CC BY
82
УДК 582.949/665.527.652/656
ФОРМИРОВАНИЕ СЕКРЕТОРНЫХ ЖЕЛЕЗОК НА ЛИСТЬЯХ MENTHA L. ПОД ВЛИЯНИЕМ СВЕТА РАЗНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА
Изучали влияние освещения растений Mentha arvensis L. (форма NV-74) источниками белого люминесцентного света, красного и длинноволнового красного света от светодиодов на численность и размер секреторных железок, формирующихся на листьях. Максимальное количество железок на обеих сторонах листа, минимальный их размер, близкий по размеру к железкам, формирующимся в природной флоре, и наибольший выход эфирного масла в расчете на 1000 листьев сформировалось в варианте освещения растений белым светом. В варианте освещения красным светом зафиксирована максимальная плотность размещения секреторных железок на обеих сторонах листа и максимальный их размер, выход эфирного масла был в 1.2 раза ниже по сравнению с вариантом освещения белым светом. В варианте освещения растений длинноволновым красным светом сформировалось наименьшее количество секреторных железок при минимальной их плотности размещения на листе и достаточно значительном размере данных железок, выход эфирного масла был в 5.8- 5.0 раз ниже, чем в вариантах освещения белым и красным светом.
Ключевые слова: Mentha L., секреторные железки, эфирное масло, светодиоды, красный свет, длинноволновой красный свет.
Введение
Железистый аппарат мяты (Mentha L.) это весьма специфическая по своей структуре и функциональной организации система. Ее уникальность состоит в способности накапливать в строго ограниченном пространстве значительные количества эфирного масла, являющегося химическим комплексом монотерпенов, обладающих особой протекторной ролью [5]. Секреторные железки у растений мяты формируются на ранних этапах онтогенеза на всех органах надземной части растений, но наибольшая плотность секреторных образований на верхней и нижней сторонах листьев возраста от 12 до 20 дней. Причем максимальное их количество расположено в базальной части листа, на средней и апикальной частях - их меньше. Формирование новых железок продолжается до окончания роста листа. В ходе развития железки проходят ряд стадий - от 2-х до 10-ти клеточных консорциумов секреторных клеток. Основной фонд продуцируемого растением эфирного масла формируется в субкутикулярном пространстве головок секреторных желез, которые выглядят под микроскопом как блестящие шарики, располагающиеся в небольших углублениях ткани эпидермиса листа. Идеальную форму шара зрелым железкам придает внутреннее давление эфирного масла, содержащегося в этих полостях [9, 10].
Среди факторов, оказывающих существенное влияние на формирование железистого аппарата мяты и, как следствие, на выход эфирного масла, наряду с генотипическими факторами выступает свет. Как показали исследования, высокая инсоляция на этапе формирования примордиев листа способствует увеличению количества железок на одном листе [5]. Кроме использования света как источника энергии растения имеют системы, которые могут использовать свет различной длины волны как регуляторные сигналы для метаболических процессов. Исследования последних лет показали информационную роль света в регуляции целого ряда метаболических процессов через контроль активности ключевых ферментов. Так, в предыдущих исследованиях показано, что красный свет стимулирует у некоторых растений, в частности у злаков, удлинение листовой пластинки и увеличение площади листа, в то же время, снижая содержание хлорофилла, общую биомассу и сухой вес растений [8].
Т.В. Воронкова,
О.В. Шелепова
Учреждение Российской академии наук Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН (ГБС РАН), 127276, г. Москва,
ул. Ботаническая, 4
e-mail: lab-physiol@mail.ru; winterness@yandex.ru
Наряду со стимулирующим действием свет разного спектрального состава может оказывать стрессовое воздействие на растения. Изучению механизмов устойчивости растений к стрессовым факторам посвящены целый ряд работ, выполненных в последние годы в лаборатории физиологии и биохимии растений ГБС РАН. В частности, нами изучались изменения, происходящие в тканях зимующих органов луковичных растений [3], лапчатки белой [7], таволги [6], шалфеев мускатного [1] и лекарственного [4], представителей рода Mentha L., полученных из других географических регионов [2], т.к. успешная перезимовка является основным лимитирующим фактором интродукции растений в новые для них условия обитания.
