Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биология и экология рода Gentiana L.

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Биология и экология рода Gentiana L."

На правах рукописи

Сунь Янь

БИОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ РОДА GENTIANA Ь. (ПРИМОРСКИЙ КРАЙ)

03.00.16 - экология 03.00.05 - ботаника

(7 АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук Г11

- 5 Д

О

Владивосток - 2008

003456003

Работа выполнена на кафедре общей экологии Дальневосточного государственного университета

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Христофорова Надежда Констаятнновпа;

кандидат биологических наук, доцент Царенко Наталья Альбертовна

Официальные оппонепты: доктор биологических наук,

старший научный сотрудник Храпке Ольга Внкторовпа

доктор биологических наук, старший научный сотрудник Селедец Виталий Павлович

Ведущая организация: Биолого-почвенный институт ДВО РАН,

г. Владивосток

Защита состоится 20 декабря 2008 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.056.02 при Дальневосточном государственном университете по адресу: 690950, г. Владивосток, ул. Октябрьская, 27, ауд. 435.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 690950, г. Владивосток, ул. Октябрьская, 27, ауд. 417, кафедра общей экологии.

Факс: (4232) 45-94-09

Е-гааИ: 1паппеесо1оау@,mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета.

Автореферат разослан « 19 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук ' Ю.А. Галышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту альность темы

В настоящее время на земном шаре в качестве лекарственных растений используются около 21 тыс. видов. Наиболее обширная группа лекарственных растений применяется в китайской народной медицине - не менее 2000 видов (Яковлев, Блинова, 2004). Однако из-за активного сбора природного сырья в последние годы наблюдается снижение численности ценопопуляций или почти полное уничтожение некоторых видов лекарственных растений. Кроме того, дикорастущие растения подвергаются воздействию различных неблагоприятных факторов, что ставит на повестку дня задачу введения их в культуру для повышения производительности и качества сырья (Чэнь Сннфу п др., 2000).

Особые климатические условия, характер почв Дальнего Востока способствуют произрастанию здесь многих лекарственных растений. Во флоре российского Дальнего Востока насчитывается 4113 видов растений (Кожевников, Пробатова, 2002), однако в официальной медицине используется лишь 1,5%. В Приморском крае для медицинского использования разрешено Минздравом России всего 77 видов растений (Степанова, 1997).

По количеству видов, используемых во всех разделах медицины, выделяется семейство Gentianaceae Juss. Особый интерес представляют виды рода Gentiana L., используемые в официальной и восточной медицинах в качестве основных источников глшеозида генцио-пикрина. В медицине используются корневища горечавок.

Однако в последние годы из-за интенсивного освоения лесных угодий, распашки лугов, увеличения площадей под пастбища и сенокосы и т. д. наблюдается сокращение численности популяций горечавок. Наиболее широко используемые виды G. scabra и G. triflora, включенные в «Красную книгу» Китая (Чжан Эньди, Чжэн Ханьчэнь, 2002), в России до сих пор ещё не охраняются.

Специальные исследования горечавковых Дальнего Востока начаты сравнительно недавно, и поэтому литературные сведения о большинстве видов являются разрозненными и неполными.

Цель и задачи исследования:

Цель работы - изучить особенности биологии и экологии видов рода Gentiana L., произрастающих в Приморском крае, и оценить целесообразность введения их в культуру.

В соответствии с поставленной целью предстояло решить следующие задачи:

1. Проанализировать состояние шученности биологических и химических особенностей видов рода Gentiana, выделив обитателей Приморского края.

2. Изучить микроструктуру поверхности семян для идентификации видов и уточнения систематических, особенностей.

3. Изучить биологию семян и условия их прорастания для ряда видов горечавок.

4. Изучить биологию цветения и опыления горечавок и выявить основных опылителей.

5. Уточнить число хромосом у наиболее массовых видов для возможного проведения гибридизации.

6. Изучить морфологические и биологические особенности подземных частей горечавок.

7. Изучить динамику накопления биологически активных и запасных веществ в различных органах растений.

Научная новизна

Изучение условий прорастания семян горечавок показало, что среди них главными являются тепло (+25°С), свет и обработка раствором гиббереллина (100-150 мкг/мл).

Выявлено, что при прорастании семян горечавок у проростка на границе гипокотидя и корешка образуется кольцеобразное утолщение с сосущими волосками, такое же, как у водных растений, что может свидетельствовать о близости происхождения горечавок и водных растений. Это предположение усиливается наблюдением за развитием проростков горечавок, нуждающихся в избыточном количестве влаги.

Герметизация и хранение на холоду семян горечавок удлиняют срок их всхожести с одного (в обычных условиях) до семи лет.

Детальное изучение биологии цветения и опыления ряда видов горечавок, произрастающих в Приморском крае, позволило выявить, что главный способ опыления цветков -энтомофилия, при этом основными насекомыми-опылителями являются шмели. Установлен дополнительный тип опыления - автогамия, реализация которого проявляется в экстремать-ных погодных условиях и при малой активности опылителей.

Анатомическое изучение корневищ показало, что 2/3 их объема занято паренхимой флоэмы, что позволяет рассматривать ее как основное депо запасных веществ.

Практическое значение работы

Сравнение биологических особенностей растений горечавок в природе и культуре показало целесообразность их культивирования: отсутствие конкуренции с другими видам и необходимости добывать влагу из глубоких слоев почвы способствуют формированию коротких, массивных, хорошо разветвленных, легко регенерируемых, не глубоко расположенных корневищ.

