Казахский Национальный Университет им. Аль-Фараби
Биологический факультет
Кафедра генетики и молекулярной биологии
Дипломная работа
Изучение жестких клеток опушения пшеницы
Алматы 2010
РЕФЕРАТ
Дипломная работа 37 с., рис. 11, использованных источников 50.
Ключевые слова: ПШЕНИЦА, ЖЕСТКОЕ И МЯГКОЕ ОПУШЕНИЕ ЛИСТЬЕВ, ТРИХОМЫ, ЯДРО.
Объекты исследования: Казахстанская-126 (контроль без опушения), Саратовская-29 и Генотроф-1 (контроли мягкого опушения), Велютинум-2401 и Лютесценс-19001 (константные формы — носители жесткого опушения).
Цель работы – изучение перспективных линий пшеницы с высокой плотностью жестких поляризованных клеток листовой пластинки.
Задачи:
— провести сравнительный морфометрический анализ клеток жесткого и мягкого опушения;
— изучить закономерности развития клеток жесткого опушения листовой пластинки при онтогенезе пшеницы;
— изучить серию перспективных линий пшеницы с высокой плотностью жестких поляризованных клеток листовой пластинки;
— провести сравнительный морфометрический анализ ядер из клеток жесткого и мягкого опушения.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 5
1.1 Морфологические особенности клеток опушения листовой платинки
высших растений 5
1.2 Типы опушения 8
1.3 Характеристика развития клеток опушения (трихом) 9
1.4 Функциональное значение трихом 10
1.5 Опушение листьев как фактор устойчивости к листовредителю –
пьявице 17
1.6 Значение опушения листьев для засухоустойчивости растений 21
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 22
2.1 Приготовление ацетокармина 22
2.2 Характеристика исследуемых сортов и линий 24
3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 24
3.1 Морфометрический анализ клеток жесткого и мягкого
опушения пшеницы 24
3.2 Физиологические особенности поляризованных клеток
листовой пластинки пшеницы 27
3.3 Параметрический анализ ядер из клеток мягкого и
жесткого опушения 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 34
ВВЕДЕНИЕ
Растение использует разнообразные способы защиты от засухи. Набор определенных морфологических признаков способствует тому, что злаки легче переносят данный, абиотический фактор стресса. Особое значение в защите листа от перегревания и интенсивной солнечной радиации имеет опушение. Большинство сортов, районированных в Поволжье, Западной Сибири и Казахстане в этой связи имеют густое опушение [1]. Наличие жесткого опушения листовой платинки снижает температуру листа, способствует повышению устойчивости к засухе, а также устойчивости к повреждениям вследствие суховеев, пыльных бурь и нашествий листогрызущих вредителей.
Опушение листовой пластинки у молодых растений – это визуально-различимый, маркерный признак, который выполняет защитную роль. В результате реализации данного признака снижается повреждаемость всходов пшеницы при нашествии шведской мухи (Lajdelphax striatella), а в фазах трубкования и колошения – пьявицы (Oulema melanpous). Этот вредитель уничтожает паренхиму листьев, не повреждая клеток эпидермиса. Пьявица является наиболее активным вредителем на Юге и Юго-Востоке Казахстана. В отдельные годы этот листоед поражает посевы так, что это ведет к снижению урожайности пшеницы на 25 % [2].
Актуальность темы. Известно, что клетки опушения являются производными эпидермиса и выполняют ряд центральных функций в растениях [3]. Среди таких ключевых функций: водосбережение, защита от вредителей и патогенов, а также секреция вторичных метаболитов. В последние годы в странах СНГ и дальнего зарубежья можно наблюдать подъем исследовательского и селекционного интереса к новым формам пшеницы с повышенной плотностью опушения. Это объясняется возрастающим комплексом проблем, а именно: 1) усилением действия внешних стрессовых факторов и необходимостью эффективной регуляции продуктивности; 2) истощением почвенных ресурсов и необходимостью поддержания стабильных и возрастающих урожаев; 3) учащением явлений сцепленного генетического загрязнения при гибридизации пшеницы и необходимостью устранения случайного материала с помощью контроля над определенным фенотипическим признаком.
Цель работы – изучение перспективных линий пшеницы с высокой плотностью жестких поляризованных клеток листовой пластинки.
Задачи:
— провести сравнительный анализ морфологии клеток жесткого и мягкого опушения пшеницы;
— изучить наиболее перспективные линии пшеницы с высокой плотностью жестких поляризованных клеток листовой пластинки;
— провести анализ размеров и локализации ядер в клетках жесткого и мягкого опушения;
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Морфологические особенности клеток опушения листовой пластинки высших растений
Трудно назвать другую черту строения растительного организма, которая характеризовалась бы таким же разнообразием форм, как поляризованные клетки опушения, или трихомы. Понятно в связи с этим стремление морфологов создать классификацию трихом, свести все огромное их многобразие в более или менее обозримый вид.
По современным данным, имеется 21 канонический тип опушения листовой пластинки. При этом классификация типа опушения зависит от формы, цвета и распределения трихом, а так же их индивидуальной структурной организации [4].
К числу наиболее распространенных классификации оносится классификация Солередера. Солередер , как и многие другие авторы, делит все типы трихом на кроющие и железистые. Железистые выделяют секрет, тогда как кроющие не обнаруживают секреторной активности.
Кроющие трихомы подразделяются на несколько групп. Первая группа – простые кроющие волоски: трихомы, состоящие из одной клетки, или несколько клеток, расположенных в один ряд. Эта группа включает много различных типов трихом. Из них наиболее просто организованы папиллы, или сосочки. Они образуются в результате выпячивания наружной оболочки клетки эпидермиса, апикальная часть которого несколько загруглена. Обычно из этой эпидермальной клетки образуется один сосочек, но в некоторых случаях, например у эпидермиса листа манника плавающего,одна клетка может иметь несколько выростов. Чаще всего папиллы встречаются на частях цветка. Довольно близки по своей организации к папиллам одноклеточные пузырчатые трихомы. Они также образуются в результате выпячивания наружной стенки протодермальной клетки, но возникает не сосочек, а сферическая структура в вид пузырька. Нередко одноклеточные волоски достигают значительны больших размеров, и их длина во много раз превышает диаметр. Такие трихомы встречаются в трубке венчика вероник.
Особо выделяет Солередер специалные одноклеточные простые трихомы. К ним он относит так называемые цепляющиеся трихомы, апикальная часть которых загнута в виде крючка, Т-образные волоски, возникающие в результате раздвоения верхней части клетки волоска на две ветви. В тех случаях, когда формируется только одна такая ветвь, волосок приобретает форму буквы Г. Иногда клетка волоска, наоборот, дает несколько выростов, направленных в разные стороны, образуя звездчатый волосок. Сюда же относятся и одноклеточные пельтатные волоски, которые в отечественной литературе обычно называются щитовидными. Они формируется вследствие разрастания клетки волоска в плоскостьи, паралельной поверхности эпидермиса.
Многоклеточные трихомы, состоящие из клеток, расположенных в один ряд в типичном случае образованы морфологически сходными клетками. Однако иногда терминальные клетки существенно отличаются по своему строению от остальных. Так, у Atriplex они приобретают сферическую форму. Они иногда терминальные клетки существенно отличаются. Они могут быть щитовидными, звездчатыми. Т-образными, в виде крючка или достигать значительно больших размеров по сравнению с базальными. Иногда все клетки волоска претерпевают изменения. В частности, у Rhinanthus major каждая клетка волоска образует вырост, который,однако, не отделяется перегородкой.
Рисунок 1 – Трихомы растений
1-Viola tricolor; 2-Humulus lupulus L.; 3-Atriplex leucoclada Boiss.; 4-Broussonetia papyrifera Vent; 5-Veronica opaca Fries; 6-Eurotia cerotoides (L.) G.A. Mey.; 7-Melampurum nemorosum L.; 8-Papaver sp.; 9-Chenopodium botrys L.; 10-Aristolochia tomentosa Sims.; 11-Casuarina equisetifolia L.; 12-Digitalis ambigua Murr.; 13-Verbacum thapsiforne Schrad.;14-Melampurum nemorosum L.; 15-Rhinanthus major L.; 16-Antirrhinum majus L.; 17-Verbacum phlomoides.
К первой группе следует отнести и весьма своеобразные трихомы, встречающиеся на частях цветка, которые были детально описаны для норичниковых. Они довольно крупные (около 0,7 мм) и отличаются характерным строением оболочек – очень тонкие стенки их клеток образует многочисленные выпячивания, становяськак бы гофированными.