Цель настоящего исследования заключалась в изучении изменений железистого аппарата (в частности количества и размеров секреторных железок) листьев мяты при выращивании растений под светом определенной длины волны. Взаимосвязь между этими показателями в настоящее время не выявлена, хотя стрессовое воздействие света разного спектрального состава влияет на весь метаболизм растения и обуславливает многоуровневый ответ, что, в конечном счете, должно отразиться на способности растений продуцировать эфирное масло.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования была взята высокоментольная форма M. arvensis L. NV-74, отобранная из природной флоры северного Вьетнама. Данная форма в течение ряда лет успешно растет на экспериментальном участке ЛФиБР ГБС РАН в Москве. После окончания периода вегетации в октябре корневища растений длиной 20-30см были высажены в вегетационные сосуды, помещенные в климатические камеры при освещении лампами разного спектрального состава: 1) белый свет от люминесцентных ламп (вариант 1 -контроль); 2) условно красный свет от светодиодных ламп, излучающих при 420 и 620 нм в соотношении 25%:75%, соответственно (вариант 2); 3) длинноволновый красный свет (условно синий свет) от светодиодов, излучающих при 420 и 660 нм в соотношении 25%:75%, соответственно (вариант 3). Интенсивность света составляла 180 мкмоль/(м2-с). Температура воздуха поддерживалась на уровне 26-28°С днем и 18-20°С ночью. Продолжительность фотопериода 18 часов. Опыт проводился на базе лаборатории искусственного климата кафедры физиологии растений Российского государственного аграрного университета - МСХА им. К.А. Тимирязева.
Из вегетативных почек корневищ сформировались побеги, которые выращивались при освещении светом разного спектрального состава до фазы начала цветения. Для подсчета количества и определения размера секреторных железок были отобраны по 20 штук полностью сформировавшихся листьев 12-14 ярусов от верхней части побега, железки на которых находились в постсекреторной стадии развития. Кроме того, были учтены площадь поверхности и биомасса листа. Затем несколько участков каждого листа с обеих сторон были сфотографированы под бинокуляром при увеличении 200 с помощью видеокамеры Lumenera Infinity 2 и обработаны при помощи программы Infinity camera V:5.0.2. После соответствующей калибровки масштаба на каждом фотоснимке было подсчитано количество секреторных железок на верхней и нижней поверхности листа и определен их диаметр. Полученные результаты были обработаны статистически и рассчитаны к средней площади листа по каждому варианту опыта. Из оставшейся массы листьев методом гидродистилляции было получено эфирное масло.
Результаты и обсуждение
Использование для освещения в течение длительного времени белого цвета способствовало формированию у мяты более крупных листьев - средняя площадь листа составила 6.04±0.18см2 (табл.1). В тоже время освещение растений длинным красным и красным светом вызвало формирование более мелких листьев - средняя площадь листа была в 2.3 и 2.8 раза меньше по сравнению с контролем. Хотя в варианте 3 листья имели более интенсивно зеленую окраску по сравнению с контролем и вариантом 2, так как диапазон спектра 650-660нм избирательно поглощается хлорофиллами «а» и «б» и стимулирует процесс фотосинтеза.
Во всех вариантах опыта количество железок на нижней поверхности листа было примерно в 2 раза больше, чем на верхней, что в целом характерно и для растений мяты, выращенных в полевых условиях.
Максимальное количество секреторных железок на верхней и нижней сторонах листа мяты сформировалось у растений, выращенных при белом свете - 1492 и 2517 шт./лист, соответственно (рис. 1). В вариантах 2 и 3 количество железок было значительно ниже: в варианте 2 - в 2.4 раза меньше как на верхней, так и на нижней стороне листа. Тогда как в варианте 3 более значительное снижение секреторных железок зафиксировано на верхней стороне листа - в 3.9 раза меньше, чем в контроле, в то время как на нижней стороне количество железок уменьшилось в 2.4 раза по сравнению с контролем.
