На правах рукописи

Творожникова Татьяна Александровна Структурно-функциональная организация микоризных корневых окончаний Picea obovata Ledeb.

03.00.05 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Сыктывкар 2009

Работа выполнена в отделе лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор биологических наук, старший научный сотрудник Загирова Светлана Витальевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Маркаров Амбарцум Макарович кандидат биологических наук Веселкин Денис Васильевич

Ведущая организация: Институт леса Карельского научного центра РАН

Защита диссертации состоится 19 марта 2009 года в 16.30 часов на заседании диссертационного совета Д 004.007.01 в Институте биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН по адресу: 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28.

Факс: (8212)24-01-63;

e-mail: dissovet@ib.komisc.ru;

адрес сайта института:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Коми научного центра Уральского отделения РАН по адресу: 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 24.

Автореферат разослан л_ февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, А.Г. Кудяшева доктор биологических наук 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, 1980а; Селиванов, 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, Lhmus, 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 слое 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 концентрация растворимых углеводов в микоризах 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 СевероВостоке 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 603504), 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 Н - Актуальные проблемы биологии и экологии (г. Сыктывкар, 2005, 2006, 2007), 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 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 А.М. 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 Н - УрО РАН за обсуждение и ценные замечания по диссертации. Особая благодарность всем моим родным, близким и друзьям за поддержку и понимание.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Экология, эволюция и классификация микориз (обзор литературы) В главе рассмотрены вопросы эволюции микоризных ассоциаций (Каратыгин, 1993;

Brundrett, 2002), дана характеристика основных типов микоризных ассоциаций согласно современным классификациям (Rasmussen, 2002; Brundrett, 2002, 2004; Peterson, Massicotte, 2004; и др.). Описано распространение микориз у растений (Koske et al., 1985; Trappe, 1987 и др.) и грибов-микоризообразователей (Каратыгин, 1993; Шубин, 1973 и др.). Рассмотрены некоторые экологические функции микоризных ассоциаций (Шемаханова, 1962; Харли, 1963; Bowen, 1973; John, Coleman, 1983; Buscot et al., 2000; Cairney, Mehard, 2003 и др.), их роль в формировании ризосферной микробиоты (Laheuerte et al., 1990; Garbaye, 1991; FreyKlett et al., 2005 и др.). Отмечена актуальность изучения проблем функционирования микориз, молекулярно-генетических механизмов взаимоотношения симбионтов, а также организмов, ассоциированных с ними.

Глава 2. Район и объекты исследования. Методы сбора и обработки материала Основной материал диссертации был собран на территории Ляльского лесоэкологического заказника, расположенного в подзоне средней тайги (6217' с.ш., 5040' в.д.) на территории Княжпогостского района Республики Коми (Ляльский.., 2003), в двух типах еловых фитоценозов: ельнике черничном и чернично-сфагновом, сформированных на типичной подзолистой и торфянисто-подзолисто-глееватой почве соответственно (Биопродукционный..., 2001; Коренные..., 2006). Дополнительно сбор материала проводили в крайне северной тайге Усть-Цилемского района Республики Коми в бассейне малой реки Сосья (6555' с.ш., 5237' в.д.) в ельниках зеленомошно-лишайниковом, разнотравнозеленомошном, чернично-сфагновом, долгомошно-сфагновом, сфагновом и лиственничнике брусничном. Лесоводственно-таксационная характеристика этих фитоценозов дана в работе (Манов, 2008).

В течение сезона температуру в лесной подстилке регистрировали логгерами модификации Thermochron (Dallas Instruments, США), влажность почвы определяли весовым методом в трехкратной повторности. В 2006 г. лето было прохладным с двумя максимумами температур лесной подстилки: в середине июня и во второй половине августа. Минимальные значения влажности подстилки в ельнике черничном наблюдали в первой половине июня, что было связано с кратковременно установившейся в этот период жаркой и сухой погодой.

В течение всего периода вегетации температура лесной подстилки в ельнике черничносфагновом была ниже, а влажность выше, чем в ельнике черничном. Летом 2007 г.

наблюдали два максимума температур в лесной подстилке фитоценозов: в середине июля и во второй половине августа, что также сопровождалось снижением влажности почвы в эти периоды.

Для морфолого-анатомического описания образцы корней отбирали в лесной подстилке в 4-6 точках фитоценоза и фиксировали в 70% спирте. За периоды 2006-2007 гг.

было зафиксировано 44 образца. Анатомические срезы толщиной 8-10 мкм готовили на вибрационном микротоме для мягких тканей (Скупченко, 1979) и помещали в глицерин без окрашивания или с окрашиванием анилиновым синим в молочной кислоте (Джапаридзе, 1953). Измерения диаметра корневых окончаний и толщины микоризных чехлов на поперечных срезах проводили с помощью микроскопа Axiovert 200 M (Carl Zeiss, Германия) и окуляр-микрометра со шкалой измерения 0.01 мм. На основании данных величин определяли площадь поперечного сечения микоризы, корня растения и грибного чехла.

Относительный вклад грибного симбионта в формирование общего объема микоризы определяли по Д.В. Веселкину (2001а). Всего было просмотрено около 1000 срезов эктомикориз ели. При описании типа грибного чехла, его структуры и плотности микориз использовали классификацию (Доминик, 1963; Селиванов, 1981). Поверхность микоризных корней ели дополнительно просматривали в электронном микроскопе Tesla 300 (Чехия).

Для определения дыхания микоризованные тонкие корни диаметром меньше 2 мм отбирали в лесной подстилке, очищали от растительных остатков и промывали в воде.

Температурную зависимость скорости дыхания измеряли инфракрасным газоанализатором Infralyt-4 (Германия) в диапазоне 10-35 С с помощью термостатируемой камеры с рабочим объемом 125 см3 (5х5х5 см), изготовленной из оргстекла. Каждое измерение проводили в двух-четырехкратной биологической повторности. Далее извлеченные из камеры корни высушивали до воздушно-сухого состояния, взвешивали и рассчитывали скорость выделения СО2 на единицу сухой массы.

Динамику роста корневых окончаний ели, развивающихся в подстилочном горизонте исследованных фитоценозов, изучали по методике А.Я. Орлова (1957). Сезонные наблюдения в 2006 г. проводили на одних и тех же корневых окончаниях в четырех повторностях для каждого фитоценоза, фиксируя изменения в линейных размерах два раза в месяц с мая по октябрь. В 2007 г. эти измерения были продолжены и дополнены четырьмя повторностями для каждого сообщества.

Изучение концентрации растворимых сахаров в корневых окончаниях проводили на газожидкостном хроматографе Кристалл 2000м (Россия) после получения их триметилсилильных производных по модифицированной методике Ю.С. Оводова (1970).

Количество фруктозы, галактозы, глюкозы, арабинозы и сахарозы определяли в трех аналитических повторностях.

Содержание азота и углерода в микоризных корневых окончаниях определяли методом газовой хроматографии на элементном газоанализаторе ЕА 1110 (CHNS-O) в экоаналитической лаборатории Института биологии.

Микробиологические исследования проводили в ельнике черничном в 2005-2006 гг.

Образцы лесной подстилки отбирали осенью на расстоянии 1, 2, 3, 4, 5 и 6 м от ствола выбранного дерева ели в трех направлениях. В пределах границы проекции кроны образцы лесной подстилки отбирали в течение сезона. Для оценки содержания эколого-трофических групп микроорганизмов использовали метод посева на твердые питательные среды (Звягинцев, 1987; Мишустин,1987). Учитывали содержание аммонификаторов на МПА (мясо-пептонный агар), олигонитрофилов (среда Эшби), олигокарбофилов (среда Виноградского), микроорганизмов, утилизирующих минеральные формы азота на КАА (крахмало-аммиачный агар), целлюлозолитиков (среда Гетчинсона), сахаролитиков (среды Чапека, сусло-агар) (Егоров, 1976). Микромицеты классифицировали согласно Л.И. Курсанову и др.

(Определитель.., 1954). Выделение микроскопических грибов из ризопланы корней ели ельника черничного проводили методом посева фрагментов корней по А.В. Куракову (2001).

Статистическую обработку данных проводили с помощью пакета программ Microsoft Excel 2003 и Statistica 6.0.

Глава 3. Морфолого-анатомическая структура эктомикориз ели сибирской 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 органогенном горизонте почвы.