Изучение динамики накопления генциопикрина, растворимых Сахаров в подземных частях растений и нарастания корневищ позволило установить оптимальные сроки сбора ле-

царственного сырья; у Gentiana scabra сборы подземных частей растений необходимо проводить весной - в начале лета (когда рост надземной части только начинается) и в октябре, у G. triflora - в конце второй декады июня и в конце второй декады октября.

Горечавки, произрастающие в Приморском крае, отличаются высоким содержанием генциопшсрша в подземных частях (выше 5%), что повышает их фармакологические свойства как лекарственного сырья по сравнению с видами, произрастающими в Китае.

Результаты исследования могут быть использованы для разработки рекомендаций по организации контроля, охраны и рационального использования видов рода Gentiana.

Защищаемые положения

1. Сходство начальных этапов онтогенеза горечавок с таковыми у водных растений, а именно, наличие «кольца» и всасывающих гипокотнльных волосков позволяет полагать, что горечавки в начале своей истории имели водных предков.

2. По трем важнейшим показателям: содержанию генцпопшсрина в растениях, коэффициенту усушки и количеству растворимого сахара определены оптимальные сроки сбора лекарственного сырья на юге Приморского края у двух массовых видов горечавок - Gentiana scabra и Gentiana triflora, относящиеся к началу-середине октября. В связи с созданием оптимальных условий при выращивании горечавок в культуре, получением массивных, неглубоко расположенных, способных к регенерации корневищ, более целесообразно получать лекарственное сырье не из диких, а го культивируемых растений.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на Научно-практической конференции «Биоморфологические исследования в современной ботанике» БСИ ДВО РАН (Владивосток, 18-21 сентября 2007 г.), на семинаре «Структурная организация растений», г. Владивосток, 6-9 октября 2008 г. БИС ДВО РАН», на семинарах кафедры общей экологии, а также ботаники и экологии растений ДВГУ.

Публикации

По теме диссертаций опубликовано 6 печатных работ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 145 источников, в том числе 56 русскоязычных, 28 англоязычных и 61 китайский, и 6 приложений. Работа изложена на 125 страницах, иллюстрирована 32 рисунками и 14 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние изученности видов рода Genliana L. (обзор литературы)

В главе рассматривается состояние изученности видов рода Gentium, в частности, их биология, экология, химический состав, использование в медицине, культивирование. В Приморском крае из 8 видов горечавок наиболее распространенными являются Genliana scabra и G. triflora. При анализе литературы этим видам уделено наибольшее внимание.

Глава 2. Объекты, методы исследования и условия произрастания горечавок в Приморье

Материалом для работы послужили 8 видов горечавок, произрастающих в Приморском крае: Gmtiana scabra Bunge, G. triflora Pall., G. algida Pall., G. glauca Pall., G. macrophylla Pall., G. jamesii Hemsl., G. squarrosa Ledeb. и G. zollingeri Favvc. (Харкевич, 1995). Для опытных исследований растения G. scabra, G. triflora и G. macrophylla пересаживали из дикой природы на территорию Ботанического сада-института (БСИ) ДВО РАН.

Наблюдения за развитием подземных и надземных органов горечавок, за изменением содержания в них биологически активных веществ и Сахаров, за прорастанием семян и влияющими на него экологическими факторами проводами на экспериментальном участке БСИ и в окрестностях г. Владивостока.

Хранение и изучение биологии семян. С 2001 г. каждую осень собирали семена различных видов горечавок, высушивали их, помещали в пластиковые пакеты и герметизировали. Одну часть семян хранили в холодильнике при температуре: -10~-15°С, другую - при температуре и 0~5°С. Весной 2008 г. провели опыты по прорастанию семян.

В чашки Петри диаметром 90 мм, помещали два слоя фильтровальной бумаги, смоченной водой объемом 10 мл, и укладывали по 50 зрелых семян в каждую чашку. Затем переносили чашки в термокамеры с температурой 0, 5,15,25, 35°С. Сохраняя влажность в чашках Петри, ежедневно наблюдали за прорастанием семян. Повторность опытов - трехкратная. Появление зародышевого корня длииой 1 мм рассматривали как пршнах прорастания семян. Всхожесть за десять дней рассматривали как тенденцию к прорастанию; всхожесть за пятнадцать дней - как прорастание семян.

Тенденция прорастания (%)

Число проросших семян в указанный день

X 100%

Сумма опытных семян

Всхожесть (%)

Сумма проросших семян

X 100%

Сумма опытных семян

Подвергали семена двум обработкам: светом и темнотой, внося по 50 зрелых семян в каждую чашку. Затем чашки Петри помещали в термокамеру с температурой 25±1°С. Поддерживая влажность в чашках, ежедневно наблюдали за прорастанием семян. Повторность - трехкратная.

В ходе прорастания семян описывали процесс развития от семени до проростка п регулярно собирали материал для анатомического изучения подземной части растений.

Действие гиббереллииа на прорастание семян. Гиббереллин брали в концентрации 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300,400, 500 мкг/мл. Семена замачивали на 24 ч, затем промывали их в воде 3-5 раз. В чашки Петри помещали два слоя фильтровальной бумага, смачивали водой объемом 10 мл и укладывали по 50 зрелых семян в каждую чашку. Затем помещали чашки в термокамеру с температурой 25±1°С. Поддерживая влажность в чашках, также ежедневно наблюдали за прорастанием семян, отмечая появление зародышевого корня длиной 1 мм, количество всходов за тать и за 10 дней, Повторность - трехкратная.

Морфологическое изучение пыльцевых зерен и семян, а также анатомическое изучение подземных органов горечавок проводили по общепринятым методикам (Erdtman, 1969; Ли Чжели, 1987; Паушева, 1988).

