Анатомические и физиологические особенности различных видов клевера, произрастающих на территории Пензенской области в различных условиях влажности

ИЗВЕСТИЯ

ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 25 2011

IZVESTIA

PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 25 2011

УДК 581.1

АНАТОМИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ КЛЕВЕРА, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ НА ТЕРРИТОРИИ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ВЛАЖНОСТИ

Крашенинников В. Н., Хрянин В. Н. - Анатомические и физиологические особенности различных видов клевера, произрастающих на территории Пензенской области в различных условиях влажности // Известия

ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. С. 87-93. - На основании исследования пяти наиболее распространенных на территории Пензенской области видов клевера определены их анатомические и биохимические особенности в зависимости от условий влажности. Проведен сравнительный анализ некоторых биологических параметров у растений, выросших в различных условиях увлажнения. Показана зависимость анатомической структуры и важнейших физиологических показателей растений от влажности излюбленных мест обитания, а также конкретного места произрастания.

Ключевые слова: клевер, условия увлажнения, анатомические и физиологические особенности.

Krasheninnikov V. N., Khryanin V. N. - Anatomic and physiological features of different cultivars of clover, growing in the Penza area under various conditions of humidity // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belin-skogo. 2011. № 25. P. 87-93. - On the basis of examining 5 most wide-spread cultivars of clover, growing in the Penza area, there are determined their anatomic and biochemical traits of the plants, which have grown under various conditions of humidity. There is shown the dependence of anatomic structure and the most important physiological indices on the preferable habitats and also on a concrete place of growing.

Keywords: clover, moisture conditions, anatomic and physiological features.

В результате антропогенного воздействия на окружающую среду остро встает проблема сохранения биоразнообразия. Растения рода клевер (Trifolium L.) являются важными составляющими биоценозов и агроценозов. Как представители семейства бобовых, растения данного рода являются основной группой растений, способных вступать в симбиотические отношения с азотфиксирующими микроорганизмами. Бобовые являются основным источником доступных для усвоения растениями азотистых соединений. Некоторые виды клевера, являются ценными сельскохозяйственными культурами, занимающими важное место в севообороте. Способность бобовых фиксировать атмосферный азот в симбиозе с клубеньковыми азотфиксирующими бактериями широко используется в сельском хозяйстве для поддержания плодородия почв. Таким образом, изучение особенностей представителей данного рода растений является важной практической задачей.

Целью исследования было выявление анатомоморфологических и биохимических особенностей различных видов рода клевер, произрастающих на терри-

тории Пензенской области, сравнение их устойчивости к таким стрессорным факторам как дефицит влаги и гипоксия, определении содержания в листьях растений одного из низкомолекулярных антиоксидантов -пролина, пигментов (хлорофилла, ксантофилла и каротинов) а также активности пероксидазы как компонента антиоксидантной энзиматической системы

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объект исследования - различные виды р. клевер, произрастающие на территории Пензенской обл. Для изучения были отобраны следующие виды: к. луговой (T. pratense L.), к. ползучий (T. repens L.), к. горный (T. montanum L.), к. альпийский (T. alpestre L.), к пашенный (T. arvense L.). Критерием выбора именно этих видов послужило их широкое распространение на территории Пензенской обл. [2, 3], а также одновременное произрастание на всех участках сбора. Подавляющее большинство образцов для исследования было собрано с двух участков - с водораздела и с поймы небольшой реки. для анатомо-морфологических исследований были использованы растения в фазе

цветения, без каких-либо внешних признаков повреждения. Анатомические препараты готовились как из свежих, так и из гербарных образцов с помощью лезвия безопасной бритвы. Фиксирование препаратов производилось в глицерине. Изучение приготовленных препаратов производили под световым микроскопом при увеличении в 80-150 раз.

