Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. АНАТОМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛИСТА ХВОЙНЫХ 8
1.1. Типы инициации листовых зачатков и органогенез 3
1.2. Гистогенез листа 12
1.3. Структура зрелого листа 16
1.4. Структура мезофилла 18
1.5. Ультраструктура мезофилла 20
1.6. Суточные, сезонные и возрастные изменения мезофилла 22
1.7. Структурно-функциональная специфика листа хвойных 24
Глава 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 29
Глава 3. ОРГАНО- И ГИСТОГЕНЕЗ ЛИСТА ЕЛИ СИБИРСКОЙ 37
Глава 4. УЛЬТРАСТРУКТУРНОЕ РАЗВИТИЕ МЕЗОФИЛЛА В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТА 55
Глава 5. СУТОЧНЫЕ, СЕЗОННЫЕ И ВОЗРАСТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ УЛЬТРАСТРУКТУРЫ МЕЗОФИЛЛА 76
5.1. Суточные изменения 76
5.2. Сезонные изменения 79
5.3. Возрастные изменения 89
Глава 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 100
6.1. Органо- и гистогенез 100
6.2. Особенности ультраструктурного развития листа хвойных 103
6.3. Сравнительная характеристика ультраструктурных изменений мезофилла хвойных 109
6.3.1. Суточные изменения 109
6.3.2. Сезонные изменения III
6.3.1. Возрастные изменения 114
6.4. Соотношение структурных, функциональных и биохимических изменений в ходе развития хвои 115
ВЫВОДЫ 124
ЛИТЕРАТУРА 127
- Типы инициации листовых зачатков и органогенез
- ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
- ОРГАНО- И ГИСТОГЕНЕЗ ЛИСТА ЕЛИ СИБИРСКОЙ
- УЛЬТРАСТРУКТУРНОЕ РАЗВИТИЕ МЕЗОФИЛЛА В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТА
- Суточные изменения
Типы инициации листовых зачатков и органогенез
Хвойные - одна из наиболее распространенных групп современных голосемянных. Им принадлежит ведущая роль в формировании лесных биогеоценозов в Северном полушарии. Благодаря своим анатомическим и физиологическим особенностям хвойные способны обитать в широком экологическом диапазоне, в том числе в экстремальных условиях Крайнего Севера, отличающихся низкими температурами воздуха и почвы, недостатком влаги, аноксиеи. Они имеют самый холодостойкий ассимиляционный аппарат, выдерживающий понижения температуры до -60С (вечнозеленые лиственные кустарники, обитающие севернее границы хвойных лесов, зимуют под покровом снега).
Анатомическим особенностям листового аппарата хвойных посвящена обширная литература, позволяющая составить довольно полную характеристику развития и зрелой структуры листа для этой группы растений.
В ранних работах имеются противоречивые сведения о заложении листовых зачатков на апексе побега хвойных. Hofmeister (1857) полагал, что клетки апекса побега хвойных делятся при заложении листа в трех направлениях, по типу многих папоротникообразных. Strasburger (1872) и Efitzer (1872) показали, что заложение происходит в результате антиклинальных делений крайних слоев апикальной меристемы. Korody (1938), придерживавшийся концепции туники-корпуса, изучил заложение листа у трех представителей ХВОЙНЫХ ( Abies concolor , Picea excelsa , Pinus montana ), проследив начальную фазу появления листового бугорка на апексе побега, он заключил, что заложение происходит первоначально путем периклинального деления клеток, расположенных в наружном слое конуса нарастания. Позднее деления наблюдались во втором и более глубоколежащих слоях клеток. Sacher (1955) пришел к противоположному выводу: при изучении заложения листовых зачатков у Pinus lambertiana он установил, что сначала наблюдаются антиклинальные деления в крайних слоях клеток, затем делятся клетки в глублежащих слоях, но уже в различном направлении и лишь затем следуют периклинальные деления клеток. Детально описал заложение листьев у ряда представителей хвойных растений Camefort (1956). Он отмечает, что у Picea exelsa заложение листа начинается с увеличения размеров и периклинального деления клеток второго слоя и одновременно с этим наблюдаются и антиклинальные и периклинальные деления клеток внешнего слоя.
Объект и методы исследования
Исследования проводились в подзоне средней тайги Коми АССР на территории Чернамского лесобиологического стационара Института биологии Коші филиала АН СССР в 1980-1983 годах.
