CC BY
61
Литература
1. Брей, С.М. Азотный обмен в растениях / С.М. Брей. - М.: Агропромиздат, 1986. - С. 188-191.
2. Еремин, Д.И. Продуктивность зернового с занятым паром севооборота в северной лесостепи Тюменской области: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук /Д.И. Еремин. -Тюмень, 2003. - 18 с.
3. Ермохин, Ю.И. Почвенно-растительная оперативная диагностика «ПРОД-ОмСХИ» минерального питания, эффективности удобрений, величины и качества урожая сельскохозяйственных культур / Ю.И. Ермохин; ОмГАУ. - Омск, 1995. -208 с.
4. Кореньков, Д.А. Минеральные удобрения при интенсивных технологиях / Д.А. Кореньков. - М.: Росаг-ропромиздат, 1990. - С. 45-59.
5. Мишустин, Е.Н. Клубеньковые бактерии и инокуляционный процесс / Е.Н. Мишустин, В.К. Шильнико-ва. - M.: Наука, 1973. - С. 149.
УДК 582.035.3(571.63) Ю.А. Хроленко, ОЛ. Бурундукова, Т.И. Музарок
МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖЕНЬШЕНЯ НАСТОЯЩЕГО В ОНТОГЕНЕЗЕ В УСЛОВИЯХ ИСКУССТВЕННОЙ ПЛАНТАЦИИ*
Приведены данные по мезоструктуре листа и продукционным характеристикам в онтогенезе «до-рощенного» женьшеня спасской популяции в условиях искусственной плантации (Спасский район Приморского края). «Дорощенный» женьшень в условиях искусственной плантации сохраняет некоторые черты мезоструктуры фотосинтетического аппарата, характерные для дикорастущего женьшеня, и существенно отличается от плантационного.
Ключевые слова: женьшень, онтогенез, плантация, продуктивность, мезоструктура листа.
Yu.A. Khrolenko, O.L. Burundukova, T.I. Muzarok
MORPHOMETRIC CHARACTERISTICS OF PANAXGINSENG IN THE ONTOGENESIS IN THE UNNATURAL PLANTATION CONDITIONS
The data on leaf mesostructure and productive characteristics in the ontogenesis of Panax ginseng of Spasskaya population in the unnatural plantations conditions (the Spasskiy region, Primorskiy region) are given in the article. In the unnatural population conditions Panax ginseng keeps some features of photosinthetic apparatus mesostructure which are typical for the wild ginseng and considerably differs from the plantational.
Key words: Panax ginseng, ontogenesis, plantation, productivity, leaf mesostructure.
Женьшень настоящий - очень редкое «краснокнижное» растение хвойно-широколиственных лесов Приморского края, имеющее ценные лекарственные свойства. Для разработки стратегии сохранения вида согласно международной «Конвенции о биологическом разнообразии» необходимо выполнение условий in situ и ex situ. In situ (дословно на месте) включает в себя сохранение женьшеня в его естественных местообитаниях путем поддержания сохранившихся популяций, создания заповедников, заказников и т.д. Второе условие означает выращивание особей женьшеня и получение семенного потомства в искусственных питомниках на основе найденных в тайге растений женьшеня и в дальнейшем высадка его в лесные урочища и пади [1]. Последний способ выращивания женьшеня известен давно и использовался как альтернатива плантационному культивированию, когда официальные заготовки этого растения не были запрещены. Это технология получения так называемого «дорощенного» корня ориентирована в основном на ускорение темпов роста и развития женьшеня и достижение максимальной продуктивности корней. Развитие «доращиваемого» женьшеня в сравнении с дикорастущим ускоряется, но не в такой степени, как у плантационного.
* Работа частично поддержана грантом ДВО РАН (проект № 09-Н-УО-06-006) «Женьшень Panax ginseng C.A. Meyer in situ и в условиях интродукции: физиолого-биохимические, цитогенетические и молекулярно-генетические механизмы регуляции продукционного процесса и биосинтеза гинзенозидов».