Для определения содержания пигментов и про-лина, а также активности пероксидазы были использованы листья со среднего яруса растений с одного или нескольких рядом расположенных экземпляров в трех биологических повторностях. Определение содержания пигментов проводили на спектрофотометре при длине волны для хлорофиллов - 670 нм (спиртоацетоновая вытяжка), для каротинов - 440 нм (бензиновая вытяжка), для ксантофиллов - 440 нм (бензиновая вытяжка). Содержание свободного пролина измеряли по методу Bates et al. [4] на спектрофотометре Varían Cary 50 в приложении Advanced reads при длине волны 490 нм и 540 нм (толуоловая вытяжка). В качестве конечного результата содержания пролина брали среднее значение по двум длинам волн. Измерение активности фермента пероксидазы проводили по методу А. Н. Бояркина [1] на спектрофотометре Varian Cary 50 в приложении Kinetics при длине волны 590 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Изучение различных видов клевера Пензенской обл. показало, что наибольшим разнообразием по анатомическому строению отличаются стебли и черешки листа. Выявляется четкая закономерность между местом обитания и строением этих частей растения. Различия наблюдаются по количеству и расположению проводящих пучков, степени сформированности тканей, наличием или отсутствием трихомов.

наиболее ксероморфную структуру имеет к. пашенный. для него характерна толстая кутикула, частично сросшиеся проводящие пучки, хорошо развитая ксилема и склеренхима. Ассимиляционная ткань в стебле достаточно развита, основная паренхима развита слабо или почти отсутствует. на стебле присутствуют многочисленные трихомы (рис. 1).

Также ксероморфную структуру имеют к. горный и к. альпийский. К. горный растет в засушливых местах - луговых степях, остепненных лугах, лесных опушках, полянах [3]. Ксероморфные признаки - более толстая кутикула, наличие многочисленных трихом. Характерная особенность анатомического строения данного вида - двулакунные и трехлакунные проводящие пучки в стебле, расположенные близко друг к другу (рис. 2).

Места обитания к. альпийского аналогичны к. горному [3]. Для него характерны некоторые признаки ксерофитов: более толстая кутикула, наличие трихомов. Проводящие пучки в стебле и черешке сближены и имеют тенденцию к срастанию. Сильно развита склеренхима во всех частях растения (рис. 3).

У видов, приуроченных к более влажным местам обитания - к. лугового и к. ползучего, наблюдается относительно большее количество проводящих пучков, а также более рыхлое их расположение.

Рис. 1. К. пашенный, анатомическое строение стебля: 1 - эпидермис; 2 - ассимиляционная ткань;

3 - основная паренхима; 4 - склеренхима;

5 - II ксилема; 6 - I ксилема; 7 - II флоэма; 8 - камбий.

Рис. 2. К. горный, анатомическое строение стебля:

1 - эпидермис; 2 - основная паренхима; 3 - склеренхима;

4 - I ксилема; 5 - II ксилема; 6 - II флоэма; 7 - камбий;

8 - ассимиляционная ткань. 9 - трихомы.

К. луговой более влаголюбив по сравнению с предыдущими видами (места обитания - луга, светлые леса, поляны, опушки, залежи [3]) Для него характерно наличие в стебле колленхимы, а также развитой ассимиляционной ткани (рис. 4) К. ползучий приурочен к более сырым местам обитания (сыроватые луга, берега водоемов, лесные поляны, пустыри, возле жилья, обочины дорог [3]. В стебле к. ползучего также присутствует колленхима (рис. 5).

При сравнении анатомического строения экземпляров, собранных на водоразделе и в пойме были отмечены заметные отличия. для растений, выросших в условиях недостатка влаги характерны более выраженные ксероморфные признаки. В частности, наблюдается сближение проводящих пучков и более развитая II ксилема. У более влаголюбивых видов

(к. пашенный и к. луговой) эти изменения проявляются в большей степени, чем у других видов. В качестве примера можно привести сравнение анатомического строения к. ползучего в пойме и на водоразделе (рис. 6).

Рис. 3. К. альпийский, анатомическое строение стебля: 1 - основная паренхима; 2 - ассимиляционная ткань; 3 - камбий; 4 - I ксилема; 5 - II ксилема; 6 - II флоэма;

7 - склеренхима; 8 - эпидермис.

