Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ФИЗИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ЗЛАКОВ

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "ФИЗИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ЗЛАКОВ"

/}-2Ш2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи БУРЕНЬ Валентин Мефодьевич

УДК.581.14.21: 633.11

ФИЗИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ЗЛАКОВ ++

Специальность 03.00.05 — ботаника, 03.00.12 — физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА- 1987

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового. Красного Знамени сельскохозяйственном институте в 1962— 1985 гг.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, про» фессор И. П. Игнатьева, доктор биологических наук, профессор В. И. Кефели, доктор биологических наук, профессор Н. Ф. Батыгин. V

Ведущее предприятие — Главный ботанический сад АН СССР (Москва).

Защита состоится «Г > ЛУЛЛЛЧН*Л . 1987 года

в «ЗШ»> час. <«Ш1>> мин. на заседании Специализированного совета Д 120.35.07 при Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К-А. Тимирязева. г

Адрес: 127550, Москва, И-550, Тимирязевская ул., 49,,сектор защиты диссертаций ТСХА. -

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА. л Автореферат разослан «¡-к . . 1987 г.

♦ Ученый секретарь Специализированного совета — А л

кандидат биологических наук, "0у\ <

доцент I/ *

М. Н. Кондратьев.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Известно, что ДНК организма заключает в себе информацию, необходимую, для онтогенеза. Однако до сих пор не удается установить последовательность процессов, лежащих на пути от матричных функций ДНК к-локальной дифференциации клеток и образованию органов. Не создана общая теория, на' основании которой .можно понять, как из делящихся дочерних клеток зиготы может сформироваться организм, в котором и дифференцированные клетки (ткани) и органы формируются упорядочение и во времени, и по месту их расположения. '♦-Основу онтогенеза составляют процессы накопления клеток, формирования из них локально расположенных тканей и органов. '"* - •' ;- .'-" ' '-. : ' .

Необходимо выяснить последовательность процессов, ведущих до 1) образования '♦- зачатков органов, 2) образования различного числа органов, 3) локальной: дифференциации клеток. Решение этих вопросов даст возможность понягь'Л как продукты физиологических процессов регулируют потенциальную и реальную продуктивность растений и совершенствовать те агротехнические приемы,; которые "обеспечат интенсивное заложение органов в нужные сроки.-' : -., -V

Цель и задачи исследований. Найти способы, которые используют растения; для перехода от процессов обмена веществ в клетках к созданию из клеток формы, у. е. образованию локально расположенных тканей и органов, стабиль-'' ных по форме. •;-.; 'Л~:' :•],,■•• :>;;:; :

Для этого: 1) установить, как формируются многослойные популяции, меристематических клеток с определенным числом клеток и их расположением, 2) изучить физиологические процессы, ведущие к локальной дифференциации клеток в плотных и многослойных популяциях, 3) изучить причины ♦образования зачатков органов зародышами и конусами нарастания, 4) с помощью различных внешних факторов (температуры, интенсивности света и азотного питания) регулиро-. вать скорость развития с целью проверить; насколько обосно-

\ •*.;:,-.-_ч£\(« 1 'У&зЧ- -•'• J ' I:::. И. А. 1к.< - •

. АЛ,атЧ!

ваны выводы по локальной дифференциации клеток и образованию органов, 5) установить, как формируется различное число органов и создается продуктивность растений, 6) свести процессы развития в единую схему, на основании которой можно судить о процессах, ведущих к локальной дифференциации клеток, образованию зачатков органов и формированию продуктивности.

Научная новизна. Установлено, что в момент, когда зародыши растений начинают формировать зачатки семядолей, они состоят из определенного числа клеток, расположенных так, что от 76 до 98% клеток вписываются в объем шара, По радиусу популяций с «критическим» числом,плотно, упакованных клеток (зародышах, конусах нарастания, "зачат-ках'колосков и др.) за счет взаимодействия между клетками возникают градиенты факторов среды—трофические, газовые, гормональные, величины рН и др. Показано, что в клетках,'; расположенных внутри популяций, усиливается активность протеолитических ферментов. Клетки локально '.'дифференцируются. Те меристематические клетки, которые- контактируют с дифференцированными, ориентированно делятся и образуют зачатки органов. ' • г"

Так в, популяциях меристематических клеток "устанавливается ..количественно-позиционный цконтроль дифференциа-ции'клёток и образования зачатков органов. Этот контроль .действует, автоматически "по мере накопления определенного .«критического» числа клеток. Его функции согласуются, с ' одной стороны, с генетическим контролем развития через активность ферментов, ас другой стороны —с гормональным, контролем, через.скорость . накопления клеток'в-попу-.ляциях?. . "

ЛУстановлено,-что примордий каждого органа состоит из строго определенного числа меристематических клеток, расположенных так, как это могут обеспечить основные-пара-. метры структур, на которых формируются примордий.

- "Внешние факторы — температуру, интенсивность света и '-азотное питание использовали для регулирования скорости

развития и контроля за формированием*; зачатков органов. .Показано, что-основные характеристики-зачатков органов — ♦ число'клеток, их расположение, локальные Лизменения в популяциях — не зависят от внешних факторов и являются выражением генетических свойств организмов, / проявляющихся 'через-числа;клеток в зачатках .и в . расположении клеток. .Азотные удобрения увеличили скорость накопления?клеток в органахи величину диаметров клеток, увеличили число аттра-. гирующих центров в надземной части растений, но почти не

- влиялигна-чнсло клеток В; зачатках?органов «и чнсло> клеток, »2 - -

приходящихся на один проводящии пучок, т. е. не нарушали

- структуру органов. Продуктивность растений формируется ♦как результат.скорости накопления клеток в органах, особен* но тех, в которых .образуется хозяйственно-ценная часть растений. '-*.*„ - ;......„/ • . ....:.'..

. : Результаты опытов-: позволили обосновать" общую схему процессов развития, которые начинаются матричными функциями ДНК в клетках, последовательно ведут к синтезу бел-"ков, в т. ч. .ферментов1,-, и синтезу других, метаболитов. За сче1 . функций метаболитов образуются клетки.,Из клеток формируются популяции,';:в>которых клетки, локально дифференцируются, и популяция образует зачатки органов. Такая схема развития предложена впервые. _::::; 1:1е ,-.':• ♦. ; • 01 ,

Положения, выносимые на защиту. ;1.; Многоклеточная структура— зародыш ;:конус*нарастания, зачаток колоска и . др. — только тогда приобретает способность локально диф-;, ференцировать клетки и формировать ;зачатки'органов, когда " количество меристематическнх клеток," образующих эту структуру, достигает.опред елейного «критического» числа. .. .-?

2. Зачаток любого" органа специфичен числом и располо-

- жением входящих в него меристематических: клеток. Эту основную характеристику зачатка обеспечивает параметр многоклеточной структуры (зародыша,"конуса'нарастания, колоска и др.) , • на'которой образуется зачаток. Механизм образования зачатка органа состоит в Т0М.У что популяция с ло-"

"кально дифференцированными клетками обеспечивает локаль-;ные и. ориентированные Лделения мернстсматическнх клеток ;./_-латеральной зоны популяции. , ,, . ий,*<- .,.».„ . "•

3. Продуктивность злаков формируется в онтогенезе как результат интенсивности накопления клеток в узлах кущения. стеблях, листьях,;колосках и других";структурах. у -

Практическая;ценность работы, реализация результатов. Установлена, последовательность- процессовгв" развитии,' начиная от функций;зиготы: и закапчивая .образованием целого : организма с локально 'расположенными" тканями,, и органами. В этой - последовательности обоснован количественно-позиционный контроль, хдифференциацни-клеток и? образования органов. Стало возможнымЛпредложить структурную едини-. :. цу донорно-акцеиторных4 связей* в р'азвивающемся растении, ц формировании им продуктивности."-уу. -.-

За единицу следуетЛпринять число клеток, способное локально: дифференцировать клетки, расположённые внутри популяции. Это наиболее постоянная, 'многократно повторяющаяся структурная единица в органе.' С одной стороны она связана с процессами обмена, дающими метаболиты для об-разовання _ клеток,*.-'с другой — локальная, дифференциация клеток до,элементов -проводящихЛтканей обеспечивает тран-

- / •

спорт веЩеств к вновь возникающим аттрагиру'ющнм цент-.рам. •

Получено авторское свидетельство на «Способ выращивания, растений» при импульсном освещении. По. методике, созданной в результате изучения развития озимой ржи, дается ранневесенний (10—15 мая) прогноз ее урожая. Изданы, и используются студентами лекция и учебное пособие но физиологии развития и формирования продуктивности злаков. По теме.защищено более 25 дипломных работ. В лекциях по развитию оказалось ВОЗМОЖНЕЛМ логически соединить синтез и функции метаболитов с образованием органов и формированием продуктивности,

Апробация работы. Результаты работы доложены: а) на Всесоюзных конференциях в Одессе (1973, 1974); Краснодаре ;(1974); Мироновке, МНИИССП (1977); Ленинграде, ВИР (1978), ВИЗР (1983), на секции.анатомии и морфологии растений, БИН, 1978; на заседании Ленинградского общества естествоиспытателей, ЛГУ (1983), на Герценовских чтениях, ЛГПИ (1983); на;кафедре физиологии растений Калининградского университета (1979); на рабочем совещании «Теоретические и математические аспекты морфогенеза», 1 АН СССР, Суздаль. (1983); на кафедре физиологии растений и кафедре ботаники ТСХЛ (1983); на Сабининских семинарах, ИФР (1984, 1985, 1986), на научных конференциях ЛСХИ .(1964—1986) 14 докладов. .-• . ' -

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в т. ч. одно авторское свидетельство, 2 методических и одно учебное пособие, одна лекция, оформлена заявка на открытие. . •

Объем работы. Диссертация изложена на"306 страницах . машинописи, включая 81 таблицу и 50 страниц занимают рисунки;. Она состоит из введения, 3 глав, обсуждения и;основ--ных выводов. Список использованной"' литературы'-включает . 484 наименования, в т. ч. 149 работ иностранных авторов.

Объектыи методы исследований. В опытах использовали: более4100 озимых, переходных (двуручек) и яровых сортов; пшеницы, .сорта озимой ржи, ячменя, кукурузы, кормовых -,-. злаковых трав, сахарного тростника и др. Растения выращивал» в -камерах искусственного климата с. регулировкойлтем-пературы.и интенсивности света, в оранжерее и на опытном ноле кафедры. Использовали также растения из посевов учебного хозяйства «Пушкинское». Культура почвенная и водная., Опыты проводили с 1962 но 1985 гг. . *

В лабораторных анализах определяли: а) плотность расположения клеток в популяциях низших-и высших растений; б) число клеток в зародышах в момент образования ими семядолей и число клеток, лежащих в объеме шара; в) число

клеток и их расположение в приморднях листьев, колосков, чешуи, тычинок и др.; г) определяли диаметры меристемати-ческих клеток и клеток паренхимы; д) распределение проводящих пучков и чисел клеток, приходящихся на 1 проводящий пучок; е) число клеток, расположенных между проводящими пучками в сформировавшихся листьях, стеблях н других органах; ж) локальность выхода- клеток из меристе-матического состояния; з) активность протеолитических ферментов (ПФ) в органах (Anson, 1938; Каверзнева, 1971) и каталазы; и) локальную активность ПФ в" клетках стеблей (Minamikawa, Koshiba, 1979); к) влияние повышенной концентрации С02 в воздухе на активность ПФ и -каталазы; л) содержание азота (Ермаков, 1972) и:белков (Lowry et al., 1951); м) фракционный' состав ДНК ! (Конарев, Тютерев, 1970) н) проростки пшеницы подкармливали раствором сахарозы (Клейн, Клейн, 1974); о) в камерах искусственного климата с помощью температуры (от 0° до 25°) и интенсивности света (от 1000 до 18000 лк) регулировали темпы образования органов; п) в естественных условиях скорость развития и число г органов регулировали - • с помощью азотных удобрений. ~ • »« • -

Число клеток в органах и их расположение определяли также на фотографиях срезов, взятых из литературных источ-. ников.

Статистическую обработку вели-по Доспехову (1968) и на микро-ЭВМ 3-21. Определяли среднюю квадратичную ошибку среднего арифметического, НСР и др. ,-*..': : ' Совместно с доц. кафедры высшей математики Г. Н. Ко-пыловым создана математическая модель локальной дифференциации клеток.

I. ОБРАЗОВАНИЕ ЗАЧАТКОВ ОРГАНОВ У ЗЛАКОВ

Причины образования органов, особенно цветков, интенсивно изучаются (Чайлахян, 1984; Бернье и др., 1985), но в онтогенезе высших растений остается во многом не выясненной последовательность процессов, ведущих к образованию зачатков органов:"|Известно, что эти процессы начинаются с матричной активности ДНК в зиготе,и ее дочерних клетках, поддерживаются г использованием 'метаболитов " первичного и промежуточного обмена веществ и заканчиваются форми-, ропанием многоклеточшлх структур — органов и целых орга- • низмов. Ведется поиск специфических морфогенов, функции которых могли бы инициировать заложение органов, но прямых результатов, свидетельствующих о наличии диффундирующих морфогенов, пока не получено. <Зачатки органов — это многоклеточные структуры с определенными параметрами, и формой. Параметр зачатка зави-

сит от числа в нем клеток, форма — от расположения клеток в зачатке. Для того, чтобы понять, почему образуются зачатки органов, надо искать причины, определяющие и параметр клеточной популяции, и ее форму (Бурень, 1984).

Зигота и ее дочерние клетки делятся и образуют зародыш. Установлено, что в зародыше клетки расположены плотно, в несколько слоев и образуют популяцию, по форме близкую к шаровидной (табл. 1).

Таблица 1. Распределение клеток в зародышах злаков при -образовании ими щитка

Вид Число клеток

зародыша дыше в объеме шара .

число %

ТгШеиш аевИтош 10 590 523 88,7

ТгШеиш ёигиш 10 589 523 88,8 '

ТгШеиш Ш^ёиш 10 586 523 ,89,1

8ееа1е еегеа1е 10 589 523 88,7

Ыогёеиш уи^аге 10 589 523 88,7

2еа шау8 10 567 523 92,2

Клетки образуют шаровидную популяцию из-за последовательной переориентации делений. Направление делений регулируется-. градиентами многих факторов, возникающих в многослойной популяции. Переориентация делений клеток заложена в формировании многослойных клеточных структур.

Из состояния, когда зародыш злаков состоит из 570— 590 клеток (табл. 1), он формирует щиток, конус нарастания, зачаток стебля и корня. Это число клеток в зародыше относительно постоянно и составляет «критическое» число.

После образования щитка зародыш формирует конус нарастания. В момент заложения конус состоит из 11 рядов клеток по диаметру, а в плоскости основания конуса это составит около 95 клеток. Для размещения зачатка конуса на поверхности зародыша должна обособиться зона с основанием в 100 клеток. Только зародыш с «критическим» числом клеток способен заложите щиток и конус нарастания.

Уже в зародыше конус нарастания пшеницы образует 3—4 листовых зачатка. После всходов, образовав еще 3—4 зачатка листьев, конус нарастания яровой пшеницы образует зачатки колосков. У двуручек после всходов конус образует 5—6 зачатков листьев и только после этого формирует зачатки колосков. Без яровизации конус нарастания озимой пшеницы образует только зачатки листьев. Яровизация в любой момент онтогенеза приведет конус к формированию ко-..

6

лосков. Что побуждает конус нарастания-формировать вначале зачатки листьев; а затем формировать зачатки колосков? Известно, что и зачатки листьев, и зачатки колосков состоят из меристематических клеток, не несущих в себе при-' знаков органоспецифичиостн. Оказалось, что число листьев на главном побеге пшеницы зависит от типа ее развития. Яровые сорта формировали 6—8 листьев, двуручки — 7—12, озимые— 7—30. После яровизации (2е)'н двуручки, и озимые образовали 7 листьев. Исследовали причины образования зачатков листьев. У озимых пшениц конус нарастания формировал зачатки листьев! имея длину (инициальное кольцо вместе с верхушкой) от 0,2 до 1,3 мм. У яровых, яровизированных озимых и двуручск уже при длине конуса 0,6 мм он прекращает формировать зачатки листьев и образует зачатки колосков. Конусы, формирующие зачатки листьев, могут отличаться но длине в 2 и более раза. Длина конуса не регулирует его переход к формированию колосков.

Зачаток листа возникает за счетпериклинальных делений плеток, расположенных в 2—3 слоях по образующей инициального кольца конуса. Измерения показали,* что диаметр верхней части инициального кольца, где формируются зачатки листьев, колеблется от 0,12 до 0,18 мм и в среднем равен 0,14 мм. Пока конус формирует зачаткй-лйстьев, его диаметр почти не изменяется. По диаметру конуса расположено 10—12 рядов меристематических клеток, каждая из которых имеет диаметр 10 мкм (табл.2).

Таблица 2. Диаметр конуса нарастания в зоне формирования зачатков листьев

развития

п 05 о «

^ э « 3

Время от всходов, сутки

5 10 "-.- 20 130

диаметр, мм число слоез клеток диаметр, мм число слоев клеток диаметр, мм число слоев клеток диаметр, мм число слоев клеток

0,16 0.12 ,0,15 0,16 0.13 0.15 10 12 . 11 12 ' 11 12 0,18 0.20 .0,16 0,18 0,18 0,19 10 12 12 12; 11 12, 0,18 0,18 11 12 0,18 11

Озимый

Переходной

Яровой

+ + . +

в инициальном кольце образует зачатки колосков. Результаты анализов показали, что зачатки колосков образует конус с диаметром 0,30—0,32 мм, и число слоев клеток по его диаметру равно 22—24 (табл.3).

Таблица 3. Диаметр конуса нарастания пшеницы в зоне заложения

колосковых примордиев

Тип развития Яровизация Время от всходов, сутки

15 20 30

диаметр, мм число слоев клеток диаметр, мм число слоев клеток диаметр, мм число слоев клеток

Озимый Переходной Яровой 4-+ 0,30 0,32 0,33 22 24 22 0,42 0,36 0.48 г 24 0,71 0,32 0,69 0,74 23

Без яровизации конус нарастания озимой пшеницы и через 130 суток не образует колосков: его диаметр за это время не достигает величины 0,30 мм (табл. 2). Эффект яровизации выражается в том, что уже через 15 суток от начала отрастания диаметр конуса увеличивается с 0,14 до 0,30 мм, и конус формирует зачатки колосков (табл. 3). У двуручек без яровизации диаметр конуса растет медленно: только на 30 сутки от всходов он имеет величину 0,32 мм, состоит, нз 23 слоев клеток, тогда как конус яровизированных двуручек уже на 15 сутки от всходов имеет диаметр 0,32 мм и 24 слоя клеток по диаметру. Конусы нарастания озимых, двуручек и яровых пшениц, имея в диаметре 0,32 мм, формируют зачатки колосков и не формируют зачатков листьев (табл. 2 и 3). Сходные результаты получили, анализируя параметры "конусов других злаков.

В диссертации на основании результатов опытов со сниженной интенсивностью света показано, что число листьев у некоторых сортов пшеницы (Диамант и др.) колебалось от 7 до 12. При интенсивности света 2000 лк яровая пшеница колосилась на ПО—115 сутки от всходов и формировала 12 листьев на главном побеге. При интенсивности света в камерах 18000 лк и в естественных условиях пшеница колосилась на 46—50 сутки от всходов и формировала 7 листьев. Контрольные растения (18000 лк) формировали зачатки листьев 13 суток, а растения при 2000 лк — 36 суток. За время формирования зачатков листьев у растений обоих вариантов диаметр конуса в зоне инициального кольца был равен 0,12— 0,15 мм. Установлено, что при 2000 лк колошение задерживалось из-за недостатка метаболитов, необходимых для образования клеток, которые и используются растениями для формирования популяций. При сниженной интенсивности света (2000 лк) удаляли главный побег у пшеницы. Боковой но-8

бег колосился на 98 сутки от появления, т. е. его срок колошения задерживалсяв 2 раза. Но, если у главного побега удаляли только колос, оставив стебель и листья, то боковой побег колосился на 48—56 сутки, т. е. в сроки, близкие к срокам колошения в естественных условиях. Боковые побеги использовали метаболиты материнских растений, лишенных аттрагирующих центров, и за счет этого ускорили формировав ние колосьев. Кроме того, растения при сниженной интенсивности света подкармливали 2% раствором сахарозы, Подкормленные растения колосились быстрее контрольных на 13 суток и формировали 8 листьев. Контрольные растения сформировали 10 листьев. Реакция растений при сниженной интенсивности света на подкормку сахарозой сходна с реакцией озимых на яровизирующую температуру: в обоих случаях сокращается срок колошения и снижается число формируемых листьев. .

Сформировав зачатки листьев, конус нарастания в инициальном кольце образует зачатки колосков также из мери-стематических клеток, как и зачатки листьев. Зачатки колосков— зачатки новых органов, генеративных; хотя построены они из одинаковых с зачатками листьев клеток.

Образование генеративных органов — цветков — в современной физиологии интенсивно исследуется. Считается, что клетки конуса нарастания, образующие зачатки колосков, вступают в фазу компетентности (?) под'действием фотопериода, яровизирующей температуры или трофических факторов. В состоянии компетентности клетки способны воспринимать гормональный стимул. Гормоны.образуются в листьях при соответствующем фотонериоде и транспортируются в апикальную меристему. Апикальная меристема в ОТЕСТ на действие гормонального стимула формирует зачатки цветков. Допускается, что под действием гормонального стимула программа вегетативного развития сменяется на генеративную программу. Но остается не ясным, что представляют собой эти программы, чем они отличаются друг от друга и как от функций продуктов реализации программы (функций белков, гормонов, морфогенов) перейти к формированию колосков.

У яровизированных, растений пшеницы 3 типов развития примордии колосков закладываются в пазухах зачатков листьев. Примордии колосков образуются из клеток, иницнали которых вошли бы в состав зачатков листьев или междоузлий, если бы конус не был яровизирован (у озимых и двуру-чек), поскольку иеяровнзпрованные растения образуют более 7 листьев. Смену программы развития в этом случае можно. истолковать как включение в митотический пул большего числа клеток инициального кольца конуса.

- Установлено, что для перехода к формированию зачатков колосков конус нарастания в зоне инициального кольца должен иметь диаметр не менее 0,30 мм (табл. 3). Для изучения темпов роста диаметра конуса пшеницы ее выращивали при интенсивности света от 2 до 18 тыс. лк и на различных фонах по содержанию азотных удобрений в почве или воде. Результаты опытов показали, что при интенсивности света 2000 лк н 18000 лк конусы пшеницы формируют зачатки колосков только тогда, когда их диаметры достигают величины 0,30 мм. Отличия между вариантами состоят только в сроках начала образования колосков: на 13 сутки — при высокой интенсивности света и на 36 — при сниженной интенсивности (2000 лк).

Сниженная температура (1 —10°) воздуха и почвы, а также раздельно только воздуха или только почвы сдерживала скорость развития яровой пшеницы в 2—5 раз, но в момент формирования колосков конусы имели диаметры не менее 0,30 мм. Можно как угодно долго сдерживать переход пшеницы к формированию колосков, но"если колоски начинают закладываться, конус будет иметь диаметр не менее 0,30 мм.

Темны роста диаметра конуса нарастания пшеницы и других злаков регулировали, внося в почву азотные удобрения по Кнопу (от 0 до 8 доз). Пшеница — длиннодневное растение. Высокие дозы азота в почве задержали ее колошение:, проявилась «азотфлоральная реакция» (Чайлахян, 1964), в наших опытах составившая 5,2—7,5 суток. Оказалось, что период образования листьев увеличился на 2,6—3,2 суток, а период формирования колосков — 3,6—4,2 суток. Период от образования примордиев тычинок до колошения длился 22— 23 суток и почти не зависел от доз вносимых азотных удобрений.

Результаты измерений диаметров конусов пшеницы (и других злаков) показали, что у растений варианта без азота уже на 10 сутки от всходов средняя часть инициального кольца конуса нарастания имела диаметр 0,32 мм, и конус формировал зачатки колосков. У растений варианта с 6 дозами азота конус имел величину диаметра 0,30 мм только на 14 сутки от всходов, и только с этого времени он формировал колосковые 'примордпи,

В опытах с озимой рожью изучали изменение диаметра конуса нарастания у растений осеннего и песеннего посевов. Озимую рожь выращивали на опытном поле кафедры в вегетационных сосудах при различных дозах азотных удобрений. Растения брали также осенью и весной из посевов учебного хозяйства института. Весной, конец апреля — начало мая, по числу заложившихся колосков н числу побегов на площади прогнозировали урожай озимой ржи.

Результаты наблюдений показали, что под зиму проростки ржи уходят, имея диаметр конуса в зоне инициального кальца 0,12—0,18 мм. Такие конусы формировали зачатки листьев. После перезимовки, имея диаметр инициального кольца 0,28—0,30 мм, конус формировал зачатки колосков.

Диаметры листообразных конусов и конусов, образующих зачатки колосков, определяли на фотографиях из литературных источников (Bonnett, 1936; Barnard, 1955; Морозова, 1963 и др.). Получили результаты, близкие нашим.

Считаем, что найдена строгая зависимость между величиной диаметра конуса нарастания и его способностью формировать зачатки листьев или зачатки колосков. Любой фактор, внешний или'.генетический, который сдержит накопление клеток в конусе, сдержит их рост (растяжение) или их дифференциацию, если он будет действовать в период образования листьев, затормозит темпы увеличения диаметра конуса и огодвинег или исключит образование колосков, хотя зачатки листьев будут формироваться.. Но как только диаметр конуса достигнет критической величины — 0,30 мм — конус начнет формировать колоски. Провели опыты с целью понять, почему конус, чтобы заложить колоски, должен иметь диаметр не менее 0,30 мм.

Зачатки листьев и зачатки колосков изучали на озимых, переходных и яровых сортах пшеницы, озимой ржи, ячмене, кукурузе, кормовых злаковых травах и др.

Конус нарастания пшеницы, имея по диаметру 12 слоев меристематическнх клеток, образует зачаток листа. Подсчет показал, что примордий листа по ширине состоит из 5—7 слоев клеток (табл.4).

Таблица 4. Расположение клеток в примордиях листьев и колосков пшеницы (число клеток)

В примордиях листьев. В примордиях колосков

Сорт по длине по ширине по длине по ширине

Ленинградка Диамант Лготесцспс 758 Двуручка 10027 Дзуручка 10043 Боровнчская Мироновская 808 48,3±0,93 47,4+1,10 48,6±1,20 46,2+0,80 47,3^:0,90 45,7+1,24 47,4 ±0,82 6,4 ±0,33 5,9±0,20 6,2±0,38 6,4±0,22 6,3 ±0,25 5,9 ±0,50 6,6±0,24 • 32,4±0,31 31,2±0,20 32.1 ±0,44 30.2 ±0,21 31,2i0,28 31,1±0,33 31,4±0,30 14,3±0,38 12,6±0,22 13,3 ±0,41 14,6±0,18 13,3±0,24 14,2±0,36 14,7 ±0,44

В межпучковых зонах это число клеток по толщине сохраняется и у взрослых листьев.

Число клеток по длине основания примордия листа определяли по формуле длины окружности - конуса в зоне ини--

1Ь-

циального кольца. Оказалось, что по длине примордии листа в момент возникновения состоит из 46—48 слоев клеток (табл .4). Это число клеток постоянно для зачатков любых листьев пшеницы и во всех исследованных условиях.

Примордии листьев пшеницы и других злаков представляют собой лентовидные популяции меристематических клеток, состоящих из 300 клеток у основания (46X7=322 клетки). Примордии. формируется за счет нериклинальных делений клеток. Вначале деления концентрируются с одной стороны конуса и быстро распространяются по окружности, охватывая конус кругом. Затем с противоположной стороны конуса 6 рядов клеток, расположенных выше основания предшествующего прнмордия, периклинально делятся и образуют новый примордии. По числу клеток и по их расположению новый примордии не отличается от ранее возникшего.

Зачатки первых колосков у пшеницы формируются в пазухах зачатков листьев, образуя двойные валики. Зачаток колоска — это не лентовидная популяция клеток. Он сходен с нолуэллипсоидом.

Колосковые примордии не охватывают конус кругом, как зачатки листьев, а расположены по образующей конуса в 2 ряда с 2 сторон и состоят из меристематических клеток, не несущих признаков органоспецнфичностн. Величина диаметров клеток зачатков колосков, как и клеток зачатков листьев, колеблется в пределах 9—11 мкм.

Результаты определений показали, что колосковые при-мордии в момент, когда они начинают формировать чешуи, состоят из 30—32 рядов клеток по длине прнмордия и 12— 15 рядов—по ширине (толщине) (табл. 4). Отношение длины прнмордия колоска к его ширине составляет величину 2,20. У зачатка листа это соотношение равно 7,7. Следовательно, зачаток колоска отличается от зачатка листа расположением меристематических клеток и их числом.по основным осям прнмордия.

С помощью внешних факторов — температуры, интенсивности света и условий азотного питания — сдерживали или ускоряли развитие растений и одновременно определяли величину диаметров конусов нарастания в той зоне, где колоски начинали формировать чешуи, и в зонах, расположенных выше по конусу. Получили данные, которые подтвердили, что только конус, который имеет в диаметре не менее 0,30 мм, об-разует.колосок, способный сформировать чешуи и последующие органы (табл. 3 и 4). Выше таких колосков располагались структуры, по форме близкие к колоскам, но не имеющие критического числа клеток и не формирующие чешуи. Кроме.того, на.снимках, взятых из литературных источников .

"(Эсау, 1980 и др.), определяли параметры . оснований колосков но продольной и поперечной осям. Они близки величинам, полученным в наших опытах.

Величина диаметров конусов в зоне образования примор-диев имеет решающее значение для образования популяции клеток соответствующей формы и параметров.

Колосок пшеницы образует вначале 2 колосковые и 2 цветковые чешуи. Примордий каждой чешуи состоит из 4 слоев клеток в поперечнике. На образование чешуи по длине зачатка колоска используется 16 (4X4) рядов,клеток. Остальные 15 рядов (из 31 ряда) клеток образуют примордий новых цветков. Колосок не образует примордиев указанных органов, если в его состав не войдет достаточное число клеток, и эти клетки не будут расположены компактно (табл. 4). Становится понятной роль диаметра конуса нарастания — 0,30 мм — для размещения соответствующего числа клеток в каждом колоске. — - -~—'-'-' •

Эти параметры зачатков структур относительно постоянны и не зависят от типа развития пшеницы, сорта и исследованных нами условий выращивания.

Причины образования примордиев листьев, колосков, цветков и зачатков других органов у высших растении, очевидно, сходны. Они состоят в том, что в зародыше, конусе нарастания или другой структуре с критическим числом клеток по диаметру внутренние клетки вакуолнзируются. Такие клетки с запасом метаболитов контактируют изнутри с мери-стематическими клетками латеральной зоны (рис. 1).

Приток метаболитов к меристематическим клеткам строго ориентирован:. латерально, слева — направо. Клетки периферийной зоны, поглощая метаболиты с одной стороны, образуют их градиент внутри клеток. За счет градиентов метаболитов клеточные пластинки делящихся клеток могут зало-житься только параллельно источнику метаболитов, т. е. пе-риклинально продольной оси конуса (рис. 1). Выше инициального кольца конуса, в его верхушке, примордий органа заложиться не может, поскольку в верхушке клетки менее вакуолизированы и в них не накапливается столько метаболитов, сколько их необходимо для переориентации делений клеток на периклинальные. Генетические свойства организма фенотипически проявляются в том, что у основания при-мордия, листа располагается 6 слоев клеток, а у основания колоска, по его толщине —12—15 рядов. Комбинацией мери-стематических клеток определяется специфичность зачатка органа. За время, пока формируется предшествующий при-мордий, вакуолнзируются внутренние клетки конуса, расположенные выше этого примордия. Образуется зона вакуоли-зированных клеток, которая по вертикали обеспечивает мета-

болитами характерное для зачатка органа число рядов мери-стематнческих клеток латеральной зоны конуса.

В пазухе нижней цветковой чешуи колоска формируется примордий цветка, образуя, как и зачаток колоска с зачатком листа, двойной валик. Установлено, что иримордий быстро разрастается и в момент, предшествующий образованию зачатков 3 тычинок и пестика, представляет собой популяцию меристематических клеток, по длине равную 180—200 мкм, по ширине— 140—160 мкм. Из такого состояния примордий цветка формирует зачатки 3 тычинок и пестика. Результаты измерений показали, что зачатки тычинок пшеницы имеют округлую форму с диаметром популяции клеток 62,3 ±: 0,7 мкм. Примордий тычинки закладывается шестью слоями клеток по диаметру, т. е. тридцатью клетками в плоскости его основания. У примордий цветка, содержащего 18—20 слоев клеток по длине, достаточно клеток для того, чтобы заложить 3 тычинки. Примордий органов цветков образуются, очевидно, в результате процессов, близких к процессам обра' зования зачатков листьев и колосков, т. е. ориентированных и локальных делений клеток примордия цветка.

В камерах искусственного климата температурой воздуха (от 6° до 20°) регулировали темпы формирования тычинок. Определяли суммы эффективных температур этого процесса и его физиологический нуль, т. е. температуру, ниже которой процесс формирования тычинок прекращался. Установлено, что при 20" тетрады микроспор образуются через 11—12 суток, а при температуре воздуха 6° — через 18—28 суток. За это время сумма ежесуточных температур у различных сортов составила от 220° до 420°. Физиологический нульту одних сортов равен метеорологическому нулю (0°), у других —6 — 7°. Эффективные температуры в сумме составили 140—240° (в зависимости от сорта). От начала заложения тычинки до формирования в ней тетрад микроспор совершаются относительно постоянные процессы. Скорость этих процессов в такой же степени регулируется температурами, как и скорость процессов роста стебля, листа, конуса нарастания и др. Специфичность зачатка тычинки состоит в том, что его образует определенное число характерно расположенных клеток.

2. ЛОКАЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ КЛЕТОК В ОРГАНАХ ЗЛАКОВ

Зачатки листьев, стеблей, чешуи и др. органов состоят из пяти и более слоев меристематических клеток. Со временем клетки, расположенные внутри этих зачатков, вытягиваются и после, ограниченного числа делений некоторые из них'до.-. 14

Рис. 1т$ехакизм образования зачаткое органовл охеаа), Подписи "под рисунком:

I - иримордии оргаяов, 2 - приюк метаболитов из зон со йорхУ:-рорзвшййпсв цагэАЩлна пешки, 3 -фронт метаболитов, ориенти-меточные дел ет<я в /цтгралшвб эине из перуыинальт>гё>

кально дифференцируются до члеников сосудов и ситовидных трубок. У члеников сосудов органоиды деградируют полностью, у члеников ситовидных трубок — частично. Эти клетки возникают среди живых и активно функционирующих клеток. Они образуются за счет локального усиления лизиса содержимого этих клеток. Рядом расположенные клетки не дифференцируются в таком направлении. Остается не ясным, какие причины (факторы) локально дифференцируют клетки в органах.

Маши подсчеты показали, что адгезнропавнше клетки. низших растений расположены в 1—3 слоя (и более), рыхло: от 30 до 80% объема таких организмов занимают межклеточники. Мернстематическне клетки высших растений располагаются плотно, и в таких группировках клетки локально дифференцируются.

В меристематических зонах синтезируются спирт и молочная кислота (Палладии, 1883), дыхательный коэффициент их в 3—3,5 раза выше, чем у клеток паренхимы (Коваль, 1973). Клетки, расположенные внутри меристематнческой популяции, «вяло» синтезируют белки и первыми превращаются в элементы проводящих тканей (Хайсти, 1973). В рыхлых каллюсах клетки не дифференцируются (Steward et al„ 1970) .Клетки локально дифференцируются в плотных многослойных группировках (Буреиь, 1984). Плотные группировки клеток образуют зародыши, конусы нарастания и интер-калярные меристемы. В зоне интеркалярных меристем образуются элементы проводящих тканей стеблей. Мы исследовали активность протеолитических ферментов в интеркаляр-ных меристемах кукурузы. Установили, что на расстоянии 6—10 мм выше узла, там, где начинают формироваться элементы проводящих тканей, активность ПФ распределялась локально по зонам поперечного среза стебля: наиболее высокая активность ПФ была в тех клетках, которые располагались ближе к месту формирования проводящего пучка, причем различия по активности достигали 25—30%. Известно, что активность гидролитических, в т. ч. протеолитических, ферментов усиливается при подавлении процессов обмена веществ в клетках под действием внешних факторов (Гринева, 1980). Факторы, локально повышающие активность гидролитических ферментов, возникают в популяциях с критическим числом клеток. Следовало найти критическое число клеток в органах злаков.

Проростки пшеницы, выращенные в темноте, формировали первый и второй лист шириной 3 мм с 11 проводящими пучками ((табл. 5).

По ширине пластинки листа пучки располагались равномерно, с отклонением, не' превышающем 8% среднего рас-

Таблица 5. Распределение проводящих пучков и клеток • в листьях пшеницы

Сорт Ширина листа, мм :... ' Число

проводящих "пучков •клеток между. пучками клеток на 1 ,, . пучок слоев • клеток по

Ленинградка Двуручка 10027 Боровичская 3,1 3,3 .3,1 11,1 ±0,40 12,1±0,42 • П,7±0,32, 7,7±0,48 8,2±0,60 7,4 ±0,56 '••; 53.4 54,4 50,8 81,6-.-' 80,2 • .80,6

стояния между ними. Эта стабильность расположения обусловлена тем, что межпучковые зоны листьев пшеницы состоят из 7—8 слоев'паренхимных клеток (табл. 5). По ширине , - пластинка листа состоит из 6—г 7 слоев клеток.. Было уставов-" лено, что на каждый проводящий пучок листа пшеницы приходится около бЗ'паренхимных клеток."; -'••-.

На различных фонах азота в почве (от 0 до б доз по' Кнопу) получали растения с-более широкими пластинками листьев. Растения контроля образовали верхний лист шириной 5,3 мм (табл. 6). Внесение азотных удобрений (варианты N2—№РК) увеличили ширину листа более, чем в 2-раза .(табл.6). --*,;* ':!:-\.!'Л. "'.♦"' ; "'-':•

Таблица 6.' Распределение проводящих пучков и клеток -г; в седьмом листе пшеницы, сорт Ленинградка .. "

.Вариант опыта Ширина листа, мм " ".- •..... ! . -'.Число . . ;

проводящих пучков' ' клеток на ' 1 пучок клетек на • срезе прироста числа клеток за 1 сутки

ЧРК КЕРК К.РК • К6РК 5,3±0,61 8,7 ±0,68 12,8±0,66 10,4±0,80 • 15,9±0,ЗГ: 26.1 ±0.20 • 33,8±0,32 ., 30.2 ±0.25 ' 52,8' ! 53.4 1 53,6-: .! 53,6 :- 839,5' 1393.7 1975,7 1616,6 139,9 ' 253,2 . 329,3 . 269,4

Зачаток листа пшеницы состоит из 50 клеток по длине и 6 клеток по толщине. Из'зачатка лист формируется 7 суток. За это время число клеток" • по'яннрине и толщине пластинки возросло с 839 (вариантМоРК) до 1975 (вариант М*РК);"чнс-ло проводящих пучков— с 15,9 (в листьях, контрольных растений) до 37 пучков (в листьях растений варианта КЛРК) (табл. 6). При недостатке азота ежесуточно в поперечном сечении листа число клеток увеличивалось на 139, а у растений'' варианта К4РК — на4 329 клеток. Число же клеток,Лприходя-щихся на один проводящий пучок, осталось почтиЛпостоян-ным — 53. Это число клеток не зависит от действия на растения исследованных нами факторов — обеспечения растений азотом, от температуры и интенсивности света. Всегда,.когда

в листе пшеницы накопится 53 клетки, в центре этой популяции образуется проводящий пучок. Роль 53 клеток состоит в том, что такого числа клеток достаточно для такого взаимодействия между ними, которое приводит к созданию локального градиента, активизации гидролитических ферментов и дифференциации. Это и есть критическое число клеток для дифференциации.

В листьях озимой ржи, ячмени, кукурузы, сахарного тростника, некоторых кормовых злаковых трав: ежи сборной (Dactilis glomerata), овсяницы луговой (Festuca pratensis), тимофеевки луговой (Phleum pratense) и лисохвоста лугового (Alopecurus pratensis) сохраняются те закономерности распределения клеток и проводящих пучков, которые обнаружены в листьях пшеницы.

Установлено, что при недостатке азота число пучков в стебле пшеницы колеблется от 13 до 29 и число клеток — от 1227 до 2689, но на каждый пучок приходилось от 73 до 94 клеток. При обеспечении растений азотом (вариант N4PK) в междоузлиях образовалось от 36 до 46 проводящих пучков и от 3553 до 4075 клеток, но число клеток, приходящихся на 1 проводящий пучок, колебалось слабо: от 70 до 98 клеток. У стеблей, как и у листьев, формировались популяции клеток, способные локально дифференцировать клетки до элементов проводящих тканей.

Следовательно, зачаток любого органа состоит из мери-стематических клеток. За счет физиологических функции плотно упакованных клеток, т. е. их дыхания, обмена веществ, за счет того, что метаболиты поступают в популяцию извне, в ней создаются градиенты факторов и популяция локально дифференцирует клетки. Количество клеток, которые способны создать градиенты, зависит от активности в них протеоли-тических ферментов. Активность ферментов определяется генетическими свойствами организмов.

Полученные данные показывают, как популяция определяет сдуьбу входящих в нее клеток.

Остается проблемой, как от процессов обмена веществ в клетках перейти к образованию из клеток зачатков органов, так сильно отличающихся друг от друга по форме у одного организма. Считается, что для образования органа необходимо реализовать соответствующую генетическую программу. Но сложность как раз и состоит в том, что генетическая программа реализуется в процессах обмена веществ. Из реализации программы, из процессов обмена веществ необходимо вывести структуру, т. е. установить, как обмен веществ регу-тирует расположение клеток в клеточной группировке, их тело и форму в ней. Не ясно, па каком уровне программа 2 17.

развития выходит за рамки обмена 'веществ и включается в

создание структур. •• ' '[т-1*' '•* ••'*•<' .......-'."'

Экспериментальный • материал диссертации позволяет предложить последовательность процессов.развития высших, растений (рис.2). V .

Исходная делящаяся клетка, в т. ч. зитога

В ней: '

Матричные функции-ДНК; синтез белков, обмен веществ. Создаются условия7для деления клеток.

Деление клеток. Образование плотной многослойной популяции клеток. :

Зародыш, конус Обмен веществ в клетках

нарастания, приморднй популяции (дыхание,

цветка и др. превращение веществ)

Ч

Образование градиентов факторов по радиусу популяции

Локальная активация гидролитических ферментов, в т. ч. протеолитических, в клетках популяций. Локальный лизис

органоидов клеток, вакуолизация _(дифференциация) клеток _

тг , .Приток в популяцию

Локальное образовашше метаболитов по

=дньгуруббоик/ диффербнцированным

клеткам

*

Локальные и ориентированные деления меристематических клеток популяции, контактирующих'с'дифференцированными клетками • ч-

Т

Формирование зачатков органов Рис. 2. Общая схема развития высших растений

Если бы зигота, и ее ближайшие потомки имели какие-либо индивидуальные свойства, • необходимые для образования структур зародыша,, то и тогда эти свойства могли бы проявиться только в популяции с достаточным числом клеток.

Данные,- которые мы обсудили, показывают, что популяция с генетически «детерминированным числом клеток засечет взаимодействия между, клетками, способна их локально дифференцировать и формировать.зачатки органов. В этой.после-

довательности процессов развития (рис. 2) проявляется действие количественноиознционного контроля развития как перехода от процессов обмена к локальным размещениям тканей и органов.

3. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ ЗЛАКОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ

У растений число органов и их основные параметры не постоянны. От числа органов и их массы зависит продуктивность растений.

Установлено, что температурный коэффициент (Р10) скорости развития пшеницы в период формирования листьев равен 1,5, а в период формирования колосков — 2,5. Задержка развития сниженной температурой не приводит к изменению числа листьев на главном побеге.

Если развитие сдерживали температурой 8—10°, начиная с середины периода формирования колосков, то одни сорта увеличили число колосков в колосе на 5—8% (Бафлё, местный из Тибета), другие — на 20—27% (Лютесценс 758, Диамант).

При интенсивности света 2000 лк пшеница формировала колосья длиной 2,8—3 м-2 с О колосками, в основном стерильными. В этих условиях растения, подкормленные 2% раствором сахарозы, формировали колосья с 12—13 колосками и 2—3 щуплыми-зернами в колосе. Недостаток метаболитов в листьях ограничивает продуктивность колоса.

При недостатке любого из необходимых элементов минерального питания продуктивность растений снижается. Остается не ясным, как связаны функции минеральных элементов с продуктивностью растений.

Внесенные в почву азотные удобрения, как правило, увеличивают продуктивность растений. Остается проблемой, как азот увеличивает продуктивность.

Чем больше азота содержится в почве, тем интенсивнее накапливаются клетки в вегетативных органах злаков (табл. 6). От всходов до фазы третьего листа проросток пшеницы при недостатке азота образует зачатки 3 листьев и зачатки 13 колосков — всего 16 аттрагирующнх центров. Растения варианта К.РК образуют зачатки 3 листьев и зачатки 18 колосков — 21 аттрагирующий центр. Каждый колосок образует 3 и более цветка, а каждый цветок — 3 тычинки и 1 пестик. В колосе растения варианта К0РК образуют 156, а растения варианта К4РК — 216 аттрагирующнх центров. Растения с большим числом аттрагирующнх центров в колосе потенциально более продуктивны.

"При "недостатке азота колосе; формировал колоски 12 су-," ток, образовав 13 колосков (табл. 7);

Таблица 7. Действие азотных удобрений на интенсивность образования колосков и их число в колосе пшеницы, /сорт Ленинградка

Время от начала , -образования колосков, сутки '-ч*. Варианты опыта

К0РК ':-,-'№РК . * К4РК К6РК

о 4 -'" 6 ' 8 • 10 12 14 16 . 18 2,14-0,16 4,1 + 0,18г • 7,3*0,30 '9,4±0,14 Л 1,3*0,22 13.lzfc0.19i 2,2+0,19 f 4,2 + 0,20 й 8,2 ±0,18 ; 10,3*0,66 л3.4*0,19 44,1 + 0,20.. 15,1 ±0,22 • 2,0±0,11 ,4,0+0,16 .8,3 + 0,20 11,2 + 0,19 14,6+0,21 ,10,2*0,15 17,1±0,19 , 18,3*0,20 2,3+0,14 4,4*0,17 8,4±0,16 11,3+0,19 ' 15,4±0,20 17,6+0,14; 18,8±0,13 ; 19,2±0,16 19,7*.0,21>

. • С увеличением дозы-азота колоски образуются быстрее и ♦ в большем количестве. На! 10 сутки от начала их заложения : у растений варианта К0РК "образовалось 11,3 колоска, а ,у растений варианта ЫбРК.— 15,4. Всего за 18 суток растения •: варианта К6РК образовали Л 9,7 колоска (табл. 7). По формуле объема полуэллипсоида, определяли число меристема-1 тических клеток в колоске (К = 2/3л - в >с), где N — число клеток в колоске, а, в, с —число Лклеток "по полуосям эллипсоида). Подсчет показал.Лчтб; интенсивность прироста числа клеток в колосках зависит.от, обеспечения растении азотом. На 10 сутки ог начала образования колосков растения контроля содержали 12769 меристематических-клеток в колосках, а! в колосках растений варианта ЛТ4РК — 16496 клеток. Этот при-; рост числа клеток и привел к образованию 18 колосков.-Ра-" стения контроля образовали -13 колосков (табл.' 7).г Азот1не изменил структуру "колоса,- он.тольколувеличил интенсивность прироста числа клеток в колосе. При крайнем дефиците'азо-та для проростков пшеницы,-.когда у них удаляли эндосперм и выращивали на дистиллированной" воде, колоски с чешуя-ми вовсе не формировались. . Для их заложения не хватало меристематических клеток, .г, -1 ; ~?

- При недостатке азота в стержнях колоса сформировалось-8—10 проводящих пучков,,в стержнях., колосьев, обеспечен--ных азотом, находили;-12—16 проводящих пучков; Такие стержни на поперечных:срезах состояли из большего числа' клеток и имели большуюЛ площадь:поперечного сечения] .

♦ Колоски,пшеницы формируют до,7-цветков. Не все цвет-? ки колоска озерняются. Было устанолено, что только первый! цветок» колоска расположен на.колосковом уступе и не имеет*;

сколько-нибудь развитого цветоноса. Короткие и толстые цветоносы имеют третьи цветки в колосках средней части колоса. Сидящие на них цветки обычно формировали зерна.

Стенка таких цветоносов состоит из 5—7 слоев клеток и в ней формируется 3—4 проводящих пучка. Стенка цветоноса 4 цветка состоит из 4—5 слоев клеток. Ее проводящая система развита слабо. Цветоносы 5 и 6 цветков обычно не формируют проводящей системы, и такие цветки не образуют зерна. Анализ показал, что те цветки, у которых отношение ширины цЕстоноса к его длине составляет величину не менее 0,5, способны формировать зерна. Такие цветоносы имеют развитую проводящую систему и способны обеспечить зерновки метаболитами.

В целом установлено, что при формировании листьев, узлов кущения, колосков и цветков азотные удобрения ускоряют теми накопления клеток в этих органах. При делении клеток синтезируются специфические белки, необходимые для деления. Синтез белков закодирован в ДНК. Чтобы проявить свою матричную функцию, ДНК должна быть в определенном структурном состоянии. Метаболически наиболее активна лабильная фракция ДНК (Конарев, Тютерев, 1970). Она слабо экранирована гистонамн. Результаты наших анализов показали, что лабильная фракция ДНК в листьях пшеницы-1 варианта К4РК увеличивается почти в 2 раза: 61,3 мкг-г-1 против 38,2 мкг-г-1 у растений контроля (К0РК).

В фазу колошения азот увеличил лаб-1ильную фракцию ДНК в клетках .колоса с 8,2 мкг-г-1 (контроль) до 38,8 мкг-г-1 (вариант К4РК). В фазу молочной спелости зерна лабильная фракция ДНК резко снижается. В этом состоянии колос не формирует новые клетки. Есть основания считать, что в лабильной фракции ДНК закодирована структура белков, регулирующих деления клеток в колосе.

Установлено, что' высокие дозы азотных удобрений (К4РК— К„РК) обеспечили значительное накопление азота в листьях. На 8 сутки от начала формирования зерна растения варианта ^РК содержали 144 мг белка на 100 верхних листьев против 389 мг —в листьях растений варианта К§РК. По мере формирования зерна до восковой спелости количество белка в листьях снизилось до 01 мг у растений контроля и до 300 мг — у растений варианта К8РК. Содержание общего азота в листьях варианта К15К снизилось со 195 мг до 92 мг, у растений варианта К4РК — с 320 мг до 194 мг.

Часть оттекающих из листьев азотсодержащих веществ накапливается в зернах. Азотсодержащие вещества из листьев растений, выращенных на высоких дозах азота (К4РК— К8РК), используются на формирование зерна менее интенсивно, чем в варианте с однократной дозой азота. В варианте

с восьмикратной дозой/количество .азота в листьях в. фазу восковой спелости уменьшилось в ,1,3 раза по сравнению с', первым сроком отбора_образцов,_а вварианте с однократной дозой азота — в 2,1 разаЛ.в варианте К0РК/—в 2,3 раза. Нан-более полно азот, оттекает, из листьев ;в вариантах КоРК и №РК. В варианте К4РК'отток азотсодержащих веществ - в "формирующийся колос был более интенсивным, чем в ва-> рианте №РК. Ранее было Л* установлено,/что. азот способен . снизить отток:метаболитов из листьев/в. колосья (Варицев," Плешков, 1976) и регулировать в листьях "активность иротеск литических ферментов:.., (ПФ)..; От "активности ПФ зависит концентрация свободных аминокислотой пептидов, способны; х. транспортироваться по растению. • * . 1 , ;». ;

- .Установлено, .что активность протеолнтических ферментов в большей степени зависитХ от: онтогенетического состояния растений и доз использованных азотных удобрений, и в меньшей степени — от сорта. К фазе формирования зерна активность ПФ увеличилась. Так,г; в'фазу третьего.листа'она колебалась от 0,66 до 1,70 мкмоль, триптофана: (на-1; г ткани), а в фазу начала формирования, зерна —от 3,2 до 5,85 мкмолей. В фазу третьего'листа образуются зачатки колосков, клетки междоузлий стебля еще не растягиваются. В эту фазу пшеница не формирует относительной емких аттрагнрующих центров; ;-•; '-.У.-Л'-'-.-'СУ-Л. ' * . -л"

В фазу начала формирования зерна, т. е. через 10—12 суток после оплодотворення,:начинает заметно:расти зерновка. В цветках колосков появляются наиболее емкие за весь онтогенез аттрагирующие -центры.- За короткое время (40— 45-суток) в зернах накапливается более: половины массы надземной части растения.; Оказалось; что в этот период активность ПФ была почти п.6 раз выше,.. чем в фазу начала колошения. В начале -колошения усиленно растет верхнее междоузлие и колос, в основном, ;за счет растяжения клеток, а не их деления (накопления). Активность ПФ в листьях можно использовать как "показатель ' запроса на метаболиты со стороны формирующихся органов. Суммарная активность аттрагнрующих центров растений, росших на фонах с недостатком азота в течение онтогенеза, будет ниже, чемактив-ность аттрагнрующих центров растений,,росших на фонах с более высоким содержанием азотных удобрений. - >"< •:.-.

Растения пшеницы на средеЛбез удобрений сформировали колос с массой зерна 0,229-г, а растения варианта К4РК — 0,979 г (табл. 8); 1 V \ ,;' = ;• . *

Масса зерна колоса увеличилась-за счет того, что колос сформировал 29,5 зерен с.массой одной зерновки 33,3 мг (вариант К4РК); Колос .контрольных растений, сформировал 9,8 зерен с массой одной зерновки 23,3 мг (табл. 8). Продукт

Таблица 8: Действие азотных удобрений на продуктивность пшеницы (сорт Ленинградка) . .

Вариант опита

Число зерен в колосе

Масса

зерна с 1 колоса, г

зерна растений 1 сосуда, г

1000 зерен, г

Без удобрений

МВРК

М,РК

ЖРК

М6РК

К,РК

9,8 14,0 24,6

29.5

30.6 28,6

0,229 0,343 0,771 0,979 0,743 0,550

3,2 4,8 10,8 13,7 10,4 7,4

23.3

27.4 31,3 33,2

23.5 19,2

х=3,6% НОР0.о8=2,0 г-

тивность растений вариантов К6РК — К8РК снизилась, хотя число заложившихся зерен не уменьшилось. Установлено, что высокие дозы азота снижали активность протеолнтических ферментов в листьях, и полнота оттока азотсодержащих веществ из них снижалась. Покровные ткани зерновок долго оставались зелеными, имели низкую активность ПФ и медленно созревали.

Таким образом, зерновки пшеницы, имея одинаковую исходную массу (32 мг), но попадая на различные фоны по содержанию азота в почве, формировали органы — узлы кущения, листья, стебли, колоски, цветки и др. — отличавшиеся по числу клеток, образовавших эти органы: с увеличением дозы азота (до 4 доз включительно) число клеток в органах возрастало (при относительно постоянном числе клеток в зачатках органов). Ускоренное накопление клеток в предшествующем органе обеспечивает более быстрый прирост числа клеток в органе, формирующемся вслед.

Следовательно, азот в составе азотсодержащих веществ не изменяет структуру зачатков органов. Структура зачатков определяется генетически через функции ферментов и числом клеток в популяциях. Азотсодержащие вещества обеспечивают более быстрое накопление клеток в органах. Это и есть тот основной способ, с помощью которого азот регулирует продуктивность растений.

Для" повышения продуктивности растений необходимо в начале ускорить накопление клеток в органах, а затем интенсифицировать их локальную дифференциацию.

Основные выводы

1. Установлена закономерность, состоящая в том, что зигота, а затем ее дочерние клетки, делясь, образуют плотную многослойную популяцию мернстематических клеток, -обмен веществ в которых создает по радиусу популяции градиенты факторов среды, которые активируют гидролнтнче-

ские ферменты в клетках,- расположенных внутри .топуляшш, где градиенты достигают'максимальной величины, ферменты лизируют органоиды клеток. 'Клетки .вакуолизируются и в дальнейшем некоторые из них" превращаются в членики сосудов и ситовидных трубок. По дифференцированным клеткам внутрь популяции транспортируются метаболиты. Мерй-стематические клетки, контактирующие с/дифференцированными и получающие}, от них вещества, локально делятся и образуют зачатки органов.; : - . . .Л*

Клетки низших растений . не образуют плотных многослойных ПОПуЛЯЦИЙ* - '. Ч]:';"—Л * 1," - • ' „,:'.',-.-

2/ Переход от процессов обмена веществ в клетках растений к формированию многоклеточных,-локально расположенных структур,— тканей -и органов — осуществляется в рам-.. ках количественно-позиционного, контроля развития; ..Этот способ контроля проявляется.только в популяциях клеток и действует в развитии наряду с генетиче:ским и гормональным контролями. , • ...._._ь. "'\.:Г .;.;••, " '"]-"/''

3. Популяции, состоящие из]«критического» числа меристе-матических клеток,, способны! создать,градиенты факторов среды по своему радиусу," поскольку клетки популяции, активно функционируют, а доступ метаболитов зависит от положения клеток в популяции. . ; г 1 \ 7. ;

4. Число.паренхимных-клеток,,приходящихся на 1 прово-, дящий пучок, и число клеток,.расположенных между прово-*-дящими пучками, в листьях;и стеблях злаков (и других расте-" ний), составляют постоянные лисла,\: характерные для органов. Эти числа клеток в органах не зависятот температуры,., интенсивности света.и минерального (азотного) питания. Такое число клеток способно создать градиенты факторов,инициирующих локальную^ифференциацию клеток.

5. Зачатки различных органов одного растения,отличаются друг от друга по числу.входящих в них клеток и по расположению клеток, хотя"зачатки;состоят из мернстематических клеток, не имеющих признаков 'органоспецифичности. . ;

6. Число клеток в зачатках органов и-их, расположение зависит от параметров" структур, на которых эти органы;фор,-: мируются. Параметры структурЛ(зародышей, конусов нарастания и др.) определяются соответствующим числом входящих в них клеток и их размерами. '> ; * ,: \'

7. Зародыш злаков,-состоящий из 600 клеток, формирует зачаток щитка, конуса нарастания и зачатки других органов.

8. Внутренние клетки инициального кольца конуса нарастания пшеницы, имеющего диаметр\0,12—0,16 мм,..вакуолизируются и обеспечивают .ориентированные ' деления., лате-л ральной зоны,конуса.'За счет делений этих клеток образуются;. зачатки, листьев. Зачатки листьев представляют собой-ленто-..

2-и "'. „ . „ ;./."'--'••• ' • У"- " '

видные популяции, состоящие по длине из 50 слоев клеток, по ширине — из 5—7 слоев. Сходные характеристики имеют зачатки листьев других злаков.

9. Конус нарастания пшеницы с диаметром инициального "кольца 0,30 мм образует зачатки колосков за счет ориентн-.ровашшх делений клеток латеральной зоны. Зачатки колосков в момент формирования чешуи представляют собой популяции клеток, состоящие по длине из 30 слоев клеток, по ширине — из 14 слоев.

.,.-.. -Характерное .число'клеток образует зачатки других органов.

10. Задержка развития сниженной температурой и условиями азотного-питания увеличила число колосков в колосе. пшеницы от 5—8%.до 25—27% в зависимости от сорта. Число колосков регулируется интенсивностью накопления в них клеток и скоростью дифференциации клеток колосков.

11. Формируют зерна те цветки пшеницы, у которых отношение диаметра поперечного сечения цветоноса к его длине не менее 0,5. Такие цветоносы содержат достаточное количество клеток для образования развитой проводящей системы, которая обеспечивает приток метаболитов, используемых для образования зерновок. . . .

12. В начале колошения активность протеолитических ферментов в листьях снижена в 2—2,5 раза относительно их "активности" в фазу ~ выхода • в трубку и фазу формирования зерна; От ранней фазы формирования зерна до ранней восковой; спелости азотсодержащие вещества наиболее активно транспортируются в колос, что коррелирует с усилением активности протеолитических ферментов в листьях в эти фазы. Повышенное содержание азота_снижает полноту оттока азотсодержащих веществ из листьев.

13. Формирование продуктивности — это процесс интенсивности накопления клеток в органах, регулируемый генетическими свойствами организма и суммарным результатом его физиологических процессов в онтогенезе.

14. Азотные удобрения увеличивают продуктивность злаков за счет более интенсивного прироста числа меристемати-ских клеток в формирующихся органах, увеличения числа а'т-трагирующнх центров, увеличения числа клеток в междоузлиях, листьях, колосьях и других органах. Увеличивается диаметр соломины, ширина листьев и число' проводящих пучков в них, число колосков и цветков, число зерен и их масса* ' .

15. Развитие — это процесс накопления клеток в популяциях, их взаимодействие, приводящее к локальной дифференциации клеток, ориентации делений клеток и формированию из них зачатков органов,

• •- -»- ;• Список работ, опубликованных.потеме диссертации . ,г .г, -V

1. Нов и ков 5В.Л1,-Б у рень-'В/М.-Температурные условия прохождения третьей стадии развития.-у;пшеницы. — Записки ЛСХИ, 1965, ;т. 90, вып. 5, с. 3— 14.--.'.-' • .Л-;\'*'..,М ,,«41-; • и: •"• ,.?Т—' -•'"

' . 2. Бурень В.- М.'л Влияние 1 качества- евета* на'развитие; яровой>. пшеницы в световую стадию.— Задиски ЛСХИ;*1965,'вып. 5,'.с.'25-7-29.'-'* *»Ч'-У3. Я рошевский' Н.'. Л.',; Бу рень;В.ГМ.*Факторостатная камера,.--для научно-исследовательских работ.—.Записки ЛОХИ, 1965, т. 90, вып. б,,.

,с. 69-73. V- ...*;» ЛЦ-*- •г:.;—.лл.г.: .М,,;.1?,-,---л.......л {'.?

4. Каспнро'в Л7. И.",: Бу рень'-В. М."г;Шу'ль'га *А. Л., Раев-\

• екая 3. И. Оплата удобренийурожаями'Кормовых'культур.'Материалы * 'XXV конференции "-Ленинградского-* ветеринарного* ~ института." ;Л.:гЛ966,4Г с. 28—34; -I _ ;-'•;;•' - •: \]г .----. . .', / А'.-.ТГ?:-"

. -•- 5. Каспиров", А. И.,; Бурень* В. М., Шульга ,А. А.,-Ра ев-екая 3-1 И. Проблема;'увеличения'белка"*в кормовых культурах. — Сб.; '

работ ЛВИ, Л.:,'1967,- вып. XXIX, с: 63—73. ...л * ; - "-;".;_ V ' • - _«.....

-. "-» 6., Б у р е и ь'. B.V'M.i Рост, пшеницы при "низких температурах в-третью -стадию развития..— Записки г ЛСХИ,. 1969," т. -139, вып. 3. с. 105—110. j: / % ч .'-, - -. 7. Бурень В. М., Некоторые факторы онтогенетическойизменчиво-, _стн пшеницы.—Записки;ЛСХИ," 1972, т. 194, с. 20—27, " .,.;' '.*," '„.', •«?;*'. :"_'"' 8. Б у р е нь--В СМ. "Формирование колоса', яровой пшеницы в усло-1 •виях пониженной "температуры'на световой стадии; —Записки ЛСХИ, ; 1972,'л; -т.-194, с. 45—47.> лЧ-г-ОлЯл'Л»?*л..: .?-*-- -л.-;-ЛТ о .'-7"-:/С- '?1уЛ'\ ' , 9. Б у р ень.'В./М. Онтогенетическая изменчивость пшеницы. — Ъ кн.:Дц , Тез. докл. к6нф"ер,ХОдессе.'М.:Л972, с7 145. „;,"" '-'У '.'-* ' *''Х? "> 'Г* ' 10. ВознесенскийгИ> .'Г.Л' Бурень! B.vM., ГлуховгИ.-В. < «Способ выращивания; растений».}А>,с.' № 325941Гот 22 октября'1971: г. -. :Бюлл. № 4,; 1972.л '. -г5:к.яДЦ?лл*-.Ч,-;.*ггл:-:',ч-1л".. ,''.../".::; ц;£.}.-'-'•'. "л

• ,<\)1. Бу ре нь'.-В. МГ' Онтогенетическая*! изменчивость и формирование.: "некоторых количественных,признаков • у,'пш«тцы.Г~:.В;кн.: Физиологогене- • этические основы повышения-продуктивности зерновых культур: Тез.ч*докл.

конфГ в Одессе;М;:.*1973; с'226—227.1 У".;: и. 1г'1' -""• ; -.-ЛПЬ-,- ,. ГЛ' "12. Бурень'лВ.'" М."! Особенности •* о"тогенетчоеской изменчивости- •" .пшеницы — Сб • Научно-технич, бюлл. ВСГИ, Одесса, 1974, вып. -21,-с.,57—60 "' *.

/* *13. Б урен ь В," М. Роль некоторых трофических факторов в'раз-витии пшеницы. — Записки ЛСХИ, 1974, т. 253, с. 23—27.

; 14.-Б у рень В. М. Развитие пшеницы в условиях пониженной температуры надземных-органов. —Записки ЛСХИ, 1974,.т. 253, с 27—31. -'..',,., 15. Бурень В.ЛМ.: Низкая» интенсивность света,,как фактор, ;-,регулили

'рующий' онтогенетическую"-*» изменчйвость';пшенйцы.л7-'В кн.:.....Материалы."",

первого Всесоюзного;симпозиума"'-по-мелекулярной«и прикладной'бйофизи'-*;' ке растений. Тез.' докл. конфер." Краснодар,' 1974,-с. 99—100.,:'- :_1Л"Т." С-''!;-*. ;*-_Г: -16.-Б урень- В,,*М.:, Изменение конусалч нарастания пшеницы,'.при-.;-формировании.'л'истьев; и1 колосков.-,—Записки'ЛСХИ,. 1977, -,т. 305,;с.,"70г7.'Ч-

'•-'.•: 17,-Глухов Й.-ВлБу реньлВ.рм;,ггКузн"ецо"в О.' И.г'Некото- '*

* • рые результаты:исследования 'светоимпульсного' облучения: растений; •Тез." докл. IV Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений. Львов,

и980.С.- ЮЗ-104. , ,,,.-- ' г,

18. Бурень -В. М.-Влияние возрастающих доз азота на распределение' проводящих пучков в стебле пшеницы. — Научн. труды 'ЛСХИ, % 1980, т. 391, с. 95—100." ' ' * * ' '

-"1:..?19. Бурень В'.М. Азот какгфактор) регуляции органообразования : у растений. Ленинград — Пушкин, 1981,14 с. , л

;Г,—20. Бурень В." М. Влияние возрастающих доз азота на формнро-' ваиие колоса яровой пшеницы. — Научн. труды ' ЛСХИ, 1981, т. 416, с. 6 9 - 7 2. . . .-•' I." ' . -

21. Буреиь В. М., С акр Л. Л. Содержание белка и активность протсолнтических ферментов в листьях пшеницы при различных нормах азотных удобрений. — Научи, труды ЛСХИ, Л., 1982, с. 25—29.

22. Буре кь В. М., С акр Л. Л! Влияние азотных удобрений на активность протеолитических ферментов в онтогенезе пшеницы. — Научи. труды ЛСХИ, Л.: 1983, с. 51—60.

23. Бурень В. М„ Иванова Л. И. Динамика протеолитиче-ской активности в листьях пшеницы в зависимости от условий азотного питания.— Научи, труды ЛСХИ, Л.: 1982, с. 19—24.

:• 24. Бурень В. М., Иванова Л. И. Прогнозирование урожая озимых злаков и определение их физиолого-биохимических характеристик. Методические указания. Л.: 1983, 19 с.

25. Б у р е н ь В. М. Развитие злаковых растений и их продуктивность. Учебное пособие. Л.: 1984, 29 с.

26. Бурень В .М. Действие азотных-удобрений на структуру орга. нов злаков и их продуктивность. Научн. труды ЛСХИ, Л.: 1984, с. 87—93.

27. Бурень В. М„ Осербаева Т. Прогнозирование формирования урожайности ячменя по динамике активности протеолитических ферментов. — Научн, труды ЛСХИ,1984, с. 20—24.

28. Баран ни к о в а 3. Д., Бурень В. М. и др. Методические указания по курсу «Физиология растений с основами биохимии». Л.: 1984, 86 с.

29. Бурень В. М., Копылов Г. Н. Применение стохастической модели онтогенеза злаковых к оценке влияния азотных удобрений на структуру стебля и продуктивность. № 170—84 Деп. «Биология с.-х. растений, 1984, № 7, 32 с.

30. П од в а л к о в а И. А., Бурень В. М. Влияние условий азотного питания на гетерогенность ДНК у пшеницы. — Научн. труды ЛСХИ, Л.: 1984, с. 93—96.

31. Бурень В. М. Дифференциация клеток и образование органов у растений в связи с их продуктивностью. № 46—95 Деп. — «Растениеводство (биологические основы)», 1985, № 4, 33 с.

32. Б у р е и ь В. М., Иванова А. И. Влияние азота на структуру органов пшеницы и ее продуктивность. Л» 49—85 Деп. — «Растениеводство (биологические основы)», 1985, № 4, 32с.

. 33. Копылов Г. Н., Бурень В. М. Самоорганизация меристе-матических клеток в процессе формирования проводящей системы и продуктивность злаковых. № 487 ВС-83 Деп. — «Растениеводство (биологические основы)», 1986, 2, 17 с. '

34. Бурень В. М. Действие азота на формирование цветков в колосках пшеницы. — Научн. труды ЛСХИ, Л.: 1985, с. 63—68.

35. Бурень В.. М. Действие азотных удобрений на формирование листьев у яровой пшеницы. — Научн. труды ЛСХИ, Л.: 1985, с. 74—78.

36. Ь у р е и ь В. М. Образование зачатков органов у пшеницы. — Сб.: Морфо-физиологические основы устойчивости растений. М.: 1935, с. 76—82.

Л 100098 13.07.87 г. . Объем 13Д п. л. . _ '"Зак. 2133. Тир. 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44