Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сезонная структурно-функциональная трансформация фотосинтетического аппарата хвои Picea pungens Engl. и P. obovata Ledeb. на территории Ботанического сада УрО РАН (г. Екатеринбург)

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Сезонная структурно-функциональная трансформация фотосинтетического аппарата хвои Picea pungens Engl. и P. obovata Ledeb. на территории Ботанического сада УрО РАН (г. Екатеринбург)"

На правах рукописи

ОВСЯННИКОВ

Алексей Юрьевич

СЕЗОННАЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ХВОИ PICEA PUNGENS ENGL. И Р. OBOVATA LEDEB. НА ТЕРРИТОРИИ БОТАНИЧЕСКОГО САДА УРО РАН (Г. ЕКАТЕРИНБУРГ)

03.02.08 — «Экология (в биологии)»

8 АПР 2015

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

005566932

Санкт-Петербург

2015

005566932

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Ботанический сад Уральского отделения Российской академии наук

Научный доктор биологических наук

руководитель Семкина Лидия Александровна

Официальные Загирова Светлана Витальевна

оппоненты: доктор биологических наук

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук

Теребова Елена Николаевна

кандидат биологических наук, доцент Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук

Защита состоится « ^ » /f/t J* 2015 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.211.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки. Ботаническом институте им. B.JI. Комарова Российской академии наук по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. профессора Попова д. 2., тел/факс (812)372-54-59/372-54-43 dissovet.d00221102@binran.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Ботанического института им. B.JI. Комарова Российской академии наук

Автореферат разослан «_» 2015г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Общая характеристика работы

Актуальность исследований.

Исследование механизмов регуляции процессов жизнедеятельности растений как в естественном ареале, так и в условиях интродукции одна из важных проблем экологической физиологии растений. Эффективным методологическим инструментом в этих исследованиях является комплексный структурно-функциональный подход, включающий набор экспериментальных методик по изучению физиолого-биохимических и морфо - анатомических реакций растений на различных уровнях структурной организации в условиях сезонных изменений внешней среды.

Учитывая важность процесса фотосинтеза как ключевого фактора в жизнедеятельности растений, его функциональное состояние имеет критическую значимость (Рубин и др., 2004). В течение года фотосинтетический аппарат (ФСА) претерпевает ряд трансформаций, которые обеспечивают текущие энергетические потребности растений при изменении условий среды (Климов, 2008). Одной из наиболее информативных методик исследования трансформации ФСА является регистрация флуоресценции хлорофилла на этапе первичных процессов фотосинтеза (ППФ), позволяющая оперативно получить данные о его функционировании (Корнеев, 2002). Значительный объём исследований вечнозелёных растений посвящен сезонным изменениям ФСА в естественном ареале видов (Яцко и др., 2009; Weng et al., 2005; Bigras et al., 2006; Zarter et al., 2006) и изучению влияния на жизнедеятельность растений техногенных факторов (Кривошеева и др., 1988; Карапетян и др., 1987; Венедиктов и др., 1999; Фомин и др., 2001; Пахарькова и др., 2009). Вместе с тем следует отметить, что в литературе отсутствуют данные о сравнительных исследованиях изменения активности ФСА в годичном жизненном цикле у близкородственных видов вечнозелёных растений го разных ботанико-географических зон в условиях интродукции.

Выбор вечнозелёных растений рода Picea в качестве объектов исследований связан с возможностью круглогодичного наблюдения, широким распространением на территории Среднего Урала и высоким хозяйственным значением Р. obovata (Правдин, 1975), а также возможностью сравнительного изучения близко родственного вида P.pungens, интродуцированного на Евроазиатском континенте и имеющего высокое декоративно-прикладное значение (Крюссман, 1986).

Цель работы. Сравнительное изучение сезонной структурно-функциональной трансформации фотосинтетического аппарата для выделения акклиматизационных физиологических процессов интродуцированного и местного видов растений рода Picea на Среднем Урале, в течение года.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

- исследовать сезонную динамику изменений кинетических и температурных зависимостей замедленной флуоресценции (ЗФ) и параметров быстрой флуоресценции (БФ) хлорофилла (Хл) а хвои;

- определить временные интервалы прохождения фаз фенологического развития вегетативной и генеративной сферы растений рода Picea на территории г. Екатеринбурга и их влияние на работу ППФ;

- определить сезонные количественные изменения пигментного фонда хвои;

- изучить сезонные изменения локализации хлоропластов во внутриклеточном пространстве мезофилла хвои елей;

исследовать сезопные изменения водного режима тканей хвои и побегов в течение года относительно активности ФСА в течение года.

Научная новизна.

- Показана возможность применения метода регистрации параметров флуоресценции хлорофилла как способа описания сезонной акклиматизации ФСА на уровне первичных процессов фотосинтеза вечнозелёных растений в условиях интродукции.

- Впервые получена сравнительная характеристика сроков сезонной трансформации ФСА относительно изменений в годичном цикле количественного состава пигментного фонда, водного режима хвои и побегов и периодов прохождения фенологических фаз развития у интродуцированного Р. pungens и аборигенного вида Р. obovata на Среднем Урале.

- Получены новые сведения о сопряжении сезонных изменений внутриклеточной локализации хлоропластов мезофилла хвои и активности ФСА.

Основные положения работы, выносимые на защиту.

- При интродукции на Среднем Урале Р. pungens характеризуется более ранним началом и более продолжительным периодом активности ГГПФ с меньшей глубиной зимнего покоя относительно местного вида Р. obovata, что может свидетельствовать о различных сезонных акклиматизационных стратегиях.

- Общее направление осенне-зимнего перемещения пластид и ядра направлено на образование плотной локальной структуры в центре клетки. В зимний и ранневе-сенний период эти структурные изменения в клетках мезофилла хвои сопряжены с минимальной активностью ФСА.

Научно-практическая значимость работы. На основании изучения сезонных изменений состояния пигментного комплекса, водного режима растения, внутриклеточной структуры мезофилла хвои, параметров флуоресценции хлорофилла и прохождения фаз фенологического развития выявлены эколого-физиологические и биохимические адаптации ФСА растений рода Picea в течение года. Эти исследования дополняют и расширяют представление о реакции растений на изменения факторов окружающей среды, позволяя оценить их адаптационный потенциал, обеспечивающий их устойчивое существование в широком диапазоне климатических условий. Выявленные закономерности могут быть использованы для прогноза реакций и вероятного смещения границ ареалов елей в случае глобальных изменений климата. Полученные данные можно использовать при оценке успешности и перспективности интродукции вечнозелёных растений, а также в курсах лекций по экологической физиологии растений, ботаники и дендрологии.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на VI Путинской школе-конференции молодых учёных «Биология - наука XXII века» (Москва, 2002), на конференции молодых учёных «Экологические механизмы динамики и устойчивости биоты» (Екатеринбург, 2004), на П молодёжной конференции «Исследования молодых ботаников Сибири» (Новосибирск, 2004), на IV молодёжном научном семинаре «Биоразнообразие растительного мира» (Екатеринбург, 2006), на XVIII всероссийской молодёжной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2011), на П (X) международной ботанической конференции молодых учёных в Санкт-Петербурге (2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, 3 из них - в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка использованной литературы, включающего 237

работы, в том числе 64 на иностранных языках. Основной материал изложен на 120 страницах текста и содержит 36 рисунков.

Основное содержание работы Глава I. Литературный обзор В разделе 1.1 изложены и проанализированы данные литературы о развитии научных представлений о морфофизиологической периодичности роста и покоя растений. (Сергеев и др., 1961; Генкель и др., 1964; Лапин и др., 1973; Некрасов, 1980; Lang et. al., 1987). В разделе 1.2 рассмотрены результаты наблюдений за прохождением фаз фенологического развития вегетативной и генеративной сферы растений рода Picea в условиях естественного местообитания и в условиях интродукции на территории РФ (Фролова, 1979; Шкутко, 1984; Кищенко, 1995; 1998; 2002; Fecher, 1985). Отмечено, что большинство методик, оценивающих успешность интродукционного процесса, основывается на фенологических наблюдениях, без учёта сезонных физиолого-биохимических изменений и трансформации фотосинтетического аппарата растений. В разделах 1.3 и 1.4 изложены литературные данные о роли водного режима (Хлебникова и др., 1963; Альтергот и др., 1969; Котова и др., 1984; Дерюгина и др., 1986; Граница, 2000) и пигментного фонда (Новицкая, 1971; Ладанова, 1992; Судачкова и др., 1997; Маслова и др., 2009; Силкина, 2009; Linder, 2002) в адаптации вечнозелёных видов растений в условиях интродукции. Анализ работ показал отсутствие целевых исследований сезонных изменений этих физиолого-биохимических показателей у растений рода Picea на Средпем Урале. Раздел 1.5 посвящеп рассмотрению сезонных изменений внутренней структуры клеток мезофилла хвои, связанных с пространственной локализацией хлоропластов в клетке (Генкель и др., 1964; Барская, 1967; Загирова, 1999; Котеева, 2002; Soikelli, 1980; Tanaka, 2007; Kodama et. al., 2008). Важно отметить, что в большинстве работ по описанию внутриклеточной структуры в зимний период основное внимание уделялось поперечным срезам хвои, без сопоставления с наблюдениями, выполненными на срезах в других плоскостях. В разделе 1.6 кратко рассмотрена структурно-функциональная организация фотосинтетического аппарата растительной клетки (Рубин и др., 2004), а также механизм генерации БФ и ЗФ (Моргун и др., 1990; Гаевский и др., 1993; Веселовский и др, 1990; Корнеев, 2002). Здесь же обоснована возможность применения методов, основанных на регистрации флуоресценции хлорофилла, для оценки сезонной трансформации фотосинтетического аппарата вечнозелёных растений в течение года (Гаевский и др. 1991; Шавнин и др., 1993; Григорьев и др., 2002; Яцко и др., 2009; Пахарькова и др., 2010; Robacowski, 2005; Zarter, 2006).

Глава П. Объекты и методы исследований

Объекты исследования. Picea pungens Engl. "Glauca" ель колючая (интродуци-рованный вид) и Р. obovata. Ledeb. ель сибирская (аборигенный вид), повсеместно распространённый на территории Среднего Урала. Работу проводили на растениях в возрасте 35-45 лет. Для анализов было отобрано по 10 опытных деревьев каждого вида. Анализировалась хвоя второго года, собранная с побегов не затененной юго-восточной стороны кроны на высоте 1,5-2 м.

Район исследований. Район проведения исследований находится в южной части Среднего Урала. Продолжительность вегетационного периода составляет около 160 дней, средняя температура года равна +1 °С, а средпяя сумма температур выше 10 °С -1780. Исследуемые виды растений произрастают на территории Ботанического сада

УрО РАН, расположенного в городской черте, на окраине лесопарковой зоны г. Екатеринбурга.

Время и условия сбора образцов. Отбор образцов проводили ежемесячно, в течение 2001 и 2011 годов. Момепт перехода к положительным весенним температурам в 2001 и 2011 годах наступил в соответствии с многолетними наблюдениями в первой половине апреля. Осень 2001 характеризовалась менее продолжительным периодом сохранения высоких положительных температур относительно осени 2011 года (Уральское УГМС).

Определение параметров флуоресценции хлорофилла. Изучение сезонной динамики первичных процессов фотосинтеза проводили методом регистрации флуоресценции Хл а. Регистрировали ЗФ Хл а (в 2001 г.), термоиндуцированные изменения нулевого уровня флуоресценции (ТИНУФ) (в 2001 г.) и БФ Хл а (в 2011 г.).

Регистрацию миялисекундной ЗФ и нулевого уровня флуоресценции (F0) проводили раздельно с помощью флуориметра "Фотон-5м" (производство КрГУ). Длительность светового и темнового периодов работы фосфороскопа составляла 5.5 мс. ЗФ регистрировали после вспышек красного света (640-700 нм) с интенсивность -320 Вт/м . Флуоресценцию F0 возбуждали короткими импульсами сине-зелёного света малой интенсивности, которые подавались в конце каждого темнового периода. Длительность вспышки света в диапазоне 390-580 нм (светофильтр СЗС-22) при измерении F0 составляла 0,7 мс при частоте модуляции 90 Гц.

Индукцию ЗФ регистрировали при 24 °С. Температурные зависимости стационарного уровня F0 изучали в диапазоне 24-76 "С при скорости нагрева 4 град/мин. В качестве показателей ЗФ использованы:

1. F„=F„-FT - амплитуда замедленной флуоресценции, где Fm - максимальный уровень флуоресценции после включения действующего света, при полностью закрытых реакционных центрах; FT - интенсивность флуоресценции, при полностью открытых реакционных центрах ФС И. Параметр F„ характеризует потенциальные возможности первичных реакций фотосинтеза.

2. Параметр Kmax= Fa/(Fm„Jmin), где <nun=Si/i*'I1>mM включающей энергетический интегральный показатель (S), равный площади под индукционной кривой и максимальный уровень свечения флуоресценции (РПЛ1М). Параметр Vma характеризует среднюю скорость спада флуоресценции (Нестеренко и др., 1993).

Для описания ТИНУФ рассчитывалась относительная величина низкотемпературного максимума 1и=ФЛ1ГГ - (ФЛгз/ФЛщ.), где ФЛет - интенсивность флуоресценции при низкотемпературном максимуме; ФЛ25 - интенсивность флуоресценции при 25 "С; и соотношение низко- и высокотемпературного максимумов R2 = ФЛНТУФЛВТ, где ФЛет - интенсивность флуоресценции при высоко температурном максимуме (Гаевский и ДР, 1991).

Изучение переменной флуоресценции Хл а проводили с помощью флуориметра РАМ-2500 (Walz, Германия). Измеряли параметры БФ неотделённой от побегов хвои. Первое измерение флуоресцентных параметров проводили после 10-минутного периода темновой адаптации, а последующие - через каждые 5 мин после изменения уровня освещения. Действующий свет ступенчато увеличивали от 0 до 180 мкЕ/(м2с) с шагом в 30 мкЕ/(м2с). Регистрировали:

1. Fv/Fm=(Frn-Fo)/Fm — потенциальная фотохимическая эффективность ФС II, определяемая средневзвешенной величиной квантового выхода всех комплексов ФС П объекта, и отражающая количество активных комплексов.

2. Y(II)=(Fm-F)/Fm' - эффективный квантовый выход, как доля световой энергии, используемой комплексами ФСII в процессе электронного транспорта.

3. NPQ=(Fm/Fm')-l - нефотохимическое тушение флуоресценции, характеризующее скорость тепловой диссипации в комплексах ФС II.

Определение фазы фенологического развития. Фенологические наблюдения проводили в 2011 г., используя методические указания ряда авторов (Шкутко и др., 1974; Булыгия, 1974). Фиксировали сроки прохождения следующих фенофаз: набухание, разверзание генеративных и вегетативных почек, начало и окончание линейного роста побегов, начало и окончание цветения микростробилов.

Определение фотосинтетических пигментов. Количественное определение хлорофиллов а/Ь (Хл а/Ь) и каротиноидов проводили прямым спектрофотометрирова-нием ацетоновой вытяжки на спектрофотометре СФ-46 (Сапожников, 1978), в период с января по декабрь 2001 года. Содержание пигментов рассчитывалось на сухой вес.

Определение локализации пластид в клетках мезофилла хвоя. Изучение структуры клеток мезофилла проводили на препаратах не фиксированной хвои. На замораживающем микротоме "МЗП-1 Техном" из срединной части хвои выполнялись поперечные, радиальные и тангенциальные срезы толщиной 30 мкм. Микроскопиро-вание проводили на световом микроскопе Axioscop 40 (Zeiss) в вазелиновом масле, в том числе с использованием люминесценции.

Определение водного режима тканей хвои и побегов. Исследования водного режима проводили в течение 2001 г. Для определения общей оводнённости тканей навески побега и хвои высушивали при 105 °С (до постоянного веса). Расчёт оводнённости производился в процентах от сырого веса растительных тканей.

На рисунках приведены данные, представляющие собой среднее значение параметров со стандартной ошибкой, обработанные с помощью пакета прикладных программ Statistica 6.0.

Глава Ш. Сезонная трансформация фотосинтетического аппарата Picea pungens и Р. obovata на территории Ботанического сада УрО РАН (г. Екатеринбург) 3.1. Сезонные изменения БФ. Максимальная эффективность ФС И по величине Fv/Fm в летний период у обоих видов достоверно не различалась и составила 0,82-0,84 (Рис. 1). Осеннее снижение значений этого параметра у Р. obovata и Р. pungens началось в октябре и ноябре соответственно. Более интенсивно процесс осеннего снижения значений Fv/Fm происходил у Р. obovata с достижением минимальных значений в марте. У Р. pungens минимальные значения этого показателя были отмечены в январе

0,8

50,6

s

н

°0,4

В

|0,2 №

о"

Рис. 1. Сезонная динамика величины Fv/Fm P. pungens (1) и Р. obovata (2).

Ш

V VII месяцы

DC XI

и сохранялись до марта. Минимальные значения F-JFm у Р. obovata и Р. pungens составили 20% и 30% от максимального летнего уровня, соответственно.

Полученные данные согласуются с результатами изучения сезонной динамики Fv/Fm у подроста Р. obovata по уровню максимальных значений в летний период (0,82-0,85). Однако выявлено, что степень ингибирования ФСА по величине Fv/Fm в ранневесенний период значительно выше в наших исследованиях и составляет для Р. obovata 0,15, тогда как на территории подзоны средней тайги (г. Сыктывкар) 0,45 (Яцко, 2011). Эти различия, могут по видимому, объясняться увеличением континен-тальности климатических условий на Среднем Урале.

При анализе полученных данных выявлено, что значения Y(ü) находились на максимальном уровне: у Р. obovata с июля по октябрь, а у Р. pungens - с июня по ноябрь (Рис. 2, а, б). Межвидовые различия значений Y(II) в этот период были незначительны и практически не зависели от интенсивности света. Осенью началось снижение значений этого параметра, причем динамика изменений у Р. obovata была плавной и растянутой во времени, с достижением минимального уровня в марте. У Р. pungens осеннее снижение значений Y(II) произошло быстрее, и минимальный уровень был достигнут уже в январе. Уровень зимнего ингибирования величины параметра Y(II) составил для Р. obovata и Р. pungens соответственно 10% и 20% от максимума, достигнутого в течение года.

Picea obovata

б

Рис. 2. Сезонные изменения световых зависимостей квантового выхода ФС П (Y(II)) (а, б) и нефотохимического тушения флуоресценции (NPQ) (в, г) хвои. Измерения выполнены: 1 — июнь, 2 - август, 3 - ноябрь, 4 - январь, 5 - март.

Picea pungens

150 200 ФАР, мкЕ/(м2с)

200

Световые кривые №С> в летний период имели двухфазный характер (Рис 2, в, г). При включении воздействующего света слабой интенсивности наблюдалось небольшое увеличение значений №(3. После достижения порогового уровня интенсивности света 40-60 мкЕ/(м2с) у Р. obovata и 80-100 мкЕ/(м2с) у Р. pungens происходило резкое увеличение значений этого параметра. Ранее было высказано предположение, что двухфазная структура световых кривых связана с переходом хлоропластов из низкоэнергетического в высокоэнергетическое состояние (ЗЬатат е1 а1., 1999). В начале осени начались изменения уровня которые отразились в резком снижении значений на участке световой кривой с высокой интенсивностью света, и одновременно с этим началось возрастание на участке с низкой интенсивностью света, причем у Р. это увеличение было более значительным, чем у Р. obovata. Однако уже в

январе у обоих видов паблгодалось подавление и на участке с низкой интенсивностью света. В зимний и ранневесенний период уровень НР(3 значительно подавлялся у Р. оЬоуШа и мало зависел от величины ФАР, по сравнению с Р. pungens, у которой происходило постепенное, небольшое увеличение значений этого параметра по мере перехода к высокой освещённости и общее подавление значений ЫР(2 было не таким сильным.

Полученные результаты показывают, что активность первичных ППФ у исследованных видов в летний период не отличаются по показателям Ру/Тт, ИРС2 и У(П). Осеннее снижение значений этих параметров может быть связано с началом перехода растений в состояние физиологического покоя. Различия в начале осенних изменений фотохимической активности, по видимому, связаны с сезонной акклиматизацией к условиям среды.

Наблюдаемое в ноябре у Р. рищепа и в октябре у Р. оЬоуШа изменение №(} при низких освещённостях, свидетельствует о нарушении перехода ФСА из низкоэнергетического в высокоэнергетическое состояние. По-видимому, это связано с трансформацией мембранной структуры хлоропластов и функциональной активности цепи переносчиков при переходе растений в состояние «зимнего» (глубокого) покоя. Наблюдаемый в зимний и ранневесенний период у Р. рип§епз невысокий уровень фотохимической активности указывает на частичное сохранение работоспособного ФСА. В отличие от Р. рил^ею, регистрируемое в состоянии покоя у Р. оЬол'Ма более сильное снижение уровня ОТ(3 указывает на значительное подавление фотохимической активности, вплоть до полной деструкции ФСА (Ойапс1ег й а1., 1995). 3.2. Сезонные изменения ЗФ Хл а. В зимний период амплитуда индукционной кривой на участке О-Р минимальна за весь период годичных наблюдений, что определяет уровень минимальных значений параметра Б „, с декабря по февраль у обоих исследованных видов. На индукционной кривой при этом не выявляются переходные фазы О-1-О-Р, что свидетельствует о снижении активности ППФ в этот период (Рис. 3). Низкий уровень значений Рп свидетельствует об общем снижении потенциальной эффективности ФСА зимой. В течение всех зимних месяцев у Р. рип^епь и Р. оЪохМа регистрировалась низкая скорость спада флуоресценции и значительное увеличение времени достижения стационарпого уровня, что отразилось на минимальных значениях в этот период (Рис. 4).

В марте у ели колючей отмечается резкое увеличение Р„ (Рис. 3). Эти изменения существенно не влияют на значения параметров средней скорости спада (Г™) (Рис. 4), что связано с особенностью формы индукционной кривой в этот период (Рис. 3). В момент включения света наблюдался быстрый рост индукционного пика (О-Р) с достижением максимальных значений. После этого отмечался резкий кратковременный спад, а затем более медленное снижение интенсивности свечения с продолжительным периодом достижения стационарных значений, характерное для зимнего периода. Изменения , характеризующего активизацию ФСА, у ели колючей зарегистрированы только с апреля. Достижение уровня максимальных летних значений происходит в августе.

У Р. оЬочМа весенние изменения ФСА, приводящие к постепенному повышению Рш начинаются в марте - апреле, и увеличиваются до августа — сентября (Рис. 4). Скорость спада флуоресценции постепенно нарастет до июня, после чего отмечено резкое увеличение этого параметра до уровня максимальных значений, сохраняющихся в течение августа - сентября. Максимальная активность ППФ по всем анализируемым

параметрам индукционной кривой ЗФ сохраняется у ели колючей до октября и только в ноябре происходит её резкое снижение. Форма индукционной кривой в этот период не всегда повторяема в биологических повторностях и имеет полифазный вид. На участке Р-Т индукционной кривой наблюдались перегибы, в некоторых случаях сливающиеся с основным максимумом Р, либо кратковременные подъёмы Р' с различной амплитудой (Рис. 3).

Время, с.

Рис. 3. Сезонные изменения индукционных кривых ЗФ хвои: а - Р.рип^епз, измерения выполнены: 1 - январь, 2 - март, 3 - май, 4 - сентябрь, 5 - октябрь; б -Р. оЬоуШа: 1 - январь, 2 - апрель, 3 - июнь, 4 - сентябрь, 5 - октябрь. Стрелкой обозначено включение света. Вставка - схематическое изображение типичной индукционной кривой ЗФ листа (Корнеев, 2002).

Рис. 4. Сезонные изменения: а - амплитуды ЗФ (F„); б - средней скорости спада флуоресценции хлорофилла (f„„), в хвое Р. pungens (1) и Р. obovata (2).

Результаты проведённых исследований показывают, что в течение года трансформация ФСА, обуславливающая параметры индукции ЗФ у растений рода Picea характеризуется различными акклиматизационными стратегиями. Основные различия между видами елей определяются сроками начала и окончания активной фотосинтетической деятельности в вегетационный период. Зарегистрированные уровни интенсив-

ности ЗФ в летний период значительно не различаются, что свидетельствует о сходстве общего уровня структурно-функционального состояния ФСА в этот период для исследованных видов.

3.3. Сезонные изменения ТИНУФ. В зимний период у Р. оЬо\>а1а, при неполном подавлении (5-15% от максимального летнего значения) низкотемпературного экстремума, наблюдается значительное повышение свечения на участке высокотемпературного экстремума. В температурных зависимостях уровня Ко у Р. pungens также прослеживалось неполное подавление в зоне низкотемпературного пика, но в отличие от Р. оЪо\а1а, высокотемпературный участок уровня Р0 значительно менее выражен (Рис. 5). Начало увеличения отношения Ю (Рис. 6, а), характеризующего эффективность захвата возбуждения в реакционном центре ФС II (Гаевский и др., 1991), отмечено у Р. рищепя в марте. Максимальные значения были достигнуты в апреле и сохранялись вплоть до июня. У Р. оЬоуат увеличение Ш началось в апреле и было более плавным, максимальные значения наблюдались в июне. В период с июля по сентябрь у исследованных видов отмечено небольшое снижение Ш с выходом на плато, что возможно, связано с адаптацией фотосинтетического аппарата к высоким летним среднесуточным температурам. В октябре у Р. оЬоуШа и в ноябре у Р. рип%ет происходит резкое уменьшение Я1 с достижением предельно низкого уровня в ноябре и декабре соответственно (Рис. 6, а). Предельно низкие значения Л2, характеризующие состояние зимнего покоя, у Р. оЬотШ отмечепы в период с конца октября по март, а у Р. pungens - с декабря по февраль (Рис. 6, б) достоверные межвидовые различия в этот период свидетельствуют о большей глубине покоя у аборигенного вида, по сравнению с интродуцированным.

40 30 20

>

10

ФЛВТ а

0

12 24

48

60

72

24 36 48 60 72 Температура, "С

Рис. 5. Характерные температурные зависимости амплитуды Бо у P.pungens (а) и Р. оЬоуМа (б). Обозначения: ФЛ!ГГ - участок низкотемпературного максимума; ФЛВТ -уч. высокотемпературного максимума. Измерения выполнены: 1 - январь, 2 - март, 3 - июль, 4 - октябрь.

Причиной появлешга весеннего плато на графике 1*2 может быть замедление весенней реорганизации ультраструктуры хлоропластов, сопряженное с перераспределением пула фотосинтетических метаболитов в пользу новообразовавшейся хвои (Юшков, 1991; Робакидзе и др, 2000), либо выцветание молекул пигментов в период высокой солнечной активности при недостатке фотопротекторов. Весной наблюдается

увеличение 112, продолжающееся у Р. pungens с февраля до марта и у Р. оЬоуШа - с марта по май. В течение апреля - июня у Р.ри^еги и мая - у Р. оЬоуага отмечено замедление подъёма с выходом на плато. В мае у Р. оЬоуакг и в июне у Р. pungens значения И2 вновь увеличивались, за счет уменьшения амплитуды уровня Р0 в области высокотемпературного пика и сохранения максимального выхода флуоресценции на участке низкотемпературного экстремума. Сохранение максимальных значений 112 продолжалось у Р. оЬоуаШ до сентября-октября, а у Р. pungens - до ноября, далее происходило постепенное снижение Я2, завершающееся выходом на уровень минимальных значений (Рис. 6, б).

месяцы

Рис. 6. Сезонные изменения параметров ТИНУФ P.pungens (1) и Р. оЬогаШ (2): я-Я 1,6-112.

Известно, что до 80% ХБК ФС II и ССК П локализованы в участках плотных контактов тилакоидах гран, а ХБК ФС I расположен преимущественно в межгранных участках тилакоидов стромы (Ладыгин, 1998). Учитывая неравномерность распределения Хл-белковых комплексов ФС I и ФС II в мембранах тилакоидов по отношению низко- и высокотемпературным максимумам, можно оценить структуру организации мембран хлоропластов на уровне соотношения гранальных и межгранных участков (Гаевский и др., 1991). Таким образом, характер термограмм, регистрируемых в зимний период у изученных видов елей, может соответствовать агранальному типу организации хлоропластов, практически полностью лишенных структурных единиц ФС П. Это соответствует литературным данным об ультраструктурной организации хлоропластов у Р. оЬоуШа и Р. pungens в зимний период, в которых указывается на сохранение тилакоидной системы и её организации в виде парных и стромальных тилакоидов (Ладанова и др., 1992; Ходасевич, 1982).

По сравнению с результатами исследований ФСА методом ТИНУФ в г. Красноярске (Пахарькова и др., 2009), для Р. оЬоуШа на территории Среднего Урала отмечен переход от активной вегетации к осеннему снижению величины параметра 112 на месяц раньше (в октябре), весеннее повышение на месяц позже (в апреле), с меньшей глубиной физиологического покоя в зимний период. Причина подобных различий может заключаться в различных погодно-климатических условиях в периоды наблюдений. В то же время, одним из возможных факторов, влияющих на активность ППФ, может быть антропогенная стрессовая нагрузка в городской среде (Григорьев и др., 2002; Пахарькова и др., 2010).

Глава IV. Рост и развитие Picea pungens и Р. obovata на территории Ботанического сада УрО РАН (г. Екатеринбург)

4.1. Фенологические наблюдения. Проведённые исследования позволили установить, что сроки начала набухания почек у изучаемых видов елей варьируют в пределах одной педели. Наступление фазы набухания вегетативных почек первым отмечалось у P.pungens (11-13 V), а затем у P. obovata (14-16 V). Несмотря на раннее начало набухания, разверзание вегетативных почек P. pungens отмечено 27-30 V, что значительно позднее по сравнению с P. obovata (19-21 V). Фаза разверзания вегетативных почек более продолжительна у P.pungens (9-13 дней), что связано с долговременным сохранением пучка растущих хвоинок под плёнчатым колпачком из внутренних чешуй почки. Плёнчатый колпачок на почках P. obovata разрывался и слетал с растущих хвоинок за 5-7 дней, что позволяло быстро пройти фазы роста хвои в пучках, её обособления и начала линейного роста побега. Начало линейного роста побегов у P. obovata и P. pungens отмечено с 26-30 V и с 9-12 VI, соответственно. Окончание роста побегов у обоих видов наблюдалось в период с 28 VII по 3 VIII, с общей продолжительностью фенофазы у P. pungens 60 дней, а у P. obovata около 45 дней.

Фаза набухания генеративных почек началась одновременно с фазой набухания вегетативных почек. Продолжительность этой фенофазы была более скоротечна у P. obovata и составила 3-4 дня, а для P. pungens - 6-8 дней. Фаза разверзания генеративных почек составила у P. obovata 3-4 дня, и 7-8 дней для P. pungens. Начало «цветения» микростробилов у P. obovata отмечалось 20-23 V, а его продолжительность составила 4-5 дней. После этого колоски вытягивались и темнели за 2-3 дня. У P. pungens начало «цветения» микростробилов отмечено 26-28 V, что на 5-7 дней позже аборигенного вида. Общее время прохождения фенофаз развития мужской генеративной сферы у P. obovata составило - 13-16 дней, а у P. pungens более продолжительный период - 22-26 дней.

Таким образом, за период наблюдений активное весеннее начало ростовых процессов отмечается немногим ранее у интродуцированного вида P. pungens, чем у аборигенного вида P. obovata. Сроки прохождения фенофаз развития мужской генеративной сферы у аборигенного вида сжаты, у интродуцента — более растянуты во времени. Задержка с пылением у P. pungens может быть связана с полным развитием пыльцевых зёрен, для которого необходима сумма положительных температур 360 °С, в то время как для P. abies - 250 °С (Кищенко, 2002). Окончание линейного роста побегов происходит практически одновременно, что свидетельствует о возможном сходстве регуля-торного фактора, ингибирующего ростовые процессы. Активизация и окончание процессов побегообразования не отразились на параметрах БФ Хл, что может быть связано с изменением точки акцептирования продуктов фотоассимиляции.

4.2. Сезонные изменения пигментного фонда. Минимальный сезонный уровень содержания Хл (а+6) у исследованных видов выявлен в марте-апреле (0,6-0,8 мг/г) (Рис. 7). С мая идет постепенное повышение содержания Хл аи4и достижение его максимальных значений у P. obovata — в октябре (1,6±0.13 мг/г (при р< 0.05)), и P.pungens — в ноябре (1,9±0.15 мг/г (прир< 0.05)) Это, возможно, определяется снижением донорной нагрузки после окончания ростовых процессов и увеличением уровня самообеспеченности фотосинтезирующих клеток мезофилла хвои продуктами фотосинтеза. В результате, в ранне-осенний период в фотосинтезирующих клетках может

увеличиваться фотодыхание и метаболизм гликолата, определяющего активный синтез фотосинтетических пигментов (Чиков, 1987). В поздне-осенний период отмечается снижение общего содержания Хл, сопряженное с полным или частичным разрушением хлоропластов (Генкель и др., 1964). У Р. оЬо\>Ша снижение начинается на месяц раньше по сравнению с Р. рип^ет.

В ранне-весенний период у Р. ри^епв и Р. оЪоуаХа рост отношения Хл а/Хл Ь происходил в первую очередь за счёт большей деструкции Хл Ь. Учитывая, что практически весь Хл Ъ содержится в ССК П (Ладыгин. 1998), это указывает на преимущественное выцветание ССК по сравнению с ХБК ФС в этот период. Летом максимальные величины отношения хлорофиллов достигались у исследованных видов за счёт увеличения синтеза Хл а. Снижение отношения Хл аГКл Ь ранней осенью определялось замедлением образования Хл я и увеличением содержания Хл Ь, что характеризует переход от "светового" типа в весенне-летний период к "теневому" типу организации ФСА осенью.

2,6

3 о и Я 8 1,8

£ и

^1,4 и 2

0,8

I Ш V VII IX XI I Ш V VII IX XI

месяцы

Рис. 7. Сезонные изменения пигментного фонда у Р. pungens (1) и Р. obovata (2): а -общее содержание Хл (а+Ь), б - содержание каротиноидов.

Сезонный минимум количества каротиноидов наблюдается в период цветения обоих видов исследованных елей, в конце мая - начале июня (0,7±0.15 мг/г (при р< 0.05)) (Рис. 7). Возможно, это связано с направленностью процессов синтеза в сторону образования белков, полисахаридов и других веществ (Климов, 2008), а также с расходом значительной части каротиноидов на формирование пыльцевых зерен (Оллыкай-нен и др., 1967). В течение лета синтез каротиноидов усиливается и у Р. obovata их содержание достигает максимального значения в октябре (1,0±0.1 мг/г (при р< 0.05)), а у Р. pungens - в ноябре (1,15±0.16 мг/г (при/К 0.05)).

Осенне-зимнее увеличение содержания каротиноидов сопряжено с увеличением содержания хлорофиллов, что связано с участием каротиноидов в тепловой диссипации энергии возбуждения у молекул хлорофилла при увеличении фотодинамической нагрузки на ФСА в этот период (Головко и др., 2010).

4.3. Сезопные изменения локализации пластид. Изучение особенностей клеточной структуры в течение года не выявило значимых межвидовых различий в особенностях механизма изменения локализации пластид в клетках, а также в календарных сроках начала и окончания этого процесса у обоих видов.

На поперечном срезе хвоя исследованных видов имеет ромбовидную форму. Ассимиляционная ткань представлена мезофиллом, состоящим из крупных, округлых клеток, плотно облегающих центральный проводящий пучок. Складчатость клеточных стенок слабая, невыраженная. На продольном срезе хвои наблюдалось множество относительно параллельных рядов клеток, образующих последовательные слои толщиной в 1-2 клетки, ориентированные перпендикулярно проводящему пучку и радиально расширяющихся от проводящего пучка к эпидерме в поперечном сечении хвои. Соседние клеточные слои не имели плотных контактов и были разделены межклеточным пространством (Рис. 8, г). Клетки, расположенные в одном клеточном слое, имели плотные контакты друг с другом. В области плотного контакта клеточных стенок просматривалось большое количество поровых каналов, образующих кольцеобразное поровое поле вокруг клетки (Рис. 8, д).

Рис. 8. Поперечные, радиальные и тангенциальные срезы хвои Picea pungens и Р. obovata: а - поперечный срез хвои (снимок в ультрафиолетовом свете), локализация пластид по всей наблюдаемой площади клетки; б - поперечный срез хвои, начало процесса скучивания хлоропластов (октябрь); в - поперечный срез, образование плотных шарообразных скоплений - пластидных конгломератов (февраль); г - радиальный срез хвои, множество последовательных клеточных слоев с просматриваемыми в них ЛПП (июль); д - радиальный срез, клетки без протопласта, поровые поля на стенках клеток, расположенных в одном клеточном слое; е - тангенциальный срез, процесс слияния ЛПП вдоль плоскости клеточной стенки (октябрь). Здесь и на рис. 3: ТЛП -торообразная локализация пластид, СХ — скопление хлоропластов, ПК - пластидный конгломерат, Пп - проводящий пучок, ЭП - эпидерма, ЛПП - локальные профили пластид, УПП - участок порового поля, Т - тяж, X - хлоропласты, Я - ядро клетки. Масштабные линейки, мкм: а, б, в, д - 50; г - 10; е - 10.

В вегетационный период (май — август) на поперечных срезах хлоропласты равномерно распределялись по всей наблюдаемой площади клетки. Кроме этого, наблюдались клетки, у которых расположение хлоропластов могло иметь форму горообразной локализации (Рис. 8, а). В этом случае хлоропласты размещались равномерно по

всему периметру клеточных стенок за исключением небольшого участка центральной части клетки. Торообразная локализация хлоропластов в клетке в большей степени наблюдалась на поперечных срезах в срединных и центральных участках хвои.

В летний период на радиальных срезах хвои отмечено, что на видимой плоскости сечения клеток мезофилла хвои хлороиласты размещались в один ряд, но не во всём объёме клетки и вдоль клеточных стенок, а строго вдоль двух латеральных клеточных стенок (Рис. 9, а). При этом пластиды не наблюдались в зоне порового поля клетки и в области соприкасающихся стенок клеток в одном клеточном слое. Таким образом, в клетке, вдоль двух латеральных стенок, обращенных в сторону межклеточного пространства, сгруппированные хлоропласты формировали два плоских локальных пла-стидных профиля (ЛПП). Срединная часть клетки между двух ЛПП в области порового поля была прозрачна и, предположительно, занята большой центральной вакуолью. Ядро было прижато к латеральной клеточной стенке и располагалось в одном из ЛПП. Локализация хлоропластов на тангенциальных срезах в этот период была аналогична наблюдениям на радиальных срезах.

Рис. 9. Этапы скучивания хлоропластов, отмеченные на радиальных срезах хвои: а -июль, локализация хлоропластов в локальных пластидных профилях вдоль латеральных клеточных стенок; б - август, начало процесса перемещения хлоропластов; в -сентябрь, образование тяжа между локальными пластидными профилями; г - октябрь, перемещение ядра в область порового поля клетки; д - ноябрь, стягивание пластид к ядру; е - февраль, образование плотного пластидного конгломерата. Масштабные линейки - 50 мкм.

Первые изменения во внутренней структуре клетки, предположительно связанные с началом процесса скучивания пластид, наблюдаются на радиальных срезах хвои, при появлении тонких Н-образных тяжей между ЛПП в экваториальной части клетки (Рис. 9, б, в). Встречаемость этих образований в августе носит единичный характер. В сентябре количество клеток с начальными этапами процесса релокализации пластид на радиальных срезах увеличивается, но изменений в расположении пластид на поперечных и тангенциальных срезах не наблюдается. Отхождение пластид от периферии клетки, наблюдаемое на поперечных срезах хвои, фиксируется только с начала октября

(Рис. 9, б), в то же время на радиальных срезах хвои отмечаются клетки с протопласт-ными тяжами шириной 6 ± 2 мкм, содержащими либо ядро, либо небольшие группы хлоропластов (Рис. 9, г). На тангенциальных срезах, выполненных в этот период, отмечается, что ядро смещается из одного из ЛПП и занимает промежуточное положение между ними, при этом оно прижато к одной из стенок в области порового поля клетки. В период с ноября по декабрь у большинства клеток, примыкающих к проводящему пучку, на радиальных срезах хвои наблюдается увеличение ширины тяжа между ЛПП до 9±2 мкм. Внутри тяжа локализуется ядро и большое количество хлоропластов (Рис. 9, д). На тангенциальных срезах в этот период отмечается слияние локальных пла-стидных профилей путём перемещения пластид вдоль клеточных стенок к ядру (Рис. 8, е). На поперечных срезах хвои также наблюдается значительное стягивание хлоропластов с образованием рыхлого скопления вокруг ядра, прижатого к клеточной стенке.

В феврале на поперечных срезах отмечено, что скопление пластид значительно уплотняется, образуя пластидный конгломерат (ПК) (Рис. 8, в). Отдельные хлоропласта уже не просматриваются, однако при повреждении ПК видно, что пластиды сохраняют свою дискретность. ПК принимает шарообразную форму, отходит от клеточной стенки и занимает центральное положение в клетке. На радиальных срезах в этот период зафиксировано значительное перераспределение объёма протопласта из ЛПП в к разрастающемуся тяжу. Весь объём протопласта, содержащего плотно упакованные пластиды и ядро, сосредоточен в экваториальной часта клетки (Рис. 9, е). Контакт ПК с участком латеральных клеточных стенок сохраняется лишь частично, и структура конгломерата принимает плотную шарообразную форму. На тангециальных срезах также отмечается образование плотного ПК прижатого к клеточной стенке, или в отдельных случаях занимающего центральное положение в клетке.

Подобная структура клетки сохраняется до марта. В большей степени процесс релокализации хлоропластов отмечен в клетках толщиной 30-40 мкм, расположенных в области проводящего пучка, и практически не затрагивает клетки толщиной 15-20 мкм, находящихся в субэпидермальных клеточных слоях. При переходе к активной вегетации в весенний период процесс расхождения пластид происходит очень быстро в апреле. Первыми в область латеральных стенок, обращённых к межклеточному пространству, перемещаются хлоропласты, затем ядро смещается в один из локальных пластидных профилей. К концу апреля у Р. pungens наблюдается уже полностью летняя структура клетки, а у Р. оЪо\Ма этот процесс проходит с небольшим запаздыванием.

По результатам электронной микроскопии в литературе описано наличие в клетках хвои елей на протяжении всего года большой центральной вакуоли (Ладанова, 1992; Загирова, 1999). В случае роста тургорного давления при снижении осмотического потенциала большая центральная вакуоль оказывает механическое воздействие на хлоропласты путём поджимания их к стенке клетки. В результате в клетке формируется оптимальное распределение плаетидома и цитозоля в пластичной форме клетки, с учётом возможности прогибания плоскости латеральных клеточных стенок в область межклеточного пространства. Образование торообразной локализации пластид также может быть связано с значительным прогибанием центральной части латеральной клеточной стенки, обладающей наибольшей степенью возможного искривления, в область межклеточного пространства и образованием участка плотного контакта с клетками из выше-, и нижележащих слоев. В результате, в месте контакта клеточных степок, может образовываться «пятно» со сниженным уровнем диффузии С02, в котором отсутствуют хлоропласты.

Уровень осмотического потенциала клетки в значительной степени зависит от содержания водорастворимых углеводов в клетке, варьирующих в течение года (Soikelli, 1980). Отмечено, что в хвое второго года у елей в летний период содержание моно- и полисахаров снижается, с постепенным повышением их содержания осенью, и достижением максимального уровня в зимний период (Neish, 1958; Хлебникова и др., 1963; Новицкая, 1971; Кшценко и др.,1997; Робакидзе и др., 2000). Одним из следствий этих сезонных изменений может являться снижение осмотического потенциала в осенне-зимний период в тканях хвои (Beadle et al., 1978; Soikelli, 1980). Депонирование Сахаров происходит преимущественно в вакуолярном компартменте клетки, что формирует снижение осмотического потенциала и увеличение гидростатического давления (Kivimaenpaa et al., 2003). Таким образом, активная ассимиляционная работа ФСА при снижении скорости оттока углеводных метаболитов из клетки в осенний период может обуславливать перераспределение объёмов цитозоля и вакуолярного компарт-мента с последующим изменением внутриклеточной структуры (Андреев, 2001). В процессе перемещения хлоропластов от латеральных клеточных стенок к ядру, возможно обусловленного внутриклеточным накоплением Сахаров, происходит снижение фотосинтетической активности. Образование ПК в клетке сопряжено с минимальным уровнем функциональной активности ППФ (Овсянников и др., 2014).

4.4. Сезонные изменения водпого режима. На протяжении всего года оводнённостъ хвои P. pungens была выше по сравнению с Р. obovaía. Минимальная оводнённостъ хвои в сезонной динамике отмечена в период с мая по июнь, и составила у Р. pungens 48±1.2% (при р< 0.05), а у аборигенного вида P. obovata - 45±1.4% (при р< 0.05). С августа у обоих видов отмечалось постепенное увеличение содержания воды с достижением максимальных значений в зимний период до 59±0.8% (при р< 0.05) у Р. pungens и 56 ±1.4% (при/К 0.05) у Р. obovata. Начало постепенного снижения общей оводнённости, при наступлении вегетационного периода, зафиксировано у обоих видов с марта (Рис. 10). В отличие от хвои, сезонная динамика оводнённости побегов не различалась между видами и характеризовалась уровнем минимальных значений в зимний период (45-47%) и максимальным содержанием воды летом (56-58%) (Рис. 10).

месяцы

Рис. 10. Аппроксимация полиномиальной зависимостью сезонной динамики общей оводнённости Р. pungens (1) и Р. obovata (2): а - хвоя, б - побег.

Одним из основных факторов, обеспечивающих значительный уровень оводнён-ности растительных тканей, является высокое содержание осмотических активных веществ, способных связывать значительное количество воды: моно- и олигосахаридов в вакуоли и гидрофильных коллоидов белковой природы в цитоплазме клетки (Усма-нов и др., 2001). Накопление этих веществ обуславливает снижение осмотического потенциала, и поступление воды в клетку (Медведев, 2013). В связи с этим, увеличение общей оводнённости хвои в ранне-осенний период может быть связанно с сохранением высокой фотосннтетической активности, обеспечивающей синтез Сахаров и уменьшении оттока фотоассимилятов из клетки. Поддержание высокой оводнённости хвои в зимний период - с отсутствием транспирации (Золотёнков, 1969; Чубарян и др., 1965).

Заключение

В течение года ФСА растений претерпевает сезонную струкгурно-функциопальную трансформацию, обеспечивающую связь между потенциальной фотосинтетической способностью и сезонной потребностью в продуктах фотосинтеза у растения и включающую перераспределение потока фотоассимилятов между различными точками акцептирования.

Максимальная степень ингибирования работы ФСА в течение года у исследованных видов елей приходится на февраль-начало марта. Пластиды в клетке образуют скопление, что может обуславливать значительное снижение ассимиляции CO¿ (Tanaka, 2007). Во впутренпей структуре хлоропластов преобладает «агранальный» тип организации. Изменяется мембранная структура тилакоидов, что ведёт к уменьшению активности цепи переносчиков между фотосистемами. На уровне ППФ это проявляется в значительном снижении потенциальной фотосинтетической эффективности. Полученные результаты свидетельствуют о сопряженности сезонных структурно-функциональных изменений ФСА хвои. Анатомические и физиологические показатели этих изменений могут использоваться для диагностики глубины «зимнего» (глубокого) покоя у исследованных видов.

Более ранние сроки весенней активации первичных процессов фотосинтеза у ин-тродуцированного вида Р. pungens свидетельствуют о работе эффективных физиологических механизмов репарации ФСА хлоропластов и, как следствие, об ускорении выхода из состояния «зимнего» покоя относительно аборигенного вида Р. obovata. Данное явление может служить показателем различий в акклиматизационных стратегиях при сезонных изменениях условий среды.

В апреле ФСА елей претерпевает структурные и функциональные изменения, способствующие повышению его активности. Пластиды занимают в клетке положение вдоль латеральных клеточных стенок, в непосредственной близости от межклеточного пространства. В хлоропластах восстанавливается «гранальная» структура с увеличением количества участков мембран содержащих ФС П. Параметры потенциальной фотохимической эффективности и активности переносчиков электронов между фотосистемами увеличиваются и выходят на уровень, характерный для периода летней вегетации. Однако, по результатам наших фенологических наблюдений для исследованных видов и по литературным данным (Ладанова, 1992), описывающим период интерка-лярного роста в меристиматических тканях хвои, активация ростовых процессов начинается на месяц позднее. Невыраженность зон акцептирования в этот переходный период может формировать в хлоропластах избыток продуктов ассимиляции и снижать скорость электронного транспорта между фотосистемами, а также ингибировать

фотосинтез в целом (Пьянков и др., 1994). В данном случае замещающим акцептором -демпфирующей системой, снимающей окислительный стресс и восстанавливающей гомеостаз ФСА, может быть, отмеченное в литературе у ели (Кшценко, 2000; Робакид-зе, 2000) активное накопление крахмала.

Начало развития вегетативных и генеративных побегов — периода «активного» роста, у исследованных видов происходит практически одновременно в мае. В этот период регистрируемые параметры процесса тушения флуоресценции хлорофилла и квантовый выход ФС П характеризуются максимальным уровнем значений. В летний период оводнённость хвои низкая, а побегов - высокая. Окончание развития генеративной сферы в июне и линейного роста побегов в августе не отразилось на параметрах флуоресценции хлорофилла. Сохранение максимально высокой активности ФСА в этот период, вероятно, связано с балансовым перераспределением потока фотоассими-лятов в направлении корневой системы (Юшков, 1991), дифференциацией тканей проводящей системы (Генкель, 1964) и закладкой почек (Ладанова, 1992), которые характеризуют период «скрытого» роста.

В начале осени, в условиях снижающихся среднесуточных температур и продолжительности светового дня, максимальные значения потенциальной фотохимической эффективности свидетельствуют о сохранении активного состояния ФСА у аборигенного вида до сентября-октября, и до ноября - у интродуцированного вида ели. Водный режим в осенний период характеризовался уменьшением содержания воды в побеге и увеличением оводнённости хвои, при этом водоудерживающая способность тканей возрастает. Вероятно, это связано с увеличением количества растворённых углеводных и высокомолекулярных коллоидных веществ (Кшценко, 2000), снижающих осмотический потенциал клетки. Процесс перемещения и скопления хлоропластов вблизи ядра, предположительно, может быть обусловлен избирательной локализацией и накоплением в клетке осмотически активных соединений, формирующих различное гидростатическое давление в вакуолярном и цитозольном компартменте. Максимальный сезонный уровень содержания хлорофиллов и сохранение содержащих ФС П мембранных структур хлоропластов, на которое указывают данные регистрации ЗФ, может объясняться сбросом углеводных продуктов метаболизма на внутриклеточный синтез бел-ково-липидных мембранных компонентов ламелярной системы и новых хлоропластов (Климов, 1990). Таким образом, акцепторная функция точек «скрытого» роста в течение осени снижается и происходит переориентация клетки с экспорта на внутриклеточное использование фотоассимилятов, сопряжённое с процессами закаливания (Туманов, 1979), которые способствуют подготовке растения к отрицательным температурам в зимний период.

Выводы

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Методом регистрации параметров флуоресценции хлорофилла а установлено, что весеннее увеличение активности первичных процессов фотосинтеза происходит раньше и снижение при уходе в зимний покой - позже, у интродуцированного вида Р. pungens, относительно аборигенного вида Р. оЬохМа, что может свидетельствовать о различных акклиматизационных стратегиях в условиях сезонных изменений внешней среды на Среднем Урале.

2. На территории Ботанического сада УрО РАН (г. Екатеринбург) сроки начала и окончания периодов активного роста побегов у исследованных видов практически не различаются и не влияют на активность первичных процессов фотосинтеза. Продол-

жительность прохождения фаз генеративного развития у аборигенного вида характеризуется более сжатыми сроками относительно интродуцированного вида ели.

3. Установлено, что в течение года общее количество хлорофиллов и каротино-идов в хвое повышалось до максимального уровня поздней осенью и снижалось на 20% у Р. obovata и на 30% - у Р. pungens в ранневесенний период.

4. Снижение функциональной активности первичных процессов фотосинтеза в зимний период составляет у Р. pungens около 70% и 80 % у Р. obovata от годичного максимума, что свидетельствует о проявлении большей глубины «зимнего» (глубокого) покоя растений у аборигенного вида ели.

5. Процесс активного перемещения хпоропластов и ядра в осенне-зимний период сопряжен с началом снижения параметров интенсивности флуоресценции. Максимальное снижение функциональной активности ФС П совпадает с периодом наблюдения в клетках наибольшего скучивания хпоропластов в феврале-марте.

6. Сезонная амплитуда изменений оводнённости тканей хвои составляет 1015%, и побегов 5-7%. Характер изменений оводнённости тканей хвои и побегов у исследованных видов имеет антибатную направленность, с высокой увлажнённостью побегов и низкой в хвое - летом, и низкой увлажнённостью побегов и высокой хвои -зимой, что может быть связанно с избирательной локализацией продуктов фотосинтеза в тканях растений в течение года.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Овсянников. А. Ю. Сезонные изменения термоиндуцированных переходов нулевого уровня флуоресценции хлорофилла у интродуцированных и местных видов растений рода Picea на среднем Урале. / А. Ю. Овсянников, С. А. Шавнин // Хвойные бореальной зоны. - 2013. - XXXI. - № 3-4. - С. 67-70.

2. Овсянников. А. Ю. Сезонная динамика водного режима растений рода Picea на Среднем Урале / А. Ю. Овсянников, С. А. Шавнин // Известия ОГАУ. - 2013. - № 6(44). - С. 190-193.

3. Овсянников, А. Ю. Сезонные изменения активности фотосистемы II и локализации хлоропластов в клетках хвои растений рода Picea (PINACEAE) / А. Ю. Овсянников, Л. А. Семкина // Бот. журн. - 2014. - Т. 99, № 9. - С. 977-988.

Статьи в прочих изданиях:

4. Овсянников. А. Ю. Осенне-зимние изменения фотосинтетического аппарата у растений рода Picea / Биология - наука XXI века: Тезисы 6й Пущинской школы-конференции молодых учёных (20-24 мая 2002). Пущино, 2002. - С. 27.

5. Овсянников. А. Ю. Динамика сезонных изменений пигментного комплекса у Picea pungens и Р. obovata / Популяционная экология и интродукция растений: Тр. Ботанического сада УрО РАН, вып. 2. - Екатеринбург. - 2003. - С. 124-130.

6. Овсянников. А. Ю. Сезонные изменения пигментного состава у Р. pungens и Р. obovata / Исследования молодых ботаников Сибири: Тезисы докладов II молодёжной конференции. Новосибирск. - 2004. - С. 47-48.

7. Овсянников. А. Ю. Использование флуоресцентных параметров хлорофилла для описания физиологического состояния фотосинтетического аппарата хвои деревь-

ев рода Picea / Экологические механизмы динамики и устойчивости биоты: Мат. Конференции молодых учёных (19-23 апреля 2004). Екатеринбург. - С. 162-164.

8. Овсянников. А. Ю. Сезонные изменения термоиндуцированных кривых флуоресценции хлорофилла у растений рода Picea: Мат. I (IX) межд. конф. молодых ботаников в Санкт-Петербурге (21-26 мая 2006). Санкт-Петербург. - 2006. - С. 177.

9. Овсянников. А. Ю. Использование флуоресцентных параметров хлорофилла для описания первичных процессов фотосинтеза на примере растений рода Picea / Биоразнообразие растительного мира: Мат. IV молод, науч. семинара, - Екатеринбург. -2006.-С. 50-55.

10. Овсянников. А. Ю. Видовые особенности адаптационного потенциала растений рода Picea в условиях интродукции на Урале: Современные проблемы интродукции и сохранения биоразнообразия: Мат. Межд. Науч. конф (26-29 июня 2007), Воронеж. - Издательско-полиграфический центр Воронеж. Гос. унив. - 2007. - С. 223-227.

11. Овсянников. А. Ю. Видовые особенности адаптационного потенциала растений рода Picea / Биологическое разнообразие. Иптродухция растений: мат 4й Межд. науч. конф. (5-8 июня 2007). Санкт-Петербург. - 2007. - С. 66-67.

12. Овсянников. А. Ю. Использование медленной индукции флуоресценции хлорофилла для изучения фотосинтегического аппарата у местных и интродуцированных видов растений рода Picea / Итоги интродукции и селекции травянистых растений на Урале: сб. науч. ст., вып. 2, Изд. Ур Унив. - Екатеринбург. - 2008. - С. 171-179.

13. Овсянников. А. Ю. Морфофизиологическая периодичность растений рода Picea в условиях интродукции на Урале / Актуальные проблемы биологии и экологии: мат. докл. XV Всеросс. мол. науч. конф. (14-18 апреля 2008). Т. Ш. Сыктывкар. - 2008. -С. 213-215.

14. Овсянников. А. Ю. Использование флуоресцентных параметров хлорофилла для описания физиологического состояния фотосинтетичсеского аппарата хвои растений рода Picea / Актуальные проблемы биологии и экологии: мат. докл. XVIII Всеросс. мол. науч. конф. (4-8 апреля 2011). Сыктывкар. - 2011. - С. 262-265.

15. Овсянников. А. Ю. Особенности клеточной ультраструктуры хвои растений рода Picea в зимний период: тез. докл. П (X) Междун. ботан. конф. мол. уч. в Санкт-Петербурге (11-16 ноября 2012). Санкт-Петербург. - 2012. - С. 50.

Подписано в печать 11.03.2015. Формат 60*90 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 142. Отпечатано в типографии ИПЦ УрФУ 620000, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4