Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ассимиляционный аппарат хвойных при радиационном воздействии

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Ладанова, Надежда Валериановна, Сыктывкар

РОССЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ КОМИ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ

На правах рукописи УДК 582.47-145:539.16

ЛАДАНОВА НАДЕЖДА ВАЛЕРИАНОВНА

АССИМИЛЯЦИОННЫЙ АППАРАТ ХВОЙНЫХ ПРИ РАДИАЦИОННОМ

ВОЗДЕЙСТВИИ

(по материалам исследований в районе аварии на Чернобыльской АЭС)

03.00.05 - ботаника

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант-

д' Щ ^р ^А/^Д.б.н., проф. Г.М.Козубов

Сыктывкар 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................ 3

1. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ХВОЙНЫХ ................ 10

1.1. Морфолого-анатомическое строение листа

хвойных и его гистогенез...............10

1.2. Ультраструктура мезофилла, его сезонные и возрастные изменения ............... 30

2. РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. . . 60

3. МОРФОЛОГО-АНАТОМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ

ЛИСТА ХВОЙНЫХ ПРИ РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ.....83

3.1. Сосна обыкновенная ................ 102

3.2. Ель обыкновенная .................107

4. УЛЬТРАСТРУКТУРА КЛЕТОК МЕЗОФИЛЛА ПРИ

РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ..............124

4.1. Ультраструктурные перестройки в клетках мезофилла при высокой интенсивности радиационного воздействия (1986 - 1987 гг.).........125

4.2. Особенности структуры мезофилла в условиях хронического радиационного воздействия.......145

4.3. Ультраструктура клеток мезофилла семядолей проростков ели при экспериментальном облучении . . .187

5. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ ХВОЙНЫХ НА ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ...............198

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ .................. 216

ЛИТЕРАТУРА........................224

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время более 35% запаса древесины на земном шаре сосредоточено в хвойных лесах, причем около половины этого количества - в лесах нашей страны. Более 200 видов хвойных являются объектами лесного хозяйства и активно используются человеком.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. свыше 80 тысяч га лесов подверглись мощному радиактивному облучению. Лесные массивы в районе аварии на ЧАЭС представлены в основном сосновыми насаждениями (82 проц. всей лесопокрытой площади). Радиационное воздействие привело к полной гибели сосновых лесов на площади равной 600 га. Зона частичного отмирания сосны составляет 3,8 тыс.га, около 12 тыс. га сосняков относится к зоне среднего радиационного поражения (Козубов и др.,1991).

Актуальность проблемы. Широко развернувшиеся еще в конце 50-х годов радиобиологические исследования позволили установить ряд закономерностей в реакции растительных организмов и целых фито-ценозов на воздействие ионизирующего излучения. В результате воздействия радиации на растительные организмы формируются специфические последствия облучения, выражающиеся в форме мутаций, повреждений хромосомного аппарата клеток, нарушений регуляторных процессов, аномалий многих физиологических функций,в гибели клеток и тканей.

Для выяснения общих закономерностей радиобиологических эффектов у растений необходимо исследовать радиобиологические реакции у различных по таксономическому положению видов. Е.И.Преображенская (1967), изучившая радиочувствительность более 400 видов

растений установила, что более молодые в филогенетическом ряду формы устойчивее к ионизирующим излучениям, чем эволюционно более старые формы . Хвойные, относящиеся к наиболее древним семенным растениям, отличаются высокой радиочувствительностью,что приводит к массовому поражению листового аппарата даже при сравнительно небольших мощностях облучения.

Фотосинтетический аппарат является открытым по отношению к радиоактивным выпадениям и подвергаются как внешнему,так и внутреннему облучению. Необходимо учитывать, что состояние ассимиляционного аппарата во многом определяет трофику растений, их водный и газовый обмен. Степень поражения листьев обусловливает возможности репарационных процессов у облученных растений.

Необходимо отметить, что в настоящее время во всем мире растет интерес к структурам и функциям клеточных органелл, а также к субклеточным системам, как к важнейшим элементам постороения и жизнедеятельности растительных организмов. Любой процесс в живой клетке связан с ее метаболизмом, который не только определен генетически, но и зависит от различных факторов внешней среды, оказывающей влияние на свойства, функцию и структуру клеточных органелл. Однако в настоящее время работы посвященные изучению радиационного воздействия на ультраструктурную организацию фотосинтетических тканей хвойных, в литературе практически отсутствуют.

В то же время, для выяснения природы биологического действия ионизирующей радиации имеют большое значение исследования процессов, происходящих в специализированных клетках растительных организмов, т.к. именно они определяют последующую биологическую реакцию в ответ на радиационное воздействие.

Актуальность и значение радиобиологических исследований, которые в той или иной мере раскрывают механизмы действия ионизирующих излучений, будь то на уровне клеток, тканей или целого организма, является очевидной.

Цели и задачи исследования. Цель работы заключалась в установлении основных закономерностей реакции листового аппарата хвойных растений (на примере сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели обыкновенной (Picea excelsa (Lamb.)Link.) на острое и хроническое ионизирующее излучение, в выявлении характера ультраструктурных изменений клеток мезофилла хвойных в ответ на радиационный стресс. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать анатомическую и ультраструктурную организацию хвои ели и сосны в процессе их роста и развития в норме;

- дать анатомо-морфологическую характеристику облученной хвои сосны и ели;

- исследовать ультраструктурные изменения в клетках мезофилла сосны и ели при остром ионизирующем облучении;

-изучить репарационные процессы и дать ультраструктурную характеристику клеткок ассимиляционной паренхимы в условиях хронического ионизирующего облучения;

- проследить динамику формирования хвои сосны и ели при различных уровнях радиационного поражения;

- выявить основные закономерности реакции хвои сосны и ели на острое и хроническое ионизирующее излучение;

Научная новизна работы. Впервые детально прослежены процессы формирования хвои (на примере ели сибирской) на тканевом и клеточном уровнях от заложения зачатков хвои до ее опадения в норме. Впервые подробно изучена ультраструктурная организация клеток мезофилла сосны и ели при воздействии острого "ударного" ионизирующего излучения. Исследована реакция на ионизирующее излучение разновозрастной хвои сосны и ели. Выявлены репарационные

процессы в ассимиляционной паренхиме хвойных и изучена ультраструктура клеток мезофилла в период хронического облучения. Проведено экспериментальное облучение проростков ели и дана сравнительная характеристика ультраструктурной организации клеток мезофилла при разных дозах ионизирующего облучения. Показаны отличительные особенности реакции хвои сосны и ели по сравнению с другими голосеменными растениями.

Научно-практическое значение. Хвоя - это ассимилирующий орган, отличающийся по способу роста, строения и жизнедеятельности от листа покрытосеменных растений. Многолетнее существование хвои обусловливает наличие у нее ряда структурных и функциональных особенностей, связанных с прохождением жизненного цикла. Учитывая эти особенности важно выявить характер радиобиологических эффектов в клетках ассимиляционной паренхимы хвойных растений, отличающихся высокой радиочувствительностью.

Результаты работы нашли применение при выполнении комплексной программы "Лес ближней зоны" по теме: "Оценка и прогноз восстановительных процессов в хвойных лесах 30-км зоны ЧАЭС" ,частично материалы исследований были использованы при выполнении хоздоговорной темы "Оценка и прогноз пострадиационного состояния, динамики роста и продуктивности лесов 30-км зоны ЧАЭС". Полученные материалы могут служить научной основой для изучения в экспериментальных условиях особенностей реакции хвойных на радиационный стресс.

Новые данные по анатомии и ультраструктуре листового аппарата хвойных,по их изменчивости при радиационном воздействии могут использоваться при чтении курсов лекций по биологии хвойных в ВУЗах,для включения в научные сводки и учебные пособия.

Основные положения.выносимые на защиту.

1. При воздействии ионизирующего облучения в дозах не превышающих летальных, ускоряются процессы старения тканей хвои и в конечном итоге всего листового аппарата хвойных.

2. Наибольшей радиочувствительностью обладают зачатки хвои,а во взрослой хвое высокая радиочувствительность характерна для мембранных систем цитоплазмы и хроматин-белковых структур ядра.По сравнению с другими клеточными органеллами хлоропласта обладают более высокой радиоустойчивостью.

3. При облучении хвои сосны и ели дозами,не превышающими летальных, клетки мезофилла и субклеточные органеллы проявляли различную радиочувствительность.

Организация исследований. Работа выполнена в Отделе лесобио-логических проблем Севера Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. Материалы,изложенные в главе 1 получены в процессе выполения автором кандидатской работы на тему: "Возрастные и сезонные изменения структуры мезофилла Picea obovata( Ledeb.)" (Научные руководители - чл.корр.РАН Ю.В.Гамалей и ст.н.с. В.Б.Скупченко). Эти исследования выполнялись с 1980 по 1985 гг. по одному из разделов госбюджетной темы "Биоге-оценологические аспекты роста и развития сосны и ели как научная основа воспроизводства лесных ресурсов на Северо-Востоке Европейской части СССР", N Гр 01820091191 (Научные руководители -д.б.н. Г.М.Козубов, к.с.-х.н. В.Б.Ларин). Остальные материалы получены с 1986 по 1992 гг. при выполнении комплексной программы по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС по теме: "Провести комплексные исследования изменений в флоре и фауне под воздействием радиактивного загрязнения,изучить его влияние

на структуру и функцию растений и животных, на их генетический аппарат.Разработать основы экологического прогнозирования и предложений по уменьшению вредных последствий аварии на объекты растительного и животного мира ".выполняемой согласно Постановлению Совета Министров СССР N 1306-357 от 01.11.86. Научные руководители программы д. б.н. ,проф.Г.М.Козубов и к.б.н. А.И.Таска-ев.

Аппробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались на 7 Международных совещаниях (Дрезден, 1984:1988; Зеленый мыс, 1990; 1992; 1994; 1996; Минск,1995 ),на 10 Всесоюзных совещаниях и симпозиумах (Ленинград, 1984; Красноярск, 1986; Ташкент, 1987; Петрозаводск,1989; Владивосток,1990; Петрозаводск, 1992; Чернобыль,1988; 1990 ) и др.Результаты работы апробированы на заседании научного семинара лаборатории анатомии и морфологии Ботанического института им.В.Л.Комарова РАН (Санкт-Петербург,1995), а также расширенного заседания Ученого совета Института биологии Коми научного центра УрО РАН (Сыктывкар, 1996).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 3 монографических работах (из них 2 в соавторстве) и в более,чем 18 статьях как в соавторстве, так и лично автором.

Объем и структура работы.Диссертация изложена на 237 страницах машинописного текста и состоит из введения, главы об объектах и методах исследования, четырех глав полученных результатов

исследования .заключения и выводов, списка цитируемой литературы. Последний состоит из 88 работ отечественных и 48 зарубежных авторов. Иллюстративный материал включает 73 рисунка в тексте, в том числе 70 таблиц световых и электронномикроскопических фотографий. Цифровой материал сведен в 35 таблиц.

Автор считает необходимым долгом выразить свою глубокую признательность своим коллегам В.А.Артемову,C.B.Загировой,В.В.Алексееву, А.И.Патову,Е.В.Галкиной за неоценимую помощь в сборе и обработке экспериментального материала. Автор выражает большую благодарность организаторам и руководителям радиоэкологических исследований в районе аварии на Чернобыльской АЭС д. б.н.проф.Г.М.Козубову и к. б.н. А. И. Таскаеву.

1. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ХВОЙНЫХ

1.1. Морфолого-анатомическое строение листа хвойных и его

гистогенез

Хвойные - одна из наиболее распространенных групп современных голосеменных. Им принадлежит ведущая роль в формировании лесных биогеоценозов в Северном полушарии. Благодаря своим анатомическим и физиологическим особенностям хвойные распространены в широком экологическом диапазоне, в том числе в экстремальных условиях Крайнего Севера, отличающихся низкими температурами воздуха и почвы, недостатком влаги, аноксией.

Анатомическим особенностям листового аппарата хвойных посвящена обширная литература, позволяющая составить довольно полную характеристику развития и струкутры зрелого листа этой группы растений, в том числе и для рода ели - Picea . Ель занимает преобладающее положение в лесных массивах, в основном в Северных регионах Европы, Азии и Америки, где она часто образует чистые или смешаные древостой. В западных областях Европейской части России, так же как и в Средней Европе, распространена ель обыкновенная - Picea abies (синоним ели европейской - Р.excelsa) На Севере Европейской части России, начиная с Мурманской области и восточной Карелии и далее на восток, распространен и другой вид, близкий к ели обыкновенной -ель сибирская - P.obovata (Щербакова, 1973) . Во многих сводках по хвойным этот вид часто считается географической расой (подвидом ели обыкновенной). Оба вида контактируют на стыке ареалов и четких границ не имеют, с довольно широкой зоной интрогрессивной гибридиза-

ции. Генетические и экологические особенности, систематическое положение обоих видов, их распространение и особенности роста были весьма детально рассмотрены в монографии П.Ф.Правдина (1975). Вообще ель обыкновенная очень полиморфна. Так, в сводке по хвойным Клика и др. приведено описание около 100 форм ели обыкновенной, число которых за последние годы еще более возросло (Klika et al.,1953). Учитывая, что у Picea obovata и Picea exelsa анатомическое строение хвои практически одинаковое, для сравнительного гистологического анализа хвои ели мы использовали материалы по ели европейской, полученные в районе Чернобыля и данные по онтогенезу хвои ели, произрастающей в подзоне средней тайги (Чернамский лесобиологический стационар).

Как уже упоминалось выше, анатомическая структура дифференцированного листа у многих представителей хвойных изучена довольно тщательно и подробно. Однако необходимо отметить, что по ультраструктуре клеток ассимиляционной ткани, особенно в процессе роста и развития хвои, имеются лишь единичные работы, выполненные на отдельных породах (Senser,Schotz,Beck, 1975; Harris,1971). В связи с этим, в 1981-1985 гг. нами была подробно изучена анатомия и ультраструктура хвои ели, выявлены закономерности формирования листа в процессе его роста и старения, а также в сезонной динамике (Скуп-ченко,Ладанова,1984; Ладанова, 1985; Ладанова, Тужилкина,1994).

Вегетативный побег ели состоит из цилиндрического стебля и хвои, которая расположена на нем по спирали. В апикальной части побега и в пазухах хвои у ели закладываются вегетативные и генеративные почки (Скупченко, 1985). Каждая почка состоит из нескольких слоев кроющих чешуи - катафиллов, представляющих собой видоизмененные листья. Под их сводом располагается зачаток побега будущего года, на верхушке которого находится группа клеток образова-

тельной ткани - меристематический апекс. Заложение и дифференциация хвои у ели происходят в течение двух вегетационных периодов, как практически и у всех хвойных растений, однако период ее функционирования у ели отличается большой продолжительностью - до 7-10 лет и более, что, прежде всего, определяется экологическими особенностями места произрастания.

Инициация листовых зачатков на вегетативном апексе в условиях подзоны средней тайги начинается , по нашим наблюдениям, в середине вегетационного периода - во второй декаде июля. Органогенные процессы листового аппарата у ели проходят по Pinus -типу: на самых начальных этапах наблюдаются периклинальные деления в наружных слоях апекса, а затем антиклинальные деления во втором и более глубоких слоях клеток в основании инициального бугорка (рис.1а,б). Оуэне при заложении листовых примордиев дуглассии (Pseudotsuga menzissii) наблюдал в периферической зоне апекса формирование прокамбиальных пучков (Owens,1968). По данным В.Б.Скупченко (1981), в вегетативном апексе ели сибирской также выявляются прозенхимные клетки между протодермой и первичной проваскулярной тканью - прокамбием. По нашим данным, при достижении зачаточным бугорком размеров около 100 мкм, у его основания появляются удлиненные клетки прокамбия (рис.2а,б). По