CC BY
128
УДК 581.441:372.016:58
Комина Ольга Васильевна
Младший научный сотрудник лаборатории интродукции декоративных растений Центрального сибирского ботанического сада СО РАН, [email protected], Новосибирск
Васильева Ольга Юрьевна
Доктор биологических наук, зав. лабораторией интродукции декоративных растений Центрального сибирского ботанического сада СО РАН, профессор Новосибирского государственного аграрного университета, [email protected], Новосибирск
Черемисина Александра Владимировна
Аспирант лаборатории интродукции декоративных растений Центрального сибирского ботанического сада СО РАН, [email protected], Новосибирск
ИЗУЧЕНИЕ ОРГАНОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ В ВЫСШЕЙ И СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
Аннотация. В статье рассматриваются возможности проведения лабораторных работ в области изучения биологии развития генеративных почек для познания морфологии растений и формирования профессиональных компетенций (ПК) биологов-исследователей. Показаны наиболее доступные для изучения объекты и описана методика проведения исследований, которую могут освоить также школьники, обучающиеся в профильных биологических классах и лицеях. Подробно рассматривается методика изучения органогенеза на примере пионов, объектах с наиболее крупными, а потому самыми удобными для препарирования и описания почками, на примере Paeonia anomala L., P. tenuifolia L., P. lactiflora Pall. а также сортов P. cv. Mahogany и P. cv. Laura Dessert. Показана перспективность использования альстремерии в качестве модельного объекта для изучения органогенеза.
Ключевые слова: морфология, органогенез, почки возобновления, Paeonia, Alstroemeria.
Современные вузовские преподаватели, читающие лекции в аудиториях, оснащенных мультимедийной аппаратурой, могут в полной мере использовать средства анимации в лекциях-презентациях, демонстрировать учебные фильмы. Все это значительно расширяет возможности представления теоретических курсов, повышает восприятие материала студентами. Продолжают развиваться традиции творческого взаимодействия высшей школы и академической науки, когда научные сотрудники - специалисты в области конкретных научных направлений, доктора и кандидаты наук, читают лекции в студенческих аудиториях [2; 3]. Эта категория преподавателей зачастую отмечает, каких именно знаний и умений в рамках заявленных компетенций может не хватать выпускникам высших учебных заведений, решившим связать свою дальнейшую судьбу с научно-исследовательской работой.
Принятый в системе высшего образования компетентностный подход направлен на сбалансированность общекультурных и профессиональных компетенций выпуск-
ника высшей школы [7]. Вот некоторые из профессиональных компетенций (ПК) бакалавра-биолога:
- использует методы наблюдения, описания, идентификации, классификации, культивирования биологических объектов (ПК-2);
- применяет современные экспериментальные методы работы с биологическими объектами в полевых и лабораторных условиях, навыки работы с современной аппаратурой (ПК-5);
- имеет базовые представления о закономерностях воспроизведения и индивидуального развития биологических объектов; использует методы получения и работы с эмбриональными объектами (ПК-8);
- понимает, излагает и критически анализирует получаемую информацию и представляет результаты полевых и лабораторных биологических исследований (ПК-17).
К сожалению, далеко не все кафедры биологических и сельскохозяйственных направлений оснащены современной аппаратурой, включая микроскопы с цифровой обработкой изображений, а стоимость многих реактивов для проведения гистохимических
и цитоэмбриологических исследований достаточно высока.
Исследовательские навыки и компетенции можно отрабатывать, в частности, изучая органогенез растений. В этом случае студенты и школьники профильных биологических классов учатся готовить и анализировать препараты - конусы нарастания. Демонстрация подобных лабораторных работ традиционно проводится в ЦСБС СО РАН в День открытых дверей, приуроченный к дням российской науки, и неизменно вызывает интерес.
Данные исследования не требуют дорогостоящих химреактивов и могут выполняться с помощью обычного светового микроскопа; они базируются на методике Ф. М. Купер-ман [6], подробно описывающей 12 этапов органогенеза в развитии генеративных почек у представителей различных семейств. Наиболее удобным объектом для демонстрации и лабораторных занятий является почка возобновления - крупная ростовая единица, внутри которой протекает заложение фи-томеров, развитие листовых примордиев, первоначальные этапы роста листовых пластинок, влагалищ и междоузлий, заложение пазушных почек, образование зачаточных органов цветка.
Изучение биологии развития генеративных почек можно связать с особенностями сезонного развития хозяйственно ценных растений. Например, существует подразделение многолетних цветочных растений по срокам закладки и дифференциации цветковых почек на 4 группы:
1) генеративные органы закладываются летом, а цветение происходит весной следующего года (Tulipa L., Narcissus L., Mus-cari Mill.);
2) зачаточные органы цветка закладываются осенью, а цветение происходит весной или в начале лета следующего года (Paeo-nia L., Primula L., Iris L.);
3) генеративная сфера формируется весной текущего года, а цветение происходит летом или осенью этого же года (Delphinium L., Aquilegia L.);
4) генеративные органы закладываются в почках летом текущего года, растения зацветают в конце лета - осенью (Astilbe Buch.-Ham., Phlox L.) [8].
Интенсивность цветения растений первой
и второй групп во многом зависит от степени сформированности зачаточных органов цветка в подземных почках возобновления, уходящих в зимовку.
Для изучения органогенеза растений в высшей и средней школе целесообразно использовать экономически доступные объекты (с высоким коэффициентом вегетативного размножения, не являющиеся дорогостоящими декоративными растениями). Это в первую очередь виды и сорта пиона травянистого [10; 11]; вместо тюльпанов лучше использовать виды рода Muscari (мышиный гиацинт).
Интересным объектом, интенсивно образующим побеги и формирующим свойственные многим представителям порядка Liliales крупные репродуктивные структуры, нередко используемые в качестве модельных при изучении цитоэмбриологии, является декоративная оранжерейная культура альстреме-рия (Alstroemeria L.), интродуцируемая также и в открытом грунте лесостепи Западной Сибири [9].
Использование альстремерии в качестве модельного объекта для изучения органогенеза перспективно в связи с тем, что при отрастании побегов конус нарастания в почке, выходящей на поверхность почвы, находится в конце II этапа органогенеза, что существенно облегчает наблюдения; все 12 этапов органогенеза проходят в течение одного вегетационного сезона, что позволяет выявить все этапы в течение одной летней практики.
У сорта альстремерии Regina из цветочных бугорков, на V этапе органогенеза, образуются по 3 зачатка лепестков наружного круга, а в центре, под ними, образуются зачатки тычинок. На этом этапе окончательно определяется потенциально возможное число цветков в соцветии, что имеет большое практическое значение. Во время VII этапа органогенеза проявляется характерная сортовая окраска листочков околоцветника, тычиночные нити и столбик пестика быстро растут в длину и в объеме, завершается процесс формирования пыльцы.
Однако наиболее крупные и потому самые удобные для препарирования и описания почки - у представителей рода Paeonia [5], поэтому далее в статье подробно описана методика изучения органогенеза пионов.
Процесс исследования включает следующие этапы: сбор и фиксация материала, препарирование почек, определение и описание этапа органогенеза, выводы.
Сбор и фиксация материала исследования. Сбор почек пионов в условиях Новосибирска рекомендуется производить осенью (сентябрь - октябрь), либо ранней весной до начала отрастания побегов (апрель - начало мая). Пионы относятся к корневищным геофитам, почки возобновления которых находятся в почве на некоторой глубине, поэтому нужно очень аккуратно раскопать корневище, не повредив хрупкие почки - срезать их следует острым ножом или лезвием у самого основания. Преимущество пионов как объектов лабораторных исследований состоит еще и в том, что оставшаяся подземная часть растения продолжает развиваться и формировать новые почки возобновления.
Для фиксации используют копенгагенскую смесь - спирт (70 %), глицерин (3 %), вода (27 %), помещая срезанные почки в банки с фиксатором с притертыми крышками (объемом 200-500 мл) [1]. При фиксации почек необходимо соблюдать основные правила техники безопасности при проведении лабораторных работ.
Препарирование почек. Отделение покровных чешуй для обнажения конуса нарастания производится на предметном стекле при помощи препарировальных игл (2 штуки), скальпеля и микроскопа типа МСП-1.
На одном и том же растении пиона всегда находятся разновозрастные почки (рис.), обеспечивающие возобновление побегов: а) спящие почки - мелкие почки, располагающиеся в пазухах нижних покровных чешуй в базальной части побегов; эти почки пробуждаются только при ранении корневища, делении растения, удалении активных почек; б) резервные почки - формируются в пазухах самых верхних покровных че-шуй, при прорастании побега весной впоследствии они отмирают, также, если не будут повреждены отрастающие побеги; в) почки возобновления (дочерние почки) -закладываются в пазухах срединных покровных чешуй, из которых в дальнейшем разовьются побеги; г) материнская почка -несущая на себе спящие, резервные и дочерние почки.
Рис. Почка возобновления (материнская) Paeonia anómala L. отпрепарированная
Определение и описание этапа органогенеза. В цикле развития генеративной почки пионов выделяют 12 этапов органогенеза.
I этап. Не дифференцированный конус нарастания имеет форму плоского или слегка выпуклого бугорка. В условиях Новосибирска у видов пионов этот этап отмечается в июне.
II этап. Закладываются и формируются вегетативные органы будущего побега (чешуи, листья) в дочерней почке. Этот этап наступает после отцветания побега, возникшего из материнской почки прошлого года. В условиях Новосибирска это происходит у рано цветущих видов пионов (P. anomala L., P. tenuifolia L.) в июне - июле, у поздно цветущих видов (P. lactiflora Pall.) и сортов пионов в августе - сентябре.
III этап. Образование вегетативных органов в этот период приостанавливается, т. к. начинается формирование оси соцветия.
IV этап. На данном этапе у Paeonia происходит переход от формирования брактей (редуцированных листьев) к закладке цветка.
V этап. Формирование цветка. Происходит закладка покровных и генеративных органов цветка, после чего с наступлением периода зимнего покоя внутрипочечная деятельность приостанавливается, а весной возобновляется.
VI-VII этапы. Процесс микро- и ма-кроспорогенеза на фоне усиленного роста в длину покровных органов и побега в целом происходит с наступлением весны, побеги появляются на поверхности почвы.
VIII этап. Образование бутонов у многих видов пионов происходит практически одновременно с весенним отрастанием.
IX этап. Цветение.
X-XII этапы. Плодоношение и окончание вегетации.
От заложения дочерней почки в пазухе чешуи материнской почки до образования в первой зачатка цветущего побега будущего года у взрослого растения пиона проходит не менее 2 лет, а иногда и более.
Для сравнительных исследований на лабораторных занятиях мы рекомендуем препарировать зафиксированные в сентябре -октябре почки возобновления одного-двух видов пионов разного эколого-географиче-ского происхождения (с разными периодами цветения) и одного-двух сортов пионов из садовых групп, различающихся строением цветка (например, немахровые и полумахровые сорта) - различия будут наиболее информативны.
В это время во внутрипочечном развитии прослеживаются разные стадии IV и V этапов органогенеза [5]. Так, почки осеннего сбора P. anomala и P lactiflora отличаются степенью сформированности органов зачаточного цветка [4]. P anomala - представитель местной флоры, один из наиболее раннецветущих видов, перед уходом в зиму находится в стадии завершения V этапа органогенеза. Пыльники хорошо дифференцированы, в развитии тычинок наблюдается центробежная тенденция - на периферии тычинки наименее развиты. В центре видны пять достаточно сформированных.
У P lactiflora, зацветающего, как правило, во II-III декадах июня, развитие зачаточных органов цветка в осенний период ближе ко второй половине V этапа - тычинки менее развиты, а в центре уже просматриваются пестики, но и они еще недоразвиты.
У сорта пиона Mahogany с простым немахровым цветком и ранними сроками цветения (со II декады июня) почки возобновления характеризуются более дифференцированными генеративными органами по сравнению с сортом японской группы Laura Dessert, зацветающим в III декаде июня.
Центробежная тенденция начала формирования тычинок сорта Mahogany уже наблюдается, но пестики еще не сформированы - начало V этапа органогенеза. У сорта Laura Dessert зачаточные органы цветка перед уходом в зиму находятся ближе к III этапу - сформирован лишь конус нарастания
с зачаточными листьями.
Таким образом, зачаточный побег будущего года в почке возобновления видовых представителей рода Paeonia осенью находится на V этапе органогенеза: происходит дифференциация пыльников; у рано цветущего вида местной флоры P anomala зачатки пестиков более развиты, чем у позднее цветущего вида P lactiflora. У сортовых пионов на конусе нарастания образуются лишь зачатки чашелистиков, как у сорта Laura Dessert (III этап). Промежуточное положение занимает рано цветущий сорт Mahogany -у него уже образованы зачатки лепестков, а в центре цветка тычиночные бугорки, что соответствует начальной стадии V этапа органогенеза.
По состоянию генеративных почек представителей различных таксонов перед уходом в зиму и их морфометрическим параметрам можно спрогнозировать развитие монокарпических побегов в следующем году. В процессе изучения органогенеза растений школьники и студенты могут самостоятельно найти в литературных источниках сведения о различных периодах покоя, которые свойственны этим видам в природных местообитаниях. Таким образом, изучение биологии развития генеративных почек на примере модельных объектов дополняет знания учащихся в области морфологии растений, позволяет охарактеризовать ритмы роста и развития, развивает навыки приготовления и анализа препаратов.
Библиографический список
1. Барыкина Р. П., Веселова А. Г., Девя-тов А. Г. и др. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 312 с.
2. Васильева О. Ю. Ботаническая составляющая в профессиональной подготовке ландшафтного архитектора и фитодизайнера // Сибирский педагогический журнал. - 2013. - № 4. -С. 180-184.
3. Васильева О. Ю., Сарлаева И. Я. Интродукция декоративных растений в учебных курсах и образовательных программах // Вестник ИрГСХА. - 2011. - Вып. 44 (2). - С. 44-51.
4. Комина О. В. Биологические особенности некоторых видов рода Paeonia L. при интродукции в лесостепной зоне Западной Сибири: ав-тореф. дис. ... канд. биол. наук. - Новосибирск: ЦСБС СО РАН, 2014. - 16 с.
5. Кузнецова О. В. Органогенез зимующих почек видов и сортов пионов в условиях лесостепи Приобъя // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2010. - № 5. - С. 40-45.
6. Куперман Ф. М. Морфофизиология растений. - М.: Изд-во МГУ, 1984. - 240 с.
7. Некрасова И. И., Сартаков И. В. Аспекты компетентностного подхода при проектировании модели выпускника вуза // Сибирский педагогический журнал. - 2013. - № 4. - С. 84-87.
8. Соколова Т. А., Бочкова И. Ю. Декоративное растениеводство, цветоводство: учебник. -4-е изд. - М.: Академия, 2010. - 432 с.
9. Черемисина А. В. Биологические особенности Alstroemeria L. в открытом и защищенном грунте в условиях Новосибирска // Всероссийская научно-практ. конференция «Ботаническое образование в России: прошлое, настоящее, будущее». - Новосибирск: Изд-во НГПУ, 2013. -С. 85-86.
10. Hong D. Y. Peonies of the World: тахопоту and рhytogeography. - London: Kew Publishing, 2010. - 312 p.
11. Hong D. Y. Peonies of the World: Polymorphism and Diversity - London: Kew Publishing, 2011. - 112 p.
Komina Olga Vasilevna
Junior Researcher Laboratory of Ornamental Plants Introduction at the Central Siberian Botanical Garden SB RAS, [email protected], Novosibirsk
Vasilyeva Olga Yurievna
Dr. Sci. (Biolog.), head of the Laboratory of Ornamental Plants Introduction at the Central Siberian Botanical Garden SB RAS, Prof. of Novosibirsk State Agricultural University, [email protected], Novosibirsk
Cheremisina Aleksandra Vladimirovna
Post-graduate Student Laboratory of Ornamental Plants Introduction at the Central Siberian Botanical Garden SB RAS, [email protected], Novosibirsk
STUDY OF PLANT ORGANOGENESIS AT UNIVERSITIES AND SCHOOLS
Abstract. This article considers the possibilities of conducting laboratory research in the field of developmental biology of generative buds for learning plant morphology and formation of professional competence (PC) of biologists-researchers. The objects mostly available for study are demonstrated and the methods of research which both students of higher education institutions and pupils of biology-oriented schools may master are described.
Keywords: morphology, organogenesis, innovation buds, Paeonia, Alstroemeria.
Поступила в редакцию 19.06.2015
