Структурно-функциональная организация микоризных корневых окончаний Picea obovata Ledeb

Актуальность темы

Микориза, как симбиотическая ассоциация мицелия гриба с корнями, образуется у 82% видов наземных и некоторых водных растений (Brundrett, 2002). В микоризообразовании у древесных на Севере участвует более 400 видов грибов (Шубин, 2005). Симбиоз с грибами способствует выживанию хвойных растений в условиях холодного климата (Харли, 1963; John, Coleman, 1983; Каратыгин, 1993). В настоящее время для совершенствования классификации микориз, разработанной ботаниками в прошлом веке (Доминик, 1963; Семенова, 1980аСеливанов, 1981), активно используются методы молекулярно-генетических исследований (Agerer, 2001; Brundrett, 2004 и др.). Большое внимание уделяется изучению экологической роли микоризных ассоциаций в биогеоценозах (Garbaye, 1991; Buscot et al., 2000 и др.), физиологических, генетических и молекулярных механизмов взаимоотношения микобионта и растения (Buscot et al., 2000; Nehls et al., 2001;. Redecker, 2002; Ostonen, Lohmus, 2003 и др.). Данные о структурно-функциональной организации микоризных корневых окончаний ели сибирской немногочисленны. В литературе имеются сведения о морфологии эктомикориз ели (Катенин, 1972; Бобкова, 1987), их анатомической структуре в естественных и антропогенно нарушенных фитоценозах (Селиванов, 1981; Веселкин, 1999).

Цель и задачи исследования

Цель работы заключалась в выявлении закономерностей структурной и функциональной организации микоризных корневых окончаний ели сибирской Picea obovata Ledeb., произрастающей в хвойных фитоценозах европейского Северо-Востока России. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Выявить вариабельность анатомической структуры эктомикориз в разных типах хвойных фитоценозов;

2. Изучить сезонную динамику роста и анатомической структуры эктомикориз;

3. Исследовать сезонную динамику количества Сахаров и интенсивности дыхания корневых окончаний;

4. Выявить сопряженность пространственного распределения корневых окончаний и микроорганизмов в органогенном горизонте почвы елового фитоценоза.

Научная новизна. Впервые описана вариабельность анатомической структуры микоризных корневых окончаний ели сибирской, произрастающей в разных типах хвойных сообществ на территории европейского Северо-Востока России. Ухудшение гидротермических условий приводило к снижению размеров микоризных окончаний, толщины и объемной доли грибного чехла. Получены новые данные о сезонной динамике количественных параметров структуры эктомикориз ели, дыхания и содержания растворимых углеводов в микоризных корневых окончаниях. Показано, что в связи с высокой функциональной активностью в микоризах количество растворимых углеводов ниже, чем в тонких проводящих корнях. Выявлена сопряженность пространственного распределения микоризных корневых окончаний и численности микроорганизмов в лесной подстилке елового фитоценоза.

Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть использованы при комплексной оценке биосферной функции хвойных лесов на европейском Северо-Востоке России, при разработке научных основ создания высокопродуктивных хвойных насаждений методами искусственного и естественного лесовосстановления. Материалы работы могут быть включены в учебные дисциплины «Анатомия и морфология высших растений», «Экология» естественнонаучных факультетов ВУЗов. Работа выполнена в рамках госбюджетной темы отдела лесобиологических проблем Севера Института биологии «Зональные закономерности динамики фитоценозов, обмена веществ и энергии в лесных экосистемах европейского Северо-Востока» (№ Гр 0120.0 603 504), а также при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН.

Биоразнообразие и генетика генофондов", международного проекта CarboNorth.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на молодежных конференциях Института биологии Коми НЦ «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2005, 2006, 2007), молодежной конференции Молодых ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2006), Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга: научный и образовательный аспекты» (Киров, 2006), международных конференциях молодых ученых-ботаников «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Киев, 2006, 2007), Всероссийской конференции молодых ученых «Экология от Арктики до Антарктики» (Екатеринбург, 2007), Международной конференции «Лесное почвоведение: итоги, проблемы, перспективы» (Сыктывкар, 2007), Втором Съезде микологов России (Москва, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе две в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАКом.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 142 страницах, состоит из шести глав, списка литературы и трех приложений. В тексте использовано 15 таблиц и 30 рисунков.

Список литературы

включает 244 источника, из них 118 зарубежных авторов.

Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность за всестороннюю поддержку и общее руководство работой научному руководителю д.б.н. С. В. Загировой. Благодарю к.б.н., доцента отдела почвоведения Ф. М. Хабибуллину за помощь в определении микромицетов, сотрудника отдела Ботанический сад к.х.н. В. В. Пунегова и Н. В. Лиханову за помощь при разработке методики определения Сахаров, сотрудников экоаналитической лаборатории к.х.н., доцента И. В. Груздева за идентификацию Сахаров и A.M. Естафьеву за определение азота и углерода в корнях. Признательна за помощь в проведении сбора материала и их обработку А. И. Патову и Н. В. Герлинг. Благодарна к.б.н., доценту лаборатории физиологии растений С.П.

Масловой за подробное обсуждение и замечания по диссертации. Благодарна всем сотрудникам отдела лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми НЦ УрО РАН за обсуждение и ценные замечания по диссертации. Особая благодарность всем моим родным, близким и друзьям за поддержку и понимание.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

AM — везикулярно-арбускулярная микориза.

АрМ — арбутоидная микориза бв — боковой вырост.

БС — бесструктурный.

ГЖХ — газожидкостная хроматография.

Д — доминантный.

ДВ — двойной.

КАА — крахмало-аммиачный агар км — клетки меристемы кп — коровая паренхима м — микориза.

ММ — монотропоидная микориза МПА — мясо-пептонный агар мч — микоризный чехол НМ — немикоризный ОМ — микориза орхидных п — перицикл.

ПД — псевдопаренхиматический ПЛ — плектенхиматический пп — проводящий пучок Р — редкий тк — таниновые клетки.

Ч — частый.

ЭМ — эктомикориза.

ЭрМ — эрикоидная микориза.

ЭЭМ — эктэндомикориза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В таежной зоне европейского Северо-Востока России ель сибирская находится в облигатном взаимодействии с эктомикоризными грибами, что приводит к микоризации практически всех сосущих корней, формирующихся в лесной подстилке. Микориза ели представлена, как правило, простыми, булавовидными или папоротниковидными формами от светлого до почти черного цвета. Типы эктомикориз различаются строением грибного чехла и количественными характеристиками морфо-анатомической структуры.

В средней тайге в естественных местообитаниях у ели сибирской описано 12 подтипов грибных чехлов, в том числе плектеихиматические (подтипы А, В, С, D, Е), псевдопаренхиматические (подтипы F, G, Н, I), двойные (подтипы К, N) и бесструктурные (подтип RS). Наиболее часто встречались чехлы подтипов В (56−58%) и, А (13−24%). Заметным обилием (до 50% общего числа) характеризовались микоризы с чехлами F, G. В целом, микоризные корни ели в лесной подстилке торфянисто-глееватых почв чернично-сфагнового сообщества характеризовались более высокой встречаемостью псевдопаренхиматических и отсутствием двойных чехлов. Однако при этом наблюдали снижение количественных показателей анатомической структуры эктомикориз, таких как толщина и объемная доля чехла в микоризе.

В ельнике черничном и ельнике чернично-сфагновом разнообразие микоризных чехлов у ели характеризовалось сезонной динамикой. В начале вегетации в обоих типах сообществ преобладали чехлы плектенхиматического типа, редко встречались бесструктурные, а псевдопаренхиматические чехлы отсутствовали. Увеличение частоты встречаемости плектенхиматических типов чехлов совпадало с началом роста микоризных корневых окончаний. В последующем появлялись микоризы более сложного строения с хорошо структурированными чехлами, увеличивалось разнообразие их типов. Доля бесструктурных грибных чехлов повышалась к концу вегетации, что указывало на старение микориз. i бъемная доля грибного чехла в эктомикоризе ели варьировала от 4 до 47%. [аименыиие значения толщины и объемной доли грибного чехла выявлены в. ачале вегетации и в июле, наибольшие — в июне, августе и конце вегетации.

В условиях крайне северной тайги было обнаружено 3 подтипе грибных чехлов: плектенхиматические (А и В) и бесструктурные (RS), npi этом обилие чехлов с подтипом, А было максимальным и достигало Высокое обилие БС чехлов (20 — 30%) указывает на снижени" функциональной активности микоризных корневых окончаний с ухудшение! эдафических и гидротермических условий на крайнем Севере. Ухудшен*^ гидротермических условий в сфагновых типах сообществ крайне севернс тайги приводило также к снижению средних показателей размере эктомикориз, толщины и объемной доли грибного чехла.

Дыхание является одним из важных показателей функциональнс^^==:^ состояния организма. В сезонной динамике выявлено два максимума интенсивности дыхания: в начале и конце вегетации. Скорость дыха: микоризных корневых окончаний ели в двух типах фитоценозов не все достоверно различалась и при одной и той же температуре в камере им^ близкие величины. Высокая интенсивность дыхания корней на началь фазах роста в длину свидетельствует об интенсивных синтетичес^ процессах в растущих клетках. В суточной динамике прослеживает возрастание скорости выделения СО2 корнями в послеполуденные часы^ связано с увеличением температуры и притоком фотоассимилятов из kj^v^ дерева. Общее содержание углерода в микоризных корневых окончаньз течение вегетационного сезона практически не менялось. Однако содерэЕ^ растворимых углеводов снижалось в период активного эктомикоризных корневых окончаний в середине лета. У ели отм сходство в сезонной динамике количества Сахаров и скорости в микоризных корневых окончаний. Сумма всех Сахаров в эктомикориза>^ но ниже, чем в тонких проводящих корнях, что, вероятно, является резул^— высокой функциональной активности микоризных ассоциацис^^. ла.

Том С изменением содержания углеводов, вероятно, связана сезонная динамика структуры эктомикоризных чехлов.

Общее содержание азота в корневых окончаниях снижалось в июле, что было связано, вероятно, с оттоком азотсодержащих веществ в растущие надземные органы ели. Поскольку достаточно большую долю в эктомикоризах занимает грибной мицелий, богатый хитином, наблюдалась тенденция к увеличению количества общего азота в них по сравнению с тонкими проводящими корнями.

Микоризный мицелий является промежуточным звеном в транспорте углерода из растения в почву, что в конечном итоге влияет на численность почвенных микроорганизмов (бактерий, микромицетов, актиномицетов). Было установлено, что численность целлюлозолитических и сахаролитических микроорганизмов в лесной подстилке елового фитоценоза увеличивается на границе проекции кроны ели — области максимального насыщения почвы физиологически активными корнями. В сезонной динамике выявлено два максимума численности микроорганизмов — в июне и августе, что, вероятно, связано с более благоприятными гидротермическими условиями для их развития в лесной подстилке. В подстилке ельника черничного было выделено 60 видов микромицетов, отмечено обилие видов рода Penicillium и Trichoderma. Видовое разнообразие снижалось по направлению от ствола к границе проекции кроны. Сокращение числа видов в приствольном пространстве могло быть связано с влиянием фенольных соединений, вымываемых с поверхности кроны и ствола дерева. Доминирующими микромицетами были Paecilomyces variotii, Penicillium camemberti, Trichoderma polysporum и светлоокрашенные формы стерильного мицелия Mycelia sterilia, что в целом характерно для почв Севера (Аристовская, 1965; Шубин, 1980; Кирцидели, 1999). В составе микромицетов ризопланы эктомикориз ели выделено 13 видов микромицетов, из которых 6 не были обнаружены в лесной подстилке. Среди них доминантными были Penicillium cyclopium, P. sclerotiorum, P. tardum, a также Mycelia sterilia.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Разнообразие типов эктомикориз ели сибирской в хвойных фитоценозах зависит от гидротермических условий в лесной подстилке. Избыточное увлажнение почвы в сфагновых типах ельников приводит к снижению развития микоризных ассоциаций. Корневые окончания ели характеризуются образованием 12 подтипов грибных чехлов в средней и 3 подтипов в крайне северной тайге, среди которых преобладают плектенхиматические чехлы подтипов, А и В.

2. В сезонной динамике доля грибного чехла в объеме эктомикориз ели сибирской варьирует от 4 до 47%. Наименьшие значения толщины и объемной доли микобионта выявлены в начальный период видимого роста микоризных корневых окончаний, характеризующихся развитием плектенхиматических чехлов. С образованием псевдопаренхиматических и двойных чехлов эти показатели возрастают.

3. Прирост микоризных корневых окончаний ели сибирской в течение вегетационного сезона может иметь несколько максимумов. Связь прироста корней с температурой и влажностью лесной подстилки в исследованных фитоценозах была неоднозначной.

4. В период роста корней наблюдали снижение содержания в них Сахаров. Более низкая концентрация растворимых углеводов в эктомикоризах по сравнению с тонкими проводящими корнями связана с их повышенной функциональной активностью. Отмечено сходство в сезонной динамике максимумов в содержании углеводов и интенсивности дыхания корневых окончаний. Более высокое содержание азота в микоризных корневых окончаниях по сравнению с тонкими проводящими корнями, возможно, связано с наличием хитина в клеточных стенках микобионта. 5. В органогенном горизонте почвы ельника черничного средней тайги описано 60, а на поверхности микоризных корней 13 видов микромицетов. Наибольшее количество микроорганизмов в лесной подстилке отмечено на границе проекции кроны, в зоне максимального насыщения физиологически активными корнями ели.