Рис. 4. К. луговой, анатомическое строение стебля:

1 - эпидерма; 2 - колленхима; 3 - ассимиляционная ткань;

4 - основная паренхима; 5 - склеренхима; 6 - I ксилема;

7 -камбий; 8 - II ксилема. 9 - II флоэма.

В ходе определения содержания пигментов в листьях изучаемых видов было установлено, что у видов, приуроченных к более засушливым местам обитания, а именно, у к. пашенного, к. горного и к. альпийского в условиях дефицита влаги (водораздел) наблюдается увеличение содержания хлорофиллов в листьях (на 19.0%; 6.7% и 4.3% соответственно). У более влаголюбивых видов - к. ползучего и к. лугового, напротив, в условиях недостатка влаги наблюдается снижение содержания хлорофиллов в листьях (на 19.9% и 7.4% соответственно).

Рис. 5. К. ползучий, анатомическое строение стебля:

1 - эпидерма; 2 - колленхима; 3 - ассимиляционная ткань; 4 - основная паренхима; 5 - склеренхима; 6 - II флоэма;

7 - камбий. 8 - II ксилема.

Рис. 6. К. ползучий, Сравнение анатомической структуры стебля у растения, выросшего в условиях достаточной увлажненности (вверху) и в условиях дефицита влаги (внизу): 1 - эпидерма;

2 - колленхима; 3 - ассимиляционная ткань; 4 - основная паренхима; 5 - склеренхима; 6 - II флоэма; 7 - камбий. 8 - II ксилема.

В целом, по абсолютным показателям содержания хлорофиллов в листьях изучаемые виды клевера отличаются не очень сильно. Наибольшее абсолютное содержание хлорофиллов в листьях отмечено у к. пашенного (3142 мг*г-1 сырого веса в пойме и 3740 мг*г-1 сырого веса на водоразделе), а наименьшее - у к. ползучего (2864 мг*г-1 сырого веса в пойме и 2295 мг*г-1 сырого веса на водоразделе). У остальных изучаемых видов содержание хлорофиллов в листьях примерно одинаково и составляет у к. горного - 2879 мг*г-1 сырого веса в пойме и 3073 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. альпийского - 3071 мг*г-1 сырого веса в пойме и 3218 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. лугового -3235 мг*г-1 сырого веса в пойме и 2996 мг*г-1 сырого веса на водоразделе (рис. 7).

Относительно содержания ксантофиллов у представленных видов наблюдается несколько иная картина. у всех видов кроме к. горного наблюдается уменьшение содержания ксантофиллов в листьях растений, растущих в пойме относительно растений, растущих на водоразделе. наибольшее содержание ксантофиллов в листьях наблюдается у к. пашенного (1369 мг*г-1 сырого веса в пойме и 1109 мг*г-1 сырого веса на водоразделе). у остальных видов содержание ксантофиллов в листьях составляет: у к. горного -1040 мг*г-1 сырого веса в пойме и 1294 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. альпийского - 1093 мг*г-1 сы-

рого веса в пойме и 949 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. ползучего - 1130 мг*г-1 сырого веса в пойме и 1052 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. лугового -1148 мг*г-1 сырого веса в пойме и 704 мг*г-1 сырого веса на водоразделе (рис. 8).

Таким образом, можно отметить, что у к. лугового наблюдается наибольшее относительное уменьшение содержания ксантофиллов в листьях на водоразделе по сравнению с поймой (38.7%). У к. пашенного и к. альпийского это уменьшение занимает промежуточное положение (19.0% и 13.2% соответственно), а у к. ползучего оно сравнительно невелико (6.9%). Для к. горного характерно не уменьшение, а увеличение содержания ксантофиллов в листьях у растений, собранных на водоразделе по сравнению с теми, которые собраны в пойме на 24.4%.

В результате определения содержания каротинов в листьях растений было выяснено, что у к. пашенного данный показатель составляет 2899 мг*г-1 сырого веса в пойме и 2397 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. горного - 1802 мг*г-1 сырого веса в пойме и 1467 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. альпийского - 1018 мг*г-1 сырого веса в пойме и 903 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. ползучего - 1919 мг*г-1 сырого веса в пойме и 845 мг*г-1 сырого веса на водоразделе; у к. лугового - 3233 мг*г-1 сырого веса в пойме и 2247 мг*г-1 сырого веса на водоразделе (рис. 9).