Рис. 1. Количество секреторных железок на верхней (1) и нижней (2) сторонах листа мяты, сформировавшихся под влиянием света разного спектрального состава: контроль - освещение белым светом; вариант 2 - освещение красным светом; вариант 3 - освещение длинноволновым красным светом.
Пересчет численности секреторных железок на единицу площади листа позволил определить плотность их размещения на листе. Максимальная плотность размещения железок зафиксирована в варианте 2 - 297 шт./см2 на верхней и 515 шт./см2 на нижней поверхности листа. При этом они имели максимальный диаметр на обеих сторонах листа по сравнению с контролем и вариантом 3 (рис. 2 и табл.1). Причем размер железок на нижней стороне листа был в 1.2 раза больше, чем на верхней.
Плотность размещения секреторных железок на листьях мяты варианта 3 была минимальной - в 2.1-1.3 раза меньше по сравнению с вариантом 2, хотя размеры сформировавшихся железок были сопоставимы с аналогичными величинами варианта 2. Только на нижней стороне листа растений варианта 3 диаметр железок был в 1.3 раза меньше, чем данный показатель в варианте 2.
Минимальный диаметр железок зафиксирован на листьях мяты, выращенных при освещении белым светом. В тоже время их размеры близки к показателям, характерным для секреторных железок растений представителей рода Mentha L. из природной флоры - 60-80 мкм [5]. При этом в данном варианте, как и в варианте 2, на верхней и нижней сторонах листа сформировались железки практически одного размера (табл. 1).
Рис. 2. Плотность размещения секреторных железок на верхней (1) и нижней (2) сторонах листа мяты, сформировавшихся под влиянием света разного спектрального состава: контроль - освещение белым светом; вариант 2 - освещение красным светом; вариант 3 - освещение длинноволновым красным светом.
Таблица 1
Некоторые показатели секреторных железок на листьях М. аюепж L., форма NV-74, сформировавшихся под влиянием света разного
спектрального состава
Варианты опыта Диаметр железок, мкм Площадь 1 листа, см2 Выход масла на 1000 листьев, мл
верхняя сторона листа нижняя сторона листа
Контроль - освещение белым светом 86 ± 4 84 ± 5 6,04 ± 0,18 0,93
Вариант 2 - освещение красным светом 97 ± 8 119 ±13 2,14 ± 0,19 0,8
Вариант 3 - освещение длинноволновым красным светом 95 ± 7 91 ± 5 2,69 ± 0,24 0,16
Выход эфирного масла, полученного методом гидродистилляции, в расчете на 1000 листьев мяты, был максимальным в контроле - 0.93мл, в 1.2 раза меньше в варианте 2 и в 5.8 раза меньше в варианте 3.
Заключение
Использование при выращивании растений мяты освещения различного спектрального состава оказало существенное влияние на численность и размер секреторных железок, сформировавшихся на верхней и нижней сторонах листа растений. Максимальное количество железок на обеих сторонах листа и минимальный их размер, близкий к аналогичному показателю, характерному для растений природной флоры, сформировался в варианте освещения растений белым светом. В варианте освещения растений красным светом зафиксирована максимальная плотность размещения секреторных железок на обеих сторонах листа и максимальный их размер, причем на нижней стороне листа диаметр железок был в 1.2 раза больше, чем на верхней. В варианте освещения растений длинноволновым красным светом сформировалось наименьшее количество секреторных железок при минимальной их плот-
ности размещения на листе и достаточно значительном размере данных железок. При этом выход эфирного масла из 1000 листьев был минимальным - в 5.8 раз меньше, чем в варианте освещения растений белым светом.
Авторы выражают искреннюю признательность сотрудникам кафедры физиологии растений Российского государственного аграрного университета - МСХА им. К.А. Тимирязева за помощь в выполнении данной работы.
1. Кондратьева В.В., Воронкова Т.В., Шелепова О.В., Олехнович Л.М. Физиологобиохимические аспекты зимовки шалфея мускатного (Salvia sclarea L.) в средней полосе России. // Изв. РАН. Сер. биол. - 2008. - №3. - С.296-303.