Ко второй группе Солередер относит щитовидные, звездчатые и канделябровые волоски. В отличие от аналогичных типов трихом первой группы – щитовидная, звездчатая части или отдельные мутовки этих трихом образованы не одной, а двумя или большим числом клеток. Щитовидные волоски состоят из дисковидной многоклеточной пластинки и ножки. Пластинка чаще всего образованы одним слоем клеток, длинные оси которых могут располагаться радиально или имеют иную ориентацию. Ножка может быть одноклеточной или состоять из комплекса клеток.
У звездчатых волосков составляющие их клетки разрастаются в виде расходящихся лучей, которые имеют различные ориентацию. У волосков однихрастений они расположены в плоскости, паралельной поверхности эпидермиса, у других расходятся под некоторым углом. Канделябровые волоски в русской литературе называют ветвистыми, так как составляющие их клетки разветвляются, очень часто мутовчато. Типичным примером таких волосков являются кроющие волоски Verbascum.
Третья группа включает волоски, состоящие из несколькмих рядов клеток. Клетки, расположенные в верхней части волоска, часто образуют папиллы. Эти волоски очень сильно различаются по диаметру и длине и нередко достигают значительной величины, образуя густое войлочное опушение. Иногда они ветвятся.
Железистые трихомы подразделяются на две группы. Первая группа включает мелкие волоски простого строения, ко второй группе относятся гораздо более сложные. Границы между этими группами, по словам самого Солередер, весьма условны.
Первая группа разбита на подгруппы 1а и 1б.
Подгруппа 1а включает в себя одноклеточные и многоклеточные железистые волоски. Последние крайне разнообразны по своей форме. Наиболее простые состоят из одного ряда морфологически сходных клеток. Другие имеют «головку» и «ножку». Ножка может быть длинной или короткой, одноклеточной и многоклеточной. Головки также весьма разнообразны по форме и числу составляющих их клеток. При этом многоклеточные головки бывают разделены или периклинальными перегородками или периклинальными и антиклинальными вместе. Иногда перегородки, делящие головку, не имеют определенной ориентации. Среди этой подгруппы Солередер выделяет также щитовидные, сферические или имеющие иную форму железки.
К подгруппе 1б относятся многоклеточные головчатые волоски, головки которых разделены только антиклинальными перегородками.
Во вторую группы входят трихомы наибольших размеров и более сложной организации. У них иногда имеются даже устьица.
Особо выделяют Солередер железистые волоски нектарников, насекомоядных растений, известковые и солевые железки.
Волоски различают не только по их строению, но и по продолжительности существования. В этом отношении они подразделяются на опадающие и неопадающие. Неопадающие волоски сохраняются на протяжении всего периода жизни несущего их органа. При этом протопласт клеток неопадающих волосков нередко довольно рано отмирает и остаются лишь их клеточные оболчки, т. Е. волоски мертвыею Уопадающих волосков с отмиранием протопласта волосок сбрасывается.Отчленение волосков от тела растения обычно соправождается весьма существенными изменениями в структуре клеточных стенок эпидермальных клеток, примыкающих к волоску. Обычно они кутинизируется. У Digitalis ambigua кутинизация в первую очередь распространяется на срединную пластинку и начинается еще до того момента, когда наступает полное отмирание пропласта волоска.
Волоски различаются и по положению относительно поверхности несущего их органа. Одни расположены непосредственно на эпидермисе и называются сидячими. Другие находятся на своебразных выростах.
Выделяют также акроскопные и базископные волоски. Акроскопные более или менее прижаты к поверхности и их вершина ориентирована в направлении роста органа, на котором они располагаются. Базископные волоски направлены противоположно.
Те или иные типы трихом очень бывают присущи определенным группам растений. Поэтому они широко используется в качестве одного из систематических признаков. Так например, у Papilionaceae и Asteraceaeпочти все кроющие волоски – многоклеточные однорядные, тогда как у Cruciferae встречаются лишь одноклеточные волоски. У видов Scrophulariaceae головки железистых трихом делятся вертикальными перегородками, тогда как у Solanaceae- как вертикальными, так и горизонтальными [5].
1.2 Типы опушения
В зависимости от строения трихом, их размеров, числа на единицу площади, ориентации и т. п. внешний вид поверхности того или иного органа может быть различным. В связи с этим выделяют определенные типы опушения. В частности , густое опушение из ветвистых волосков несколько напоминает войлок и названо войлочным типом опушения. Наиболее типичное войлочное опушение у коровяка. Многочисленные папиллы придают поверхности бархатистый оттенок. Такое опушение чаще всего встречается у лепестков и называется бархатистым.
Длинные, несколько извилистые волоски, не имеющие определенной ориентации, образуют мохнатое опушение. Мохнатое опушение имеет, например, Begonia rex Putz.
Выделяют шелковистое опушение, состоящее из тонких прямых волосков, обычно ориентированных в одном направлении. Такие волоски придают поверхности листа шелковистый блеск (Fagus orietalis Lipsky). У Senecio cineraria DC. опушение образовано очень тонкими, длинными, переплетающимися между собой волосками- паутинистый тип.
Различают также пушистое, волосистое, шерститое, коротковолосое, жестковолосое, шершавое, щетинистое, чешуйчатое и др. типы опушения. Однако хорошо разработанной классификации типов опушения до настоящего времени не существует, поэтому нередко при описании опушения авторы основываются лишь на субъективном восприятии и часто опушениям, состоящим из однотипных волосков, дают разные названия или,наоборот, опушения, значительно различающиеся по структуре составляющих их волосков, относят к одному и тому же типу [6].
1.3 Характеристика развития клеток опушения (трихом)
Одной из наиболее характерных особенностей трихом является их чрезвычайно ранняя дифференциация. Нередко трихомы начинают закладываться на только что образовавшихся примордиях, а иногда – даже на конусе наростания [7]. Заложение трихомы начинается с того, что одна из клеток протодермы, имеющая более крупное ядро по сравнению с остальными, увеличивается в размерах, разрастаясь главным образом в радиальном направлении. При образовании многоклеточного волоска, состоящего из одного ряда клеток, разросшаяся клетка протедермы делится в тангентальном направлении. В результате этого деления образуется одноклеточный зачаток. Он быстро разрастается и делится все новыми и новыми тангентальными перегородками. При этом у некоторых растений наблюдается акропетальная последовательность делений, т. е. все время делится лишь апикальная клетка волоска (Artemisia), у других же видов (Helianthus) деления протекают в базальной клетке. Такая последовательность заложения называется базипетальной.
В случае образования папилл дифференциация как бы приостанавливается на самых ранних этапах развития трихом, после выпячивания наружной стенки клетки протодермы. Аналогичная картина наблюдается и при заложении одноклеточных волосков, которые не отделены тангентальной перегородкой от трихоцита, т. е. клетки, из которой образуется волосок.
При образовании головчатых волосков дифференциация ножки обычно происходит таким же образом, как и многоклеточного волоска, состоящего из одного ряда клеток. Головка же может образовываться как путем тангентальных,так и путемантиклинальных делений, а иногда деления протекают без определенного порядка. В тех случаях когда головка одноклеточная, апикальная клетка разрастается, принимая округлую форму.
Дифференциация щитовидных трихом начинается, как правило, делением трихоцита в антиклинальном направлении. Антиклинальные деления преобладают и при дальнейшей дифференциации трихом этого типа. Таковы наиболее часто встречающиеся типы формирования трихом.
Как показали электронномикроскопические исследования, микрофибриллы наружных слоев первичной оболочки растущего волоска располагаются в направлении, близком к аксиальному, тогда как микрофибриллы внутренних слоев ориентированы поперек длинной оси волоска. При этом в наружных слоях расположение микрофибрилл более рыхлое по сравнению с внутренними [8]. На основании этих данных Релофсен и Хаувинк выдвинули оригрнальное представление о росте оболочке. Микрофибриллы откладываются на внутрепнюю поверхность оболочки в поперечном по отношению к длинной оси волоска направлении. Затем в процесс растяжения клетки они пассивно изменяют свою ориентацию, вытягиваясь примерно в более или менее аксиальном направлении. И поскольку новые микрофибриллы в это слой не внедряются, он становится более рыхлым. Эта теория бвла названа теорией многосечатого роста.
Возникая на ранних стадиях развития того или иного органа, волоски особенно густо располагаются на молодых частях растения. По мере роста листа или другого органа опушение становится более редким, так как в процессе разрастания клеток эпидермиса расстояния между волосками увеличивается. Так, например, молодые нижние листья Verbascum thapsus длиной 3 – 5см имеют сплошной войлочной покров из ветвистых волосков, полностью же сформировавшаяся листовая пластинка опушена значительно слабее.
Жизнь волосков, как правило, недолговечна. Нередко они начинают отмирать с окончанием роста несущего их органа или даже раньше. Однако в других случаях они находятся в жизнедеятельном состоянии значительно дольше. Это чаще наблюдается у железистых трихом, но и простые кроющие волоски могут быть продолжительное время живыми.
