Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты, методы и районы исследований 10
Глава 2. Внутривидовая изменчивость изоферментов пероксидазы хвои на примере сосны обыкновенной 22
2.1. Эндогенная изменчивость пероксидазы хвои сосны обыкновенной 26
2.2. Сезонная и погодичная изменчивость изоферментов пероксидазы 33
2.3. Индивидуальная изменчивость сосны обыкновенной по изоферментам хвои 43
2.4. Географическая и популяционная изменчивость сосны обыкновенной по изоферментам пероксидазы хвои 53
Глава 3. Внутривидовая изменчивость флавоноидов и хлорофиллов 77
3.1. Изменчивость лиственницы сибирской по содержанию флавоноидов и других пигментов в генеративных органах 84
3.2. Биологическая и биохимическая изменчивость барбариса обыкновенного по содержанию антоциановых пигментов в листьях 100
Глава 4. Использование изменчивости некоторых химических признаков для систематики 128
4.1. Хемосистематические исследования интродуцированных видов сосен по изоферментам пероксидазы хвои 132
4.2.Хемосистематические исследования интродуцированных видов боярышника по содержанию флавоноидов в комплексе с морфолого-биологическими показателями 141
Глава 5. Изменчивость и интродукционные популяции 162
5.1. Создание интродукционных популяций как метод интродукции и акклиматизации растений 162
5.2. Изменчивость некоторых морфологических и биологических признаков в интродукционных популяциях 172
5.2.1. Интродукционная популяция гортензии Бретшнейдера 172
5.2.2. Интродукционная популяция форзиции яйцевидной 183
5.2.3. Интродукционная популяция жимолости синей 195
5.3. Индивидуальная изменчивость содержания аминокислот и сахаров в плодах Lonicera caerulea L. 205
Глава 6. Изменчивость первичных процессов фотосинтеза при интродукции 226
6.1. Феноменология первичных процессов фотосинтеза у форзиции яйцевидной 230
6.2. Использование флуоресцентных характеристик при анализе устойчивости интродуцентов 240
Заключение 266
Выводы 273
Список литературы 276 - 315
- Эндогенная изменчивость пероксидазы хвои сосны обыкновенной
- Биологическая и биохимическая изменчивость барбариса обыкновенного по содержанию антоциановых пигментов в листьях
- Создание интродукционных популяций как метод интродукции и акклиматизации растений
- Феноменология первичных процессов фотосинтеза у форзиции яйцевидной
Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы вида, внутривидовой изменчивости и популяционной экологии являются кардинальными в области ботаники, генетики, ресурсоведения н др. наук, они широко обсуждаются в зарубежной литературе (Xyxley, 1962, Мауг, 1967, Simpson, 196Г и др.). В нашей стране проблемы популяционной биологии наиболее подробно разработаны в трудах СС.Швариа (1968) и его учеников, Н.В.Тимофеева*Ресовского, А.ВЛблокова (1960) и др. К сожалению, эти исследования недостаточно полно используются в дендрологии, и внутривидовая систематика древесных растений, и неразрывно связанная с ней популяциониая экология, испытывают серьезные затруднения в дальнейшем развитии. Популяционные подходы к интродукции растений неоднократно обсуждались на конференциях и в печати (Некрасов, 1971, Мамаев, 1973, Скворцов, 1986 и др.) Несмотря на многочисленные исследования в этой области, до сих пор недостаточно обоснованы представления о структуре и границах популяций видов древесных растений, о специфике их изменчивости. В частности не определен комплекс легко распознаваемых признаков, которые помогли бы установить особенности естественной дифференциации вида и специфики формирования внутривидовых структур.
Цель и задачи, исследования. Целью предлагаемой работы является выявление у различных видов древесных растений комплекса диагностических признаков и выбор тех показателей. изменчивости, использование которых позволяет наиболее полно оценить уровень дифференциации популяций и выделить конкретные внутривидовые структуры, отличающиеся устойчивостью к действию неблагоприятных факторов при их интродукции в сочетании с набором других полезных свойств.
Задачи исследования: 1. Оценка возможности использования
биохимических показателей для характеристики генотипи ческой и
f , ЦЕНТРАЛЬНАЯ
.-И-ttyV- > -.уЯИОТЕКА
модификацией ной; изменчивости на примере изучения изоферментов лероксидаэы природных популяций сосни обыкновенной, 2, Выявление уровня изменчивости веществ вторичного обмена и степени адаптивности биохимических показателей на примере исследования "окрасочных" вариаций с временным и постоянным накоплением ангоцианов. 3. Определение таксономической значимости биохимических признаков и возможности их использования : в иелях хемосистематнки на. примере исследования ннтродуцнрованных видов сосен по изоферментам пероксидазы и боярышников по содержанию флавоноидов. 4. Разработка подходов для характеристики интродукционных популяций по комплексу морфологических и биохимических показателей.
Научная новизна. Впервые применен популяцнонный подход с использованием комплекса признаков в интродукции растений и дана оценка значимости биохимических, физиологических и морфологических показателей для выделения внутривидовых структур и отбора устойчивых форм у широкого спектра древесных растений при их введении в культуру.
