CC BY
42
УДК 633.11:582.542.1
МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ. ТИПЫ ОНТОГЕНЕЗА ПОБЕГОВ: 6. ОСОБЕННОСТИ СЕКСУАЛИЗАЦИИ ЦВЕТКОВ У ТЫКВЕННЫХ (CUCURBITACEAE) В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЕЙСТВИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ ОРГАНОГЕНЕЗА
И.Н. Львова, В.В. Мурашёв
(лаборатория биологии развития растений)
Проблема пола у растений до сих пор остается одной из актуальных и малоизученных в биологии. Изучение пола проводилось в основном в трех направлениях: исследование закономерностей опыления, анализ степени выраженности пола у растений разных видов и выделение половых типов, выяснение особенностей формирования пола в онтогенезе под влиянием различных факторов на сексуализацию.
Однако до настоящего времени остаются нерешенными вопросы, представляющие не только значительный научно-теоретический интерес, но и имеющие большое значение при решении практических задач. Все еще не выяснен механизм формирования пола у двудомных растений, не имеющих морфологически различающихся половых хромосом. Особенно сложным является изучение дифференциации пола у однодомных растений, обладающих разнообразием половых форм цветка. К таким растениям относятся, например огурец, тыква, кабачок, патиссон, арбуз, дыня, для большинства сортов которых характерно значительное преобладание на растениях тычиночных цветков по сравнению с пестичными. Кроме того, в настоящее время получены сорта огурца, представляющие собой популяции из растений с разной степенью выраженности пола, вследствие чего они обычно обозначаются как "частично двудомные, или гинодиоцийные". Эти сорта состоят из растений, имеющих в основном тычиночные цветки, и растений с преимущественно пестичными цветками. Путем отбора последних получены женские сомоопыленные линии, на растениях которых, как правило, возникают только пестичные цветки. Изучение этих растений помогает выяснить процесс половой дифференциации и установить точнее эволюцию пола у двудомных растений.
При выращивании многих сортов огурца в производственных условиях увеличение числа пестичных цветков на растении способствует повышению урожайности. Разработаны приемы, обеспечивающие их более раннюю закладку и в большем количестве (воздействие минерального питания, светового режима, биологически активных
веществ и др.). Однако в подавляющем числе работ эмпирически устанавливается лишь факт изменения пола и конечный результат. Механизм действия различных факторов на пол, время их последействия, зависимость от сорта и ряд других положений остались недостаточно изученными. Мало получено материалов об особенностях ор-ганообразовательных процессов при сдвиге пола и зависимости результатов воздействия от уровня онтогенетического развития растения и цветка.
В селекционной работе особое место занимает регулирование пола у огурца. При выяснении закономерностей пола у огурца наряду с изучением особенностей влияния на пол различных факторов большое значение имеют исследования морфологических и физиолого-биохимических различий между растениями с разной степенью выраженности пола и характера проявления этих различий в онтогенезе. С этой целью в лаборатории биологии развития растений под руководством канд. биол. наук Ирины Николаевны Львовой изучались, во-первых, морфолого-физиологические особенности образцов родов Cucumis (около 100) и Cucurbita (около 50) разных половых типов; во-вторых, сравнивались некоторые морфологические и фи-зиолого-биохимические показатели, свойственные растениям с разной степенью выраженности пола, и, в-третьих, проводились наблюдения за особенностями формирования и определения пола у разных представителей семейства Cucurbitaceae под воздействием различных факторов, в частности физиологически активных веществ, световых режимов и при воздействии лазерного и гамма-излучений (Львова, 1961, 1963а, 1965;. Львова, Альку-вейти, 1971а, б; Львова, Еременко, 1974; Львова, Сакович, 1958, 1962; Львова, Седловский, 1975; Львова, Сутулова, 1981а, б; Львова, Чуванова, 1962; Львова, Юрина, Слезкина, 1971; Седловский, 1971, 1972а, б; Сутулова, 1981, 1982; Сутулова, Львова, 1986, 1987; Сутулова, Львова, Петрова, 1982; Lvo-va, 1966; и др.)
В отличие от небольшого числа исследований по генетике пола у тыквенных имеется очень много работ по влиянию на сексуализацию растений различных факторов внешней среды. Впервые за-
висимость пола растений от условий выращивания описана на примере рожечника профессором кафедры высших растений Московского университета А.И. Двигубским (1823), который писал, что "растения не всегда в своих полах постоянны... различные климаты могут переменять их". После этого было проведено множество экспериментальных работ по изучению влияния различных факторов на изменение пола.
На пол растений и цветков оказывают воздействие самые различные факторы. Одним из первых приемов воздействия на формирование пола были разные способы хирургического вмешательства, большая серия работ в этом плане была проделана в Институте физиологии растений АН СССР (Чайлахян, 1937; Чайлахян, Хрянин, 1982).
Известно, что образованию пестичных цветков способствует воздействие определенных температурных режимов на сухие и прорастающие семена различных сортов огурца. Воздействие переменными температурами на набухшие семена вызывает общее ускорение развития растения, вследствие чего у них на 4—6 суток раньше, чем у контрольного варианта, возникают цветковые бугорки и проходят все этапы органогенеза. Основным последствием влияния постоянных температур на сухие семена является, очевидно, перестройка обмена, способствующая феминизации. Это приводит к более медленной дифференциации тычиночных бугорков по сравнению с гинецеем в цветках за нижними листьями главного побега (Львова, Гла-зачева, Пыхтина, 1961; Львова, Сакович, Семенко, 1962; Львова, Пыхтина, Глазычева, 1963; Львова, 1964).
Под руководством зав. кафедрой физиологии растений МГУ проф. Д.А. Сабинина (1955) было исследовано смещение пола у растений под воздействием элементов минерального питания и установлено, что женская тенденция развития усиливается в условиях высокого уровня обеспечения растений доступным азотом и фосфором (Сабинин, 1937). Разработанный Е.Г. Мининой (1952) прием дробного внесения азотных удобрений на фоне полной дозы калийных и фосфатных солей вошел в агротехнические правила по овощеводству. При его применении в надземной массе растений огурца содержание сахаров выше, а азота ниже, чем у контрольного варианта, получившего сразу всю дозу удобрений (МРК). Особенно сильно возрастает количество редуцирующих Сахаров, превышая содержание их у контрольных растений в 3 раза, что способствует женской сексуали-зации.
Следующую группу влияния на пол составляют приемы окуривания растений различными газами. Еще в 60-х гг. позапрошлого столетия был известен практический способ увеличения числа пестичных цветков огурца при воздействии окисью
углерода. При окуривании растений газами происходит снижение окислительно-восстановительного потенциала клеток, уменьшение содержания аскорбиновой кислоты, особенно ее восстановленной формы, что свойственно клеткам, поляризующимся в женском направлении. Воздействие хлороформом, эфиром и другими наркотиками приводит к противоположным результатам, и на растениях резко возрастает число тычиночных цветков.
Одним из наиболее широко применяемых факторов для сдвига пола у растений различных видов являются условия освещения. Их воздействие впервые описано М. Мольяром (МоШагё, 1898), заметившим усиление женской тенденции в формировании цветков у мужских растений конопли и пролески при недостаточности освещения. На верхушке тычинок возникали образования, напоминающие ткань рыльца, а в пыльцевых мешках — структуры, похожие на яйцевой аппарат. Значение светового режима для формирования растений и в том числе для их половой дифференциации исследуется особенно интенсивно начиная с 20-х гг. позапрошлого столетия по настоящее время. Изучение большого числа объектов показало, что нормальное образование мужских и женских особей у двудомных растений происходит при определенной длине дня и интенсивности освещения. В то же время было отмечено, что условия освещения сильнее отражаются на женской тенденции развития, чем мужской (Львова, Алькувейти, 1971). Влияние светового режима подробно изучено на сортах огурца, в реакции которых наряду с общими чертами имеются свои особенности (Львова, Баханова, 1962; Львова, 1963б, 1972; 1978; Алькувейти, 1966; Седловский, 1972а, б; Ибрагимов, 1974; Ахунд-заде, 1979; Сутулова, 1983). У всех сортов увеличение продолжительности освещения способствует повышению интенсивности ростовых процессов, а развитие растения в начале вегетации до появления первого цветкового бугорка (IV этап органогенеза) не зависит от светового режима.