Рис. 7. Содержание хлорофиллов в листьях различных видов клевера в пойме и на водоразделе (среднее значение по трем биологическим повторностям).

Следует отметить, что наибольшее содержание каротинов в листьях характерно для к. лугового (в пойме) и для к. пашенного (на водоразделе), а наименьшее - для к. альпийского. у всех видов наблюдается уменьшение содержания каротинов в листьях растений, растущих на водоразделе по сравнению с растениями, растущими в пойме. При этом наибольшее относительное снижение характерно для к. ползучего (55.0%), а наименьшее - для к. альпийского (16.5%) У остальных видов оно составляет: у к. пашенного -18.4%; у к. горного - 18.6%; у к. лугового - 30.5%.

По содержанию пролина в листьях различных видов растений рода клевер также получены очень интересные результаты. Наблюдается хорошо заметная зависимость содержания пролина от излюбленных мест обитания (засухоустойчивости) каждого вида. Результаты исследований показывают, что в условиях дефицита влаги у всех видов клевера наблюдается повышенное содержание пролина. Так, у таких видов клевера, приуроченных к влажным местам обитания (пойме) уровень пролина составлял у к. горного - 0.85-1.23 мкмоль/г сыр. веса, к. пашенного - 0.39-0.70 мкмоль/г сыр. веса,

к. альпийского - 0.42-0.68 мкмоль/г сыр. веса, к. лугового - 0.76-0.91 мкмоль/г сыр. веса, к. ползучего -

0.61-1.04 мкмоль/г сыр. веса, а на водоразделе у этих видов содержание пролина было у к. горного - 4.956.27 мкмоль/г сыр. веса, к. пашенного - 4.33-

4.59 мкмоль/г сыр. веса, к. альпийского - 3.083.16 мкмоль/г сыр. веса, к. лугового - 1.46-1.67 мкмоль/г сыр. веса, к. ползучего - 1.80-2.17 мкмоль/г сыр. веса. Средние данные содержания пролина в листьях различных видов клевера приведены на рис. 10.

Рис 8. Сравнение содержания ксантофиллов в листьях различных видов клевера в пойме и на водоразделе (среднее значение по трем биологическим повторностям).

Рис. 9. Содержание каротинов в листьях различных видов клевера в пойме и на водоразделе (среднее значение по трем биологическим повторностям).

Было установлено, что наибольшее абсолютное увеличение содержания пролина наблюдается у к. пашенного и к. горного, а наименьшее - у к. лугового и к. ползучего. К альпийский занимает среднее положение между этими двумя группами.

Также был проведен анализ относительного изменения содержания пролина в листьях растений изучаемых видов в пойме и водоразделе. По этим результатам можно судить о степени адаптивности каждого из изучаемых видов к условиям дефицита влаги (рис. 11). Наиболее адптивным видом является к. пашенный (увеличение содержания пролина на 729.6%).

Промежуточное положение занимает к. горный и к. альпийский (404.6% и 479.6% соответственно). Наименее адаптивны к. ползучий и к. луговой (144.4% и 85.9% соответственно) (рис. 11).

Данные по содержанию пролина в листьях изучаемых видов хорошо согласуются с экологическими и анатомо-морфологическими особенностями этих видов. для видов, приуроченных к более влажным местам обитания (к. луговой, к ползучий) [3] характерно наименьшее содержание пролина. Также у этих видов наименьшее его абсолютное и относительное увеличение на водоразделе по отношению к пойме.

Эти виды имеют мало ксероморфных анатомических и морфологических признаков. К. горный и к. альпийский предпочитают более засушливые места обитания [3], и именно у этих видов наблюдается повышенное содержание пролина в листьях. Данные виды имеют и более ксероморфную анатомическую и морфологическую структуру. Наиболее устойчив и адаптивен к условиям дефицита влаги к. пашенный. Он также предпочитает более засушливые места обитания [3] и имеет наиболее ксероморфную анатомическую и морфологическую структуру.

