Мезоструктура фотосинтетического аппарата листа в онтогенезе Panax ginseng C.A. Mey. из природных и культивируемых популяций Приморья

Женьшень настоящий (Panax ginseng С. А. Меу.: сем. Araliaceae) — ценное лекарственное растение. P. ginseng является реликтом третичной флоры, в настоящее время приобрел статус исчезающего растения 1 категории редкости (Харкевич, Качура, 1981) и занесен в Красную книгу РСФСР (Красная., 1988). Российское Приморье является единственным местом на Земле, где P. ginseng сохранился в дикорастущем виде. Запасы этого вида предельно истощены в результате незаконного сбора растений браконьерами, о чем постоянно сигнализируют статьи в публичной печати («Май — пора женьшеня?», Красное знамя от 11.05.03- «Корень жизни», Мир в доме от 23.05.03- «Дикоросы из питомника», Владивосток от 04.06.02). Для определения стратегии выживания вида необходимо проведение всестороннего комплексного изучения этого индивидуума, что является основным положением выполнения программы по реинтродукции женьшеня — восстановлению вида в пределах бывшего ареала (Краевая., 1998). P. ginseng еще недавно обитал на юге Дальнего Востока России, севере Китая и в Корее (рис. 1). В настоящее время в двух последних странах растения P. ginseng в дикорастущем виде не встречаются, хотя в большом количестве культивируются на плантациях. Культивируемые формы, к сожалению, не сохраняют разнообразия признаков, присущих виду в целом. Поэтому в анализе наиболее важным моментом было изучение особей из их естественных местообитаний.

Охрана таких видов ставит перед исследователем задачу выявления их полиморфизма различными методами исследования. Генетические методы давно применяются в изучении растений. Однако при исследовании генетического полиморфизма не учитываются продуктивность, адаптивность и онтогенетические аспекты, поэтому А. Т. Мокроносов (1978, 1981) предложил комплексный подход оценки функциональной активности растений в онтогенезе, который объединяет тканевый и клеточный уровни организации фотосинтетического аппарата растений. Использование мезоструктурного анализа даст ценную информацию в изучении биологии P. ginseng. Для выяснения диапазона варьирования мезоструктурных признаков в пределах этого вида привлекались и изучались растения P. ginseng с различных точек ареала. Кроме того, географическое положение района исследования, которое охватывает обширную часть современного ареала P. ginseng, позволяет выявить особенности организации фотосинтетического аппарата этого вида, связанные с адаптацией.

Цель и задачи исследований.

Цель работы заключалась в изучении мезоструктуры листа на различных этапах жизненного цикла растений P. ginseng, произрастающих в естественных местообитаниях и возделываемого в культуре.

Для выполнения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить онтогенез P. ginseng в условиях плантации и особенности возрастной структуры природных популяций.

2. Оценить связь мезоструктурных характеристик с определенными возрастными состояниями P. ginseng в естественных местообитаниях и в условиях плантации.

3. Изучить мезоструктуру листа P. ginseng в сравнении с другими видами сосудистых растений из разных экологических групп.

4. Провести сравнение структуры мезофилла листа P. ginseng с другими видами семейства Araliaceae.

5. Выявить мезоструктурные и морфологические признаки листа, по которым имеются существенные различия между растениями P. ginseng из природных популяций.

Работа выполнена в лаборатории биотехнологии Биолого-почвенного института ДВО РАН под руководством академика Ю. Н. Журавлева. Работа частично поддержана грантом ДВО РАН (проект № 04−1-П12−033) «Молекулярные и эколого-физиологические маркеры в популяционно-генетических исследованиях редких видов растений Дальнего Востока». Основные положения, выносимые на защиту.

1) В условиях плантации у P. ginseng 3 возрастных периода и 8 возрастных состояний. Онтогенез плантационного P. ginseng неполночленный с продолжительным генеративным периодом.

2) Адаптация растений к условиям среды на структурном уровне происходит путем изменений количественных параметров мезофилла листа.

3) Женьшень по количественным показателям мезоструктуры листа обнаруживает сциоморфную структуру — низкое пластидное наполнение листа, низкие мембранные индексы клеток и хлоропластов и очень крупные размеры хлоропластов.

4) Плантационные растения P. ginseng разных онтогенетических групп достоверно отличаются по основным количественным показателям структуры мезофилла листа.

Научная новизна.

Впервые исследованы структурно-функциональные характеристики ассимиляционного аппарата P. ginseng в пределах его современного ареала в Приморском крае. Определены структурные признаки фотосинтетического аппарата и диапазоны их варьирования в пределах одного вида. Впервые проведено описание возрастных состояний P. ginseng в условиях плантации. Выявлена связь мезоструктурных характеристик листа с возрастом растения в условиях выращивания.

Теоретическая и практическая значимость.

Работа является частью комплексной программы, проводимой в лаборатории биотехнологии по исследованию, сохранению и рациональному использованию ценнейшего лекарственного растения P. ginseng. Полученные оригинальные данные демонстрируют возможность использования «метода мезоструктуры» для изучения особенностей видового уровня в диапазоне условий, наиболее характерных для вида. Анализ причин и закономерностей внутривидовой изменчивости дает ценный материал в выявлении экологического оптимума вида. Сравнительный анализ того же вида в культуре позволяет оценить, насколько условия культуры соответствуют экологическому оптимуму. Результаты исследований могут быть использованы в целях селекции P. ginseng на «светоустойчивость» и для проведения целенаправленного отбора особей по мезоструктурным показателям с целью повышения продуктивности женыпеневых плантаций. Параметры мезоструктуры листа следует использовать в качестве дополнительных диагностических признаков при регуляции светового режима при выращивании этого вида в условиях культуры. Результаты могут быть использованы другими научными учреждениями, в сводках по анатомии, морфологии и экологии растений.

Благодарности.

Мне хотелось бы выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю Ю. Н. Журавлеву за ценные советы, обсуждение и консультации в течение работы над диссертацией. Я признательна O. J1. Бурундуковой за помощь в работе — методическую подготовку, планирование опытов, обсуждение результатов. Я выражаю глубокую благодарность Н. М. Воронковой за помощь в подготовке рукописей статей, за внимание к работе и ценные замечания. Я благодарна сотрудникам Биолого-почвенного института, особенно Т. А. Безделевой, Т. А. Комаровой, Т. И. Музарок, А. Б. Холиной, О. Г. Корень и Е. В. Бурковской за помощь на разных этапах работы над диссертацией. Отдельно хочется поблагодарить бывшего аспиранта Ю. Н. Судакова за предоставленную часть растительного материала, полученного в ходе индивидуальной поездки, а также В. Ю. Баркалова и сотрудницу Горнотаежной станции Н. А. Коляда за помощь в определении видов семейства Araliaceae.

Рис. 1. Ареал женьшеня настоящего в начале прошлого века (1) и в настоящее время (2).

Выводы.

1. В онтогенезе многолетнего травянистого поликарпика P. ginseng в условиях плантации выявлено 3 возрастных периода (латентный, прегенеративный и генеративный) и 8 возрастных состояний. Онтогенез плантационного P. ginseng неполночленный с продолжительным генеративным периодом. Природные популяции являются нормальными, но неполночленными.

2. На основе анализа фототрофных тканей листа выявлена связь мезоструктурных характеристик листа с возрастом растения в условиях плантации. В ходе онтогенеза надземного побега женьшеня настоящего обнаружено ежегодное увеличение числа клеток и хлоропластов в 1 см², ИМК. Размеры устьиц и клеток мезофилла с возрастом растения уменьшались.

3. Для контроля освещенности на плантации по мере развития растений следует использовать признаки числа клеток и хлоропластов в единице листовой поверхности в качестве критериев для отбора в более освещенные условия.

4. Предполагается существование резерва повышения «светоустойчивости» этого вида в условиях плантации за счет отбора растений с максимальной частотой устьиц на листе.

5. Женьшень по количественным показателям мезоструктуры листа обнаруживает сциоморфную структуру, которую отличает низкое пластидное наполнение листа, низкие мембранные индексы ИМК, ИМХ и очень крупные размеры хлоропластов.

6. Отсутствие дифференциации мезофилла листа на губчатую и палисадную ткани у P. ginseng (гомогенный тип мезофилла) выводит его на первый план по числу сциоморфных черт в сравнении с другими дальневосточными представителями семейства Araliaceae. У женьшеня самый тонкий лист, наименьшее число слоев мезофилла, наиболее крупные клетки, наименьшее количество устьиц на единицу площади листа, а устьица наиболее крупные.

7. При оценке дифференциации природных популяций по мезоструктурным признакам выявлено, что между исследованными образцами в целом наблюдается трансгрессия соответственно географическому положению без их полного обособления. Основными мезоструктурными признаками, дискриминирующими популяции, являются следующие: число хлоропластов в единице площади листа, индекс мембран клеток, число хлоропластов в клетке.

Заключение

.

Проведенное нами исследование, носит комплексный характер: внутренняя структура листа P. ginseng проанализирована в различных аспектахонтогенетическом, демографическом, экологическом и популяционном.

По мезоструктурным показателям этот вид относится к группе тенелюбивых видов. Отдельные показатели (объем пластид и число хлоропластов в единице площади листа), у него приобретают значения, которые считаются пограничными у исследованных видов. По многим показателям он сходен с Asarum europaeum, Oxalis acetosella, Maianthemum bifolium — типичными тенелюбивыми растениями из-под полога леса. По количественным показателям мезоструктуры листа этот вид обнаруживает сциоморфную структуру, которую отличают низкое пластидное наполнение листа, низкие мембранные индексы ИМК, ИМХ и очень крупные размеры хлоропластов.

По результатам проведенной периодизации онтогенеза P. ginseng в условиях плантации можно заключить, что возрастные состояния, которые вид проходит в процессе онтогенеза, сходны в общих чертах с возрастными состояниями, выделенными для ряда многолетних травянистых растений. Однако, генеративный период у него является наиболее продолжительным из всех этапов онтогенеза. В условиях культуры, очень продолжительной по времени, это оправдывается тем, что ценность корней этого растения зависит от содержания гинзенозидов — соединений, которые являются вторичными метаболитами, и на их накопление требуется значительное время.

Изучая мезоструктуру листа P. ginseng, была выявлена возрастная динамика параметров количественной анатомии мезофилла листа, направленная в сторону его гелиоморфности, т. е. формирования структуры фотосинтетического аппарата более «светового» типа. Возрастные изменения мезоструктуры листа более четко прослеживаются у плантационного женьшеня, чем у дикорастущего. Это объясняется, во-первых, выборками растений: у культивируемого были представлены практически все возрастные состояния, за исключением сенильного, а у дикорастущеговегетативные и генеративные особи, причем зрелые генеративные отсутствовали. Во-вторых, несмотря на то, что в условиях плантации погодичная возрастная динамика мезоструктуры листа в целом имела место, однако говорить об этом можно только как о тенденции, потому что разница некоторых показателей между отдельными парами лет находилась в пределах ошибки измерения. Достоверная разница чаще наблюдалась между парами, разделенными 1−2 годами жизни. По-видимому, если бы возрастные группы дикорастущего P. ginseng были представлены более полно, то и возрастные изменения мезоструктуры листа имели бы другой характер.

При повторении опыта по выявлению возрастной изменчивости мезоструктуры листа было обнаружено, что выращивание растений при различных условиях притенения: деревянные навесы в одном случае и травяные матрацы в другом, сильно влияет на мезоструктурные показатели. Несмотря на то, что возрастная динамика мезоструктурных показателей была аналогична описанной ранее, число клеток в 1 см² листа и производные от этой величины признаки были значительно ниже в искусственной популяции с травяными матрацами, что связано с более низкой освещенностью, которая составляла всего 10−15% от полной солнечной освещенности.

Полученные данные позволяют оценить сложившуюся практику выращивания и объяснить ряд фактов, известных из литературы. Изучение светового режима этого растения показало, что всходы и однолетние побеги страдают от прямых солнечных лучей и даже могут погибнуть, а по мере дальнейшего их роста — становятся более выносливыми к повышению интенсивности света и хорошо развиваются при 50−60%-ной солнечной радиации (Беликов и др., 1960; Воробьева, 1960). Нами установлено что, практикуемое искусственное притенение растений на плантации, неизменное в течение всего периода развития P. ginseng, ограничивает потенциальные фотосинтетические возможности этого растения в последние годы его культивирования. Постепенное повышение освещенности с увеличением возраста растений позволит повысить продуктивность женыненевых плантаций. В идеале это представляется так, что за весь период развития растений (примерно 6 лет) необходимо использовать 3 типа притенителей, но будет ли это рентабельнонеизвестно. Например, американские женыненеводы пользуются долговечными съемными полимерными покрытиями, которые сильно удорожают процесс выращивания (Журавлев, Коляда, 1996).

По результатам анализа индивидуальной изменчивости количественных показателей устьиц листа у генеративных особей P. ginseng одного календарного возраста было установлено, что уровень изменчивости числа устьиц на 1 см листа выше, чем уровень изменчивости длины замыкающих клеток устьиц. Предполагается существование резерва повышения «светоустойчивости» этого вида в условиях плантации за счет отбора растений с максимальной частотой устьиц на листе.

Анализ природных популяций P. ginseng обнаружил большое сходство количественной анатомии мезофилла листа Спасской популяции с Хасанской, нежели с Чугуевской. Меньшая толщина листьев Хасанских растений в сравнении со Спасскими позволяет функционально распределить концентрацию фотосинтетических элементов в единице листовой поверхности. Однако снижение фотосинтетического потенциала единицы листа Хасанских растений незначительно и оно компенсируется высоким содержанием пластид в клетках и более продолжительным вегетационным периодом. У Чугуевских растений хлоропласта были достоверно крупнее. С учетом этих особенностей образцы Чугуевских особей имели закономерное расположение в поле 2 канонических переменных, отвечающих за объем пластид, также у этих растений были достоверно меньше значения числа клеток и хлоропластов в единице листовой поверхности. Общая поверхность мембран клеток в расчете на единицу площади листа (индекс мембран клеток, ИМК) равна произведению средней площади поверхности одной клетки и числа клеток в этой площади. Поэтому ИМК Чугуевских растений был равен 4 см2/см2, в то время как для Хасанских и Спасских он равнялся 5.5−6 см2/см2. Эти параметры имеют высокую положительную корреляцию с проводимостью мезофилла, так что полученные данные демонстрируют снижение листового сопротивления диффузии С02 растений вдоль градиента увеличения светового довольствия и температуры.

Изменчивость мезоструктурных признаков по результатам проведенного анализа была больше в искусственных популяциях, чем в природных. Интересен тот факт, что, по данным авторов, более высокий уровень генетической изменчивости, рассчитанный по аллозимным маркерам, установлен в искусственных популяциях P. ginseng (Корень, 2001; Koren et al., 1998; Koren et al, 2003).

Если сравнительный анализ растений P. ginseng разных возрастных групп, разных популяций, разных плантаций затрагивал в основном 2 группы параметров мезофилла листа — количественные и объемные, то в сравнительный анализ с другими представителями семейства были вовлечены такие признаки, как типы мезофилла, число слоев мезофилла, форма клеток, а также жизненные формы, плоидность и экология видов. Тенденция изменчивости количественных показателей анатомии мезофилла листа хорошо объясняется принадлежностью видов семейства к разным жизненным формам. В ряду жизненных форм древесные (Aralia elata, Kalopanax septemlobus), кустарниковые (Oplopanax elatus, Eleutherococcus sessiliflorus, E. senticosus) и травянистые растения (P. ginseng, A. continental, A. cordata) наблюдается уменьшение количества устьиц, клеток и хлоропластов в единице листовой поверхности, увеличение размеров замыкающих клеток устьиц и клеток мезофилла. В направлении от тенелюбивых гигрои мезофитов (О. elatus, P. ginseng) к светолюбивым (A. elata, К. septemlobus) увеличивалась доля участия палисадной ткани в формировании фотосинтетического потенциала листа. Увеличение внутренней поверхности листа вдоль градиента увеличения освещенности местообитаний и уменьшения влажности происходит за счет постепенного возрастания количества и общей поверхности палисадной ткани. Таким образом, вдоль градиента увеличения освещения и возрастания дефицита влаги происходит увеличение степени дифференциации мезофилла (от гомогенного типа к дорзовентральному), происходит выравнивание и даже изменение соотношения палисадной ткани к губчатой в пользу первой (например, у К. septemlobus). У древесных видов палисадные клетки имеют форму типичных, т. е. форму цилиндров с закругленными концами, в то время как у кустарников и травянистых многолетников палисадные клетки имеют не типичную форму, а дланевидную, хотя «упакованы» они типично для палисадной паренхимы. Структура мезофилла листа A. elata и К. septemlobus характеризует их как виды с широким диапазоном экологической приспособляемости. Так, К. septemlobus обладает самым протяженным ареалом из всех дальневосточных аралиевых (Журавлев, Коляда, 1996). Полученные нами результаты хорошо согласуются с представлениями об адаптивных возможностях растений, а именно то, что виды, обладающие дорзовентральным типом мезофилла, имеют широкую экологическую амплитуду и, напротив, виды с гомогенным и изолатеральным типами мезофилла считаются узкоспециализированными.