Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние низких температур и аэротехногенного загрязнения на растительные организмы 9
1.1. Действие низких температур на растительную клетку 9
1.2. Растение и аэротехногенный пресс 22
Глава 2. Лесорастительные условия районов исследования.Объекты и методы 33
2.1. Естественно-географические условия районов исследования 33
2.2. Объекты и методы исследований 45
Глава 3. Мезо- и ультраструктура хвои ели сибирской 52
3.1 Сформированная и растущая хвоя в норме 52
3.2. Развитие хвои ели при воздействии промышленных поллютантов целлюлозно-бумажного производства 66
Глава 4. Влияние экспериментального охлаждения на ультраструктуру мезофилла в процессе роста хвои 82
4.1. Рост хвои в контроле 82
4.2. Рост хвои после охлаждения: при —5 С и при -10 С 83
Глава 5. Действие экспериментального охлаждения на рост хвои ели при аэротехногенном загрязнении 107
5.1. Рост хвои в контроле 107
5.2. Рост и структура хвои после экспериментального охлаждения 110
Глава 6. Заключение и общие выводы 140
Литература 159
- Действие низких температур на растительную клетку
- Естественно-географические условия районов исследования
- Развитие хвои ели при воздействии промышленных поллютантов целлюлозно-бумажного производства
- Рост хвои после охлаждения: при —5 С и при -10 С
Введение к работе
Среди огромного числа совершенных и хитроумных механизмов, вскрытых при изучении клетки, большое впечатление производят ее приспособления к различным факторам среды и прежде всего к вездесущему и всепроникающему фактору - температуре.
Профессор В.Я. Александров
Актуальность темы. В ходе индивидуального развития организма реализуется программа избирательной экспрессии генов. Процесс внутриклеточной интеграции осуществляется благодаря действию различных факторов (динамических, структурных, генетических), которые наиболее отчетливо проявляются при активной деятельности клетки, в том числе и при адаптации к изменившимся температурным условиям (Войников, 1987). В своей монографии "Температурный стресс и митохондрии растений" он отметил, что "...в нашей стране с ее разнообразными климатическими условиями повреждения растений в результате действия низкой температуры возможны повсеместно". С конца 19 в. и по сегодняшний день было проведено большое число работ по изучению влияния неблагоприятных температур на растения, как в естественных, так и в контролируемых условиях, с целью выявления механизмов устойчивости растений к низким температурам на различных уровнях: организменном, тканевом, клеточном, а также с целью познания структурных, физиологических, биохимических и генетических аспектов этой обширной темы (Вопросы физиологии и ..., 1960; Приспособление растений Арктики..., 1966; Барская, 1967; Красавцев, 1972; Самыгин, 1974; Особенности физиологических процессов..., 1980; Физиология устойчивости растений..., 1980; Винтер, 1981; Попов, 1982;
4 Устойчивость растений к ..., 1984 и др.). Однако большинство исследований было проведено на травянистых растениях (Новицкая и др., 2000; Кравкина, Котеева, 2002), а другие посвящены приспособлению древесных растений к изменяющимся температурам в связи с их сезонной динамикой (Сергеева, 1971; Физиология и биохимия..., 1974, Сезонные структурно-метаболические..., 1977; Новицкая, 1985). Изменения в тонкой структуре и физиологическом состоянии растущих, развивающихся тканей в условиях субоптимальных температур, как правило, изучались на озимых формах культурных растений, что в основном определяется их практической ценностью (Мирославов и др., 1984; Мартыненко, 2000). Исследования по влиянию отрицательных температур на ультраструктуру клеток хвойных единичны и посвящены либо репродуктивной сфере (Козубов, 1974; Яковлев, 1979), либо зрелым листовым органам (Родионов и др., 1989; Reinikainen, Huttunen, 1989).
Лесной фонд Республики Коми составляет 39 млн. га, из которых 28.7 млн. га относятся к лесопокрытой площади (Леса Республики Коми, 1999). Почти на 80 % этой площади произрастают хвойные леса. Ель сибирская {Picea obovata Ledeb.) является основной лесообразующей породой в лесах Коми и лесные формации с ее доминированием занимают около 16 млн. га, или 60 % всей лесопокрытой площади республики (Козубов, Дегтева, 1999). Морозоустойчивость ели, как и других северных древесных пород, зависит от сезона и минимальна в период вегетации (Туманов, Красавцев, 1959). В условиях подзоны средней тайги в отдельные годы поздние весенние заморозки могут наступать в первой декаде июня, когда, как правило, происходит распускание вегетативных почек у ели сибирской. Молодые побеги при резких колебаниях температуры воздуха при поздних заморозках могут повреждаться, а в отдельные годы наблюдается их массовое обмерзание. В последние десятилетия все чаще проявляется влияние антропогенных факторов на процессы приспособления растений к суровым климатическим условиям Севера. Устойчивость к воздействию
5 неблагоприятных факторов среды у древесных растений снижается при общем угнетении растения, в том числе и при интоксикации его различными техногенными выбросами (Acidic Precipitation, 1989). Только Сыктывкарский лесопромышленный комплекс, один из крупнейших в Северной Европе целлюлозно-бумажных комбинатов, ежегодно потребляет около 3 млн. мэ древесного сырья (Лесное хозяйство и ..., 2000) и выбрасывает в атмосферу до 30 тыс. т в год зафязняющих веществ, среди которых преобладают кислые газы, окислы азота, неорганическая пыль (по данным Центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в г. Сыктывкаре и Сыктывдинском районе Республики Коми). Вследствие своих биологических особенностей, в том числе и многолетнего функционирования листовых органов, хвойные породы являются более чувствительными к поллютантам, чем лиственные. В связи с этим, а также с учетом большого хозяйственного, средообразующего и биосферного значения хвойных в северных регионах, в последние десятилетия значительное внимание уделяется изучению влияния промышленных выбросов на физиологию, биохимию, анатомию и ультраструктуру хвойных. В основном подобные работы проводятся в зоне действия металлургических комбинатов (Николаевский, 1964; Кайбияйнен и др., 1994; Ярмишко, 1997; Фуксман и др., 2001). Исследования влияния выбросов целлюлозно-бумажных предприятий на окружающую растительность единичны (Soikkeli, Tuovinen, 1979; Коновалов и др., 2001) и часто носят фрагментарный характер. В отделе лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми НЦ УрО РАН в течение 10 лет проводятся комплексные исследования по влиянию аэротехногенных выбросов Сыктывкарского целлюлозно-бумажного комбината на лесные сообщества. При этом была проведена оценка изменений структуры и состояния сосновых и еловых фитоценозов разных типов леса в условиях аэротехногенного загрязнения (Бобкова и др., 1997; Торлопова, 2001; Торлопова, Робакидзе, 2003); исследовано влияние целлюлозно-бумажного производства на содержание в хвое сосны макроэлементов (Мартынгок, Торлопова, 1998); выявлен характер изменения состава и содержания углеводов в разновозрастной хвое ели, произрастающей в зоне действия лесопромышленного комплекса (Робакидзе, 2001); изучена анатомическая структура ассимиляционного аппарата сосны на техногенной территории (Ладанова, Плюснина, 1998) и изменения в пигментной системе хвои сосны (Тужилкина и др., 1998). С учетом выше сказанного изучение влияния аэротехногенного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного комбината на устойчивость растущей хвои ели к поздним заморозкам является интересным и особенно актуальным для северных территорий, где запасы фитомассы в еловых древостоях даже без вмешательства антропогенных факторов ниже, чем в западных и южных районах европейской части России (Бобкова, 1987).
Цель и задачи исследований. Целью наших исследований было выявление закономерностей ультраструктурных перестроек в клетках мезофилла растущей хвои ели сибирской при экспериментальном охлаждении в условиях аэротехногенного загрязнения.
В задачи нашей работы входило: изучить структуру ассимиляционной ткани растущей хвои ели при экспериментальном охлаждении; выявить основные закономерности ультраструктурных перестроек в клетках мезофилла в период постстрессовой реабилитации; определить реакцию клеток мезофилла хвои ели, растущей в зоне аэротехногенного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного производства, на действие низких температур.
Научная новизна работы. Впервые изучена ультраструктура клеток мезофилла ели сибирской при экспериментальном охлаждении в период активного роста хвои в условиях Севера. Установлена зависимость изменений качественных и количественных параметров клеток от температуры и длительности охлаждения. Выделены два адаптивных и один тип деструктивных реакций клеток мезофилла растущей хвои ели на
7 воздействие низких температур. Впервые изучены особенности структурных изменений в клетках мезофилла растущей хвои ели после действия низких температур в различных зонах аэротехногенного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного производства.
Практическая значимость работы. Результаты работы имеют теоретическое значение для решения ряда фундаментальных проблем в области экологической анатомии растений, раскрывают механизмы адаптации древесных растений к условиям среды. Возможно практическое применение полученных данных при оценке состояния хвойных растений в условиях меняющегося климата, а также для определения их экологических и продукционных возможностей. Результаты работы могут быть использованы при чтении лекций по экологической ботанике и анатомии растений.
Вклад автора. Автором выполнены основные работы по сбору образцов, проведению экспериментов, обработке и анализу полученных экспериментальных данных. Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям д.б.н., профессору Г.М. Козубову и д.б.н. Н.В. Ладановой за всестороннюю помощь и поддержку, д.б.н. СВ. Загировой за ценную консультативную помощь, В.В. Алексееву и А.И. Патову за помощь в сборе образцов и подготовке фотоматериалов, СП. Швецову за помощь при работе с электронным микроскопом.
Организация исследований. Диссертационная работа выполнялась в рамках бюджетной темы Отдела лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми научного центра РАН "Биогеоценотические основы управления продуктивностью и устойчивостью лесов европейского Северо-Востока" (ГР. 01.9.60 003710).
Апробация работы. Материалы исследований докладывались на XIII Коми республиканской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 1997), Республиканской научно-практической конференции "Эколого-экономические проблемы охраны окружающей среды" (Сыктывкар, 1998), VI молодежной научной конференции "Актуальные проблемы биологии"
8 (Сыктывкар, 1999), Международной конференции "Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения" (Архангельск, 2002), II Международной конференции по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 2002), IX молодежной научной конференции "Актуальные проблемы биологии и экологии" (Сыктывкар, 2002), Международной конференции "Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы" (Сыктывкар, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журнале "Экология" и в "Лесном журнале".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов. Основной машинописный текст занимает 169 страниц, включая 32 таблицы и 40 рисунков. Библиография включает 123 наименования.
Действие низких температур на растительную клетку
Современные представления о влиянии низких температур на растения, в том числе и отрицательных, начинали складываться еще в первой половине XX в. Большое значение уделялось явлению "закаливания" растений. В процессе изучения первой (область низких положительных температур) и второй (область высоких отрицательных температур) фаз закаливания были получены ответы на ряд важнейших вопросов о механизме холодо- и морозоустойчивости растений. Так, было установлено, что способность древесных растений к прохождению первой фазы закаливания резко возрастает с увеличением продолжительности их вегетации до определенного возраста. Ослабление ростовых процессов, наблюдающееся в конце вегетации, влечет за собой у древесных растений отложение запасных форм углеводов. При этом в растущих растениях преобладают моносахариды, а у закончивших рост — олиго- и полисахариды. Наличие в клетках достаточного количества запасных форм углеводов позволяет при необходимости мобилизовать их в виде защитных растворов (Туманов и др., 1972). Еще раньше, при изучении процесса льдообразования и защитной роли Сахаров, было показано, что количество льда в растениях уменьшается по мере их закаливания (Сулакадзе, 1945). Кроме того, на примере озимой ржи автором было установлено, что количество льда, образовавшегося в растениях, и температура их вымерзания не всегда соответствуют друг другу. Замерзание 67 % воды вызывало гибель 80 % слабо закаленных растений. В закаленном состоянии образование того же количества льда переносилось растениями с небольшими повреждениями.
При изучении влияния растворов Сахаров на льдообразование в клетке было показано, что количество льда в сахарных растворах возрастает по мере понижения температуры и уменьшения концентрации растворов. Защитное действие Сахаров различно для незакаленных и закаленных растений, а также неодинаково для растений разных видов и в значительной степени зависит от природы самого растения. Они НЄСПОСО6ЕІЬІ защищать различные по устойчивости формы до одинаково низких температур (Сулакадзе, 1945).
После проведения серии экспериментов по низкотемпературному промораживанию, был сделан вывод, что в очень устойчивых зимующих ветвях березы, тополя и ивы редко происходит внутриклеточное замерзание воды, особенно, если они предварительно были заморожены до -15 или -20 С. Предварительно замороженные ветви выживают при последующем быстром охлаждении на воздухе до -150С и ниже, и даже погружение в жидкий азот. У очень устойчивых видов вода в клетках, которая может обусловливать губительное внутриклеточное замерзание, в процессе быстрого охлаждения легко замерзает внеклеточно при более высокой температуре, чем у мало устойчивых. Эта температура варьирует от —15 до -60С в зависимости от вида растения и сезонных изменений морозостойкости (Сакаи, 1974). У морозостойких видов древесных растений устойчивость разных тканей сильно варьирует, причем менее устойчивой является древесина (Сакаи, 1974). Исследования Л. Христерссона и О.А. Красавцева (1972), проведенные на срезанных побегах в ноябре (ночной минимум температур до —15 С), показали, что морозостойкость ветвей ели (Picea abies) ниже, чем у сосны (Pimis sylveslris) и пихты (Abies sibirica). Последняя наиболее устойчива к охлаждению и, по данным этих авторов, выдерживает температуры при быстром замораживании до -56 С. В таких же условиях ветви ели повреждались при -40 С, сосны — при -50 С. Скорость промораживания и изменение продолжительности конечной испытуемой температуры от 1 до 24 ч не оказывало влияния на степень повреждения ветвей пихты. В то время как у ели и сосны при увеличении экспозиции охлаждения до 12 и 24 ч обнаруживалось усиление повреждений. Авторы отмечают, что при определении морозостойкости надежные и сравнимые результаты можно получить при суточной экспозиции промораживания (Христерссон, Красавцев, 1972).
Негативное влияние низких температур в естественных условиях растение испытывает по трем основным причинам: ареал его распространения находится в широтах с холодным климатом, либо приурочен к высокогорью; многолетние растения часто в течение года испытывают колебания температур в широком пределе; любое растение может испытывать значительные суточные колебания температур, в том числе и ночные заморозки. Применение электронных микроскопов в ботанических исследованиях повысило возможности физиологов и анатомов растений при объяснении наблюдаемых явлений. Изучение изменений в ультраструктуре клеток под влиянием низких температур на растения имеет немаловажное значение, так как картины, получаемые на экране электронного микроскопа, являются отображением не только внутриклеточных перестроек, но и косвенным свидетельством их функционального состояния.
Исследуя микрографии клеток мезофилла некоторых растений, произрастающих на Крайнем Севере (Роа pratensis, P. alpina, P. arciica, P. alpigena, Astragalus richardsonii, Dryas punctata) и в Ленинградской области {Роа pratensis, P. annua, Astragalus cicer), Е.А. Мирославов и Л.С. Буболо (1980) пришли к выводу, что в клетках мезофилла северных растений содержится больше митохондрий, липидных капель, интенсивнее развит ретикулум, а хлоропласты часто имеют неправильную форму с глубокими инвагинациями и выростами. Повышенное число хлоропластов и митохондрий у растений, произрастающих в субнивальном поясе {Oxytropis lapponica, О. chionobia, Роа alpina, Geranium collinum), где одним из основных лимитирующих факторов среды являются низкие температуры, рассматривается как адаптивный признак к холоду. При этом размеры хлоропластов не всегда повышаются. Кроме того, у экотипов, собранных на большой высоте, граны содержат меньше тилакоидов, тилакоидная система развита слабее, чем у тех же или близкородственных видов, произрастающих на более низких высотах. Отмечается интенсивное развитие эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи у растений, произрастающих в субнивальном поясе (Мирославов, Кравкина 1988).
Естественно-географические условия районов исследования
Районы исследований расположены на Северо-Востоке Европейской части России, на равнинной части территории Республики Коми (Русская платформа): в Княжпогостском районе на территории Ляльского лесоэкологического стационара (62 17 с.ш., 5040 в.д,) и в Сыктывдинском районе в 15-километровой зоне вокруг Сыктывкарского лесопромышленного комплекса (СЛПК) (6149 с.ш., 5044 в.д.). По лесорастительному районированию оба района относятся к подзоне средней тайги. Ниже приведены их краткие характеристики.
Краткая характеристика Ляльского лесоэкологического стационара (составлена по: Биогеоценологические исследования таежных..., 1994; Биопродукционный процесс в ..., 2001).
Территория стационара является частью Мезенско-Вычегодской равнины (Русская платформа), поверхность которой сложена мощными четвертичными отложениями, включающими в себя два горизонта морены, из которых верхний был оставлен льдами Московского оледенения. Верхняя морена большей частью размыта и опесчанена, во многих местах перекрыта озерно-ледниковыми флювиалышми отложениями. Ляльский стационар расположен на водосборе р. Май, притока второго порядка р. Вымь. Рельеф равнинный. Средние абсолютные высоты по водосборам составляют 120 м над ур. м. Согласно геоботаническому районированию территория стационара входит в Кольско-Печорскую подпровинцию евроазиатской таежной провинции. По почвенному районированию территория стационара относится к Нившеро-Вымскому округу Двино-Вычегодской провинции бореалыюго пояса подзолистых почв. Почвообразующие породы представлены ледниковыми, озерно-ледниковыми флювиогляциальными, а в поймах рек — аллювиальными отложениями. На территории стационара выделены следующие типы почв: подзолистые (80 %), бол отно-подзол истые (17 %), торфяно-подзолистые (3 %). По механическому составу почвообразующие породы представлены в основном двучленными отложениями, верхний слой которых имеет песчаный, супесчаный, реже суглинистый состав, нижний образован валунами, слабокарбонатным тяжелым суглинком или глиной.
Средняя лесистость стационара 96 %, с преобладанием хвойных пород. Сосновые леса занимают 45 %, еловые - 21 % от покрытой лесом площади. Из лиственных пород наиболее распространены березовые насаждения (30 %). Осинники составляют 4 % лесопокрытой площади стационара. Насаждения представлены как типично коренными хвойными древостоями, так и вторичными, образовавшимися в результате сплошных рубок леса. Средний возраст древостоев 58 лет. Значительные площади заняты сосново-лиственными молодняками (38 % лесопокрытой площади). Спелые и перестойные древостой (55 %) представлены главным образом ельниками. Для территории стационара, как и для подзоны средней тайги, характерно преобладание (43 %) черничных типов леса. Долгомошные типы занимают 19 %, разнотравные - 20 %, брусничные — 10 %, кисличные - 4 %, кустарничково-сфагновые - 4 %. Средний класс бонитета IV,6, полнота 0.49.
Леса в зоне Сыктывкарского промышленного узла. Сыктывкарский промузел находится на территории Вычегодско-Сысольской равнины, которая имеет однообразную полого-увалистую поверхность, слабо наклоненную к долинам рек Вычегды и Сысолы. Абсолютные высоты наблюдаются в пределах 90-150 м. Почвообразующими породами являются осадки четвертичной системы. Они представлены комплексом ледниковых, водноледниковых, аллювиальных и болотных образований, среди которых наблюдаются суглинистые и песчаные отложения. В районе распространены почвы подзолистого, болотно-подзолистого (верхового и низменного) и пойменного типов. В целом биоклиматический и почвеннолесорастительный потенциал территории промузла относительно невысок, что обуславливает умеренную производительность произрастающих лесных насаждений и их незначительное видовое разнообразие (Бобкова и др., 1997). Лесистость составляет 74 %. В лесном фонде Сыктывкарского промузла преобладают насаждения сосны (41.8 %) и ели (35.3 %). В последние годы возросли площади с преобладанием березы (18 %) и осины (4.6 %), формирующие вторичные леса на вырубках. Средний класс бонитета — Ш,9, средняя полнота 0.66. В сосняках преобладают молодняки и средневозрастные древостой, в ельниках — спелые и перестойные. Мелколиственные сообщества представлены молодняками и средневозрастными древостоями. Насаждения, расположенные в восточном и северо-восточном направлениях от СЛПК (с учетом розы ветров), испытывают наибольшую техногенную нагрузку. Здесь наблюдается усыхание отдельных деревьев и небольших участков сосновых молодняков. Вся площадь усыхающих сосняков по данным Сыктывкарского лесхоза составляет 1.5 тыс. га (Бобкова и др., 1997). Официальное открытие Сыктывкарского лесопромышленного комплекса, который, наряду с автотранспортом, является основным источником загрязнения атмосферы в Сыктывдинском районе Республики Коми, состоялось в 1969 г. Предприятие ежегодно перерабатывает около 3 млн. м3 древесного сырья и в атмосферу выбрасывается 25-30 тыс. т в год твердых, газообразных и жидких загрязняющих веществ. Список готовой продукции включает в себя бумагу, картон, обои, фанеру, древесностружечные плиты (Лесное хозяйство и ..., 2000). В современном целлюлозно-бумажном производстве источником загрязнения атмосферы являются почти все технологические процессы, включая рубку и сортировку щепы, приготовление варочных растворов, варку и отбелку целлюлозы, регенерацию отработанных растворов, резку готовой продукции и др. (Стадницкий и др., 1989). Разовые максимальные превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) по г. Сыктывкару, в административных границах которого расположен СЛПК, отмечаются для таких примесей, как окись углерода, двуокись азота, сероводород, мети л мер каптан, пыль (Государственный доклад о ..., 2001). При этом среднегодовые показатели концентраций этих примесей не превышают санитарных норм (табл. 1).
Содорегенерационный цех - крупнейший источник загрязнения атмосферы на сульфатцеллюлозных заводах, к которым относится и целлюлозно-бумажный комбинат ОАО "СЛПК". Особенностью этого цеха как источника выделения вредных веществ является большая высота трубы — 100-150 м. Поэтому, в отличие от остальных источников выделения газообразных веществ, загрязняющих главным образом воздух промышленной площадки и прилегающей к ней территории, дымовые газы содорегенерационных котлоагрегатов рассеиваются в воздухе на расстояние 3-5 и более км (Стадницкий и др., 1989). Так, расчет рассеивания выбросов сернистого ангидрида и неорганической пыли от СЛПК, проведенный институтом ГИПРОБУМ показал, что максимальная концентрация этих поллютантов может быть выше предельно допустимых концентраций (ПДК) на расстоянии до 18 км, причем в радиусе 10 км от источника эмиссии превышение по сернистому ангидриду составляет 4 ПДК, по неорганической пыли 3 ПДК (Бобкова и др., 1997).
Развитие хвои ели при воздействии промышленных поллютантов целлюлозно-бумажного производства
Говоря о токсичном воздействии аэротехногенных выбросов на листовые органы растений, необходимо учитывать особенности механизма проникновения загрязненного воздуха внутрь листа, и проявление . процессов адаптации, обеспечивающих успешное существование и функционирование клеток при данном составе аэротехногенных поллютантов. В первом случае большое значение, как уже отмечалось выше, играют морфология листа, толщина его покровных тканей, размеры и количество устьиц и т.д. И на этом уровне, в ответ на вредное воздействие поллютантов, изменения, как правило, носят консервативный в структурном плане характер и затрагивают лишь размерные либо количественные характеристики упомянутых выше показателей. До определенной пороговой величины содержания газов в окружающей среде для данного вида, при прочих равных условиях (почвенных, водное питание и т.д.), при градиенте концентрации токсикантов можно наблюдать соответственно плавный рост или снижение морфологических параметров листа или составляющих его тканей. При пороговых значениях стрессового агента отмечается общее угнетение растительного организма. Говоря о состоянии клеток в условиях загрязнения окружающей среды, можно отметить, что повышение нагрузки на растительную клетку вызывает с ее стороны не только количественные, но и качественные перестройки клеточных органелл, а также качественное изменение физиологических процессов. И чем больше давление стрессового фактора, тем шире спектр внутриклеточных изменений. На уровне ультраструктуры и физиологии растение проявляет различные пути адаптации к одному и тому же токсиканту, но при разной его концентрации. Описанные выше отличия между морфологической и физиологической устойчивостями хорошо выявляются и в нашем случае, при изучении ассимиляционных органов ели сибирской, произрастающей при прочих сходных лесорастительных условиях в зонах с различной степенью загрязнения выбросами Сыктывкарского целлюлозно-бумажного комбината.
Проведенные исследования показали, что в условиях техногенного стресса морфологические признаки хвои более изменчивы, чем анатомические. Так, хвоя ели, сформированная при приближении к источнику загрязнения характеризовалась большей длиной, была более вытянутой в дорзо-вентральном направлении, по сравнению с контрольной (табл. 8). При этом между длиной хвои на ЭУ-1 и ЭУ-3 полученная разница была достоверна (в 1999 г. при Р=0.05, а в 2000 г. при Р—0.001), а между ЭУ-1 и ЭУ-2 достоверных различий по этому показателю отмечено не было. Аналогично, площадь поперечного сечения листа достоверно различалась между ЭУ-1 и ЭУ-3 (Р=0.001), а между ЭУ-1 и ЭУ-2 различия были не достоверны. На опытных участках площадь поверхности листа увеличивалась, объем хвои оставался неизменным, в результате уменьшалась степень ксероморфности ассимиляционных органов ели. По числу устьиц на единицу площади поверхности хвоя на всех трех пробных площадях достоверно не различалась.
Проведенные анатомические исследования показали, что хвоя ели в условиях умеренного и сильного хронического загрязнения в описываемый период имела более низкие абсолютные значения радиальных размеров клеток эпидермы и гиподермы, чем в норме (табл. 8). Однако парциальный объем этих тканей в хвое ели в условиях техногенного пресса несколько возрастал. Уменьшение площади сечения хвои текущего года и увеличение относительных значений площади покровной ткани под действием промышленных выбросов было ранее установлено для сосны обыкновенной, произрастающей вблизи Сыктывкарского ЛПК (Торлопова, Ивасишина, Плюснина, 2000).
Относительные площади мезофилла и центрального цилиндра наиболее консервативны и изменялись в хвое ели в незначительных пределах. Тем не менее, на контрольном участке ассимиляционная ткань была более развита, чем в других вариантах. На загрязненных территориях число клеток в проводящих элементах ксилемы и флоэмы проводящего пучка уменьшалось (табл. 8). Наибольшее значение соотношения площадей поперечного сечения центрального проводящего цилиндра и поперечного сечения мезофилла в хвое ели наблюдалось на ЭУ-2, что говорит о потенциальной возможности более мощного оттока ассимилятов из листа на этом участке на фоне двух других. Существенные различия проявлялись в смолоносной системе хвои; в 3-х километровой зоне действия выбросов СЛПК резко сокращалась встречаемость смоляных каналов, а их диаметр уменьшался на 20 % по сравнению с контрольным вариантом (табл. 8). Все это может отражаться на процессах смолообразования и являться одной из причин возрастания повреждения на опытных участках хвои старшего возраста патогенными грибами и насекомыми-вредителями.
Проведенные исследования показали, что радиальные размеры клеток мезофилла были минимальными в хвое ели на ЭУ-1 (табл. 8), и увеличивались при приближении к промышленному комплексу. По ряду структурных характеристик клеток мезофилла хвоя ели с ЭУ-2 выделяется на фоне двух других участков. Например, в 2000 г. для хлоренхимы сформированной хвои ели на этой пробной площади были характерны крупные межклетники, повышенный парциальный объем гиалоплазмы с органеллами, и, как следствие, уменьшение парциального объема вакуолей (табл. 9).
Рост хвои после охлаждения: при —5 С и при -10 С
Хвоя, в которой в процессе охлаждения наступили необратимые изменения, вскоре после изъятия из морозильной камеры теряла тургор и приобретала бурую окраску. Клетки мезофилла погибшей хвои имели явно деструктивный вид (рис. 12). Гиалоплазма сильно сжималась, занимая пристеночное (парамуральное) положение, приобретала очень высокую электронную плотность и различить ее структуру было невозможно. Строма хлоропластов и матрикс митохондрий были очень темными, и зачастую о наличии пластид можно было предполагать лишь по сохранившимся крахмальным гранулам. В вакуоли вдоль тонопласта выявлялось осмиофильное вещество, которое прилегало к нему сплошным слоем. Крупная вакуоль занимала практически весь объем клетки и часто содержала различные фрагменты мембран. Ядра чаще всего были заполнены конденсированным хроматином с плотной глобулярной структурой.
Общей реакцией сохранившей жизнеспособность хвои во всех вариантах охлаждения являлось замедление ее роста. Так в 1999 г. в контрольном варианте, как уже было отмечено выше, по окончании опыта хвоя выросла в длину в два раза, в то время как после действия низкими температурами максимальное увеличеЕіие длины хвои составило 8 %, что несущественно по сравнению с контролем (табл. 14). Анатомически это выражалось в том, что в охлажденной хвое не увеличивался объем межклетников (табл. 14), напротив, в большинстве случаев наблюдалось некоторое сокращение их объемов. Относительная площадь гиалоплазмы с органеллами на срезе клеток мезофилла по окончании всех вариантов эксперимента была близка к контролю. Но в процессе оттаивания происходило ее обратимое набухание с увеличением парциального объема до двух раз.
Характерной реакцией хвои на воздействие низких температур являлось снижение содержания крахмала в пластидах в период репарации клеток мезофилла, и, как следствие, снижение парциального объема пластид в гиалоплазме. Ядро, в большинстве случаев реагировало однозначно: оно обратимо вытягивалось, приобретая на срезе неровный, с инвагинациями контур, отношение большой оси к малой в результате охлаждения достигало 1.5, а количество ядрышек в ядре, как правило, снижалось. Более подробно характер этих изменений по вариантам будет рассмотрен ниже.
В результате охлаждения до -5 С и в течение 12 и в течение 24 ч процент погибших молодых побегов в том и другом случае в 1999 г. составил около 27 %. Клетки хвои, способной к репарации, сильно отличались от описанных выше погибших. Цитоплазма. Клетки мезофилла, выдержанные при -5 С в течение и 12 и 24 ч имели электронно-светлую, однородной структуры гиалоплазму, не отличающуюся от контроля. К окончанию эксперимента она становилась электронно-плотной. В клетках, помимо центральной, наблюдались мелкие вакуоли, ограниченные хорошо различимым тонопластом и равномерно распределенные в цитоплазме. В центральной вакуоли танин после охлаждения был расположен плотным поясом (лентой) вдоль тонопласта. В процессе оттаивания он появлялся по всему объему вакуоли, а вдоль мембраны из плотного слоя преобразовывался в цепь различного размера округлых телец. Изменение парциального объема гиалоплазмы с органеллами носило иной, отличный от контроля, характер (табл. 15). После низкотемпературного воздействия наблюдалось "набухание" гиалоплазмы, которое выражалось в увеличении ее парциального объема, структура при этом оставалась неизменной. Хорошо просматривался гладкий эндоплазматический ретикулум. Через 12 ч после начала оттаивания наблюдались многочисленные контакты между различными мембранными структурами клетки.
Частота встречаемости диктиосом резко снижалась при воздействии температурЕіого стресса, и в момент изъятия образцов из морозильной камеры их число составляло в среднем 1 профиль на срез клетки, что в три раза меньше, чем в начале эксперимента. Дальнейшее снижение их количества в период оттаивания достигло встречаемости 0.4 профиля на срез клетки мезофилла при 12 часовом и 0.1 при суточном охлаждении. В последнем случае к окончанию наблюдений встречаемость диктиосом восстановилась до 1.9 профиля на срез клетки мезофилла.
Митохондрии. Митохондрии после действия температурой -5 С в течение 12 и 24 ч имели округлую форму и свободно расположенные кристы, часто отсутствующие в центральной части органелл, где выявлялся светлый матрикс. При последующем оттаивании митохондрии по всему внутреннему пространству постепенно заполнялись кристами. На протяжении всего постстрессового периода внутренние мембраны митохондрий не набухали и не меняли своей структуры. Количество митохондрий в ответ на стресс увеличивалось в 1.5 раза: после 12 ч охлаждения рост численности органелл начинался в период оттаивания, после суточного охлаждения - еще в морозильной камере (табл. 16). К окончанию эксперимента число митохондрий в варианте —5-12-72 и -5-24-72 выравнивалось. При суточном охлаждении в постстрессовый период наблюдался незначительный рост площади сечения органелл в пределах колебаний в контрольном варианте.