И частности, папиллы остаются живыми на протяжении всемго периода жизни несущего их органа. Довольно долго остаются жизнедеятельными и кроющие волоски злаков [5].
1.4 Функциональное значение трихом
Функции, выполняемые трихомами, чрезвычайно многообразны. Однако их роль в жизни растении остается далеко не всегда ясной. Наиболее детально изучено функциональное значение специализированных трихомы росянок, с помощью которых насекомоядные растения высасывают питательные вещества из тела насекомого. Издавне и до настоящего времени подвергается глубокому изучению функция корневых волосков, связанная с поглощением элементов минерального питания. Хорошо изучена роль специализированных волосков типа прицепок, с помощью которых происходит распространение семян и плодов [9]. Волоски многих вьющихся и цепляющихся растений, имеющие форму крючков, поддерживают стебель растения. Нередко трихомы выступают в качестве защитных приспособлений. К ним, например, относятся щетинистые волоски бурачниковых и жгучие волоски крапивы.
Представляют интерес исследования Габерландта, указавшего на особый тип трихом, способных реагировать на освещенность. Апикальная часть таких трихом имеет маленькую клетку линзообразной формы или чечевицеобразное утолщение. Когда свет падает перпендикулярно поверхности листа, средняя часть нижней (внутренней) стенки клетки эпидермиса освещена интенсивно, а края — слабо, в чем можно убедиться экспериментально. К такому освещению кожица «привыкла» и не раздражается светом. Если же лучи падают косо, сильнее освещением оказывается другой участок стенки, что вызывает раздражение. Вследствие этого, по мнению Габерландта, изменяется положение листовой пластинки. Такие образования чаще всего встречаются у теневыносливых растений, которые должны максимально использовать падающий на них свет. Однако положение Габерландта о светочувствительных волосках вызвало ряд возражений. Было обращено внимание на то обстоятельство, что светочувствительные образования в ряде случаев занимают такое полей женке на листе (например, на нижней его стороне), которое лишает их возможности выполнять приписываемую им функцию. Гипотеза Габерландта встретила, и ряд других возражений и не может считаться достаточно обоснованной. Немаловажную роль играют специализированные волоски в процесс опыления цветка. В частности, сосочки, расположенные на рыльце способствуют удерживанию пыльцы. Трихомы, находящиеся на около цветнике и тычинках, нередко являются составной частью механизм; содействующего опылению цветка, или защищают андроцей и гинецей о неблагоприятных внешних условий [10]. На частях цветка встречаются и чувствительны трихомы, содействующие его опылению. Такие трихомы находятся на тычиночных нитях Centaurea, Portulaca. При соприкосновении насекомого-опылителя с этими папиллами тычиночные нити сокращаются, способствуя высыпанию пыльцы на насекомое. У некоторые эпифитных растений встречаются чрезвычайно своеобразные трихомы Оболочки таких трихом образуют мощные утолщения, состоящие из пек типовых веществ, которые впитывают атмосферную влагу воздуха. Влаги проникает в оболочку волоска через специальные трещины. находящиеся в кутикуле. Эти трещины могут изменяться по ширине в зависимости от влажности воздуха. При высокой влажности воздуха нектин набухает, ширина трещин кутикулы увеличивается и еще больше влаги абссорбируется волоскам и она поступает во внутренние ткании. С наступлением сухого периода количество воды в оболочке уменьшается, она сжимается и ширина кутикулярной щели становится минимальной. Это препятствует отдаче воды в атмосферу.
В эпидермисе листа Chaetacme aristata встречаются клетки, которые отличаются от остальных по форме, размерам и содержат вещество, сильно окрашивающееся гематоксилином в пурпурной цвет [11]. В верхнемэпидермиса листа этих клеток значительно больше, чем в нижнем, и он гораздо сильнее впитывает капли попавшей на него воды. На основании этого Мейднер полагает, что данные клетки предназначены для поглощения влаги.
По наблюдениям В. Г. Александрова и М. И. Савченко [12], на семенах некоторых видов ромашек,произрастаюших в пустыне, также находятся волоски, впитывающие атмосферную влагу, которая выпадает в виде капель росы и дождя. Оболочки клеток этих трихом имеют сильно выраженную складчатость и лишены кутикулы. Придоступе воды оболочки трихом ослизняется и, набухая, впитывают влагу. С наступлением сухого периода поверхностные участки клеток подсыхают, образуя, по мнению авторов, непроницаемую для воды пленку, и поглощенная влага поступает во внутренние ткани.
Специализированные трихомы могут не только поглощать, но и выделять влагу, выполняя функцию гидатод. Особенно интенсивно секретируют воду с растворенными в ней веществами трихомы – гидатоды фасоли, которые могуть выделять до 6 капель в минуту, а за сутки объем выделенной трихомом влаги в несколько раз превышает объем самого трихома.
Интенсивное выделение воды трихомами – гидатодами наблюдается не только у интактного растения, но и на высечках листа, помещенных на воду. Это обстоятельство указывает на то , что секреция раствора осушествляется активным путем самими трихомами, в отличие от обычных гидатод, где выделение влаги обусловлено корневым давлением. На участие активного механизма в секреции раствора указывает и наличие в клетках трихом многочисленных митохондрий.
Однако функция трихом – гидатод фасоли, по – видимому, не ограничивается выделением водных растворов. Как показывают электорнномикроскопические исследования, их клетки содержат довольно хорошо развитый агранулярный и гранулярный эндоплазматический ретикулум и активный аппарат Гольджи – мембранные системы, принимающие участие в биосинтезе определенных веществ. Можно предположить, что выделяемые трихомами – гидатодами в результате биосинтеза вешеств, осуществляемого ретикулумом и диктиосомами. Растворы солей выделяются и солевыми железками, которые встречаются у многих галофитов, однако в отличие от трихом – гидатод солевые железки выделяют главным образом хлориды. Помимо солей и воды трихомы могут выделять и другие вещества :эфирные масла, слизи, смолы и т. д. Однако значение этих веществ в жизни растения остается неясным. Следовательно, и функцию образований, выделяющих названные вещества, нельзя считать установленной.
Еще менее изучено функциональное значение неспециализированных трихом. Прежде всего следует указать, что проводимое подразделение трихом на специализированные и неспециализированные весьма условно. Четкой границы между этими категориями нельзя провести уже потому, что в процессе онтогенеза функция волосков может меняться. Кроме того, трихомы одного и того же типа могут одновременно выполнять разные функции. Так, жгучие волоски крапивы являются секреторными образованиями и одновременно служат защитой растения от поедания животными. Мы относим к неспециализированным трихомам трихомы, которые в литературе получили название кроющих. Согласно наиболее распространенной точке зрения, кроющие трихомы в тех случаях, когда они образуют густой войлочный покров, способны уменьшать интенсивность транспирации и нагревание растения, а также отражать свет. Однако экспериментальные данные, касающиеся этой проблемы, нередко носят противоречивый характер. Так, Перман [13], измеряя количество отраженного света у 22 видов австралийсих растений, произрастающих в песчаных дюнах, нашел, что опушенные растения отражают свет сильнее, чем неопушенные. Удаление волосков с верхней стороны листа уменьшало отражение.
По данным Шула у некоторых видов, например, у Populus alba, покров и волосков существенно увеличивает отражение света, тогда как у Verbascum thapsus увеличивает его лишь немного. В опытах Вуншера [14] удаление опушения с листьев Verbascum thapsus также не отказывало существенного влияния на отражение солнечной радиацией. При удалении волосков с верхней поверхности молодого листа Gynura aurantiaca с помощью электрической бритвы отражение света в области спектра с длинной волны 500-750 ммк уменьшилось, тогда как в диапазоне 750-2500 ммк, наоборот, увеличилось[15].
Баумерт показал, что лишенные искусственным путем опушения листья Centaurea candidissima нагреваются на 37% сильнее по сравнению с контрольными. Аналогичные результате были получены Вуншером [14] на листьях Verbascum thapsus. Согласно же Волперту [16] трихомы должны увеличивать теплоотдачу при нагревании листа, как и ребро радиатора.
Довольно много экспериментов проведено по изучению влияния опушения и на интенсивность транспирации. В опытах Габерландта изучалась интенсивность транспирации опушенных лишенных искусственным путем опушения супротивных листьев Stachys lanatа. Оказалось, что на рассеянном свете лишенный опушения лист терял влаги в 1.42 раза больше, чем супротивный, покрытый волосками. Применяя современные методы исследования, Вуншер [14] подтвердил данные Габерландта. В других работах при изучении влияния кроющих трихом на отдачу воды листом сравнивалась близкородственные опушенные и неопушенные растения.
Следует, однако, иметь в виду, что пониженная интенсивность транспирации у опушенных растений по сравнению со слабо опушенными или голыми не может быть отнесена только за счет различий в опушении, так как листья близких форм, слабо и густо покрытых волосками растений, различаются и по другим анатомическим признакам. В частности, у уже упомянутых форм Potentilla argentea наблюдается и весьма существенная разница в протяженности жилок на единицу площади листа. Несмотря на это, данные, полученные с помощью описанных методов, в какой-то мере позволяют судить о влиянии кроющих волосков на интенсивность транспирации и большинство исследователей [17] считают, что густое войлочное опушение из мертвых волосков снижает интенсивность транспирации. Однако не всеми разделяется эта точка зрения. Так, Н. А. Максимов, Л. Г. Садриева, В. А. Симонова полагают, что густое опушение, а также толстая кутикула и восковой налет при открытых устьицах не снижают общей интенсивности транспирации и лишь в то время, когда устьица закрыты, опушение, кутикула и восковой налет способствуют удерживанию влаги. Если кроющие волоски и способны снижать интенсивность транспирации, то выполняют они эту функцию лишь в тех случаях, когда образуют густой войлочный покров. У большинства же мезофитных растений кроющие волоски располагаются очень редко и часто находятся лишь над жилками и по краю листа. Вполне понятно, что такие волоски не могут оказывать существенного влияния на транспирацию и, видимо, играют какую-то другую роль. Кроме того, кроющие волоски способны снижать отдачу воды растениями лишь в тот период развития, когда их клетки уже мертвы. Жизнедеятельные волоски, по-видимому, не снижают, а, наоборот, повышают интенсивность транспирации. поскольку они во много раз увеличивают поверхность [18], причем кутикулярная транспирация трихом значительно выше, чем основных клеток эпидермиса. Это убедительно доказано Штруггером с помощью специально разработанного им метода.
Нами роль жизнедеятельных трихом в водном режиме растения выявлялась также путем сравнительного определения водоудерживающей способности близкородственных растений, имеющих различное опушение. В качестве объекта исследования брались две формы Veronica scutellata. Одна из них имеет как простые, довольно крупные кроющие трихомы, так и мелкие головчатые, другая имеет только головчатые волоски. Обе формы произрастают в одинаковых экологических условиях. Срезались приблизительно одинаковые молодые веточки, когда трихомы были на них еще живыми. Через минуту после срезания на торзионпых весах производилось взвешивание. Затем взвешивание повторялось с 5-минутным интервалом в течение 25 мин. Опыт проводился в конце августа в полдень на открытой лесной поляне при прямом солнечном освещении. Оказалось, что формы, несущие кроющие живые волоски, теряли влаги на 10—20% больше по сравнению с формами, которые имели лишь редко расположенные головчатые волоски [19]. Полученные результаты, конечно, не дают основания сделать вполне определенные выводы о влиянии жизнедеятельных кроющих трихом на интенсивность транспирации, поскольку здесь, как и в опытах с отмершими трихомами, не учтены все факторы, влияющие на отдачу воды растением (густота устьиц, протяженность жилок на единицу площади и т. д.). Однако систематическая близость взятых растений и одинаковые условия их произрастания позволяют в известной мере отнести разницу в водоудерживающей способности исследованных форм V. scutellaia за счет различия в опущении. Таким образом, жизнедеятельные кроющие волоски, по-видимому, можно охарактеризовать как образования, способствующие увеличению отдачи воды. Следовательно, в процессе онтогенеза роль кроющих трихом в регуляции водного режима растения может резко меняться. Если на сформировавшихся органах густой покров из отмерших волосков снижает интенсивность транспирации, то на ранних стадиях развития жизнедеятельные кроющие волоски, наоборот, повышают транспирацию. Значение этой роли волосков становится понятным при выявлении условий их развития. Волоски формируются и начинают функционировать как образования, насасывающие и испаряющие влагу в период эмбрионального роста органа, когда его межклетники развиты еще очень слабо, устьичный аппарат полностью не сформирован и сам орган в какой-то мере закрыт более взрослыми кроющими листьями. Поэтому деятельность волосков представляет собой весьма существенный фактор, обеспечивающий непрерывный приток йоды, а вместе с нею и питательных веществ к тканям растущего органа. С ростом органа, дифференциацией его тканей, развитием мощной системы межклеточников, формированием устьиц роль волосков как образований, способствующих передвижению воды и питательных веществ к тканям несущего их органа, снижается. В этот период волоски часто начинают отмирать и нередко опадают или принимают на себя другие функции.
Однако роль кроющих трихом, по-видимому, нельзя свести .тишь к их участию в регуляции водного режима растений и выполнению всякого рода защитных функций (предохранение от нагревания, охлаждения, инсоляции и т. п.). Как показывают электронномикроскопические и гистохимические исследования, неспециализированные кроющие ; волоски часто являются высоко метаболическим активными образованиями. Так. полностью дифференцированные кроющие волоски Anwiriscus syl—vestris, которые долгое время не отмирают и остаются вполне жизнедеятельными даже на сформировавшихся листьях, обнаруживают очень сильно развитый агранулярный эндоплазматический ретикулум.
Как известно, агранулярный ретикулум является наиболее характерной чертой строения терпеноидогенных клеток и по этому признаку клетки, синтезирующие секреторные терпеноиды, резко отличаются от других тканей. Полагают, что у животных синтез стероидных гормонов — веществ, близких по химическому составу и пути биосинтеза к терпеноидам, также осуществляется агранулярным ретнкулумом [20]. Следовательно, и у растений агранулярный эндоплазматический ретикулум, по-видимому, тоже может принимать участие в биосинтезе определенных терпеноидов гормональной природы [21]. К тёрпепоидам относятся и гиббереллины — гормоны, синтезирующиеся в листе [22]. Можно предположить, что местом их биосинтеза у купыря лесного являются волоски, так как именно они обладают сильно развитым а гранулярным эндоплазматическим ретикулумом.
На возможное участие волосков в биосинтезе определенных гормонов указывал еще Габерландт [23]. Это предположение им высказано па основании того, что при образовании перидермы первые деления клеток начинаются под волосками. Поскольку волоски в это время были близки к отмиранию. Габерлапдт назвал эти гипотетические вещества некрогормопамн. Однако позднее Лир [24] показал, что первые деления клеток у образующейся перидермы Pelargonium horlorum происходят в то время, когда волоски являются вполне жизнедеятельными. Интересен в атом отношении и такой факт. При размножении бегонии листом в эпидермисе листа возникают меристематические очаги и меристематическая активность проявляется именно у тех клеток, па которых располагаются полоски. По мнению Биго [25], детально исследовавшего этот процесс, деления клеток эпидермиса индуцируются базальными клетками волоска. 15. Г. Александров и А. В. Добротворская [26] также рассматривают волоски цветка как высокоактивные образования, способные синтезировать вещества гормональной природы.
Высокой метаболической активностью обладают и ветвистые волоски Verbascum thapsus, которые также характеризуются наличием сильно развитого эндоплазматического ретикулума и активного аппарата Гольджи. Однако интерпретация ультраструктурных особенностей протопласта ветвистых трихом коровяка осложняется следующим обстоятельством. Эти трихомы довольно рано отмирают. Продолжительность их жизни в основном ограничивается периодом дифференциации клеток волосков. Для дифференцирующихся клеток любых тканей, как известно, характерно наличие хорошо развитых эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, так как эти органеллы в период роста клетки осуществляют биосинтез и секрецию веществ клеточной оболочки. Поэтому трудно сказать, ограничивается ли деятельность ретикулума и диктиосом трихом коровяка синтезом и секрецией веществ клеточной оболочки или они выполняют и какие-то другие функции. Во всяком случае клеткам трихом, вероятно, свойственна определенная специфика обмена веществ. На это, в частности, указывает тот факт, что между клеточной оболочкой и плазмалеммой волосков в большом количестве накапливаются какие-то вещества, которые не выделяются ни в дифференцирующихся, ни в уже сформированных клетках эпидермиса. Показательным также является наличие в клетках трихом хлоропластов, имеющих весьма своеобразную структуру, и сильно развитых ломасом, состоящих из громадного числа субъединиц.
Одноклеточные трихомы протокорма Vanda по своей субмикроскопической организации резко отличаются от кроющих трихом других растений. У них выявляются многочисленные органеллы. сходные с мпкротелами [27] они, вероятно, осуществляют биосинтез гидролитических ферментов, которые секретируются в основную ткань протокорма и осуществляют ее лизис.
Железистые трихомы также характеризуются высокой сложностью субмикроскопической организации протопласта. При этом в ультраструктуре волосков, выделяющих различные вещества, обнаруживаются существенные различия. Не останавливаясь на детальном анализе субмикроскопической организации железистых трихом, мы хотели бы еще раз обратить внимание на такое обстоятельство. Нередко железистые волоски по характеру субмикроскопической организации протопласта бывают очень сходными с простыми кроющими трихомами. Так, полностью дифференцированные кроющие трихомы листа ваточника по наличию сильно развитого эндоплазматического ретикулума очень сходны с железистыми волосками, секретирующими и терпеноиди. Высокоразвитый эндоплазматический ретикулум обнаруживается и в закончивших рост кроющих воло сках листа купыря лесного и т. д. Таким образом, между простыми кроющими и железистыми волосками, как полагал еще В. Г. Александров, по-видимому, не существует столь резких функциональных различий, как обычно принято считать в анатомии растений. И те, и другие, очевидно, могут осуществлять биосинтез определенных веществ.
1.5 Опушение листьев как фактор устойчивости к листовредителю –
пьявице
Посевы озимой и яровой пшеницы часто повреждаются жуком – листоедом пьявицей (Oulema melanopus Z.). По данным международной статистики, поражения сельскохозяйственной продукции болезнями и вредителями в мировом масштабе в отдельные годы снижают валовой сбор продукции на 25%. В Казахстане этот вредитель особенно опасен на юге и юго-востоке республики. Для того, чтобы создать устойчивые сорта к пьявице необходимо изучить биологию вредителя, с одной стороны, и выявить факторы, обусловливающие устойчивость растений к поражению, с другой стороны [28].
Связь между устойчивостью растений к повреждению пьявицей и опушением листьев установлена рядом исследователей. Б.М.Сулейменов изучая взаимоотношение пьявица – растение у сортов Саратовская 29 с интенсивно опушением листа и Казахстанская 126 пьявицей намного выше, чем этот показатель у сорта Саратовская 29. В.А.Мегалевым установлено, что сорта и виды пшеницы избирательно поражаются жуком. Позже А.Н.Добрецов также заметил, что сорта яровой пшеницы с опушенными листьями этим вредителем не повреждаются, так как личинки на таких листьях гибнут. Это привело к изучению характера и степени опушения листьев и возможностей усиления этого признака путем селекции.
Многолетние исследования по опушению листьев проводила профессор Н.Л. Удольская (цитируется по Шулембаевой, Есыревой). Особое внимание было сосредоточено в этих исследованиях на создании твердых сортов пшеницы с интенсивно опушенной листовой поверхностью и передаче данного признака в сорт сильной яровой мягкой пшеницы Казахстанская — 4. В 1984 г. для реализации этой идеи году была начата работа по созданию изогенных и замещенных аналогов сорта Казахстанская — 4 по двум признакам – красная окраска зерна и опушенность листьев пшеницы [28].
Опушенность листьев как фактор устойчивости к пьявице используется селекционерами при выведении устойчивых к этому вредителю сортов яровой пшеницы.
Американский журнал «Crop Science» сообщает, что в штате Мичиган проводили опыт по изучению устойчивости озимой пшеницы к пьявице. По подсчету волосков и откладки яиц был сделан вывод, что, чем больше волоска, тем меньше откладывается яиц пьявицы. Например, у сортов CI 14456 не было обнаружено ни одного яйца пьявицы. Этот сорт имел 80,2 волоска на площади поверхности листьев в 1 кв.мм и длину волосков 0,306мм. А у сортов Jenecce количество волосков на 1 кв.мм площади листа – 9,4, а длина волосков составляла 0,0504 мм, на одном растении в среднем было обнаружено 6,22 яиц пьявицы.
Сорта пшеницы с густым опушением не поражаются пьявицей [29]. Шиллингер [30] считает, что устойчивость пшеницы к поражению пьявицей объясняется опушением листьев, которые приводят к тому, что самки пьявицы избегают питаться и откладывать яйца на листьях таких пшениц.
Но, были обнаружены отдельные растения, которые поражались даже при наличии интенсивного опушения, причины этого выяснены.
Помимо опушенности листьев были выявлены другие морфологические признаки, связанные с устойчивостью растений к пьявице. Было выяснено, что интенсивность опушения листьев оказывает сильное влияние на откладку яиц, жизнеспособность, рост и выживаемость личинок [31]. Шиллингер [30] указывает на необходимость учитывать расстояние между рядами волосков; у устойчивых сортов это расстояние меньше ширины ротового отверстия пьявицы. Шиллингер [30] пришел к выводу, что опушенность листьев не является единственным фактором, обуславливающим устойчивость растений к пьявице, но другие факторы пока достоверно не установлены.
Взаимодействия насекомых и клещей с растениями весьма многообразны, о чем свидетельствуют различия типов повреждения последних.
Классификация типов повреждения растений вредителями различных видов отражает особенности строения их ротовых аппаратов.
Типы повреждения листьев вредителями с грызущим ротовым аппаратом [32]
— скелетирование (выедание эпидермы и паренхимы мезофилла с сохранением жилок, наблюдающееся, например, при питании личинок вишневого слизистого пильщика и гусениц лугового мотылька — Pyrausta sticticalis L.);
— «изъязвление» (выедание в форме небольших углублений — язвы — наблюдающиеся, например, при питании земляных и иных блошек);
— окошечное выедание (наблюдающиеся при использовании для питания эпидермы и паренхимы мезофилла с сохранением с одной стороны листа участков кутикулы — характерный признак питания гусениц капустной моли, а также гусениц I-II возрастов некоторых других чешуекрылых);
— фигурное объедание краев листьев (наблюдающиеся, например, при питании долгоносиков рода Sitona и пчел-листорезов);
— минирование (выедание паренхим мезофилла, наблюдающееся, например, при питании личинок свекловичной мухи);
— свертывание или скручивание листьев с помощью паутины или же без нее (наблюдающееся, например, при питании трубковертов Attelabidae и некоторых листоверток Tortricidae).
В тех случаях, когда листогрызущие насекомые поселяются среди листьев всходов или же в листовой трубке злаков у растущих листьев появляются симметрично расположенные отверстия. Многие грызущие вредители перекусывают наземную и подземную части стеблей, черешки листьев и корни, прогрызают тоннелеобразные ходы в стеблях и листовых черешках или в корнях, поедают вегетативные почки, бутоны, цветоножки, тычинки и пестики. Такие повреждения приводят к потере тургора и к увяданию отдельных частей растения или же всего растения в целом. У злаков после выколашивания в результате нарушения целостности проводящей системы стебля они приводят к белоколосости. Повреждения растений вредителями с колюще-сосущим ротовым аппаратом резко отличаются от повреждений, вызываемых вредителями с грызущим ротовым аппаратом. Ферменты слюнных желез и иные физиологически активные вещества, выделяемые насекомыми с колюще-сосущим ротовым аппаратом в ткани растений, нарушают в них баланс фитогормонов, гидролизуют их биополимеры, деформируют их проводящую систему и т.д. В иммунитете растения большая роль принадлежит неспецифическим барьерам, которые способны обеспечить самозащиту растений от патогенных организмов большого числа видов. К числу этих барьеров в первую очередь принадлежат морфологические (в том числе анатомические), физиологические и биохимические.
Морфологические факторы. Покровные ткани — общая внешняя «броня» растений, защищающая их от патогенных агентов (в особенности от микроорганизмов). Большое значение в комплексной и групповой устойчивости растений имеют различные эпидермальные образования и, в первую очередь, железистые и нежелезистые трихомы, а также кутикулярные и эпикутикулярные покровы. Трихомы, покрывающие листья и другие органы растений, факторы устойчивости пшеницы, хлопчатника, картофеля и других культур к тлям, цикадам, клопам-слепнякам и к возбудителям заболеваний многих видов. Трихомный покров листьев пшеницы — фактор ее устойчивости к красногрудой пьявице и шведским мухам. Трихомы колосковых чешуй пшеницы неблагоприятны для питания гусениц I-го возраста серой зерновой совки и других насекомых. В листьях и стеблях злаков содержится кремний, увеличивающий их прочность, уменьшающий потерю ими влаги через транспирацию и повышающий устойчивость к воздействию патогенных организмов. Исследование микроструктуры воскового покрова листьев показало, что этот покров, очевидно, может обеспечить устойчивость злаков к тлям, блошкам, мучнистой росе и др. вредным организмам.
Физиологические и биохимические факторы. Наличие большого количества нектарников на листьях, листовых черешках, прицветниках и стеблях хлопчатника привлекает к нему для откладывания яиц большое количество хлопковой и табачной совок, совки ни (Stenoplusia ni Hbn.), розового червя (Plectinofora gossypiella Sand) и металловидок (Autogapha) и др. Безнектарниковые растения заселяются бабочками много слабее. Затруднения в атакуемости основных биополимеров зерновок пшеницы фактор иммунитета не только к вредной черепашке и к клопам других видов, но и фактор иммунитета к зерновой моли, а также к насекомым, повреждающим пшеницу при хранении. Несомненно, что этот фактор имеет более широкое иммуногенетическое значение, в том числе и для грибов и бактерий, в частности, при так называемом ферментативно-микозном истощении зерна и т.д. Вещества вторичного обмена, как правило, обладают широким спектром действия (в том числе токсического) на насекомых, клещей, грибы и бактерии. Это их свойство во многих случаях выступает как фактор комплексного иммунитета растений. Например, флавоноиды бензоксизолиноны (МБОА) злаков — важное звено иммунитета кукурузы к саранчевым, кукурузной тле (Rhopalosiphum maidis Fitch.) кукурузному мотыльку, кукурузной совке (Sesamia (monangriodes Lef.) cretica L.) (Шапиро, 1985), и другим возбудителям заболеваний различных таксономических групп. МБОА защищает кукурузу и от поражения некоторыми гербицидами, обеспечивая возможность безвредного использования последних [33].
На Кубанской опытной станции в течении 1973-1977 гг. проводилась оценка коллекции пшениц ВИР. Исследования озимых пшениц (3989 образцов) выявили значительные различия в степени поврежденности их пьявицей. Количество поврежденных растений в зависимости от сорта колебалось от 24-26% с интенсивностью повреждения 2,9-3,7 балла. Неустойчивыми к пьявице оказались большинство современных сортов озимой пшеницы как отечественной, так и зарубежной селекции. Все образцы исследованных яровых пшениц с опушенными листьями слабо заселялись и слабо повреждались пьявицей. И в то же время значительная часть образцов, не имеющих опушения на листьях, также оказались слабо поврежденными, что дает право предполагать о существовании других факторов устойчивости растений к пьявице [34].
В Казахстане за последнее время наблюдается особенно сильное увеличение численности пьявицы, которая наносит существенный вред посевам зерновых. В связи с этим, в Казахском научно-исследовательском институте Защиты растений (г. Алматы) проводились испытания на устойчивость посевов яровой пшеницы к пьявице.
Б.М.Сулейменов[35] изучал взаимоотношения пьявицы и растений пшеницы: сорта мягкой пшеницы с интенсивно опушенными листьями и сорта сильной пшеницы со слабо опушенными листьями. Наблюдения показали, что личинки пьявицы на селекционных посевах распределяются неравномерно, их нет на листьях интенсивно опушенных сортов, но они присутствуют в большом количестве на листьях неопушенных сортов. Б.М.Сулейменов[35] пришел к выводу, что при проведении селекционной работы с пшеницей необходимо уделять самое серьезное внимание степени и характеру опушения листьев.
Основные факторы групповой и комплексной устойчивости растений к патогенным агентам
1.6 Значение опушения листьев для засухоустойчивости растений
В работе «Борьба растений с засухой» [36] К.А.Тимирязев указывает, что опушение листьев связано с засухоустойчивостью и особенности строения волосков у разных видов растений. Он рассматривал опушенность листьев как средство ослабления транспирации и связывал засухоустойчивость растений с водоудерживающей силой.
Саратовская селекционная станция начала работать в годы, когда были опубликованы работы К.А.Тимирязева и под влиянием этих работ селекционеры проводя отборы, отдавали предпочтение опушенным растениям. Этот признак и сейчас характерен для сортов созданных в Саратове [37].
Многие исследователи при отборе на засухоустойчивость искали и находили определенную зависимость засухоустойчивости растений с опушением листьев [38]. Но, в 20-х годах нашего столетия молодой физиолог Н.А.Максимов [39] показал, что между засухоустойчивостью и степенью опушенности листьев зависимости нет. После появления работы Н.А.Максимова [39] интерес к опушению листьев остыл, и возник снова после того, как была доказана роль опушенности листьев в борьбе с пьявицей [40].
В последние годы Американскими учеными было обнаружено, что на некоторых видах кактуса имеются волоски 2-х типов:
1) короткие, толстые, без полости;
2) длинные, тонкостенные с внутренней полостью [41].
Эти учения сообщили, что такие волоски способны поглощать воду выпадающую в виде росы [42].
Итак, опушение листьев, с одной стороны является защитой растений от вредителей, а с другой стороны может быть особенностью, обуславливающей всасывание капельно-жидкой воды попадающей на листья растения [43, 44]. Работу с пшеницой в этом направлении не проводили не у нас, не за рубежом.
Известно, что значительная часть территории нашей страны подвержена засухе [45]. В нашей стране из 230 млн. га возделываемых земель почти половина находится в зоне недостаточного увлажнения и только 22% посевов устойчиво обеспечены влагой. В большинстве мест с недостаточным выпадением осадков наблюдаются обильные росы, и вопрос о способности отдельных сортов использовать эти росы имеет большой практический интерес [46].
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Работа была проведена в лабораторных и полевых условиях.
Материалом исследований служили сорта и формы яровой пшеницы (Triticum aestivum L.), контрастные по признаку опушения листовой пластинки: Саратовская-29 и Генотроф-1 (контроли мягкого опушения), Велютинум-2401 и Лютесценс-19001 (константные формы — носители жесткого опушения). В качестве неопушенного контрольного варианта был использован сорт Казахстанская-126.
Материал был высеян для проведения полевых наблюдений, параметрических измерений клеток и анализа их компонентного состава. Сбор материала проводился в фазах всходов, кущения, трубкования, цветения, молочной и восковой спелости.
Для изучения особенностей развития жестких поляризованных клеток листовой пластинки пшеницы был проведен микроскопический (Axioskop 40) анализ размеров клеток жесткого и мягкого опушения при малом увеличении. Проведено сравнительное изучение ядер в клетках, формирующих мягкое и жесткое опушение в процессе онтогенеза пшеницы.
2.1 Приготовление ацетокармина
Для окрашивания ядер ацетокармин готовили в ёмкости с обратным холодильником. К ледяной уксусной кислоте (45 мл), нагретой до температуры испарения, добавляли навеску кармина (2-3 г) и доводили объем дистиллированной водой до 100 мл. Смесь кипятили в течение 30-40 мин, охлаждали и фильтровали. Ядра клеток окрашивали при осторожном нагревании препарата над открытым пламенем в течение 1-2 мин. Препараты охлаждали, добавляли 45% уксусную кислоту и анализировали микроскопически.
2.2 Характеристика исследуемых сортов и линий
Сорт Казахстанская-126 выведен Н.Л.Удольской путем скрещивания Лютесценс-47 (из Краснодарского края) с местным сортом Коже-Бидай (карликовая пшеницы, разновидность Fetisowii Korn., Erinaceum Desf. и echinodes Korn.) и трехкратного индивидуального отбора.
Разновидность ферругинеум. Зерно яйцевидное, весьма крупное, выровненное, масса 1000 зерен 35-47г. Сорт устойчив к пыльной головне. Соломина крупная, устойчива против полегания [47]
Сорт Саратовская-29 введен НИИСХ методом ступенчатой гибридизации-скрещиванием гибридных сортов Альбидум-24 (Лютесценс-91×Сарроза) и Лютесценс-55∕11 (спонтанный гибрид, выделенный из Эритроспермум 341). Авторы: А.П.Шехурдин, В.Н.Мамонтова, Н.Н.Куликов.
Разновидность лютесценс. Зерно стекловидное, овально-удлиненное, расширяется к зародышу, крупное-масса 1000 зерен 32-40г. Сорт относительно устойчив к пыльной головне, среднеустойчив к корневым гнилям, весьма восприимчив к твердой головне. Недостаточно устойчив к полеганию и в результате этого слабо использует условия благоприятных лет с повышенным количеством осадков. При полегании снижается содержание белка в зерне и резко ухудшается его качество [48].
Линия Генотроф-1 был поучен при обработке сорта мягкой яровой пшеницы Казахстанская-126 никотиновой кислотой природного происхождения. Обработка семян и вегетирующих растений Казахстанская-126 никотиновой кислотой привела к появлению измененных растений определенного фенотипа, отличающихся от исходного сорта по ряду признаков. Измененные растения имеют более высокую и толстую полую соломину, разросшиеся удлиненные узлы, рыхлый длинный колос, болшие по площади интенсивно опушенные сизо-зеленные листья. Генотроф-1 индуцированный никотиновой кислотой, характеризуется повышенной жизнеспособностью, большей, по сравнению с исходным сортом, устойчивостью к экстремальным воздействиям окружающей среды [49]
Линии Велютинум-2401 и Лютесценс-19001 создана в результате циклических и диаллельных скрещиваний генотрофов, индуцированных пиридинкарбоновыми кислотами, с районированными сортами и образцами мировой коллекции ВИР в лаборатории роста и устойчивости растений Алматинского филиала Национального Центра биотехнологии РК доктором Е.Д.Богдановой. Лютесценс-19001 и Велютинум-2401 — линии яровой пшеницы — доноры признака «густое, жесткое опушение листьев» всех ярусов, сохраняющегося на протяжении всей вегетации [50].
3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
3.1 Морфометрический анализ клеток жесткого и мягкого опушения пшеницы
Для сравнительного анализа морфологии клеток жесткого и мягкого опушения яровой пшеницы в фазе всходов были использованы парадермальные срезы листьев исследуемых объектов. Парадермальные срезы листьев помещали на предметное стекло и под световым микроскопом Axioskop 40, рассматривали при увеличении х10 строение волосков.
Как видно из рис. 2 у сорта Казахстанская-126 листовая пластинка покрыта прямостоящими и редкими короткими волосками. Длинные волоски у сорта Саратовская-29 (рисунок 3) по сравнению с другими сортами и линиями расположены очень густо и изогнуты в разном направлении. У линии Генотроф-1 (рисунок 4) листовая пластинка покрыта длинными и тонкими волосками. У линии Велютинум-2401 (рисунок 5) прямостоящие волоски расположены с чередованием коротких и длинных расширенных в основании. Густо расположенные волоски у линии Лютесценс-19001 (рисунок 6) по сравнении с другми сортами и линиями слегка изогнутые и длинные.
Рисунок 2 – Казахстанская-126. Листовая пластинка покрыта прямостоящими, редкими короткими волосками
Рисунок 3 – Саратовская-29. Густо расположенные, длинные волоски, изогнутые в разном направлении
Рисунок 4 – Генотроф-1. Листовая пластинка покрыта длинными и тонкими волосками
Рисунок 5 – Велютинум-2401. Прямостоящие волоски расширенные в основание, расположенны с чередованием коротких и длинных.
Рисунок 6 – Лютесценс-19001. Густо расположенные, длинные волоски
3.2 Физиологические особенности поляризованных клеток листовой пластинки пшеницы
Проведен сравнителный анализ размеров клеток опушения на протяжении всего онтогенетического процесса (рисунок 7) показывает, что в ранних фазах клетки жесткого опушения растут гораздо интенсивнее, чем аналогичные клетки мягкого типа. Например, степень растяжения трихом между фазами всходов и кущения у форм с жестким опушением (25-39%) оказалось гораздо выше значения, характерного для удлинения клеток у сорта с мягким опушением (Саратовская-29, 22,5%). Жесткие клетки, в отличие от трихом из листьев с мягким опушением, практически не редуцируются на протяжении всего онтогенеза, включая фазу восковой спелости.
Рисунок 7 –. Длина поляризованных клеток в процессе онтогенеза
Всходы – при развертывании первого настоящего листа, выходящего из колеоптиле; фаза третьего листа — при развертывании третьего листа основного побега;
Кущение – обычно отмечается в тот момент, когда верхушки первых, свернутых в трубочку листочков боковых побегов появятся из влагалищ листьев; при благоприятных условиях пшеница начинает куститься через некоторое время после образования третьего листа на основном, первом побеге;
Трубкование – период начала роста стебля, характеризующийся удлинением нижнего междоузлия, расположенного над узлом кущения;
Колошение – обычно отмечается, когда колос пшеницы наполовину выдвинулся из влагалища верхнего листа;
Цветение – определяется момент созревания пыльников у цветков средних колосков колоса;
Молочная спелость – наступает тогда, когда зерно в средней части колоса достигает почти нормальной длины, заполняя всю внутреннюю часть между веточными чешуями;
Восковая спелость – наступает тогда, когда зерно теряет зеленую окраску и становться желтым по всей поверхности, за исключением складки на брюшной стороне.
Картина плотностного распределения изучаемых клеток жесткого типа показывает, что плотность жестких трихом меньше плотности аналогичных полярных клеток из листьев с мягким опушением. Предполагается, что это связано с более высокой эффективностью защитных физиологических механизмов, регулируемых индивидуальными клетками жесткого опушения, по сравнению с активностью мягких трихом. Результаты анализа плотности трихом на обеих сторонах листовой пластинки (количество клеток на 1 мм2) показаны на рисунках 8 и 9. Из них следует, что в процессе онтогенеза плотность опушения жестких трихом уменьшается в 2-3 раза, в то время как плотность распределения мягких клеток опушения падает в 3-4 раза. Ясно, что если в первом случае (жесткие трихомы) процесс уменьшения плотности клеток происходит относительно плавно, то во втором случае (мягкие трихомы) этот же процесс протекает динамично, в особенности до наступления фаз трубкования и колошения.
Рисунок 8 – Плотность поляризованных клеток на верхней (адаксиальной) стороне листовой пластинки
Рисунок 9 – Плотность поляризованных клеток на нижней (абаксиальной) стороне листовой пластинки
Перспективные линии с характерным жестким опушением, и отработка новых способов фиксации и регистрации полярных клеток листа и позволили установить характерную динамику и гетерогенность распределения трихом на листовой пластинке.
3.3 Параметрический анализ ядер из клеток мягкого и жесткого опушения
Проведено сравнительное изучение ядер в клетках, формирующих мягкое и жесткое опушение в процессе онтогенеза пшеницы.
Результатами иследований установлено, что в фазе всходов в клетках жесткого опушения (Велютинум-2401 и Лютесценс-19001) отмечается значительное увеличение ядер по сравнению с неопушенным контролем (Казахстанская-126) и контролями мягкого опушения (Саратовская-29 и Генотроф-1) (рисунок 10). Если при переходе от фазы всходов к фазе кущения площадь ядра у контроля без опушения уменьшается на 14,0%, а у контрольных образцов с мягким опушением – примерно на 21,5%, то у форм с жестким опушением сокращение площади ядер составляет около 32,8%.
Рисунок 10 – Сравнительный анализ площади ядер (в кв. мкм) для клеток жесткого и мягкого опушения листовой пластинки пшеницы
Параметрический анализ ядер из клеток опушения в двух первых фазах онтогенеза всходы и кущения косвенно показывает, что максимальная ядерная активность в этих клетках приходится на фазу всходов. При дальнейшем переходе из фазы кущения в фазу трубкования сокращение ядерной площади у клеток мягкого опушения составляет в среднем 17, 6%, а у образцов с жестким опушением – 16,4%. В фазе трубкования динамика изменения ядер в клетках жесткого и мягкого опушения становится практически одинаковой.
В последующих фазах онтогенеза (колошение, цветение, молочная спелость и восковая спелость) ядра в клетках мягкого и жесткого опушения начинают редуцироваться. Данное явление предположительно обусловлено тем, что в ходе онтогенеза содержимое цитоплазмы этих клеток отмирает, тогда как их клеточные оболочки сохраняются. Нередко запрограммированная гибель цитоплазматических компонентов клеток опушения начинается даже до окончания процесса разрастания листовой пластинки как несущего органа этих клеток.
В фазе всходов ядра клеток жесткого опушения располагаются преимущественно в дистальной части отростка (рисунок 11). Эти клетки имеют вытянутую, ланцетовидную форму, в отличие от ядер клеток неопушенного контроля и клеток мягкого опушения, сосредоточенных в основании отростка и имеющих округлую форму. Дистальная локализация и удлиненность ядер из клеток жесткого опушения, возможно, позволяют данным клеткам эффективно функционировать в условиях раннего воздействия стрессоров.
а
б в
г д
Рисунок 11 – Микрофотография ядер в клетках опушения листьев с различной интенсивностью и типом опушения (увеличение микроскопа х10) в фазе всходов у растений, выращенных в полевых условиях;
а — Казахстанская-126; б — Саратовская-29; в — Генотроф-1; г — Велютинум-2401; д — Лютесценс-19001.
Из полученных данных вытекает бимодальность поведения жестких клеток опушения, ядра этих клеток наиболее интенсивно сокращаются в начальный период онтогенеза и стабилизируются по мере перехода форм-носителей данного типа опушения в фазу трубкования. В то же время ядра клеток мягкого опушения, уменьшаются при онтогенезе более равномерно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
— По результатам сравнительного морфометрического анализа клеток описаны несколько типов опушения листовой пластинки пшеницы ;
— Установлено, что характер роста, развития и дифференциации клеток жесткого опушения листа существенно отличается от клеток опушения мягкого типа;
— Показано, что плотность жестких клеток опушения ниже плотности аналогичных клеток из листьев с мягким опушением;
— Определено, что клетки жесткого опушения характеризует увеличенное ядро с максимальной площадью, приходящейся на фазу всходов. Ядра клеток жесткого опушения в этот период имеют удлиненную форму и дистальную локализацию в поляризованной клетке. Напротив, ядра из клеток мягкого опушения отличаются сферической формой и базальной локализацией в клетке.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Т.А. Пшеничникова, О.Г. Смирнова. Институт цитологии и генетики СО РАН и Международные научные программы по генетике пшеницы Вестник ВОГиС, 2006г., Том 10, № 1, С. 205.
2 Можаева К.А., Васильева Т.Я., Кастальева Т.Б. О пораженности селекционных посевов яровых зерновых вирусом желтой карликовости ячменя (ВЖКЯ) // Селекция и семеноводство. 1997г., № 1. С. 21.
3.Callow JA (ed.) (2000). Plant Trichomes, Adv. Bot. Res, v. 31, 450 p. Harcourt Publishers.
4 Айташева З.Г., Калимагамбетов А.М., Богданова Е.Д., Полимбетова Ф.А. Теоретические основы и методы изучения трихом пшеницы // Биотехнология. Теория и практика. – 2004. — № 3. – С. 28-31.
5 Мирославов Е.А. Структура и функция эпидермиса листа покрытосеменных растений. Ленинград. 1974г. С.63-93.15
6 Федоров Ал. А., Кирпичников М.Э., Артюшенко З.Т. Атлас по описательной морфологии высших растений. Лист. М. – Л. 1956. С.78-93.
7 Uphof J.C.T., K. Hummel., 1962. Plant hairs. Berlin – Nikolassee.: 385-402.
8 RoelofsenP.A., Houwink. 1953. Architecture and groth of the primary cell wall in some plant hairs and in the phycomyces sporangiophore. Acta bot. Neeri., 2(2): P. 218-225.
9 Левина Р.Е. Способы распространения плода и семян. Москва, 1957 г. С.125-128.
10 Берг Р.Л. Стандартизирующий отбор в эволюции цветка. Бот. журн., 1956г. 41, 3: С.318-334.
11 Meidner H. Measurements of water intake from the atmosphere by leaves. New Phytol. 1954. 53, 3: P.423-426.
12 Александров В.Г., Савченко М.И. Об ослизняющихся клетках на семенках сложноцветных. Сов.бот., 1947. 15, 3: С. 133-144.
13 Pearman G.I. 1966. Thereflectionof visible radiation from leaves of some Western Australian species. Austr. J. Biol. Sci., 19, 1 : 97-103.
14 Wuenscher J.E. 1970. The effect of leaf hairs of Verbascum thapsus on leaf energy exchange. New Phytol., 69, 1 : 65-73
15 Gausman H.W., R. Cardenas. 1969. Effect of leaf pubescence of Gynura aurantiaca onlight reflectance. Bot. Gaz., 130, 3 : 158-162.
16 Wolpert A. 1962. Heat transfer analysis of factors affecting plant leaf temperature. Significance of leaf hair. Plant Physiol., 37, 2 : 113-119.
17 Шенников А.П. 1950. Экология растений. М.
18 Мирославов Е.А. 1965б. О структурных механизмах регулирования водного режима у ксерофитов. В книге: Проблемы современной ботаники,2. М. – Л. :85 — 88
19 Мирославов Е.А. 1965а.Некоторыеанатома-физиологические особенности трихом цветка семейства Норичниковых в связи с выполнениями ими функциями. В книге: Морфология цветка и репродуктивный процесс у покрытосеменных растений. М. – Л.
20 Christenson A.K.,D.W. Fawcett. 1966. The fine structure of the testicular interstitial cells in mice. Amer. J. Anat., 118: 551-572
21 Васильев А.Е. 1970. Ультраструктура стигматоидных клеток Lilium. Физиол. раст.,17, 6: 1240-1248.
22 Чайлахян М.Х., 1970. Гормоны цветения растений. Бот. журн.,55.7:927-929
23 Haberlandt G. 1928.Zur Entwicklungsphysiologie des Periderms. Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss.,23: 317-338
24 Lier F.G., 1955. Tge origin and development of cork cambium cells in the stem of Pelargonium hortorum. Amer. J. Bot., 42, 10: 929-936
25 Bigot C. 1970. Position privilegree des noyaux des cellules epidermiques donnant naissance aux bourgeons epiphylles dlun clone de Begonta rer Putz.Observations surles proteines basiques an nivean de Vepiderme. C. R. Acad. Scl.,D271,17: 1526-1529
26 Александров В.Г., А. В. Добротворская. 1965. О роли волосков в развитии цветка. В кн.: Морфология цветка и репродуктивный процесс у покрытосеменных растений. М. – Л.: 7-17.
27 Ricardo M. J. Jr., M.R. Alvarez. 1971. Ultrastructural changes associated with utilization of metabolite reserves and trichome differentation in the protocorm of Vanda. Amer. J. Bot., 58, 3: 229-238.
28 Шулембаева К.К., Есырева Е.Д. Изучение генетики признака опушения листьев пшеницы. Вестник КазНУ, сер. биол., № 2 (20), 2003г.,С. 53-57.
29 Удольская Н.Л. « Селекция яровой пшеницы» 7-е Всесоюзное совещание по иммунитету сельскохозяйственных растений к болезням и вредителям. Алма-Ата, Казгосидат, 1961г., С. 37-39.
30 Schilinger J.A. « Leaf pubescence of field grown Wheat: a deferent to oviposition Bythe cereal leaf beetle». Y. environm, Oual, 1973, V2, N3, P.333-334.
- Kare Ringland, Ewerson,, deaf pubescence in common Wheat (aestiwum Z) and resistance fo cereal leaf beetle ( Oulema melanopus L.) Crop Science 1969, № 6, Р.705-710.
32 Чесноков П.Г. «Теоретические основы выяснений природы устойчивости сельскохозяйственных растений к вредителям». Тр. По прикладной ботанике, генетике селекции, 1970г., т.43, выпуск 3, C. 3-12.
33 Шапиро И.Д. Основные этапы исследовний иммунитета растений к вредителям. Тр. НИИ защиты растений. Вып.37, Л., 1973г.
34 Гуслиц И.С. « Об устойчивости озимых пшениц к красногрудой пьявице». Новосибирск, 1981г.
35 Сулейменов Б.М. « Об устойчивости посевов яровой пшеницы к хлебной пьявице» , Тезисы IY республиканской конференции « Физиология – основа повышения продуктивности и устойчивости зерновых культур». Алма-Ата, 1980г., С. 193-197.
36 Тимирязев К.А. « Борьба растений с засухой» Изб. Сочинения, т.2 , Саратовская обл. Упр. Издательство и полиграфии, 1948г.
37 Чесноков П.Г. «Теоретические основы выяснений природы устойчивости сельскохозяйственных растений к вредителям». Тр. По прикладной ботанике, генетике селекции, 1970г., т.43, выпуск 3, C. 3-12.
38 Дорофеев В.Ф. « Пшеницы мира», Л., « Колос», 1976г., C.25-26.
39 .Максимов Н.А. «Физиология устойчивости культурных растений» т. 64, Выпуск 3, Л: (ВИР), 1976г.
40 Пайнер Р. « Устойчивость растений к насекомым «. М. 1953г., C. 301.
41 Дорофеев В.Ф. « Засухоустойчивые пшеницы», Л: (ВИР), 1974г., C. 53.
42 Leisle D. «Genetics of lead pubescence in Wheat» Crop Science, 1974, V14, №2 , P.37
43 Вавилов Н.И. « Генетика и селекция». М., 1966г., C. 66.
44 Осмоловский Г.Е.., Бондаренко Н.В. « Этомология»., Л., « Колос», 1980г., C. 26, 28-30.
45 Поспелов М.В.., Арсеньева М.В. , Груздев Г.С. « Защита растений», «Колос», 1979г. C. 108-109.
46 Якубцинер М.М. и др. « Культурная флора СССР», Л., 1979г., C. 18-21.
47 И. Сулейменов. Культура пшеницы в Казахстане. Издание второе, переработанное и дополненное. Алма-Ата 1957г., С.104-118.
48 А.И.Бараев. Яровая пшеница. Москва «Колос» 1978г., С.27, 52-67. 124-125
49 Е.Д. Богданова Морфогенетическая изменчивость пшеницы, индуцированная никотиновой кислотой. «Наука» Казахской ССР Алма-Ата. 1984г. С.19-32
50 Богданова Е.Д. Генетическая коллекция яровой и озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) // Агромеридиан, №1(2). – Алматы. – С.60-63.
РЕЗЮМЕ
При сравнительном изучении двух типов опушения листовой пластинки пшеницы, установлено, что характер роста, развития и дифференциации жестких трихом существенно отличается от опушения более известного мягкого типа.
ТҮЙІН
SUMMARY
