CC BY
51
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
лизации концентрации диоксида углерода и метана / С.М. Семенов, Ю.А. Израэль, Г.В. Груза, Э.Я. Ранькова // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем, 2007. - С. 9-22.
15. Федоров, В.Д. Экология / В.Д. Федоров, Т.Г. Гильманов. - М.: МГУ, 1980. - 464 с.
16. Федотов, Г.Н. Каталазная активность и почвенные гелевые структуры / Г.Н. Федотов, Е.И. Пахомов // Вестник МГУЛ-Лесной вестник, 2006. - № 2 (44). - С. 213-218.
17. Федотов, Г.Н. Исследование наноструктурной организации почвенных гелей / Г.Н. Федотов, В.С.
Шалаев, В.И. Путляев, Д.М. Иткис // Вестник МГУЛ-Лесной вестник, 2010. - № 3 (72). - С. 212-222.
18. Экосистемы Теллермановского леса. - М.: Наука, 2004. - 340 с.
19. http://www.esrl.noaa.gov/ - Official Mauna Loa internet resource, Hawaii, USA. 2009.
20. Petersen//DieLandwirtschaftlichenVersuchsstationen. 1871. Bd. XIII. S. 155.
21. Rodhe H., Charlson R., Crawford E. Svante Arrhenius and greenhouse effect // Ambio. 1997. Vol.26. N1. P.2-5.
ПОЛИТЕННАЯ МОДЕЛЬ РАБОТЫ КАМБИЯ
М.Г. РОМАНОВСКИЙ, гл. научн. сотр. Института лесоведения РАН, д-р биол. наук
Поводом для развития модели политен-ных хромосом в инициалях камбия послужили многочисленные случаи дискретной изменчивости ширины годичных колец. Ширина годичного кольца древесины часто принимает только определенные значения. Иногда в одном годичном кольце на одном спиле отмечаются резкие изменения ширины в разных секторах. Ширина годичных колец тесно связана с числом клеток волокнистых элементов в радиальных рядах. Волокнистые элементы ксилемы у древесных пород в среднем имеют радиальный поперечник 1418 мкм (рассеяннососудистые), 24-29 мкм (кольцесосудистые) и 30-40 мкм (сосновые). Годичное кольцо у хвойных и кольцесосудистых деревьев слагается порциями (квантами) по 16 радиальных клеток, а у рассеяннососудистых - по 8 клеток. Соответственно основной квант прироста, которому кратна ширина годичного кольца у хвойных 0,5-0,6 мм, у кольцесосудистых 0,4-0,5 мм, а у рассеяннососудистых пород 0,11-0,14 мм. Основной квант дополняют ± полу-кванты.
Радиальные ряды клеток, отчленяемых камбиальными инициалями наружу (флоэмные ряды) и внутрь ствола (ксилем-ные), удобнее всего наблюдать на хвойных породах, где они наиболее упорядочены. Классические схемы камбиальной зоны и зон дифференциации элементов флоэмы и ксилемы разработаны прежде всего для хвойных
root@ilan.ras.ru [8 и мн. др.]. Ниже мы рассмотрим картину образования элементов ксилемы и флоэмы в основном на примере хвойных пород.
В стороны ксилемы и флоэмы от инициальных клеток камбия отходят радиальные ряды делящихся, а затем дифференцирующихся клеток. При этом флоэмный ряд производных клеток вдвое короче ксилемного. Вместе с камбиальными инициалями делящиеся клетки ксилемного и флоэмного рядов выделяют в камбиальную зону.
Ксилемный радиальный ряд, вытянутый от инициали к центру стебля, начинается четырьмя делящимися клетками. За ними следует зона дифференциации ксилемы (рис. 1).
Ростовая компонента дыхания состоит из 4-х импульсов, соответствующих 4-м ксилемным квантам, и 4-х (заштрихованы), - квантам новообразования клеток флоэмы.
Вне периода появления новых трахеид (I-II) максимумы R (а и b) связаны заготовкой (сентябрь, b) и востребованием (май, а) зимних запасов пластических веществ.
В зоне дифференциации ксилемы клетки организованы в две более или менее однородные четверки: 4 радиально расширяющихся и 4 созревающих клетки [6, 8, 17, 18]. Четверка расширяющихся клеток преобразует свои размеры от плоских, сжатых в радиальном направлении, характерных для камбиальной зоны, до более или менее изодиаметрических. Достигнув формы, стандар-
72
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
Рис. 1. Схема зон формирования радиального ряда трахеид, начиная от камбиальной инициали (И) до зоны созревания (клетки 9-12), на поперечном срезе стебля хвойного дерева (по [8])
тнои для клеток зрелой ксилемы, они начинают «созревать» - наращивать вторичные клеточные оболочки, не подлежащие дальнейшему растяжению. На рис. 1 радиальные размеры всех клеток (И, 1-12) условно изображены одинаковыми.
Во флоэмных рядах мы обнаруживаем в камбиальной зоне только 2 делящиеся клетки. Зона дифференциации клеток флоэмного ряда представлена парой расширяющихся и парой созревающих клеток. Флоэмный ряд делящихся и дифференцирующихся клеток вдвое короче ксилемного ряда.
Политенная модель деления камбиальных инициалей голосеменных и кольцесосудистых покрытосеменных древесных пород выглядит следующим образом. Перед делением каждая хромосома обладает 32 копиями молекулы ДНК в виде 32 нитей - хромонем. Набор хромосом в диплоидной клетке принято обозначить как 2n, а количество ДНК в клеточном хромосомном наборе как 2с. При политении видимый набор хромосом камбиальной инициали 2n содержит 64n нити хромонем, 64n молекул ДНК и 64с (при условии, что с определено для однонитевого состояния хромосом гаплоида). Обозначив общее число хромосом (включая гомологические) к = 2n,
мы можем записать для хвойных и кольцесосудистых, что число молекул ДНК в клетке - 32к. У рассеяннососудистых пород - 16к.
Наличие заготовленных копий ДНК позволяет производным политенной клетки делиться далее в автоматическом режиме, не заботясь об энергозатратном синтезе новых молекул. Деления сводятся к распределению загодя наработанных копий по хромосомам дочерних клеток [12].
После деления политенной инициали 32к^ 16к+16к, - дочерние клетки должны выбрать, какая (периферическая или внутренняя) останется камбиальной инициалью
Рис. 2. Динамика стволового дыхания (R, мг СО2 дм 2 ч -1) сосны обыкновенной в год, благоприятный для радиального прироста (по [5]): I-II -границы периода обнаружения новых клеток в радиальных рядах трахеид
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2012
73
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
Рис. 3. Распределение (n) годичных колец 40 деревьев Pinus sylvestris L. по величине прироста ранней древесины (Ат, мм). Частоты Ат : 1 - исходные измерения; 2 - сглаженные по 3. Пунктиром заданы распределения Дт, состоящие из 16/-клеточных квантов (l = 1т5) с примыкающими полу-квантами 16/ ± 8 клеток
и станет наращивать копии хромонем от 16k до 32k. Вторая клетка пополнит делящиеся клетки камбиальной зоны ксилемного ряда, если она окажется внутренней, или флоэм-ного ряда, - если наружной. Вероятно, выбор происходит автоматически в режиме чередования: то внутренняя, то наружная клетка сохраняет статус камбиальной инициали.
Распределяясь по 16 дочерним диплоидным клеткам 16k, комплект хромонем редуцируется до однонитевого 1k ~ 2п в зоне дифференциации клеток ксилемы (рис. 1). Клетки флоэмных рядов переходят к дифференциации, обладая двухнитевым 2k ~2n комплектом молекул ДНК. Поэтому флоэмные ряды вдвое короче ксилемных.
Клетки 1 и 2 имеют по 8 хромонем на каждую хромосому. Клетки 3 и 4 - по 4 хромонемы. После деления клетки 4 ее производные 2k и 2k сразу же, минуя телофазу, приступают ко второму делению с образованием тэтрады 1k в зоне дифференциации ксилемы (клетки 5-8). Продукты предыдущего цуга делений (клетки 9-12) переходят в это время к созданию вторичных оболочек (рис. 1).
Квантовый характер динамики прироста ксилемы подтверждают наблюдения за «дыханием ствола». Эмиссия СО2 стволовой поверхностью идет волнами, согласованными с новообразованием клеток ксилемы [5]. Наибольших дыхательных затрат требует, вероятно, вызревание трахеид (утолщение их стенок до конечных размеров) [1, 2]. Выходу каждого
радиального ксилемного кванта соответствует подъем интенсивности стволового дыхания. В годы, благоприятствующие приросту древесины, число импульсов больше; в годы угнетенного роста - меньше [5; 14, 15].
В промежутках между периодами формировании 16-клеточных квантов ксилемы, отмеченных импульсами усиления эмиссии СО2, из ствола примерно каждые 20 дней камбиальные инициали зачинают флоэмные 8клеточные радиальные кванты. Дыхательные затраты на формирование флоэмного кванта меньше, чем ксилемного (оценочно на 50 %), из-за отсутствия необходимости вторичного утолщения клеточных стенок (рис. 2).
У сенильных растений, а также в годы с неблагоприятными условиями вегетации и низким приростом, импульсивность стволового дыхания в значительной мере утрачивается. В предельных случаях годичный прирост редуцирован до полу-кванта из 8 клеток.
Годовой прирост древесины строится из l радиальных квантов, 16/ клеток. Задержка в камбиальной зоне в конце вегетации клеток 3 и 4 (рис. 1), содержащих 8k = (4k-2) копий набора ДНК, уменьшает величину прироста на «полу-квант» из 8 клеток. Использование полу-кванта, сохранившегося в камбиальной зоне от предыдущего периода роста, удлиняет ряд 16/ на 8 клеток. В результате наряду с основными группами 16/ возникают подгруппы 16/ ± 8 клеток.
74
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
У рассеяннососудиситых пород образование подгрупп связано с дополнением основного кванта «полу-квантом» из 4-х клеток или с задержкой полу-кванта про запас. Годичные кольца у них формируются из 81 ± 4 клеток.
Поскольку радиальный размер трахе-ид в течение сезона уменьшается (у сосны от 50-60 мкм до 10-20мкм [1, 2, 16]), групповой характер изменчивости ширины годичного кольца не слишком очевиден. Однако, несмотря на сезонное варьирование радиальных размеров трахеид, распределение годичных колец хвойных по общей ширине (Дг) сохраняет черты дискретности. В лесной зоне (Архангельская, Костромская, Вологодская, Московская области) для распределения ширины годичных колец сосны обыкновенной типичен основной максимум встречаемости при ширине Дг ~ 0,5 мм, сопровождаемый слева (Дг ~ 0,25 мм) более или менее выраженной модой «аварийных» или сенильных 8-клеточных приростов. За первым максимумом встречаемости Дг следует серия максимумов (обычно 3), имеющих близкую, или убывающую частоту и разделенных интервалами 500-560 мкм [15].
Яснее всего квантованность радиального прироста сосны обыкновенной видна на примере ширины зоны ранней древесины Дг в низкобонитетных древостоях (рис. 3).
Радиальный размер трахеид d уменьшается в течение сезона. Ранние и поздние трахеиды разделяет рубеж d ~ 31 мкм [1, 2, 14; 15, 16]. В условиях I-II классов бонитета максимальный d ранних трахеид превышает 60 мкм, но в насаждениях низших классов бонитета варьирование d ограничено 30< d <32 мкм. Это позволяет увидеть групповую изменчивость Дге сосны достаточно четко. На рис. 3 представлено распределение ширины слоев ранней древесины на поперечных спилах 40 деревьев из низкопроизводительного багульниково-сфагнового сосняка V- класса бонитета (Московская область). Данные относятся к одному периоду онтогенеза, представляя последние 30 лет жизни одновозрастного 140-летнего насаждения, когда возрастными изменениями Дге и d можно пренебречь [9, 20].
В ряду модальных значений Дге расстояние между соседними модами 500-520 мкм. Кванты камбиальных производных, слагающие радиальные ряды трахеид ранней зоны годичного кольца сосны, суммируются по 16 клеток с радиальным размером 31^32 мкм. Дополнительные максимумы через 250260 мкм появляются за счет сложения частот в подгруппах из ±8 клеток смежных 16-клеточных групп (рис. 3),
Политения присуща хромосомам не одних только камбиальных инициалей, но, вероятно, всем меристематическим тканям. Ме-ристематические клетки - родоначальники клеточных клонов требуют особой охраны для поддержания стабильности генома, стабильности формы и функционального устройства дочерних клеток и многоклеточных структур. Политения - способ защиты генома от давления мутаций. Политения - механизм дифференциации жизненного пути производных клеток.
Каждая хромосома гаплоидного генома яйцеклеток хвойных обладает 32 копиями ДНК [3, 4]. Истинная женская гамета у хвойных появляется в процессе редукции оплодотворенного материнского гаплотипа до однонитевого состояния, после серии делений и образования 16 клеток подвески (будущей пуповины зародыша). Четыре тэтрады клеток подвески выстроены в линейную структуру [19], в которой копийность гаплоидного материнского генома снижается от 16 хромонем в клетках «розетки» до 1к в последней тэтраде: 4(4к); 4(2к); 4(1 к); 4(1к). Уровни копийности ДНК в материнском гаплотипе редуцируются до 1n(1k) набора. Клетки последней тэтрады подвески зародышей у сосны обыкновенной не связаны между собой плазмодесменными тяжами и дают основания четырем нитям, увенчанным эмбриональными массами, четырем кливажным эмбрионам. (Параллельно из других оплодотворенных архегониев в семяпочке могут развиваться и конкурировать в зародышевой камере другие гетероэмбрионы от 0 до 3). В эмбриональной структуре, продуцируемой одним архегони-ем, отцовский 1п гаплотип включается в ядро лишь одной из 4-х клеток дистальной тэтрады подвески. Отцовский набор хромосом достается только одному эмбриону из 4, венчающих 4
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
75
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
нити подвески [13]. Завершается сингамия, возникает зигота 2n, дающая начало лидирующему диплоидному зародышу. Остальные три зародышевые массы гаплоидны. В редких случаях (десятые доли процента) один из гаплоидных зародышей сосны обыкновенной развивается в малорослый проросток - «сиамский» близнец нормального диплоидного всхода [7].
У ели, у которой нет расщепленной по-лиэмбрионии, суспензор завершается одним диплоидным эмбрионом, расположенным немного ассиметрично относительно оси удлинения клеточных тэтрад подвески [19].
Родоначальные женские клеток зародышевого ряда (археспоры) синтезируют еще более политенные копии генома. При образовании макрогаметофита дробления материнской клетки на ценоцитной стадии развития гаплоидного эндосперма порождают около 2000 голых ядер. Среди дочерних клеток археспоры хвойных только одна, имеющая политенный 32к набор молекул ДНК [3, 4], выделяется как яйцеклетка с 1n хромосомным геномом женской «гаметы».
Яйцеклетки рассеяннососудистых пород, так же как их камбиальные инициа-ли, имеют, предположительно, 16к молекул ДНК. Это определяет большую, в сравнении с хвойными и кольцесосоудистыми породами, эволюционную пластичность рассеяннососудистых деревьев и кустарников. Скорость видообразования возрастает; современное число девесно-кустарниковых рассеяннососудистых видов на порядок больше, чем хвойных.
Начало эмбриогенеза у покрытосеменных деревьев, по-видимому, столь же сложно, как у голосеменных. Если политенная пло-идность «гамет» лиственных пород подобна плоидности их камбиальных инициалей, можно ожидать, что у кольцесосудистых пород оплодотворение проходит по типу 32 n + 1 n, а у рассеяннососудистых - 16 n + 1 n.
Мужской гаметофит хвойных, так же как женский, развивается на фоне редукции по-литенной копийности гаплоидного генома от 128к у микроспороцита до 1к у спермиев. Последовательные деления микроспоры 32к (одна из 4 производных клеток микроспороцита) отчленяют две отмирающие, проталлиальные клетки 16ки 8к. Ядро третьей 8к клетки делит-
ся еще раз на генеративную (антеридиальную) и вегетативную (сифоногенную) клетки 4к и 4к. После прорастания пыльцевой трубки в нуцеллус семяпочки, вегетативное ядро 4к выходит в пыльцевую трубку, двигается в сторону архегониев, и в конце концов тоже деградирует, а генеративное ядро еще раз делится с образованием базальной 2к и стебельковой 2к клеток. Стебельковая клетка 2k перемещается в пыльцевую трубку, где теряет цитоплазму и деградирует. Базальная клетка делится на два спермия - 1к и 1k, устремляющихся к дистальному концу пыльцевой трубки, чтобы участвовать в оплодотворении.
Политения хромосом не чужда и верхушечным меристемам почек. Апексы верхушечных меристем могут покоиться, почти не делясь, именно в силу политении своих хромосом, уже заготовивших копии ДНК для последующего цикла роста побега.
Световой дифференциации мезофилла у лиственных пород сопутствует «вторичная» политения. Клетки губчатой паренхимы и слоев палисадной паренхимы листа образуют хромосомы с 1, 2, 4-мя молекулами ДНК в политенных хромосомах диплоидного набора [11; 21]. Кратность копирования возрастает параллельно росту освещенности клеточного слоя и увеличению вероятности мутаций под действием коротковолновых компонент светового потока [12]. Судя по изменчивости светового плато фотосинтеза и поверхностной плотности листовых пластинок, некоторые деревья образуют клетки палисадной паренхимы с 16 копийным политенным геномом [15]. Некоторые же вообще не способны синтезировать политенные хромосомы и при высокой освещенности выживают лишь под пологом господствующего древостоя. При образовании устьичного аппарата автоматизм митозов заставляет также предполагать светоиндуцируемую политению хромосом в ядрах клеток листового эпидермиса [12].
Д. Мэзия цитирует работу T. Iwamura, еще в 1955 г. показавшего существование у хлореллы крупных «световых» политенных клеток, способных делиться 4 раза подряд без синтеза ДНК. В результате формируется 16 «темновых» хлорелл [12, с.63].
76
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
У животных политения, по-видимому, не менее распространена и не менее значима, чем у растений [12]. Достаточно упомянуть излюбленный объект цитогенетики - гигантские хромосомы в клетках слюнных желез чешуекрылых. Судя по различиям размеров клеток и автоматизму первых дроблений и клеточных дифференциаций оплодотворенной яйцеклетки, эмбриогенз позвоночных протекает с участием политении материнского генома. До 16-го дробления клетки сохраняют тотипотен-тность, в дальнейшем утрачиваемую [10].
Воспроизведение молекул ДНК - основная задача деления клеток - можно сказать, что это вообще основная задача жизни почти во всех ее проявлениях. Пред делением (митозом или мейозом) хроматиды, соответствующие одной гигантской спирализованной молекуле ДНК, сцепленной с сопутствующими белками - гистонами, синтезируют на матрице собственной исходной молекулы копии ДНК. В меристематических клетках-инициалях синтезируется множество политенных копий ДНК (в разных хромосомах - одинаковое число). Политения - средство защиты яйцеклеток, меристем и фотосинтезирующих клеток от давления мутаций. Последовательности нуклеотидов в одной или нескольких нитях ДНК при несоответствии стандарту можно скорректировать согласно преобладающему варианту. Поделившиеся клетки с разным уровнем по-литении обретают разную судьбу.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущей научной школы РФ НШ-6959.2010.4
Библиографический список
1. Антонова, Г.Ф. Рост клеток хвойных / Г.Ф. Антонова. - Новосибирск: Наука, 1999. - 232 с.
2. Астраханцева, Н.В. Зависимость дыхания ствола сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) от анатомического строения и развития тканей флоэмы и ксилемы: автореф.... дисс. канд. биол. наук 03.00.05 и 03.00.16 / Н.В. Астраханцева - Красноярск, 2009. - 19 с.
3. Баранцева, Л.М. Цитофизиологический анализ развития архегония Pinus sibirica Du Tour.: автореф. дисс. ... канд. биол. наук / Л.М. Баранцева. - М.: МГУ, 1992. - 21 с.
4. Ермаков, И.П. Содержание ДНК в яйцеклетке Pinus sibirica Du Tour, на разных стадиях ее развития /
И.П. Ермаков, Н.П. Матвеева, Л.М. Баранцева // Докл. АН СССР, 1980. - Т. 251. - № 1. - С. 254-256.
5. Забуга, Г.А. Дыхательный газообмен СО2 растущего ствола сосны обыкновенной: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук 03.00.12 / Г. А. Забуга. - Иркутск: Сиб. ИФиБР СО АН СССР, 1985. - 18 с.
6. Иванов, Л.А. Анатомия растений / Л.А. Иванов.
- Л.: Гослестехиздат, 1939. - 264 с.
7. Исаков, Ю.Н. Обнаружение спонтанных гаплоидов у сосны обыкновенной и перспективы их использования в лесной генетике и селекции / Ю.Н. Исаков, А.К. Буторина, Л.С. Мурая // Генетика, 1981. - Т. 14. - № 4. - С. 701-707.
8. Коровин, В.В. Строение стебля древесных растений при аномальном росте: учеб. пос. / В.В. Коровин, Г. А. Курносов. - М.: МГУЛ, 2004. - 194 с.
9. Ловелиус, Н.В. Дендроиндикация / Н.В. Ловелиус.
- С-Пб: Петровская акад. наук и искусств, 2000.
- 313 с.
10. Мазунин, И.О. Митохондрии: жизнь в клетке и ее последствия / И.О. Мазунин, Н.В. Володько // Природа, 2010. - № 10. - С. 3-14.
11. Мокроносов, А.Т. Фотосинтетическая функция и целостность растительного организма.(42-е Тимирязевское чтение) / А.Т. Мокроносов. - М.: Наука, 1983. - 64 с.
12. Мэзия, Д. Митоз и физиология клеточного деления, пер. с англ. / Д. Мэзия. - М.: Иностранная лит-ра, 1963. - 430 с.
13. Романовский, М.Г. Гаметогенез и эмбриогенез сосны обыкновенной. Гипотезы и мифы / М.Г. Романовский // Научные труды МГУЛ, 1999. - Вып.297.
- С. 23-28.
14. Романовский, М.Г. Формирование годичного кольца древесины и дыхание ствола у сосны и дуба / М.Г. Романовский, В.В. Коровин, Д.Е. Румянцев // Вестник МГУЛ-Лесной вестник, 2009. - № 1 (64).
- С. 34-38.
15. Романовский, М.Г. Система вида у лесных деревьев / М.Г. Романовский, Р.В. Щекалев. - СПб, 2011.
16. Шипицына, Е.Ю. Оптимизационное моделирование радиального прироста ствола хвойных: автореф. дисс. ... канд. биол. наук / Е.Ю. Шипицына
- Красноярск: СибГТУ 2007. - 22 с.
17. Bailey I.W. Phenomen of cell division in the cambium of arborescent gymnosperms and their cytological significance // Proc. Nat. Acad. Sci. 1919. V. 5. P. 8. Bailey I.W. The increase in girth of the cambium // Amer. Journ. Bot. Vol. 10. 1923. P.
19. Dogra P.G. Seed sterility and disturbances in embryogeny in Conifers with particular reference to seed testing and tree breeding in Pinaceae // Studia Forestalia Suecica. 1967. Nr 45. 95 p.
20. Frits H.C. The tree rings and climate. London, New York, San Fransisco, 1976. 567 p.
21. Maksymowich R. Analysis of leaf development. Cambridge: Univ. press, 1973. 109 p.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
77
