выделенный при дыхании и/или фотодыхании в листе (е батарея). Ток / представляет общее поглощение С02 листом, / представляет С02 от дыхания и фотодыхания. Сопротивления, влияющие на диффузионную способность ССь в лист: хгр- границы листа, г„,,„ - кутикулярное, гус - устьичное, г„еї - мезофильное, гвн - сопротивление карбоксилированию.
Таким образом, общая скорость ассимиляции С02 на единицу площади листа J может быть приравнена к падению концентрации С02. АС, проходящее через сопротивление г.
Д = АС:г = (Сокр-С л):г(,йщсс [1]
Сокр - концентрация С02 в воздухе, окружающем лист; С "1 - концентрация С02 в хлоропластах; гоощее - общее сопротивление в виде суммы: rraj + гшл, сопротивлений в газовой и в жидкой фазе. Используя соответствующие отношения в цепи, получили следующие отношения г ггр+(гуехгкут):(гус+гК тх [2] гжид=гмеЧ((1+Гк,1,д):.Т)хГ [3] где }л й представляет плотность потока С02 от дыхания и фотодыхания (аналогично току і на рис. 2). Для того, чтобы представить влияние клеток мезофилла на фотосинтез, авторы предложили убрать влияние устьиц и других аспектов газовой фазы и исследовали только жидкую фазу пути обмена. Тогда уравнение [I] будет выглядеть таким образом: т = (СМЮ-См):гж,,л [4] Смкл - концентрация ССъ межклетника непосредственно примыкающего к клеткам мезофилла. Уравнение [3] можно представить как следующее: гж м = г-:Амез/А, [5] где г"1 - это клеточное сопротивление С02 и Ами/А представляет общую площадь клеток мезофилла, обращенную к воздушному межклеточному пространству и соотнесенную к единице площади листа.
Позднее понятие Анез/А было объединено в основные фотосинтетические модели, имеющие отношение к диффузии С02 в лист. Внутреннее сопротивление диффузии С02, складывающееся из сопротивления диффузии жидкой фазы мезофилла и межклетников определяется следующими анатомическими показателями: толщина листа, размеры клеток, величина межклетников, число клеток и хлоропластов в единице площади. Для обеспечения необходимой диффузии С02 увеличение одного из компонентов должно приводить к снижению другого. В толстом листе возрастает длина межклеточных путей, и, хотя диффузия в газе происходит быстро, толщина листа все же может стать ограничивающим фактором. По мнению А.Х. Лайска (1982) для каждой толщины листа должен существовать какой-то оптимальный размер клеток, создающий минимальное суммарное сопротивление межклетников и жидкой фазы. Увеличение размеров клеток приводит к повышению сопротивления диффузии ССЬ жидкой фазы (возрастает длина пути С02 к хлоропласту в цитоплазме), но это частично компенсируется снижением сопротивления благодаря крупным межклетникам.
Онтогенез плантационного P. ginseng
Многие исследователи проявляли огромный интерес к изучению роста и развития этого вида. Описание этапов индивидуального развития P. ginseng сделано в ряде работ (Имамури Томоэ, 1936; Грушвицкий, 1961; Слепян, 1968; Журавлев, Коляда, 1996). однако диагнозы возрастных состояний до сих пор не выделены. Более ранние работы не соответствуют общепризнанным в настоящее время схемам выделения возрастных состояний (Ценопоиуляции..., 1976). В связи с этим представляет интерес провести описание возрастных состояний у P. ginseng в соответствии с общепринятыми методами их выделения. Целью данного раздела является выделение возрастных состояний в культивируемой популяции P. ginseng. Поскольку это растение редко встречается в природе, то сделать такую работу на дикорастущих особях не представляется возможным. Поэтому плантация использовалась как модель.