Плантационные растения переходят от одного возрастного состояния к другому практически ежегодно, «до-рощенный» женьшень может оставаться в одном и том же физиологическом возрасте в течение ряда лет.
Различные аспекты онтогенеза плантационного женьшеня исследованы достаточно подробно [2-7], данные по «дорощенному» женьшеню практически отсутствуют.
Целью настоящей работы было изучение мезоструктуры листа и продукционных характеристик в онтогенезе «дорощенного» женьшеня спасской популяции в условиях искусственной плантации (Спасский район Приморского края).
Материалы и методы исследований. Материалом для исследования служили растения из популяции «дорощенного» женьшеня и их семенного потомства в условиях искусственной плантации. Эта популяция культивируется в течение 16 лет, сформирована на основе растений спасской популяции, собранных на южных и северо-восточных склонах Синих гор (самой западной части Сихотэ-Алиня). Условия выращивания P. ginseng максимально приближены к естественным. Например, для гряд использовали лесную почву, не применяя комплексов агрохимических мероприятий по улучшению свойств этой почвы. Следует отметить важную особенность технологии культивирования P. ginseng - необходимость притенения растений, развитие которых угнетается под прямыми солнечными лучами. Культивирование этого вида по восточной технологии включает в себя сооружение деревянных щитов или навесов из травяных матрацев. Данная плантация оборудована навесами с травяными матрацами, расположенными на высоте 1,2-1,5 м от земли. Ширина и высота гряд составляет 1 м и 0,3 м соответственно. Возрастные периоды и состояния выделялись по следующей схеме: I. Латентный период - семена. II. Прегенеративный период - проростки (pl), ювенильные j), имматурные (im), виргинильные молодые (v1), виргинильные взрослые (v2). III. Генеративный период - генеративные молодые (g1), генеративные средние (g2), генеративные зрелые g) [7]. Растения откапывали и выкладывали в морфологический возрастной ряд. Регистрация продуктивных характеристик сопровождалась измерением размеров побега, длины цветоноса, диаметра мутовки листьев, веса подземных органов и подсчетом числа плодов. Всего обработано более 47 растений по 5-7 растений из каждой возрастной группы. С каждого растения отбирали терминальный листочек, у которого определяли анатомические показатели по модифицированной методике, разработанной А.Т. Мокроносовым и Р.А. Борзенковой [8]. Количество хлоропластов в клетке и число клеток в единице площади листа изучали на материале, фиксированном в 3,5%-м растворе глутарового альдегида в фосфатном буфере (рН 7,0), с последующей мацерацией тканей в 50%-м растворе КОН при нагревании (для подсчета числа клеток) и в 5%-м растворе оксида хрома в 1н HCl (для определения числа хлоропластов в клетке). В соответствии с требованиями методики количество измерений числа хлоропластов в клетке - 50. Определение количества клеток в мацератах (для расчета числа клеток в единице листовой поверхности) производили в 20-кратной повторности в 90 квадратах камеры Г о-ряева. Толщину листа и клеток мезофилла в 20-кратной повторности определяли на поперечных срезах листа с помощью окуляр-микрометра. Изучение устьиц проводили методом отпечатков по Полаччи [9], но вместо раствора коллодия использовали бесцветный лак. Исследовали два признака: длину замыкающих клеток устьиц и число устьиц на 1см2 листа. Определение количества устьиц в поле зрения светового микроскопа Биолам-Д-13 («ЛОМО», Россия) известной площади проиводили в 20-кратной повторности для каждого образца. Число измерений длины замыкающих клеток устьиц для каждой пробы соответствует 30. Полученные данные были обработаны при помощи интегрированной системы Statistica версии 6.0. В качестве меры изменчивости применяли коэффициент вариации (Cv,%).
Результаты и их обсуждение
Мезоструктурные характеристики 7 возрастных групп растений (ювенильных, имматурных, виргиниль-ных молодых, виргинильных взрослых, генеративных молодых, генеративных средних, генеративных зрелых) представлены на рисунке. Сравнительный анализ растений P. ginseng разных возрастных групп выявил, что в ряду от ювенильного до зрелого генеративного состояния наблюдается значительная изменчивость этих признаков. Коэффициент вариации для разных признаков изменялся от 5 до 30%. В ходе развития растений, параллельно с увеличением площади листьев, происходят структурные изменения мезофилла - увеличивается число клеток, хлоропластов и устьиц в расчете на единицу площади листа, уменьшаются размеры клеток и устьиц (см. рис.).
Морфометрические показатели вегетативных и генеративных органов растений с возрастом увеличиваются (табл.). Интересно, что диаметр мутовки вегетативных молодых особей в среднем превышает таковой у вегетативных взрослых. По-видимому, это объясняется тем, что при появлении 3-го листа черешки листьев располагаются под более острым углом к стеблю, чем у двулистных особей. Поэтому разница этого показателя между двумя вегетативными состояниями находится в пределах ошибки измерения. Резкое увеличение продуктивных характеристик наблюдается при вступлении растений в генеративный период развития. Некоторые показатели увеличиваются в 2-3 раза (см. табл.). Вероятно, это и объясняет традиционное
использование в оценке продуктивности растений сырьевых показателей, не включая данных по мезострук-туре листа, хотя есть авторы, которые используют комплексный подход [10]. Внешнее изменение габитуса растения, в частности появление новых листьев на растении, сопровождается внутренними изменениями мезоструктуры листьев (см. рис., табл.). Хорошо известно, что между мезофильным сопротивлением диффузии СО2 и индексами поверхности наружных мембран клеток (ИМК), числом пластид в единице площади листа существует высокая обратная корреляция [11-13]. Появление нового листа на растении способствует увеличению ассимиляционной площади листьев, с увеличением числа клеток и хлоропластов в 1 см2 листа возрастает площадь внутрилистовой ассимиляционной поверхности, что в свою очередь также увеличивает фотосинтетические способности ассимиляционного аппарата. С появлением 4-5 листа в мутовке значительная часть фотоассимилятов направляется в придаточные корни 1-го порядка, отчего они начинают расти и достигают в диаметре до 1,5-2 см, не уступая утолщенным боковым корням 2-го порядка [7], и тем самым придают корневой системе женьшеня сходство с фигуркой человека.
Число клеток в см2 листа, тыс. шт. м Т Число хлоропластов в клетке, шт.
Толщина листа, мкм
Число устьиц на см2 листа, ты с. шт.
j im v1 v2 g1 g2 g3
Толщина клеток мезофилла, м км
j im v1 v2 g1 g2 g3
Длина устьиц, мкм
g1 g2
дз
П. А
54
50
46
42
3B
з4
30
im
Количественная анатомия мезофилла листа плантационных растений Panax ginseng. По оси абсцисс: возрастные состояния растения: j - ювенильное; im - имматурное; v1 - виргинильное молодое; v2 - виргинильное взрослое; g1 - генеративное молодое; g2 -генеративное среднее;
дз - генеративное зрелое □ среднее I I стандартная ошибка стандартное отклонение
Морфометрические показатели вегетативных и генеративных органов растений Panax ginseng
разных возрастных состояний
Возрастное состояние Длина побега, см Длина цветоноса, см Диаметр мутовки, см Число плодов, шт. Вес подземных органов, г
j 6,28 ± 0,32 — 5,06 ± 0,32 — 1,2 ± 0,2
im 7,64 ± 0,25 — 12,9 ± 0,84 — Нет данных
v1 7,70 ± 034 — 21,0 ± 1,35 — 3,27 ± 0,64
v2 8,60 ± 0,48 — 18,9 ± 0,64 — 8,0 ± 1,53
g1 28,1 ± 2,36 13,3 ± 1,58 31,7 ± 2,92 10,8 ± 0,97 16,67 ± 3,28
g2 37,5 ± 1,14 17,5 ± 0,74 35,2 ±,1,27 22,4 ± 2,4 35,33 ± 5,17
g3 50,9 ± 3,30 21,9 ± 2,25 50,0 ± 2,39 57,2 ± 5,37 81,8 ± 15,36
Примечание: обозначения те же, что и на рисунке.
К сожалению, работ по изучению мезоструктуры листа в ходе онтогенеза многолетних растений, очень долго развивающихся, подобно женьшеню настоящему, практически нет. Интересные данные были получены австралийскими авторами при исследовании мезоструктуры листа в онтогенезе растений Eucalyptus globulus [14]. Ими показано, что в онтогенезе происходит изменение горизонтальной ориентации листьев на вертикальную и изменяется строение мезофилла листа. У ювенильных растений тип мезофилла листа был дорзовентральный, в то время как у взрослых листьев - изолатеральный. Индекс ИМК у ювенильных листьев был максимальным в адаксиальном слое столбчатой паренхимы, в то время как у взрослых листьев этот показатель имел бимодальное распределение с максимумами в пределах первых слоев верхней и нижней палисадной паренхимы. Авторы считают, что эти изменения внутренней структуры у онтогенетически различных листьев Eucalyptus globulus (от всходов до взрослого дерева) могут быть интерпретированы как адаптация в сторону увеличения ксероморфности.
В ранее опубликованной работе нами было показано, что, несмотря на очевидные признаки теневыносливого растения, у женьшеня наблюдалась возрастная динамика мезоструктуры листа, направленная в сторону гелиоморфности [6]. Наблюдаемые изменения мезоструктуры листа в онтогенезе «дорощенного» женьшеня спасской популяции аналогичны ранее представленным для плантационного женьшеня в окрестностях г. Дальнегорска. Эти две плантации различаются по условиям притенения: в одном случае - деревянные навесы с просветами, которые пропускали 30-35% солнечной радиации, в другом - травяные матрацы, пропускающие 10-15% солнечной радиации. Мезоструктура листа чутко отреагировала на это, особенно по показателям числа клеток в единице площади листа и производным от них величинам (151 и 80 тыс/см2 соответственно). В условиях более низкой освещенности эти показатели были ниже, что свидетельствует о формировании структуры листа более «теневого типа». Сравнение с данными по мезоструктуре листа генеративных растений дикорастущего женьшеня [15] показало, что «дорощенный» женьшень имеет близкие значения по числу клеток мезофилла в расчете на единицу площади листа, числу пластид в клетке.
«Дорощенный» женьшень в условиях искусственной плантации, приближенной по световому режиму к природным местообитаниям, сохраняет некоторые параметры листа дикорастущего женьшеня, что, вероятно, и определяет его более низкие ассимиляционные способности и скорость роста и развития в сравнении с плантационным. Полученные данные также свидетельствуют о том, что световой режим играет ведущую роль в регуляции темпов развития женьшеня, а сама регуляция осуществляется посредством структурнофункциональных перестроек фотосинтетического аппарата.
При сравнении генеративных растений разных плантаций оказалось, что основной показатель - число клеток в 1 см2 - у «дорощенного» женьшеня 1,8 раза ниже, чем у плантационного. Причем этот показатель от ювенильных до генеративных растений и в дальнегорской, и в спасской плантации увеличился в 2-2,5 раза. Это говорит об однотипности структурных изменений мезофилла листа женьшеня настоящего в онтогенезе, несмотря на то, что освещение этих плантаций различалось в 4-5 раз. Авторы S.A. James и D.T. Bell [16] продемонстрировали, насколько стабильны онтогенетические изменения в структуре мезофилла листа у растений Eucalyptus globulus, проведя следующий эксперимент: особи этого вида выращивались в течение 9 месяцев при 100, 50 и 10% солнечного света. И ювенильные, и взрослые листья оставались горизонтально ориентированными при низкой освещенности, но при высокой освещенности взрослые листья становились
вертикальными. Мезофилл ювенильных листьев был дорзовентрального типа, а взрослых - изолатерально-го, несмотря на 10-кратную разницу в освещенности.
Заключение
«Дорощенный» женьшень в условиях искусственной плантации сохраняет некоторые черты мезоструктуры фотосинтетического аппарата, характерные для дикорастущего женьшеня, и существенно отличается от плантационного. При этом направленность и количественное соотношение структурных параметров мезофилла листа между ювенильными и генеративными особями «дорощенного» женьшеня сопоставимы с наблюдаемыми возрастными изменениями мезоструктуры в условиях плантации. Появление морфологических новообразований (новые листья в мутовке, изменения в корневой системе и т.д.) в онтогенезе растения сопровождается количественными изменениями внутренней структуры мезофилла листа.
Литература
1. Гапонов, В.В. История и перспективы охраны и использования дикорастущего женьшеня в России / В.В. Гапонов // Вестн. ДВО РАН. - 2008. - № 4. - С. 87-96.
2. Воробьева, П.П. Развитие и некоторые анатомо-физиологические особенности женьшеня в зависимости от освещенности / П.П. Воробьева // Материалы к изучению женьшеня и лимонника. - Л.: ДВФ СО АН СССР, 1960. - Вып. 4. - С. 64-86.
3. Грушвицкий, И.В. Женьшень: вопросы биологии / И.В. Грушвицкий. - Л.: ДВФ СО АН СССР, 1961. -344 с.
4. Гутникова, З.И. Женьшень в условиях Супутинского заповедника / З.И. Гутникова // Тр. Горнотаежной станции ДВФ АН СССР. - 1941. - Т. 4. - С. 257-268.
5. Содержание гинзенозидов в листьях Panax ginseng (Araliaceae) в зависимости от возраста растений /
B.В. Маханьков [и др.] // Растит. ресурсы. - 2007. - Т. 43. - Вып. 3. - С. 107-115.
6. Хроленко, Ю.А. Возрастные изменения мезоструктуры листа у плантационного Panax ginseng
C.A. Mey. / Ю.А. Хроленко, О.Л. Бурундукова // Растит. ресурсы. - 2001. - Т. 37. - Вып. 3. - С. 54-59.
7. Возрастные этапы в онтогенезе Panax ginseng C.A. Mey. в условиях плантации / Ю.А. Хроленко [и др.] // Изв. РАН. Серия биологическая. - 2007. - Т. 34. - № 2. - С. 157-162.
8. Мокроносов, А.Т. Методика количественной оценки структуры и функциональной активности фотосинтезирующих тканей и органов / А.Т. Мокроносов, Р.А. Борзенкова // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. - 1978. - Т. 61. - Вып. 3. - С. 119-133.
9. Практикум по физиологии растений / под ред. И.И. Гунара. - М.: Колос, 1972. - 168 с.
10. Морфометрические признаки и химический состав растений якона при интродукции на Среднем Урале / Р.И. Багаутдинова [и др.] // С.-х. биол. - 2003. - № 1. - С. 46-53.
11. Nobel, P.S. Structure of leaf photosynthetic tissue / P.S. Nobel, D.B. Walker // Photosynthetic Mechanisms and the Environment / Baker. Elsevier Science Publishers (Biomedical Division). - 1985. - P. 501-536.
12. Patton, L. Some relationships between leaf anatomy and photosynthetic characteristics of willows / L. Patton, M.B. Jones // New Phytol. - 1989. - Vol. 111. - № 4. - P. 657-661.
13. The relationship between CO2 transfer conductance and leaf anatomy in transgenic tobacco with a reduced content of rubisco / J.R. Evans [and alt.] // Austr. J. Plant Physiol. -1994. - № 21. - P. 475-495.
14. James, S.A. Ontogenetic differences in mesophyll structure and chlorophyll distribution in Eucalyptus globulus ssp. globulus (Myrtaceae) / S.A. James, W.K. Smith, T.C. Vogelmann // Amer. J. Bot. - 1999. - Vol. 86. -P. 198-207.
15. Мезоструктура фотосинтетического аппарата женьшеня в связи с экологической «стратегией» вида / О.Л. Бурундукова [и др.] // Физиология растений. - 2008. - Т. 55. - №. 2. - С. 268-271.
16. James, S.A. Influence of light availability on leaf structure and growth of two Eucalyptus globulus ssp. globulus provenances / S.A. James, D.T. Bell// Tree Physiol. - 2000. - Vol. 20. - № 15. - P. 1007-1018.