Дифференциация цветочной почки. Материал для исследования собирали в мае-толе 2007 г. Каждые три дня, с 9 до 10 ч утра методом случайной выборки брали по 10 верхушечных цветочных почек, фиксировали их смесью спирта, уксусной кислоты и форманта (50-70% спирт - ледяная кислота - формалин: 90:5:5). Препараты готовили по общепринятой методике (Паушева, 1988). Постоянные препараты заливали в глицерин - желатину. Срезы делати на микротоме YD-202 (Китай). Толщина среза 10-12 мкм.

Изучение цветения, опыления и плодоношения растений. Материалом дня работы послужили растения G. scabra и G. triflora, произрастающие на приморских лугах в окрестностях г. Владивостока (бухта Лазурная) и из коллекции БСИ ДВО РАН. Для изучения отбирали по 10 растений в каждом из мест наблюдения. Фенологические наблюдения проводили в 2006-2007 гг.

В процессе наблюдения за растениями отмечали даты наступления и окончания основных фенологических фаз (бутонизация, цветение, плодоношение), изучали строение цветка, особенности его цветения.

Для выявления опылителей в период цветения, согласно методу Арроя с соавторами (Arroyo et al., 1985), проводили постоянное наблюдение за тремя растениями на каждом участке с 8:00 ч до 19:00 ч, обращая внимание на особенности поведения насекомых. Опылителей фиксировали и затем передавали в научный музей ДВГУ (г. Владивосток) для определения видового состава.

Для выявления возможных типов опыления у G. scabra в период цветения проводили следующие варианты эксперимента: а) кастрация цветков без изоляции; б) кастрация с изоляцией; в) изоляция бутонов до раскрывания венчика; г) искусственное самоопыление с изоляцией; д) искусственное опыление между разными растениями (Dafni, 1992; Ван Чжунли и др., 1997).

В момент раскрывания цветков с них собирали пыльцу для определения ее жизнеспособности. Качество пыльцы исследовали с применением метода посева пыльцы на искусственные среды (Голубинский, 1974; Hu Shi-yi, 1993). Для проращивания, согласно рекомендации Ху Шип (1993), использовали 0,5% раствор агар-агара и 10% раствор сахарозы (Hu Shi-yi, 1993).

Восприимчивость рыльца выявляли методом искусственного нанесения пыльцы на рыльце пестика с интервалом от 1 до 12 дней после кастрации цветков. Опыленные цветки изолировали бумажными пакетами. Через 30 дней проводили наблюдения за процессом образования плодов. Плодопродукшвность выражали процентом завязавшихся плодов от общего числа цветков, взятых для испытания. Завязавшиеся семена оценивали визуально и определяли долю выполненных семян по отношению к общему числу (щуплые семена не учитывали).

Способы и типы опыления выделяли согласно классификации, предложенной P.E. Левиной (1981).

Гибридизация. Эксперименты по гибридизации выполняли в 2007 г. в коллекции БСИ ДВО РАН. Проводили кастрацию цветков у ряда видов горечавок до цветения, изоляцию цветков, после раскрытия рыльца пестика проводили опыление. Осенью собирали плоды, после высушивания их взвешивали, оценивая процент полных семян (семена считаются полными, если у них виден эндосперм).

Определение числа хромосом. Для приготовления препаратов G. sacábrn и G. triflora использовали их корешки на корневище, для препаратов G. zoüingeri и G. macrophylla использовали корешки проростков, выращенных из семян в чашках Петри.

Кончики корешков предварительно обрабатывали насыщенным раствором паради-хлорбепзола в течение 4-6 ч, после этого фиксировали их в течение более 2 ч смесью спирта и уксусной кислоты (96% спирт - ледяная кислота, 3:1), с последующей промывкой и хранением в 70% спирте, окрашивали Карбол-Фуксивом и готовили давленные препараты стандартным способом (Ли Чжели, 1897).

Хромосомные числа определены на 10-15 метафазных пластинках. Гербарные экземпляры исследованных видов хранятся в гербарии ДВГУ.

Определение содержания растворимого сахара проводили по методу, изложенному в «Экспериментальном справочнике фитофизиологии» (Чжан Чжэнцин, 1985; Стое Инлун, 1999). Для определения содержания генцяопикрина использована высокоэффективная жидкостная хроматографии (ВЭЖХ).

Фотографии на сканирующем электронном микроскопе сделаны при помощи аппарата HITACHI S-520, другие выполнены фотоаппаратами Leica DMLB2.

Статическая обработка данных проведена методом вариационной статистики с использованием стандартных процедур (Лакин, 1990) и программного обеспечения EXCEL 2003.

Глава 3. Биология семян

Микроструктура поверхности семян. У изученных 8 видов рода Gentiana выделено два типа семян: крылатые (G. scabra, G. triflora, G. algida, G. glauca) (рис. 1: 1-2), и бескрылые (G. macrophylla, G. squarrosa, G. jamesii, G. zollingeri) (рис. 1: 3-4). Для всех видов горечавок характерна сетчатая скульптура поверхности семян, но размеры ячеек, их глубина и форма различны. Признаки микроструктуры поверхности семенной кожуры можно использовать как дополнительные при выделении межвидовых различий. Используя подход И. Корнера (Corner, 1976), можно считать, что в типе с крылатыми семенами эволтоционно продвинутым является вид Gentiana scabra, в типе с бескрылыми - G. squarrosa.

Рис. I. Морфология поверхности семян горечавок 1-2: Gentiana triflora; 3-4: G. zollingeri

Эмбриогенез. В зрелом семени зародыш не полностью дифференцирован на осевую часть и семядоли. Семядоли имеют вид бугорков - зародыш сердцевидный, либо семядоли составляют 30-40% от длины зародыша - зародыш торпедовидный. В связи с указанными особенностями прорастание семян затруднено, и семена прорастают не дружно.

Покой семян и влияние экологических факторов на их прорастание. Строение зародыша свидетельствует о том, что для семян характерен покой морфологического типа, обусловленный недоразвитостью зародыша.

Использование гиббереллина для предпосевной обработки семян в концентрации 100200 мкг/мл в течение 12-24 ч сокращает период покоя и увеличивает процент их всхожести. Температура (+25°С) и свет также положительно влияют на прорастание семян (табл. 1).

Таблица 1

Влияние температуры на всхожесть семян б. зсаЬга

Температура, °С

5 15 20 25 30 35

Тенденция прорастания, (%) 0 14,6 19,3 24,3 17,7 3,3

Всхожесть, (%) 6,6 35,7 46,6 52,7 36,3 29,3

Герметизация и хранение семян в условиях низкой температуры (-10~-15°С) обеспечивают длительное (до 7 лет) сохранение их всхожести.

Особенности прорастания семян. После предварительной обработки гиббереллином семена горечавок прорастают на 4-5-й день (рис. 2). На 7-8-й день растения имеют развернутые зелёные семядоли и тонкий вытянутый гипокотиль до 4 мм высотой. После того как ги-покотиль выходит за пределы семенной оболочки, на границе пшокотиля и корешка появляется утолщение в виде кольца, несущее сосущие волоски. Подобное образование характерно для водных растений. На 15-20 день развиваются первые настоящие супротивные листья. Однолетнее растение имеет побег розеточного типа, несущий 4-6 пар листьев и корневую систему стержневого типа.

Рис. 2. Всхожесть семян G. scabra и G. triflora при обработке гиббереллином (концентрация 150 мкг/мл)

Глава 4. Биология цветения и опыления

Микроструктура поверхности пыльцы. Морфометрические характеристики и микроструктура поверхности пыльцевых зерен у представителей рода Genliana видоспецифична, поэтому комплекс признаков пыльцевых зерен можно использовать для уточнения таксономической принадлежности (табл. 2).

и

Таблица 2

Морфометрическая характеристика пыльцевых зерен видов СепИапа (мкм)

Вид Полярная ось (Р) Экваториальный диаметр(Е) P/E Форма пыльцевого зерна Скульптура

x±Sx min.-max. x±Sx min.-max.

G. scabra 42,5 34,5-49,5 20,5 15,0-25,5 2,07 длинно-эллипсоидальная струйчато-ямчатая

G. triflora 39,8 31,0-43,5 19,6 15,5-24,0 2,03 длинно-эллипсоидальная струйчато-ямчатая

G. zollingeri 28,9 24,5-33,0 15,4 13,0-19,5 1,87 длинно-эллипсоидальная струйчато-ямчатая

G.macrophylla 28,8 21,5-33,5 16,8 13,5-18,0 1,71 эллипсоидальная ямчатая

G. jamesii 31,1 23,5-39,0 18,5 16,0-21,5 1,68 эллипсоидальная струйчатая

G. algida 31,2 22,5-40,0 19,6 18,0-23,5 1,64 длинно-эллипсоидальная равномерно струйчато ямчатая

G. sqmrrosa 24,5 18,5-28,0 17,2 14,5-20,0 1,42 Эллипсоидальная струйчатая с редкими ямками

G. glauca 33,6 28,5-40,0 24,3 18,5-26,5 1,38 Эллипсоидальная струйчато-ямчатая

Фенология л дннампка развития цветка

Процесс дифференциации цветочной почки. При появлении 8-9 пар супротивных листьев у & ¡саЬга начинается дифференциация цветочной почки, которая на юге Приморского края продолжается около 50 дней - с середины мая и по первую декаду июля. В процессе органогенеза выделены 5 этапов: начальный - характеризуется широкой плоской формой конуса нарастания; второй - заложение зачатков чашелистиков; третий - дифференциация зачатков лепестков; четвертый - дифференциация зачатков тычинок; пятый - дифференциация зачатка пестика.

Мы считаем, что длительная дифференциация цветочной почки связана с экологическими условиями Южного Приморья: избыточно увлажненным климатом. Весной, когда растения начинают вегетнровать, температура в дневное время невысокая, разница дневных и ночных температур небольшая, что и влияет на скорость развития цветочной почки. Для сравнения: дифференциация цветочной почки у б. татЬшса Кйа§а\уа (близкого к О. зсаЬга вида), произрастающей в окрестностях г. Харбина, продолжается 30 дней.

Фенология и дппамика раскрытия цветка. Растения горечавок начинают цвести и плодоносить на втором-третьем году жизни. В естественных популяциях многолетние растения <3. ъсаЪга формируют один стебель с 2-12 цветками. Основные этапы фенологического развития двух видов горечавок представлены в табл. 3.

Таблица 3

Фенологические периоды у G. scabra и G. triflora

Виды Начало вегетации Бутонизация Начало цветения" Массовое цветение Конец цветения Плодоношение

G. scabra 2S.4-05.5 15.7-28.7 09.9-20.9 17.9-02.10 05.10-14.10 08.10-27.10

G. triflora 15.4-20.4 06.7-19.7 30.8-06.9 05.9-18 9 20.9-01.10 28.9-15.10

У представителей рода периоды цветения и плодоношения одной особи составляют около 25-30 дней. Сроки цветения G. scabra и G. triflora в первой и второй декадах сентября совпадают (рис. 3). В случае неблагоприятных условий цветки временно закрываются, что является экологической адаптацией к факторам среды.

Рис, 3. Цветки й. .VсаЬга а - 5 пыльников прижаты к рыльцу, 6-5 пыльников частично отогнуты от рыльца, в-5 пыльников полностью отогнуты от рыльца

Биология опыления. Для горечавок характерны цветки энтомофильной организации, основными переносчиками пыльцы являются шмели. Всего выявлено 13 видов возможных агентов переноса пыльцы. Основным типом опыления цветков горечавок является ксеногамия (т.е. перекрестное опыление), которая совмещается с гейтоногамией, так как цветки в соцветии разновозрастные, соцветие длительно цветущее. Хотя энтомофилия - основной способ опыления, в экстремальных погодных условиях и при малой активности опылителей может реализоваться дополнительный тип опыления - автогамия. От цветения до созревания плода проходит приблизительно месяц. Плод - коробочка.

Глава 5. Гибридизация

Число хромосом горечавок. Для успешного проведения скрещивания и получения высокопродуктивных сортов лекарственных растений важно знать их число хромосом. В то же время в литературе указываются различные числа хромосом для некоторых видов. Так, для Сеп(1апа тасюркуНа приводятся следующие числа хромосом: 2п=24 (Красноборов, Ростовцева, 1975: Беляева, Сипливинский, 1975), 2п=26 (Пробатова, Соколовская, 1995) и даже

13

2л=42 (Волховских, 1969). В нашей работе подтверждено число хромосом у G. macrophylla (2ü=26), Gentiana scabra (2n=26), Gentiana zollingeri (2n=20) и определено y Gentiana triflora (2n=26).

Гибридизация G. triflora и G. scabra. Результативной оказалась гибридизация между G. triflora ($) и G. scabra (с?), что можно использовать для получения высокопродуктивных сортов (табл. 4).

Таблица 4

Доля выполненных семян и вес плодов, полученных после гибридизации

Сочетания Доля выполненных семян в плоде, % Коэффициент Стьюдента, t Вес плода, г Коэффициент Стьюдента, t

G. triflora ($) х G. scabra {<$) 96,3±0,59 11,15* 0,087±0,004 15,25*

G. scabra (?) x G. triflora (8) 35,2±5,45 0,018±0,001

Примечание: * разница достоверна на 95 % уровне при 1>2,1 (п=19)

Глава 6. Подземные органы: особенности строения, способность к регенерации и накоплению Сахаров и генциопикрина

Строение корневища и его способность к регенерации. На втором году развитая растений горечавок стержневая корневая система заменяется разветвленным корневищем с придаточными корнями. При выращивании горечавок в культуре увеличивается количество боковых ответвлений на корневище и их диаметр. В результате культивируемые растения превосходят дикорастущие особи по биомассе подземных частей.

Рис. 4. Поперечный срез бокового Рис. 5. Регенерация корневищ

ответвления в. всаЪга в. всаЪга при корневища искусственном

э - эпидерма; кп - коровая паренхима; удалении частей ш - флоэма; кс - ксилема: с - сердцевина

Анатомическое изучение корневища позволило представить его структуру и выявить место запасания Сахаров и биологически активных веществ. Таковым является паренхима флоэмы, занимающая 2/3 радиуса на поперечном срезе (рис. 4).

В ходе исследования установлена высокая регенерирующая способность корневищ горечавок после удаления (обрезания) большей части боковых ответвлений (рис. 5).

Накопление Сахаров и генциопикрина

Коэффициент усушки. Важной характеристикой лекарственного сырья является коэффициент усушки, который представляет собой отношение сырого веса к сухому.

Коэффициент усушки различных частей растения зависит от соотношения запасных веществ и механических тканей. Поэтому понятно, что к осени, когда в корневищах количество запасных веществ максимально, коэффициент усушки также наибольший.

Коэффициент усушки подземных органов всегда выше, чем надземных, так как запасные вещества растения накапливаются именно в этих органах (рис. 6).

40 ~ 35

!зо

« 25 м ^

£ 20 о

>» 15 о

Ё Ю

о

§ 5

Си

С 0

* ч- ^ ^ ^ ^ ^ ** ^ ^ . -

-•—Подземная часть -*—Надземная часть

Время сбора

Рис. 6. Изменение коэффициента усуыши надземных и подземных частей <3. асаЬга

Динамика содержания генциоппк-рпна. Генциошжрин относится к вторичным метаболитам, являясь биологически активным веществом. Он является главным стандартом при оценке качества лекарственного сырья (Сун Циншэн, 1986; Фармакопея КНР, 2000). Виды горечавок, произрастающие в Приморском крае, отличаются от таковых в Китае высоким содержанием генциопикрина в подземных частях растений, которое всегда превышает 5%, что значительно выше стандарта, указанного в фармакопее КНР (1%). Это, по-видимому, обусловлено климатическими особенностями юга Приморского края, в частности, влажностью климата. В сезонной динамике генциопикрина (показанной на примере б. зсаЬга) выявляются три пика: первый пик появляется в начале июня (8,76%), второй - в конце первой декады сентября (7,59%), третий - в конце октября (7,35%) (рис. 7).

Рис. 7. Среднее содержание генциопикрина в различных органах растений й. зсаЬга

Рис. 8. Динамика накопления растворимого сахара в й. ¡саЬга

Динамика накопления растворимого сахара. Растворимый сахар относится к первичным метаболитам и является запасным веществом подземной части горечавок. Как видно, в начале вегетации (май) содержание растворимого сахара высокое (рис. 8.). В начале интенсивного роста растения (июнь) происходит его перекачивание в надземну ю часть. Однако по мере повышения температуры и развития фотосинтетцческой деятельности листьев ц стеблей количество сахара в них повышается, и часть его вновь перераспределяется. Поэтому уже в начале июня содержание растворимого сахара в подземных органах постепенно увеличивается, достигая максимума (38,14%-41,11%) ко времени увядания растения.

Отношение между содержанием растворимого сахара и геициопикрииа

Содержание растворимого сахара и генциопикрина в подземных частях растений изменяются в противофазе (рис. 9). В начале вегетации количество сахара в корневищах уменьшается, поскольку он перекачивается в надземную часть растений, обеспечивая рост стебля н

листьев. Осенью в результате накопления в фотосшггезирующих частях сахар вновь перекачивается в корневища как запасный продует.

fe 30.0% S

g 15.0% О

у=4Е-06х3-0.339&+ 725.6 Г-0.6292

9.0% 8.5%

ЕЯ

а

8.0%

н

7.5%^

I

7.0%" И

6.5%! &

6.0%§ О

Времл сбора

22-4 12-5 1-6 21-6 11-7 31-7 20-8 9-9 29-9 19-10 8-11 28-11 —Растворимый сахар * Генциопшфин

Рис. 9. Отношение содержания растворимого сахара и генциопикрина в подземной части растений G. scabra

Согласно нашим исследованиям, можно рекомендовать проводить сборы подземных частей горечавок как лекарственного сырья у G. scabra весной - в начале лета (когда рост надземной части только начинается) и в октябре, у G. triflora - в конце второй декады июня (очень короткое время) и в конце второй декады октября.

ВЫВОДЫ

1. Показано, что биология и экология горечавок, произрастающих в Приморском крае, а также использование их в качестве лекарственного сырья изучены недостаточно.

2. Установлено, что скульптура поверхности семян горечавок является очень характерной и может использоваться для идентификации видов. На основании размеров семян и строения скульптуры поверхности семенной кожуры можно говорить об эволюционной продвинутое™ растений. В типе с крылатыми семенами эволюционно продвинутым является вид Gentiana scabra, в типе с бескрылыми -a Gentiana squarrosa.

3. Выявлено, что морфометрические характеристики и микроструктура поверхности пыльцевых зерен у представителей рода Gentiana видоспецифична, поэтому комплекс признаков пыльцевых зерен (форма и размеры, скульптура экзины, длина и ширина борозд, форма концов борозд) можно использовать для уточнения таксономической принадлежности.

4. Отмечено, что при прорастании семян горечавок у проростка на границе гипокотиля и корешка образуется утолщение в виде кольца с сосущими волосками, аналогичное таковому у водных растений.

5. На примере Genticina scabra установлено, что сроки дифференциации одной цветочной почки являются продолжительными (50 дней) и обусловлены климатическими особенностями Южного Приморья.

6. Для горечавок характерны цветки энтомофильной организации. Основными насекомыми-опылителями являются шмели. Энтомофилия - основной способ опыления. Дополнительным способом опыления в экстремальных погодных условиях и при малой активности опылителей может быть автогамия.

7. Подтверждено число хромосом у Gentiana scabra (2n=26), G. zollingeri (2n=20), G. macrophylla (2n=26). Впервые определено число хромосом у Gentiana triflora (2п=26). Результативной оказалась гибридизация между G. triflora (5) и G. scabra (¿J), что можно использовать для получения высокопродуктивных сортов.

8. Показано, что паренхима флоэмы занимает 2/3 радиуса на поперечном срезе корневища и служит местом запасания Сахаров и биологически активных веществ.

9. Установлено, что корневища горечавок обладают высокой регенерирующей способностью, что может использоваться для увеличения массы получаемого лекарственного сырья.

10. Выявлено, что продолжительность сохранения всхожести семян горечавок довольно коротка, при комнатной температуре она составляет только один год. При герметичном хранении и низкой температуре (-10—15°С) семена сохраняют всхожесть не менее 7 лет.

11. Найдено, что у видов горечавок, произрастающих в Приморском крае, содержание генциопикрина в подземных частях растения всегда превышает 5%, что значительно выше стандарта, указанного в фармакопее КНР (1%).

12. Показано, что динамика содержания генциопикрина и растворимого сахара в подземных частях растений находится в противофазе.

13. С учетом накопления генциопикрина в подземных частях растений и коэффициента усушки предложено проводить сборы лекарственного сырья горечавки шероховатой (G. scabra) весной - в начале лета и в октябре, горечавки трехцветковой (G. triflora) - в конце второй декады июня и в конце второй декады октября.

14. Результаты работы показывают целесообразность выращивания горечавок в культуре.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕТРАЦИИ:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах

1. Сунь Янь, C.B. Нестерова. Дифференциация цветочной почки у Genticma scabra Bunge // Вестник КрасГАУ. 2008. № 5. С. 224-227.

2. Сунь Янь, H.A. Царенко. Влияние гиббереллина на прорастание семян у двух видов горечавок Дальнего Востока России // Вестник Северо-Восточного научного центра ДВО РАН. 2008. № 4. С. 83-85.

Статьи, опубликованные в китайских журналах

3. Сунь Янь, Ван Чэнь, Лю Минюань. Особенность цветения и плодоношения Гуань-горечавок // Бюллетель исследования растений. 2003. Т. 23 № 4. С. 453-457.

4. Сунь Янь, Ван Чэнь, Лю ин, Лю Минюань. Изучение гибридизации Гуань-горечавок // Вестник Харбинского педагогического университета. 2003. Т. 19. № 5. С. 99-101.

5. Сунь Янь, Ван Чэнь, Лю Минюань. Изучение о дифференциации почки Gentiana manshurica Kitag. // Вестник Харбинского педагогического университета. 2007. Т. 23. № 3.С. 100-103.

Работа, опубликованная в материалах международной конференции

6. Сунь Янь. К изучению особенности прорастания семян Gentiana macrophylla Pal], // Материалы Междунар. Научно-практической конференции «Биоморфологические исследование в современной ботанике». (Владивосток, 18-21 сентября 2007 г.). БСИ ДВО РАН, 2007. С. 498-500.

Подписано в печать 18.11.08 г. Формат 60x90/16. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100. Заказ № 105. Отпечатано в типографии ФГУП «ТИНРО-Центр» г. Владивосток, ул. Западная, 10

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Сунь Янь

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВИДОВ РОДА СЕЫПАМА Ь.

1.1. Классификация рода СепИапа.

1.2. Биология растений.

1.3. Химический состав.

1.4. Фармакология.

1.5. Культивирование.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И УСЛОВИЯ

ПРОИЗРАСТАНИЯ ГОРЕЧАВОК В ПРИМОРЬЕ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Ботаническая характеристика и географическое распространение видов.

2.3. Методы исследования.

2.4. Природные условия в районах произрастания изучаемых видов в Приморском крае.

ГЛАВА 3. БИОЛОГИЯ СЕМЯН.

3.1. Микроструктура поверхности семян.

3.2. Эмбриогенез.

3.3. Покой семян.

3.4. Влияние экологических факторов на прорастание семян.

3.5. Особенности прорастания семян.

3.6. Хранение семян.

ГЛАВА 4. БИОЛОГИЯ ЦВЕТЕНИЯ И ОПЫЛЕНИЯ.

4.1. Микроструктура поверхности пыльцы.

4.2. Органогенез цветочной почки.

4.3. Фенология и динамика раскрытия цветка.

4.4. Особенности опыления.

ГЛАВА 5. ГИБРИДИЗАЦИЯ.

5.1. Число хромосом горечавок.

5.2. Гибридизация (7. М^ога и (7. БсаЬга.

ГЛАВА 6. ПОДЗЕМНЫЕ ОРГАНЫ: ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ, СПОСОБНОСТЬ К РЕГЕНЕРАЦИИ И НАКОПЛЕНИЮ САХАРОВ И

ГЕНЦИОПИКРИНА.

6.1. Строение корневища и его способность к регенерации.

6.2. Накопление Сахаров и генциопикрина.

6.2.1. Коэффициент усушки.

6.2.2. Динамика содержания генциопикрина.

6.2.3. Динамика накопления растворимого сахара.

6.2.4. Соотношение между содержанием растворимого сахара и генциопикрина.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Биология и экология рода Gentiana L."

Актуальность темы

Во многих древних странах или нациях в самой ранней их истории накоплен опыт использования природных ресурсов (преимущественно растительных) для лечения и сохранения здоровья. Эти ресурсы называются «национальным лекарством». Впрочем, с развитием фармации в европейской медицине «национальное лекарство» стало вытесняться и забываться. Сосед России - Китай - страна, в которой лекарственные средства народной медицины имеют давнюю историю, богатый опыт и своеобразную теоретическую систему. Горечавка относится к группе лекарственных растений китайской медицины.

В настоящее время на земном шаре в качестве лекарственных растений используются около 21 тыс. видов. Наиболее обширна группа лекарственных растений, применяемых в народной медицине, которые используются в традиционных медицинах: арабской, индийской, китайской, тибетской. Например, в тибетской медицине (в ее классическом варианте) применяют около 400 видов лекарственных растений, в китайской - не менее 2000 видов (Яковлев, Блинова, 2004).

Однако из-за активного сбора природного сырья в последние годы наблюдается снижение численности ценопопуляций или почти полное уничтожение некоторых видов лекарственных растений. Кроме того, дикорастущие растения в естественных ценозах подвергаются воздействию различных неблагоприятных факторов, что ставит на повестку дня задачу введения их в культуру для повышения производительности и качества сырья (Чэнь Синфу и др., 2000). Но культивирование часто вызывает регресс качества, загрязнение пестицидами, болезни и т. д. (Лю Ди, 1997). В то же время из-за того, что лекарственные растения происходят из районов с различным климатом и почвой, уровень содержания активных веществ и их качество оказываются неодинаковыми. Эти проблемы серьёзно влияют на производство сырья. Поэтому повышение качества лекарственного сырья — важная задача в народной медицине XXI века.

На Дальнем Востоке России флора имеет сложный состав, растительность представлена тайгой, лугами и болотами. Особые климатические условия, характер почв Дальнего Востока способствуют произрастанию здесь многих лекарственных растений. Во флоре российского Дальнего Востока насчитывается 4113 видов растений (аборигенные и адвентивные) из 939 родов и 158 семейств, а также 65 видов культурных растений из 23 родов (Кожевников, Пробатова, 2002). При богатстве и разнообразии дальневосточной флоры использование ее видового состава в официальной медицине составляет лишь 1,5%. Например, для Приморского края известно всего 77 видов растений, разрешенных Минздравом России для медицинского использования (Степанова, 1997).

Большинство видов растений дальневосточного региона близко по химическому составу и терапевтическому действию таковым, признанным официальной медициной. Однако формально использовать такие растения можно, только доказав сходство их фармакологических свойств. Для этого необходимо детальное изучение химического состава растений и их лечебного действия. Одной из главных проблем введения растения в официальную медицину является определение его точного систематического положения, так как в литературе часто встречаются сведения, которые не всегда позволяют отнести растения к тому или иному виду.

По количеству видов, используемых во всех разделах медицины, выделяется семейство Gentianaceae Juss. Однако многие его виды изучены недостаточно. Необходимость исследования дальневосточных представителей рода Gentiana L. обусловлена использованием этой группы растений в официальной и восточной медицинах в качестве основных источников гликозида генциопикрина.

В настоящее время род Gentiana включает 362 вида (Но, Liu, 2001), на Дальнем Востоке распространено лишь 34 вида этого рода, в Приморском крае - 8 видов (Харкевич, 1995; Лавренов, Лавренова, 1999), в их числе G. scabra Bunge, G. triflora Pall,, G. algida Pall, и G. macrophylla Pall. Они высоко ценятся как лекарственное сырье (Хапкин и др., 1989; Минаева, 1991, Фармакопея КНР, 2000, 2005). В медицине всегда использовались корни и корневища горечавок. G. scabra и G. triflora обильны на Дальнем Востоке, но в последние годы из-за интенсивного освоения лесных угодий, распашки лугов, увеличения площадей под пастбища и сенокосы и т. д. наблюдается тенденция сокращения численности популяций видов. G. scabra и G. triflora из-за чрезмерного сбора в Китае в 80-е годы XX века были включены в «Красную книгу» как растения охраняемые государством (Чжан Эньди, Чжэн Ханьчэнь, 2002). Однако в России эти два вида до сих пор ещё не охраняются.

Специальные исследования горечавковых Дальнего Востока начаты i сравнительно недавно, и поэтому литературные сведения о большинстве видов являются разрозненными и неполными.

Цель и задачи исследования:

Цель работы - изучить особенности биологии и экологии видов рода Gentiana L., произрастающих в Приморском крае, и оценить целесообразность введения их в культуру.

В соответствии с поставленной целью предстояло решить следующие задачи:

1. Проанализировать состояние изученности биологических и химических особенностей видов рода Gentiana, выделив обитателей Приморского края.

2. Изучить микроструктуру поверхности семян для идентификации видов и уточнения систематических особенностей.

3. Изучить биологию семян и условия их прорастания для ряда видов горечавок.

4. Изучить биологию цветения и опыления горечавок и выявить основных опылителей.

5. Уточнить число хромосом у наиболее массовых видов для возможного проведения гибридизации.

6. Изучить морфологические и биологические особенности подземных частей горечавок.

7. Изучить динамику накопления биологически активных и запасных веществ в различных органах растений.

Научная новизна

Изучение условий прорастания семян горечавок показало, что среди них главными являются тепло (+25 °С), свет и обработка раствором гиббереллина (100-150 мкг/мл).

Выявлено, что при прорастании семян горечавок у проростка на границе гипокотиля и корешка образуется кольцеобразное утолщение с сосущими волосками, такое же, как у водных растений, что может свидетельствовать о близости происхождения горечавок и водных растений. Это предположение усиливается наблюдением за развитием проростков горечавок, нуждающихся в избыточном количестве влаги.

Герметизация и хранение на холоду семян горечавок удлиняют срок их всхожести с одного (в обычных условиях) до семи лет.

Детальное изучение биологии цветения и опыления ряда видов горечавок, произрастающих в Приморском крае, позволило выявить, что главный способ опыления цветков - энтомофилия, при этом основными насекомыми-опылителями являются шмели. Установлен дополнительный тип опыления - автогамия, реализация которого проявляется в экстремальных погодных условиях и при малой активности опылителей.

Анатомическое изучение корневищ показало, что 2/3 их объема занято паренхимой флоэмы, что позволяет рассматривать ее как основное депо запасных веществ.

Практическое значение работы

Сравнение биологических особенностей растений горечавок в природе и культуре показало целесообразность их культивирования: отсутствие конкуренции с другими видами и необходимости добывать влагу из глубоких слоев почвы способствуют формированию коротких, массивных, хорошо разветвленных, легко регенерируемых, не глубоко расположенных корневищ.

Изучение динамики накопления генциопикрина, растворимых Сахаров в подземных частях растений и нарастания корневищ позволило установить оптимальные сроки сбора лекарственного сырья; у Gentianci scabra сборы подземных частей растений необходимо проводить весной - в начале лета (когда рост надземной части только начинаеся) и в октябре, у G. triflora - в конце второй декады июня и в конце второй декады октября.

Горечавки, произрастающие в Приморском крае, отличаются высоким содержанием генциопикрина в подземных частях (выше 5%), что повышает их фармакологические свойства как лекарственного сырья по сравнению с видами, произрастающими в Китае.

Результаты исследования могут быть использованы для разработки ; рекомендаций по организации контроля, охраны и рационального использования видов рода Gentiana.

Защищаемые положения

1. Сходство начальных этапов онтогенеза горечавок с таковыми у водных растений, а именно, наличие «кольца» и всасывающих гипокотильных волосков позволяет полагать, что горечавки в начале своей истории имели водных предков.

2. По трем важнейшим показателям: содержанию генциопикрина в растениях, коэффициенту усушки и количеству растворимого сахара определены оптимальные сроки сбора лекарственного сырья на юге Приморского края у двух массовых видов горечавок - Gentiana scabra и Gentiana triflora, относящиеся к началу-середине октября. В связи с созданием оптимальных условий при выращивании горечавок в культуре, получением массивных, неглубоко расположенных, способных к регенерации корневищ, более целесообразно получать лекарственное сырье не из диких, а из культивируемых растений.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на Научно-практической конференции «Биоморфологические исследования в современной ботанике» БСИ ДВО РАН (Владивосток, 18-21 сентября 2007 г.), на семинаре «Структурная организация растений», г. Владивосток, 6-9 октября 2008 г. БИС ДВО РАН», на семинарах кафедры общей экологии, а также ботаники и экологии растений ДВГУ.

Публикации

По теме диссертаций опубликовано 6 печатных работ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 145 источников, в том числе 56 русскоязычных, 28 англоязычных и 61 китайский, и 6 приложений. Работа изложена на 124 страницах, иллюстрирована 32 рисунками и 14 таблицами.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Сунь Янь

14. Результаты работы показывают целесообразность выращивания горечавок в культуре.