Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сезонные изменения теплоустойчивости клеток некоторых растений Туркменистана

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Сезонные изменения теплоустойчивости клеток некоторых растений Туркменистана"

ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ И БИОФИЗИКИ РАСТЕНИЙ АКАДЕМИИ НАУК ТАДЖИКСКОЙ ССР

На правах рукописи

КАРЫЕВА ОГУЛСОНА

УДК 531.17.036 (475.4)

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ КЛЕТОК НЕКОТОРЫХ РАСТЕНИЙ ТУРКМЕНИСТАНА

(03.00.12 — физиология растений)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ДУШАНБЕ — 1991

Работа выполнена в лаборатории цитоэкологии Иститута ботаники АН Туркменской ССР.

Научный руководитель —

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник А. Язкулыев.

Официальные оппоненты:

академик АН ТаджССР, доктор биологических наук, профессор Ю. С. Насыров;

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. Л. М. Махмадбекова.

Ведущее учреждение — Ботанический институт им. В. Л. Комарова АН СССР.

Защита диссертации состоится «-¿¿¡Г Г'

часов на заседании специализированного совета Д 013.08.01 при

Институте физиологии и биофизики растений АН Таджикской ССР (734063, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. И. Ганди АН Таджикской ССР.

Автореферат разослан «^ » ^иЩ^Л 1991 г-

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Р. И, ЧЕРНЕР

Актуальность теш. Способность живых организмов существовать в широком температурном диапазоне связана о. выработкой приспособлений, реализуерос на разных уровнях (молекулярном, клеточном, органном и др.), что обуславливает необходимость "расчленения" сфер исследований, без чего не возможно понимание и полноценное решение общебиологической проблемы - проблемы адаптаций. Изучение приспособлений организмов на клеточном уровне является предметом цитоэкологии. Одним из важных разделов ее было и остается изучение адаптации клеток к температуре среды, определяющей возможность существования организмов а распределения их по всей планете. Именно поэтому исследование температурных адаптаций клеток находится под пристальным вниманием-специалистов, работающих как на ботаническом, так и на зоологическом материале.

Изучение природы, механизма теплового воздействия на клетки представляет наибольший интерес для решения названной проблемы. Совершенно недостаточно исследован механизм воздействия экстремальных температур на клетки растений в природных условиях - в различных популяциях и местообитаниях. Одним из возможных'путей выявления адаптивного эффекта после такого воздействия на клетки является сравнительное исследование их теплоустойчивости. В данной работе исследована теплоустойчивость клеток растений, произраставших в специфических условиях Туркменистана, дум которого характерен особенно жаркий, сухой, резко континентальной климат.. Основное внимание было уделено изучению возможных изменений теплоустойчивости различных клеточных и тканевых функций у типичных представителей флоры Туркменистана.при различных тешег ратурных условиях среды.

Изучались первичная теплоустойчивость клеток* и их ре-параторная способность при тепловом повреждении. Величина первичной теплоустойчивости является косвенным мерилом на только устойчивости протоплазматических белков, но а их кон-

хПод первичной теплоустойчивостью клеток понимается та их устойчивость к нагреву» которая определяется сразу поола. действия интенсивных краткосрочных нагревов, когда сводятся к минимуму результаты деструктивного последействия, репарации я адаптации.

формавдонной гибкости. (Александров, 1975). Следовательно,изучение связи температурной экологии вида с первичной теплоустойчивостью клеток способствует пониманию как клеточных, так в молекулярных механизмов адаптации растений.

' Цель и задачи исследования. Основной целью нашей работы являлось исследование адаптаций ранее не изученных или мало изученных раатений к температуре среды на клеточном уровне в специфических условиях климата Туркменистана. В лабораторном эксперименте было показано, что теплоустойчивость различных клеточных функций по-разному реагирует на колебание температуры ореды в толерантной зоне. Необходимо было выяснить поведение различных клеточных функций в климатических условиях аридной зоны Туркменистана - в природных условиях - при колебаниях температуры воздуха в разные сезоны и в разное время суток.

Для достижения поставленной цели методами цитофизиологии и цитохимии решалдоь следующие задачи:

- сравнение уровня теплоустойчивости клеток систематически близких видов, различающихся температурными условиями существования, по подавлению различных клеточных функций при нагревах ;

- характеристика сезонной и суточной динамики теплоустойчивости различных клеточных функций у представителей семейств злаковых и-парнолистюосовых;

.- изучение сезонного и суточного изменений сепараторной способности клеток у летневегетирунцего вида из семейства злаковых;

. - исследование влияния низких положительных и отрицательных температур воздуха на теплоустойчивость различных клеточных функций двух видов зимнезеленых раотений.

Научная новизна. Впервые патофизиологическими и цитохи-. мическиш методами на не изученных или мало изученных видах флоры Туркменистана выявлены закономерные сезонные и суточные изменения теплоустойчивости различных клеточных функций -. движение цитоплазмы, способнооти протоплазмы к плазмолизу, реакции восстановления соли 2,3,5 - трифенилтетразолия хлористого внутриклеточными дегидрогеназами. Наибольшие значения тепло устойчивости изученных клеточных функций, находили летом, в дне вныв часы, козйа максимальная температура дня достигала

35-4Ü °С и более. Теплоустойчивость их в.этот период значительно выше по сравнению с таковой весной и осенью.

Способность клеток репарировать тепловое повреждение у тростника стимулируется высокой температурой летнего сезона, что выражается в повышении скорости репарации.

Температурный оптимум фотосинтеза весной у летневегетиру-ющего вида ниже, чем летом и осенью. У изученных растений выявлено повышение первичной теплоустойчивости фотосинтеза летом.

Одним из основных факторов, обуславливающих сезонные и суточные изменения теплоустойчивости различных клеточных функций, является температура местообитания растений.

Теоретическая и практическая значимость. Закономерности, выявленные по изменению теплоустойчивости клеточных функций, значительно отличающихся по чувствительности к температуре нагрева, в различных температурных условиях, важны для понимания путей адаптации растений к температуре среда в специфических условиях аридной зоны Туркменистана. Новые данные, содержащиеся в настоящей работе, могут найти применение в систематике, физиологии, экологии, при чтении спецкурсов по общей цитологии и цитоэкологии и другим предметам, а также для решения вопросов интродукции растений. ' •

На защиту выдвинуты следующие положения:

I, Сезонная и суточная динамика тешюустойчивости различных клеточных функций у двух летневегетирующих видов phreg-ffliöes australis И Tribulus terrestrls обуславливается ИЗМенениями температуры воздуха в местах их обитания.

• 2. Различные клеточные функции зийнезеленых видов Роа ЪиХЪоаа и bigustrum vulgare неодинаково реагируют по тепло— устойчивости на влияние низких положительных и отрицательннх температур.

3. Под влиянием естественной 'тепловой закалки стимулируется репараторная способность клеток летневегетируицего вида Phragmites außtralls.

4. Сдвиги температурной зависимости и теплоустойчивости фотосинтеза двух Летневегетирующих ( Phragmites auefcralis и Тг1Ъц1ив terrestrls) и одного зимнезеленого (Роа Ъи1Ъоаа ) видов вызываются изменениями температуры окружающей среды.

Апробация -работы. Основные результаты диссертации доложены на У11 Республиканской научной конференции молодых ученых Туркменистана (Ашхабад,1984), У1 научной конференции молодых ученых Института ботаники и Центрального ботанического сада АН Туркменской ССР (Ашхабад,1985), У Всесоюзной конференции по проблемам комплексного изучения и освоения пустынь СССР (Ашхабад ,1986), Объединенном совещании Совета по координации научной, деятельности Отделения общей биологии АН СССР, бюро отделения биологических наук АН Туркменской ССР (Ашхабад,1987), производственном совещании лаборатории цитоэкологии и цитофи-зиологии растений Ботанического института им.Комарова АН СССР (Ленинград,1991).

Публикации. По теме диссертации имеется 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста и иллюстрирована 12 таблицами, 17 рисунками.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографии, представленной 304 работами, из них 94 иностранных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. . ТИПЫ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ КЛЕТОК К ФАКТОРАМ СРЕДЫ

На клеточном и молекулярном, как и на других уровнях организации животных и растений, различают два 'типа приспособлений: фенотипический (модификационный) и генотипический. Фенотипический тип приспособлений является непосредственной ответной реакцией на факторы среды, он не связан с изменениями генного состава клеток; генотипический - возник в ходе эволюции и 'является врожденным. в главе дается обзор работ, посвященных обоим типам приспособления уровня первичной и общей теплоустойчивости клеток, тканей, органов как растений, так и животных (Александров,1952Д977Д985; Александров и др. ,1990; Bui-

,1955; Precht е.а.,1955; Frosser ,1977; Precht ,1968,1973; bevltt,1.972,1980 ;.ПроосерД977,1978; Хочачка,Сомеро,1977; Хле-бовичД981; ИвлеваД981; Шмидт-Нивльсон.1982; Петровская-Баранова Д 983; Hochacka, Somero, 1984; Кислюк.Палеева, 1990; День-KD, 1990 я др.). В приспособлении клеток живых организмов к температуре среды'большая роль отводится уровню информационной подвижности белковых макромолекул (Александров, 1975,1985). У

всех растений, от низших до покрытосеменных, обнаружена соответствие медцу теплоустойчивостью клеток и выделенных из них белков и температурными условиями существования видов. Молекулярная природа этого соответствия объясняется гипотезой В.Я. Александрова (1965,1975,1985) об адаптивном значении соответствия уровня конформационной гибкости белковых молекул .. температурим условиям жизни ввда.

ГЛАВА 2. КЛИМАТ РАЙОНА, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Район, в котором регулярно брались объекты наших исследований, находится в Прикопэтдагском агроклиматическом районе в окрестностях города Ашхабада. Для этого района, как и всей территории Туркменистана, наиболее жаркой, засушливой я самой южной части Союза, характерны типичные условия резко континентального субтропического климата (Оксеняч и др.,1962; Климат АшхабадаД984). Лето на равнинной части территории Туркменистана, где и находится район наших исследований, очень жаркое и сухое. Для зимы характерна неустойчивость погоды: часто внезапное похолодание сменяется кратковременными потеплениями. Годовой и суточный ход температур отражает степень континентальностя климата республики. Са"&$ холодный месяц январь, его средняя температура 1,4 °С, сагяй .тлрняй месяц -июль, среднемесячная температура его 31,0 °С.

Исследования проводились в 1983-1990гг. в Институте ботаники АН Туркменской ССР. Била исследована теплоустойчивость 4 видов из флоры Туркменистана и одного интроду1$ровашюго кустарника на клеточном уровне в связи о температурными условиями их существования в разные сезоны. Среди первых <- два представителя семейства злаковых Роасеае и два таряояистнп-ковнх 2уяорЬу11асеае, а кустарник - из семейства маслиновых 01еасеае. Оба вида злаков-многолетнив травянистые растения, вегетлруют в разное время года. Тростник юнннй РПгаеаиаэ australis (Cav.) Тг1п„ ех Б*;еиа , КОСМОПОЛИТ, зоготярузт О ранней весны (март) до первых заморозков (ноябрь); парад ого вегетации охватяваог грн сезона: весну, лето, осень. Мятлик луковичный ?оа ъи1Ъова ь.. детнепокоящийся зфэмеровд, начинает вегетацию ранней викой (декабрь), колосится я созревает в марте-апреле, надземная часть засыхает поздней весной (май).

Вид из семейства парнолистниковых, якорцы стелющиеся Tritmlua terrestrie L» - однолетняя трава, парнолистник обыкновенный Zygophyllum fabago L. _ многолетняя трава с прямостоячими стеблями. Оба вида вегетируют летом, только якорцы отелющиеоя, имея простертые стебли по земле, испытывают воздействие температуры как воздуха, так и почвы.

Из оемейства маслиновых в прохладное время года (январь-март) был исследован интродуцированннй в Центральный ботанический сад АН Туркменокой ССР в 1937 г. полувечнозеленый кустарник бирючина обыкновенная Ligustrum vulgare L.

В качестве критериев жизнеспособности клеток наших растений бшш выбраны: одна из наиболее термостабильнцх функций -способность к плазмолизу; термолабильные Функции - движение ■ цитоплазмы, интенсивность фотосинтеза, наиболее чувствительные к действий нагрева; и промежуточная по своей устойчивости мезду функцией способности к плазмолизу, с одной стороны, функциями, движения цитоплазмы и фотосинтеза - с другой, реакция восстановления бесцветной соли тетразолия в окрашенный форлазан внутриклеточными дегикрогеназами. Мерой теплоустойчивости движения цитоплазмы, тетразолиевой реакции, способности к плазмолизу служила максимальная температура 5-минутного нагрева' после действия которого еще сохраняются данные функции. Потенциальную интенсивность фотосинтеза определяли • радиометрическим методом при насыщающей (0,'3-1 %) концентрация C^Og (Вознесенский и др. ,1965; Мокроносов, Добров, 1973). Потенциальную зависимость интенсивности фотосинтеза измеряли при разной температуре, первичную теплоустойчивость - по последействию нагрева на фотосинтез.

Естественную тепловую закалку выявляли путем сравнения теплоустойчивости клеток в знойные и прохладные дни; она также может быть выявлена в течение суток: для этого определялись и сопоставлялись дневные и утренние величины теплоустойчивости.

Для определения репараторной способности клеток растений кусочки листьев прогревали в течение 5-шш при заданных температурах, превышающих минимальную температуру,- останавливаю* щую движение цитоплазмы, на 1,2,3 и т.д. °С. Прогретые кусочки листьев просматривались под микроскопом через 4,8,24 ч

и далее - с интервалом в одни сутки до разрушения- хлоропластов или до полной коагуляции протоплазмы с целью установления максимальной температуры, при которой после прогрева восстановилось движение цитоплазмы за даяний срок. Репараторную способность клеток характеризовали скоростью и зоной репарации (Александров, 1963,1975).

Статистическая обработка данных велась с пошщ® критерия Стыодента. Определялись средняя арифметическая, ее квадратичная ошибка и граница доверительного интервала с доверительной вероятностью 95-$. Различия считались существенными, если вероятность их случайности Р«0,05.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ РАЗЛИЧНЫХ КЛЕТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ-

Уровень первичной теплоустойчивости клеток. При сравнительном исследовании уровня теплоустойчивости разных функций, КЛеТОК ЛИСТОВЫХ. ПЛасТИНОК у двух злаков РИга^! Ьев еив^ггаИа тростника южного и Роа .ъиЗ-Ъоза мятлика луковичного, обитающих в различных температурных условиях, но в одном и том же ареале, было выявлено, что у более.теплолюбивого троотника теплоустойчивость движения цитоплазмы, реакции восстановления тетразолия, способности к плазмолизу имеют более высокие значения, чем у зимне-весеннего эфемероида мятлика^

Два вида из семейства парнолистниковых тг!Ьи1-из ьоттев-якорцы стелющиеся и губорИуПит гаъадо парнолистник обыкновенный вегетируют летом, в одних и тех же температур-ных.условиях. При сравнении уровней теплоустойчивости движения цитоплазмы и способности к плазмолизу (срок нагрева 5-мин). у якорцев обнаружили более низкую теплоустойчивость движения цитоплазмы (46Д °С), чем у парнолистника (47,6 °С), я более высокую теплоустойчивость способности их {якорцев) клеток к плазмолизу (58,8 и 55,4 °С соответственно).

Сезонные и суточные изменения первичной теплоустойчивости клеток. О влиянии температуры окружающей среди в условиях резко континентального климата Туркменистана на устойчивость клеток свидетельствуют результаты наших исследований теплоустойчивости, движения цитоплазмы, тетразоляевой реакции, способности к плазмолизу в клетках листьев тростника южного я

якорцев мелющихся в разные сезоны и в разное время суток.

В естественных условиях весной и осенью при изменениях максимальной температуры воздуха в пределах 21,5-32,5 °С для троотника и 16,6-35,5 °С для якорцев первичная теплоустойчивость исследуемых функций ниже, чем летом (см. рисунок).

Повышение теплоустойчивости всех клеточных функций у обоих видов отмечается летом. • В июле-августе, когда максимальная температура дня достигала почти 40 °С, теплоустойчивость их повысилась на 1-2 °С.

Таким образом, в природных условиях у тростника и якорцев в летние месяцы происходит повышение теплоустойчивости всех изученных функций.

В связи с этим необходимо было выяснить вопрос: что вызывает повышение теплоустойчивости летом - температура воздуха, водный дефицит или интенсивность света? В эксперименте было исследовано влияние нагревов в широком диапазоне температур с интервалом 2 °С на первичную теплоустойчивость движения цитоплазмы (опыты по искусственному 3-часовому тепловому закаливанию)' листовой пластинки троотника южного и якорцев стелющихся. Опыты на этих объектах ставились осенью (в октябре), когда температура воздуха не достигала уровня, при котором обнаруживается подъем теплоустойчивости клеток в природных условиях, во влажной темной камере, чтобы исключить возможность влияния дефицита воды и интенсивности света. Результаты этих,опытов показывают, что при достижении температур воздействия определенных, сушроптимальных ■ величин в условиях эксперимента также происходит повышение теплоустойчивости этой функции.

У тростника и якорцев в жаркие летние дни обнаружены четкие суточные колебания теплоустойчивости всех трех изученных клеточных функций, В это время происходит повышение на 1-2 °С теплоустойчивости движения цитоплазмы, тетразолиевой реакции, способности к плазмолизу в дневные часы суток и спад ее к .утренним часам после ночной прохлады, происходит . обратимое повышение теплоустойчивости этих функций в результате естественной тепловой закалки во время летнего зноя •(см. рисунок).

•с

Месяцы Месяцы

Сезонные изменения теплоустойчивости РЪге^^ез вuatг«- : ■ 1гз(А), тг1Ъи1из 1;<!гге8<;г1я(Б) я температура воздуха

за наядый месяц ,

Абсцисса - месяцы; правая ордината - температура воздуха, °С; левая ордината - максимальная температура 5-мин нагрева, после действия которого еще сохраняется теплоустойчивость I - способности к плазмолизу днем, 2 - утром; 3 - тэ-тразолиевой реакция днём, 4 - утром; 5 - движения цитоплазмы днем, 6 - утром; 7 - максимальная, 8 - минимальная температурят воздуха, °С

Однако в прохладное время года, весной и осенью, когда температура воздуха была ниже, чем те, которые вызывают подъ- • ем устойчивости клеток, существенных различий мевду дневными и утренними определениями теплоустойчивости движения цитоплазмы и способности к плазмолизу мы не нашли.

Значительные изменения, коррелирующие с температурными условиями среды, происходят и в температурной характеристике потенциального фотосинтеза - температурной зависимости и первичной теплоустойчивости, определяемой по подавлению его интенсивности под влиянием краткосрочных нагревов. Температурный оптимум поглощения С^Оо при насыщающей концентрации у тростника весной был равен 15 °С,летом он, в условиях высоких температур, повысился до 25 °С. Температурный оптимум фотосинтеза другого Летневегетирующего вида летом был такой же (25 как и у тростника. Б дальнейшем, осенью, у обоих видов оптимум не менялся - оставался на уровне, обнаруживаемом летом. Как и у других жизненно важных функций клеток, теплоустойчивость фотосинтеза тростника и якорцав летом повышается по сравнению .с весной и снижается осенью.

Влияние низких положительных и -отрицательных температур на теплоустойчивость клеток зимнезеленых растений. У эфемероида мятлика луковичного Роа tmlbosa и полувечнозеленой бирючины обыкновенной Ligustrum vulgare сравнивалось поведение различных клеточных функций в морозные и безморозные дни зимне-весеннего периода вегетации. Различные клеточные показатели мятлика и бирючины реагируют по-разному на изменения температуры воздуха. Холодовая закалка повышает у мятлика теплоустойчивость движения цитоплазмы, но не влияет на уровень теплоустойчивости тетразолиевой реакции и способности к плазмолизу. У бирючины в ответ на повышение температуры воздуха от -1,0 °С до +9,5 °С реакция восстановления соли тетразолия настраивается путем повышения своей устойчивости от 51,4 °С до 54,1 °С, теплоустойчивость движения цитоплазмы в тех же клетках не меняется. ,

Репараторная способность клеток Phragaitea austraiis, поврежденных нагревом. Нами исследовалось влияние на репара-•цшз теплового повреждения в клетках эпвдермиса листьев тростника южного естественной' тепловой закалки. Установлено, что

после природной тепловой закалки скорость восстановления движения цитоплазмы в клетках, подавленного высокой температурой нагрева, существенно повышается. Однако зона репарации естественно закаленных и незакаленных растений была почти одинаковой. Таким образом, под влиянием теплового закаливания в природе происходит активизация репарации теплового повреждения клетки за счет ее ускорения.

ГЛАВА 4. ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ КЛЕТОЧНЫХ ФУНКЩЙ

И ТЕМПЕРАТУРА СРЕДЫ (вместо заключения)

Уровень первичной теплоустойчивости. Факты, изложенные в настоящей работе по температурной адаптации растений путем исследования первичной теплоустойчивости клеток растений, свидетельствуют о соответствии ее уровня температурной экологии вида. Это положение - одно из основных в цитоэкологии, имеющее общебиологичеокое значение (см,Александров,1965,1985; Biebl, 1969; Библь,1970), хорошо прослеживается на примера, близкородственных видов, различающихся по температуре местообитания.

В результате исследования уровня теплоустойчивости разных клеточных функций у двух злаков - Phr&gmites australis, тростника южного и Роа bulbosa, мятлика луковичного, обитающих в различных температурных условиях, но в одном и том же ареале, наш было выявлено, что у более•теплолюбивого вида -тростника, теплоустойчивость движения цитоплазмы, реакции во-становления тетразолия, опоообности к плазмолизу имеет более высокое значение, чем у менее теплолюбивого зимне-весеннего эфемероида мятлика. Этот материал и литературные данные (Александров,1969Д975,1985; Вему, Bjortaan, 1980) о видовых, генотипических различиях теплоустойчивости меток в связи с разницей термического режима местообитания свидетельствуют о том, что в ходе эволюции .уровень теплоустойчивости . рассматриваемых нами меточных функций приводится в соответствие с усредненной температурой обитания видов злаков, Молекулярная природа и биологичэское значение такого соответствия могут быть объяснены гипотезой о соответствии уровня кон-формационной гибкооти белковых макромолекул температурным

условиям существования вида (Александров, 1965,1975,1985),

По этой гипотезе белки.обеспечивающие теплоустойчивость клеток, обладая достаточной семилабильностью или семистаби-льноотью, поддерживают соотЕотствие мезду уровнем своей устойчивости, следовательно, и клеток, и температурой среды обитания в активный,период жизнедеятельности данного вида. Корреляция мезду уровнем конформационной гибкости макромолекул ■ белков и температурной экологией данного вида очень важна для адаптации его.к конкретным климатическим условиям среды.

" Известно (Александров, 1963,1975), что теплоустойчивость различных клеточных функций отражает устойчивость различных компонентов протоплазмы. Результаты наших исследований показывают, что у обоих злаков самую высокую величину первичной - теплоустойчивости имеет функция способности к плазмолизу, отражающая устойчивость шшзмолем.щ я гонопласта, самую низкую - движение цитоплазмы и фотосинтеза, промежуточное положение ' заниг ает по теплоустойчивостл фугашлч восстановления соли те-тразолия внутриклеточными деггщрогеназами. Такая же последовательность клеточных функций нами выявлена у другого летне- , вегетируквдего ввда - янорцев. '.Два вида из семейства парколлстникових - Тг1Ьи1ив ьег-restгi8, якорцы отелицлеся л гуйорЬуНит Гаъаяо, парнолистник обыкновенный вегетируют летом, в одних; и тех же температурных условиях, однако парнолистник, имея прямостоячие'стебли, испытывает тепловое воздействие только воздуха, яггорцы, стебли которых простерты,.- как.воздуха, -так и почвы. При сравнении уровней теплоустойчивости.движения цитоплазмы и способ-, нсстл к плазмолизу у якорцов обнаружили более низкую тепло-, устойчивость движения цитоплазмы (46,1 °С), чем у парнолистника £ 47,<5 °С), и более высокую теплоустойчивость способности его клеток к плазмолизу (58,8 °С), чем у парнолистняка (55,4 °С). Таким образом, соответствие уровня теплоустойчивости клеток температурным условиям местообитания у видов семейства парнолистниковых зависит от рода исследуемкх клеточных функций: такое соответствие у них обнаружено при изучении теплоустойчивости только способности к плазмолизу, по "теплоустойчивости движения цитоплазмы этого мы не нашли.

Сезонные изменения. Результаты исследования фенотшш-ческих (онтогенетических) приспособлений клеток растений

показывают, что в период вегетации все изученные наш клеточные и тканевые функции подвержены существенным изменениям уровня теплоустойчивости; основным фактором, обуславливающим изменчивость теплоустойчивости завершивших рост листьев в индивидуальной жизни особей данного вида, является температура среды. Эта изменчивость в наших исследованиях, в условиях резко континентального климата Туркменистана, проявляется в ввде четких сезонных и суточных изменений первичной теплоустойчивости всех изученных. - как термолабильных (движение цитоплазмы, фотосинтез), так и термостабильных (тетразо-лиевая реакция и.способность к плазмолизу) - функций в эпи-дермальных клетках листьев тростника южного я якорцев стелющихся.

В естественных условиях весной л осень» при изменениях максимальной температуры воздуха в пределах 21,5-32,5 °С для тростника и 16,6-35,5 °С для якорцев первичная теплоустойчивость нсследуешх функций ниже, чем летом. Как к у ряда других авторов, изучавших функцию движения цитоплазмы (Александров,Фольдман,1958; Язкулнев,1964; ЯзкулыевДурдыев, 1980; Александров,1985), на тростнике и якорцах нами (весной и осенью) били получены факты, подтверждающие независимость уровня первичной теплоустойчивости отой функция от колебания температуры окружающей среди в толерантной зоне. Это, а также наличие существенных различий в теплоустойчивости этой функции у видов с разной температурной экологией, позволяет считать уровень теплоустойчивости движения цитоплазмы листовых пластинок вядовнм признают растений (Александров,1963, 1965,1975). В природных условиях при изменениях температур толерантной зоны (не вызывающих тепловые закалки), как и в условиях лабораторного эксперимента (Кислюк и др.,1982), теплоустойчивость остальных функций: тетразолиевой реакции я способности к плазмолизу - отличалась от таковой движения цитоплазмы значительной вариабельностью. Из-за изменчивости теплоустойчивости в указанной зоне темпнратур, весной теплоустойчивость тетразолиевой реакции в клетках тростника и якорцев обнаруживает суточные изменения: теплоустойчивость в дневные часы вше, чем в утренние.

Другим фактором, заметное влияние которого на уровень

- Хо ' — ■

первичной теплоустойчивости клеток нам удалось выявить, являются ростовне процессы.

В апреле-мае у тростника теплоустойчивость движения цитоплазмы утром и днем имеет низкие величины, по сравнению с теплоустойчивостью, определенной осенью» Это мы объясняем тем, что для опытов весной брались молодые, растущие листья. В целой серии работ была обнаружена более низкая теплоустойчивость клеток растущих листьев, чем завершивших рост (Горбань, 1962¿1963,1964,1987). .

Летом у тростника и якорцев теплоустойчивость всех клеточных функций повышается. В июле-августе, когда максимальная температура дня достигала почти 40 °С, теплоустойчивость их повышалась на 1-2 °С. Такое одновременное повышение теплоустойчивости разных клеточных функций, исходный,уровень которой для них значительно различается (па 10-12 °С), было обна- ' ружено при высоких температурах в условиях лабораторного эксперимента (Барабальчук,1969 Щербакова и др.,1973), Повышение теплоустойчивости клеток.в ответ,на действие высокой темпера- ■ туры, названное тепловой закалкой (Александров,1956,1963, ■ ■.• 1985), в природе было выявлено у растений, произрастающих" в Крыму (Фалькова,1973.), в Узбекистане (Тухтаев, 1983), в'Таджи-кистане (Брегетова,1958 /Г960 ^регетова,Лопова,1962аб ; Каримов,. Попова,1966 ; Попова,1964), в Туркменистане (Александров,Язку-лыев,1961 ; Язкулыев,1964 ; !Еухтина,1955 ; Язкулыев.Дурдыав, 1980), Сопоставление наших данных с материалами, имеющимися в литературе, позволяет заключить, что летнее повышение теплоустойчивости изученных.нами клеточных функций обусловлено результатом действия на клетки растений супероптимальных на-тревов в природных условиях. . ' .

На уровень первичной теплоустойчивости клеток закончивших рост листовых пластинок растений, ..кроме экстремальных температур,могут оказывать влияние дефицит воды, интенсивность света и другие факторы. ' .....

Для исключения возможности влияния.водного дефицита и интенсивности . света на теплоустойчивость клеток листьев .тростника и якорцев, нами были поставлены опыты поЗ-часовой искусственной тепловой закалке во влажной темной камере. В этих экспериментальных условиях, как и в природных, высокие, супер-

оптимальный температуры повысили уровень теплоустойчивости движения, цитоплазмы.

В настоящее время получены новые факты о характере тепловой закалки; о скорости возникновения и длительности ее сохранения. В последних работах (Александров и др.,1989, 1990; Денько и др.,1990) по данному вопросу показано, что эффект двух-,трехчасовых искусственных закалок при умеренных субоптимальных температурах (от 30 до 38 °С) обнаруживается сразу после прекращения закалки в клетках листьев пшеницы и традесканция, а при высоких, супороптимальных (40 °С и выше) температурах - через несколько часов и даже суток.

Приобретенная в результате двух- и трехчасовой тепловой закалки, повышенная теплоустойчивость фототаксиса хлороплас-тов листьев традесканции сохраняется в течение 30-50 дней, движения цитоплазмы ее клеток - 30 дней, движения цитоплазмы в клетках листьев пшеницы - 7-10 дней (Александров,и др.", 1990).- В другой серии опытов на пшенице эффект закалки функции движения цитоплазмы снижается на следующий день, если закалка длилась не более 6 часов. В природных условиях в окрестностях Ашхабада летом, с июля по август, почти ежедневно исследованные налы виды тростник и якорцы, испытывают воздействие высоких температур, превцпанщих 35-37 °С, в течение 6-8 часов и более (утром с 9-10 час до 17 час днем). Удается регистрировать статистически достоверные варьирования уровня теплоустойчивости в точение одних и тех но суток. Поэтому у тростника и якорцев в жаркие летнио дни нами обнаружены четкие суточные колебания теплоустойчивости всех трех изученных клеточных функций. В это время происходит повшеняе (на I-

2 °0) теплоустойчивости движения цитоплазмы, тэтразолиевой реакции, способности к плазмолизу в дневиш часы суток я спад нх устойчивости к утренним часам поело ночной прохлады.

Известно, что при тепловой закалке, являющейся феноти-шческой адаптацией, происходит общая стабилизация клетки л ее компонентов по отношению к повреждающим агентам путем знижения интенсивности метаболических процессов (Александров, [985). Обратимость повышения теплоустойчивости, выявляемая

3 природных условиях в течение суток, у исследованных расте-шй, обитающих при повышенной температуре, характеризует их

высокие адаптивные возможности, обеспечивающие уровень активности метаболических процессов в период вегетации растений. С этой точки зрения состояние закалки "не выгодно" для растения. Поэтому трудно себе представить их закаленное состояние круглосуточно в течение всего лета: Спад в ночные часы и часы раннего утра несомненно способствует активации процессов метаболизма.

Закалочный эффект предварительного, теплового воздействия выявлен и методами, значительно отличающимися от тех, которыми работали мы (Генкеяь,1946,1956,1971,1978,1982; Генкель,Цветкова,1955; Альтергот,198Х).

Исследования теплоустойчивости клеточных функций тростника и.якорцев в прохладное время года, когда температура воздуха не достигала уровня закаляющих (веоной и осенью), показали, что не обнаруживаются существенные различия между днешыми и утренними величинами терморезистентности, определенными по подавлению движения цитоплазмы, способности к плазмолизу. В этот период небольшие суточные изменения на- -блюдаются в теплоустойчивости тетразолиевой' реакции у обоих видов, возможно, теплоустойчивость тетразолиевой реакции зависит от колебаний температуры воздуха в толерантной зона. В литературе есть'сведения (Coffman,1957Schwee mie , I960{bange ,1964), показывавшие связь суточных колебаний теплоустойчивости растений со свето-темновш периодом. Вопрос, связаны ли суточные изменения теплоустойчивости тетразолиевой реакции тростника и якорцев с этим фактором, требует дополнительных исследований.

Нам также не удалось получить данные, подтверждающие зависимость изменений теплоустойчивости клеток растений от фазы их развития, хотя имеется сообщение о такой зависимости (bange,Gchwcoale, I960). Теплоустойчивость клеток движения цитоплазмы у наших объектов во всех фазах развития при отсутствии суцороптямалыпк температур.не изменялась.

Изменение; температуры воздуха является основным фактором вызывающим сдвиг температурной зависимости фотосинтеза в разные сезоны (bange, I974,I975,I978;i'orse8th, Ehleringeir, 1982). Причем такой сдвиг,.как бьио показано в результате исследования влияния температуры среды на температурный оп-

тимум фотосинтеза носят адаптивный характер (веггу,вд8г-ктап,1980;ВДЗгктап, 1981;Мствоп et а1., 1983).

1.5ц обнаружили существенные изменения температурного оптимума, которые могут быть объяснены наличием прямой связи их с изменениями температуры воздуха. Температурный оптимум тростника весной при тешературе воздуха 26,8 °С равнялся 15 °С, а летом, после подъема температуры воздуха до 37,0°С, оптимум равнялся 25 °С, то есть повысился на 10 В этот период температурный оптимум якорцев был такой же, как и у тростника. Оптимум этих длительновегетирующих видов совпадает и осенью.

Результаты наших исследований первичной теплоустойчивости фотосинтеза тростника и якорцев также отразили ее связь с температурой среды. Как и- при изучении других функций (клеточных), наибольшую величину тешшусмкчивооти фотосинтеза обнаружили летом; весной л осенью теплоустойчивость' этого процесса была низкая, что находится в соответствия с величиной температуры воздуха, которая в дни проведения опытов равнялась - весной 25,8 °С, осенью 27,2 °С, летом 37,в °С.

Таким образом, результаты наших исследований по изучению теплоустойчивости клеточных функций движения цитоплазмы, реакции восстановления тетразолия, способности к плазмолизу, фотосинтеза свидетельствуют о то:л, что основным фактором, вызывающим ее изменение в разные сезо1Ш и в разное время суток, является температура воздуха. Повышение теплоустойчивости названных функций.в летние месяцы,связано с механизмом естественной тепловой закалки, являющейся одним из основных путей адаптации клеток к высокой тешературе среды.

Низкие положительною и отрицательные температуры воздуха, . Как и у ряда исследователей (Александров и др.,1964; 1зкулыевД964), ми обнаружили в дни зимних ночных заморозков повышение теплоустойчивости движения цитоплазмы у мятника луковичного как результат холодовой закалки. Однако теплоустойчивость способности к плазмолизу и тетразолиевой реак-

в отличие от теплоустойчивости движения цитоплазмы, три действии низких отрицательных температур не менялись.

Неодинаковую ответную реакпрю разаых клеточных функций 1а действие низких температур мы обнаружили и при исследо-

ваипи бирючины. При изменениях температуры воздуха от -1,0 до +9,5 °С реакция восстановления соли тетразолия настраивается путем адекватного изменения теплоустойчивости от 51,4 до 54,1 °С, в то ко время теплоустойчивость движения цитоплазмы не меняется.

Репараториая способность клеток. Репарация повреждений клетками может быть активизирована в результате предварительного нагрева в условиях лабораторного эксперимента (Горбань, 1974,1979,1985; Александров,БарабальчукД972; Денько,1990 и др.).

Наши исследования влияния температурного фактора в природных условиях на репарацию тепловых повреждений эпидермиса листовой пластишси тростника показывают, что этот процесс, имеющий важное значение для функционирования клетки, в результате теплового закаливания в местах обитания растения стимулируется: значительно повышается скорость репараторной способности клеток при ее зоне, остающейся без изменения. В этом отношении наши данные отличаются от таковых, полученных в условиях лабораторного эксперимента, при котором была выявлена стимуляция репараторной способности клеток путем увеличения зоны репарации (Денько,1990).

Предполагается, что- в основе механизма репараторной способности клеток растений лежит восстановление поврежденных белковых макромолекул или реактивация предшествующих (Алек-садров,1985), Важная роль отводится в процессах восстановления растительных клеток после теплового повреждения также синтезу аденозинтрифосфорной кислоты (Барабальчук,Сулейманов,1986).

Итак, репараториая способность клеток растений стимулируется не только искусственной, но и естественной тепловой закалкой. Активизация этого процесса при тепловой закалке в . природе у тростника характеризуется повышением скорости репарации.

Можно допустить, что стимуляция репараторной способности клеток высокими температурами среды играет важную роль в ликвидации термических повреждений в условиях жаркого климата Туркменистана. ,

Следовательно, анализ полученных результатов показывает, что одним из мощных механизмов цриспособления.растении к вы-

- -

сокой температуре среды в специфических условиях аридной зоны Туркменистана является повышение первичной теплоустойчивости клеток и их репараторной способности в результате естественной тепловой закалки.

ВШЗОДЫ

1. В условиях резко континентального субтропического климата Туркменистана получены данные по теплоустойчивости различных клеточных функций эпидермиса листовой плаотишш у представителей флоры TypKMeHHCTana:Phragnitea austraiis, Рое bul-boss, Tribulus terrestrie.Zygophyl Iura fsbego, a Также у ИН-тродуцированиого вида Ligustrum vulgare.

2. Исходные уровни первичной теплоустойчивости движения цитоплазмы, реакции ферментативного восстановления соли те-тразолия, способности к плазмолизу у летновегетирунхцего злака Phregmites austraiis выше, чем таковые у зимне-весеннего Роа bulboaa.

3. У летневегетирунцих представителей семейства парнолио-

ТШШЭВЫХ - Tribulu3 terreotris и Zygophyllum fabego вИДОВОв

различие в исходном уровне первичной теплоустойчивости клеток зависит от рода изучаемой их функции.

4. Теплоустойчивость движения цитоплазмы, реакции восстановления тотразолия И способности К плазмолизу У Phreßmltee austraiis и Tribuiua terreetrJs обнаруживает сезонные изменения, связанные с колебаниями температуры, окружающей среды. Весной и осенью теплоустойчивость этих функций ниже, чем летом. При колебаниях окружающей температуры в пределах 5,1-35,5 °С теплоустойчивость движения цитоплазмы в клетках листьев этих видов постоянна. При температурах воздуха выше 35,5 °С у Fhragmttes austraiis и Tribulus terreatrls В Л6Т-ние месяцы обнаруживается реактивное повышение теплоустойчивости всех исследованных клеточных функций, что является результатом естественной тепловой закалки,

5. Быстрая обратимость закаленного состояния в течение суток, повышенной теплоуотойчивооти движения цитоплазмы, реакции восстановления тетразолия, опоообнооти к плазмолизу, у Fhragmites austraiis И Tribuiua terreStria В Летнее время, по-видимому, связана о необходимостью активного метаболизма

в прохладные часы суток.

6. Наибольший эффект трехчасовой искусственной тепловой эакалюз yphrsgmítes eustreiis , и Tribuías terrostríe достигается при температурах соответственно 37 °С и 34 °С. Это доказывает, что основным фактором повышения теплоустойчивости клеток в природе является температура воздуха.

7. Температурный оптимум фотосинтеза у Phragmites euetr»-lis и Trituius terrestris летом и осенью совпадает и находится около 25 °С. Весной температурный оптимум потенциального фотосинтеза у Phregmites eustreiis наблвдается при 15 °С, то есть разница между летними и весенними оптимальными температурами

у этого вида составляет 10 °С. Положение температурного оптимума фотосинтеза Tribuius terreetris в разные сезоны, летом и осенью, не меняется. Температурный оптимум у эфемероида Ров bulbosa. определенный весной, наблвдается при температурах Х5...35 °С,

8. У Phregmites auatrelía и Tribulue terreetrie уровень первичной теплоустойчивости фотосинтеза, определяемый по последействию нагревов, имеет наиболыцую величину летом. Весной и осенью она значительно ниже, чем летом.

9. У Ро* bulbosa, холодовая закалка повышает первичную теплоустойчивость движения цитоплазмы на 0,8 °С и не влияет на уровень теплоустойчивости тетразолиевой реакции и способности к плазмолизу. Изменения температуры воздуха от -1,0 до +9,5 °С вызывают адекватные изменения теплоустойчивости тетразолиевой реакции в клетках Llguetrum vulnere и не влияют на теплоустойчивость движения датоплазмы.

10. Репаратораая способйооть в клетках листьев Phregni-tee «metralle стимулируется природной тепловой закалкой. Активизация репараторного процесса при этом выражается в повышении скорооти репарации тепловых повревдений.: Зона репарации остается без изменений.

Список работ» опубликованных по теме диссертации:

I. Карпова 0, Теплоустойчивость различных клеточных Функций уPhregmites australie И Ров bulbosa (Ровсеве) //Тезисы докладов УН Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и спецаалистов.-Ашхабад.-1984.-С.84.

2. Карцева 0, Повышение репараторной способности клеток • Phragmites australiB (Cav.) Irin, ex ßteud (Poaceae) при тепловом повреждении под влиянием высокой температуры среды// Тезисы докладов У1 научной конференции молодых, ученых йн-та ботаники'И Центрального ботанического сада АН ТуркмССР,-Агахабад. -1985.-С.22.

3. Кармева 0. Тепловая зазсалка эгщдермальных зотеток тп-■bulus terrestris в природе я в эксперименте//Тезисы докла-' дов У Вбесоюзной конференции по проблемам комплексного изучения и ,освоения пустынь СССР.-Ашхабад.-1986.-С.25.

4. Карцева 0. Влияние температуры среды на репараторную способность клеток Phragmites australis (Cav.) Irin, ex steud (сем.Poaceae) в природе//Известия АН ТуркмССР.-Сер. биол.наук.-1989.-Л 3.-C.I3-I7. .

5. Карыева 0. Теплоустойчивость клеточных функций тростника южного и якорцев. стелющихся в разные сезоны/известия АН ТуркмССР.-Сер.биол.наук.-1990.5.-С.39-44. .