Положения, выносимые на защиту;
{.Исследование изоферментов Pima sylvestris L. показало генотипическуіо
обусловленность изменчивости изучаемых признаков и ее значительную
роль в дифференциации естественных популяций. При этом установлено
наличие двух типов изоферментов, из них лишь около 1/4 (27) отражает
генотипическую компоненту, она устойчива и встречается постоянно, а 3/4
(73%) изоферментов характеризует степень подвижности метаболических
процессов, которые обусловлены сезонно-возрастными изменениями
листового аппарата. -
%'
-
Генетически обусловленная внутрипопулявдонная изменчивость P,sylvestrix достаточно высока: особи, отличающиеся по качественным характеристикам от трех-шести нзоферментов, составляют 36%.
-
Разделение - изоферментных спектров на «трудноподвижные» и «легкоподвижные» фракционные комплексы может быть использовано при решении проблем систематики сосны на уровне рода. Так, у пятихвойных сосен наблюдается преобладание активности пероксидаэы в трудноподвижной области спектра, а двухвойных - в легкоподвнжной.
-
"Окрасочные" вариации у видов древесных растений - это-одно из проявлений внутривидовой изменчивости, выражающееся преимущественно а количественных различиях содержания антоциановых пигментов. При этом отмечена видоспецифичность и органоспецифичность качественного н количественного состава пигментов.
-
Закономерности распределения красно- и зеленошишечных. форм лиственниц в - природных популяциях и отсутствие географической изменчивости по данному признаку свидетельствуют о том, что "окрасочные" вариации с постоянным накоплением антоцианов, являясь итогом рекомбинации генов, не имеют адаптивного значення. Наследование признака окраски в потомстве таких форм подчиняется обычным законам панмиксни.
-
Сравнительный. анализ- особенностей. внутривидовой изменчивости по комплексу признаков показало, что данные, полученные для естественных популяций можно вполне экстраполировать на интродукцнонные популяции.
-
Изучение адаптационных механизмов при интродукции растений выявило высокую роль первичных процессов фотосинтеза в процессе приспособления растения к новым условиям среды.
8. При оценке внутривидовой изменчивости и полуляционной структуры видов древесных растений изучение биохимических показателей основного и вторичного обмена веществ является равноценным.
Практическая значимость. Разработаны рекомендации по использованию биохимических методов для оценки изменчивости растений и. дальнейшей селекции - по практически полезным признакам. На основе изучения внутривидовой изменчивости методом аналитической селекции отобраны биотипы жимолости синей с высоким содержанием биологически активных соединений и крупными сладкими плодами,, а также декоративные и более устойчивые особи форзиции яйцевидной: и краснолистного барбариса обыкновенного.
Апробация работы. Основные положения работы изложены на ботанических конгрессах — г.Киев, 1973, г.Москва, 1975, Кишинев, 1978; на дендрологических конгрессах — Дрезден, 1979, Тбилиси, 1982, Прага, 1985, София, ' 1988; на всесоюзных конференциях "Хемосистематика и- и эволюционная биохимия растений", г.Москва, 1979, 1982, 1986; на всесоюзных конференциях по проблемам физиологии, биохимии и экологии древесных растений, г.Свердловск, 1970, г.Красноярск, 1974, 1982, г.Уфа, 1974; на конференциях Теоретические основы интродукции растений", г.Москва, 1933; "Актуальные задачи физиологии и биохимии растений", г.Москва, 1984; "Экологические проблемы семеноведения и нтродуцентов", г.Рига, 1984; "Репродуктивная биология шпродуцированных растений", Умань, 1991, Минск; 1992; региональных конференциях по проблемам генетики и селекции на Урале, Свердловск, 1977,1979, 1992; в материалах IV и VI съезда генетиков и селекционеров ВОГИЗ, Алма-Ата, 1981; в трудах I всероссийской конференции по ботаническому ресурсоведению, С-Петербург, 1996; II съезда фотобнологов, г.Пущино, 1998;"Особо охраняемые территории Алтайского
края и сопредельных территорий, тактика сохранения видового разнообразия и генофонда", Барнаул, 1999г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 75 научных работ, в том числе 2 монографии и 27 основных статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, списка литературы; изложена* на 308 страницах машинописного текста, включает 56 таблиц и 57 рисунков. Список литературы содержит -425 библиографий, в том числе иностранных - 196.
Эндогенная изменчивость пероксидазы хвои сосны обыкновенной
Эндогенная изменчивость наблюдается у растений, имеющих много метамерных органов. Поэтому она характерна для морфологических и физиологических признаков древесных растений. В частности, у сосны обыкновенной протяженность кроны весьма велика (10-15 м), в отдельных ее частях различны режимы питания и освещения, что обусловливает высокий уровень эндогенной изменчивости. Он оценен С.А. Мамаевым (1969) у сосны обыкновенной для многих признаков. Уровень варьирования при этом равен или даже выше уровня индивидуальной изменчивости.
Для характеристики популяционной изменчивости необходимо сначала выявить, как изоферменты изменяются в зависимости от возраста хвои и ее расположения в кроне. Это позволит при изучении межпопуляционных характеристик исключить влияние данного фактора. Такие исследования проведены Эстербауэром (Esterbauer et.all., 1978). Он в течение двух лет изучал хвою с пяти ветвей различных деревьев ели европейской. Обнаружены две группы изоферментов - четыре-пять легкоподвижных и шесть-десять трудноподвижных фракций. При этом молодая хвоя содержала больше легкоподвижных фракций. Ферет и Стейрс на примере вяза приземистого (Ulmus pumila L.) показали, что уровни пероксидазы не зависят от места взятия листьев для анализа (Feret, Stairs, 1971). А.Я.Ларионовой (1978) также получены данные, свидетельствующие о том, что изоформы пероксидазы и эстеразы хвои лиственницы не изменяются ни качественно, ни количественно в различных частях кроны. Электрофореграммы ферментов хвои, взятой из верхней и нижней, западной и восточной, северной и южной частей кроны, совершенно идентичны. Я.Э.Кавац (1973) показал на примере клонов ели, что экологическая дисперсия изоформ внутри клонов была равна нулю.
Вторым важным методическим вопросом является выяснение того, как изменяется спектр изоферментов на протяжении жизни дерева в одних и тех же органах. По данным В.А.Духарева (1978) спектр эстераз у деревьев, возраст которых колебался от 14 до 90 лет, не изменяется. Ферет (Feret, 1971) также отмечает, что спектр эстераз у четырехлетних сеянцев сосны, полученных от самоопыления, не отличается от родительского.
В результате наших исследований выявлено наличие 15 фракций в хвое сосны обыкновенной. Встречаемость их весьма различна. Весь спектр можно разделить на три части: I - трудноподвижные фракции (1,1а, 2, 2а, За); II -среднеподвижные ( 3, 36, 4, 4а, 5, 5а, 56); III - легкоподвижные (6а, 6, 66) фракции (рис.2.1.). Этим номерам фракций соответствуют следующие значения Rf,%: 1)8-10; la) 10-12; 2)15-16; 2а) 20-23; За) 24-26; 3) 29-31; 36)31-33; 4) 34-36; 46) 38-39; 5) 40-43; 5а) 43-45; 56) 47-50; 6а) 52- 55; 6а) 52-55; 6) 63-66; 66) 68-70. Обязательными, т. е. встречающимися у всех деревьев, являются только четыре фракции- 3,4,5,6, составляющие от общего числа 26,7%. Все остальные изоэнзимы во всех частях спектра обладают значительной вариабельностью и участвуют в обменных процессах метаболического цикла.
Для выяснения того, как влияет на качественный состав изоферментов возраст хвои и ее половой тип, изучены спектры у шести деревьев в феврале и апреле 1976 г. Взята хвоя сосны обыкновенной первого года жизни - ростовая, мужская и женская (р, м, ж) и второго года жизни. Анализ показал большие различия в проявлении эндогенной изменчивости у отдельных деревьев (табл.2.1.). У модели №1 имеются различия по содержанию изоэнзимов у хвои разного возраста, а половой тип побега не влияет на изоферментный состав. У хвои второго года жизни отмечено семь фракций (1, 3, 4, 5, 5а, 56, 6) в оба срока определения. У хвои первого года наблюдается еще дополнительно легкоподвижная фракция 6а. У модели №2 различия были только у хвои первого года. Кроме общих семи фракций, у женской и мужской хвои имелась трудноподвижная фракция 2а, а у ростовой - 6а. Модель 3 схожа с предыдущей, но у мужской хвои второго года выделялась дополнительная фракция 6а. Модель 4 подобна модели 2, только дополнительные фракции 2а и 6а имелись у ростовой и женской хвои первого года. У модели 5 специфика эндогенной изменчивости не подчиняется общей закономерности, у нее качественный состав изоферментов зависит как от возраста, так и от типа хвои. Модель 6 отличается тем, что у нее и мужская хвоя 2-го года, и ростовая хвоя первого года имели по девять фракций (дополнительно: 2а и 6а у IP; la и 2а у 2М ).
Таким образом, можно констатировать, что изоферментный состав пероксидазы связан с возрастом хвои и очень мало с половым типом побегов. В хвое первого года жизни содержится большее количество фракций по сравнению с хвоей второго года. Все изученные особи различаются по качественному составу изоферментов именно хвои первого года. Это и понятно, так как у нее еще не закончены ростовые процессы и полностью не сформированы клеточные структуры. По специфике эндогенной изменчивости изученные особи можно объединить в две группы. Три модельных дерева дополнительно отличались наличием легкоподвижной фракции 6а в хвое первого года жизни. У трех других деревьев дополнительные фракции (2 и 2а) наблюдались в трудноподвижной части спектра. Расчет встречаемости отдельных фракций у изученных особей (табл.2.2.) также показал, что качественный состав изоферментов в большей степени зависит от возраста хвои и в незначительной - от ее типа (рис.2.2.).
Для отработки методики дальнейших исследований необходимо выяснить, изменяется ли качественный состав изоферментов хвои, в зависимости от местонахождения побега (основного или бокового) и от общей активности пероксидазы. В связи с этим анализировали модель 3, в которой отобрано 12 проб (по три повторности в каждой пробе). Изучена ростовая хвоя первого, второго и третьего года жизни, взятая с основных (1Ро, 2, 3 ) и боковых (1Р6, 2) побегов, а также женская хвоя (їжо). По качественному составу изоферментов отличается только ростовая хвоя первого года, у которой дополнительно имеются фракции 2 и 2а. Нет различий между хвоей как с основных, так и с боковых побегов.
Размеры хвои, которые колебались в зависимости от типа побегов от 35 до 75 см, не оказали влияния на качественный состав изоферментов, также как и общая активность пероксидазы. На рис.2.3. показана активность пероксидазы в два срока определения по трем моделям. Активность пероксидазы не зависит от типа хвои, но возраст хвои отражается на активности пероксидазы, на фоне ее сезонной динамики. В феврале не было различий по активности пероксидазы между хвоей разного возраста, а в марте активность повысилась, особенно у хвои второго года. В сентябре также активность пероксидазы в хвое второго года была выше. Если принять значения активности первого года за 100 %, то активность пероксидазы второго года хвои у пяти деревьев составит 116-272 %.
Таким образом, электрофоретический спектр хвои сосны обыкновенной состоит из 15 фракций, четыре из которых являются постоянными; качественный состав изоферментов пероксидазы хвои различается в зависимости от возраста; хвоя первого года жизни содержит дополнительно 1 -2 фракции. Следовательно, для сравнительных исследований внутривидовой изменчивости целесообразно использовать ростовую хвою второго года жизни, которая более стабильна по всем показателям.
Биологическая и биохимическая изменчивость барбариса обыкновенного по содержанию антоциановых пигментов в листьях
Окрасочные вариации лиственных растений изучены на примере барбариса обыкновенного. Качественный состав антоциановых пигментов у двух вариаций барбариса обыкновенного одинаков (рис.3.4.). Следует оговориться, что разделение вида на пурпурнолистные и зеленолистные вариации, применяемые нами, условно. Зеленолистные «вариации» по существу являются типичными представителями вида, с обычной зеленой окраской листьев. Собственно «вариацией» более правильно называть только пурпурнолистные или краснолистные формы (и тот и другой применяется в систематике растений для обозначения одной и той же вариации по окраске листьев и по шкале Бондарцева (1954), эти термины идентичны. Качественный состав антоцианов не изменяется и в течение всего вегетационного периода (рис.3.5.).
Антоцианы барбариса представлены пятью типами: цианидин,- пеонидин, - дельфинидин - моногликозидами, которые являются основными пигментами и двумя неидентифицированными антоцианами. Содержание последних очень невелико (табл. 3.5.).
Антоцианы относятся к группе бициклических соединений, где цикл бензола связан с гетероциклом периллия; кроме того, к ним присоединен фенольный радикал, т.е. соединения, имеющие структуру Сб-Сз-Сб. Основными антоциановыми пигментами являются пеларгонидин, цианидин, и дельфинидин, которые отличаются друг от друга степенью окисления. Все остальные представляют их метилированные производные (рис.3.6.). В растениях антоцианы находятся в форме гликозидов, т.е. к ним в 3,5 и иногда в 7 положении присоединена одна или две молекулы сахара, и в этом случае они называются антоцианинами, а их агликоны - антоцианидинами. Обычно гликозидную форму называют сокращенно - антоциан (Харборн, 1968). В нашей работе термин антоциан идентичен термину антоцианин.
Отличие между окрасочными вариациями барбариса заключается в различном распределении отдельных типов пигментов. Основным антоцианином пурпурнолистнои вариации (постоянный антоциан) является пеонидин-моногликозид (78% от суммы), в то время, как основным антоциановым пигментом зеленолистной вариации (временный антоциан) является цианидин-моногликозид (рис.3.7.), который является основным для большинства систематических групп растений, изученных многочисленными исследователями многих стран.
Кроме дифференциации по типам антоцианов, изученные вариации различаются и по характеру их накопления. Во-первых, содержание антоцианов у пурпурнолистнои вариации в 6-7 раз превышает содержание антоцианов у зеленолистной вариации при максимальном накоплении последних (в осенний и весенний периоды). Во-вторых, у пурпурнолистнои вариации суммарное содержание антоциана в течение всей вегетации не падает ниже 9-10 мг/г сырого вещества, хотя оно заметно колеблется в зависимости от условий внешней среды (табл.3.6.).
У зеленолистной вариации антоцианы появяются весной и осенью и их количество зависит от погодных условий. При распускании листьев пурпурной вариации вместе с ростом и развитием листа идет усиление накопления антоциановых пигментов. За месяц содержание антоцианов удваивается и достигает максимума в середине лета, затем идет постепенное снижение, и минимум наблюдается в конце лета. В летний период часть антоцианов вероятно включается в общий обмен веществ; но в осенний период вновь идет накопление антоцианов. В этот период ассимиляционные процессы затухают и антоцианы образуются из избыточных веществ, накапливающихся в результате медленного передвижения и использования ассимилятов.
Как было сказано выше, основной пигмент листьев пурпурной вариации пеонидин, а зеленолистной - цианидин. Максимум в содержании пеонидина наблюдается в начале лета (табл.3.7.). Дальнейшие изменения содержания пеонидина синхронны изменению суммарного количества, т.е. идет постепенное снижение к осени. Вторым, по содержанию, антоцианином у пурпурной вариации является цианидин - моногликозид. Его сезонные изменения зеркально отображают динамику пеонидина в начале лета его количество невелико, максимум накопления цианидина отмечается в осенний период, когда происходит снижение температуры и образуется большее содержание его за счет свободных пластических веществ, (поскольку цианидин является основным при временных накоплениях антоцианом). Из этого можно высказать предположение, что и функции пеонидина и цианидина в растении неодинаковы.
В результате трехлетнего исследования в пределах обеих вариаций отобраны экземпляры с большим и меньшим содержанием антоциановых пигментов. Пурпурнолистные особи № 3 и 4 в течение всей вегетации содержали в 1,5-2 раза антоцианов больше в сравнении со средним, а № 8 -наоборот, накапливает антоцианов меньше среднего (табл.3.8.). Также и у зеленолистной вариации особи № 17 и 18 способны образовывать большее содержание антоциана, чем другие. Антоциан в листьях этих растений сохраняется даже в летний период, правда только в верхних листьях. Следовательно, существует индивидуальная изменчивость по этому признаку.
Наряду с антоциановыми пигментами исследовалось и содержание пластидных пигментов у пурпурнолистных и зеленолистных форм древесных растений. Имеющиеся в литературе точки зрения по вопросу о содержании зеленых пигментов можно суммировать следующим образом :
1. Содержание хлорофилла у красных и зеленых листьев одинаковое (Willstatter und Stoll, 1918; Gabrielsen, 1940, 1960).
2. Содержание хлорофилла в красных листьях меньше, чем в зеленых. Эта концепция подтверждается многими исследователями (Zanovi, 1938; Seybold und Weissweiler, 1942; Sauber, Harze, 1959; Sen, 1940; Самохвалов, 1963; Арешидзе, 1964; Станко и Закман, 1964).
3. Красные листья содержат хлорофилла больше, чем зеленые (Blank, 1947; Глущенко, Соколова с сотр., 1966).
Наличие таких разнородных данных можно объяснить тем, что почти все исследователи работали с принципиально различными типами образования антоцианов или с растениями, образующими временный антоциан, или с пурпурнолистными вариациями с постоянным антоцианом. По нашим данным, содержание пигментов пластид в листьях барбариса обыкновенного пурпурнолистной вариации в сравнении с зеленолистной обычно несколько выше (данные за три года). Но следует отметить, что это превышение не во все сроки вегетации статистически достоверно (табл. 3.9, 3.10, 3.11).
Следует отметить, что содержание хлорофилла а, (являющегося основным сенсибилизатором света в процессе фотосинтеза), в зеленых и красных листьях одинаковое. Но в содержании хлорофилла b имеются значительные различия. В красных листьях хлорофилла b всегда больше, чем в зеленых и статистически достоверно. Отношение хлорофилла а : b в красных листьях во всех случаях ниже, по сравнению с зелеными. Такие же данные о величине отношения а : b получены В.С.Вакулой (1962), С.А.Станко (1963), С.А.Станко и М.М.Закман (1964). При исследовании других пигментов пластид - каротиноидов выяснилось, что в листьях пурпурной вариации их содержится также больше, по сравнению с зеленолистной (табл.3.12.). Больше всего накапливается лютеина, который составляет 50-60 % от суммы каротиноидов. Содержание всех пигментов пластид к осени снижается, в то время как содержание антоциана увеличивается. Есть данные С. И. Лебедева и Л. Г. Литвиненко (1966) о том, что хлоропласты антоциансодержащих листьев обладают меньшей фотохимической активностью, чем хлоропласты зеленых листьев. Это подтверждается нашими данными по флуоресцентным характеристикам первичных звеньев фотосинтеза, проведенными в июле 1998 г. Исследования проведены с помощью импульсного флуориметра РАМ-2000. Измерялись нулевой уровень флуоресценции (Fo), максимальная амплитуда флуоресценции, индуцированная вспышкой насыщающего света после темновой адаптации (Fm) и при освещении действующим светом (Fm ). Кроме того измерялся выход БФ (Ft) при освещении действующим светом. На основании этих характеристик вычислялись величины квантового выхода нециклического электронного транспорта (Yield) по формуле: Yield = (Fm - Ft) : Fm и коэффициента нефотохимического тушения флуоресценции: (qN) = (Fm - Fm ) : (Fm - Fo). В ходе эксперимента контролировалась температура и величина плотности светового потока (ФАР- фотосинтетическая активность радиации). При измерении листья помещались в листодержатель 203О-В.
Световые кривые флуоресцентных характеристик листьев измерялись в автоматическом режиме, обеспечиваемом блоком управления флуориметра (компьютера). Последовательность измерений была следующей: 30 мин. темновая адаптация - измерения Fo и Fm - увеличение действующего света (5 мин.) - измерения Ft и Fm - ... Такая последовательность смены световых режимов обеспечивает постепенную энергизацию ФСА листа, а пятиминутный режим световой адаптации достаточен для завершения индукционных переходов. Методика и программа измерений разработана С.А.Шавниным (Уральская Государственная Лесотехническая академия).
Создание интродукционных популяций как метод интродукции и акклиматизации растений
Под акклиматизацией принято понимать процесс приспособления растений к новым природно-климатическим условиям существования. Как писал Э.Регель (1860, с.35) - акклиматизировать можно только породы, происходящие из стран, сходных по климату.». Растения более теплых климатов, при тщательном уходе, можно приспособить к перенесению только известной степени холода, которая не вредит ему в состоянии покоя, но можно предположить, что новые поколения в состоянии перенести больший холод, чем их родоначальник (там же, с.29). Примерно такой же точки зрения придерживался А.Н.Бекетов (1864, с. 113-114), полагавший, что распространение животных и растений в природе совершается длительным рядом акклиматизаций в течение тысячелетий: - акклиматизация есть изменение организма животного или растения для приспособления его к новому климату. Растение возможно считать акклиматизированным, если оно одичало и притом находится в цветущем состоянии.
Ч.Дарвин в работе «Изменение животных и растений в домашнем состоянии» (изд. 1941, с. 412) писал, что «... растения могут приспособиться к климату, совершенно не похожему на климат их родины, если они будут цвести и приносить плоды в более раннее или позднее время года. В обоих этих случаях человек акклиматизирует растение путем отбора и сохранения новых разновидностей. Таким образом, акклиматизация может быть достигнута бессознательно, если нежные растения просто выводятся из семян и если иногда делаются попытки возделывать их все далее на север, как было с маисом, апельсином и персиком.».
