The influence of high altitudes on anatomical and physiological features of coniferous needles of Pinus sibirica.pdf Многолетнее существование листового аппарата хвойных обусловливает наличие у него ряда структур-ных [1] и функциональных [2, 3] особенностей по срав-нению с покрытосеменными растениями. Процессы ста-рения хвои голосеменных в отличие от листопадных и вечнозеленых двудольных растений варьируют от одно-го года у лиственницы до 12-15 лет у ели [4]. Вместе с тем продолжительность жизни хвои различна в пределах одного вида и зависит от географической точки произ-растания [5], светового режима [6], увлажнения почвы [7]. Условия высокогорья Алтая характеризуются ком-плексом неблагоприятных факторов: снижением парци-ального давления СО2 и О2, повышением доз озона и ультрафиолета, резкими перепадами температур, уменьшением вегетационного периода и др. Воздейст-вие вышеперечисленных особенностей горного климата на растения предполагает специфику роста и развития листового аппарата.Целью данной работы явилось изучение структур-но-функциональных особенностей разновозрастной хвои кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), произ-растающего в горных условиях.Сбор образцов проводили на площадке, расположен-ной на пологом участке моренного комплекса ледника правый Актру на высоте 2350 м над ур. м. Пробы брали с деревьев 60-80-летнего возраста со среднестатистиче-скими показателями роста и развития в августе. В этот период фотосинтетический аппарат хвои обычно имеет оптимальное развитие пигментной системы и анатоми-ческой структуры. Изучение физиологических характе-ристик проводили на среднем образце хвои, отобранном из 4-5 женских ветвей из верхней части кроны с четырех деревьев. Хвою отбирали по всей длине побегов, начи-ная с прироста текущего года и заканчивая последним охвоенным приростом. Содержание пигментов опреде-ляли спектрофотометрически [8]. Изолирование хлоро-пластов из хвои и определение их функциональной ак-тивности проводили согласно [9, 10]. Хвою растирали в среде выделения следующего состава: 0,05 М трис-HCl-буфер рH 8,0; 0,4 М сахароза; 1 мМ ЭДТА; 1 мМ МgСl2; 0,5% бычий альбумин. Функциональную активность хлоропластов определяли спектрофотометрически с ис-пользованием феррицианида калия. Реакционная смесь содержала: 100 мкМ трис, рН 7,4; 10 мкМ NaCl; 10 мкМ MgCl2; 3 мкМ K3Fe(CN)6; 4 мкМ АДФ + 10 мкМKH2PO4. Реакции измеряли при освещении кюветы бе-лым светом интенсивностью 150 Вт/м2.Для анатомических исследований хвою фиксирова-ли в 70%-ном спирте, из средней части хвои делали поперечные срезы на замораживающем микротоме. Ряд производных показателей морфологии хлоропластов рассчитывали, используя методику Мокроносова [11]. Повторность измерений морфологических и анатоми-ческих показателей хвои была 30-40-кратная, измере-ний числа и параметров хлоропластов 40-60-кратная.На рис. 1 и в табл. 1-3 приведены средние арифме-тические и их стандартные ошибки. Уровень довери-тельной вероятности был задан равным 95%.Проведенные исследования показали, что при произ-растании кедра сибирского на моренном комплексе лед-ника Актру (2350 м над ур. м.) хвоя сохранялась на де-ревьях до 7 лет. По данным других авторов, на ряде видов хвойных растений также показано, что срок жизни хвои при произрастании деревьев в горных условиях увеличи-вается по сравнению с растениями равнин [12, 13]. Кроме того, продолжительность жизни хвои увеличивается по мере продвижения с юга на север [14]. По-видимому, бо-лее длительное сохранение хвои прошлых лет компенси-рует существенное сокращение продолжительности се-зонного роста в верхнем поясе гор. У хвои разного воз-раста были различны количественные показатели длины и площади поверхности хвои (рис. 1). Большое варьиро-вание длины хвои, скорее всего, связано с погодными условиями в различные годы. Известно, что рост хвои зависит от погодных условий как во время заложения почек [15], так и в период роста хвои [16].Размер смоляных ходов, площадь центрального ци-линдра и мезофилла определяют степень дифференци-ровки листа. Абсолютные значения этих показателей варьировали в хвое разного возраста (рис. 1). Однако отношения суммарной площади смоляных ходов и жил-ки к площади мезофилла были практически одинаковы, т.е. в процессе старения хвои соотношения ассимили-рующей, проводящей и смолоносной структур не изме-няются. По-видимому, такое первоначально сформиро-ванное соотношение тканевых структур является опти-мальным для жизнедеятельности листового аппарата.Анализ характеристик пластидного аппарата показал, что число хлоропластов уменьшалось с возрастом хвои, в то время как объем хлоропласта не изменялся (табл. 1).200li ииВозраст хвои, лет|дь центрального CSI площадь 1=3 площадь~*~ длинацилиндра смоляных ходов мезофиллахвоиРис. 