Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ СТАРЕНИЯ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ И ЛИСТЬЕВ 8
1.1 Продолжительность жизни растений и интактных листьев 8
1.2 Продолжительность жизни и выживаемость изолированных листьев 11
1.3 Основные гипотезы старения растений и листьев 13
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 19
ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ РОСТА, МОРФОЛОГИИ СТАРЕНИЯ ЛИСТЬЕВ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИНДИВИДУУМА 26
3.1 Морфология листовой пластинки 26
3.2 Экологическая специфика роста интактных листьев травянистых и древесных растений 28
3.3 Связь между ростом и старением интактных листьев у разных жизненных форм растений 33
ГЛАВА 4 СПЕЦИФИКА СТАРЕНИЯ ИНТАКТНЫХ И ИЗОЛИРОВАННЫХ ЛИСТЬЕВ ТРАВЯНИСТЫХ И ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПОКАЗАТЕЛЬ 40
4.1 Темпы старения интактных листьев 40
4.2 Темпы пожелтения и старения изолированных листьев 46
4.3 Специфика старения интактных и изолированных листьев 53
4.4 Жизнеспособность проростков и изолированных семядолей тыквенных 57
ГЛАВА 5 ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРОФИЛЛА В ЛИСТЬЯХ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СТАРЕНИЯ 65
5.1 Динамика содержания хлорофилла при старении интактных листьев разных ярусов 65
5.2 Влияние условий освещения и засоления среды на динамику содержания хлорофилла в интактных семядолях тыквенных 74
5.3 Динамика содержания хлорофилла в изолированных листьях при культивировании в разных экологических условиях 78
5.4 Связь между продолжительностью жизни и содержанием хлорофилла в изолированных семядолях 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
ВЫВОДЫ 101
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 103
- Продолжительность жизни и выживаемость изолированных листьев
- Экологическая специфика роста интактных листьев травянистых и древесных растений
- Жизнеспособность проростков и изолированных семядолей тыквенных
Введение к работе
Актуальность темы. Периодические и ритмические явления в жизнедеятельности растений - показатели их экологической устойчивости. Они разнообразны и специфичны для организмов разных популяций и видов, оказываются результатом взаимодействия внутренних и внешних факторов, проявляются морфологически, физиологически и биохимически и представляют собой реакцию генотипа на разные экологические условия (Бюннинг, 1961; Лархер, 1978; Wilkins, 1968; Kloppstech, 1982).
Ритмические явления выступают как приспособление организмов к разным экологическим условиям (Усманов и др. 2001; Юсуфов, 2009). К ритмам относятся также особенности старения и продолжительности жизни (ГТЖ) растений и листьев. Одним из их результатов является листопад, связанный со сложными физиологическими изменениями в пластинках и черешках, что сопровождаются постепенным старением листьев, подготовкой растений к неблагоприятным экологическим условиям.
Ритмические явления растений отличаются по срокам наступления и продолжительностью во времени. Их изучение значимо для оценки экологических и физиологических особенностей видов. При этом значительное внимание привлекают и так называемые суточные (циркадные) ритмы растений (Бюннинг, 1961; Sweeney, 1969; Hess, 1975; Gardner, Feldmann, 1981), определяемые генетически (Brace, Brace, 1978; Feldmann, 1982).
В связи с необходимостью изучения закономерностей эволюции онтогенеза растений и реализации его программы (Скрипчинский, 1977; Юсуфов, 2009; Dostal, 1967; Goldberg, 1988; Nozeran, 1984; Reich et al, 1992; Willis, Mc Elwain, 2002) значима конкретизация и таких вопросов как старение и ПЖ растений и отдельных органов. Механизмы указанных явлений в лучшем случае изучались на примере небольшого числа эфемеров, одно- и двулетних форм, особенно их листьев, цветков, лепестков и створок бобов (Юсуфов, 1992).
Применительно к многолетним формам растений изучение проявления эндо- и экзогенных ритмических явлений у индивидуума сопряжено с методическими трудностями. В связи с этим моделями изучения старения и ПЖ стали листья и семядоли. На их примере конкретизированы экологические факторы и механизмы старения растений и их изолированных листьев (Кулаева, 1982; Желявски, 1980; Thimann, 1980). Однако, остается нерешенным вопрос о роли наследственного (программного) и экологического (индуцированного) контроля старения растений и отдельных их органов. Конкретизация указанных вопросов упирается в необходимость разграничения экологической и потенциальной (физиологической) ПЖ. Имеющиеся данные о ПЖ листьев (Mothes, 1960; Wangermann, 1965; Sax, 1968; Sacher, 1967; Thimann, 1980; Леопольд, 1968; Желявски, 1980; Кулаева, 1982), семядолей, цветков и лепестков (Mayak, Halevy, 1980; Юсуфов, 1988,
1992) пока недостаточны для этого, т.к. они больше касались изолированных структур (Юсуфов, 1992; Woolhouse, 1974; Thimann, 1980; Thomas, Stoddart, 1980; Woodson, 1987) без сравнения с интактным их состоянием. Эти сложные процессы (Либберт, 1976; Гэлстон и др., 1983) могут быть проанализированы в отдельности при изучении морфологического, физиологического и биохимического состояния органов, которые в нашей работе взаимодополняют друг друга.
Цель работы. Сравнительное изучение специфики эндогенной регуляции старения и ПЖ интактных и изолированных листьев травянистых и древесных растений, а также оценка размаха ее экзогенной изменчивости в зависимости от экологических условий культивирования (засоление, условия освещения).
Задачи работы:
Изучить связь морфологических изменений при старении и отмирании листовых пластинок с экологическими особенностями приспособления у растений.
Выяснить влияние организации индивидуума как экологического явления на темпы роста, старения и отмирания листовых пластинок.
Обозначить ярусные различия в эндогенной регуляции старения и ПЖ интактных листьев разных жизненных форм растений.
Изучить особенности жизнеспособности интактных и изолированных листьев разных растений при засолении и изменении условий освещения.
Содержание хлорофиллов (хл.) я и в, их соотношение в листьях как показатель диагностики их старения при воздействии разными экологическими условиями (засоление, условия освещения).
Основные положения, выносимые на защиту:
Старение и ПЖ интактных листьев и семядолей у растений -эндогенные явления, определяемые генетическими и онтогенетическими факторами, представляющие собой важные экологические особенности.
У листьев травянистых растений вдоль побега (по ярусам) эндогенный контроль регуляции проявляется более четко, чем у древесных. У древесных растений старение и ПЖ контролируются преимущественно сезонными экологическими условиями.
При изоляции листьев травянистых и древесных растений эндогенный контроль старения и ПЖ нарушается. Особенно это заметно у изолированных листьев древесных в стрессовых условиях (засоление, темнота).
В уровне содержания хл. а и в, изменении их соотношения отражается последовательность этапов морфологического старения листьев.
Связь между темпами роста листовой пластинки и ее отмиранием у разных растений неоднозначна и контролируется эндогенно.
Научная новизна. В работе впервые использован комплекс морфологических и физиологических подходов для оценки состояния эндогенной регуляции старения и ГТЖ интактных и изолированных листьев различных экологических групп растений. В этом отношении результаты работы значительно расширяют общие представления о предпосылках и факторах старения и ГТЖ не только листьев, но и индивидуумов растений.
Теоретическая и практическая значимость. Старение и ГТЖ листьев не имеет самостоятельного эволюционного значения. В работе на листьях и семядолях, как методически удобных моделях, определены пределы эндогенной регуляции их старения и ПЖ в различных экологических условиях (засоление, условия освещения). Поэтому результаты исследования значимы для подбора факторов регуляции старения и ПЖ не только листьев, но и растений. Результаты работы могут быть использованы и при подборе условий для укоренения изолированных листьев и семядолей. Реакция листьев травянистых и древесных растений также может быть биоиндикатором оценки состояния экологических условий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на VIT Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти Серебряковых (Москва, 2004); Научной конференции молодых ученых и студентов (Махачкала, 2005); I (ТХ) Международной конференции молодых ботаников (С.-Петербург, 2006); I Международном экологическом конгрессе «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPTT 2007 (Тольятти, 2007); Международной научно-практической конференции «Проблемы биологии, экологии и образования: история и современность» (С.-Петербург, 2007); Международной конференции «Научные и методологические проблемы современного биологического ресурсоведения» (Махачкала, 2008); Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы общества в системе ценностей молодежи» (Кизляр, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, 3 из которых в изданиях перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, объектов и методов исследования, результатов собственных исследований и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 113 страниц, включает 26 таблиц и 22 рисунка. В библиографии 137 источников, из них 55 иностранные.
Продолжительность жизни и выживаемость изолированных листьев
Вопрос о выживаемости изолированных листьев имеет отношение не
только к увеличению выхода посадочного материала или повышению приживаемости листовых черенков, но и важен для выяснения причин и тенденции изменения ПЖ листьев разных видов. Эти тенденции еще не выявлены. Более того, специальные попытки в этом направлении даже не предпринимались, хотя стремились конкретизировать роль отдельных факторов в выживаемости изолированных листьев. Сравнение выживаемости изолированных листьев показывает, что жизнеспособность их специфична у видов и поэтому неодинакова (Юсуфов, 1992). При культивировании изолированных листьев в стерильных условиях наиболее отчетливо проявляется роль внешних условий в их старении и ПЖ. В этом отношении заслуживает внимания изменение эффекта регуляторов роста и условий освещения. Эффект кинетина и ИУК менялся на свету и в темноте. Культивирование высечек в среде с кинетином и в темноте способствовало повышению выживаемости, хотя при этом регенерация не наблюдалась. Опыты в стерильных условиях показывают, что выживаемость зависит не только от экологических условий, но и от наследственной специфики вида (Юсуфов, 1988).
Причины, определяющие различную выживаемость изолированных листьев до развития корней, следует искать в особенностях объекта: содержание пластических веществ, водоудерживающая способность, сроки развития корней, устойчивость к инфекциям и т.д. (Юсуфов, 1982).
Изучение укорененных листьев в различных условиях среды имеет значение для оценки индивидуальности растений. Не вызывает сомнения видовая специфика ПЖ листьев, что было показано путем сравнения изолированных листьев разных растений, культивируемых в различном положении в пространстве (Гаджиева, 1973). Несмотря на то, что ПЖ изолированных листьев при посадке и культивировании апикальными концами вниз заметно сокращалась, объекты (альтернантера, бегония металлическая, бересклет японский, мыльнянка, пеперомия, табак, томаты и хризантема) проявляли четкие различия при любой ориентации. Листья альтернантеры, бегонии, пеперомии и хризантемы при любой ориентации посадки обнаруживали большую долговечность, чем листья мыльнянки, табака и томатов (Юсуфов, 1992).
Условия освещения оказывают большое влияние на ПЖ листьев. Отрицательное влияние темноты на изолированные листья хорошо известно (Hagemann, 1932; Yarwood, 1946). В этом отношении показательны и данные, свидетельствующие о резком снижении ПЖ листьев в темноте даже у объектов, проявляющих в целом высокую ПЖ (хризантема и бирючина). Воздействие темноты можно использовать для быстрой оценки ПЖ листьев растений, хотя специфика вида более четко выражена в благоприятных условиях культивирования. Интересным является факт удлинения ПЖ изолированных листьев при культивировании на непрерывном освещении. Этот эффект напоминает эффект обработки листьев кинетином, т.е. оба воздействия приводят к омоложению изолированных листьев и удлинению их ПЖ, накоплению сырой биомассы и активации процессов синтеза в тканях листа (Гаврилова, 1982; Юсуфов, 1985).
Таким образом, в процессе культивирования изолированных листьев происходят старческие изменения в тканях, которые и отражаются на ПЖ. ПЖ листа, как и его форма и размеры, имеет значение для выживания, обеспечивая наилучшее соотношение между продуктивностью и испарением воды. Множественность и разновременность закладки листьев, их постоянное обновление важно для поддержания оптимальной ассимиляционной активности в течение сезона и адаптации структуры листьев к меняющимся экологическим условиям (Юсуфов, 1992). Постоянное сосуществование новых и старых листьев на растении и их взаимодействие важно для подготовки индивидуума к цветению и покою (Леопольд, 1968).
Экологическая специфика роста интактных листьев травянистых и древесных растений
В связи с различием в размерах зрелых листьев растений представляет
интерес изучение характера их роста. Рост зачаточного листа принято делить на апикальный и маргинальный (Эзау, 1980). Первый связан с удлинением примордия, второй - с латеральным разрастанием пластинки, образующим две ее части. Апикальный рост примордия непродолжительный. После прекращения меристематической активности клеток увеличивается верхушка листа в размерах за счет вставочной и маргинальной меристем (Бавтуто, Еремин, 1997; Имс, 1964). Мы учитывали только латеральное разрастание пластинки.
У айвы листовая пластинка в начале ее разворачивания имела размеры 8 мм в длину и 6 мм в ширину. По мере ее роста размеры резко увеличиваются. Так, например, с момента разворачивания длина и ширина листа айвы достигли 57 и 45 мм на 10 сут., 98 и 79 мм - на 20, 120 и 93 мм - на 30 соответственно (рис.3). В дальнейшем размеры листьев менялись незначительно.
У ивы начальные размеры пластинки составили в длине 9 и ширине 3 мм. Листья ивы обладают меньшей интенсивностью роста. Так, листья ивы достигли размеров в длину и ширину 38 и 9 мм на 10 сут., 52 и 17 мм - на 20, 69 и 22 мм - на 30, 80 и 25 мм - на 40 соответственно. Листья сирени обладают достаточно высокой активностью роста как в длину, так и в ширину. В начале разворачивания длина листовой пластинки составляла Динамика прироста интактных листьев в длину (А) и ширину (Б) мм, а ширина - 6 мм. Эти величины достигли 44 и 36 мм на 10 сут., 76 и 55 мм - на 20, 95 и 70 - на 30, 105 и 82 мм - на 40 соответственно.
В момент разворачивания листья хурмы имели размеры в длину 8 мм, а в ширину - 5 мм. Размеры листьев в длину и ширину составили 31 и 10 мм на 10 сут., 62 и 25 мм - на 20, 78 и 33 мм - на 30, 88 и 40 мм - на 40 соответственно. Листовая пластинка амаранта в начале разворачивания имела размеры 11 мм в длину и 7 мм в ширину. Эти величины достигли 65 и 26 мм на 10 сут., 102 и 32 мм - на 20, 110 и 35 мм - на 30 соответственно (рис.3).
Из изученных травянистых растений самыми малыми конечными размерzми обладают листья календулы. Так, в начале разворачивания они имели 6 мм в длину и 3 мм в ширину. Эти величины достигли 47 и 12 мм на 10 сут. и 63 и 18 мм - на 20 соответственно.
Динамика прироста интактных листьев в длину (А) и ширину (Б) в %
Наиболее крупные зрелые листья из трав характерны для рудбекии. В момент разворачивания ее листовая пластинка имела размеры 13 мм в длину и 8 мм в ширину. Размеры листьев в длину и ширину составили 70 и 34 мм на 10 сут., 121 и 48 мм - на 20, 140 и 57 мм - на 30 соответственно. В дальнейшем размеры листьев менялись незначительно.
Достаточно высокой интенсивностью роста листовой пластинки обладает и целозия. В начале разворачивания ее листья имели в длину 10 мм, а в ширину - 7. Размеры листьев в длину и ширину составили 73 и 28 мм на 10 сут., 115 и 35 мм - на 20, 123 и 41 мм - на 30 соответственно. Интерес представляют данные о темпах прироста пластинки в абсолютных величинах (мм), принятому за 100% к исходному стартовому началу. В связи со стартовыми различиями листовых пластинок у разных объектов специфика последующего их роста в длину и ширину меняется. Кривые этих показателей по длине-ширине несколько отличаются от абсолютных величин, особенно у травянистых форм (рис.3 и 4) как результат быстрого роста их пластинки и нарушения при этом соотношений между ее длиной и шириной. Это видно при сопоставлении прироста длины и ширины листовых пластинок трав. Кривые роста длины пластинки у объектов меньше отличаются, чем ширины. Длина, имея более широкую норму реакции, выходит за пределы 1000%, а ширина - только 600%. Это свидетельствует о большей выраженности эндогенного контроля роста пластинки в ширину у листьев разных объектов, чем в длину (рис.4). Кстати, об этом же свидетельствуют и данные по древесным формам, а также оценка показателей соотношений длины и ширины в %.
На рисунке 5 показана динамика отношения длина/ширина листовой пластинки в % относительно момента ее разворачивания (100%) по разным фазам роста до зрелости. У листьев айвы отношение длина/ширина относительно момента разворачивания на 10 сут. составило 96%. Это отношение на 20 и 30 сут. мало меняется и составило 93 и 97% соответственно (рис.4), что свидетельствует о слабой его изменчивости. Это соотношение у листьев ивы на 10, 20, 30 и 40 сут. составило 141, 102, 105 и 107% соответственно, т.е. снижается из-за большего прироста в ширину. У листьев сирени эти соотношения отличаются: на 10 сут. составило 104%, а на 20, 30 и 40 сут. отношение возрастает - 118, 116% и 109% соответственно. У листьев хурмы картина аналогична с листьями ивы.
У листьев травянистых растений отношение длина/ширина к стартовому моменту намного выше, чем у листьев древесных. Так, например, у листьев амаранта это отношение на 10, 20 и 30 сут. составило 159, 203 и 200%, рудбекии - 126, 155 и 151, целозии - 183, 230 и 210 соответственно (рис.5). У
Жизнеспособность проростков и изолированных семядолей тыквенных
. Для конкретизации пределов варьирования процессов морфогенеза и старения проростки и семядоли тыквенных культивировали в разных условиях: засоление, естественное освещение и темнота (Алиев и др, 2004; Алиев, Омарова, 2006; Алиев, 2005, 2007). При этом оценивали их жизнеспособность по размерам, сырой и сухой биомассе. Наибольшие отклонения от контроля при этом наблюдали в растворе 100 мМ (I-III), особенно у корней (табл.16) проростков сортов Феникс, Аист и Конкурент. При переносе прорастающих семян с. Конкурент на 4 сутки из засоления в воду (III) полностью снимается эффект засоления, тогда как у с. Феникс и Аист - лишь частично. Внезапное засоление среды на 4 сутки (II) 100 мМ так же угнетает рост корней. Однако сухой вес корней в режиме II остается выше, чем в режиме I. При постоянном культивировании проростков огурца в растворах 5 и 20 мМ снижение сухого веса корней отмечено не у всех сортов.
Прирост в длину гипокотилей в растворе 100 мМ (режим I) заметно ниже контроля у сортов, хотя и наблюдается их утолщение (с. Аист и Феникс). Постоянное культивирование в 20 мМ у проростков огурца стимулировало прирост длины и биомассы гипокотилей, как результат суккулентизации (Строгонов, 1962; Строгонов и др., 1970). При культивировании в 5 мМ (режим І) у с. Конкурент длина и биомасса гипокотилей не отличается от контроля, тогда как у с. Аист и Феникс значение биомассы оказалось выше контроля.
В растворе 100 мМ ингибируется прирост гипокотилей в длину у проростков огурца всех сортов, что у с. Конкурент коррелирует со снижением биомассы. В этом варианте у с. Аист была более выражена суккулентизация гипокотилей. Наоборот, в 20 мМ отмечена стимуляция роста гипокотиля в длину у с. Аист и Феникс. При хлоридном засолении накопление биомассы у гипокотилей значительно опережают их рост в длину, что не характерно для сульфатного засоления (Строгонов и др., 1970).
Влияние разных режимов и уровня хлоридного засоления на рост интактных структур проростков огурца на Гипокотили Семядоли Сухойвес корней Варианты длина, мм сырой вес,мг длина,мм сырой вес, мг с. Феникс Примечание. I - постоянное культивирование проростков в растворах 100 и 20 мМ NaCl (1, 2); перенос на 4 сутки семян из воды в растворы NaCl (II) или из раствора NaCl в воду (Ш) В режиме III у с. Аист и Феникс суккулентизация наблюдается уже в 100 мМ. Такое явление не отмечено в растворе 5 мМ NaCl.
Влияние постоянного проращивания (І) в растворах NaCl на рост гипокотилеи проявляется в его ингибировании при 100 мМ и стимулировании при 20 и 5 мМ (табл.16). Уровень подобных отклонений у сортов коррелирует с угнетением корневой системы и всхожести семян в растворах.
Отклонения в росте интактных семядолей от контроля при культивировании в среде с NaCl менее значительны, чем гипокотилеи и корней. Разница между приростом длины и биомассы у интактных семядолей огурца меньше, чем у гипокотилеи. Для интактных семядолей суккулентизация также характерна, хотя и в меньшей степени, чем для гипокотилеи (табл.16).
Примечание. Варианты: 1 - контроль (НгО); 2 и 3 - культивирование в растворах 100 и 20 мМ NaCl соответственно
Представляют интерес и данные по изолированным семядолям. Семядоли отделяли на 3-4 сут. от проростков и постоянно культивировали в растворах NaCl (табл.17). Их результаты сравнивали с интактными, имеющими одинаковый возраст (16 суток). Наиболее близки показатели длины, ширины и биомассы по отношению к контролю при культивировании в растворе 100 мМ у с. Феникс и Конкурент, у с. Аист чуть ниже. Накопление биомассы изолированных семядолей у. всех объектов в этом варианте подавляется больше, чем прирост длины.
