Структурная организация мезофилла хвои PICEA OBOV ATA LEDEB. При экспериментальном охлаждении в условиях аэротехногенного загрязнения

Плюснина, Светлана Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Структурная организация мезофилла хвои PICEA OBOV ATA LEDEB. При экспериментальном охлаждении в условиях аэротехногенного загрязнения
ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Структурная организация мезофилла хвои PICEA OBOV ATA LEDEB. При экспериментальном охлаждении в условиях аэротехногенного загрязнения"

На правах рукописи

ПЛЮСНИНА Светлана Николаевна

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МЕЗОФИЛЛА ХВОИ PICEA OBOVATA LEDEB. ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ОХЛАЖДЕНИИ В УСЛОВИЯХ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

03.00.05 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Сыктывкар, 2004

Работа выполнена в Отделе лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор Козубов Г.М.

доктор биологических наук, старший научный сотрудник Лаванова Н.В.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор Маркаров A.M. доктор биологических наук, профессор Скупченко В.Б.

Ведущая организация: Институт леса Карельского НЦ РАН

Защита состоится 28 апреля 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 004.007.01 в Институте биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН по адресу: 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28.

Факс: 8(8212) 240163; e-mail: dissovet@ib.komisc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Коми НЦ УрО РАН по адресу: 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 24

Автореферат разослан 11 марта 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С конца 19 в. и по сегодняшний день было проведено большое число работ по изучению влияния неблагоприятных температур на растения, как в естественных, так и в контролируемых условиях, на различных уровнях их организации: орга-низменном, тканевом и клеточном. Большинство исследований было проведено на травянистых растениях (Новицкая и др., 2000; Крав-кина, Котеева, 2002), при этом перестройки в ультраструктуре и физиологических процессах в развивающихся тканях в условиях субоптимальных температур, как правило, изучали на озимых формах культурных растений (Мирославов и др., 1984; Мартыненко, 2000). У хвойных растений исследовано влияние отрицательных температур на ультраструктуру клеток репродуктивных органов и сформированной хвои и в большинстве случаев в связи с сезонной динамикой температур (Сергеева, 1971; Козубов, 1974; Сезонные структурно-метаболические..., 1977; Яковлев, 1979; Новицкая, 1985; Reinikainen, Huttunen, 1989).

Лесной фонд Республики Коми составляет 39 млн. га, из которых 28.7 млн. га относятся к лесопокрытой площади (Леса Республики Коми, 1999). Ель сибирская (Picea obovata Ledeb.) является основной лесообразующей породой в лесах Коми и лесные формации с ее доминированием занимают около 16 млн. га, или 60% всей лесопокрытой площади республики (Козубов, Дегтева, 1999). Морозоустойчивость ели, как и других северных древесных пород, зависит от сезона и минимальна в период интенсивной вегетации (Туманов, Красавцев, 1959). Молодые побеги ели сибирской при поздних весенних заморозках могут повреждаться, а в отдельные годы наблюдается их массовое обмерзание. Устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды у древесных растений снижается при общем угнетении растения, в том числе и при интоксикации его различными техногенными выбросами (Acidic Precipitation, 1989). Сыктывкарский лесопромышленный комплекс, один из крупнейших в Северной Европе целлюлозно-бумажных комбинатов, ежегодно потребляет около 3 млн. м3 древесного сырья (Лесное хозяйство..., 2000) и выбрасывает в атмосферу до 30 тыс. т в год загрязняющих веществ, среди которых преобладают кислые газы, окислы азота, неорганическая пыль (по данным Центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в г. Сыктывкаре и Сык-тывдинском районе Республики Коми). Вследствие своих биологических особенностей, в том числе и многолетнего функционирования листовых органов, хвойные

тельными к поллютантам, чем лиственные. В связи с этим, а также с учетом большого хозяйственного, средообразующего и биосферного значения хвойных в северных регионах, в последние десятилетия значительное внимание уделяется изучению влияния промышленных выбросов на физиологию, биохимию, анатомию и ультраструктуру их ассимиляционного аппарата. В основном подобные работы проводятся в зоне действия металлургических комбинатов (Николаевский, 1964; Кайбияйнен и др., 1994; Ярмишко, 1997; Фуксман и др., 2001). Исследования влияния выбросов целлюлозно-бумажных предприятий на окружающую растительность единичны (Soikkeli, Tuovinen, 1979; Коновалов и др., 2001). В отделе лесо-биологических проблем Севера Института биологии Коми НЦ УрО РАН в течение 10 лет проводятся комплексные исследования по влиянию аэротехногенных выбросов Сыктывкарского целлюлозно-бумажного комбината на лесные сообщества. Изучение влияния аэротехногенного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного комбината на устойчивость растущей хвои ели к поздним заморозкам является особенно актуальным для северных территорий, где продуктивность еловых древостоев даже без вмешательства антропогенных факторов ниже, чем в западных и южных районах европейской части России (Бобкова, 1987).

Цель и задачи исследований. Целью наших исследований было выявление закономерностей ультраструктурных перестроек в клетках мезофилла растущей хвои ели сибирской при экспериментальном охлаждении в условиях аэротехногенного загрязнения.

В задачи нашей работы входило:

1) изучить структуру ассимиляционной ткани растущей хвои ели при экспериментальном охлаждении;

2) выявить основные закономерности ультраструктурных перестроек в клетках мезофилла в период постстрессовой реабилитации;

3) определить реакцию клеток мезофилла хвои ели, растущей в зоне аэротехногенного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного производства, на действие низких температур.

Научная новизна работы. Впервые изучена ультраструктура клеток мезофилла ели сибирской при экспериментальном охлаждении в период активного роста хвои в условиях Севера. Установлена зависимость изменений качественных и количественных параметров клеток от температуры и длительности охлаждения. Выделены два адаптивных и один тип деструктивных реакций клеток мезофилла растущей хвои ели на воздействие низких температур. Впервые изучены особенности структурных изменений в клетках мезофилла растущей хвои ели после действия низких температур в раз-

личных зонах аэротехногенного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного производства.

Теоретическая и практическая значимость работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках бюджетной темы Отдела ле-собиологических проблем Севера Института биологии Коми научного центра РАН «Биогеоценотические основы управления продуктивностью и устойчивостью лесов европейского Северо-Востока» (ГР. 01.9.60 003710). Результаты работы имеют теоретическое значение для решения ряда фундаментальных проблем в области экологической анатомии растений, раскрывают механизмы адаптации древесных растений к условиям среды. Возможно практическое применение полученных данных при оценке состояния хвойных растений в условиях меняющегося климата, а также для определения их экологических и продукционных возможностей. Результаты работы могут быть использованы при чтении лекций по экологической ботанике и анатомии растений.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались на XIII Коми республиканской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 1997), Республиканской научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы охраны окружающей среды» (Сыктывкар, 1998), VI молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии» (Сыктывкар, 1999), Международной конференции «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» (Архангельск, 2002), II Международной конференции по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 2002), IX молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар,

2002), Международной конференции «Стационарные лесоэкологи-ческие исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар,

2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журнале «Экология» и в «Лесном журнале».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 169 страницах, включая 32 таблицы и 40 рисунков. Библиография включает 123 наименования.

Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям д.б.н., профессору Г.М. Козубову и д.б.н. Н.В. Ладановой за всестороннюю помощь и поддержку, д.б.н. СВ. Загировой за ценную консультативную помощь, В.В. Алексееву и А.И. Патову за помощь в сборе образцов и подготовке фотоматериалов, СП. Швецову за помощь при работе с электронным микроскопом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1

Влияние низких температур и аэротехногенного загрязнения на растительные организмы

В главе приведен обзор литературных данных по действию низких (положительных и отрицательных) температур и аэротехногенного загрязнения на структуру растительной клетки и ассимилирующих органов растений.

1.1. Действие низких температур на растительную клетку. По имеющимся в литературе данным устойчивость растений к низким температурам зависит от фазы развития растения, длительности вегетации и может повышаться после их закаливания (Туманов и др., 1972). При этом в клетке запасные формы углеводов гидроли-зуются до растворимых в воде углеводов, что способствует понижению температуры льдообразования и увеличению процента переохлажденной, незамерзающей воды в клетке. Кроме того, постепенное понижение температуры воздуха в природных условиях приводит к ультраструктурным перестройкам в клетках растений (Силаева, 1978; Ладанова, Тужилкина, 1992; Загирова, 1999), что способствует наиболее эффективному распределению влаги в клеточных компонентах при понижении температур. Стрессовое воздействие низких температур (заморозки, экспериментальное охлаждение) также приводит к изменениям в ультраструктуре клеток. В зависимости от температуры и длительности охлаждения, фазы развития растения и условий его произрастания изменения в структуре клеток могут носить адаптивный (Балагурова и др., 1980; Мирославов и др., 1984; Кравкина, Котеева, 2002) или деструктивный (патологический) характер (Силаева, 1978). В ответ на холодовое воздействие, как правило, происходит изменение числа органелл в клетке, их объемов, набухание мембранных структур клетки, изменение содержания крахмала в хлоропластах (Hudak, Salay, 1999).

1.2. Растение и аэротехногенный пресс. Загрязнение лесных биоценозов промышленными поллютантами может приводить к их распаду. Это связано с гибелью растений-эдификаторов, которые заменяются, как правило, малоценными породами (Рябинин, 1962; Кулагин, 1964; Антипов, 1979). На первоначальном этапе действия поллютантов, при слабой их концентрации, может наблюдаться стимуляция обменных процессов в листьях древесных растений, усиление процессов фотосинтеза и дыхания (Кайбияйнен и др., 1998). В листьях без видимых признаков повреждения изменения в ультраструктуре отмечаются, как правило, только для хлоропластов (Soikkeli, 1981; Васильев и др., 1982; Кравкина, 1991). При этом происходит деградация тилакоидной системы и изменяется содер-

жание крахмальных гранул в хлоропластах. В листьях с хлорозами и некрозами процессы повреждения распространяются на другие органеллы клетки: структура цитоплазмы изменяется, число рибосом снижается, в митохондриях просветляется матрикс и уменьшается число крист. На стадии очень тяжелых (катастрофических) повреждений все клеточные органеллы подвергаются разрушению (Васильев и др., 1982). Выявлена определенная специфика в действии разных загрязнителей на структуру органелл одного и того же вида растения. Например, в хвое сосны и ели редукция гран хлоропластов и просветление пластоглобул являются результатом воздействия соединений серы, а набухание и скручивание тилакои-дов, вытягивание оболочек хлоропластов - фторидов (Soikkeli, 1981).

Глава 2

Лесорастительные условия районов исследования.

Объекты и методы

2.1. Естественно-географические условия районов исследования. В главе дается краткая характеристика геоморфологии, климата и почв районов исследования. Районы исследований, Княжпогостс-кий и Сыктывдинский, расположены в подзоне средней тайги на территории Республики Коми. Климат умеренно-континентальный. На территории Сыктывдинского района расположен Сыктывкарский лесопромышленный комплекс (СЛПК), с 2001 г. именуемый ОАО «Нойзидлер Сыктывкар». Максимальная концентрация сернистого ангидрида и неорганической пыли, выбрасываемых СЛПК, может быть выше предельно допустимых концентраций на расстоянии до 18 км, причем в радиусе 10 км от источника эмиссии превышение по сернистому ангидриду составляет 4 ПДК, по неорганической пыли - 3 ПДК (Бобкова и др., 1997).

2.2. Объекты и методы исследований. Объектом нашего исследования являлась хвоя ели сибирской Picea obovata Ledeb., собранная с деревьев, произрастающих на разном удалении от Сыктывкарского лесопромышленного комплекса. Образцы для морфологических и электронно-микроскопических наблюдений отбирались в мае-августе 1998-2000 гг. в ельниках черничных, в которых сотрудниками Отдела лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми НЦ УрО РАН под руководством д.б.н. К.С. Бобковой были заложены и описаны постоянные пробные площади, расположенные к северу от СЛПК (Торлопова, Робакидзе, 2003). Для работы в границах заложенных пробных площадей были выбраны три экспериментальных участка (ЭУ). В качестве фонового был выбран экспериментальный участок 1 (ЭУ-1), расположенный на Ляльском лесоэкологическом стационаре, удаленном на 50 км от СЛПК. Экс-

периментальные участки 2 (ЭУ-2) и 3 (ЭУ-3) расположены в 10 км и 3.5 км от основного источника загрязнений и отнесены к зонам умеренного и сильного влияния СЛПК соответственно (Робакидзе, 2001). Все описанные насаждения произрастают на типичных подзолистых почвах.

В рамках поставленных задач на экспериментальных участках изучалась структура сформированной хвои ели, а также были проведены эксперименты по влиянию низких температур на растущую хвою ели. Выбор экспериментальных температур, -5 и -10 оС, был обусловлен особенностями температурного режима в районах исследования, а также, важным физиологическим значением указанных температур для северных хвойных пород (Туманов, Красавцев, 1959; Яковлев, 1979; Фуксман, 1999).

Для постановки экспериментов по влиянию отрицательных температур на молодую хвою на каждом участке выбирали три растущих дерева 1У-У класса возраста И-Ш класса развития по Крафту. С деревьев в период выхода побега из-под кроющих чешуй (1-ая декада июня) для каждого опытного варианта срезали по 5 ветвей И-Ш порядков ветвления длиной 10-15 см с южной стороны кроны, со средней ее части. Средняя температура воздуха в первую декаду июня 1999 г. составляла +12.2 °С (ЭУ-1) и +12.4 °С (ЭУ-2 и ЭУ-3). Светлое время суток составляло 17.5 ч, темное - 6.5 ч. На места срезов побегов наносился пластилин во избежание потерь влаги. После этого их помещали в двойной пакет из фильтровальной бумаги и охлаждали в морозильных камерах при температуре -5 и -10 °С в темноте. Охлаждение длилось 12 и 24 ч для каждого температурного режима. После охлаждения пластилин удалялся вместе с небольшим фрагментом стебля и далее экспериментальные образцы выдерживали на протяжении трех суток при естественном световом режиме в колбе с водой при температуре +18 °С. Контрольные варианты побегов выдерживали трое суток при +18 °С и естественном световом режиме в колбе с водой. Фиксация образцов хвои для электронной микроскопии проводилась перед помещением побегов в морозильные камеры, через 12 и 24 ч после начала охлаждения и через 12, 24 и 72 ч после начала оттаивания. Фиксация контрольных образцов хвои проводилась через 12, 24 и 72 ч после помещения побегов в колбу с водой.

Для изучения структуры сформированного листа сбор образцов проводился в Ш-ей декаде июля. Фиксация хвои для электронной и световой микроскопии велась параллельно.

Световая микроскопия. Для изучения морфологии и анатомии хвои срезанные побеги фиксировали в 70%-ном этиловом спирте. Временные препараты готовили на вибрационном микротоме для мягких тканей (Скупченко, 1979), окрашивали метиловым зеленым-пиронином (Пирс, 1962) и заключали в глицерин. В микроскопе

«Amplivab просматривали поперечные и продольные срезы хвои из центральной ее части. С помощью экрана-насадки и специальной координатной сетки с известным пошаговым расстоянием определяли абсолютные и относительные площади сечений тканей хвои в 20-30-кратной повторности для каждого дерева. С использованием окуляр-микрометра измеряли высоту и ширину листовых органов и размеры клеток их тканей в 20-60-кратной повторности для каждого дерева. Фотографирование препаратов проводили при помощи фотонасадки МФН-11 (ЛОМО, Россия).

Электронная микроскопия. Для электронно-микроскопических исследований клеток хлоренхимы из средней части хвои нарезали фрагменты длиной 1 мм и фиксировали их в течение 4.5 ч в 2.5%-ном глутаральдегиде, приготовленном на фосфатном буфере с рН 7.4, с добавлением танина. После двухкратной промывки в фосфатном буфере, постфиксацию проводили в 1%-ном водном растворе осмиевой кислоты в течение 8 ч. После дегидратации в сериях растворов этилового спирта и ацетона образцы заключали в смолу Эпон-812. Ультратонкие срезы, полученные на микротоме Tesla BS 490А (Чехословакия), были обработаны в растворах уранилацетата и цитрата свинца. Просмотр препаратов и их фотосъемку проводили на электронном микроскопе Tesla BS 500 (Чехословакия). Мор-фометрию клеток мезофилла на экране микроскопа выполняли в 20-60-кратной повторности для каждого дерева по методу В.Б. Скуп-ченко (1990).

Значения, приведенные в таблицах, соответствуют среднеарифметическим показателям и их стандартным ошибкам.

Глава 3

Мезо- и ультрастуктура хвои ели сибирской

3.1. Сформированная и растущая хвоя в норме. В разделе приведено описание морфо-, мезо- и ультраструктуры сформированной и развивающейся хвои ели в природных условиях, подробно представленное в литературе ранее (Скупченко, 1985; Ладанова, Тужил-кина, 1992; Загирова, 1999). Хвоя ели на поперечном срезе имеет форму ромба и основной объем (до 75%) в ней занимает мезофилл. Освобожденная от кроющих чешуи хвоя достигает 40-45% длины и 30% площади поперечного сечения зрелого листа. На момент выхода хвои из-под кроющих чешуи в покровных и механических тканях и в мезофилле формирование клеточных оболочек не завершено. В клетках всех тканей на данном этапе развития идет активное формирование органелл. В этот период не только в растущей, но и в зрелой хвое, наблюдается низкое содержание моно- и олигосахари-дов (Робакидзе, 2001). Полисахариды представлены в значитель-

ном количестве в виде гранул крахмала в пластидах. Это косвенно может свидетельствовать о низкой устойчивости клеток растущей хвои к воздействию отрицательных температур.

3.2. Развитие хвои ели при воздействии промышленных пол-лютантов целлюлозно-бумажного производства. Изучение хвои елей, произрастающих на разном расстоянии от СЛПК, показало, что существуют различия в ее структурных параметрах. На расстоянии 3.5 км от источника загрязнения хвоя в 1.2 раза длиннее, а площадь поперечного сечения в 1.4 раза меньше, чем на фоновом участке. Кроме того, с приближением к СЛПК в хвое увеличивается парциальный объем покровной ткани и снижается парциальный объем смоляных ходов. По ряду структурных характеристик клеток мезофилла хвоя ели с ЭУ-2 выделяется на фоне двух других участков. Так, на ЭУ-2 в сформированных клетках мезофилла наблюдается в 1.7 раза больше хлоропластов и в 2.2 раза больше митохондрий, чем на двух других участках. В зоне умеренного загряз -нения поллютантами сформированные клетки содержат большее число запасающих глобул разной природы, чем клетки на фоновом и на сильно загрязненном участках. Таким образом, при различной степени действия одного и того же стрессового фактора существуют разные пути адаптации к нему растения. При низких концентрациях поллютанта происходят изменения на уровне физиологических процессов, а при повышении концентрации загрязнителей - также и в анатомической структуре листа.

Глава 4

Влияние экспериментального охлаждения на ультраструктуру мезофилла в процессе роста хвои

В главе на основе полученных в ходе экспериментов данных описаны изменения в тонкой структуре клеток мезофилла в контрольной и охлажденной хвое на фоновом участке (ЭУ-1).

4.1. Рост хвои в контроле. В течение 72 ч наблюдений в контроле хвоя в 1999 г. на фоновом участке выросла в два раза и ее длина составила 87% от зрелого состояния. Рост хвои сопровождался увеличением парциального объема межклетников в ассимиляционной ткани более, чем на 100%, достигнув среднего значения объема в мезофилле зрелого листа. В мезофилле хвои возросла объемная доля клеточных оболочек, однако толщина их не изменилась. Уменьшился относительный объем вакуолей и гиалоплазмы с органеллами. В цитозоле в единичных экземплярах выявлялись осмиофильные глобулы. Число митохондрий и хлоропластов на срез клетки за трое суток не изменилось. Мембранная система пластид за 72 ч наблюдений также не претерпела значительных изменений. На срезе хло-

ропласта отмечалось 3-4 тилакоида стромы и 5-6 гран, состоящих из сдвоенных тилакоидов. В этот период отмечались единичные случаи накопления пластоглобул в хлоропластах в количестве 3-5 на срез органеллы. Ядро имело округлую или слегка удлиненную форму. Встречаемость ядрышек за этот период снизилась, и к моменту окончания наблюдений число их составляло в среднем 0.3 на срез ядра с площадью сечения в 3.5 раза меньшей, чем в начале наблюдений.

4.2. Рост хвои после охлаждения: при —5 °С и при —10 °С. Количество побегов, погибших в процессе эксперимента в 1999 г., на разных деревьях сильно варьировало в пределах одного и того же варианта охлаждения. В среднем с понижением температуры и увеличением времени экспонирования холодом доля отмерших побегов на фоновом участке увеличивалась с 30% (-5 °С, 12 ч) до 60% (-10 °С, 24 ч). Погибнуть могли как все молодые побеги в одной мутовке, так и один или несколько из них.

Хвоя, в которой в процессе охлаждения происходили необратимые изменения, вскоре после изъятия из морозильной камеры теряла тургор и приобретала бурую окраску. Клетки мезофилла погибшей хвои имели явно деструктивный вид: крупная вакуоль занимала практически весь объем клетки и содержала фрагменты мембран, гиалоплазма располагалась вдоль плазмалеммы узким слоем, была электронно-темной и органеллы в ней различить было невозможно.

Общей реакцией сохранившей жизнеспособность хвои после охлаждения являлось замедление ее роста. Так, в 1999 г. в контрольном варианте по окончании опыта хвоя выросла в длину в два раза, а после охлаждения максимальное увеличение длины составляло 8%, что несущественно по сравнению с контролем. Анатомически это выражалось в том, что в хвое после охлаждения не увеличивался объем межклетников, напротив, в большинстве случаев наблюдалось некоторое сокращение их объемов.

Охлаждение при -5 °С.

Клетки хвои, способной к репарации, по своей структуре сильно отличались от погибших.

Цитоплазма. Клетки мезофилла, выдержанные при -5 °С, имели однородную зернистую структуру гиалоплазмы, не отличающуюся от контроля. После охлаждения в центральной вакуоли танин часто располагался сплошной лентой вдоль тонопласта. В процессе оттаивания он появлялся во всем объеме вакуоли. После низкотемпературного воздействия наблюдалось «набухание» гиалоплазмы, которое выражалось в увеличении ее парциального объема (с учетом хлоропластов и митохондрий) в 1.5 раза, структура при этом оставалась неизменной. В конце наблюдений объем гиалоплазмы с

органеллами в клетках, испытавших действие низких температур, был в два раза больше, чем в контроле. Хорошо просматривался гладкий эндоплазматический ретикулум. Через 12 ч после начала оттаивания наблюдались многочисленные контакты между различными мембранными структурами клетки.

Митохондрии. Количество митохондрий в ответ на стресс в период оттаивания обратимо увеличивалось в 1.5 раза. На протяжении всего постстрессового периода внутренние мембраны митохондрий не набухали и не меняли своей структуры.

Хлоропласты. Число хлоропластов не изменялось так заметно, как число митохондрий. Строма хлоропластов становилась плотной, однако вся тилакоидная система хорошо просматривалась за счет светлого внутритилакоидного пространства. Периферический ретикулум в пластидах был развит, но не гипертрофирован. Плас-тоглобулы отсутствовали. Во время оттаивания снижались число и объемы крахмальных гранул в хлоропластах (табл. 1).

Таблица 1

Динамика содержания крахмала в хлоропластах на тангентальном срезе мезофилла хвои ели в период эксперимента (ЭУ-1)

Вариант Время оттаивания, ч

00 12 24 72

Контроль 83 2±8.6** 57.9±7.5 77.6±9.7 42.2±10.2 80 6±7 2 46.1±7.5 95 3±3 8 70.0±7.1

-5-12-* 83.2±8 9 58.7±7.5 73.0+8.8 38.1 ±5.1 ед. ед.

-5-24- 51.4±13.6 53.0±8.6 50,14146 62.1±12.3 28.0±9.4 33.1±8.8 5,5±4,1 15.7±6.6

* здесь и далее в таблицах принято сокращенное обозначение условий эксперимента: температура охлаждения (*С) - продолжительность охлаждения (ч);

** в числителе - количество пластид (%), содержащих зерна крахмала; в знаменателе - парциальный объем крахмального зерна в хлоропласте (%).

В хлоропластах, испытавших действие низких температур, наблюдали несколько ускоренное развитие тилакоидной системы (табл. 2); к окончанию эксперимента пластиды в контроле содержали наименьшее количество гран.

Ядро. Ядро, в большинстве случаев реагировало однозначно: оно обратимо вытягивалось, приобретая на срезе неровный, с инвагинациями контур. Отношение большой оси к малой в результате охлаждения достигало 1.5 против 1.2 в контроле.

Характеристика тилакоидной системы хлоропластов в период эксперимента (ЭУ-1)

Среднее число Время оттаивания, ч

00 12 24 72

Контроль

хлоропластов* 6.6Ю.5 4.3±0.3 5.510.4 5.710.4

тилакоидов стромы** 3.7±0.6 3.3±0.5 4.410.9 3.410.6

фан** 5.8±2.1 7.0±1.7 7.111.4 5.310.9

тилакоидов в фане 2.4±0.6 2.4±0.5 2.110.2 2.110.1

-5 °С, 12 ч

хлоропластов 4.9±0.3 4.1±0.3 5.610.4 7.410.6

тилакоидов стромы 3.3±0.6 3.4±0.5 4.010.2 3.510.5

фан 7.8±3.4 4.5±1.7 8.310.3 6.910.4

тилакоидов в фане 2.110.2 2.0±0.0 2.010.0 2.410.1

-5 °С, 24 ч

хлоропластов 5.8±0.4 6.110.7 5.710.3 6.710.5

тилакоидов стромы 3.7±0.7 3.4±0.5 4.510.7 4.110.6

фан 7.1±1.6 5.810.4 10.612.1 11.113.1

тилакоидов в фане 2.3±0.4 2.010.0 2.410.6 2.310.4

* на срез клетки; ** на срез хлоропласта.

Охлаждение при -10 °С.

Тонкая структура клеток мезофилла после охлаждения при —10 °С отличалась от таковой при более щадящей температуре экспонирования холодом (-5 °С).

Цитоплазма. Обратимое увеличение парциального объема гиа-лоплазмы с органеллами наблюдалось в обоих вариантах эксперимента, максимум в 2.5 раза. В конце периода наблюдений объем гиалоплазмы с органеллами в охлажденной хвое был в 2 раза выше, чем в контроле. В отличие от охлаждения до -5 °С, понижение температуры до -10 °С приводило к качественным изменениям в цито-золе. Набухание гиалоплазмы сопровождалось сильной ее вакуолизацией и просветлением, при этом она принимала характерный ячеистый вид. В ней появлялись многочисленные электронно-прозрачные участки.

Митохондрии. Сразу после охлаждения побегов до -10 °С структура митохондрий была аналогична их структуре после охлаждения хвои до -5 °С. При этом органеллы имели округлую или слегка вытянутую форму и нормально развитые кристы. Однако на третьи сутки после охлаждения, как правило, наблюдалось значительное набухание крист.

Охлаждение побегов до —10 °С не вызывало таких изменений в количестве митохондрий, как охлаждение их до -5 °С. При этом площадь их сечения на протяжении периода оттаивания часто была выше средних показателей в контроле (табл. 3).

Таблица 3

Число и средняя площадь сечения митохондрии на тангентапьном срезе клетки мезофилла хвои ели (ЭУ-1)

Вариант Время оттаивания, ч

00 12 24 72

Контроль 10.9±2.3* 0.33±0.04 9 9±1.6 0.38±0.04 11.9±2.1 0.42±0.06 11.6±1.4 0.31±0.03

-10-12- 14.9±1.2 0.31 ±0.02 10.4±0.9 0.39±0.02 12.2±0.9 0.36±0.02 11.7±1.2 0.39±0.02

-10-24- 100±0.7 0.41±0.02 13.1±1.2 0.49±0.03 12.5±1.1 0.32±0.02 13.7±1.1 0.29±0.01

* в числителе - число митохондрий на срез клетки, в знаменателе - средняя площадь сечения органеллы (мкм2).