Также было проведено определение активности одного из ферментов антиоксидантной энзиматической системы - пероксидазы. Результаты исследова-

ний показывают, что у большинства видов клевера в условиях дефицита влаги наблюдается повышение активности пероксидазы. Исключение составляет к. луговой, у которого в условиях дефицита влаги активность пероксидазы снижается.

Так, у растений, произрастающих на водоразделе, в условиях относительного дефицита влаги, активность пероксидазы составляет в среднем у к. горного 109.92; у к. альпийского 85.97; у к. ползучего 179.83; у к. лугового 25.98; у к. пашенного 91.54. В пойме, в условиях достаточной влажности, активность перо-ксидазы в среднем составляет у к. горного 88.58; у к. альпийского 68.10; у к. ползучего 167.18; у к. лугового 41.93; у к. пашенного 86.49 (рис. 12).

6 1 5 5

п гоэз 4.43

о ^ и о & ¡3 3 3.13 1

Ьч " Л 1,98

1 2 1 - 1,09 1,53 0,81 0.85

л _ ШГ Щ- т

и | | | | | | к. пашенный к. горным к. альпийский к. ползучий к. луговой ■ пойма ■ водораздел

Рис. 10. Содержание пролина в листьях различных видов клевера в пойме и на водоразделе (среднее значение по трем биологическим повторностям).

Рис. 11. Увеличение содержания пролина в листьях растений различных видов клевера на водоразделе относительно поймы (за 100% принято содержание пролина в листьях растений, собранных в пойме).

По данным результатам можно судить об устойчивости этих видов к недостатку кислорода. Как видно из рис. 12, наиболее устойчив к гипоксии к. ползучий. к. пашенный, к. горный и к. альпийский обладают

примерно равной устойчивостью к гипоксии и занимают промежуточное положение среди изучаемых видов. Наименее устойчив - к. луговой, у которого наряду с изначально низкой активностью пероксидазы наблю-

Рис. 12. Сравнение активности пероксидазы в листьях различных видов клевера в пойме и на водоразделе (среднее значение по трем биологическим повторностям).

дается значительное ее уменьшение на водоразделе относительно поймы, в отличие от остальных видов, у которых наблюдается увеличение пероксидазной активности в условиях дефицита влаги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных результатов можно сделать следующее заключение. Анатомическая структура изучаемых видов клевера зависит от излюбленных мест произрастания каждого отдельного вида. Виды, предпочитающие более засушливые места обитания, в особенности, к. пашенный, а также к. горный и к. альпийский имеют более ксероморф-ное анатомическое строение, чем более влаголюбивые виды, такие, как к. ползучий и к. луговой. Отмечено также, что для к. лугового и к. ползучего характерны более резкие отличия для экземпляров, выросших в различных условиях влажности, чем для остальных из рассматриваемых видов. На основании данных по содержанию пролина в листьях можно считать, что к. пашенный является наиболее адаптивным к условиям дефицита влаги, чем остальные изучаемые виды. Также высокую адаптивную способность к условиям пониженной влажности показали к. горный и к аль-

пийский. К. луговой и к. пашенный оказались наименее приспособленными к перенесению засухи. Активность пероксидазы в листьях исследуемых видов клевера можно считать достаточно видоспецифичным параметром. Однозначной зависимости активности данного параметра от засухоустойчивости вида не обнаружено, однако у большинства видов (кроме к. лугового) отмечено некоторое ее увеличение в условиях недостатка влаги. относительно содержания пигментов также не выявлено определенной зависимости от засухоустойчивости вида.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бояркин А.Н. Быстрый метод определения активности пероксидазы (модифицированный) // Биохимия. 1951. Т. 16. Вып. 4. С. 352-357.

2. Васюков В.М. Растения Пензенской области (конспект флоры): Монография. Пенза: Изд-во ПГУ, 2004. 184 с.

3. Солянов А.А. Флора Пензенской области, г. Пенза: Изд-во ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2001. 310 с.

4. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free praline for water-stress // Plant Soil. 1973. V. 39. P. 205-207.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы —