Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЪЕКТЫ, РАЙОНЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
1.1. Fomes fomentarius 9
1.2. Fomitopsis ріпісоїа 15
1.3. Районы исследований 20
1.4. Методы полевых исследований 23
1.4.1. Изучение сезонной и суточной динамики споруляции 23
1.4.2. Изучение взаимодействия грибов с лишайниками и мхами 25
1.5. Методы лабораторных исследований 26
1.5.1. Определение жизнеспособности базидиоспор 26
1.5.2. Получение гаплоидных и дикариотических культур 27
1.5.3. Влияние экстрактивных соединений мхов и лишайников 28
1.5.4. Влияние экстрактивных соединений коры и древесины 29
1.5.5. Оценка дереворазрушающей активности мицелия 30
Глава 2. ДИНАМИКА СПОРУЛЯЦИИ, ПРОРАСТАНИЕ БАЗИДИОСПОР И РАЗВИТИЕ МИЦЕЛИЯ 32
2.1. Динамика споруляции F. fomentarius 32
2.2. Жизнеспособность базидиоспор F. fomentarius 38
2.3. Прорастание базидиоспор и развитие мицелия F. fomentarius 41
2.3.1. Прорастание базидиоспор 41
2.3.2. Развитие гаплоидного мицелия 44
2.3.3. Развитие дикариотического мицелия 46
2.4. Динамика споруляции F. ріпісоїа 48
2.5. Жизнеспособность базидиоспор F. ріпісоїа 51
2.6. Прорастание базидиоспор и развитие мицелия F. ріпісоїа 53
2.6.1. Прорастание базидиоспор 53
2.6.2. Развитие гаплоидного мицелия 53
2.6.3. Развитие дикариотического мицелия 55
2.7. Жизненный цикл F. fomentarius и F. ріпісоїа 55
Глава 3. ВЛИЯНИЕ ЭКСТРАКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛИШАЙНИКОВ И МХОВ НА БАЗИДИОСПОРЫ И МИЦЕЛИЙ 63
3.1. Взаимодействие грибов со мхами и лишайниками в природе 64
3.2. Влияние экстрактивных соединений лишайников и мхов на F. fomentarius 69
3.2.1. Экстрактивные соединения лишайников 69
3.2.2. Экстрактивные соединения мхов 79
3.3. Влияние экстрактивных соединений лишайников и мхов на F. pinicola 83
З.ЗЛ. Экстрактивные соединения лишайников 83
3.3.2. Экстрактивные соединения мхов 89
Глава 4. ВЛИЯНИЕ ЭКСТРАКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОРЫ И ДРЕВЕСИНЫ НА БАЗИДИОСПОРЫ И МИЦЕЛИЙ 93
4.1. Влияние экстрактивных соединений коры и древесины на F. fomentarius 94
4.1.1. Экстрактивные соединения коры 94
4.1.2. Экстрактивные соединения древесины 96
4.2. Влияние экстрактивных соединений коры и древесины на F. pinicola 100
4.2.1. Экстрактивные соединения коры 100
4.2.2. Экстрактивные соединения древесины 102
Глава 5. ДЕРЕВОРАЗРУШАЮЩАЯ АКТИВНОСТЬ ГАПЛОИДНОГО И ДИКАРИОТИЧЕСКОГО МИЦЕЛИЯ 105
5.1. Дереворазрушающая активность F. fomentarius 106
5.1.1. Гаплоидный мицелий 106
5.1.2. Дикариотический мицелий 109
5.2. Дереворазрушающая активность F. pinicola 112
5.2.1. Гаплоидный мицелий 112
5.2.2. Дикариотический мицелий 115
5.3. Сравнительная характеристика дереворазрушающей активности гаплоидного и дикариотического мицелия 119
Выводы J23
Литература 126
Приложение j 47
- Fomes fomentarius
- Динамика споруляции F. fomentarius
- Взаимодействие грибов со мхами и лишайниками в природе
Введение к работе
Глобальную первичную ежегодную продукцию фотосинтеза оценивают в 155 млрд. тонн сухого вещества или в 80 млрд. т углерода. Большая часть углерода, около 50 млрд. т, поглощается континентальной растительностью и прежде всего лесами - 32 млрд. т (Hall et al., 1987). Для лесного покрова России среднегодовое депонирование углерода оценивается в 252 млн. т, а всего здесь аккумулировано около 34 млрд. т этого элемента (Замолодчиков и др., 2005). Поэтому наряду с другими пулами долговременного депонирования углерода леса следует рассматривать в качестве естественного регулирующего резервуара глобального цикла органического углерода (Исаев и др. 1993, 1995; Вомперский и др., 1999; Орлов, 1999).
В лесных экосистемах углерод депонируется преимущественно в древесине, а его мобилизация достигается в результате процессов биологического разложения. Однако именно эта часть углеродного цикла остается наименее известной, что затрудняет оценку потоков С-СОг между атмосферой и лесным покровом. Поэтому одно из наиболее востребованных направлений исследований - изучение процессов биологического разложения древесины и организмов, их обеспечивающих.
Биологическое разложение древесины протекает при участии широкого круга организмов, образующих так называемые ксилофильные сообщества, -сочетание разнообразных растительных и животных организмов, непосредственно или косвенно связанных в своей жизнедеятельности с древесиной на всех стадиях ее разложения (Мамаев, 1985). Однако ведущая роль среди них принадлежит дереворазрушающим базидиальным грибам, которые на сегодняшний день являются единственной известной группой организмов, способных к биохимической деструкции всех соединений древесины: в России их насчитывается не более 800 видов (Мухин, 1979; Степанова, Мухин, 1979; Мухин, 1993). Все это делает ксилотрофные базидиомицеты уникальной по своему значению группой организмов, а их
изучение является ключевым моментом в понимании механизмов биологического разложения древесины, а соответственно, и круговорота углерода в той его части, которая связана с лесным покровом.
Экология дереворазрушающих грибов в настоящее время переживает период своего становления, в силу чего, существующая информация об экологических особенностях и биотических связях этих организмов крайне скудна. Она ограничивается, главным образом, данными об их биологическом разнообразии, распространении и субстратной приуроченности (Мурашкинский, 1927, 1928, 1939; Бондарцев, 1953; Пармасто, 1959, 1963а, 19636; Картавенко, 1960, 1961; Степанова-Картавенко, 1967; Жуков, 1978, 1980; Любарский, Васильева, 1975; Мухин, 1993; Бондарцева, 1998; Ставишенко, Мухин, 2002; Ryvarden, Gilbertson, 1993). Значительно реже встречаются материалы, характеризующие биотические связи дереворазрушающих грибов, в частности, их взаимоотношения с эпифитными лишайниками и мхами, влияние химических соединений древесины и коры (Рипачек, 1967; Вайнштейн, Толпышева, 1992; Толпышева, 1984а, 19846, 1985; Вотинцева, Мухин, 2004; Fries, 1966, 1980, 1987; Whitney, 1963, 1964, 1966а, 19666, 1971). Немногочисленны и данные, раскрывающие особенности размножения и экологические функции базидиоспор (Пармасто, 1958, 1970; Гарибова, 2000; Решетников, 1991; Лебкова, 1972; Haard, Kramer, 1970; Ingold, 1971, 19866, 1991; Mukhin, Votintseva, 2002). Именно этот комплекс вопросов рассматривается в настоящей работе на примере двух широко распространенных видов трутовых грибов - Fomes fomentarius (L.:Fr.) Kickx (настоящий трутовик) и Fomitopsis pinicola (Swartz:Fr.) Karst. (окаймленный трутовик), - являющихся экологическими доминантами в процессах разложения древесины в лесах Северной Евразии (Бондарцев, 1953; Любарский, Васильева, 1975; Мухин, 1993).
Цель работы - исследование экологических особенностей и биотических связей настоящего и окаймленного трутовиков.
Основные задачи:
изучить сезонную и суточную ритмику размножения настоящего и окаймленного трутовиков, ее связь с факторами окружающей среды, а также жизнеспособность базидиоспор и их экологические функции;
выяснить наличие альтернативных по отношению к базидиоспорам структур размножения, факторы и механизмы их образования, а также экологические функции;
изучить биотические связи грибов с эпифитными лишайниками, мхами и характер их взаимоотношений на гаплоидной и дикариотической стадиях жизненного цикла ксилотрофных грибов;
изучить дереворазрушающую активность моно- и дикарионов, а также роль экстрактивных соединений коры и древесины в трофической специализации ксилотрофных грибов.
Научная новизна. Впервые получены сведения об особенностях споруляции исследуемых видов в уральской части их ареалов, а также данные, характеризующие прорастание и жизнеспособность базидиоспор. Обнаружено наличие бесполого спороношения у моно- и дикарионов настоящего и окаймленного трутовиков, предложена новая схема их жизненных циклов. Впервые установлено, что дереворазрушающая активность и субстратные преферендумы гаплоидного и дикариотического мицелия совпадают, показана роль химических особенностей коры и древесины в субстратной специализации трутовых грибов. Установлено, что взаимодействие с лишайниками и листостебельными мхами являются важным биотическим фактором для трутовых грибов, имеющим химическую природу.
Теоретическое и практическое значение. Полученные результаты дают более полное представление об экологических особенностях и взаимоотношениях древоразрушающих грибов с древесными растениями, лишайниками и мхами. В качестве практического применения результаты исследований могут быть использованы для разработки методов
8 мониторинга за размножением и расселением грибов. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры ботаники Уральского госуниверситета - в общем курсе «Низшие растения» и в спецкурсах «Микология», «Болезни растений». Основные положения, выносимые на защиту:
1. Ритмика размножения настоящего и окаймленного трутовиков
контролируется температурой и влажностью среды, а пропагативные
функции у них выполняют не только базидиоспоры, но и артро- и
бластоконидии.
2. Лишайники и мхи являются важными биотическими факторами для
настоящего и окаймленного трутовиков, их взаимоотношения носят
антагонистический характер и имеют химическую природу.
3. Экстрактивные соединения коры и древесины оказывают на грибы как положительное, так и отрицательное влияние и являются одним из экологических факторов, определяющих их субстратные преферендумы.
Благодарности. Выражаю глубокую признательность моему научному руководителю - д.б.н., проф. В.А. Мухину за неизменную помощь в выполнении работы, всестороннюю поддержку и участие. Искренне благодарю всех сотрудников кафедры ботаники Уральского госуниверситета за помощь при сборе и анализе материалов.
Fomes fomentarius
F. fomentarius широко распространенный, космополитный вид, наиболее обычен в северном полушарии, где массово встречается в пределах циркумбореальный области голарктического царства (рис. 1). За пределами этой зоны отмечен в Восточной Азии, Северной Африке, Северной и Южной Америке (Бондарцев, 1953; Шевченко, 1978; Михалевич, Стрелков, 1971; Бондарцева, 1998; Ryvarden, Gilbertson, 1993).
В пределах своего обширного ареала F. fomentarius отличается крайней степенью эврибионтности и обнаруживает способность развиваться в широком диапазоне природных условий от лесотундры до лесостепи. Экологический оптимум F. fomentarius - вся бореальная зона, а широтный ценоареал включает все природно-климатические зоны, за исключением лесотундровой. Таким образом, по особенностям зонального распределения F. fomentarius относится к экологически пластичным полизональным видам, что предполагает успешное использование им разных типов эколого-ценотических стратегий в различных частях ареала. В силу своей массовости он играет важную роль в биологическом разложении древесины, выступая в качестве одного из доминантных видов для березняков и осинников Западно-Сибирской равнины. Бореальный комплекс доминирующих базидиомицетов, с участием F. fomentarius охватывает все зоны от северной тайги до лесостепи (Мухин, 1993).
Настоящий трутовик является активным деструктором мертвой древесины широкого спектра лиственных пород и способен развиваться не только как сапротроф, но и поражать живые деревья. Встречается преимущественно на древесине березы, бука, осины, ольхи, реже ясеня, липы, дуба, ивы, клена, граба, ореха, ильма, чозении, тополя, рябины, яблони и сливы. (Бондарцев, 1953; Суворов, 1966; Жуков, 1967, 1970; Михалевич, Стрелков, 1971; Любарский, Васильева, 1975; Шевченко, 1978; Бондарцева, 1998; Ryvarden, Gilbertson, 1993). Описаны единичные находки данного вида на пихте, ели и лиственнице (Кравцев, 1933; Суворов, 1954; Любарский, Васильева, 1975; Suvorov, 1967; Ryvarden, Gilbertson, 1993). Вызывает сердцевинную белую коррозионную гниль с черными линиями, из-за чего она получила название мраморной.
Плодовые тела F. fomentarius с ядром в верхней части, одиночные, многолетние, сидячие, копытообразные, 5-30(40) см шириной, 5-10(20) см толщиной, жесткие, деревянистые. Продолжительность жизни базидиом варьирует от 2-4 до 8-10 лет (Buller, 1922; Пармасто, 1958). Поверхность шляпки покрыта твердой гладкой коркой, черной и блестящей на срезе, с концентрическими бороздками, от светло-серого до буро-черного цвета. Край тупой, светло-рыжеватый, слегка опушенный. Ткань контекста до 1 см толщиной, желтовато-коричневая, плотная, клочковато-пробковая, при разрыве хлопьевидная и грубо волокнистая, рыжеватая или буровато-ржавая, с неясными зонами. Трубочки светло-бурые, с толстыми перегородками, слоистые, каждый слой 2-6 мм толщиной. Слои неясные, с возрастом сливаются с тканью. Поверхность гименофора светло-серая, цвета ореха или бледно-бурая, прямая или слегка вогнутая, темнеющая при надавливании. Поры с цельными тупыми опушенными краями 0,2-0,35 мм в диаметре, 3-5 на мм (Бондарцев, 1953; Бондарцева, 1998).
Гифальная система тримитическая. Генеративные гифы тонкостенные, септированные, с пряжками, гиалиновые, 2-4 мкм. Скелетные гифы толстостенные, слабо ветвящиеся, несептированные, рыжеватые или золотисто-буроватые, 3-8 мкм. Связывающие гифы толстостенные, несептированные, сильно ветвящиеся и извилистые, окрашенные, 1,5-3 мкм. Цистид нет, но в гимениальном слое присутствуют тонкостенные цистидиолы 24-37 х 3,5-7,5 мкм, с пряжкой у основания.
Базидии с утолщенным основанием, базальной пряжкой и 4 стеригмами, 23-25 х 7-9 мкм (Ryvarden, Gilbertson, 1993), 25-30 х 8-11 мкм (Бондарцева, 1998). Споры крупные, удлиненные, эллипсоидные, гладкие, по данным разных исследователей 14-24 х 5-8 мкм (Бондарцев, 1953), 12-18-(20) х 4-7 мкм (Ryvarden, Gilbertson, 1993), 15-20 х 5-7 мкм (Бондарцева, 1998). Споровый порошок белый, кремовый или желтоватый. Гетероталличный вид с тетраполярной системой половой совместимости.
Для F. fomentarius характерен крайне высокий полиморфизм формы и окраски плодовых тел. В Северной Европе наиболее обычна копытообразная форма плодовых тел F, fomentarius на березе, а в Центральной Европе преобладают плодовые тела уплощенной формы на буке, кроме того, отмечено, что базидиомы F. fomentarius становятся светлее с уменьшением широты. Показано, что популяции F. fomentarius в Южной Англии на березе и буке морфологически сходны с аналогичными популяциями на континенте, тогда как популяции из Северной Шотландии отличаются темной окраской и копытообразной формой. Однако сравнительное изучение плодовых тел из Великобритании и с континента не обнаружило существенных отличий, за исключением небольших вариаций размеров спор (Schwarze, 1994). Специальные исследования морфологии плодовых тел F. fomentarius с 14 видов древесных пород (Nordin, 1967) и культуральных характеристик 16 штаммов с 8 древесных пород (Суворов, 1966) также не обнаружили существенных отличий, поэтому никаких морфологических форм у F. fomentarius в настоящее время не выделено.
Дикариотический мицелий F. fomentarius в чистой культуре обладает положительной реакцией с таниновой кислотой и быстрым ростом: 6-7 см за 7 суток. Оптимальной для роста мицелия является температура 26С. Колонии однородные, бархатистые, формирующие плотные пленки на поверхности среды, с белым или бесцветным фибриллярным краем. Цвет культуры белый до кремового. Через 14 дней мицелий приобретает светло-охристый или коричневатый оттенок, либо появляются чередующиеся белые и кремовые зоны. Запах слабый, сладковатый. Конидий нет, хламидоспоры редки, эллипсоидные, округлые или неправильной формы 20-28 х 12-18 мкм, с толстыми бесцветными оболочками. Погруженные в среду гифы с пряжками, 3-5 мкм. Воздушные гифы 2-4 мкм бесцветные или окрашенные, толстостенные, без пряжек (Nobles, 1965; Campbell, 1983).
Динамика споруляции F. fomentarius
На Среднем Урале споруляция у F. fomentarius начинается в апреле и заканчивается в октябре, то есть продолжительность споруляции настоящего трутовика составляет 7 месяцев. В течение вегетационного сезона интенсивность этого процесса различна.
Максимум споруляции F. fomentarius приходится на май. С июня по октябрь интенсивность отделения спор снижается, однако можно выделить дополнительные, менее выраженные пики споруляции в июле и сентябре (рис. 3). В целом, сходная картина споруляции F. fomentarius была описана в условиях черневого пояса горной тайги Западного Саяна (Лебкова, 1972) и в Дании (Bj0rnekaer, 1938). Э.Х. Пармасто (1958) также указывает на продолжительное отделение спор у F. fomentarius, которое происходит в два периода: первый - летом и осенью, второй - весной. Вместе с тем, Риварден и Гилбертсон (1993) отмечают, что для настоящего трутовика характерна обильная ранневесенняя споруляция и ее полное отсутствие в последующем.
Наблюдения за споруляцией 28 плодовых тел F. fomentarius в течение 62 дней показали, что базидиокарпы, расположенные на одном субстрате, спорулируют асинхронно, и на каждом субстрате имеется одно или два плодовых тела, отличающихся длительным и обильным отделением спор (рис. 4).
Наблюдения позволили выделить три состояния плодовых тел F. fomentarius в течение вегетационного сезона: предспоруляционный период, собственно споруляцию и постспоруляционный период, которые диагностируются по внешнему виду поверхности гименофора (рис. 5). В предспоруляционный период она влажная, белого или светло-серого цвета, отверстия пор закрыты мицелием. Во время споруляции поры открыты, их поверхность более темного цвета, кремового или кофе с молоком. В постспоруляционный период гименофор сухой, темно-коричневый, с закрытыми порами.
Закупорка пор у плодовых тел F. fomentarius - редкое явление среди дереворазрушающих грибов. Упоминание об этом имеется у А.С. Бондарцева (1953): «... в течение всего лета трубочки F. fomentarius бывают закрыты, как бы запечатаны беловатой или сероватой тканью». Известно, что у дальневосточного вида Cryptoporus volvatus (Peck) Shear, гимений закрыт особым мицелиальным покрывалом. Предполагается, что оно предохраняет гименофор от высыхания в период созревания спор (Harrington, 1980). Не исключено, что закупорка пор у плодовых тел F. fomentarius выполняет ту же функцию.
Споруляция дереворазрушающих грибов определяется как внешними, так и внутренними факторами. Основным внешним фактором в жизни грибов является гидротермический режим, который играет решающую роль в определении сроков начала и конца отделения спор. Так, по данным Э.Х. Пармасто (1958), влажность воздуха не оказывает заметного влияния на споруляцию многолетних плодовых тел. Отделение спор начинается уже при низких положительных значениях температуры (2-5С), а ее повышение до 10С усиливает споруляцию, но при дальнейшем росте температуры (более 15-20С) интенсивность споруляции снижается.
Взаимодействие грибов со мхами и лишайниками в природе
Однако само по себе низкое покрытие эпифитов на стволах с плодовыми телами еще не является показателем их антагонистических отношений с грибами. Скорее всего, это обусловлено тем, что массовое появление лишайников и мхов приходится на IV-V степень разложения древесины, а образование плодовых тел приурочено к II и III степени разложения.
Вместе с тем нельзя полностью исключить и прямого влияния лишайников и мхов на развитие генеративных структур грибов. Нами было выделено четыре варианта расположения плодовых тел на стволах с проективным покрытием эпифитов до 70%: I. мхи и лишайники занимают верхнюю часть валежного ствола - плодовые тела формируются на его нижней и боковой частях; II. поверхность неравномерно покрыта мхами и лишайниками - плодовые тела образуются на свободных от них участках коры; III. мхи и лишайники покрывают боковые поверхности ствола плодовые тела образуются в его верхней, свободной от эпифитов части; IV. вся поверхность субстрата занята мхами и лишайниками - плодовые тела формируются на крупных ветвях.
Прямой контакт гриба и лишайника, когда лишайник соприкасается с плодовым телом или произрастает на нем, наблюдается редко. Для 8 из 11 широко распространенных на Урале эпифитных лишайников частота этого события не превышает 5%, для 2 видов - 10% (табл. 9). Исключением является К physodes, талломы которого соприкасаются трутовиками в 25 % случаев. При контакте лишайника с плодовым телом в ряде случаев наблюдается изменение его формы: рост плодового тела в месте соприкосновения прекращается, и каждый последующий годовой слой гименофора смещается в противоположную сторону.
Несмотря на то, что проективное покрытие лишайников к северу увеличивается, частота контактов талломов с плодовыми телами F. pinicola остается постоянной (различия ф не достоверны, р 0,05). Такая же картина наблюдается и в отношении F. fomentarius, за исключением Басег, где частота контактов достоверно ниже, чем в других точках, учитывая, что покрытие лишайников на стволах в этом районе максимально. Высокое проективное покрытие лишайников, вероятно, способствуют интенсивному вымыванию активных веществ из талломов и их накоплению в субстрате. Таким образом, при увеличении проективного покрытия лишайников, частота их контакта с плодовыми телами не только не возрастает, но в некоторых случаях уменьшается, что свидетельствует об определенной степени межвидового антагонизма.