В онтогенезе P. ginseng выделены следующие возрастные периоды и состояния. ЛАТЕНТНЫЙ ПЕРИОД Семена (se) P. ginseng (костянки), осыпаясь осенью, прорастают не ранее, чем через 22 месяца (Гутиикова, Воробьева, 1959). Само семя плоское, дисковидное, свободно лежащее внутри косточки. Размеры семени 5-5.5 мм в длину и 3.8-4.2 мм в ширину. Семя с эндоспермом. Данному виду свойственно недоразвитие зародыша (Грушвицкий, 1963). Семена подобного типа нуждаются в длительной стратификации. Высокий процент прорастания был получен при следующем режиме: стратификация при температуре +18...+20С в течение 3 месяцев, затем при +9...+10С 1 месяц и при 0...+3С - 5 месяцев. При этом прорастало 78% семян (Богданова, 1971). Всхожесть семян на плантации составила 72%. Плод - сочная синкарпная костянка. Плоды ярко-красные, их размеры составляют в среднем 1.5 х 0.9 х 0.7 см, с желтой мякотью, сжатые сверху и с боков, содержат две плоские светло-желтые косточки. Последние вдоль верхнего края имеют валик и ясно выраженные жилки по параллельно лежащим канавкам. Поверхность косточки покрыта мелкими бородавочками и такими же углублениями, на ощупь несколько шероховатая. Длина косточки составляет 4-6 мм, ширина до 4.9-5.1 мм, оболочка плотная. ПРЕГЕНЕРАТИВНЫЙ (ВИРГИНИЛЬНЫЙ) ПЕРИОД
Проростки (рис. 5, рГ). Проростки появляются начиная с середины мая. Прорастание подземное, т.е. семядоли остаются в косточке под землей. Семядоли тонкие, выполняют всасывающую функцию, доставляя питательные вещества формирующемуся растению из эндосперма. Сначала появляется зародышевый корешок, который по мере роста углубляется в почву. Далее начинает освобождаться зажатый между семядолями внутри семени единственный тройчатый лист, который сначала появляется на поверхности почвы в виде характерной петли, а затем выходит на дневную поверхность и разворачивается листовая пластинка. Размеры листовой пластинки: длина 3.4-3.6 см, ширина 3.4-4.1 см. Длина и ширина долей листовой пластинки: (3.1) 3.3-3.5 см и 1.5-1.7 см, соответственно. Край листа двояко городчатыи, характерно опушение нижней части листа мягкими простыми волосками. Длина и диаметр листового черешка 6.7-7.2 см и 0.7-0.9 мм, соответственно. Сформированный проросток имеет розеточный побег с единственным тройчатым листом, пшокотиль (2-4 мм) и неразветвленный главный корень 4.5-5.2 см в длину и 2-3 мм в диаметре. Семядоли, оставшиеся в семени, через 3-4 недели отмирают. Отмирание служит условной границей перехода растения в следующее возрастное состояние - ювенилъное (рис. 5, у), которое продолжается до конца сентября начала октября. У ювенильных растений в корневой системе наблюдаются количественные изменения: главный корень разрастается до 7.8-8,2 см в длину и 5-9 мм в диаметре и у него появляются боковые корни II порядка.
Имматурное состояние (рис. 5, 1т). На следующий год жизни особи из верхушечной почки возобновления формируется моноподиально нарастающий побег (рис. 6). Особь имеет единственный ассимилирующий пальчато-сложный лист (пятерной) на удлиненном черешке (2.5-3 см). Из пяти листочков самый крупный -терминальный (4-6.5 см длины), а самые маленькие и нередко ассиметричиые -боковые (длиной до 3.2-3.4 см). Листочки по краю мелкопильчатые, с очень редкими волосками с нижней стороны. Стеблевая часть в основании побега несет 2 чешуевидных листа, в пазухах которых закладываются почки возобновления (рис. 6). Покровные почечные чешуи в количестве от 3 до 4, мясистые, белого цвета. В дальнейшем возобновление происходит из верхней почки, а нижняя почка в пазухе неопадающей некоторое время почечной чешуи остается спящей. Корневая система стержневая, от главного корня отходят боковые двух порядков, их число варьирует от 3 до 6. Главный корень четко выражен, светлый, до 19-22 см дл. и 9-17 мм в диам. За счет контрактильной деятельности корней на них образуются поперечные кольцевые морщины, особенно хорошо выраженные на главном корне. Ежегодно отмирающие основания надземных побегов начинают формировать одноглавый каудекс, который в первые годы остается вертикальным.