Климат55 района исследований умеренно-континентальный с преобладанием холодной и пасмурной погоды. Средняя температура января -15,2, абсолютный минимум - 45. Лето короткое и нежаркое, со средней температурой июля +16,6, абсолютный максимум +34. Продолжительность безморозного периода в среднем составляет 98 дней.
С началом вегетационного периода часто наблюдается возврат холодов, что оказывает отрицательное воздействие на жизнедеятельность древесных растений.
В годы исследований существенных отклонений климатических характеристик в сравнении с многолетними данными не наблюдалось. В 1980 году большую часть лета удерживалась умеренно-теплая погода, однако в июле и августе средние месячные температуры воздуха были на 3-3,5 ниже гшоголетних величин. Вегетационный период 1981 года был теплым. Небольшие понижения температуры воздуха наблюдались во второй декаде мая и в сентябре. С июня по август температура была выше на 2-4 по сравнению с многолетней.
Общая характеристика климата дана по средним многолетним данным близлежащей от района исследований метеостанции Усть-Вымь,
В 1982 и 1983 году средне-месячные температуры в июле были на 5-6 выше по сравнению с многолетними (рис. 2.1).
Для сбора образцов было подобрано плодоносящее дерево ели сибирской в возрасте около 80 лет, растущее в сосново-еловом древостое. Выбор объекта обусловлен проведением комплексных морфолого-физиологических исследований на территории Чернамского лесобиологического стационара.
Побеги и хвоя брались из верхней части кроны с юго-восточной стороны экспозиции. Образны фиксировались для свето- и электронно-микроскопических исследований с апреля 1980 по сентябрь 1981 г. Весной почки и хвоя фиксировались через кавдые 5-7 дней, летом и осенью - через 10-15 дней, а в зимний период было выполнено 2 фиксации (рис. 2.2). Материал брали всегда в одно время суток -12 часов дня. Кроме того, в июне 1983 г. проведена фиксация разновозрастной хвои ели, а в июле этого же года взят материал для выявления суточной динамики ультраструктуры клеток мезофилла хвои ели сибирской.
Подготовка препаратов для световой микроскопии проводилась по следующей методике. На вибрационном микротоме для мягкой ткани (Скупченко, 1979) изготовлялись срезы живых нефиксированных образцов почек с зачатками листьев, растущей и зрелой хвои ели сибирской. Толщина срезов составляла 15-20 мкм. Их фиксация производилась непосредственно при микротомировании в среде смывного водного раствора, содержащего 4$ формальдегид. После промывки срезов дистилированной водой, их окрашивали для выявления содержания нуклеопротеидов по Браше метиловым зеленым-пиронином (Пирс, 1962), а затем заключали в глицерин или фруктозо-глюкозную смесь. Для изучения микропрепаратов использовался микроскоп " Ampiival " с поляризационным устройством. Фотографии получены с помощью микрофотонасадки (ШН-І2).
Органо- и гистогенез листа ели сибирской
Процессы эмбрионального развития и гистогенеза хвои ели про-ходят в течение двух вегетационных периодов и складываются из нескольких морфогенетических этапов.
Заложению инициального бугорка зачатка хвои на конусе нарастания предшествуют процессы функциональной специализации клеток периферической меристемы апекса. Процесс инициации листовых при мордиев связан с возникновением в периферической меристеме апекса цепочек удлиненных клеток, которые соединяют протодерму с ини циалями прокамбия.
Изучение структуры периферической меристемы в основании вегетативного апекса в период формирования листовых бугорков фюль-август) показало, что в ней существуют группы клеток с высоким содержанием нуклеопротеидов. Эти группы клеток участвуют в формировании зачатков хвои. Морфометрический анализ ультраструктуры клеток периферической меристемы в основании апекса также показал их значительную гетерогенность по объемному содержанию пластид, митохондрий, вакуолей и сферосом.
В период появления листового бугорка, в его верхней части, клетки протодермы начинают делиться периклинально.а несколько позже в основании бугорка-антиклинально (рис.3.1а,б). Первоначально примордий хвои приобретает полусферическую форму, по диаметру основания которого,располагается 8 слоев клеток (рис.3.2а). В это время в осевой части зачатка формируется прокамбий (рис.3.26).
Ультраструктурное развитие мезофилла в процессе формирования листа
Параллельно с изучением гистогенеза хвои ели сибирской, проводились исследования ультраструктурных преобразований мезофилла развивающейся хвои. Поскольку хвоя ели в своем развитии проходит несколько этапов, характеристика которых была приведена в предыдущей главе, дальнейшее описание ультраструктуры клеток ассимиляционной ткани в процессе ее формирования также приурочено к этим этапам. Однако, учитывая, что в год заложения процессы дифференциации клеток примордиев хвои выражены слабо, изучение их ультраструктуры проводилось только в 2 срока - начальный период заложения зачатков хвои и в самом конце вегетации. В весенний период дифференциация тканей в зачатках хвои осуществляется в сжатые сроки, в связи с чем ультраструктура мезофилла хвои изучалась через 7-Ю дней и всего с момента начала весеннего развития до формирования зрелой хвои было проведено 7 фиксаций, охватывающих 3 этапа весеннего развития хвои. Необходимо отметить, что до настоящего времени в работах по ультраструктуре растений еще крайне недостаточно используются количественные характеристики клеточных орга-нелл. В то же время применение морфометрического анализа позволяет в большей мере оценить функциональное состояние отдельных клеток и тканей, в сравнении с визуальным описанием электроннографичес-ких изображений. Заложение листового бугорка у ели, как и у большинства древесных растений,происходит летом в середине вегетационного сезона. Как показали электронномикроекопи-ческие исследования,зачатки хвои в этот период сложены типичными меристематическими клетками (рис. 4.1а). Они содержат крупные ядра с ядрышками и конденсированным хроматином. Парциальный объем ядра по отношению к объему цитоплазмы дан в таблице, (табл. 4.1). Мембраны ядерной оболочки имеют слабоизвилистые очертания,ширина перинуклеарного пространства на всем протяжении ядерной оболочки равномерна.
Суточные изменения
Исследования ультраструктурной организации клеток мезофилла ели проводились в регионе характеризующемся длинным световым днем в летний период. Поскольку продолжительность темнового периода суток в июне месяце составляет всего 4-5 часов при выявлении суточных изменений ультраструктуры клеток мезофилла однолетняя зрелая хвоя для исследования бралась в конце июля, когда долгота дня сокращается до 16 часов. Образцы хвои фиксировались в течение одного и того же дня в 12 и 24 часа.
Клетки мезофилла хвои, зафиксированной в 12 часов по своей ультраструктуре каких-либо достоверных отличий, от описанных в предыдущей главе дифференцированных клеток, не проявляют. В центре их находится крупная вакуоль, по периферии которой расположены таниновые включения в виде электроноплотной каймы. Небольшое количество танинов, имеющих хлопьевидную структуру наблюдается и в центральной части вакуолей. Ядро и хлоропласты располагаются вблизи клеточных оболочек. Цитоплазма занимает сравнительно небольшой объем клетки. Узкий пристенный слой ее расширяется немного лишь в местах локализации хлоропластов и ядра. Для всей цитоплазмы характерна высокая электронная плотность.
Хлоропласты имеют хорошо развитую тилакоидную систему, среднее число гран и тилакоидов в гранах в пересчете на срез хлоропласта составляет соответственно: 12,06 0,58 и 4,41 0,15. Данные показатели оказались несколько меньшими, чем количественные характеристики фотосинтетических мембран пластид, приведенные в главе 4 для зрелой хвои ели. Это явление, видимо связано с начавшимися уже сезонными перестройками тонкой структуры хлоро-пластов. Строма пластид насыщена рибосомами, количество пласто-глобул в среднем составляет 16,92 1,28 на срез хлоропласта. Митохондрии часто находятся в контакте с хлоропластами, система крист в них развита умеренно (рис. 5.1а).
В мезофилле хвои, зафиксированной в 24 часа наблюдаются некоторые особенности по сравнению с хвоей зафиксированной в дневное время. Они заключаются, в основном, в меньшем содержании электроноплотных таниновых включений. Топография клеточных орга-нелл в ночное время не изменяется. Однако, кроме центральной вакуоли, в цитоплазме клеток наблюдается несколько (1-2 в сечении клетки) небольших электронопрозрачных вакуолей, не содержащих танинов. Тонопласт вакуолей клеток мезофилла свободен от электрон-ноплотных включений, причем, последние расположены только внутри центральной вакуоли в виде крупных глыбок неправильной формы.