С 1896 г. русский ботаник А.Н.Краснов применительно к влажным субтропикам обосновал и успешно применил на деле целостную эколого географическую и историческую концепцию поисков и разведения новых ценных древесных растений. Он подчеркивал важность древесной флоры Чили и Новой Зеландии для влажных субтропиков нашей страны. Следовательно, Э.Регель, А.Н.Бекетов и А.Н.Краснов намного раньше изложили основы метода климатических аналогов, которые приписывали Майру. Г.Майр (Мауг, 1909), как известно отрицал возможность акклиматизации древесных пород, и предлагал заимствование древесных растений из стран, сходных по климату, т.е. поиск "климатических аналогов" и последующую натурализацию. Работы Майра были рассмотрены В.П.Малеевым (1933), который указал на реальность процесса акклиматизации, но полностью отверг «натурализацию».
Большинство дендрологов (А.В.Гурский, 1957) считают возможным применение обоих терминов (натурализации и акклиматизации). Ф.Н.Русанов (1950) предложил метод филогенетических (родовых) комплексов, позволяющий раскрывать направленность приспособительной эволюции. Он приводит пример с родом Berberis, в котором имеются представители вечнозеленых, полувечнозеленых и листопадных видов. М.В.Культиасов (1953) концентрирует внимание на эколого-историческом подходе изучения интродуцентов, т.к. экология видов определяется не только их современным состоянием, но и экологией их предков.
С.Я.Соколов (1957) классифицирует методы предварительного выбора интродуцентов. К предварительным методам он относит следующие: метод климатических аналогов и агроклиматических аналогов; метод сравнительного изучения палеоареалов и современных ареалов интродуцентов; метод эколого-исторического изучения флор и родовых комплексов; метод эдификаторов; метод изучения интродуцентов в природе.
А.М.Кормилицын (1969) считает, что для древесных растений в подборе материала нужно исходить из анализа флоры района интродукции, а от нее уже идти к другим флорам земного шара. В этом он видит разницу с методом М.В.Культиасова. К.А.Соболевская (1977) дополняет этот метод и называет его флорогенетическим, в основе которого лежит изучение генезиса и происхождения вида.
А.В.Васильев (1957) выделяет девять этапов акклиматизации растений; Г.Н.Шлыков (1963) - пять; В.Н.Некрасов (1984) - семь основных этапов акклиматизации.
Основными факторами, препятствующими акклиматизации широкого ассортимента растений на территории России, являются физико-географические условия зимнего периода, поэтому степень акклиматизации чаще всего выражается шкалой зимостойкости, которые разрабатывались и уточнялись многими исследователями. Первоначально зимостойкость в пяти-бальной шкале была применена Э.Вольфом (1917), затем несколько усовершенствована В.П.Малеевым (1933, с. 106), но более совершенную шкалу предложил С.Я.Соколов (1957, с.29): 1. Растение вполне зимостойкое (перезимовало без повреждений) по состоянию побегов и стволов. 2. Отмерзли концы побегов последнего года. 3. Отмерзли на всю длину побеги последнего года.4. Отмерзли ветви последних двух лет. 5. Отмерзли ветви последних трех лет. 6. Отмерзли стволы до уровня снегового покрова. 7. Отмерзли стволы до корневой шейки, но растение возобновлялось порослью. 8. Растение погибло от морозов. Состояние цветков и плодов: А. Цветочные почки вымерзли. Б. Бутоны убиты морозом. В. Цветки убиты морозом. Г. Недоразвитые плоды убиты морозом.
Подобную шкалу приводит П.И.Лапин и С.В.Сиднева, 1968. Н.К.Вехов (1957) степень акклиматизации предлагает характеризовать по среднему коэффициенту обмерзания, выраженному процентным соотношением средней длины обмерзших частей побегов за данный год или суммы этих длин за все годы наблюдений к средней длине побегов предыдущего года или к сумме этих длин за все годы, предшествующие каждой из перезимовок.
Адаптация растений к новым условиям всегда есть результат определенной унаследованной нормы реакции и происходит в основном двумя принципиально различными путями: путем перестройки комплекса физиолого-биохимических процессов внутри самого организма и путем отбора из популяции генотипов, наиболее пригнанных к новым условиям (Шмальгаузен, 1983, с.55, Драгавцев, Острикова, 1966); "При расселении вида в новых занимаемых им территориях могут оказаться достаточно хорошо адаптированными лишь отдельные формы" (Тимофеев - Ресовский, Воронцов, Яблоков, 1960, с. 170). Популяционный подход при подборе семенного материала для интродукции подчеркивался многими исследователями (Малеев, 1933, Ворошилов, 1945, Мамаев, 1973 и др.). Примером формирования популяции интродуцентов, возникших в результате "дичания" и называемых интродукционными популяциями, могут служить заросли акации серебристой (Acacia dealbata Link.) на Черноморском побережье Кавказа; айланта (Ailanthus altissima (Mill) Swingle), робинии псевдоакации (Robinia pseudoacacia L.), ясеня пенсильванского (Fraxinus pensylvanica Marh.) в южных районах европейской части СССР (Некрасов, 1971). Однако фитоценотические факторы даже в условиях, сходных по климату с условиями родины растения, могут заметно препятствовать расселению интродуцента (Гурский, 1957). По этой причине «дичание» не столь частое явление в природе. «Элементарные исторические преобразования протекают не в отдельных особях, а в популяциях особей» (Шмальгаузен, 1983). Это можно проследить на формировании естественных видов, описанных Е.Н.Синской (1948). Вид не имеет однородного состава в разных частях своего ареала, он не покрывает ареала сплошь, а состоит из отдельных родственных популяций, имеющих общее происхождение. Различия в характере составляющих вид популяций соответствует различным местообитаниям и в борьбе за ареал и жизненное пространство образуются приспособительные формы, получившие название экотипов. Экотипы - это ответ вида на условия среды, его активная реакция на условия существования. Экотип - это обычно совокупность многих популяций. Всякая популяция состоит в свою очередь из биотипов (совокупности особей с одинаковым генотипом), т.е. признаки экотипа наследственны и такие экотипические популяции состоят из гомозиготных и гетерозиготных особей. (Синская, 1948, с.39)
В.И.Некрасов (1971), используя принцип построения, предложенный Н.И.Дубининым и Я.Л.Глембоцким (1967), графически изобразил состав природных и интродукционных популяций, (рис.5.1.) Строение и численный состав группы растений, которая переносится в новые природно-климатические условия, значительно отличаются от строения и состава естественной популяции, т.к. попадает сравнительно небольшое число особей, представляющих ограниченное число феноклассов, которые представлены в природных условиях наибольшим числом особей. Если новые условия в целом благоприятны для роста интродуцентов, то число феноклассов (м) исходной естественной популяции полностью восстановится через ряд поколений. Это произойдет в том случае, если при интродукции не было утрат некоторых аллелей, что может случиться при изоляции. Формирование численного состава популяций будет зависеть от привлекаемого материала
Феноменология первичных процессов фотосинтеза у форзиции яйцевидной
Регистрацию миллисекундной замедленной флуоресценции ЗФ и нулевого уровня F0 проводили раздельно с помощью флуориметра "Фотон" (производство Красноярского университета). Длительность светового и темнового периода фосфороскопа составляет 5,0 мс. Интенсивность действующего света около 400 Вт\м "2. Возбуждение ЗФ проводили при красном светофильтре (КС-13). Длительность вспышки света при измерении Fo составляла 0,7 мс. Температурные зависимости стационарного уровня ЗФ изучали в диапазоне 2-80С, а нулевого уровня флуоресценции в диапазоне 20-80 С при скорости нагрева 4 град/мин"1. Индукцию ЗФ регистрировали при 20С в течение 20-25 мин. до полного завершения индукционного перехода. После этого объект охлаждали при том же режиме освещения до 2-4С, выдерживали 3-5 мин. до полного установления стабильного уровня свечения, а затем производили повышение температуры с регистрацией и записью величины ФЛ с помощью самописца КСП - 4. Термограммы Fo получали аналогичным способом, начиная повышение температуры с 20С. В качестве показателя эффективности фотосинтеза использовали отношение Fv \ Fm, где Fv = Fm - Fo, т.е. равна разнице свечения Fm при максимально закрытых реакционных центрах фотосистемы II (РІД ФС II) и нулевым уровнем флуоресценции Fo, соответствующем состоянию с полностью открытыми РЦ ФС II. Величину Fm определяли по максимому выхода быстрой флуоресценции. Ее регистрировали в режиме измерения Fo после включения действующего света насыщающей интенсивности. Отношение Fv \ Fm является наиболее воспроизводимым показателем фотосинтетической активности ФС II листьев растений, выращенных в разных условиях (Damon, Pearey, 1990).
Первоначально необходимо было выяснить как изменяются флуоресцентные параметры в течение вегетации и зависимость их от возраста листьев, так как у форзиции на побеге формируется постепенно 5-6 ярусов листьев. Наши исследования показали, что в начале вегетации в мае (возраст листьев 17-20 дней) индукционные кривые ЗФ характеризуются большей амплитудой фазы OI и значительно меньшей высотой пика Р, причем у листьев 4 и 6 ярусов фазу Д - Р не наблюдали (рис.6.1.). На примере листьев огурца и пшеницы также показано, что регистрация ЗФ может быть использована для определения их физиологического возраста (Нестеренко, Сидько, 1985, 1986).
Следует отметить, что по данным В.А.Караваева, А.Н.Кукушкина, Т.Я.Шагурина (1985) молодые листья отличаются упрощенной, однофазной индукционной кривой ЗФ.
Позднее, при возрасте листьев 20-25 дней, индукция ЗФ становится многопиковой и сохраняется такой до конца вегетации, что совпадает с данными о связи появления многофазности с завершением формирования листьев (Рождественский, Бухов, Воскресенская, 1985; Веселовский, Веселова 1990). При этом амплитуда пика Р значительно возрастает и может достигать уровня быстрой фазы 01 . Наряду с описанными выше закономерностями в процессе вегетации происходит постепенное увеличение стационарного уровня и фазы 01 с максимумом в августе.
Сравнение изменений формы индукционных кривых ЗФ листьев разных ярусов в течение вегетации показывает, что, наряду с увеличением амплитуды параметров изменяется характер кривой. У листьев 6-го яруса, начиная с июня, наблюдали появление фазы М (рис.6.1.), через 4-5 минут после включения действующего света. Эта фаза наблюдается на индукции ЗФ вплоть до конца вегетации и, как правило, отсутствует у листьев 2 и 4-го ярусов. Не менее показательна сезонная динамика фотосинтетических процессов в феллодерме коры, тем более, что у форзиции цветение начинается рано весной до распускания листьев.
С.Я.Соколов (1953) установил, что почти у всех лиственных пород весной в сердцевинных лучах и перидермальной зоне обнаруживается огромное количество хлорофилла. Количество его с появлением листьев снижается, и к осени, после окончания листопада в побегах хлорофилл восстанавливается и сохраняется в течение всей зимы. Следовательно, первое весеннее пробуждение, первый весенний рост наших древесных и кустарниковых пород происходит не за счет покоящегося в клетках крахмала, который остается нетронутым, а за счет ассимиляции побегами. В дальнейшем, когда раскрываются листья, они перекрывают относительно небольшой ассимиляционный эффект, который дают побеги». Уровень ЗФ феллодермы коры довольно высок, но тем не менее он в 6-8 раз ниже, чем у листьев, но в середине вегетации он значительно возрастает.
Для анализа полученных данных был использован показатель, характеризующий скорость фотосинтеза. (Ортоидзе, Маторин, 1989) Это отношение (К) разности амплитуд пика Р и стационарного уровня Т, к величине стационарного уровня. К= Fp/Fs. У феллодермы коры форзиции это отношение достигает максимума в августе (рис.6.2.), что может быть связано с относительным увеличением энергообмена при переходе к глубокому покою, сопровождающимся значительными перестройками метаболизма. В дальнейшем в октябре-марте происходит уменьшение величины К почти до нуля, что свидетельствует о прекращении функционирования ФСА феллодермы.
Изучение сезонных изменений отношения Fv \ Fm (рис. 6.2.) показывает, что эта характеристика эффективности фотосинтеза у листьев разных ярусов практически не отличается и уменьшается лишь к осени. У феллодермы коры ее величина возрастает в июне и сохраняется высокой до сентября, а затем постепенно уменьшается к февралю. Таким образом, ФСА феллодермы коры форзиции даже зимой частично сохраняет активность.
Анализ результатов изучения стационарного уровня ЗФ листьев в широком температурном диапазоне показывает, что в начале вегетации наблюдается первый выраженный температурный подъем у листа 2-го яруса при 18-22С и, второй (максимальный) - при 40-44С. У листьев 4-го яруса первый максимум имеет место при 23-26С, а второй - отсутствует (рис.6.За). Этот факт, а также более высокий выход ЗФ в физиологическом интервале температур у листьев второго яруса, свидетельствует о различном физиологическом состоянии листьев этих ярусов и большей активности в мае более зрелых листьев. Вместе с тем, различие низкотемпературных максимумов ЗФ свидетельствует, по-видимому, о несовпадении липидного состава мембран тилакоидов, определяющих их фазовое состояние (Terzaghi, Fork et al., 1989, Havaux, Lannoye, 1983). Следует отметить, что в середине вегетации происходит увеличение уровня ЗФ при температурах выше 20-24 Сив сентябре температурные максимумы смещаются к 34-36 С у листа 2-го яруса и 18-20 С у листа 4-го яруса, что может быть связано с уменьшением термостойкости ФСА. Следует отметить, что листья 4 яруса в середине вегетации более активны при физиологически оптимальной температуре. В течение всего периода исследований на термограммах ЗФ листьев наблюдали наличие дополнительного высокотемпературного максимума при 62-66С. Данный максимум, по-видимому, определяется активностью ФС I (Джавршян, 1986), выход свечения которой при более низких температурах незначителен. Выяснение полной природы этого феномена требует дополнительных исследований. Температурные зависимости выхода ЗФ листьев 6-го яруса в течение вегетации аналогичны термограммам листьев 4-го яруса.
Динамика сезонных изменений термограмм ЗФ феллодермы коры форзиции (рис.6.36) свидетельствует об увеличении интенсивности ФСА в весенне-летний период и постепенном ее уменьшении вплоть до декабря-января. Отсутствие пика при 62-65 С в течение всего периода исследований позволяет предположить относительно более слабое по сравнению с листьями развитие комплекса ФС І в феллодерме коры.
Нулевой уровень быстрой флуоресценции Fo соответствует окисленному состоянию первичного акцептора электронов ФС I, т.е. свечению при полностью открытых реакционных центрах . Увеличение выхода Fo листьев в диапазоне 20-30 С к концу вегетации свидетельствует об изменении эффективности перехода энергии от хлорофилл-белкового светособирающего комплекса (ССК) на антенны ФС II (рис.6.4.). Термограммы Fo листьев в мае имеют одновершинный вид с максимумом при 54 С и перегибами на нисходящем участке при 60-68 С. В сентябре на термограммах Fo сохраняется пик при 54 С, возникает выраженный максимум при 64-65 С и усиливается, по сравнению с маем высокотемпературный участок при 70-80 С . Температурные зависимости нулевого уровня флуоресценции листьев 6-го яруса в течение лета в основном повторяют термограммы Fo листьев 4-го яруса. Увеличение выхода Fo в интервале 40-54С определяется, по-видимому, ингибированием реакционных центров ФС II и отделением ССК (Scheiber, Armond, 1978), тогда как свечение в высокотемпературной области связывают с нарушением связи белков с пигментами фотосистемы и растворение хлорофилла в липидной фазе тилакоидных мембран (Гаевский, Сорокина, Гольд, Миролюбская, 1991).