По характеру отношения к фотопериоду сорта делятся на три группы. В первую группу входят сорта, образующие больше пестичных цветков в условиях короткого дня (подавляющее большинство сортов); во вторую — формирующие больше пестичных цветков при длинном дне (некоторые японские сорта); в третью — нейтральные по реакции на продолжительность освещения (Львова, 1963б, 1972; 1978; Львова, Седловский, 1973). Увеличение фотопериода свыше 15 ч отрицательно отражается на формировании пестичных цветков многих сортов, особенно в период появления археспориальной ткани, вследствие чего их число на растении снижается. По реакции на спектральный состав сорта сильно различаются: у одних влияние его незначительно и проявля-
ется не всегда, у других преобладание коротковолновой части спектра способствует формированию пестичных цветков.
При анализе влияния светового режима на выраженность пола растения огурца кроме абсолютного числа пестичных и тычиночных цветков необходимо учитывать также характер их распределения и интенсивность ростовых процессов. У растений материнской формы гетерозисного гибрида НИИОХ-1 в условиях разных световых режимов имелась прямая корреляция между числом пестичных цветков и узлов. Максимальное число пестичных цветков и узлов имели растения в условиях круглосуточного освещения. В то же время разница по числу узлов с пестичными цветками на участке стебля с 1 по 25-й лист между растениями всех вариантов не превышала 3%. Следовательно, различия растений, находившихся в разных условиях освещения, были обусловлены воздействием в первую очередь на продолжительность пластохронного цикла листа и интенсивность ростовых процессов, а не на половую тенденцию в формировании цветка (Ибрагимов, 1974).
Подобно другим растениям, обладающим многообразием половых форм цветка, у большинства сортов огурца фотопериод и спектральный состав оказывают различное влияние на формирование тычиночных и пестичных цветков. Известны сорта, у которых световой режим воздействует только на дифференциацию пестичных цветков (Альку-вейти, 1966; Львова, Алькувейти, 1971).
Растения огурца сорта Клинский (тип моно-ция) при 16-часовом фотопериоде имели меньше пестичных цветков в 2 раза, а на главном побеге — в 3 раза, чем в условиях 12-часового дня, тогда как различия по числу тычиночных цветков были незначительны. Число растений, не образовавших пестичных цветков, составляло при 12-часовом освещении с дополнительным красным светом люминесцентных ламп 12,5% и синим — 13,5%, а в условиях 16-часового фотопериода 46 и 47% соответственно. Противоположный результат получен по числу растений с наибольшим количеством пестичных цветков. Особи с пятью и более цветками составляли при 12-часовом дне с красным дополнительным светом 8,9%, а с синим — 12,5%, тогда как в условиях длинного дня их было соответственно 2 и 4,6 %. По-видимому, при наличии прямой зависимости числа пестичных цветков от продолжительности освещения влияние спектрального состава значительно слабее и выражается в увеличении процента растений сорта Клинский с высоким числом пестичных цветков при обогащении светового потока коротковолновой частью спектра (Львова, 1963б; 1972, 1976).
В аналогичных условиях светового режима число растений сорта Плодовитый 147 (гинодиоций-
ная форма), не имеющих совсем пестичных цветков, в 4—6 раз больше при 16-часовом фотопериоде, чем в условиях 12-часового. В то же время, растений, образовавших более 15 цветков, было при 12-часовом дне с красным светом 24% и синим — 40%, а при 16-часовом фотопериоде соответственно 20 и 22%. Для сорта Плодовитый 147 влияние 16-часового освещения настолько неблагоприятно, что снимает положительное действие дополнительного синего освещения люминесцентными лампами, которое четко проявлялось в условиях короткого дня (Львова, Седловский, 1973).
Световой режим оказывает очень большое влияние на формирование цветков, пол которых определен, что в дальнейшем отражается на общем числе цветков растения. Из заложившихся пестичных цветков в условиях круглосуточного освещения зацветают и дают плоды (1Х—Х1 этапы органогенеза) в несколько раз меньше цветков, чем при коротком фотопериоде. Многие из них приостанавливают свое развитие на V и VI этапах органогенеза, а потом погибают. У материнской формы гетерозисного гибрида НИИОХ-1 в конце второго месяца после появления всходов достигли 1Х—Х1 этапов органогенеза при 12-часовом дне с красным дополнительным светом люминесцентных ламп 20% пестичных цветков и синим — 23%, а в условиях круглосуточного освещения 4 и 11 % соответственно. На растениях отцовской формы аналогичного уровня развития достигло при коротком дне 25 и 37%, а при круглосуточном освещении — ни одного цветка (Баханова, Львова, 1961; Ибрагимов, 1974).
Таким образом, свет относится к факторам, оказывающим значительное влияние на морфогенез растений. Знание этих процессов способствует пониманию общих положений и комплекса морфологических и физиологических свойств в пределах вида и даже сорта. Последнее служит предпосылкой для формирования различных морфофизиоло-гических типов растений.
В настоящее время регулирование половой дифференциации цветков и растений успешно проводится с помощью физиологически активных веществ, таких как гибберелловая, обычно называемой гиббереллином (ГК3), альфа-нафтилуксусная (а-НУК) и 2-хлорэтанфосфоновая (этрел) кислоты. Изучение влияния регуляторов роста на морфогенез растений огурца разных половых типов, проведенное с 1965 по 1975 г. в лаборатории биологии развития растений МГУ (Львова 1981, 1983; Оразова, 1970; Пыхтина, 1968, 1971; Седловский, 1972; Сутулова, 1983) показало, что исследуемые сорта значительно различаются по числу цветков, которое сильно варьирует в разные годы. Однако растения, обработанные а-НУК и этрелом, всегда отличаются меньшим числом цветков, особен-
но на главном стебле вследствие уменьшения числа тычиночных и при возрастании числа пестичных. После воздействия а-НУК число пестичных цветков увеличилось у сортов, относящихся к типу моноция, на 200—500%, гиноция — от 0 до 30% и гинодицийной форме — на 70—80%, что резко изменило численное соотношение между тычиночными и пестичными цветками. Под влиянием гиббереллина на главном стебле растения имели в 2—3 раза больше цветков, численное соотношение между тычиночными и пестичными цветками возросло у растений типа моноция в 1,5—2 раза, а гиноция — в 14—18 раз. У женских самоопыленных линий отдельных сортов тычиночные цветки возникали, как правило, только после обработки гиббереллином. Хлорхолинхлорид (ССС), подобно а-НУК, ингибировал ростовые процессы. Совместно с учеными Ленинградского СХИ проводились также исследования влияния бензимида-лола и его производных на процесс органогенеза и урожайность огурца (Львова, Шишов, Сутулова, 1981; Шишов, Львова, Сутулова, 1981).
Сотрудниками нашей лаборатории впервые установлено, что при опрыскивании огурца водными растворами физиологически активные вещества влияют на определение пола цветка только при воздействии в период от появления цветкового бугорка до закладки венчика (IV—V этапы органогенеза). Более позднее воздействие может привести к морфологическим и физиологическим нарушениям, но на определение пола не влияет. Очевидно, что хотя на ранних этапах органогенеза цветки еще морфологически не различимы, но физиологическая дифференциация по полу уже завершена. Поэтому эффективность воздействия повышается, если сроки обработки поставить в зависимость от этапа развития цветков.
Для всех форм огурца наиболее положительный результат получен, когда при первом опрыскивании регуляторами роста цветки находились на IV этапе органогенеза (на участке стебля между 1—2-м листом). При втором и третьем опрыскивании воздействию подвергались зачаточные цветки вышерасположенных метамеров, и большинство из них перешли к V этапу органогенеза. Влияние обработки обнаруживается рано по числу цветков и изменениям в их строении. Через 6—9 дней после опрыскивания гиббереллином длина цветковых бугорков по сравнению с контрольным вариантом была больше в 1,5—2 раза, в зачаточных цветках в 2—3 раза и они имели заметно вытянутые цветоножки. Таким образом, изучение морфогенеза не только уточняет сроки воздействия для регулирования пола, но делает возможным прогнозировать результаты обработки и оценивать потенциальную продуктивность растения вскоре после воздействия (Львова, 1976, 1981).
Изучение влияния фталевой кислоты и ее эфи-ров на процесс сексуализации, проведенное на раздельнополых однодомных растениях (огурец, кукуруза) и на растениях с обоеполыми цветками (салат, картофель), позволило установить ярко выраженную тенденцию к усилению женской сферы и ослаблению мужской сферы у всех исследованных растений после их обработки фталатами. Такая тенденция после соответствующей разработки применения может быть использована для увеличения валового сбора урожая за счет дополнительной закладки женских цветков и соцветий (Львова, Егоров, Сутулова, 1982). Результаты этого исследования защищены авторским свидетельством (Егоров, Львова, Сутулова, Куперман, Грамениц-кая, 1982).
Основой успешного использования хронического облучения в целях управления жизнедеятельностью растений является понимание тех ор-ганообразовательных, физиолого-биохимических и генетических процессов, которые происходят при действии радиации на отдельных этапах их индивидуального развития. Изучение результатов облучения на разных этапах органогенеза показало возможности влияния на онтогенетическую изменчивость и мутагенез (Мельцер, 1972; Батыгин, 1968; Ахунд-заде, 1979). Многое в этой проблеме остается неясным и требует дальнейшего изучения, но уже сейчас разработаны методы, позволяющие повышать урожайность и качество продукции некоторых сельскохозяйственных растений. Создан метод облучения рассады овощных культур (огурцы, томаты, капуста), способствующий повышению урожая товарной продукции.
Нами установлено влияние лазерного излучения на процессы роста развития и продуктивность растений (Мавлюдова, 1988). В ряде исследований выявлено влияние лазерного излучения на физиологические и биохимические процессы, происходящие в клетках, на повышение всхожести семян, качества продукции, устойчивости растений к болезням и неблагоприятным факторам внешней среды. Нами впервые исследовано влияние лазерного излучения на анатомическую структуру конуса нарастания главного побега огурца, инициацию вегетативных органов, пазушных меристем и цветков. Установлены изменения в первичных ор-ганообразовательных процессах, происходящие под воздействием лазерного излучения, которые способствуют интенсификации роста, развития и повышению продуктивности растений. Определены общие черты и особенности реакции разных половых форм огурца на предпосевную обработку семян лазерным излучением (Мавлюдова, Сутулова, Львова, 1987).
Выявлены показатели, позволяющие прогнозировать эффективность воздействия лазерного излучения на формирование вегетативных и репро-
дуктивных органов растения, а также реализацию потенциальной продуктивности огурца. Определена эффективная доза воздействия на семена разных сортов огурца при выращивании растений в условиях защищенного грунта (Попов, Мавлюдо-ва, Львова, 1987).
Таким образом, многолетнее изучение закономерностей органогенеза однодомных растений с многообразием половых форм цветка показало, что тип цветка у них определяется во время его фор-
мирования. На этом основании был проведен ряд экспериментов по выявлению физических и химических факторов, оказывающих влияние на проявление пола у таких растений. Поскольку к таким видам относятся многие культурные формы, то выяснение теоретических вопросов проявления пола в онтогенезе оказалось тесно связано с решением практических задач по повышению их урожайности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Алькувейти А.И. 1966. Развитие, рост и органогенез сортов огурца (Cucumis sativus L.) в условиях различных световых режимов: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.
Ахунд-заде Х.И. 1979. Морфофизиологиче-ская характеристика растений огурца при воздействии гамма-излучением 60Со на разных этапах органогенеза: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.
Батыгин Н.Ф. 1968. Использование ионизирующей радиации при управлении жизнедеятельностью растений: Автореф. докт. дис. Л. 53 с.
Баханова С . Г., Львова И.Н. 1961. Влияние качества света на рост и развитие растений огурца // Морфогенез растений. Т. 2. М. С. 79—83.
Двигубский А.И. 1823. Начальные основания естественной истории растений, заключающие терминологию растений, лучшие их системы, анатомию, физиологию их, патологию и историю ботаники. М.
Егоров И.В., Львова И.Н., Суту-лова В.И., Куперман Ф.М., Грамениц-кая В . Н . 1982. Средство для увеличения числа женских цветков и плодов огурца: Авторское свидетельство № 948359. Приоритет от 9 декабря 1980. Бюл. № 29.
Ибрагимов М.Ю. 1974. Морфофизиологиче-ская характеристика гетерозисных гибридов и их исходных форм огурца: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.
Львова И. Н. 1961. Органогенез цветков покрытосеменных растений в связи с их сексуальностью // Морфогенез растений. Т. 1. М. С. 71—77.
Львова И . Н. 1963а. Пол у растений. М. С. 56.
Львова И . Н. 1963б. Формирование генеративных органов у тыквенных (СисигЬйасеае) в условиях различного спектрального состава света // Экспериментальный морфогенез. М. C. 118—122.
Львова И . Н. 1964. Влияние предпосевной подготовки семян огурцов на развитие растений // Вопросы семеноводства, семеноведения и контрольно-семенного дела. Т. 2. Киев. C. 364—368.
Львова И . Н. 1965. Органогенез бахчевых культур // Науч. тр. НИИОХ. Бахчевые культуры. 3. М.
Львова И . Н. 1972. Особенности формирования цветка в зависимости от его сексуализации у представителей рода Cucurbita L. и Cucumis L. // Экспериментальный морфогенез цветковых растений. М. С. 112—151.
Львова И . Н. 1976. Проблема пола и органогенез растений. М. 47 с.
Львова И . Н. 1978. Влияние светового режима на морфогенез разных сортов огурца // Свет и морфогенез растений. М. С. 113—136.
Львова И . Н. 1981. Морфофизиологический анализ при использовании регуляторов роста для повышения продуктивности растений огурца. М. 12 с.
Львова И . Н. 1983. Морфофизиологический анализ при использовании регуляторов роста для повышения продуктивности растений огурца: Проспект ВДНХ. М. 3 с.
Львова И.Н., Алькувейти А.И. 1971а. Влияние светового режима на число пестичных цветков у разных сортов огурца // Морфогенез овощных культур. Новосибирск. С. 145—156.
Львова И.Н., Алькувейти А.И. 1971б. Влияние гамма-облучения на поздних этапах органогенеза огурцов // Морфогенез овощных растений. Новосибирск. С. 280—283.
Львова И.Н., Баханова С.Г. 1962. Биологический контроль за ростом и развитием дыни // Биологический контроль в сельском хозяйстве. М. С. 124—132.
Львова И.Н., Еременко Л.Л. 1974. Органогенез тыквенных культур // Докл. сов. ученых к Х1Х Межждунар. конгрессу по садоводству. С. 440.
Львова И.Н., Сакович И.С. 1958. Биологический контроль за развитием и ростом огурцов в открытом грунте // Наука и передовой опыт в сельском хозяйстве. № 6. С. 22.
Львова И.Н., Сакович И.С. 1962. Биологический контроль за ростом и развитием огурца // Биол. контроль в сельском хозяйстве. М. С. 113—119.
Львова И.Н., Седловский А.И. 1973. Особенности формирования листа и цветка огурца при разных световых режимах // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология, почвоведение. № 1.
Львова И.Н., Седловский А.И. 1975. Применение биологического контроля при воздействии на сорта и линии огурца физиологически активными веществами // Проблемы с.-х. науки в Московском университете. М. С. 281—285.
Львова И.Н., Сутулова В.И . 1981а. Прогноз эффективности воздействия регуляторами роста огурца. М.
Львова И.Н., Сутулова В.И. 1981б. Влияние регуляторов роста на дифференциацию цветковой
меристемы представителей семейства тыквенных // Регуляторы роста и развития растений. М. С. 117.
Львова И., Чуванова Л. 1962. Биологический контроль за развитием и ростом патиссонов // Биол. контроль в сельском хозяйстве. М. С. 132—133.
Львова И.Н., Егоров И.В., Сутулова В . И . 1982. Влияние новых регуляторов роста — фталевой кислоты и ее производных на пол цветка // МГУ — сельскому хозяйству. М. С. 140—141.
Львова И.Н., Глазачева И.В., Пых-тина Т.К. 1961. Особенности роста и развития растений огурца в зависимости от предпосевной обработки семян // Морфогенез растений. Т. 2. М. С. 21—26.
Львова И . Н., Пыхтина Т.К., Глазачева И . В . 1963. Влияние на органогенез огурца термических способов предпосевной обработки семян // Экспериментальный морфогенез. М. С. 215—230.
Львова И.Н., Сакович И.С., Семен-к о И . Н . 1962. Биологический контроль за развитием и ростом кабачков // Биол. контроль в сельском хозяйстве. М. С. 119—124.
Львова И . Н., Юрина О.В., Слезки-на В.Ф. 1971. Особенности органогенеза цветков тыквы // Морфогенез овощных растений. Новосибирск. С. 268—272.
Львова И.Н., Шишов А.Д., Сутулова В. И. 1981. Влияние бензимидалола и его производных на процесс органогенеза и урожайность огурца // Сб. науч. тр. Ленингр. СХИ. Т. 414. Л. С. 8—15.
Мавлюдова Л.У. 1988. Морфогенез разных половых форм огурца при воздействии лазерным излучением: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.
Мавлюдова Л.У., Сутулова В.И., Львова И.Н. 1987. Дифференциация пазушной меристемы огурца при воздействии регуляторами роста и лазерным излучением // Влияние физических и химических факторов на рост растений. Казань. С. 10—18.
Мельцер Р.Ф. 1972. Действие гамма-облучения в начале образования побега и во время колошения и прорастания, рост, продуктивность и мутационный процесс яровой пшеницы (Triticum aestivum ssp. vul-gare) // Экспериментальный мутагенез в селекции. М. С. 236—248.
Минина Е.Г. 1952. Смещение пола у растений. М. 198 с.
Оразова Д. 1970. Действие физиологически активных веществ на сексуализацию, рост и развитие разных сортов огурца (Cucumis sativus L.): Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М. 27 с.
Попов Н.Н., Мавлюдова Л.У., Львова И.Н. 1987. Морфогенез растений огурца при воздействии лазерным излучением // Влияние физических и химических факторов на рост растений. Казань. С. 3—9.
Пыхтина Т. 1968. Особенности сексуализации цветков у огурца (Cucumis sativus L.) в зависимости от действия физиологически активных веществ на разных этапах органогенеза: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М. 16 с.
Пыхтина Т.К. 1971. Влияние а-нафтилуксус-ной кислоты на рост и развитие растений огурца в связи с их сексуализацией // Морфогенез овощных растений. Новосибирск. С. 273—279.
Сабинин Д.А. 1937. Минеральное питание как фактор формообразования // Бюл. МОИП. Отд. биол. 46. Вып. 1. 67 с.
Сабинин Д.А. 1955. Физиологические основы питания растений. М.
Седловский А.И. 1971. Особенности формирования цветка при воздействии а-НУК и гибберелли-ном в целях повышения продуктивности растений огурца // МГУ — сельскому хозяйству. С. 169—171.
Седловский А.И. 1972а. Продолжительность ранних этапов органогенеза огурца разного географического происхождения // Докл. ВАСХНИЛ. № 7. C. 16—18.
Седловский А.И. 1972б. Морфофизиологи-ческое исследование сортов огурца разных половых типов: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.
Сутулова В.И. 1981. Определение потенциальной продуктивности огурца при воздействии регуляторами роста // Докл. ВАСХНИЛ. № 5. 43—44.
Сутулова В.И. 1982. Влияние физиологически активных веществ на ростовые процессы огурца // Биол. науки. № 1. 75—78.
Сутулова В.И. 1983. Влияние регуляторов роста на анатомические и органообразовательные процессы разных половых форм цветка огурца: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М. 23 с.
Сутулова В.И., Львова И.Н. 1986. Влияние регуляторов роста на строение конуса нарастания и органогенез // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. № 3. С. 55—62.
Сутулова В.И., Львова И.Н. 1987. Применение морфофизиологических показателей для оценки воздействия гиббереллина на огурец // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. № 3. 43—47.
Сутулова В.И., Львова И.Н., Петрова Н . П . 1982. Использование морфофизиологиче-ского анализа для прогноза результатов воздействия регуляторами роста // МГУ — сельскому хозяйству. М. С. 86—87.
Чайлахян М.Х. 1937. Гормональная теория развития растений. М.; Л. 200 с.
Чайлахян М.Х., Хрянин В . Н . 1982. Пол растений и его гормональная регуляция. М.
Шишов А.Д., Львова И.Н., Сутулова В . И . 1981. Влияние бензимидазола и его производных на процесс органогенеза и урожайность огурца // Сб. науч. тр. Ленингр. СХИ. 414. C. 8—16.
Lvova I.N. 1966. Influence of Light and temperature Conditions on different development Stages of Cucumber seeds // Differentiation of Apical meristems and some problems of ecological regulation of development of plants. Praga. P. 249—251.
Molliard M. 1898. Sur I influence de la temperature sur la determination du sex // Comptes reudus des Seances de I'Academie de Sciences. 127. 18.
MORPHOGENETIC CYCLE OF APICAL MERISTEMS, TYPES OF SHOOT ONTOGENESIS: 6. PARTICULARITIES OF SEXUAL DETERMINATION OF FLOWERS OF CUCURBITACEAE UNDER INFLUENCE OF PHYSICAL AND CHEMICAL FACTORS AT DIFFERENT STAGES OF ORGANOGENESIS
I.N. Lvova, V.V. Murashov
Studies of morphogenesis of plants with different sexual forms of flower have been conducted in Laboratory of plant developmental biology in close relation to studies of plant ontogenesis. Analysis of organogenesis helped us to establish principal ways of morphology differentiation of different forms of flower and allowed to determine the periods of most effective action of certain physical and chemical factors. The last one is necessary for development of approaches of regulation of numerical ratio between flowers of different forms in monoecious plants and specimens in dioecious plants to improve the yield and the quality.
УДК 576.315:581.84:577.354.9
МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ. ТИПЫ ОРГАНОГЕНЕЗА ПОБЕГОВ: 7. ГЕОМАГНИТОРЕЦЕПЦИЯ И АДАПТАЦИЯ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ
Е.Р. Нанушьян, В.В. Мурашёв
(лаборатория биологии развития растений)
Общеизвестно, что рост и развитие растений в значительной степени определяются деятельностью меристем. Меристемы считаются наиболее чувствительными образовательными тканями растений, и их устойчивость к неблагоприятному влиянию внешней среды определяет деятельность всего организма (Гудков, 1985). В своих публикациях мы показали, что клеточная структура корневой меристемы Allium cepa L. и многих видов Triticum L. может меняться под воздействием геомагнитного поля. В периоды геомагнитных возмущений среди обычных меристематических диплоидных клеток возникают многоядерные, крупные и гигантские клетки с гигантскими ядрами. Появление таких клеток начиналось внезапно и длилось двое-трое суток. Они располагались чаще одиночно, не образовывали тяжей и не становились инициалями гистогенеза, а в зоне всасывания корня вообще отсутствовали. Образование клеток с увеличенным содержанием ДНК — эндорепродукция — происходит в дифференцированных и функционально активных тканях (Nagl, 1976; Бродский, Урывае-ва, 1981). А обнаруженные нами гигантские клетки появляются в первичных меристемах зоны деления корня, где еще нет клеточной дифференци-ровки. Впервые показана решающая роль геомагнитного поля (ГМП) в их образовании (Нанушьян, Мурашёв, 1999, 2000, 2001а, б, в, г, 2002а, б, в;
МапшИуап, МигазИоу, 1995, 1997, 2001, 2003; пшИуап, МигазИоу, БеИзИеуа, 1994). Это выводит данные исследования на уровень важных фундаментальных проблем биологии.
Анализ литературных данных показывает, что клетки животных и растений могут необычным образом реагировать на изменения геомагнитного поля (Пресман, 1968; Холодов, 1970; Дубров, 1974; Чижевский, 1976; БиЪгоу, 1978; Куперман, 1984; Сытник и др., 1984; Фомичева и др., 1992; Бели-шева, Попов, 1995). Экспериментально установлено, что земной шар обладает магнитным полем. По степени и характеру изменяемости геомагнитное поле (ГМП) можно разделить на постоянное и переменное. Период изменения постоянного магнитного поля Земли составляет многие сотни лет. Переменное магнитное поле изменяется с периодами от долей секунды до месяцев. Величина переменного поля не превышает примерно двух процентов величины постоянного поля, но его биологическая значимость очень велика. Существуют внутренние и внешние причины образования ГМП. Внутренние связаны непосредственно с состоянием планеты, они обусловливают медленные волновые колебания постоянного тока Земли. Внешние причины — электрические потоки в ионосфере и окружающем Землю космическом пространстве — обусловливают быстрые изменения ГМП и
составляют его переменную часть. Изменения переменного ГМП (их называют вариациями или флуктуациями) бывают разного типа. В одних случаях они имеют определенный и плавный ход (магнитоспокойные дни), в других — беспорядочный ход, при котором амплитуды, фазы и периоды колебаний непрерывно изменяются (магнито-возмущенные дни). Резкие возмущения геомагнитного поля называются магнитными бурями. Изменение ГМП и появление магнитных бурь связаны в основном с солнечной активностью. Исследования показали, что одним из основных проводников солнечного воздействия на Землю является ГМП. При этом было обнаружено существование тесной связи между магнитным полем Солнца и магнитным полем Земли (Дубров, 1974; Dub-rov, 1978). Вариации ГМП неотделимы от вариаций электромагнитного поля (ЭМП). Естественные ЭМП низких и сверхнизких частот, вероятно, — один из важных экологических факторов в биоритмологии. Низкочастотные ЭМП — идеальное средство для разнообразной сигнализации. Они проникают с малым затуханием практически всюду — в почву, грунт, замкнутое помещение. Имеется весьма серьезное основание полагать, что ЭМП — универсальная природная связь всех уровней организации живого между собой и со средой обитания (Владимирский, Нарманский, Темурьянц, 1994).
Корреляции временного хода различных индексов геомагнитной активности наблюдали с множеством самых различных биологических характеристик и процессов. Поскольку такие корреляции возникают уже на клеточном уровне и даже на уровне химических реакций in vitro, то, естественно, трудно найти процесс в биосфере, который бы не коррелировал с тем или другим параметром гелиогеосферы. Исследования гелиогеобиокорреля-ций сейчас становится одним из актуальных и приоритетных (Бинги, 2002).
Изучение влияния на растения космических факторов, действующих на большом расстоянии от земной поверхности, объясняет многие неясные в науке явления, такие как массовое появление так называемых спонтанных мутаций в отдельные годы, влияние солнечной пульсации на изменчивость растений, закономерности распределения определенных экотипов в разных районах и другие весьма важные вопросы направления изменчивости организмов на Земле (Куперман, 1961).
В настоящее время влияние геомагнитных бурь как стрессирующего фактора изучено на организмах человека и животных. В условиях повышенной геомагнитной возмущенности на препаратах культуры крови человека наблюдалось появление гигантских ядер и полиядерных клеток (Белише-ва, Попов, 1995). Такие работы с растительными клетками нам не известны.
В то же время было показано (Иванов, 1974; Иванов, 1987), что гигантские клетки можно наблюдать в корнях, облученныгх рентгеновскими лучами в дозах, не останавливающих деление. В этих случаях отдельные клетки, потерявшие способность делиться, оказываются заметно длиннее остальных клеток.
Полагают, что устойчивость меристем к влиянию внешней среды определяет устойчивость всего организма (Гудков, 1985). Поэтому мы решили исследовать апикальную меристему как эмбриональную ткань, постоянно образующую новые клетки, активно реагирующую на внешние воздействия, и сопоставить клеточные изменения, происходящие в ней, с флуктуациями геомагнитного поля.
В качестве модельного объекта мы выбрали Allium cepa L. — типичного представителя луковичных геофитов. Особенности механизмов морфогенеза верхушечных меристем быши подробно разобраны нами ранее (Мурашёв, Нанушьян, 1997, 2000).
Исследования формообразовательных процессов мы проводили на апикальных меристемах:
1) проростков лука (I и II этапы органогенеза);
2) терминальных и пазушных почек севка и зрелых луковиц в период вегетативного органогенеза (II этап); 3) кончиков корней лука. Поскольку изменения цитоморфогенеза происходили во всех типах апикальных меристем аналогично, дальнейшую работу мы проводили на апексах корней лука. Методика наиболее подробно изложена в журнале "Физиология растений" (Nanushyan, Mura-shov, 2003). Проросшие корешки лука фиксировали ежедневно два раза в сутки на протяжении 24-дневного эксперимента одновременно в Москве (55°7' с.ш., 37°8' в.д.) и на Белом море, о. Средний (66°3' с.ш., 33°7' в.д.). Давленые цитологические препараты из меристематических апексов длиной не более 1500 мкм тотально анализировали под микроскопом "Carl Zeiss" (Германия) и фотографировали. Преимущество хорошо приготовленных давленых препаратов заключается в том, что все клетки лежат в монослое, а метафазные хромосомы располагаются почти без наложений и в одной плоскости. Меняя степень мацерации и распределение материала на предметном стекле, продольную и поперечную плоскость укладки объекта, можно получить препараты, на которых отчетливо видны слои тканей, ряды клеток и зональность органа, а также сами клетки и их содержимое. Самое главное для нас преимущество этого метода — информативность. В результате отсутствия сложных и длительных процедур приготовления микротомных срезов с последующей их реконструкцией значительно увеличивается скорость анализа большого объема материала. Темпоральная ежедневная фиксация, быстрота приготов-
Рис. 1. Последовательное изменение клеточных структур в апикальных меристемах Allium cepa L. при геомагнитных бурях: а — двуядерные (1) и четырехъядерные (2) клетки; б — нормальные меристематические клетки (3); большие клетки с большим ядром (4); слияние ядер в больших клетках (5); в — гигантская
клетка с гигантским ядром (6)
ления давленых препаратов, сохранение целостности клеток и ядер (независимо от их величины) позволяют на больших количествах фактического материала при тотальном его анализе выявить процессы, происходящие во времени, и проследить динамику их изменений. В таком подходе и заключается методическая новизна и эффективность настоящего исследования. Проводился анализ всех клеток во всех слоях первичной коры зоны деления корня Allium cepa L. на расстоянии от 500 до 700 мкм от его кончика. В определенные дни фиксации среди нормальных одноядерных меристем-ных клеток встречались двуядерные (рис. 1, а, 1) и четырехъядерные клетки (рис. 1, а, 2), в сумме своей составляющие до 20% от общего числа клеток в препарате.
Примерно через 24 ч после появления дву-ядерных и четырехъядерных клеток их количество уменьшалось, тогда как число крупных клеток с крупными (большими) ядрами увеличивалось (рис. 1, б, 4). Цитофотометрия показала, что количество ДНК в них равно 16С. Крупные клетки располагались на расстоянии от 700 до 1000 мкм от кончика корня. Еще через сутки уменьшалось количество крупных клеток, и на расстоянии 1000—1200 мкм от кончика корня появлялись гигантские клетки с гигантскими ядрами по 8—17 на препарат (рис. 1, в, 6). Цитофотометриче-ски определенное количество ДНК в таких ядрах равнялось 32С. Появление многоядерных, а затем крупных (больших) и гигантских клеток начиналось внезапно и длилось 2—3 суток. Они располагались, как правило, одиночно, не образовывали тяжей и не становились инициалями гистогенеза, а в зоне поглощения корня вообще отсутствовали. Часто у некоторых крупных и гигантских
клеток наблюдались фрагментация и распад ядра клетки.
В последующие дни многоядерные, крупные и гигантские клетки в первичной коре корня не наблюдались, и меристема состояла из обычных для нее диплоидных клеток, а спустя некоторое время (всякий раз с разным интервалом) такие же клетки вновь обнаруживались в той же последовательности, что привело нас к заключению о волнообразном характере развития описанных клеточных изменений. При статистической обработке данных ошибка среднего не превышала 1%. При построении графиков мы на оси абсцисс откладывали дни фиксации, а на оси ординат (слева) — процент двуядерных и четырехъядерных клеток (от общего их количества на препарате) в Москве и на Белом море.
На оси ординат справа откладывали значения планетарного индекса геомагнитной возмущенно-сти — Кр. Он имеет градации от 0 до 9 в зависимости от амплитуды колебаний напряженности ГМП и регистрируется Мировым центром данных по солнечно-земной физике РАН (Москва) с трехчасовым интервалом (8 раз в сутки). Мы же приводим его среднесуточное значение. Полученные кривые совпадали пиками и спадами, однако беломорский материал имел пики больше по амплитуде, чем московский (рис. 2), что естественно, ибо колебания ГМП в этом регионе значительно сильнее.
Для идентификации влияния магнитных бурь мы проращивали семена лука под защитой пер-маллоевого экрана (сплав никеля и железа), снижающего напряженность ГМП. В экранированных меристемах количество многоядерных, крупных и гигантских клеток было на 80% меньше по сравнению с контрольными (неэкранированными), что
Рис. 2. Когерентность процессов изменения магнитного поля Земли (3) и появления полиядерных клеток в апикальных меристемах Allium cepa L. в Москве (1) и на Белом море (2)
является экспериментальным подтверждением гео-магниторецепции растений (Нанушьян, Мурашёв, 1995, 1997а, б). Известно, что продолжительное экранирование (гипомагнитная среда) приводит к снижению пролиферативной активности образовательных тканей и функциональной активности генома у всех исследованных растений (Фомичева, Говорун, Данилов, 1992) и это является свидетельством важности магнитного поля Земли как фактора, необходимого для поддержания нормального развития роста растений.
Образование у растений при гистогенезе дифференцированных тканей, состоящих из полиплоидных клеток, подробно описано во многих работах (Бродский, Урываева, 1981; Демченко, 1989; 1990; Barlow, 1985; Nagl, 1978). Наблюдаемые же нами клетки появлялись в зоне деления корня, где еще не начиналась клеточная дифференци-ровка. Появление гигантских клеток в меристеме можно было бы рассматривать как начало клеточной дифференцировки некоторых тканей. Действительно, в морфологическом отношении флоэмные и ксилемные участки прокамбия корня дифференцируются вблизи апикальных меристем. Обычно будущие клетки проводящих элементов можно отличить от меристематических по увеличенному размеру, вакуолизации (Эзау, 1980) и местоположению. Обнаруженные нами гигантские клетки (рис. 1, 6) располагались в первичной коре, а не в центральном цилиндре, как клетки проводящей системы. У гигантских клеток никогда не наблю-
далось нарастания вторичных оболочек и вакуолизации как в клетках первичной ксилемы (Эзау, 1980).
Клетки протофлоэмы, хотя и заканчивают дифференциацию уже в меристеме, содержат не более 4С ДНК (Демченко, 1989). Не более 4С ДНК содержат и клетки первичной коры во всех зонах корня (Демченко, 1990) и в обычные дни более крупные клетки в ней не встречаются. В зоне деления корня пшеницы клетки метаксилемы в результате последовательного прохождения эндоре-дупликационных циклов содержат 8С и 16С ДНК (Демченко, 1989, 1990). По литературным данным, длина зоны митозов в первичной коре колеблется у пшеницы в пределах 0,6—1,1 мм, а у лука — 1,3—1,5 мм (Эзау, 1980). В геомагнитоспокойные дни многоядерные клетки не встречались ни в одной из тканей.
Исследования В.Б. Иванова (1974, 1986, 1987) и наши (Нанушьян, Мурашёв, 2001в, г; 2003; Нанушьян, Скрипников, Мурашёв, 2001; Nanushyan, Skripnikov, Murashov, 2004) выявили ряд сходных закономерностей: 1) в меристематических тканях корней, растущих в нормальных условиях, не наблюдалось гигантских клеток (Иванов, 1974); 2) гигантские клетки появлялись в меристемах после воздействия не слишком высокой дозы рентгеновского излучения (6,25 кр) (Иванов, 1974), а также после воздействия низких положительных температур (Иванов, 1987) или после воздействия геомагнитных бурь (Нанушьян, Мурашёв, 2003; Nanushyan, Skripnikov, Murashov, 2004); 3) гигантские клетки появлялись спустя 24 ч после воздействий (Иванов, 1974); 4) гигантские клетки впоследствии погибали (Иванов, 1974). Таким образом, появление гигантских клеток в корневых меристемах было вызвано различными по своей природе факторами: облучением рентгеновскими лучами и воздействием низких температур в условиях эксперимента (Иванов, 1974, 1987) или влиянием естественного геомагнитного поля, которое существует всегда, но имеет разную интенсивность. По предположениям В.Б. Иванова, причинами гибели гигантских клеток после облучения или охлаждения низкими положительными температурами являются пикноз и деструкция клеточных ядер (Иванов, 1987).
Ряд авторов склонны рассматривать появление гигантских клеток как адаптивную реакцию биосистем на изменение факторов внешней среды (Гудков, 1985; Chang, Wang, 1991; Werner, Ed-vards, 1993). Они объясняют это тем, что генетическая защищенность полиплоидов обеспечивается увеличением числа повторяющихся геномов. Это мешает проявлению хромосомных нарушений, возникающих в одном из них. Увеличение пло-идности в клеточных популяциях является одной из универсальных адаптивных реакций, развиваю-
щихся в ответ на деструктивное воздействие среды и направленных на сохранение устойчивости, позволяющей обеспечить жизнеспособность системы (Вахтин, 1980; Д'Амато, 1990). Гигантская клетка может влиять на активность мелких диплоидных клеток (Barlow, 1985; Voeikov, 1999). Кроме того, увеличение размеров клеток за счет соматической полиплоидии повышает их продуктивность, поскольку увеличение продуктивности органа может быть достигнуто как за счет увеличения числа работающих клеток, так и за счет увеличения биосинтетической активности отдельных клеток (Чен-цов, 1984).
Появление ядер с увеличенным содержанием ДНК — полиплоидия — происходит в результате отсутствия митоза в целом или незавершения отдельных его этапов. В апикальных меристемах Al. cepa подобные превращения возможны, но, судя по динамике клеточных изменений, в них преобладают процессы ацитокинетического митоза с образованием двуядерных, а затем и четырехъядер-ных клеток, а также слияния обоих интерфазных ядер с образованием гигантских клеток с гигантскими ядрами. Возможна структурная многонит-чатость — полинемность хромосом Al. cepa (На-нушьян, 1989; Нанушьян, Поляков, Ченцов, 1991), т.е. дополнительное увеличение числа хромосомных нитей — хромонем — в отдельных клетках, что также приводит к образованию гигантских ядер с 32С ДНК.
Полинемность хромосом у некоторых растений известна давно и наблюдалась многими исследователями (Nagl, 1978; Chang, Wang, 1991). Полиплоидные клетки с увеличенным содержанием ДНК обычно встречаются в дифференцированных и функционально активных тканях. Появление их в недифференцированных меристематических тканях, вероятно, может рассматриваться как адаптивная реакция на резкие возмущения магнитного поля Земли (Нанушьян, Мурашёв, 1995, 1997, 1999, 2001а, б, 2003; Нанушьян, Скрипников, Мурашёв, 2001).
Стрессирующее действие возмущений ГМП ведет к утрате системой устойчивого состояния и поиску новых состояний, которые могли бы проявляться в трансформации клеток. Подтверждением этого могут быть работы, в которых отмечается, что на клеточном уровне действие ГМП может осуществляться через неспецифическое изменение поляризации клеточных мембран и их проницаемости. И это не единственный путь воздействия. Магнитное поле может влиять не только на оболочку клетки, но и на другие субклеточные образования, в частности на ядро (Холодов, 1970). Запуск и синхронизация подобных клеточных процессов тесно связаны с флуктуациями геомагнитного поля, и показано, что магнитное поле Земли, влияя на механизмы проницаемости мембран,
может контролировать устойчивость генетических систем и процессов и вызывать циклические изменения в них (Дубров, 1974; Dubrov, 1978). Одно из проявлений реакций растений на стрессовое воздействие состоит в изменении проницаемости мембран клетки. Проницаемость плазмалеммы для электролитов — это интегральный показатель функционального состояния растений при стрессах (Атабекова, Гостенко, Сарсенбаев, 1999).
Вероятно, во время магнитных бурь клеточные мембраны не только изменяют проницаемость, но могут и нарушаться, вследствие чего происходят клеточные изменения. Результаты нашей работы объясняются взаимодействием экзогенных естественных низкочастотных ЭМП с эндогенными клеточными полями с последующим изменением клеточной структуры (Гаряев, 1994). Говоря о связях ГМП с гомеостазом биологических объектов, следует учитывать собственное магнитное поле живого организма, которое слагается из сложного взаимодействия собственных магнитных полей на всех уровнях организации живой материи начиная с субатомного. Любая клетка, обладая собственным электромагнитным полем, избирательно реагирует на частотные характеристики геомагнитных полей. Клетка является ритмической колебательной системой, одновременно излучателем и приемником волн, поэтому к ней применимы закономерности синхронизации и резонанса. Наиболее эффективно биологическое воздействие ГМП может быть при возникновении резонансных явлений. Вероятно резонансными взаимодействиями объясняется основанное на экспериментальных данных наблюдение, когда воздействие магнитных полей в диапазоне напряженностей от уровня ГМП и ниже вызывает порой более значительные эффекты, чем поля высоких и сверхвысоких напряженностей. Несмотря на малую абсолютную величину, естественные магнитные поля имеют фундаментальное влияние на жизнедеятельность живых организмов и развитие биосферы в целом. Еще одна особенность ГМП состоит в непрерывности его действия, в повсеместном влиянии в течение длительного времени.
Для того чтобы ответить на вопрос, не является ли регуляция наблюдаемых нами адаптивных реакций централизованной, зависящей от организма растения, мы провели эксперименты с культурой ткани (Нанушьян, Скрипников, Мурашёв, 2001). Для этой цели использовали корневые апексы проростков Al. cepa L. in vitro (контроль) и культуру отделенных от проросших семян корешков in vitro. Микроскопический анализ цитологических препаратов меристем обнаружил, что многоядерные, крупные и гигантские клетки появляются в определенные дни фиксации как в контрольных корешках, так и в тех, которые культивировались на среде. То, что изменение
структуры клеток происходило в апикальных меристемах корней, изолированных от растения, свидетельствует об отсутствии централизованной гормональной регуляции этого явления. Вероятнее всего, здесь происходит нецентрализованная клеточная саморегуляция, которая имеет адаптивный характер.
При объяснении появления гигантских клеток и дальнейшей их гибели возникает несколько гипотез стратегии выживания. Одна из них может выглядеть следующим образом. При стрессовой ситуации, каковой является возмущение магнитного поля Земли, образуются компенсаторные структуры — крупные и гигантские ядра, которые затем фрагментируются, распадаются и поглощаются соседними клетками, играя важнейшую роль в дополнительной утилизации ассимилятов — своего рода "эндогенном питании". Похожие процессы наблюдались и в культуре животных тканей in vitro (Белишева, Попов, 1995). Таким образом, генетически запрограммированная гибель клетки — апоптоз — оказывается необходимой для поддержания гомеостаза организма в стрессовой ситуации.
В последнем десятилетии стремительно растет число работ, посвященных явлению апоптоза или, как его еще называют, "программированной смерти клетки". При апоптозе ядерная ДНК распадается на множество фрагментов, часть из которых вместе с другими клеточными органеллами поглощается соседними клетками (Voeikov, 1999). По-видимому, ядро регулирует гибель клетки, так же как оно регулирует ее нормальные жизненные функции (Свенсон, Уэбстер, 1980).
Районы Приполярья и Крайнего Севера можно рассматривать как своеобразную лабораторию, где проходит более сильное влияние геомагнитных колебаний на биосистемы, чем в центральной части России в силу широтных особенностей гео-сферно-биосферных взаимодействий. Именно в области высоких широт взаимодействие солнечного корпускулярного и волнового излучений с систе-
мой магнитосфера—ионосфера—атмосфера—Земля приводит к наиболее интенсивным и многообразным воздействием ЭМП на живые организмы (Dub-rov, 1978).
Электромагнитный фон как экологический фактор имеет особое значение, внося, видимо, ощутимый вклад в синдром полярного напряжения — особый режим работы адаптационных механизмов организма (Казначеев и др., 1975; Казначеев, Михайлова, 1985).
В итоге можно сказать, что при воздействии, превышающем границу толерантности, клетки переходят на иной функциональный уровень жизнедеятельности как единая система. Наблюдаемые при этом структурно-функциональные перестройки направлены на сохранение живой системы, т.е. имеют адаптивный характер.
Благодаря использованию методик темпоральной фиксации и приготовления давленых препаратов обнаружены изменения клеточных структур в апикальных меристемах Al. cepa L.: появление полиядерных и гигантских клеток, а также прослежена динамика этого процесса. Аналогичные исследования были проведены нами и получен такой же результат на нескольких видах Triticum L. разной плоидности. Экспериментально подтверждено отсутствие централизованной регуляции этого явления. Впервые показано, что эти изменения синхронны колебаниям магнитного поля Земли.
На основании многочисленных и многолетних исследований сделаны следующие выводы:
1) клетки растений обладают способностью к гео-магниторецепции, и под влиянием флуктуаций ГМП в меристемах происходит нецентрализованная клеточная саморегуляция, имеющая адаптивное значение;
2) в экстремальных условиях северных широт биосистемы подвержены значительному воздействию резких колебаний геомагнитных полей (магнитных бурь) и для поддержания своей жизнеспособности им необходимо проявлять более высокий адаптивный потенциал.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Атабекова С.Д., Гостенко К.Л., Сар-сенбаев Б. А. 1999. Стресс и проницаемость клеточных мембран // Физиология растений — наука III тысячелетия: Тез. докл. IV Междунар. конф. Об-ва физиологов растений. Т. 1. М. C. 316—317.
Белишева И.К., Попов А.Н., Поняв и н Д . И . 1993. Зависимость динамики структурно-функциональных показателей состояния клеточных культур от вариаций ГМП в области высоких широт // Корреляция биологических и физических процессов с солнечной активностью и другими факторами окружающей среды. Пущино. C. 17.
Белишева Н.К., Попов А.Н. 1995. Динамика морфофункционального состояния клеточных струк-
тур при вариациях геомагнитного поля в высоких широтах // Биофизика. 40. Вып. 4. 755—764.
Б и н г и В . Н . 2002. Магнитобиология. Эксперименты и модели. М. 592 с.
Бродский В.Я., Урываева И.В. 1981. Клеточная полиплоидия, пролиферация и дифференци-ровка. М. 257 с.
Вахтин Ю.Б. 1980. Генетическая теория клеточных популяций. М. 168 с.
Владимирский Б.М., Нарманский В.Я., Темурьянц Н.Я. 1994. Космические ритмы. М.
Гаряев П. П. 1994. Волновой геном. М. 279 с.
Гудков И.Н. 1985. Клеточные механизмы пострадиационного восстановления у растений. Киев. 196 с.
Д'Амато Ф. 1990. Значение полиплоидизации органов и тканей репродуктивной системы // Эмбриология растений: использование в генетике, селекции, биотехнологии. Т. 2. M. C. 92—149.
Демченко Н.П. 1989. Изменение содержания ДНК в клетках флоэмной группы корня пшеницы в ходе их развития // Цитология. 31. № 6. 664—676.
Демченко Н.П. 1990. Зависимость последовательности ингибирования переходов клеток перицикла и ксилемы к синтезу ДНК и делению от их локализации в корне пшеницы // Цитология. 32. № 3. 209—219.
Дубров А. П. 1974. Геомагнитное поле и жизнь. М. 119 с.
Иванов В.Б. 1974. Клеточные основы роста растений. М. 223 с.
Иванов В.Б. 1986. Особенности организации пролиферации клеток в растениях в связи с проблемой стволовых клеток // Цитология. 28. № 3. 295—302.
Иванов В.Б. 1987. Пролиферация клеток в растениях // Итоги науки и техники. Сер. Цитология. 5. М. 219 с.
Казначеев В.П., Соломатин А.П., Васильченко Е.Ф. 1975. Геомагнитные возмущения Земли и мозговые инсульты в г. Новосибирске // Некоторые вопросы медицинской географии Сибири. Новосибирск. С. 14—17.
Казначеев В.П., Михайлова Л.П. 1985. Биоинформационная функция естественных электромагнитных полей. Новосибирск. 182 с.
Куперман Ф.М. 1961. За широкое развитие и использование достижений биологической науки // Вестн. с.-х. науки. 8—11.
Куперман Ф.М. 1984. Морфофизиология растений. М. 240 с.
Мурашёв В.В., Нанушьян Е.Р. 1997. Эколого-цитологические исследования изменчивости апикальных меристем в связи с флуктуациями геомагнитного поля // Тр. Междунар. конф. по анатомии и морфологии растений (СПб., БИН РАН, 2—6 июня 1997 г.). СПб. С. 295.
Мурашёв В.В., Нанушьян Е.Р. 2000. Особенности механизмов морфогенеза верхушечных меристем Allium cepa L. // Морфофизиология специализированных побегов многолетних травянистых растений. Сыктывкар. С. 120—122.
Нанушьян Е.Р. 1989. Субхроматидная организация митотических хромосом у некоторых видов рода Allium L.: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М. 20 с.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 1995. Влияние факторов, зависящих от солнечной активности, на клеточную структуру растений // Влияние солнечной активности на медицинские, биологические и физико-химические процессы: Крым. Междунар. семинар (Фрунзенское, 11—14 октября 1995 г.): Тез. докл. С. 48—49.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 1997а. Геомагниторецепция растительных клеток в свете идей А.Л. Чижевского // Леонардо да Винчи XX века. К 100-летию А.Л. Чижевского: Тез. докл. юбил. сессии РАЕН, Москва, 28 февраля 1997 г. М. С. 56—57.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 1997б. Биологическое действие флуктуаций геомагнитного поля (ГМП) на клетки меристем растений // Тез. докл.
III Междунар. съезда по радиационным исследованиям. М. C. 205-206.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 1999. Рецепция экологических изменений апикальными меристемами // Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего тысячелетия и пути их решения. Брянск. С. 60-65.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2000. Влияние геомагнитных бурь на биостистемы в различных географических широтах // Экополис-2000: экология и устойчивое развитие города. М. C. 138—139.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2001а. Адаптационные механизмы устойчивости меристем к действию стресс-факторов при геомагнитных бурях // Регуляция роста, развития продуктивности растений. Минск. С. 120—122.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 20016. Адаптивная реакция клеток меристем растений на геомагнитные возмущения // Радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность. М. С. 302.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2001в. Геомагнитные бури и их влияние на растения в различных географических широтах // Ботанические проблемы регионального природопользования. Рязань. С. 48—50.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2001г. Усиление функциональной активности меристем при флуктуациях магнитного поля Земли // Вестн. Мичурин. аграр. ун-та. № 1. 18—21.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2002а. Биотропные эффекты действия флуктуаций магнитного поля Земли в различных географических широтах // Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз, ситуации, пути развития, решения. Архангельск. С. 703—705.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2002б. Механизмы адаптации клеточных систем апикальных меристем к стрессовым факторам геомагнитных бурь // Мат-лы II Междунар. конф. по анат. и морфол. растений, БИН РАН, 14—18 октября 2002 г. СПб. С. 237.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2002в. Цитологический контроль за содержанием ксенобиотиков в окружающей среде // Еколого-бюлопчш дослвд-ження на природних та антропогенно-змшених террито-р1ях. Кривий Р1г. С. 273—275.
Нанушьян Е.Р., Мурашёв В.В. 2003. Индукция многоядерных клеток в апикальных меристемах Allium cepa L. возмущением геомагнитного поля // Физиол. раст. 50. № 4. 587—592.
Нанушьян Е.Р., Скрипников А.Ю., Мурашёв В.В. 2001. Саморегуляция клеточной структуры корневой меристемы Allium cepa L. при воздействии флуктуаций магнитного поля Земли // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биология. № 4. 41—44.
Нанушьян Е.Р., Поляков В.Ю., Чен-цов Ю.С. 1991. Изучение субхроматидной организации митотических хромосом Allium cepa L. с помощью методов световой и сканирующей электронной микроскопии // Цитология. 33. № 4. 22—27.
Пресман А. С. 1968. Электромагнитные поля и живая природа. М. 287 с.
Сытник М.К. и др. 1984. Растительная клетка при изменении геофизических факторов. Киев. 124 с.
Свенсон К., Уэбстер П. 1980. Клетка. М. 303 с.
Фомичева В.М., Говорун Р.Д., Данилов В . И . 1992. Пролиферативная активность и клеточная репродукция в корневых меристемах гороха, чечевицы и льна в условиях экранирования геомагнитного поля // Биофизика. 37. № 4. 745—749.
Холодов Ю.А. 1970. Магнетизм в биологии. М. 77 с.
Ченцов Ю.С. 1984. Общая цитология. М. 350 с.
Чижевский А.Л. 1976. Земное эхо солнечных бурь. М. 367 с.
Эзау К. 1980. Анатомия семенных растений. Кн. 1. М. 218 с.
Barlow P.W. 1985. The nuclear endoreduplication cycle in metaxylem cells of primary roots of Zea mays L. // Ann. Bot. 55. N 3. 445—457.
Chang X.M., Wang W.C. 1991. DNA Amplifications Chromatin Variations, and Polytene Chromosomes in Differentiating Cell of Common Bread Wheat in Vitro and Root of Regenerated Plants in Vivo // Genome. N 34. 799—809.
Dubrov A.P. 1978. The Geomagnetic Field and Life // Geomagnetobiology. New York; London. 435 p.
Nagl W. 1976. DNA Endoreduplication and poly-teny understood as evolutionary strategies // Nature. 261. 614—615.
Nagl W . 1978. Endopolyploidy and Polyteny in Differentiation's and Evolutions. Amsterdam. 250 p.
Nanushyan E.R., Murashev V.V. 1995. The Effect of Geomagnetic Field Fluctuations Upon the
Changes in the Cellular Structure of Apical Meristem in Allium cepa L. // Biophotonics. Non-equilibrium and Coherent Systems in Biology, Biophysics and Biothechnology. M. P. 477-482.
Nanushyan E.R., Murashev V.V. 1997. The Response of Plant Cells to Geomagnetic Fields Fluctuations // Of the First World Congress for Electricity and Magnetism in Biology and Medicine. Bologna. P. 211—212.
Nanushyan E.R., Murashov V.V. 2001. Plant meristem cell response to stress factors of the geomagnetic field fluctuations // Plant under environmental stress. M. P. 204—205.
Nanushyan E.R., Murashov V.V. 2003. Induction Multinuclear Cells in the Apical Meristems of Allium cepa by Geomagnetic Field Outrages // Russian J. of Plant Physiol. 50. N 4. 522—526.
Nanushyan E.R., Murashov V.V., B e -lisheva N.K. 1994. Changes of cells structure abstracts in root apical meristems of Allium cepa L. influenced by fluctuation of geomagnetic field // Abstr. A.G. Gurvitsch conference. M. P. 19—20.
Nanushyan E.R., Skripnikov A.Y., Murashov V.V. 2004. The Problem of Giant Cells in Biology // Frontier Perspectives. 13. N 1. Philadelphia. P. 16—20.
Voeikov V.L. 1999. The scientific basis of the new biological paradigm // 21st Century Science and Technology. P. 18—33.
Werner D.A., Edvards G.E. 1993. Effects of Polyploidy on Photosynthesis // Photosynthesis. Res. 35. N 2. 135—147.
MORPHOGENETIC CYCLE OF APICAL MERISTEMS.
TYPES OF SHOOT ONTOGENESIS: 7. THE RECEPTION
A MAGNETIC FIELD OF THE EARTH AND ADAPTATION
IN THE MERISTEM ZONES OF THE ROOT APICES
E.R. Nanushyan, V.V. Murashov
The influence of geomagnetic field (GMF) outbursts on the cellular structure of root apices of Allium cepa L. was established. The tips of roots and shoots were fixed twice per day during a 24-day period. Abnormal binuclear, tetranuclear cells, large cells with large nuclei and giant cells with giant nuclei were observed in the meristem zones of the root apices. They were surrounded by mononuclear diploid cells. The appearance of these cells is initiated suddenly and continues during two-three days. The amount of polynuclear cells comprised as much as 20% of all the meristem cells. The graphical presentation of this process shows peaks and troughs in the number of polynuclear cells. By comparing this with the changes in the GMF characteristics at the same days, we found a striking correlation between the two. The in vitro experiments on isolated root tip meristems allowed us to exclude the possibility of centralized regulation of cell structure changes being affected by the mutual exchange of metabolites between organs of the whole plant. The artificial screening of the GMF led to a significant decrease of cells with enhanced nuclear DNA content. The same plant cells demonstrated greater sensitivity to fluctuation of GMF under geographical conditions of high-latitude.