1. Изменение морфоанатомических структур в зависимости от возраста хвоиПо нашим наблюдениям, число хлоропластов уменьшалось с трехлетнего возраста хвои, что приводило к сокращению внутренней ассимилирующей поверхности. Известно, что существует прямая корреляция между площадью внутренней ассимилирующей поверхности и интенсивностью фотосинтеза [17]. Отношение суммарной площади максимальной проекции хлоропластов в клетке к площади клетки характеризует полноту использования пластидами клеточной поверхности при диффузии углекислоты в клетку. С возрастом хвои это отношение уменьшалось, по нашим данным, на 20%, что свидетельствует об увеличении сопротивления диффу-зии углекислоты в клетку. Очевидно, уменьшение поверхностной площади мембран хлоропластов в клетке в среднем на 19%, а в целой хвоинке на 31% приводит к снижению интенсивности фотосинтеза с возрастом хвои. Это было подтверждено дальнейшими исследованиями по изучению пигментного комплекса и функциональной активности хлоропластов.Исследование пигментного фонда хлоропластов однолетней хвои, когда ее рост полностью закончился, показало довольно высокое содержание зеленых и желтых пигментов, однако их соотношение не было оптимальным для выполнения фотосинтетической функции (табл. 2).Показатели, определяющие морфологию хлоропластов хвои кедра сибирскогоТаблица 1Возраст хвои, летПоказатель Мхл/клУхл^SmaxУ^п.н.м. клУ^п.н.м. хв141,0±0,930,4±1,3308,5±12,51250±3621,3±0,8242,7±1Д29,9±1Д319,8±10,91296,2±35,917,6±0,6339,5±0,928,8±1,2287,4±10,61181,4±31,624,0±0,7437,2±0,527,9±1Д264,6±9,01106,5±24,412,8±0,4536,3±0,629,0±0,8263,8±6,41090,7±19Д16,9±0,5635,4±0,630,3±1Д267,2±8,81081,2±23,713,5±0,5733,9±0,928,9±0,7246Д±6,61018,2±25,014,6±0,5Примечание. Мхл/кл - число хлоропластов в клетке; Ухл - объем хлоропласта, мкм ; ^Smax - суммарная максимальная проекция хлоропласта в клетке, мкм2; У^п.н.м. кл - суммарная площадь поверхности наружных мембран хлоропластов в клетке, мкм2; У^п.н.м. хв х 107 - суммарная площадь поверхности наружных мембран хлоропластов в хвоинке, мкм2.Содержание фотосинтетических пигментов в разновозрастной хвое кедра сибирского, мкг/г сырой массыТаблица 2Возраст хвои, летХлорофилл аХлорофилл ЪКаротиноидыalbа+Ыкщ>.1495,6±11,8102,6±10,0386,4±10,24,841,542550,4±10,5111,4±3,5424,0±8,15,001,563729,8±1,2210,6±1,8572,7±2.43,461,644741,0±27,9258,0±19,1617,3±21,82,901,625668,1±30,0189,1±15,5593,7±17,33,521,446546,0±18,2132,7±5,4408,1±7,84,111,667228,5±3,581,9±8,4203,5±6,62,791,52По литературным данным, отношение хлорофилла а к хлорофиллу Ъ в нормально развитом фотосинтетическом аппарате составляет 2,5-3 [8]. Двухлетняя, трехлетняя и четырехлетняя хвоя практически не отличались по пигментному составу. С пятилетнего возраста содержание как зеленых, так и желтых пигментов начинало постепенно снижаться, различалось также их соотношение. Интересно, что по мере старения хвои содержание желтыхпигментов изменялось значительно меньше, чем зеленых, что свидетельствует о важнейшей защитной роли кароти-ноидов от высокой инсоляции в горных условиях. Кроме того, расчет размеров пигмент-белковолипидных комплексов листового аппарата показал, что по мере старения хвои уменьшалось соотношение длинноволновых и коротковолновых форм пигментов. Очевидно, пигментный фонд хлоропластов постоянно находится в метаболически201подвижном состоянии и начиная с пятилетнего возраста начинаются деструктивные изменения.Для характеристики функциональной деятельности хвои была изучена активность некоторых первичных фотосинтетических реакций на уровне фотосистемы 2. Хлоро-пласты, изолированные из разновозрастной хвои, характеризовались неодинаковой фотохимической активностью (табл. 3). Однолетняя хвоя обладала относительно низкой скоростью реакций фотовосстановления феррицианидакалия и нециклического фотофосфорилирования, а также слабой сопряженностью вышеуказанных процессов. Это свидетельствует о низком энергетическом выходе процесса фотосинтеза. Наибольшей фотосинтетической активностью обладала хвоя второго и третьего года жизни. Судя по изученным фотосинтетическим процессам, пятилетняя хвоя слабо жизнеспособна и поставляет, вероятно, недостаточное количество метаболитов и энергетических эквивалентов для роста и развития кедра сибирского.Функциональная активность хлоропластов хвои кедра сибирского разного возрастаТаблица 3Возраст хвои, годСкорость реакции Хилла, мкМ феррицианида/мг Хл чСкорость нециклического фотофосфорилирования, мкМ Р/мг Хл чР/2е1185,4±18,4110,5±10,80,592472,0±15,7384,1±3,20,813509,4±34,1483,9±20,10,954278,7±11,9194,4±2,50,69585,4±8,960,5±7,20,71В общей ассимилирующей массе хвои преобладала хвоя первых пяти лет жизни, доля шести- и семилетней хвои была незначительной и ее вклад в процесс фотосинтеза по активности первичных фотосинтетических процессов невозможно было оценить. Проведенные нами исследования согласуются с данными других авторов о том, что в процессе старения хвои уменьшается ее роль как датчика ассимилятов, и преобладающей становится функция запасания и распределения продуктов фотосинтеза [19,20].Таким образом, проведенные исследования показали, что соотношение анатомических структур по мерестарения хвои кедра сибирского не претерпевает возрастных изменений. В то время как пластом, пигментный комплекс и функциональная активность хвои с возрастом значительно изменяются. Наиболее развитый фотосинтетический аппарат имеет двух- и трехлетняя хвоя. В дальнейшем происходит снижение пула зеленых пигментов и числа хлоропластов наряду с уменьшением их внутренней ассимилирующей поверхности и функциональной активности, что влечет за собой увеличение сопротивления диффузии ОСЬ и в целом падение интенсивности фотосинтеза.

Скачать электронную версию публикации