Виргинилъное молодое состояние (рис. 5, V/). На 3-й год жизни особи из почки возобновления, сформированной к началу предыдущей осени, развивается симподиально нарастающий побег. В дальнейшем, на протяжении всего онтогенеза, особи, развиваются только удлиненные м оно циклические побеги - моноподиальный тип нарастания сменяется симподиальным (рис. 6). Особи высотой от 9 до 12 см имеют 2 сложных листа, которые могут быть 5- ,4- ,3-пальчато-сложными и встречаться в различных комбинациях.
Однако у наблюдаемых нами растений практически всегда в паре один лист состоял из пяти листочков. У 5- и 4-пальчатосложных листьев обычно терминальный листочек самый крупный, в то время как листочки 3-пальчатосложных листьев равновеликие. Размеры листьев варьируют; 6.9-7.8 см дл. и 7,1-9.5 см шир. В основании надземного побега располагается 2 чешуевидных листа с почками возобновления. Через 35 - 40 дней после весеннего отрастания побега (первая половина июля) зачаток будущей почки возобновления в пазухе верхнего чешуевидного листа начинает разрастаться и дифференцироваться. К осени формируется почка возобновления с уже сформированными зачатками побега и двух боковых почек. Часто такое образование называется "почка в почке" .
Возрастные изменения мезоструктуры листа у P. ginseng в условиях промышленной плантации (г. Дальнегорск)
Прогресс плантационного возделывания P. ginseng связан с решением двух основных задач: повышение продуктивности растения (массы корня и надземного побега) и сокращение периода достижения зрелости. Широкое феиотипическое разнообразие по продукционным и структурно-функциональным параметрам ассимиляционного аппарата у P. ginseng (Zhuravlev et al, 1994; Бурундукова и др., 1996) может служить основой для селекционных работ. Решающее значение в продукционном процессе принадлежит фотосинтезу, который зависит от видовых особенностей структурной организации ассимиляционного аппарата и у большинства дикорастущих видов может колебаться в широких пределах. Данных о возрастных изменениях организации структуры листа P. ginseng в известной нам литературе нет. В связи с этим необходимо было изучить возрастную изменчивость количественной анатомии мезофилла листа P. ginseng.
В данном опыте у растений был известен календарный возраст. Основные параметры мезоструктуры листа P. ginseng для каждого года жизни представлены на рис. 8, В течение периода развития растений наибольшим изменениям подвержена площадь терминального листочка. С возрастом растений его площадь достоверно увеличивается и у 6-летних особей достигает 81.6 см", что в 20 раз больше, чем у однолетних. Коэффициент вариации этого показателя составляет 104%. Число клеток
Количественная анатомия мезофилла и площадь терминального листочка плантационных растений Panax ginseng. По оси абсцисс, для А-Е: годы жизни растения. По оси ординат: А - площадь терминального листочка, см2, Б - число клеток в 1 см , тыс., В - число устьиц в 1 см , тыс., Г - число хлоропластов в клетке, шт., Д - объем клеток мезофилла, тыс. мкм3, Е - длина устьиц, мкм. и устьиц в единице листовой поверхности также увеличивается с возрастом растений, коэффициенты вариации составили 34 и 18% соответственно. Число клеток в единице площади листа шестилетних растений превышает таковое у однолетних растений в 2.2 раза и составляет в среднем 151.7 тыс.шт. Однако разница этого показателя между отдельными парами лет, как правило, находится в пределах ошибки измерения. Число устьиц на единицу поверхности листа увеличивается в 1.4 раза к 6-му году жизни растения, но достоверных различий этого показателя в период от 1 до 5 лет не выявлено. Размеры устьиц имеют тенденцию к уменьшению с возрастом растения, и коэффициент вариации составляет 7.8%. По этому показателю достоверно отличаются только генеративные растения. Аналогичные данные были получены П.П. Воробьевой (1960) в опыте при выращивании разновозрастных растений P. ginseng при различной степени освещенности, где независимо от характера притенсния с возрастом растений наблюдали уменьшение размеров устьиц и увеличение их количества на единицу площади листа.
У однолетних растений обнаружены наиболее крупные клетки мезофилла (в среднем 58.4 тыс. MKMJ), которые в два раза больше таковых у шестилетних особей (см. рис. 8). Изменчивость объема ютеток достаточно высокая, коэффициент вариации составил 24%. Наблюдаемые ежегодные уменьшения объема клеток (за исключением пары "4- и 5-летние растения ") были достоверны.
Числа хлоропластов в клетках у растений разных лет достоверно не различаются, и коэффициент вариации составляет 4.7%. Исюючение составляют всходы, для которых характерно максимальное число пластид в клетке (рис. 8). А.Т. Мокроносов (1978) считает этот показатель стабильным, генетически закрепленным, а его фенотипическое варьирование в рамках одного генотипа может быть 1.5-2-кратным.
Производные параметры мезоструктуры листьев P. ginseng разного возраста представлены в табл. 3. С ростом числа клеток в единице листовой поверхности повышается и количество хлоропластов в единице площади листа (рис. 8, табл. 3). К 6-му году жизни растения этот показатель увеличивается в 2 раза, а клеточный объем хлоропластов (КОХ) уменьшается в 1.7 раза. Индекс поверхности наружных мембран клеток (ИМК) у 6-летних растений в 1.7 раза больше, чем у 1-летних.
Обозначение: ИМК - индекс мембран клеток мезофилла, КОХ - клеточный объем хлоропласта. Известно, что в ходе онтогенеза многолетних растений анатомическое строение листа изменяется (Барыкина. Луферов, 1982; James et al, 1999). От всходов до генеративного состояния у растений происходит увеличение толщины листа, числа устьиц и проводящих пучков в черешке, высоты палисадной паренхимы и т.д. Строение надземного побега у P. ginseng отличается от многих других травянистых растений тем, что у него отсутствует ярусность, имеется одна мутовка биологически равноценных листьев (Грушвицкий, 1961). Тем не менее, с возрастом состав мутовки меняется, и обнаруживаются изменения анатомических структур листа, направленные в сторону гелиоморфности. Исследования мезоструктуры листа совместно с оценкой его функциональной активности позволили выявить, какие именно структуры фотосинтетического аппарата напрямую или косвенно связаны с функцией фотосинтеза и продуктивностью растения (Цельникер, 1978) (рис. 9). Эти связи проявляются на световых кривых фотосинтеза, которые весьма изменчивы даже у одного и того же вида, отражая функциональную перестройку фотосинтетического аппарата в соответствии с условиями освещенности (Горышина, 1979). Поскольку у P. ginseng отмечен рост числа клеток и устьиц в единице листовой поверхности, то, вероятно, можно ожидать увеличения уровня плато световой кривой фотосинтеза (плато насыщения), т.е. световое насыщение будет наступать при более высокой интенсивности освещения. Увеличение числа хлоропластов, клеток и устьиц в единице площади листа влияет на область изгиба световой кривой фотосинтеза (радиация приспособления), она будет более растянутой. Эти характеристики связаны с фотосинтезом напрямую. Уменьшение размеров клеток мезофилла косвенно, через ИМК, также вызывает повышение уровня плато и делает более плавной область изгиба световой кривой фотосинтеза. С продуктивностью P. ginseng непосредственно связано число клеток в листе и, опосредованно, через размеры площади листа, количество клеток в единице листовой поверхности. При их повышении соответственно повышается продуктивность растения.
Изучая мезоструктуру листа P. ginseng, несмотря на очевидные признаки теневыносливого растения, была выявлена возрастная динамика параметров количественной анатомии мезофилла листа, направленная в сторону гелиоморфности, то есть структуры фотосинтетического аппарата более "светового типа". Следовательно, можно предположить, что с возрастом растения этого вида становятся более "светоустойчивыми".