2. Кондратьева В.В., Кириченко Е.Б., Сафронова Л.М., Воронкова Т.В. Фитогормоны корневищ мяты различного географического происхождения в годичном цикле ее развития // Изв. РАН. Сер. биол. - 2000. - №5. - С.563-568.
3. Кондратьева В.В., Семенова М.В., Воронкова Т.В., Данилина Н.Н. Изменение углеводного и гормонального статуса тканей луковицы тюльпана ложнодвуцветкового при выгонке в оранжерее и в открытом грунте./ / Физиология растений. - 2009. - т.56, №3. - С.471-478.
4. Кондратьева В.В., Шелепова О.В., Воронкова Т.В. Гормональный и углеводный статус тканей зимующих побегов шалфея лекарственного (Salvia offisinalis L.) при интродукции в средней полосе России // Мат. межд. конф., посв. 75-ти основания национ. бот. Сада им. М.М. Гришко НАН Украины. Киев Фитосоциоцентр - 2010. - С.496-499.
5. Теплицкая Л.М., Резникова С.А. Исследование железистого аппарата у мяты в связи с задачами селекции // Труды ВИР. - 1975. - Т.54, вып.2. - С.262-272.
6. Шелепова О.В., Воронкова Т.В. Особенности накопления биологически активных соединений и микроэлементов в соцветиях Filipendula ulmaria (L.) Maxim. // Мат-лы Междун. Науч. конф., посвящ. Памяти выдающегося казах. ботаника-ресурсоведа, член-корр. НАН РК, дбн М.К. Куженова «Актуальные проблемы ботанического ресурсоведения». Алматы: Изд-во «Уш Киян». - 2010. - С.361-364.
7. Шелепова О.В. Изменение баланса биологически активных веществ и микроэлементов в корневищах лапчатки белой (Potentilla alba L.) в процессе вегетации при интродукции // Материалы 2 международной научной конференции «Интродукщя, селекщя та захист рослин». Украина, Донецк. - 2009. - Т.2. - С.402-407.
8. Goins G.D., Yorio N.C., Sanvo M.M., Brown C.S. Photo morphogenesis, photosynthesis, and seed yield of wheat plants grown under red light-emitted diodes (LEDs) with or without supplemental blue lighting. // J. Exp. Bot. - 1997. - V.48., №312. - P.1407-1413.
9. Turner Gl. W., Gershenzon J., Croteau R.B. Development of peltate glandular trichomes of peppermint. // Plant. Physiol. - 2000. - V.124. - P. 665-679.
10. Turner Gl. W., Gershenzon J., Croteau R.B. Distribution of peltate glandular trichomes on developing leaves of peppermint. // Plant. Physiol. - 2000. - V.124. - P. 655-664.
Список литературы
FORMATION OF PELTATE GLANDULAR TRICHOMES ON LEAFS OF MENTHOL UNDER THE INFLUENCE OF LIGHT OF DIFFERENT SPECTRAL QUALITY
Institution of Russian Academy of Science Main Botanical Garden named after N.V. Tsitsin RAS, 127276, Moscow, Botanicheskaya street, 4
T.V. Voronkova, O.V. Shelepova
e-mail: winterness@yandex.ru; lab-physiol@mail.ru
The effect of white fluorescent, red, and blue (far-red) LEDs lighting on number and size of peltate glandular trichomes developing on leafs of M. arvensis (cultivar NV-74) plants were studied. Maximal number of the trichomes on both sides of leaf, their minimal size, near to the size of the trichomes developing in the plants in natural flora, and maximal production of essential oil rating for 1000 leaves were obtained in white light treated plants. In red LEDs treated plants were observed maximal density of the trichome placement on both sides of leaf and their maximal size, production of essential oil was 1,2 times lower in comparison with white light treated plants. In blue LEDs treated plants we obtained the least number of glandular trichomes, combining minimal density of placement on a leaf with rather considerable sizes, production of essential oil in these plants was 5,8-5,0 times lower than in white fluorescent and red LEDs treated plants.
Key words: Mentha L., peltate glandular trichomes, essential oil, red LEDs, far-red LEDs