Хлоропласты. Большинство хлоропластов в момент первой фиксации после охлаждения имели неправильную форму из-за крупного крахмального зерна внутри пластиды. Строма была электронно-плотная. Полости тилакоидов светлые, по мере оттаивания они расширялись, поэтому гранальная структура прослеживалась хорошо. В хлоропластах часто встречались проламеллярные тела. Причем часто они наблюдались в пластидах, определяемых нами как деградирующие. Последние встречались в единичных экземплярах в клетках после суточного охлаждения при температуре -10 °С и по своим размерам значительно превосходили обычные хлоропласты. Тила-коидная структура их была явно деструктурирована, в строме просматривались пластоглобулы, сгруппированные в центре органелл. Крахмал или следы крахмала часто прослеживались в таких пластидах. Количество хлоропластов практически не изменялось. К окончанию эксперимента все хлоропласты имели почти правильную овальную или вытянутую форму, электронно-плотную строму, светлое внутритилакоидное пространство, хорошо развитый, часто расширенный периферический ретикулум и практически не содержали зерен крахмала. Пластоглобулы также не выявлялись. После охлаждения хвои до -10 °С, как и до -5 °С, наблюдалось несколько большее, чем в контроле, развитие тилакоидной системы в хлоро-пластах, в основном за счет увеличения в них числа гран (табл. 4).

Ядро. Форма ядра после охлаждения до -10 °С как правило была аналогична описанной выше после охлаждения до -5 °С. Хроматин был равномерно распределен по всему объему ядра в виде неболь-

Характеристика тилакоидной системы хлоропластов в период эксперимента (ЭУ-1)

Среднее число Время в период оттаивания, ч

00 12 24 72

Контроль

хлоропластов* 6.6±0.5 4.3±0.3 5.5±0.4 5.7±0.4

тилакоидов стромы** 3.7±0.6 3.3±0.5 4.4±0.9 3.4±0.6

фан** 5.8±2.1 7.0±1.7 7.1±1.4 5.3±0.9

тилакоидов в гране 2.4±0.6 2.4±0.5 2.1 ±0.2 2.1 ±0.1

-10 °С, 12 ч

хлоропластов 6.1 ±0.3 6.3±0.4 5.2±0.3 4.4±0.3

тилакоидов стромы 4.5±0.7 3.6±0.5 3.7±0.6 4.7±0.6

гран 10.6±2.1 8.1±1.5 6.1±1.3 10.1±2.2

тилакоидов в фане 2.4±0.6 2.1 ±0.2 2.3±0.4 2.3±0.4

-10 "С, 24 ч

хлоропластов 6.1 ±0.6 6.3±0.5 5.6±0.3 6.2±0.5

тилакоидов стромы 3.7±0.4 4.1 ±0.6 4.2±0.6 4.0±0.3

фан 5.4±1.4 9.2±2.8 7.3±2.1 13.7±2.7

тилакоидов в фане 2.1 ±0.2 2.3±0.4 2.3±0.4 2.5±0.5

* на срез клетки; ** на срез хлоропласта

ших глыбок. Через трое суток после изъятия побегов из морозильной камеры (-10 °С) наблюдалось снижение электронной плотности нуклеоплазмы. Характерной чертой ядер в клетках мезофилла хвои после охлаждения до -10 °С были более крупные и чаще встречающиеся в них ядрышки в конце периода наблюдений, по сравнению с контролем. В морфологии ядрышек не фиксировалось каких-либо явных признаков изменения или повреждения на протяжении всего периода наблюдений.

Таким образом, проведенные исследования показали, что даже такая температура, как -5 °С, в период активного внепочечного роста хвои может приводить к вымерзанию до 30% побегов текущего года у ели, характеризующейся высокой морозостойкостью в зимний период. Для ультраструктуры клеток погибшей хвои были характерны деструктивные изменения, затрагивающие все органел-лы. Воздействие низкими температурами приводит к замедлению роста сохранившей жизнеспособность хвои ели. В выжившей хвое на фоновом участке изменения ультраструктуры, как правило, были однотипны для всех клеток и носили адаптивный, а не деструктивный характер. После охлаждения до -5 °С происходило увеличение числа митохондрий и парциального объема гиалоплазмы. После

охлаждения до -10 °С наблюдалось изменение ультраструктуры органелл и цитоплазмы в целом. Происходило набухание внутренних мембран хлоропластов и митохондрий, сильная вакуолизация цитоплазмы и снижение ее электронной плотности. Восстановление клеток в постстрессовый период после любого режима охлаждения проходило на фоне снижения содержания крахмала в хлороплас-тах.

Глава 5

Действие экспериментального охлаждения на рост хвои при аэротехногенном загрязнении

5.1. Рост хвои в контроле. На пробных площадях, расположенных в пределах 10-км зоны вокруг лесопромышленного комплекса, рост хвои в контрольных вариантах был замедленным. Так, в 1999 г. прирост хвои в длину в контрольных вариантах составил: на ЭУ-1 -5.6, на ЭУ-2 - 2.5 и на ЭУ-3 - 5.3 мм, что соответствовало 42.7, 17.5 и 32.8% от длины сформированной хвои. Характер изменений в парциальных объемах структурных элементов клеток мезофилла на протяжении 72 ч наблюдений в контрольных вариантах с ЭУ-2 и ЭУ-3 был аналогичен контрольному варианту с ЭУ-1: относительные объемы вакуоли и гиалоплазмы с органеллами уменьшались, а доля межклетников в мезофилле возростала.

На ЭУ-2, в отличие от ЭУ-1, в контроле на протяжении трех суток наблюдений происходило обратимое снижение содержания крахмала в хлоропластах. На ЭУ-3 в конце наблюдений количество пластид, содержащих гранулы крахмала, снизилось, по сравнению с началом эксперимента, на 16%, однако, их парциальный объем в органелле при этом сохранился практически без изменений.

Ядра в клетках мезофилла контрольной хвои ели на загрязненных участках имели неправильную форму с извилистым контуром нуклеолеммы. Соотношение большого и малого диаметров ядер при этом составляло 1.3 на ЭУ-2 и 1.4 на ЭУ-3. Степень конденсации хроматина была схожа с ЭУ-1. Частота встречаемости ядрышек и их площадь сечения на участке, удаленном на 10 км от источника загрязнений, оставались примерно на одном уровне на протяжении всего времени наблюдения. На ЭУ-3 частота встречаемости ядрышек и средняя площадь их сечения с течением времени, по сравнению с фоновым участком, снижались незначительно.

5.2. Рост и структура хвои после экспериментального охлаждения. Как уже было сказано выше, на фоновом участке количество погибшей хвои увеличивалось с понижением температуры и увеличением времени охлаждения (см. рисунок). Хвоя с ЭУ-2 оказалась наиболее устойчивой к действию низких температур. С понижением температуры и увеличением времени экспонирования холодом

% 70605040-

2010-

ЭУ-1 ЭУ-2 ЭУ-3

Доля погибших побегов ели 1999 г. на экспериментальных участках после охлаждения: 1 - при -5 °С в течение 12 ч; 2 - при-5 "С в течение 24 ч; 3-при-10 "С в течение 12 ч; 4-при-10 °С в течение 24 ч.

число погибшей хвои на участке с умеренной степенью загрязнения обычно сокращалось, а самым неблагоприятным оказалось охлаждение побегов до -5 °С в течение суток. На ЭУ-3 сохранность хвои напрямую зависела от длительности низкотемпературного воздействия.

Также как и на фоновом, на загрязненных участках после охлаждения отмечалось снижение роста хвои ели. Максимальное увеличение длины хвои после охлаждения в 1999 г. на ЭУ-1 составило 7%, на ЭУ-2 - 10%, на ЭУ-3 - 14%.

Ультраструктура клеток мезофилла в эксперименте на ЭУ-2.

В хвое на ЭУ-2 после охлаждения при -10 °С в течение 12 ч был отмечен плазмолиз в клетках мезофилла. Он не сопровождался разрывом плазмолеммы или тонопласта. Наблюдаемый плазмолиз, очевидно, был обратимым и спустя 24 ч после снятия стрессового фактора, как правило, не выявлялся.

Цитоплазма. К концу наблюдений в клетках, сохранивших жизнеспособность после охлаждения при -10 °С, в том числе и в клетках, испытавших обратимый плазмолиз, отмечалось снижение электронной плотности гиалоплазмы за счет образования в ней электронно-прозрачных участков. Охлажденные до -5 °С клетки мезофилла сохраняли в течение всего эксперимента достаточно высокую плотность гиалоплазмы. Образование многочисленных дополнитель-

ных вакуолей с четко выраженным тонопластом и танином внутри было характерно для всех клеток, испытавших низкотемпературное воздействие. Танин располагался вдоль тонопласта в виде небольших округлых телец, которые при усилении действия стрессового фактора сливались между собой и образовывали сплошную ленту по периферии вакуоли. В наибольшей степени это проявлялось в клетках с плазмолизом. Цитоплазма в них была электронно-плотная, гомогенной структуры, органеллы определялись с трудом из-за их высокой электронной плотности. Парциальный объем гиалоп-лазмы в этом случае на протяжении постстрессового периода составлял 7-11%. В целом на данном участке не было отмечено «набухания» гиалоплазмы до объемов, характерных для ЭУ-1. Максимальное значение парциальных объемов гиалоплазмы с органелла-ми составляло 18% против 13% в контроле. В любом варианте эксперимента к окончанию наблюдений объем гиалоплазмы с органел-лами был ниже, чем в клетках контрольной хвои. В цитоплазме на этом участке часто встречались структуры, которые могут свидетельствовать об усиленных автолитических процессах: цитосегре-сомы и специфические мембранные образования.

Митохондрии. В период оттаивания, либо непосредственно в морозильной камере в клетках мезофилла во всех вариантах эксперимента наблюдалось обратимое увеличение числа митохондрий. Чем сильнее было действие стрессового фактора, тем больше органелл выявлялось на срезе клетки (табл. 5).

Таблица 5

Число митохондрий в клетке на тангентальном срезе мезофилла хвои в эксперименте 1999 г. (ЭУ-2)

Вариант Время оттаивания, ч

00 12 24 72

Контроль 11.3±2.1 12.5±3 9 10.712.4 10.912.7

-5-12- 13.813 5 13 714.5 14 313.7 14.713 4

-5-24- 9 513.7 13 413 0 нет данных 11.612.3

-10-12- 11 815.4 18.111.7 13.914.1 11.412.6

-10-24- 15.113.3 20 016.2 нет данных 13 213.7

Во время периода оттаивания молодых побегов, охлажденных до -10 °С, наблюдалось набухание крист митохондрий.

Хлоропласты во всех вариантах после охлаждения имели электронно-плотную строму. При охлаждении образцов до -5 °С на протяжении всего периода оттаивания мембраны тилакоидной системы не были расширены, а периферический ретикулум был аналоги-

чен контролю. Интенсивное развитие периферического ретикулума в хлоропластах наблюдалось через 72 ч после охлаждения до -10 °С. В этот же период в пластидах выявлялись проламеллярные тела, наблюдались контакты между пластидами. В отличие от фонового участка, для хлоропластов на ЭУ-2 после охлаждения было характерно интенсивное накопление пластоглобул (табл. 6).

Таблица б

Доля хлоропластов, содержащих пластоглобулы, от общего их количества во время эксперимента (%) (ЭУ-2)

Вариант Время оттаивания, ч

00 12 24 72

Контроль 0 0 0 0

-5-12 ед. 0 10.8±6.8 10.0±7.8

-5-24 0 52.4±9.3 нет данных 35.5±12.4

-10-12 6.4±3.9 нет данных 35.8±14.3 18.4±10.6

-10-24 0 30.9±10.3 нет данных 8.4±4.3

Характер изменений в содержании крахмала в клетках охлажденных образцов в принципе был аналогичен таковым на ЭУ-1 и соответствовал изменениям в контрольной, неохлажденной хвое с ЭУ-2. На этом участке наблюдалось возобновление накопления крахмальных гранул в хлоропластах после полного их исчезновения. Во время оттаивания отмечалось повышение суммарного количества гранальных тилакоидов на срез пластиды более, чем в два раза, причем, как за счет увеличения количества гран, так и за счет увеличения числа тилакоидов в гране. Исключение составляли клетки, перенесшие плазмолиз (-10 °С, 12 ч), в которых повышение суммарного количества гран было незначительным. В контрольном варианте увеличение суммы ламелл происходило в основном за счет повышения количества гран.

Ядро. При разных условиях низкотемпературного воздействия форма ядра была непостоянна и различна. Чаще всего после действия низкими температурами соотношение длинного и короткого диаметров ядра превышало контрольное значение 1.3 и при охлаждении до -5 °С составляло 1.4, при —10 °С - 1.7 (12 ч охлаждения) и 1.2 (24 ч охлаждения). В последнем случае ядро имело округлую форму и высокую степень конденсации хроматина. К моменту окончания наблюдений в большинстве случаев соотношение диаметров ядра составляло 1.4. Удлинение ядра часто сопровождалось образованием инвагинаций и лопастей.

Таким образом, на участке с умеренной степенью загрязнения выбросами СЛПК ответные реакции клеток мезофилла на охлажде-

ние в общем и целом были аналогичны таковым с фонового участка и отличались между собой степенью развития и скоростью наступления описанных ультраструктурных изменений. Кроме того, клетки характеризовались значительной осмиофильностью, что выражалось в увеличении числа пластоглобул в хлоропластах, появлении миелиновых фигур в цитоплазме и накоплении значительного количества танинсодержащего вещества в вакуолях.

Ультраструктура клеток мезофилла в эксперименте на ЭУ-3. Цитоплазма. Для клеток мезофилла на этом участке плазмолиз был отмечен при любом режиме охлаждения, в том числе и при -5 °С.

На ЭУ-3 снижение электронной плотности гиалоплазмы в период оттаивания за счет появления в ней значительного количества электронно-прозрачных участков отмечалось уже после суточного охлаждения хвои при -5 °С. Обратимое для хвои с фонового участка, на пробной площади, расположенной в 3.5 км от СЛПК, просветление гиалоплазмы достигало своего максимума и иногда сопровождалось разрывом тонопласта и автолизом содержимого клетки. При значительном снижении электронной плотности цитозоля органел-лы располагались группами в окружении его тонкого слоя. Просветление гиалоплазмы, отмеченное после воздействия на клетки температурой -10 °С в течение 12 ч, сопровождалось просветлением стро-мы хлоропластов и матрикса митохондрий. Внутренние мембраны в митохондриях при высокой степени изменений иногда деградировали, в то время как в хлоропластах тилакоиды часто сохранялись. Визуально нормальная зеленая хвоя, имея такие серьезные изменения в ультраструктуре клеток, впоследствии, вероятно, погибала.

После охлаждения хвои до -10 °С для клеток мезофилла с ЭУ-3, была характерна разнородность в их тонком строении в пределах одного сечения. В поле зрения попадали клетки с очень электронно-плотной однородной и с сильно вакуолизированной ячеистой структурой цитоплазмы. Для клеток с высокой плотностью цитоплазмы было характерно накопление осмиофильного материала в каналах агранулярного эндоплазматического ретикулума и между клеточной оболочкой и плазмолеммой. В непосредственной близости друг от друга можно было наблюдать все переходы от здоровой на вид, нормально организованной, до подвергшейся необратимым изменениям клетки.

Расширение крист митохондрий на этом участке было отмечено для любого варианта охлаждения и уже при первой фиксации после снятия стрессового фактора. Только после охлаждения в течение 12 ч до -5 °С в конце периода оттаивания визуально митохондрии были аналогичны таковым в контрольном варианте, их крис-ты не набухали.

Как и на ЭУ-1 и ЭУ-2, на ЭУ-3 после охлаждения хвои наблюдалось повышение количества гран и числа тилакоидов в гранах хлоропластов (табл. 7).

Таблица 7

Изменения в тилакоидной системе хлоропластов в клетках мезофилла в период оттаивания побегов (ЭУ-3)

Число Время оттаивания, ч

00 72

Контроль

тилакоидов стромы 3.6±0.9 3.8±0.5

фан 5.7±1.7 7.6±2.6

тилакоидов фан 2.5±0.6 2.8±0.6

-5 "С, 12 ч

тилакоидов стромы 3.0±0.1 6.9±0.9

фан 3.9±0.8 21.1±5.8

тилакоидов фан 2.3±0.4 3.5±0.7

-5 "С, 24 ч

тилакоидов стромы 3.1 ±0.5 6.0±0.8

фан 5.5±2.0 15.2±3.6

тилакоидов фан 2.7±0.5 2.4±0.5

-10°С,24ч

тилакоидов стромы 3.3±0.5 4.1 ±0.4

фан 4.7±1.9 8.7±1.8

тилакоидов фан 2.5±0.5 2.5±0.5

Тилакоидная система хлоропластов в клетках мезофилла хвои после действия низких температур в конце наблюдений хорошо прослеживалась на относительно электронно-плотном фоне их стро-мы за счет светлого внутритилакоидного пространства. Как правило, значительного расширения фотосинтетических мембран в пластидах после низкотемпературного воздействия на этом участке не наблюдалось. За исключением варианта с наименьшей степенью охлаждения, было отмечено появление элементов периферического ретикулума, не выявлявшегося в хлоропластах контрольной хвои.

Ядро. Ядро сразу после охлаждения было еще более вытянутым, чем в клетках контрольных побегов. Соотношение большого и малого диаметров достигало 2.2 (-5 °С, 24 ч), минимум составлял 1.6 (-10 °С, 24 ч), в контроле 1.4. К концу периода наблюдений форма ядра была аналогична контролю.

Таким образом, состояние клеток мезофилла после экспериментального охлаждения на участке с сильной степенью загрязнения выбросами СЛПК зависит не только от температуры охлаждения, как на фоновом участке и на участке с умеренной степенью загрязнения, но и от продолжительности низкотемпературного воздействия. В хвое на этом участке порог чувствительности клеток мезофилла к действию низких температур падает и значительные изменения в

их структуре наблюдаются при более высоких температурах охлаждения, чем на двух других участках, появляются признаки деструктивных изменений в клетке.

Глава б

Заключение и общие выводы

Предельно допустимые среднесуточные концентрации для хвойных пород по 802 составляют 0.02 мг/м3, максимально допустимые разовые концентрации на уровне крон по 80- 0.08 мг/м3 (Серебрякова, 1980). По расчетам Института «ГИПРОБУМ» максимальная концентрация по 802 в зоне действия выбросов СЛПК на расстоянии 1.5, 6 и 10 км составляет соответственно 0.25, 0.12 и 0.08 мг/м3 соответственно (Бобкова и др., 1997), что превышает приведенные выше максимально допустимые разовые концентрации для хвойных на ЭУ-3 в 1.5-3 раза, а на ЭУ-2 соответствует им.

Анализ ультраструктурных изменений в полностью сформированных клетках мезофилла на участке с сильной степенью воздействия загрязнений (ЭУ-3) позволяет сделать предположение, что хвоя находится на этапе скрытых повреждений действия поллютантов на растения. При действии дополнительного стрессового фактора ель на этом участке пострадает сильнее, чем на фоновом участке и на участке с умеренной степенью загрязнения, что было подтверждено в результате проведенных экспериментов по охлаждению молодых побегов. В хвое ели, произрастающей в условиях сильного аэротехногенного загрязнения, изменения в структуре клеток и клеточных органелл после низкотемпературного стресса были более выражены, чем на двух других участках.

Хвоя ели, произрастающей на участке с умеренной степенью загрязнения, на границе максимально допустимых концентраций поллютантов, по всей вероятности, адаптировалась к условиям техногенного пресса и, возможно, в ней происходит стимулирование физиологических процессов под действием низких концентраций поллютантов. В целом, как уже было отмечено, на ЭУ-2 процент хвои, выжившей после охлаждения в эксперименте 1999 г., был выше, чем на двух других участках, а изменения в структуре клеток мезофилла после охлаждения в основном были схожи с изменениями на фоновом участке.

В клетках мезофилла хвои ели, сохранившей жизнеспособность после охлаждения, в период оттаивания можно выделить несколько типов модификационных изменений структуры гиалоплазмы и основных органелл в клетке.

1 тип - характеризуется как норма и наблюдается в клетках мезофилла контрольной хвои, а также хвои, зафиксированной сразу после изъятия из морозильной камеры. Он выражается в сохра-

нении однородной зернистой структуры гиалоплазмы. После охлаждения в клетках с таким типом гиалоплазмы могут появляться хло-ропласты с деструктурированной тилакоидной системой. Основная масса хлоропластов и митохондрий имеет нормальную структуру. 2 тип - появляется на протяжении периода оттаивания после охлаждения побегов до -10 °С на ЭУ-1, ЭУ-2 и ЭУ-3, а также после охлаждения их до -5 °С в течение 24 ч на ЭУ-3. При этом структура гиалоплазмы визуально из зернистой преобразуется в ячеистую и характеризуется появлением в ней электронно-прозрачных участков. Подобные изменения в структуре гиалоплазмы, как правило, сопровождаются набуханием крист в митохондриях, расширением внутритилакоидного пространства в хлоропластах и интенсивным развитием в них периферического ретикулума, а также снижением электронной плотности нуклеоплазмы в ядрах. Установить природу электронно-прозрачных участков в гиалоплазме достоверно в процессе проведенных экспериментов не представилось возможным. Вероятно, здесь имеют значение два фактора: везикуляция внутренних мембран в клетке и изменения в физико-химических свойствах цитозоля. 3 тип - состояние гиалоплазмы в период максимального снижения ее электронной плотности, отмечен на ЭУ-3, и, возможно, является необратимым и предшествует гибели клетки. В процессах глобального просветления цитозоля, вероятно, значительная роль принадлежит автолизу клетки, т.к. при этом часто наблюдаются разрывы тонопласта. В таких клетках отмечается просветление стромы хлоропластов и матрикса митохондрий, а также деструкция крист последних.

В литературе неоднократно обсуждались изменения ультраструктуры клеток, происходящие при их охлаждении. Большинство изменений в ультраструктуре клеток при температурах за пределами толерантности связывается исследователями с перераспределением жидкости в клетке, изменением осмотического давления, а также необходимостью компенсировать заторможенность биохимических процессов в клетке в условиях пониженных температур за счет увеличения численности органелл. В целом результаты настоящих исследований не противоречат литературным данным и подтверждают приведенные выше объяснения ультраструктурных изменений в клетках после действия низких температур.

Полученные при выполнении настоящей работы материалы позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Состояние клеток мезофилла растущей хвои ели на фоновом участке после низкотемпературного воздействия зависит от температуры охлаждения. При этом после охлаждения до -5 °С наблюдаются изменения количественных параметров клеток и их органелл: число митохондрий увеличивается в 1.5-1.7 раза; суммарное количество тилакоидов в гранах хлоропластов в конце периода наблюде-

ний в 1.5-2.3 раза больше, а парциальный объем гиалоплазмы в 1.8-1.9 раза выше, чем в контроле.

2. После охлаждения хвои до -10 °С наблюдаются изменения не только в количестве, но и в структуре клеточных компонентов. Это выражается в расширении внутритилакоидного пространства и интенсивном развитии периферического ретикулума в хлороплас-тах, набухании крист в митохондриях, снижении электронной плотности гиалоплазмы. При этом наблюдается, как и после охлаждения до -5 °С, увеличение суммарного количества тилакоидов в гранах хлоропласта в 2-3 раза, а парциального объема гиалоплазмы до 2.5 раз, по сравнению с контролем.

3. Независимо от температуры охлаждения постстрессовое восстановление клеток сопровождается исчезновением крахмальных гранул из хлоропластов и изменением формы ядра. Структура митохондрий и гиалоплазмы в определенной степени может служить диагностическим признаком состояния клетки после действия отрицательных температур.

4. При увеличении степени аэротехногенного загрязнения происходит снижение площади поперечного сечения хвои ели сибирской и увеличение ее длины. С уменьшением площади поперечного сечения хвои снижаются абсолютные показатели площадей эпидермы и гиподермы, при этом парциальные объемы этих тканей различаются незначительно.

5. Структурная организация хлоропластов может служить диагностическим признаком состояния дерева. В условиях длительного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного производства в клетках мезофилла увеличивается число хлоропластов, суммарное количество тилакоидов гран в пластидах, а также изменяется содержание крахмальных гранул в них.

6. При умеренной степени аэротехногенного загрязнения воздействие низких температур вызывает структурные перестройки в клетках мезофилла, сходные с изменениями на фоновом участке. Состояние клеток мезофилла растущей хвои ели после низкотемпературного воздействия при высокой степени загрязнения зависит не только от температуры, но и от продолжительности охлаждения. В этом случае увеличение времени экспонирования холодом с 12 до 24 ч при -5 °С приводит к появлению качественных изменений в структуре мезофилла, которые на фоновом участке и при умеренной степени загрязнения были отмечены только после охлаждения до -10 °С, т. е. при более низких температурах.

только для хвои с ЭУ-3 и характеризовался признаками деструкции структуры: разрывами тонопласта, глобальным автолизом клеточного содержимого.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Плюснина СИ. Влияние аэротехногенного загрязнения на ассимиляционный аппарат сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) // Мат. XIII Коми респ. молод. Научн. конф. Сыктывкар: Коми научный центр УрО РАН, 1997. С. 128-129.

2. Ладанова Н.В., Плюснина С.Н. Анатомо-морфологические изменения разновозрастной хвои сосны обыкновенной в зоне действия Сыктывкарского лесопромышленного комплекса // Лесной журнал. 1998. № 1. С. 7-11.

3. Плюснина С.Н., Торлопова Н.В. Влияние аэротехногенных выбросов Сыктывкарского лесопромышленного комплекса на ассимиляционный аппарат сосны обыкновенной // Эколого-эконо-мические проблемы охраны окружающей среды: Тез. докл. респ. науч.-практ. конф. Сыктывкар, 1998. С. 75-76.

4. Торлопова Н.В., Плюснина С.Н. Структурно-функциональные особенности хвои сосны обыкновенной в зоне влияния целлюлозно-бумажного производства // Экология и молодежь: I Межд. науч.-практ. конф. Гомель, 1998. С. 138.

5. Тужилкина В.В., Ладанова Н.В., Плюснина С.Н. Влияние техногенного загрязнения на фотосинтетический аппарат сосны // Экология. 1998. № 2. С. 89-93.

6. Плюснина С.Н. Влияние аэротехногенного загрязнения и промораживания на ультраструктуру хвои сосны и ели // Актуальные проблемы биологии: Тез. докл. VI молодежной научн. конф. Сыктывкар, 1999. С. 176-177.

7. Торлопова Н.В., Ивасишина НЛ., Плюснина СП. Некоторые аспекты оценки жизненного состояния сосновых древостоев в условиях аэротехногенного загрязнения // Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и перспективы: Матер, межд. конф. Томск, 2000. Т. III. С. 101-103.

8. Плюснина С.Н. Структура клеток мезофилла хвои ели при искусственном промораживании // Актуальные проблемы биологии и экологии: Тез. докл. IX молодежной научн. конф. Сыктывкар, 2002. С. 119-120.

9. Плюснина С.Н. Хвоя ели сибирской при аэротехногенном загрязнении выбросами целлюлозно-бумажного производства // Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения: Мат. межд. конф. Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2002. Т. 2. С. 490-494.

10. Плюснина СЛ. Тонкая структура клеток мезофилла хвои ели при искусственном промораживании на фоне аэротехногенного загрязнения: Тез. докл. II межд. конф. по анатомии и морфологии растений. С.-Пб.: Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, 2002. С. 307-308.

11. Плюснина С.Н. Тонкая структура клеток мезофилла хвои ели после искусственного промораживания // Стационарные лесо-экологические исследования: методы, итоги, перспективы: Мат. и тез. докл. Межд. конф. Сыктывкар, 2003. С. 115-116.

* - 53 б'

Лицензия № 19-32 от 26.11 96 г. КР 0033 от 03 03 97

Тираж 100 Заказ 11(04)

Информационно-издательская группа Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН 167982, г Сыктывкар, ул Коммунистическая, д 28

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Плюснина, Светлана Николаевна

Введение

Глава 1. Влияние низких температур и аэротехногенного загрязнения на растительные организмы

1.1. Действие низких температур на растительную клетку

1.2. Растение и аэротехногенный пресс

Глава 2. Лесорастительные условия районов исследования.

Объекты и методы

2.1. Естественно-географические условия районов исследования

2.2. Объекты и методы исследований

Глава 3. Мезо- и ультраструктура хвои ели сибирской

3.1 Сформированная и растущая хвоя в норме 52 3.2. Развитие хвои ели при воздействии промышленных поллютантов целлюлозно-бумажного производства

Глава 4. Влияние экспериментального охлаждения на ультраструктуру мезофилла в процессе роста хвои

4.1. Рост хвои в контроле

4.2. Рост хвои после охлаждения: при -5 °С и при -10 °С

Глава 5. Действие экспериментального охлаждения на рост хвои ели при аэротехногенном загрязнении

5.1. Рост хвои в контроле

5.2. Рост и структура хвои после экспериментального охлаждения

Введение Диссертация по биологии, на тему "Структурная организация мезофилла хвои PICEA OBOV ATA LEDEB. При экспериментальном охлаждении в условиях аэротехногенного загрязнения"

Среди огромного числа совершенных и хитроумных механизмов, вскрытых при изучении клетки, большое впечатление производят ее приспособления к различным факторам среды и прежде всего к вездесущему и всепроникающему фактору - температуре.

Профессор В.Я. Александров

Актуальность темы. В ходе индивидуального развития организма реализуется программа избирательной экспрессии генов. Процесс внутриклеточной интеграции осуществляется благодаря действию различных факторов (динамических, структурных, генетических), которые наиболее отчетливо проявляются при активной деятельности клетки, в том числе и при адаптации к изменившимся температурным условиям (Войников, 1987). В своей монографии "Температурный стресс и митохондрии растений" он отметил, что ".в нашей стране с ее разнообразными климатическими условиями повреждения растений в результате действия низкой температуры возможны повсеместно". С конца 19 в. и по сегодняшний день было проведено большое число работ по изучению влияния неблагоприятных температур на растения, как в естественных, так и в контролируемых условиях, с целью выявления механизмов устойчивости растений к низким температурам на различных уровнях: организменном, тканевом, клеточном, а также с целью познания структурных, физиологических, биохимических и генетических аспектов этой обширной темы (Вопросы физиологии и ., 1960; Приспособление растений Арктики., 1966; Барская, 1967; Красавцев, 1972; Самыгин, 1974; Особенности физиологических процессов., 1980; Физиология устойчивости растений., 1980; Винтер, 1981; Попов, 1982;

Устойчивость растений к 1984 и др.)- Однако большинство исследований было проведено на травянистых растениях (Новицкая и др., 2000; Кравкина, Котеева, 2002), а другие посвящены приспособлению древесных растений к изменяющимся температурам в связи с их сезонной динамикой (Сергеева, 1971; Физиология и биохимия., 1974, Сезонные структурно-метаболические., 1977; Новицкая, 1985). Изменения в тонкой структуре и физиологическом состоянии растущих, развивающихся тканей в условиях субоптимальных температур, как правило, изучались на озимых формах культурных растений, что в основном определяется их практической ценностью (Мирославов и др., 1984; Мартыненко, 2000). Исследования по влиянию отрицательных температур на ультраструктуру клеток хвойных единичны и посвящены либо репродуктивной сфере (Козубов, 1974; Яковлев, 1979), либо зрелым листовым органам (Родионов и др., 1989; Reinikainen, Huttunen, 1989).

Лесной фонд Республики Коми составляет 39 млн. га, из которых 28.7 млн. га относятся к лесопокрытой площади (Леса Республики Коми, 1999). Почти на 80 % этой площади произрастают хвойные леса. Ель сибирская (Picea obovata Ledeb.) является основной лесообразующей породой в лесах Коми и лесные формации с ее доминированием занимают около 16 млн. га, или 60 % всей лесопокрытой площади республики (Козубов, Дегтева, 1999). Морозоустойчивость ели, как и других северных древесных пород, зависит от сезона и минимальна в период вегетации (Туманов, Красавцев, 1959). В условиях подзоны средней тайги в отдельные годы поздние весенние заморозки могут наступать в первой декаде июня, когда, как правило, происходит распускание вегетативных почек у ели сибирской. Молодые побеги при резких колебаниях температуры воздуха при поздних заморозках могут повреждаться, а в отдельные годы наблюдается их массовое обмерзание. В последние десятилетия все чаще проявляется влияние антропогенных факторов на процессы приспособления растений к суровым климатическим условиям Севера. Устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды у древесных растений снижается при общем угнетении растения, в том числе и при интоксикации его различными техногенными выбросами (Acidic Precipitation, 1989). Только Сыктывкарский лесопромышленный комплекс, один из крупнейших в Северной Европе целлюлозно-бумажных комбинатов, ежегодно потребляет около 3 млн. м3 древесного сырья (Лесное хозяйство и ., 2000) и выбрасывает в атмосферу до 30 тыс. т в год загрязняющих веществ, среди которых преобладают кислые газы, окислы азота, неорганическая пыль (по данным Центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в г. Сыктывкаре и Сыктывдинском районе Республики Коми). Вследствие своих биологических особенностей, в том числе и многолетнего функционирования листовых органов, хвойные породы являются более чувствительными к поллютантам, чем лиственные. В связи с этим, а также с учетом большого хозяйственного, средообразующего и биосферного значения хвойных в северных регионах, в последние десятилетия значительное внимание уделяется изучению влияния промышленных выбросов на физиологию, биохимию, анатомию и ультраструктуру хвойных. В основном подобные работы проводятся в зоне действия металлургических комбинатов (Николаевский, 1964; Кайбияйнен и др., 1994; Ярмишко, 1997; Фуксман и др., 2001). Исследования влияния выбросов целлюлозно-бумажных предприятий на окружающую растительность единичны (Soikkeli, Tuovinen, 1979; Коновалов и др., 2001) и часто носят фрагментарный характер. В отделе лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми НЦ УрО РАН в течение 10 лет проводятся комплексные исследования по влиянию аэротехногенных выбросов Сыктывкарского целлюлозно-бумажного комбината на лесные сообщества. При этом была проведена оценка изменений структуры и состояния сосновых и еловых фитоценозов разных типов леса в условиях аэротехногенного загрязнения (Бобкова и др., 1997; Торлопова, 2001; Торлопова, Робакидзе, 2003); исследовано влияние целлюлозно-бумажного производства на содержание в хвое сосны макроэлементов (Мартынюк, Торлопова, 1998); выявлен характер изменения состава и содержания углеводов в разновозрастной хвое ели, произрастающей в зоне действия лесопромышленного комплекса (Робакидзе, 2001); изучена анатомическая структура ассимиляционного аппарата сосны на техногенной территории (Ладанова, Плюснина, 1998) и изменения в пигментной системе хвои сосны (Тужилкина и др., 1998). С учетом выше сказанного изучение влияния аэротехногенного загрязнения выбросами целлюлозно-бумажного комбината на устойчивость растущей хвои ели к поздним заморозкам является интересным и особенно актуальным для северных территорий, где запасы фитомассы в еловых древостоях даже без вмешательства антропогенных факторов ниже, чем в западных и южных районах европейской части России (Бобкова, 1987).

В задачи нашей работы входило:

1) изучить структуру ассимиляционной ткани растущей хвои ели при экспериментальном охлаждении;

Практическая значимость работы. Результаты работы имеют теоретическое значение для решения ряда фундаментальных проблем в области экологической анатомии растений, раскрывают механизмы адаптации древесных растений к условиям среды. Возможно практическое применение полученных данных при оценке состояния хвойных растений в условиях меняющегося климата, а также для определения их экологических и продукционных возможностей. Результаты работы могут быть использованы при чтении лекций по экологической ботанике и анатомии растений.

Вклад автора. Автором выполнены основные работы по сбору образцов, проведению экспериментов, обработке и анализу полученных экспериментальных данных. Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям д.б.н., профессору Г.М. Козубову и д.б.н. Н.В. Ладановой за всестороннюю помощь и поддержку, д.б.н. С.В. Загировой за ценную консультативную помощь, В.В. Алексееву и А.И. Патову за помощь в сборе образцов и подготовке фотоматериалов, С.П. Швецову за помощь при работе с электронным микроскопом.

Организация исследований. Диссертационная работа выполнялась в рамках бюджетной темы Отдела лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми научного центра РАН "Биогеоценотические основы управления продуктивностью и устойчивостью лесов европейского Северо-Востока" (ГР. 01.9.60 003710).

Сыктывкар, 1999), Международной конференции "Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения" (Архангельск, 2002), II Международной конференции по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 2002), IX молодежной научной конференции "Актуальные проблемы биологии и экологии" (Сыктывкар, 2002), Международной конференции "Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы" (Сыктывкар, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журнале "Экология" и в "Лесном журнале".

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов. Основной машинописный текст занимает 169 страниц, включая 32 таблицы и 40 рисунков. Библиография включает 123 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Ботаника", Плюснина, Светлана Николаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В лаборатории физиологии древесных пород ВНИИЛМ в течение ряда лет изучалось действие токсичных газов на древесную растительность (Серебрякова, 1980). В процессе выполнения этих работ были установлены предельно допустимые среднесуточные концентрации некоторых поллютантов для хвойных пород, в том числе по SO2 - 0.02 мг/м3, максимально допустимые разовые концентрации на уровне крон по SO2 -0.08 мг/м3. По расчетам Института "ГИПРОБУМ" максимальная концентрация по диоксиду серы в зоне действия выбросов СЛПК на расстоянии 1.5, 6 и 10 км составляет соответственно 0.25, 0.12 и 0.08 мг/м3 соответственно (Бобкова и др., 1997), что превышает приведенные выше максимально допустимые разовые концентрации для хвойных на ЭУ-3 в 1.5-3 раза, а на ЭУ-2 соответствует им. Кроме того, при исследовании снежного покрова (Эколого-химический мониторинг., 1995) было установлено, что максимум поступления нитрат-ионов (0.31 г/м2) находится на расстоянии 2-3 км от источников загрязнений в направлении следа выбросов. В процессе изучения зрелой хвои ели на экспериментальных участках, расположенных на разном удалении от Сыктывкарского лесопромышленного комплекса, были выявлены очевидные различия в ультраструктуре клеток ее ассимиляционной паренхимы, в том числе и в характере накопления некоторых вторичных метаболитов, глобулы которых можно выявить на экране электронного микроскопа (см. раздел 3.2.). Подобные явления позволяют допустить, что имеются различия в активности метаболических процессов у деревьев ели, произрастающих на экспериментальных участках.

Ультраструктура полностью сформированных клеток мезофилла (см. раздел 3.2.) на участке с сильной степенью воздействия загрязнений (ЭУ-3) говорит о том, что хвоя находится на этапе скрытых повреждений действия поллютантов на растения. В хлоропластах сформированных клеток мезофилла у деревьев на этом участке крахмал практически отсутствует, в отличие от фонового и от ЭУ-2. При этом суммарное количество тилакоидов гран на срез хлоропласта на ЭУ-3 в 1.7 раза выше, чем на фоновом участке. Можно предположить, что на участке с сильной степенью загрязнения происходит угнетение процессов ассимиляции углерода в хвое, либо повышена активность дыхания клеток (ускорен отток ассимилятов), что может происходить при активном восстановлении каких-либо повреждений или нарушений в растении. Исследования с применением методов по изучению уровня фотосинтеза и дыхания, которые предполагается осуществить в дальнейшем, помогут ответить на этот вопрос. В любом случае, даже учитывая, что состояние основной массы деревьев в древостое находится в удовлетворительном состоянии, можно предположить, что при действии дополнительного стрессового фактора ель на этом участке пострадает сильнее, чем на фоновом участке и на участке с умеренной степенью загрязнения. Это подтверждают результаты экспериментов по охлаждению молодых побегов. Хвоя ели, произрастающая в условиях сильного аэротехногенного загрязнения (ЭУ-3) переносит низкотемпературный стресс хуже, чем на двух других участках.

Хвоя на участке с умеренной степенью загрязнения, произрастающая на границе максимально допустимых концентраций поллютантов, по всей вероятности в определенной степени адаптировалась к условиям техногенного пресса. Возможно, в хвое ели на ЭУ-2 под действием низких концентраций поллютантов происходит стимулирование физиологических процессов. Косвенным подтверждением этого положения может служить повышенное число митохондрий и хлоропластов на срез клетки мезофилла на этом участке, а также содержание крахмала в хлоропластах, близкое к контролю. Следует также отметить наибольшее среди трех экспериментальных участков содержание пластоглобул в пластидах сформированной хвои и высокие показатели толщины клеточной оболочки на ЭУ-2. Состояние пигментной системы, как уже было сказано выше (см. раздел 3.2.) не было подвержено деструкции. В целом на ЭУ-2 процент хвои, выжившей после охлаждения в эксперименте 1999 г., был выше, чем на двух других участках.

Анализ полученных данных всех вариантов эксперимента позволил нам предложить следующие схемы изменений тонкой структуры клеточных компонентов клеток мезофилла хвои ели в первые 72 ч оттаивания после низкотемпературного стресса.

Гиалоплазма. Эндоплазматический ретикулум. Комплекс Гольджи. Фиксация хвои сразу после изъятия из морозильной камеры показала, что если в клетке не наступал плазмолиз, каких-либо различий в состоянии цитоплазмы в клетке непосредственно после охлаждения в любом из вариантов эксперимента в электронном микроскопе визуально невозможно было установить. Структура гиалоплазмы была близка к контрольному варианту на момент начала эксперимента и в приведенной ниже схеме отнесена к первому (исходному) типу (рис. 37). При этом гиалоплазма имела среднюю степень электронной плотности и зернистую структуру. Определенные различия между вариантами эксперимента начинали выявляться при вступлении клеток в процесс оттаивания и определялись температурой и временем охлаждения побегов ели: либо структура гиалоплазмы оставалась практически неизменной, либо претерпевала серьезные перестройки. Поэтому мы выделили подтипы в исходном типе: подтип 1А - в первом случае, подтип 1Б - во втором. Перестройка структуры гиалоплазмы сопровождалась появлением электронно-прозрачных участков, которые с течением времени занимали в ней все больший объем. Постепенно визуально гиалоплазма из зернистой а б

Рис. 37. Схема морфологических модификаций гиалоплазмы в клетках мезофилла хвои ели в период оттаивания после экспериментального охлаждения: а - ЭУ-1; б - ЭУ-2. Обратные стрелки обозначают обратимость процесса. структуры (тип 1) преобразовывалась в ячеистую (тип 2). При этом органеллы цитоплазмы располагались равномерно по всему объему между плазмолеммой и тонопластом. Проведенные исследования позволили сделать вывод, что обе эти модификации обратимы и при определенных условиях один тип может переходить в другой и наоборот. Чем ближе расположена пробная площадь к основному источнику загрязнения, тем раньше выявляется тип 2 гиалоплазмы и тем сильнее степень ее просветления. Так, на фоновом участке и на участке с умеренной степенью загрязнения поллютантами хвоя, охлажденная до -5 °С, как правило сохраняла исходный тип структуры гиалоплазмы клеток мезофилла на всем протяжении наблюдений; охлажденная до -10 °С вступала в период активной перестройки своей структуры. На участке с сильной степенью загрязнения исходный тип сохранялся только после минимальной степени низкотемпературного воздействия: -5 °С в течение 12 ч. В остальных трех случаях в структуре гиалоплазмы наблюдалось появление многочисленных электронно-прозрачных участков. Установить природу электронно-прозрачных участков достоверно в процессе проведенных экспериментов не представилось возможным. Мембраны, ограничивающие свободные от цитозоля пространства выявлялись не всегда. Возможно, частично такое состояние достигалось за счет образования очень мелких вакуолей и/или везикуляции гладкого эндоплазматического ретикулума. Вероятнее же всего здесь проявлялись два фактора: везикуляция внутренних мембран в клетке и изменения в физико-химических свойствах цитозоля. В любом случае, подобные явления позволяют предположить, что начало им положили процессы, которые проходили в момент низкотемпературного воздействия в клетках при разной температуре и разной длительности охлаждения. По всей вероятности активная вакуолизация, отмеченная практически для любого варианта охлаждения, и везикуляция внутренних мембран клетки, сопутствующая, как правило, второму типу гиалоплазмы, являются результатом перераспределения в ней воды в постстрессовый период вследствие таяния кристаллов льда, которые сформировались во время действия низкими температурами. Возможно, что отсутствие в период оттаивания в клетках опытных образцов второго типа гиалоплазмы говорит о том, что льдообразование в них не проходило вовсе, либо кристаллы льда образовывались очень мелкие и в незначительном количестве, в связи с чем визуально цитоплазма не изменялась. Учитывая все выше сказанное, можно предположить, что для фонового участка в интервале между -5 и -10 °С лежит пороговая температура, при которой происходят фазовые переходы в состоянии клеточного золя. Схема модификации структуры гиалоплазмы в этом случае показана на рисунке 37а. Для клеток хвои ели с участка с умеренной степенью аэрального загрязнения пороговая величина находится в том же интервале. В схему изменений в гиалоплазме вносится еще один элемент - появление клеток с признаками плазмолиза. Клетки с явно выраженным плазмолизом обычно имели очень плотную гомогенную структуру, с плохо выявляемыми органеллами из-за высокой плотности их стромы. После снятия холодового стресса в процессе оттаивания тип структурных изменений гиалоплазмы зависел от глубины охлаждения и укладывался в рамки вышеописанной схемы. Поэтому вариант с плазмолизом мы отнесли как подтип В к исходному типу гиалоплазмы. Схема модификации цитозоля для ЭУ-2 представлена на рисунке 376. На ЭУ-3 в клетках мезофилла хвои можно было наблюдать состояние гиалоплазмы в период максимального снижения ее электронной плотности, которое сопровождалось группированием составляющих цитоплазмы в локальных местах, оставляя свободное от органелл пространство между тонопластом и плазмолеммой электронно-прозрачным (тип 3). Описанному явлению сопутствуют значительные структурные перестройки хлоропластов и митохондрий. Описанный выше третий тип гиалоплазмы, возможно, является необратимым и предшествует гибели клетки. В процессах глобального просветления цитозоля, вероятно, значительная роль принадлежит автолизу клетки, т.к. при этом часто наблюдаются разрывы мембран. Пороговой величиной на участке с сильной степенью загрязнения, очевидно, является температура -5 °С и состояние клетки в хвое ели на этой пробной площади определяется продолжительностью воздействия на нее низкими температурами. Схема модификационных изменений цитозоля для ЭУ-3 представлена на рисунке 38 и она же является итоговой схемой (без учета режимов охлаждения) изменений структуры гиалоплазмы после действия на клетки мезофилла растущей хвои ели отрицательными температурами. Таким образом, от степени охлаждения зависело, будет ли происходить снижение электронной плотности гиалоплазмы в период оттаивания, а от уровня загрязнения биоценозов поллютантами - степень ее снижения и время его наступления.

Визуальные изменения цитоплазмы частично были обусловлены модификацией каналов эндоплазматического ретикулума и структуры комплексов Гольджи. При охлаждении побегов до —10 °С и при высокой оптической плотности цитоплазмы, как правило, можно было наблюдать расширенные каналы гладкого эндоплазматического ретикулума, которые располагались вдоль плазмалеммы и часто образовывали полости, по форме сходные с мелкими вакуолями. При просветлении цитоплазмы наблюдались фрагменты каналов эндоплазматического ретикулума нормальной ширины, а электронно-прозрачные участки в цитоплазме, возможно, формировались в том числе и пузырьками Гольджи, частота встречаемости которых при втором типе гиалоплазмы обычно возрастает. Однако однозначно разграничить участие в сложении цитоплазмы эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи нельзя, так как в конечном итоге второе является производным первого. В электронно-плотной и гомогенной цитоплазме комплекс Гольджи чаще был представлен лишь диктиосомами, содержащими 2-3 цистерны. Пузырьки Гольджи если и выявлялись, то в очень ограниченном количестве.

Тип 1 (норма) гиалоплазма jepnnc i а»

Подтип 1А гния, зернистая

Подтип !Н •иол. зернистая плазмолиз

Тип 3 гиалоплазма просветленная

Тип 2 иалоплазма ячеистая

Подтип !Н нал. гомоенная,

Рис. .IS. Схема морфологических модификаций гиалоплазмы в клетках мезофилла хвои ели » период оттаивания после экспериментально! о охлаждения на )У-3. Обра гные с i релки обозначаю i обра гимость процесса.

•Ь.

Таким образом, гладкий эндоплазматический ретикулум был представлен двумя основными модификациями: исходный тип 1, характерный для нормально организованных, контрольных клеток, а также для клеток со 2-м типом гиалоплазмы и тип 2, отличающийся расширенными каналами и описанный нами для 1Б подтипа гиалоплазмы охлажденных клеток. Изменения в состоянии комплекса Гольджи сводились к большему или меньшему развитию его составных частей (пузырьков, цистерн), что является адекватным отображением выполняемой им функциональной нагрузки и не является качественным изменением структуры органеллы. Поэтому какие-либо типы изменений или модификаций не были выделены.

Фотосинтетический аппарат клетки, митохондрии. Исходный тип хлоропластов, который соответствует таковым в контрольных образцах хвои, можно обозначить как тип 1. Вообще хлоропласты претерпевали изменения трех типов, два из которых затрагивали только мембранную систему и являлись обратимыми. Первый характеризовался дезориентацией тилакоидной системы (тип 2), а второй - расширением межмембранных пространств: внутритилакоидного и периферического ретикулума (тип 3). Хлоропласты с вторым типом изменений встречались при всех режимах охлаждения в первые часы оттаивания в единичных экземплярах. Изменения третьего типа носили массовый характер и чаще были характерны для клеток мезофилла хвои, охлажденной до -10 °С со вторым типом модификации структуры гиалоплазмы. Пластиды с типом 4, характеризующиеся просветлением стромы и выявляющиеся в клетках с третьим типом гиалоплазмы, часто имели нерасширенную, нормально организованную тилакоидную систему. Вероятнее всего эти изменения необратимы, т.к. они наблюдались в основном в погибающих клетках. Таким образом, нами предлагается схема морфологических модификаций пластид с первым исходным и тремя производными типами (рис. 39).

Тип 2 дезориенга пня Iилакоидной усиление стрессового фактора

Рис. 39. Схема морфологических модификаций х.юроиластов » клетках мечофилла хвои ели в период оттаивания после жепсриме! п ал ьного охлаждения. Обратные стре;i к и обозн ач a to i обрати м Ос гь процесса, п реры висты е предполагаемые связи.

Митохондрии очень чутко реагируют на любые изменения как эндо-так и экзогенного происхождения. Полученные данные позволили выделить три основных морфологических типа этих структурных элементов цитоплазмы в экспериментах по охлаждению (рис. 40). В основу разделения на типы было принято состояние крист. К первому, исходному типу были отнесены органеллы с нормальными, нерасширенными кристами. Во второй морфологический тип объединили митохондрии с расширенными кристами. При этом митохондрии первого и второго типов могут быть насыщены кристами в разной степени, что не отражено в приведенной ниже схеме, т.к. степень заполненности органелл внутренними мембранами в проведенном эксперименте чаще всего не была привязана к каким-либо конкретным условиям и какой-либо строгой закономерности в их распределении выявлено не было. К третьему типу мы отнесли митохондрии деструктивного вида, выявляющиеся на ЭУ-3 одновременно с типом 3 гиалоплазмы и типом 4 хлоропластов в клетках мезофилла хвои ели, охлажденных до -10 °С. Они характеризуются просветлением стромы и деструкцией крист.

Ядро. При охлаждении и оттаивании клеток схема изменений в структуре ядра и условия их наступления были схожи со схемой модификационных изменений гиалоплазмы на соответствующих участках. Округлое или слегка вытянутое ядро с относительно простым контуром нуклеолеммы, описанное для контрольного варианта хвои ели, отнесено нами к исходному типу, характерному для периода активного роста клеток мезофилла растяжением. В начале периода оттаивания различия в структуре ядер после разных режимов охлаждения визуально не выявлялись. Изменение формы ядра, которое сопровождалось обычно появлением лопастей и инвагинаций в ядерной оболочке, было характерно для ядер в любом случае. В клетках с потенциально вторым типом гиалоплазмы наблюдалось снижение электронной плотности нуклеоплазмы. В этом случае отмечалось появление второго типа

Гип 1 норма

-> усиление с трессового фактора

Гни 2 up исты расширены

Рис. 40. Схема морфологических модификаций митохондрий в клетках мезофилла хвои ели в период оттаивания после жсперимен штыки о охлаждения Обратные стрелки обозначают обратимоем. процесса, прерывистые - предполагаемые связи. модификационных изменений структуры ядра. Для него были характерны низкая электронная плотность нуклеоплазмы и часто повышенная конденсация хроматина, а также крупные, по сравнению с контролем, ядрышки.

При любом варианте охлаждения в проведенных нами экспериментах в большинстве случаев в клетках мезофилла наблюдались следующие обратимые процессы: рост парциальной доли гиалоплазмы с органеллами, рост числа на срез клетки и площади сечения митохондрий, снижение содержания крахмальных гранул в хлоропластах, усложнение контуров нуклеолеммы.

Изменения в ультраструктуре клеток мезофилла растущей хвои ели после действия экспериментального охлаждения отличаются от ультраструктуры клеток мезофилла в хвое ели в период адаптации к сезонному понижению температур. И одно из основных отличий - это развитие тилакоидной системы хлоропластов: осенью с понижением температур наблюдается постепенное снижение, по сравнению с началом периода вегетации, количества гран и числа тилакоидов в гране (Ладанова, Тужилкина, 1992). Для других хвойных пород также было показано снижение количества гран и тилакоидов в них в зимний период (Загирова, 2003а). Весной после низкотемпературного воздействия напротив, наблюдается повышенное, по сравнению с контролем, образование числа гран (см. главы 4, 5), что, возможно, свидетельствует о различиях в изменении метаболических процессов при адаптации хвои к низким температурам в разные периоды роста и развития древесного растения.

Интересно, что описанные выше изменения ультраструктуры растущих клеток мезофилла ели после низкотемпературного воздействия в основных моментах схожи с изменениями, которые наблюдались в клетках озимой пшеницы в периоды прохождения первой и второй фаз закаливания и последующего воздействия низкими (—16—18 °С) температурами (Силаева, 1978). Такие характерные особенности второй фазы закаливания (-6 °С), как уменьшение вакуоли, увеличение объема, занимаемого цитоплазмой, интенсивное развитие цистерн гладкого эндоплазматического ретикулума, отсутствие крахмальных зерен в хлоропластах, увеличение количества митохондрий и фотосинтетических мембран наблюдались также в хвое ели после охлаждения молодых побегов до пороговых температур (-5 °С в течение 12 и 24 ч для ЭУ-1 и ЭУ-2 и -5 °С в течение 12 ч для ЭУ-3). При этом увеличение объема цитоплазмы, количества органелл и мембран в клетках можно считать структурным проявлением адаптационного механизма морозостойкости. После прохождения первой и второй фазы закаливания, промороженные в течение суток при -16 °С клетки пшеницы характеризовались интенсивной везикуляцией всех клеточных мембран включая такие устойчивые, как тилакоиды гран. Центральная вакуоль как бы выливается в цистерны гладкого эндоплазматического ретикулума, часть воды распределяется между другими органеллами, вызывая их набухание (Силаева, 1978). Как показали результаты настоящего исследования, именно проявления везикуляции мембран, такие как набухание крист митохондрий, расширение внутритилакоидного пространства и периферического ретикулума хлоропластов, а также образование множества мелких вакуолей в цитоплазме, являлись характерным признаком охлаждения хвои до температур ниже пороговых (-10 °С для ЭУ-1 и ЭУ-2 и —5 °С в течение 24 ч и ниже для ЭУ-3). Можно согласиться с мнением A.M. Силаевой (1978), что репарация после действия сублетальных температур, проявляется в почти полном исчезновении мембранных везикул, а характерными чертами репарационных процессов являются уменьшение объема цитоплазмы и увеличение объема вакуоли в клетке, т.к. аналогичные процессы нами были отмечены для клеток мезофилла хвои ели.

В литературе неоднократно обсуждались изменения ультраструктуры клеток, происходящие при их охлаждении (см. раздел

1.2.). Большинство изменений в ультраструктуре клеток при температурах за пределами толерантности связывается исследователями с перераспределением воды в клетке, изменением осмотического давления, а также необходимостью компенсировать заторможенность биохимических процессов в клетке в условиях пониженных температур за счет увеличения численности органелл. Эти процессы характерны для разных видов растений при воздействии низких температур, опасных для данного периода развития растительного организма. Необходимость перераспределения жидкости в клетке вносит определенное сходство между ультраструктурными перестройками в период подготовки клетки к сезонным понижениям температур на длительный период и описанных выше изменений. Так, и в том и другом случае, как правило, наблюдается уменьшение объема центральной вакуоли и появление большого количества мелких вакуолей, везикуляция эндоплазматического ретикулума и набухание в различной степени внутренних мембран органелл. В основе различий в ультраструктуре клеток в период адаптации растений к низкотемпературному воздействию лежит разнонаправленность метаболических процессов в этот период. Сезонные понижения температур предполагают "физиологический покой" растений, когда наблюдается снижение интенсивности фотосинтеза (Физиология сосны обыкновенной, 1990; Загирова, 20036). Снижение физиологической активности хвои сопровождается снижением количества органелл в клетках и степенью их развития (Ладанова, Тужилкина, 1992; Загирова, 2003). Внесезонные, неожиданные температурные колебания часто вызывают повреждение клеток. Их восстановление обычно сопровождается увеличением численности органелл (см. раздел 1.1.). И в том и в другом случае к адаптационным механизмам также относятся изменение состава жирных кислот в составе липидов мембран, повышение их ненасыщенности, накопление криопротекторов в вакуоли и цитоплазме клеток.

Исходя из полученного фактического материала, а также учитывая имеющиеся в литературе данные по реакции растительных клеток на такие стрессы как загрязнение окружающей среды (см. раздел 1.2.) и внезапные заморозки (см. раздел 1.1.), можно высказать ряд положений (предположений):

- при воздействии поллютантов (в процессе долговременного техногенного пресса) изменениям подвергается в первую очередь фотосинтетический аппарат, производящий первичную продукцию. От его функционирования зависит состояние всего растительного организма. Изменения в структуре митохондрий отмечаются позднее, чем в хлоропластах;

- низкотемпературный стресс (весенние или летние заморозки) предполагает активизацию деятельности митохондрии, как производителя энергии, необходимой для восстановления клетки, ликвидации возможных повреждений в ней в период стресса. В этой ситуации от работы этих органелл в значительной степени будет зависеть успешное переживание стресса растительным организмом. Исчезновение крахмальных гранул из хлоропластов в постстрессовый период, очевидно, свидетельствует об активной деятельности митохондрий, а последующее восстановление объемов крахмала в хлоропластах - о завершении репарационных процессов в клетке после стресса и готовности ее к дальнейшему развитию в соответствие с этапами онтогенеза. Если быстрый расход крахмала в клетках не наблюдался, то либо понижение температур не выходило за границы зон температурного оптимума и температурной толерантности (см. Силаева, 1978), либо, напротив, понижение температур было слишком сильным и митохондрии, наряду с остальными органеллами клетки, получили серьезные повреждения и оказались в зоне летальных температур;

- при комплексном воздействии обоих факторов, аэротехногенного и низкотемпературного, большую роль будет играть степень загрязнения.

Если растение находится на начальной стадии повреждения, когда изменения затрагивают лишь хлоропласты и чаще всего носят адаптивный характер (увеличение или уменьшение числа хлоропластов и гран в них), то воздействие низких температур они, скорее всего, перенесут наравне с растениями на фоновом участке или по схожей схеме. Если в клетках повреждения коснулись митохондрий (деградация системы крист, просветление матрикса), а это следующая стадия, на которой в хлоропластах наступают изменения уже не адаптивного, а деструктивного характера, выживание и постстрессовое восстановление клеток после низкотемпературного воздействия будут, вероятно, затруднены по сравнению с контролем, и есть большая вероятность гибели ассимиляционных органов или всего растения в целом.

Таким образом, изучив состояние клеток при помощи электронного микроскопа в конкретных условиях загрязнения, имеется возможность прогнозировать выживаемость растений в условиях весенних колебаний температур. И наоборот, зная реакцию выживших клеток на низкотемпературный стресс, можно сделать предварительное заключение о состоянии дерева в условиях аэротехногенного загрязнения. Дальнейшая разработка этого направления позволит создать систему, при использовании которой с учетом конкретных изменений в ультраструктуре клетки появляется возможность спрогнозировать состояние сообществ в целом в изменяющихся экологических условиях.

Полученные при выполнении настоящей работы материалы позволяют сделать следующие общие выводы.

1. Состояние клеток мезофилла растущей хвои ели на фоновом участке после низкотемпературного воздействия зависит от температуры охлаждения. При этом после охлаждения до -5 °С, как правило, наблюдаются изменения количественных параметров клеток и их органелл: число митохондрий увеличивается в 1.5-1.7 раза; суммарное количество тилакоидов в гранах хлоропластов в конце периода наблюдений в 1.5-2.3 раза больше, а парциальный объем гиалоплазмы в 1.8-1.9 раза выше, чем в контроле.

2. После охлаждения хвои до -10 °С наблюдаются изменения не только в количестве, но и в структуре клеточных компонентов. Это выражается в расширении внутритилакоидного пространства и интенсивном развитии периферического ретикулума в хлоропластах, набухании крист в митохондриях, снижении электронной плотности гиалоплазмы. При этом наблюдается, как и после охлаждения до -5 °С, увеличение суммарного количества тилакоидов в гранах хлоропласта в 2-3 раза, а парциального объема гиалоплазмы до 2.5 раз, по сравнению с контролем.

6. При умеренной степени аэротехногенного загрязнения воздействие низких температур вызывает структурные перестройки в клетках мезофилла, сходные с изменениями на фоновом участке. Состояние клеток мезофилла растущей хвои ели после низкотемпературного воздействия при высокой степени загрязнения зависит не только от температуры, но и от продолжительности охлаждения. В этом случае увеличение времени экспонирования холодом с 12 до 24 ч при -5 °С приводит к появлению качественных изменений в структуре мезофилла, которые на фоновом участке и на участке с умеренной степенью загрязнения были отмечены только после охлаждения до —10 °С, т. е. при более низких температурах.

7. На протяжении периода оттаивания в клетках мезофилла, сохранивших жизнеспособность после охлаждения, отмечено три типа модификационных изменений гиалоплазмы. При этом два первых типа, наблюдаемых на всех экспериментальных участках, носили признаки адаптивных изменений, а третий тип был отмечен только для хвои с участка с сильной степенью загрязнения и характеризовался признаками деструкции структуры: разрывами тонопласта, глобальным автолизом клеточного содержимого.

В заключение необходимо отметить, что данная работа, является одной из немногих по изучению влияния отрицательных температур на растущие ткани хвойных растений и результаты, полученные в процессе ее выполнения, не всегда можно интерпретировать однозначно. Для получения более четкой картины механизма устойчивости полностью несформированных клеток ассимиляционных органов хвойных растений к неблагоприятным температурным условиям необходимы дополнительные исследования, возможно, с применением методов по изучению интенсивности процессов дыхания и фотосинтеза.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Плюснина, Светлана Николаевна, Сыктывкар

1. Антипов В.Г. Устойчивость древесных растений к промышленным газам. Минск, 1979.215 с.

2. Артамонов В.И. Растения и чистота природной Среды. М.: Наука, 1986. 175 е.; (Серия "Человек и окружающая среда").

3. Атлас по климату и гидрологии Республики Коми. М.: Дрофа; ДиК, 1997. 116 с.

4. Атлас ультраструктуры растительных клеток / Под ред. Г.М. Козубова и М.Ф. Даниловой. Петрозаводск, 1972.296 с.

5. Барская Е.И. Изменения хлоропластов и вызревание побегов в связи с морозоустойчивостью древесных растений. М.: Наука, 1967.223 с.

6. Балагурова Н.И., Дроздов С.Н., Тихова М.А., Сулимова Г.М. Влияние низких положительных и отрицательных температур на ультраструктуру клеток листьев картофеля // Ботанический журнал. 1980. Т.65. №8. С. 1156-1161.

7. Биогеоценологические исследования таежных лесов (Ляльский лесоэкологический стационар). Сыктывкар, 1994. 184 с. (Тр. Коми НЦ УрО РАН, №133).

8. Биопродукционный процесс в лесных экосистемах Севера. С.-Пб.: Наука, 2001. 278 с.

9. Бобкова КС. Биологическая продуктивность хвойных лесов Европейского Северо-Востока. JL: Наука, 1987.156 с.

10. Бобкова КС., Галенко Э.П. Физико-географические условия Ляльского лесоэкологического стационара // Биопродукционный процесс в лесных экосистемах Севера. СПб.: Наука, 2001. С. 7-19.

11. Бобкова КС., Паутов Ю.А., Тереиук Н.А. Состояние лесов в зоне влияния Сыктывкарского лесопромышленного комплекса // Лесной журнал. 1997. № 5. С. 83-88.

12. Винтер А.К Заморозки и их последействия на растения. Новосибирск: Наука, 1981. 148 с.

13. Войников В.К. Температурный стресс и митохондрии растений. Новосибирск: Наука, 1987. 135 с.

14. Вопросы физиологии и экологии растений в условиях Севера. // Труды Карельского филиала Академии Наук СССР. Петрозаводск, 1960. 152 с.

15. Галенко Э.П. Климатические условия и фигоклиматический режим // Леса Республики Коми. М.: Издательско-продюсерский центр "Дизайн. Информация. Картография", 1999. С. 27-39.

16. Гавриш А.С., Хаджинский В.Г., Сергиеико О.В., Вербицкий В.В., Шульц Н.В., Трунина И.В. Ультраструктура и метаболизм рабочих клеток миокарда при стрессорном воздействии // Цитология и генетика. 2001. Т. 35. № 5. С. 54-59.

17. Гольберг М.С. Чистота атмосферного воздуха и его охрана. // Охрана природы и заповедное дело в СССР. Бюл. № 1. М.,1956.

18. Данилова М.Ф., Кравкина И.М., Крэнг Р.Е., ПечакД. Ультраструктура устьиц и поверхности листа Populus deltoides (Salicaceae) при воздействии SO2. // Ботанический журнал. 1987. Т. 72, № 9. С. 1187-1192.

19. Дыренков С.А. К изучению полиморфности хвои ели обыкновенной Picea abies Karst. в подзоне северной тайги // Сборник научно-исследовательских работ по лесному хозяйству Лен НИИЛХо. М., 1967. Вып. 11. С. 103-117.

20. Загирова С.В. Рост побегов и динамика структуры клеток мезофилла в двухлетней хвое Abies sibirica Ledeb. // Физиология растений. 2003а. Т. 50. № 1. С. 43-47.

21. Загирова С.В. С02-газообмен и структура мезофилла в двухлетней хвое Abies sibirica Ledeb. // Физиология растений. 20036. Т. 50. № 1. С. 48-50.

22. Загирова С.В. Структура ассимиляционного аппарата и С02-газообмен у хвойных. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 107 с.

23. Илькуи Г.М. Загрязненность атмосферы и растения. Киев: Наук, думка, 1978.

24. Кайбияйнен JI.K, Софронова Г.И., Болондинский В.К. Влияние токсичных поллютантов на дыхание хвои и побегов сосны обыкновенной // Экология. 1998. № 1.С. 23-27.

25. Кайбияйнен JT.K, Хари П., Софронова Г.И., Болондинский В.К. СОг-газообмен in vivo — тест состояния растения при длительном воздействии токсичных поллютантов // Физиология растений. 1994. Т. 41. № 5. С. 788-793.

26. Кирпичникова Т.В., Шавнин С.А., Кривошеева А.А. Состояние фотосинтетического аппарата хвои сосны и ели в зонах промышленного загрязнения при различных микроклиматических условиях // Физиология растений. 1995. Т. 42. № 1.С. 107-113.

27. Князева Е. И. Газоустойчивость растений в связи с их систематическим положением и морфолого-анатомическими особенностями. // Дымоустойчивость растений и дымоустойчивые ассортименты. Москва-Горький, 1950.

28. Козина JI.B. Метаболизм фотоассимилятов и передвижение веществ у хвойных. Владивосток: Дальнаука, 1995. 129 с.

29. Козубов Г.М. Биология плодоношения хвойных на Севере. JI.: Наука, 1974. 136с.

30. Коновалов В.Н., Тарханов С.Н., Костина Е.Г. Состояние ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной в условиях аэрального загрязнения // Лесоведение. 2001. №6. С. 43-46.

31. Косиченко Н.Е., Уваров Л.А., Спесивцева В.И. Анатомические аспекты газоустойчивости сосны обыкновенной: Тез. докл. // Экологические и физиологобиохимические аспекты антропотолерантности растений. Таллин, 1986. С. 56-58.

32. Кравкина ИМ. Влияние атмосферных загрязнителей на структуру листа // Ботанический журнал. 1991. Т. 76. № 1. С. 3-9.

33. Кравкина ИМ. Структурные изменения в клетках мезофилла листа Muscari azureum (Hyacinthaceae) в условиях весенних колебаний температур: Тезисы докладов II Международной конференции по анатомии и морфологии растений. С.Петербург, 2002. С.290-291.

34. Кравкина И.М., Котеева Н.К. Структурные изменения в клетках мезофилла зимнезеленого листа Muscari tubergenianum (Hyacinthaceae) в условиях зимних колебаний температур// Ботанический журнал. 2002. Т. 87. №10. С. 74-79.

35. Красавцев О.А. Калориметрия растений при температурах ниже нуля. М.: Наука, 1972. 117 с.

36. Красинский Н.П. Теоретические основы построения ассортиментов газоустойчивых растений. // Дымоустойчивость растений и дымоустойчивые ассортименты. Москва-Горький, 1950.

37. Крупнова И.В., Венэ/сик Ю.В., Титов А.Ф. Изменения ультраструктуры клеток листа ячменя под влиянием холодового и теплового воздействия // Тезисы докладов II Международной конференции по анатомии и морфологии растений. С.Петербург, 2002. С.291.

38. Кулагин ЮЗ. О газоустойчивости сосны и березы // Охрана природы на Урале. Вып. 4. Свердловск, 1964. С. 115-121.

39. Кулагин ЮЗ. Древесные растения и промышленная среда. М., 1974. 125 с.

40. Кулагин ЮЗ. К познанию природы газоустойчивости растений: Реф. докл. // Растительность и промышленные загрязнения: IV Уральское науч. совещ. Свердловск, 1969.

41. Ладаиова Н.В. Сезонные и возрастные изменения ультраструктурной организации ассимиляционного аппарата ели // Комплексные биогеоценологические исследования хвойных лесов европейского Северо-Востока. Сыктывкар, 1985. 111 с.

42. Ладанова Н.В., Птоснина С.Н. Анатомо-морфологические изменения разновозрастной хвои сосны обыкновенной в зоне действия Сыктывкарского лесопромышленного комплекса // Лесной журнал. 1998. № 1. С. 7-11.

43. Ладанова Н.В., Тужжкина В.В. Структурная организация и фотосинтетическая активность хвои ели сибирской. Сыктывкар, 1992.97 с.

44. Ленипджер А. Митохондрия. М.: МИР, 1966.316 с.

45. Леса Республики Коми / Под ред.: Г.М. Козубова и А.И. Таскаева. М.: Издательско-продюсерский центр "Дизайн. Информация. Картография", 1999. 332 с.

46. Лесное хозяйство и лесные ресурсы Республики Коми / Под ред.: Г.М. Козубова и А.И. Таскаева. М.: Издательско-продюсерский центр "Дизайн. Информация. Картография", 2000. 512 с.

47. Лукаткин А.С. Вклад окислительного стресса в развитие холодового повреждения в листьях теплолюбивых растений. 3. повреждение клеточных мембран при охлаждении теплолюбивых растений // Физиология растений, 2003. Т. 50. №2. С. 271-274.

48. Лукина Н.В., Никонов В.В. Состояние еловых биогеоценозов Севера в условиях техногенного загрязнения. Апатиты, 1993.134 с.

49. Мартыненко А.И. Электрофизиологические исследования морозоустойчивости растений. 3. Критические точки, регистрируемые при промораживании озимой пшеницы // Физиология растений. 2000. Т.47. № 6. С. 836-842.

50. Мартыпюк 3.11., Торлопова Н.В. Влияние целлюлозно-бумажного производства на содержание в хвое сосны некоторых макроэлементов //Лесной журнал. 1998. № 1.С. 11-17.

51. Метаболизм хвойных в связи с периодичностью их роста. Красноярск, 1973. 170 с.

52. Мирославов Е.А., Буболо JJ.C. Ультраструктура клеток хлоренхимы листа некоторых представителей флоры Крайнего Севера// Ботанический журнал. 1980. Т. 65. №11. С.1523-1530.

53. Мирославов Е.А., Кислюк И.М., Шухтина Г.Г. Ультраструктура клеток, дыхание и фотосинтез листьев озимой пшеницы, выращенной в контролируемых условиях при разной температуре // Цитология. 1984. Т. 16. №6. С. 672-677.

54. Мирославов Е.А., Кравкина И.М. Сравнительный анализ ультраструктуры клеток хлоренхимы листа горных растений, произрастающих на различных высотах // Ботанический журнал. 1988. Т.73. №1. С. 17-23.

55. Монахов Н.К. О функциональной гетерогенности митохондрий нормальной и опухолевой клетки//Биохимия. 1967. Т. 1 № 1. С. 114-122.

56. Николаевский B.C. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1979.278 с.

57. Николаевский B.C. Некоторые анатомо-физиологические особенности древесных растений в связи с их газоустойчивостью в условиях медеплавильной промышленности Среднего Урала: Автореф. дис. . канд. биол. наук. Свердловск, 1964.41 с.

58. Новицкая Ю.Е. Адаптация сосны к экстремальным факторам среды // Физиолого-биохимические основы роста и адаптации сосны на Севере. Л., 1985. С. 113-138.

59. Новицкая Г.В., Суворова Т.А., Трунова Т.Н. Липидный состав листьев в связи с холодостойкостью растений томатов // Физиология растений. 2000. Т.47. №6. С. 829-835.

60. Особенности физиологических процессов у растений при низких положительных и низких температурах. Якутск, 1980. 104 с.

61. Пирс Э. Гистохимия. М.: Иностр. лит., 1962.956 с.

62. Попов С.Р. Заморозкоустойчивость растений в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск, 1982. 100 с.

63. Приспособление растений Арктики к условиям среды // Растительность Крайнего Севера СССР и ее освоение. М.: Л.: Наука, 1966. Вып. 8. 271 с.

64. Робакидзе Е.А. Динамика углеводов в хвое ели сибирской в зависимости от экологических факторов: Автореф. дис. канд. биол. наук. Сыктывкар, 2001. 24 с.

65. Родионов B.C., Тихова М.А., Фуксман И.Л. Изменение ультраструктуры и концентрации фосфолипидов клеток летней хвои сосны при ее промораживании // Известия Академии Наук СССР. Серия биологическая. № 2. 1989. С. 238-244

66. Рост и газообмен СОг у лесных деревьев / Целъникер Ю.Л., Малкина НС., Ковалев А.Г. М.: Наука, 1993.256 с.

67. Рябинин В.М. Влияние промышленных газов на рост деревьев и кустарников. // Ботанический журнал. 1962. Т. 47. Вып. 3. С. 412-416.

68. Рябинин В.М. Лес и промышленные газы. М., 1965.

69. Сакаи А. Особенности механизма морозостойкости у очень устойчивых побегов//Физиология растений. 1974. Т. 21. Вып.1. С. 141-147.

70. Саиыгин Г.А. Причины вымерзания растений. М.: Наука, 1974.190 с.

71. Сезонные структурно-метаболические ритмы и адаптация древесных растений. Уфа, 1977.151 с.

72. Семихатова О.А. О причине большой интенсивности дыхания высокогорных растений Памира//Ботанический журнал. 1962. Т.47. № 5. С. 636-644.

73. Сергеева КА. Физиологические и биохимические основы зимостойкости древесных растений. М.: Наука, 1971. 176 с.

74. Сергейчик СЛ. Древесные растения и оптимизация промышленной среды. Минск: Наука и техника, 1984. 168 с.

75. Серебрякова Л.К. Допустимые концентрации токсических веществ в атмосферном воздухе для древесной растительности // Газоустойчивость растений. Новосибирск: Наука, 1980. С. 184-185.

76. Силаева A.M. Структура хлоропластов и факторы среды. Киев: Наукова думка, 1978. 204 с.

77. Скупченко В.Б. Вибрационная микротомия мягких тканей. Сыктывкар, 1979. 56 с. (Сер. препринтов "Новые научные методики " / АН СССР, Коми филиал. Вып. 2.).

78. Скупченко В.Б. Органогенез вегетативных и репродуктивных структур ели. JL: Наука, 1985. 80 с.

79. Скупченко В.Б. Морфометрия на экране электронного микроскопа // Ботанический журнал. 1990. Т.75,№10.С. 1463-1467.

80. Сойккели С., Каренлампи Л. Клеточные и ультраструктурные эффекты // Загрязнение воздуха и жизнь растений. JL: Гидрометеоиздат, 1988.535 с.

81. Стадницкий Г.В., Яковлева О.И., Прохоров Б.В. Охрана природы (основы рационального природопользования). М.: Лесная промышленность, 1989. 144 с.

82. Степанов A.M., Черненъкова Т.В. Изменение анатомического строения хвои сосны как индикатор химического загрязнения: Тез. докл. // Влияние промышленных предприятий на окружающую среду: Всесоюзная школа. Пущино, 1984. С. 185-186.

83. Тарабрин В.П. Природа устойчивости растений к промышленным эксгалатам // Адаптация древесных растений к экстремальным условиям среды. Петрозаводск, 1984. С. 90-97.

84. Тарбаева В.М., Ладанова Н.В. Влияние аэротехногенного загрязнения на репродуктивную и вегетативную сферу хвойных. Сыктывкар, 1994. 30 е.; (Научные доклады; Вып. 342.).

85. Торлопова Н.В. Состояние сосновых фитоценозов в условиях аэротехногенного загрязнения Сыктывкарским лесопромышленным комплексом: Автореф. дис. . канд. биол. наук. Сыктывкар, 2001. 17 с.

86. Торлопова Н.В., Робакидзе Е.А. Влияние поллютантов на хвойные фитоценозы (на примере Сыктывкарского лесопромышленного комплекса). Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 110 с.

87. Третьяков Н.В. Лесная таксация. Л., 1957.300 с.

88. Туэ/силкина В.В. Пигментная система хвойных в районе влияния Сыктывкарского лесопромышленного комплекса // Вестник Института биологии Коми НЦ УрО РАН. 2001. № 9. С. 11-13.

89. Туэ/силкина В.В., Ладанова Н.В., Плюснина С.Н. Влияние техногенного загрязнения на фотосинтетический аппарат сосны // Экология. 1998. №2. С. 89-93.

90. Туманов И.И. Основные достижения советской науки в изучении морозостойкости растений. Тимирязевские чтения XI. М.: Из-во АН СССР, 1951. 54 с.

91. Туманов И.И., Красавцев О.А. Закаливание северных древесных растений отрицательными температурами // Физиология растений. 1959. Т. 6. Вып. 6. С. 654667.

92. Туманов ИИ, Кузина Г.В., Карникова Л.Д. Влияние продолжительности вегетации у древесных растений на накопление запасных углеводов и характер фотопериодической реакции // Физиология растений. 1972. Т. 19. Вып. 6. С.1122-1131.

93. Устойчивость растений к действию отрицательных температур. Киев: Наукова думка, 1984. 128 с.

94. Физиология и биохимия зимостойкости древесных растений. Уфа, 1974. 159 с.

95. Физиология сосны обыкновенной / Судачкова Н.Е., Гире Г.И., Прокушкин С.Г. и др., Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990.248 с.

96. Физиология устойчивости растений к низким температурам и заморозкам. Иркутск, 1980. 172 С.

97. Фуксман ИЛ. Влияние природных и антропогенных факторов на метаболизм веществ вторичного происхождения у древесных растений: Автореф. дисс. . докт. биол. наук. Санкт-Петербург, 1999.42 с.

98. Христерссон Л, Красавцев О.А. Влияние скорости и продолжительности охлаждения на морозостойкость хвойных деревьев // Физиология растений. 1972. Т. 19. Вып. 3. С. 638-642.

99. Чепцов Ю.С., Поляков В.Ю. Ультраструктура клеточного ядра. М.: Наука, 1974. 174 с.

100. Эколого-хшшческий мониторинг урбанизированных территорий на Севере (на примере г. Сыктывкара). Сыктывкар, 1995.24 с. (Научные доклады / Коми НЦ УрО РАН. Вып. 354).

101. ЭсауК Анатомия растений. М.: Мир, 1969. 564с.

102. ЭзауК. Анатомия семенных растений. М.: Мир, 1980. 582 с.

103. Яковлев А.В. Особенности микроспорогенеза и формирование пыльцы у сосны обыкновенной в естественных условиях и в условиях контролируемойтемпературы // Селекция и лесное семеноводство в Карелии. Петрозаводск, 1979. С. 120-137.

104. Ярмишко В. Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. С.-Пб., 1997.210 с.

105. Acidic Precipitation. V. 2. Biological and Ecological Effects / Eds. D.C. Adriano, A.H. Johnson. New York-Berlin: Springer-Verlag, 1989.368 p.

106. Huttunen S., Laine K. Effects of air- borne pollutanst on the surface wax structure of Pinus sylvestris needles. //Ann. Bot. Fennici. 1983. Vol. 20,N 1. P.79-86.

107. Hudak J., Salaj J. Effect of low temperatures on the structure of plant cells // Handbook of plant and crop stress / edited by Mohammad Pessarakli. New York, Basel, 1999. P. 441-464.

108. Kratsch H.A., Wise R.R. The ultrastructure of chilling stress / Plant, Cell and Environment, 2000. Vol. 23. N 4. P. 337-350.

109. Kwiatkowska M. Cold induced changes in the morphology of mitochondria in coleoptiles of corn of different frost-resistance // Acta Sociatis Botanicorum Poloniae. Vol. XXXIX. Nr. 2.1970. P. 347-360.

110. Reinikainen J., Huttunen S. The level of injury and needle ultrastructure of acid rain-irrigated pine and spruce seedlings after low temperature treatment // New Phytol., 1989. Vol. 112. N1. P. 29-39.

111. Soikkeli S. Comparison of cytological injuries in conifer needles from several polluted industrial environments in Finland // Ann. Bot. Fenn. 1981. Vol. 18, N 1. P. 47-61.

112. Soikkeli S., Paakkunainen J. The effect of air pollution on the ultrastructure of the developing and current year needles of norway spruce. // Mitt. Forstl. Bundesversuchsanst. Wien, 1981, № 137/1,159-164.

113. Soikkeli S., Tuovinen T. Damage in mesophyll ultrastructure of needles of Norway spruce // Ann. Bot. Fennici. 1979. Vol. 16, N 1. P. 50-64.

Информация о работе

Плюснина, Светлана Николаевна
кандидата биологических наук
Сыктывкар, 2004
ВАК 03.00.05

Диссертация

Структурная организация мезофилла хвои PICEA OBOV ATA LEDEB. При экспериментальном охлаждении в условиях аэротехногенного загрязнения - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы