ДИНАМИКА СТРУКТУРЫ КЛЕТОК МЕЗОФИЛЛА
ДВУХЛЕТНЕЙ ХВОИ ABIES SIBIRICA LEDEB
Научные интересы: ультраструктура и СО2-газообмен хвойных растений Хлорофиллоносная паренхима является основной фотосинтезирующей тканью листа. Структурные изменения в клетках мезофилла растущей хвои описаны у Abies balsamea (L.) Mill [16], Taxus baccata L. [17], T. cuspidata Sieb. et Zuss. [1], Picea abies (L.) Karst [6, 20], Pinus sylvestris L. [4, 5], P. nigra Arn. [15]. Основным донором ассимилятов для формирующихся побегов хвойных деревьев является двухлетняя хвоя [14]. В свою очередь ростовые процессы могут вызывать структурные и функциональные перестройки в тканях многолетней хвои. Чтобы выявить структурные изменения в двухлетней хвое пихты сибирской, связанные с ростом однолетних побегов, мы проанализировали сезонную динамику количественных параметров компонентов в клетках мезофилла. С этой целью были отобраны два дерева пихты 80-100-летнего возраста, произрастающие в смешанном сосново-еловом древостое черничного типа (3Е3С3Ос1Бед.Пх). Для электронно-микроскопических исследований хвою фиксировали в 2.5 %-ном растворе глутарового альдегида, приготовленном на фосфатном буфере с рН 7.4 с добавлением таннина в течение 4.5 ч. Вторичную фиксацию проводили в 1 %-ном растворе четырехокиси осмия. После промывки в серии этилового спирта и ацетона образцы заключали в смолу "Эпон". Срезы готовили на ультрамикротоме "Tesla" (Чехия) и просматривали в электронном микроскопе "Tesla-500" (Чехия). Морфометрию срезов проводили по методике [11]. У однолетних побегов пихты сибирской начало развития хвои вне почки было отмечено в первой декаде июня. В период выхода из почки длина хвои у данной породы достигала уже 30, а масса – 10 % конечных величин. Линейный рост побегов пихты завершался в конце июня – начале июля. В сформированной хвое пихты мезофилл занимает 65 % объема. Под эпидермой клетки мезофилла располагаются в один ряд, прерывающийся в области устьиц. Система межклетников более развита в центральной зоне мезофилла. Количественные параметры клеточных компонентов этой ткани менялись в течение года. В летний период наблюдали снижение парциального объема гиалоплазмы и увеличение парциального объема вакуолей (рис. 1). Зимой отмечена обратная динамика объемных параметров данных структур. В этот период года цитоплазма сильно вакуолизирована, органеллы смещены от клеточных оболочек в центр клетки. Сходная тенденция сезонных преобразований в клетках мезофилла была описана у листьев других вечнозеленых растений [3, 8]. Число хлоропластов на срез клетки мезофилла в хвое пихты в течение года практически не менялось. Однако в них отмечена заметная перестройка гранальной системы (табл. 1). Зимой в хлоропластах увеличивалось число двойных тилакоидов и снижалось число гран, имеющих три и более тилакоидов. Летом в пластидах постепенно снижалось число двойных тилакоидов и возрастало число многотилакоидных гран. Наиболее насыщены тилакоидами хлоропласты в сентябре. Зимой крахмальные гранулы в хлоропластах мезофилла отсутствовали и появлялись лишь весной (рис. 2а, б). Эта закономерность в динамике крахмальных гранул была отмечена у листьев других зимующих вечнозеленых растений [3, 16, 19]. Парциальный объем крахмальных гранул в хвое пихты возрастал в июне, в июле снижался почти в десять раз. Размер крахмальных гранул существенно сказывался на общей площади среза хлоропласта. Наиболее крупные хлоропласты отмечены в июне–начале июля, а самые мелкие – зимой. Осенью пластиды теряли линзовидную форму и образовывали инвагинации в цитоплазму (рис. 2г). Таким образом, рост однолетних побегов не повлиял на динамику гранальной структуры хлоропластов двухлетней хвои. В то же время снижение содержания крахмала в хлоропластах в середине вегетации, вероятно, является результатом активного оттока ассимилятов из двухлетней хвои к формирующимся однолетним побегам. Изменение соотношения числа гран и двойных тилакоидов стромы в хлоропластах мезофилла пихты зимой является, по всей видимости, приспособительной реакцией мембранного комплекса пластид к отрицательным температурам. Появление амебовидных хлоропластов некоторые авторы также рассматривают как реакцию клеток на воздействие низких температур [18]. В отличие от хлоропластов, митохондрии в клетках мезофилла имели в течение года более постоянные размеры (табл. 1). Число митохондрий сохранялось высоким зимой, весной и в начале лета. Однако этот показатель резко снижался в конце июня – начале июля и снова возрастал в сентябре. О снижении числа митохондрий в середине вегетации у хвойных растений сообщали ранее другие авторы [1]. Вероятно, уменьшение числа митохондрий в хвое пихты в середине вегетационного периода является результатом оттока белкового азота из двухлетней хвои к растущим однолетним побегам [13]. Это приводит к снижению синтеза структурных компонентов цитоплазмы и ее органелл. Во второй половине вегетации увеличение числа митохондрий в клетках мезофилла совпало с накоплением в цитоплазме глобул запасных веществ. Эти вещества являются необходимым энергетическим и структурным субстратом для интенсивных биосинтетических процессов в хвое осенью, в период подготовки растений к зиме. В световом микроскопе крупные включения запасных веществ в листьях вечнозеленых растений описаны Л.И. Джапаридзе и названы "месекретом" (цит. по [2, с. 104]). С помощью гистохимических реакций показано, что эти глобулы не являются липидами, крахмалом или белком и способны изменять свою форму в течение года [2]. В описаниях ультраструктуры клеток ассимиляционной паренхимы листа у хвойных растений динамике числа и структуры включений запасных веществ уделяется недостаточно внимания. В мезофилле хвои пихты четко различаются две группы включений: липидные глобулы, имеющие небольшие размеры и высокую электронную плотность, расположенные обычно вдоль клеточных оболочек, и полисахаридные глобулы, отличающиеся более крупными размерами и меньшей электронной плотностью (рис. 2в, г). Число липидных глобул в клетках мезофилла двухлетней хвои возрастало зимой и достигало максимальных значений весной (табл. 2). В июне-июле, в период активного роста однолетних побегов, они исчезали и снова появлялись осенью. Сезонная динамика числа липидных глобул имела сходство с динамикой содержания нейтральных липидов, описанной у хвои сосны [9]. Авторы полагают, что нейтральные липиды являются источником энергии и субстрата для обменных процессов в клетках мезофилла в анаэробных условиях зимой. Однако, липиды, в частности ненасыщенные жирные кислоты, способны регулировать сопряженность процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях, обеспечивая устойчивость клеток к холоду [10]. Поэтому сезонная динамика числа и размеров липидных глобул может быть связана также с изменением дыхательных путей в клетках мезофилла хвои. Полисахаридные глобулы в клетках мезофилла пихты зимой и весной отсутствовали и были обнаружены лишь в июле, в период снижения размеров крахмальных гранул в хлоропластах. Число полисахаридных глобул составляло одну-две на срез клетки, а их средний диаметр в четыре-пять раз превышал диаметр липидных глобул. Некоторые из этих глобул имели светлые пятна, что свидетельствовало о возможности их ферментативного лизиса. Согласно биохимическим данным в середине вегетационного периода выявляются два пика в содержании нерастворимых углеводов в двухлетней хвое: первый связан с накоплением крахмала, второй – лабильных гемицеллюлоз [12]. Поэтому крупные глобулы запасных веществ в цитоплазме клеток мезофилла пихты, вероятно, состоят из гемицеллюлоз. Их образование в период снижения содержания крахмала в хлоро-пластах косвенно доказывает переход пула запасных углеводов из пластид в цитоплазму. Это может способствовать повышению скорости ассимиляции СО2, так как крахмал, образующийся в избытке в хлоропластах, ингибирует нетто-ассимиляцию углекислоты [7]. В период зимнего покоя полисахаридные глобулы в клетках мезофилла не обнаружены. Вероятно, еще осенью они превращаются в сахара, повышая устойчивость клеток хвои к низким отрицательным температурам, или используются для формирования структурных компонентов цитоплазмы, парциальный объем которых в этот период заметно увеличивается. Таким образом, нами рассмотрены структурные аспекты донорно-акцепторных отношений хвои однолетних и двухлетних побегов пихты. Ростовые процессы не отражаются на динамике гранальной структуры хлоропластов в мезофилле многолетней хвои, однако вызывают снижение содержания в них крахмала. Рост однолетней хвои приводит к уменьшению числа митохондрий в мезофилле двухлетней хвои. Их число снова возрастает осенью, в период подготовки растений к зимнему покою. Во второй половине вегетационного периода в многолетней хвое активизируются процессы синтеза запасных веществ, на что указывает увеличение числа липидных и полисахаридных включений в цитоплазме клеток мезофилла. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 99-04-49263). ЛИТЕРАТУРА 1. Алексеева О.А. Возрастные и сезонные изменения структуры хлоропластов и митохондрий в клетках мезофилла тисса остроконечного: Автореф. дис. … канд. биол. наук. СПб, 1991. 16 с. 2. Барская Е.И. Изменения хлоропластов и вызревание побегов в связи с морозоустойчивостью древесных растений. М.: Наука, 1967. 223 с. 3. Гамалей Ю.В., Куликов Г.В. Развитие хлоренхимы листа. Л.: Наука.1978. 192 с. 4. Загирова С.В. Структура ассимиляционного аппарата и СО2-газообмен у хвойных. Екатеринбург: Наука. 1999. 107 с. 5. Кондратьева В.П., Веселкова Л.Л. Сезонные изменения морфолого-анатомического строения хвои сосны обыкновенной в условиях Карелии // I Всесоюз. конф. по анатомии растений. Л., 1984. С. 75-76. 6. Ладанова Н.В., Тужилкина В.В. Структурная организация и фотосинтетическая активность хвои ели сибирской. Сыктывкар, 1992. 100 с. 7. Мокроносов А.Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза. М.: Наука, 1981. 196 с. 8. Новицкая Ю.Е. Адаптация сосны к экстремальным факторам среды // Физиолого-биохимические основы роста и адаптации сосны на Севере. Л.: Наука. 1985. С. 113-131. 9. Родионов В.С., Ильинова М.К. Ритмичность сезонных колебаний в содержании и жирнокислотном составе липидов хвои сосны // Экофизиологические исследования древесных растений / Под. ред. В.В. Габуковой и др. Петрозаводск, 1987. С. 36-50. 10. Скулачев В.П. Энергетические механизмы внутриклеточного дыхания (XXIV Баховские чтения). М.: Наука, 1971. 19 с. 11. Скупченко В.Б. Морфометрия на экране электронного микроскопа // Ботан. журн., 1990. Т. 75, № 10. С. 1463-1467. 12. Софронова Г.И. Углеводный обмен // Физиолого-биохимические основы роста и адаптации сосны на Севере.. Л.: Наука, 1985. С. 30-42. 13. Чикина П.Ф. Азотный обмен // Там же. С. 57-77. 14. Юшков В.И. Некоторые особенности распределения ассимилированного углерода-14 у сосны обыкновенной // Тр. Ин-та экологии растений и животных АН СССР. Свердловск, 1976. Вып. 100. С. 14-22. 15. Campbell R. Electron microscopy of development of needles of Pinus nigra var. maritima // Ann. Bot., 1972. Vol. 36. P. 711-720. 16. Chabot J.F., Chabot B.F. Developmental and seasonal patterns of mesophyll ultrustructure in Abies balsamea // Can. J. Bot., 1975. Vol. 53. P. 295-304. 17. Cunninghame M.E., Bowes B.G., Hillman J.R. An ultrastructural study of foliar senescence in Taxus baccata L. // Ann. Bot., 1979. Vol. 43. P. 527-538. 18. Hudak J. The occurrence of amoeboid plastids // Acta Univ. Carol. Biol., 1997. Vol. 41. № 1-2. P. 67-73. 19. Soikkeli S. Seasonal changes in mesophyll ultrastructure of needles of norway spruce // Can. J. Bot., 1978. Vol. 56. P. 1932-1940. 20. Sutinen S. Cytology of norway spruce needles.1.Changes during aging // Europ. J. Forest. Pathol., 1987. Vol. 17. P. 66-73.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3383 посещений с 31.12.2001 |