Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. НАПРАВЛЕНИЯ, МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
ГЛАВА 2. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ И ИНДИВИДУАЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ И ОРГАНОВ 20
2.1 Организация - основа жизни и ее уровни 20
2.2 Представления об индивидууме и индивидуальности органов растений 23
2.3 Классификация форм и эволюция индивидуальности у растений 32
2.4 К вопросу о других направлениях изучения организации растений 38
ГЛАВА 3. РЕГЕНЕРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСТЕНИЙ И ОРГАНОВ, ВОЗМОЖНОСТИ ИХ РЕГУЛЯЦИИ 42
3.1 Мозаичность организации растений и проявление потенций к регенерации у органов и структур 43
3.2 Регуляция процессов регенерации и ее механизмы 53
3.3 О связи процессов роста и регенерации у растений 75
ГЛАВА 4. ИНДИВИДУАЛЬНОСТЬ, ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ И ПРОЦЕССЫ РЕГЕНЕРАЦИИ У ЛИСТЬЕВ 89
4.1 Проявление и регуляция процессов регенерации у изолированных листьев 89
4.2 Дифференцировки в онтогенезе растений и их влияние на жизнеспособность изолированных органов и структур 98
4.3 Продолжительность жизни интактных и укорененых листьев 109
4.4 О роли мощности развития корневой системы в продолжительности жизни изолированных листьев 116
ГЛАВА 5. ИНДИВИДУАЛЬНОСТЬ И ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ СЕМЯДОЛЕЙ 121
5.1 Особенности интактных и изолированных семядолей двудольных 122
5.2 Жизнеспособность изолированных семядолей в разных условиях 130
5.3 Мощность корневой системы, биомасса и продолжите льность жизни изолированных семядолей 145
ГЛАВА 6. ИНДИВИДУАЛЬНОСТЬ И ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ ЦВЕТКОВ И ИХ СТРУКТУР 155
6.1 О продолжительности жизни интактных и изолированных цветков 156
6.2 Потенции к регенерации изолированных соцветий, цветков и лепестков 159
6.3 Продолжительность жизни изолированных цветков и лепестков 163
6.4 О продолжительности жизни соцветий, цветков и разных их структур 171
ГЛАВА 7. ЭВОЛЮЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИНДИВИДУАЛЬНОСТИ, ЦЕЛОСТНОСТИ И СТАРЕНИЯ РАСТЕНИЙ И ОРГАНОВ 177
7.1 История проблемы и ее основные аспекты 177
7.2 Целостность индивидуума и изолированных структур, ее значение для устойчивости к стрессам 183
7.3 К вопросу об экологических предпосылках гомеостаза растений и пороговой чувствительности их органов и структур 193
7.4 Целостность растений и особенности интактных
и изолированных органов и структур ". 199
7.5 Эволюция индивидуальности и старения растений, их органов и структур 202
7.6 К вопросу о роли продолжительности жизни индивидуума в эволюции растений 209
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 213
ВЫВОДЫ 221
ЛИТЕРАТУРА 224
- Представления об индивидууме и индивидуальности органов растений
- Мозаичность организации растений и проявление потенций к регенерации у органов и структур
- Дифференцировки в онтогенезе растений и их влияние на жизнеспособность изолированных органов и структур
Введение к работе
Актуальность проблемы. Организация, проявляющаяся в дифференциации системы и взаимодействии составных элементов, представляет важнейшую черту жизни на всех уровнях ее существования. По сути, и само возникновение жизни стало возможным только после достижения определенной организации в предбиологической системе. Организация - показатель упорядоченности и приспособленности живых систем, лежит в основе их целостности, воспроизведения и информационной емкости (Тахтаджян, 1964, 1998; Кастлер, 1967; Шмаль-гаузен, 1982; Оноприенко, 1990).
Проблемой остается выяснение конкретных путей и последствий реализации организации в ходе индивидуального и исторического развития разных существ (Шмальгаузен, 1982). Морфология растений по определению ее основоположников призвана изучить специфику растительного организма (Канаев, 1970) и уже достигла многого в познании их микро- и макроструктуры (Серебряков, 1962; Синнот, 1963; Имс, 1964; Эсау, 1969). Однако все еще не исследо-ванны вопросы, касающиеся особенностей структурно-функциональной организации растений, что наиболее ярко проявляется в поддержании формы «саморегулирующегося индивидуума» (Синнот, 1963: 499) и экологической нормы (Серебряков, 1962; Тахтаджян, 1964, 1998). Важно выяснить, как реализуется норма у органов и структур по мере дифференциации при мозаичности их формирования и в чем проявляется связь между нормой целого организма и отдельных его структур.
Исследование указанных вопросов проведено ниже путем анализа явлений индивидуальности и продолжительности жизни (ПЖ) растений и разных их органов и структур, отличающихся по организации и специализации (анатомически) (Эсау, 1969), способности к регенерации, самостоятельному существованию в интактном и изолированном состоянии (Кренке, 1950). В этих целях сравниваются особенности жизнедеятельности и морфогенеза у изолированных побегов, листьев, семядолей, цветков и лепестков у двудольных, относящихся к
разным морфо-биологическим группам. Разброс объектов как раз позволяет оценить общую тенденцию изменения исследуемых процессов и явлений у растений. Индивидуальность структур определяется по степени проявления способности к самостоятельному существованию в изолированной культуре, регенерации и автотрофному обмену (Кренке, 1950). Принимается во внимание не только организация структуры в интактном состоянии, но и последствия ее изменения в изолированной культуре при индуцировании развития корней и воздействии на их жизнедеятельность разными факторами. Это дает возможность конкретизировать роль программного и индуцированного контроля в регуляции жизнедеятельности, ПЖ и старения органов и структур.
Касаясь вопросов индивидуальности, ПЖ и старения растений и органов следует напомнить о слабой их комплексной и сравнительной изученности в целом. Напомним, что проблема индивидуальности, хотя давно поставлена (Кренке, 1950; Дубровицкая, 1961; Турецкая, 1961; Molisch, 1929), но остается одной из дискуссионных в ботанике (Левин, 1961, 1964; Полевой, Саламатова, 1991; Юсуфов, 1992; Thimann, 1978, 1980; Woolhouse, 1982, 1984; Buss, 1987). Достаточно напомнить об отсутствии пока даже общепринятой классификации форм индивидуальности и подходов к оценке ПЖ растений (Работнов, 1950). ПЖ индивидуума и отдельных органов растений является частью общей проблемы эволюции явлений старения живых существ. Эта проблема, хотя и представлена обширной литературой, все еще не решена в смысле познания онто- и филогенетических причин и предпосылок возникновения старения не только у растений, но и животных (Стреллер, 1964; Комфорт, 1967).
Кроме того данные о старении и ПЖ индивидуума конкретных видов растений довольно противоречивы и часто не совпадают в разных источниках (Кренке, 1950; Шитт, 1958; Molisch, 1929). Имеют хождение и высказывания о потенциальном бессмертии индивидуума у растений, размножающихся вегетативно. Дискутивным остается и вопрос о механизмах и причинах старения индивидуума и отдельных структур растений (Леопольд, 1968; Гупало, 1969; Ка-зарян, 1969; Клячко, Кулаева, 1975; Андреева и др., 1990; Люкевич, Кузнецов,
1999; Машева и др., 1999; Wangermann, 1965; Woolhouse, 1967, 1974; Sax, 1968; Choe, Tnimann 1975; Thimann, 1978, 1980; Woodson, Nanda, 1987; Coleman, 2000; Rubinstein, 2000), хотя известно, что старение сопровождается апоптозом, в основе чего лежит запрограммированная смерть клеток, проявляющаяся как необходимый компонент роста и развития организма (Ванюшин и др., 1999; Kawai et al., 1999; Pappelis, Bhattacharya, 2001)
Учитывая сложность изучения старения и ПЖ индивидуума у растений, большее внимание в последние годы стали уделять старению отдельных органов - листьев (Дубровицкая, 1961; Клячко, Кулаева, 1975; Гаврилова, 1982; Юсуфов, 1988; Mothes, 1960; Bhalla, Sweney, 1999; Nakano et al., 1999; Baburay et al., 2000), семядолей (Клячко и др., 1973; Шакирова и др., 1982; Юсуфов, 1992; Lee, 1950, а, б; Mandal et al., 1995; Franklim et al., 2000; Moieni et al., 2001), цветков и лепестков (Нуантхасинг, 1989; Юсуфов, 1992; Мирошниченко и др., 1997; Rao, 1983; Sacalis et al., 1983; Mathuz, 1996) в изолированном состоянии. Однако чаще всего при этом речь идет о старении отдельно взятой структуры у огромного числа объектов без сравнения особенностей разных частей в их взаимосвязи в пределах растения.
Для познания тенденций изменения ПЖ и старения разных органов и структур специфика проявления указанных показателей оценивается в благоприятных и неблагоприятных условиях культивирования в целях выяснения возможных их отклонений от нормы.
Изучение специфики проявления индивидуальности и ПЖ представляет интерес для познания закономерностей онтогенеза растений и механизмов его надежности. Изучение механизмов надежности важно не только применительно к онтогенезу (Гродзинский, 1983; Полевой, 1989), но и надиндивидуальным образованиям (Шмальгаузен, 1968, 1969; Тахтаджян, 1998). Но при этом онтогенетическая организация по сравнению с популяционно-видовым и биоценотиче-ским уровнями менее изучена, хотя представляет интерес для познания автономной (программной) регуляции генетической информации. Такой подход к онтогенезу углубляет представления о целостности растительного организма
(Курсанов, 1976; Чайлахян, 1980; Кулаева, 1982; Мокроносов, 1983; Полевой, 2001; Лутова и др., 2000; Dostal, 1967; Rees, 1977; Wagner, 1977) и расширяет возможности использования метода культуры органов, тканей и клеток для управления морфогенезом in vitro.
Цель и задачи исследования. Цель работы - выяснение общих и специфических особенностей индивидуальности, старения, ПЖ и регенерации ряда цветковых растений, а так же их органов и структур в интактном и изолированном состоянии. При этом ставится задача оценить роль генетического и индуцированного контроля регуляции отдельных особенностей их жизнедеятельности. Экспериментальному анализу подвергнуты следующие вопросы:
Изучение потенций к самостоятельному существованию листьев, семядолей, цветков, лепестков и других структур в интактном и изолированном состоянии, а также влияния условий на реализацию потенций их к регенерации.
Выяснение связи между ризогенезом, индивидуальностью и ПЖ у изолированных структур, а также особенностями организации индивидуума растений.
Сравнительное изучение роли возраста и сроков интактного состояния в старении и ПЖ изолированных органов и структур после их укоренения.
Оценка состояния эндогенной регуляции ПЖ и старения листьев, семядолей, цветков и лепестков при разных воздействиях в изолированной культуре.
Изучение процессов роста, морфогенеза и ПЖ при длительном культивировании изолированных структур в разных условиях.
Анализ морфофизиологических изменений при старении изолированных органов и структур у растений, отличающихся по индивидуальности.
Анализ роли целостности и уровня организации изолированных структур в их устойчивости к стрессам.
Новизна исследования и основные его положения, выносимые на защиту. Основой работы является концепция о роли целостности индивидуума в регуляции жизнедеятельности растений на примере сравнительного изучения устойчивости их органов и структур в интактном и изолированном состоянии. В
связи с этим дан эволюционно-экологический анализ проявления особенностей индивидуальности, ПЖ, старения и регенерации на примере ряда цветковых растений, что позволило выяснить роль указанных явлений в жизнеспособности структур в интактном и изолированном состоянии. Благодаря комплексному экспериментально-морфологическому подходу получены оригинальные данные, характеризующие онто- и филогенетические предпосылки проявления связи процессов регенерации, старения и специализации органов и структур с уровнем целостности индивидуума растений. Отмечен неодинаковый характер эндогенной регуляции жизнедеятельности у разных структур и органов в интактном и изолированном состоянии, а также показаны возможные пределы ее вариации в зависимости от условий культивирования.
На защиту и обсуждение выносятся следующие положения:
Индивидуальность, ПЖ и старение растений, их органов и структур имеют эволюционно-экологические предпосылки и являются показателями онтогенетического уровня организации жизни, возникшие в результате коэволюции путем соотбора с темпами и способами размножения, а также уровнем целостности организма.
Старение и ПЖ структур в целостном организме не определяются сроками существования индивидуума, в интактном и изолированном состоянии регулируются эндогенно, автономно и мозаично.
Уровень и направление специализации структур в онто- и филогенезе влияет на проявление их индивидуальности и ПЖ.
Условия культивирования и изменение структурно- функциональной организации изолированных органов и структур влияют на их ПЖ, старение и жизнеспособность. Пределы же изменения указанных особенностей выступают при этом как норма реагирования генотипа и результат специализации структур (эпигенетические последствия).
Асинхронность старения органов и структур в онтогенезе зависит от направления их эволюционной специализации.
Между ПЖ, устойчивостью индивидуума и отдельных его изолированных структур к стрессам нет прямой зависимости. Часть и целое, при этом имеют несоответствующие друг к другу параметры.
Целостность растений не представляет собой механическое объединение реакций отдельных частей, а является проявлением сложного функционального их взаимодействия. Поэтому целостность выступает как особое состояние жизнеспособности и устойчивости, не сводимое к особенностям отдельных структур.
Теоретическая и практическая значимость. Материалы работы конкретизируют эколого-эволюционные предпосылки возникновения индивидуума растений как морфо-физиологически целостной системы с мозаичным морфогенезом и асинхронным старением органов и структур. Целостность индивидуума - основа его жизнеспособности и экологической стабильности, выступает как результат слаженного взаимодействия структур на разных этапах развития в постоянно меняющихся условиях. Отбор индивидуумов как целостных систем в процессе эволюции привел к возникновению механизмов эндогенной регуляции жизнедеятельности и пороговой чувствительности органов и структур к внешним воздействиям в интактном состоянии. В этой связи и жизнеспособность каждой структуры в изолированной культуре также определяется уровнем ее организованности (целостности) и взаимодействием составляющих ее элементов.
Данные имеют практическое значение для регуляции процессов регенерации и старения органов и индивидуума. Представляет интерес использование реакции изолированных структур на солевой стресс для диагностики соле-устойчивости растений, хотя реакция не всех изолированных структур соответствует реакции целого растения. Выяснена связь устойчивости изолированных структур с уровнем их организации. Конкретизированы модельные структуры, отвечающие реакции целого растения. При регуляции солеустойчивости растений и изолированных структур необходимо учесть уровень их целостности.
Данные, характеризующие особенности растений, органов и структур в ин-тактном и изолированном состоянии, имеют значение для разработки теории признаков у растений. Это дает возможность судить о специфике организации и жизнедеятельности растений путем экспериментального анализа отдельных их структур. Указанные положения работы обоснованы данными, полученными с использованием методов морфологии и физиологии.
Материалы и выводы диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий по ботанике, физиологии растений, теории эволюции, истории и методологии биологии. По теме диссертации выполнены курсовые, дипломные, а также кандидатские работы в Дагестанском государственном университете.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на конференциях: «Регуляторы роста и развития растений» (М., 1981), «Механизмы регуляции функционирования биологических систем и методы их изучения» (Казань, 1983), региональная конференция «Теоретические вопросы регенерации растений» (Махачкала, 1984), шестой Сабининский семинар «Ионный обмен растений и физиология корня» (М., 1985), II международная конференция «Биология культивируемых клеток и биотехнология растений» (Алма-Ата, 1993), «Биология клеток растений и биотехнология» (М., 1997), «Съезд ботаников» (СПб, 1998), «Съезд физиологов растений России» (М., 1999; Пенза, 2003), международная конференция «Экосистемы Прикаспия - XXI веку» (Элиста, 1998) «VI Международная конференция по морфологии растений» (М., 1999), ежегодные научные конференции Дагестанского университета (1988 - 2002 гг.), международная конференция «Рост и развитие растений» (Минск, 2001)
Благодарности. Автор благодарит аспирантов и преподавателей кафедры ботаники и физиологии растений Даггосуниверситета, которые оказывали содействие в выполнении данной работы, научному консультанту д.б.н., профессору Абачеву К. Ю. Искренняя признательность за конструктивные замечания и советы приносится официальным оппонентам - д.б.н., профессору института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН (Москва) Прусаковой Л. Д.,
д.б.н., профессору кафедры высших растений МГУ Меликяну А. П., директору Горного БС ДНЦ РАН, д.б.н. Магомедмирзаеву М.М., коллективу лаборатории физиологии растений ГБС (Москва) и ее заведующему д.бін., профессору Кириченко Е.Б.
Представления об индивидууме и индивидуальности органов растений
Вряд ли в ботанике найдется другая проблема, которая более чем 100 лет все еще остается дискуссионной. Сложившееся положение обусловлено объективными трудностями, связанными с установлением границ индивидуума у вегетативно размножающихся растений и отсутствием строгих критериев для оценки их индивидуальности.
Попытки в познании границ индивидуума и индивидуальности делаются давно. Одна из них принадлежала И. В. Гете, который заметил, что растение только на одно мгновение представляется особью, именно когда оно отделяется в качестве семени (Канаев, 1970). В течение же прорастания оно является уже чем-то многообразным. Это кажущееся целое состоит из весьма независимых частей, из которых можно получить множество целых, так как части сходны между собой и более подобны целому (Лункевич, 1960: 249). Аналогичное же мнение высказывает К. А. Тимирязев в работе «Исторический метод в биологии». Так, характеризуя явление наследственности и изменчивости, он указывает, что понимание их упирается в представление об особи. При этом дерево он рассматривает как «сложный организм, отдельные побеги его - особи последовательных поколений (1949: 522)». Проблема индивидуальности занимала и продолжает занимать ботаников и в последующие периоды, особенно морфологов и систематиков. С этим поня тием связаны и представления об эволюции растений. Так, Б. М. Козо Полянский (1937) обсуждение явлений рекапитуляции растений непосредст венно увязывал с проблемой «индивидуации» и пришел к выводу о наличии пу таницы в ее определении, хотя «уйти от проблемы индивидуации у растений» не удается при изучении вопросов их морфологии и филогении. У видов со сложной организацией обычно выделяют индивидуальности «в восходящем порядке: клетка, фитон-побег» (1937: 217). Для выхода из этой путани цы В. Л. Комаров предлагал определить индивид у растений «исходя из цело стности физиологической системы как рабочего аппарата, создающего орга низм растения» (1940: 81). При этом он подчеркивал, что почка на дереве часть целого, хотя и может становиться индивидуумом после перевода на само стоятельное существование. Сложность определения понятия индивидуума и подвижность его границ признавали и другие (Келлер, 1948; Токин, 1959, Ле вин, 1961, 1964; Buss, 1987). Менее вопрос об индивидуальности волновал фи 25 зиологов растений, занятых изучением в основном онтогенеза одно- и двулетних растений или физиологии отдельных органов. Индивид-организм представляет собой единичное и обособленное существо, обладающее собственным онтогенезом и отличающееся физической (телесной) непрерывностью, морфофизиологической целостностью и неделимостью. Разграничение индивидуума у растений и колониальных животных предлагается делать с учетом области его применения: типология, генетика и экология (Эрлих, Холм, 1966: 85). В каждой из этих областей понятие «индивидуум» употребляется неоднозначно (Яблоков, Юсуфов, 1998).
Понятие же «индивидуальность» подчеркивает обособленность системы и употребляется чаще всего для оценки способности к относительно самостоятельной жизни в изолированной культуре у отдельных органов и структур растения. Изучение индивидуальности таких дифференцировок представляет не только познавательный интерес (Кренке, 1950; Дубровицкая, 1961), но открывает различные практические выходы. Об этом в основном пойдет речь в дальнейшем.
Индивид наиболее осязаемая единица и часто используемое понятие при характеристики жизни (Любищев, 1982), носитель онтогенеза и информации (Шмальгаузен, 1968). В истории биологии долго реальными признавались лишь индивиды (Любищев, 1982: 118). Применительно к большинству животных индивидуальность воспринимается в смысле «унитарных организмов» (Бигон и др., 1989: 184). Однако задача усложняется при использовании этого понятия не только ко многим растениям, но и части животных (Короткова, 1968, 1979), водорослей и грибов (Скрипчинский, 1985; Todd, Rayner, 1980).
До сих пор нет четких критериев определения индивидуальности растений. Мы предлагаем в первом приближении выделить:
1. физическую обусловленность в пространственно-временном аспекте как дискретную единицу жизни;
2. неделимость его на части без потери не только сомы, но и проявление гена (Четвериков, 1983:217);
3. структурно-функциональную сложность и целостность как онтогенетической системы;
4. компонент популяции или группы.
При этом проявление способности к размножению и независимость в питании - показатели не столь очевидные, так как в природе встречаются индивиды и даже сверхорганизованные индивидуальности без воспроизведения потомства (Любищев, 1982: 117, 125). Точно также и биполярность (Комаров, 1940; Юсуфов, Магомедова, 1998) нельзя рассматривать как ее показатель, ввиду существования таких образований на соцветиях каланхоэ (Kalanchoe daigremontiana Hamet et Perries, рис. la). Вся эта сложная система пока составляет одно растение, как и выводковые почки на его листьях и побеги на дереве. Кусочки пластинки листа сансевьеры (Sansevieria trifasciata Prain «Laurentic», рис. 1 б) с корнями и побегами отличны от кусочка, культивированного посадкой морфологически верхним концом (рис.1 в). Укорененный лист фасоли (рис. 1 г) отличается от них наличием мощной корневой системы. Все эти структуры в той или иной степени биполярны, но отличаются друг от друга по индивидуальности, способности к самостоятельному существованию. При выделении индивидуумов следует учитывать и генетическую дискретность, что особенно наглядно для паразитических, полупаразитических и симбиотических организмов (Нухимовский, 1973, 1997; Hull, 1980), которые не самостоятельны в своем существовании. Несмотря на это, они сохраняют свою дискретность как единицы жизни в составе своих популяций.
У высших растений индивидуум развивается постепенно по мере реализации генетической программы онтогенеза, сложившейся в процессе эволюции. Индивидуум как морфо-физиологическая целостная система исторически также складывается постепенно путем отбора «глубоко индивидуальных фенотипов» (Шмальгаузен, 1969: 448) по их уравновешенности и гомеостатичности в определенных условиях (Яблоков, Юсуфов, 1998).
Мозаичность организации растений и проявление потенций к регенерации у органов и структур
Для растений характерна мозаичность организации индивидуума (гл. 2), что приводит к множественному повторению у них побегов, корней, листьев, цветков и т.п. В связи с этим возникает вопрос, насколько такой характер морфогенеза оказывает влияние на реализацию потенций к регенерации у метамерных и неме-тамерных структур одного и того же индивидуума? Этот вопрос нуждается в изучении на примере разных видов растений и их структур.
Характеризуя специфику организации растений отмечают, что вверх по оси побега нарастают листо-стеблевые, а вниз - корне-стеблевые тенденции морфогенеза (Молотковский, 1961). Это означает, что в базальной части побега легче формируются корни, а в апикальной — почки. Такая тенденция в морфогенезе для части наземных растений вполне реальна с учетом полярности их развития. Однако у некоторых из них корнеродные тенденции довольно активно могут проявлять и верхушки побега даже в естественной обстановке при соприкосновении с почвой.
Корнеродные тенденции от корня к цветку вдоль оси побега падают (гл. 4-6). Но это не всегда соответствует их способности к самостоятельной жизни в изолированной культуре. Так, отрезки корня из-за ограничения автотрофных возможностей уступают в этом отношении отрезкам стебля с почками (Jordan et al.,1996; Bhalla, Sweeney, 1999). С другой стороны и метамеры одного и того же органа (листьев и побегов) отличаются между собой морфогенетическими возможностями в изолированной культуре, о чем свидетельствуют материалы по укоренению стеблевых (Турецкая, 1961; Гартман, Кестер, 1963; Комиссаров, 1964; Тарасенко, 1967; Иванова, 1987) и листовых черенков (Hagemann, 1932; Каспирова, 1953; Дубровицкая, 1961; Юсуфов, 1988). Показано, что одревесневшие, полуодревесневшие и зеленые отрезки побега, как и листья разных ярусов, заметно отличаются по активности к ризогенезу даже у легко черенкующихся растений (Мирошниченко и др., 1997; Heller et al., 1994)Наследственные и онтогенетические особенности в изменении таких потенций у растений предложено разграничить соответ-ствено терминами способность и активность к регенерации (Юсуфов, 1982).
Сравнением стеблевых и листовых черенков около 100 видов растений в одинаковых условиях показано, что на фоне большей активности к ризогенезу у первых встречаются и такие виды, у которых изолированные листья легче формируют корни (Юсуфов, 1982; Nacano et al., 1999). Эта тенденция усиливается у травянистых растений по мере старения. Но есть и виды с высокой активностью к ризогенезу стеблевых черенков, тогда как изолированные листья весьма плохо формируют корни (Populus deltoides Marsh., Salix alba L., Lonicera caprifolium L., Fragaria veska L., Crossularia reclinata (L.) Mill.).
Для характеристики потенций к регенерации остановимся на сравнении гомологичных и аналогичных структур у аспарагуса (Asparagus plumosus Bacer), барбариса (Berberis vulgaris L.), боярышника (Crataegus kyrtostyla F.), василька (Centaurea solstitialis L.), верблюжьей колючки (Alhagi pseudalhagi M. В.), винограда (Vitis vinifera L.), гледичии (Gleditschia triacanthos L.), груши (Pyrus salicifolia Pall.), держидерева (Paliurus spina-christii Mill), дурмана (Datura stramonium L.), кактуса (Pereskia oculiata Mill.), калистегии (Calistegia sepium L.), крыжовника (Crossularia reclinata Mill.), маклюры (Madura aurantiaca Nutt.), чины (Lathyrus pratensis L.). Среди них деревья (гледичия, груша, маклюра), кустарники (барбарис, боярышник, крыжовник, держидерево), лианы (виноград), травы (василек, верблюжья колючка, дурман, калистегия, чина).
Культивирование эксплантов изолированных структур проводилось на средах Уайта и Мурасиге-Скуга, дополненных ИУК+ кинетин (1:1, 3:3, 5:5 мг/л). Посадочным материалом служили экспланты листьев, колючек, усиков и шипов, которые представляют собой метаморфизированные побеги или листья. Так, колючки у изученных растений имеют стеблевое (боярышник, гледичия, груша, держидерево и маклюра) или листовое (барбарис, василек, кактус и крыжовник) происхождение. Усики у чины листового, винограда и калистегии стеблевого происхождения. Шипы с поверхности плодов дурмана и кладодии аспарагуса иного происхождения.
Колючки указанных растений отличались по размерам, продолжительности роста (табл. 3) и анатомическим строением. В силу этого для опытов они были
Дифференцировки в онтогенезе растений и их влияние на жизнеспособность изолированных органов и структур
Организм, как целое в индивидуальном и историческом развитии представляет непреходящий интерес для разных областей биологии (Шмальгаузен, 1982). В этой проблеме так или иначе стыкуются многие вопросы, касающиеся изучения онтогенеза. Многогранность и необозримость имеющейся литературы не позволяет охватить проблему в целом. Поэтому ниже ставится задача рассмотреть лишь один из ее вопросов о значении онтогенетических дифференци-ровок для жизнеспособности структур в изолированной культуре (Бутенко, 1975; Уоринг, Филлипс, 1984). Жизнеспособность изолированных структур в связи с их регенерационной способностью мало изучена, особенно у лесных пород (Brahe, 1977).
Ответ на поставленный вопрос связан с необходимостью сравнительного изучения выживаемости и возможности реализации процессов регенерации у изолированных структур одного и того же или разных видов растений, отличающихся по характеру дифференциации и специализации. Подробный его анализ имеет значение не только для конкретизации представлений о процессах регенерации и действия стрессов на растения, но и оценки последствий реализации наследственной программы в онтогенезе на уровне регуляции действия генов без изменения в структуре ДНК - эпигеномные изменения (Голубовский, 1999). В этом плане поставленный вопрос выходит за рамки изучения особенностей отдельных объектов и структур.
Для оценки влияния особенностей дифференциации на жизнеспособность структур у фасоли (Phaseolus vulgaris L., сорт Сакс), баклажана (Solanum melongena L., сорт Алмаз), подсолнечника (Helianthus annuus L.) и гледичии (Gleditschia triacanthos L.) сравнивались выживаемость и процессы регенерации у изолированных листьев (ИЛ), гипокотильных черенков без семядолей и точек роста (Г) и при их сохранении (ГС), а также стеблевых черенков (Ч) с двумя первыми листьями. Семена проращивали в ящиках с промытым песком и у проростков на одинаковой стадии развития (в возрасте 5-25) дней изолировали соответствующие структуры, которые культивировали в растворах NaCI в пе-нициллиновых флакончиках (по 2 в каждом, в варианте - 20 штук). Кроме морфологических наблюдений в изолированных структурах на пламенном фотометре после их сжигания (при 450-500) определяли содержание ионов Na+ (Разумов, 1986) и пролина (Калинкина и др., 1990). Повторность опытов соответственно 3-6-кратная.
Изолированные структуры (ИСТ) в разных условиях культивирования отличались по жизнеспособности и регенерационным процессам, особенно при действии солевого стресса. В целом ИСТ изученных растений в нормальных условиях (контроль) обладали высокой регенеративной активностью. Наибольшую активность к каллусо- и корнеобразованию проявили ИСТ фасоли, низкую - гледичии (табл. 29, 30). Это было видно не только по проценту каллусо- и корнеобразования, но и по темпам и мощности их развития. Так, например, у большей части ИСТ фасоли эти процессы развивались на 5-7 день после изоляции, тогда как у гледичии появление корней замечено на 11 день, у баклажан - на 7-11 день.
Из индивидуальных структур по каждому объекту наиболее выражены ре-генерационные процессы у гипокотильных и стеблевых черенков. ИЛ уступали им как по показателям общей укореняемости, так и выживаемости. Из ИЛ максимальная продолжительность жизни была характерна для фасоли, низкая подсолнечника. Различной оказалась жизнеспособность у ГС и Г. Так, у гледичии Г вообще не формировали корней, хотя имели высокую выживаемость. У фасоли же наличие семядолей на черенках несколько ингибировало сроки развития корней.
ИСТ обнаруживают еще большие различия между собой по выживаемости и процессам регенерации в условиях солевого стресса. При этом следует учесть и исходную чувствительность к засолению самих объектов. Заметим, что бобовые растения, и среди них фасоль, относятся к одним из наиболее солечувстви-тельных объектов, более устойчивы баклажан и подсолнечник. По показателям выживаемости, продолжительности жизни, укореняемости, приросту биомассы и повреждениям ИСТ могут составить следующий возрастающий ряд чувствительности к засолению: подсолнечник —» баклажан -» гледичия — фасоль (табл. 29, 30). Причем этот ряд несколько нарушается при оценке по индивидуальным структурам и процессам. Так, по степени чувствительности процессов ризогенеза ИЛ этот ряд выглядит так: баклажаны — фасоль -» подсолнечник, а ризогенеза черенков: подсолнечник — баклажан —» фасоль.
Наибольшую чувствительность к действию NaCI проявили ИЛ. В вариантах с концентрациями, превышающими 20 мМ, отмечено быстрое их отмирание, чему предшествовало пожелтение и завядание листовой пластинки. В растворах 40 и 80 мМ ИЛ отмирали в результате быстрого завядания и высыхания пластинки. Длительное культивирование листьев оказалось возможным только в вариантах, не превышающих 15-20 мМ NaCI. При этом уже в 10 мМ растворе значительно снижались их выживаемость, интенсивность каллусо- и корнеоб-разования. В растворах 15-20 мМ корни у ИЛ фасоли и подсолнечника вообще не закладывались, хотя развивался слабый каллус.
