Влияние водного стресса на структуру и фотосинтез листьев

   МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
   Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
   высшего образования
   УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
   имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
   ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И МАТЕМАТИКИ
   
   Департамент «Наук о Земле и Космосе»
   
   
ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КУСТАРНИКA CARAGANABUNGEILEDEB. В УСЛОВИЯХ ДЕГРАДАЦИИ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ МОНГОЛИИ
   
   Направление подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование»
   Профиль «Биоэкология»
   
    
    
Допустить к защите:
Директор департамента:
к. б. н., доц. Т. А. Радченко

   ______________________
   Выпускная квалификационная работа бакалавра:
    Загудаевой Христины Александровны
    
   ________________________
   Нормоконтролер:
к. б. н., с. н. с., доц.М. А. Глазырина


   _______________________
   Научный руководитель:
   к. б. н., с. н. с. Л. А. Иванова
                  к. б. н., доц. А. А. Бетехтина
   
   ________________________
   
       
    
    
    Екатеринбург 2017
   РЕФЕРАТ
   Работа посвящена изучению эколого-физиологических особенностей кустарника Caragana Bungei Ledeb. в условиях деградации лесных экосистем Северо-Западной Монголии. Целью работы была детальная количественная характеристика структуры и функции фотосинтетического аппарата кустарника C. Bungei на степных участках и в деградированных лесах и выявление механизмов физиологической адаптации кустарников к меняющимся климатическим условиям. Изучены листовые параметры, количественные показатели структуры мезофилла и интенсивность фотосинтеза растений в разных условиях произрастания в горных лесостепных районах Северо-Западной Монголии. Показаны механизмы адаптации фотосинтетического аппарата кустарника C. Bungei к затенению в условиях разреженного лиственничного леса на уровне структуры и функции фотосинтетических тканей, клеток и хлоропластов. 
   Данная выпускная работа состоит из введения, основной части и выводов. Полный объем работы составляет–страница. Работа содержит 11 рисунков и 1 таблицу. Для написания дипломной работы был использовано 46 источников.

       
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   МЕСТО ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
   г. Екатеринбург, ФГБУН Ботанический сад УрО РАН
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   СОДЕРЖАНИЕ
   ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ	
   ВВЕДЕНИЕ	
   ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ	
   1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ	
   1.1 Структура листа как основа фотосинтеза растений	
   1.2 Влияние водного стресса на структуру и фотосинтез листьев и адаптация фотосинтетической функции растений к аридному климату	
   1.3 Экологические особенности кустарников лесостепи Монголии	
   2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ	
   2.1 Район исследования	
   2.2 Объекты исследований………………….
   2.3 Материалы и методы исследований………
                      2.3.1 Размеры и продуктивность кустов…
                      2.3.2 Измерение интенсивности фотосинтеза…..
                      2.3.3 Анализ мезоструктуры листьев……  
   3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ	
   3.1 Морфологические параметры кустов	
   3.2 Интенсивноть фотосинтеза…………………………
   3.3 Структурные и физиологические параметры листьев	 
                      3.3.1 Структура фотосинтетического аппарата………
                      3.3.2 Морфологическое строение поперечных срезов…………
                      3.3.3 Параметры клеток мезофилла листьев............
                      3.3.4 Параметры хлоропластов……….
                      3.3.5 Интегральные показатели мезофилла……….
   3.4 Связь интенсивности фотосинтеза с параметрами структуры мезофилла……
   ВЫВОДЫ	
   СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ………………..	
   
   
   
   
   ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
   ИМК – индекс мембран клеток
   ИМХ – индекс мембран хлоропластов
   УППЛ – удельная поверхностная площадь листьев
   LMA – отношение массы листьев к массе целого растения
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   	
   ВВЕДЕНИЕ
   Большое значение для адаптации растений к условиям среды имеет приспособление фотосинтетического аппарата. В результате адаптации растений к условиям среды даже в трудных, порой экстремальных, условиях достигается интенсивность продукционных процессов и уровень биологической продуктивности, необходимые для успешного выживания и конкурентоспособности видов растений и для стабильного существования экосистем в целом [Горышина, 1989]. Среди механизмов экологической адаптации фотосинтеза наряду с функциональными изменениями важную роль играют и структурные, затрагивающие фотосинтетический аппарат растений.
     Современную тенденцию изменения природной среды можно определить, как аридизация климата и расширение площади засушливых районов. Изменение температурного и водного режима может привести к сдвигу ботанико–географических зон, смещению ареалов видов и изменению конкурентных взаимоотношений растений в экосистемах [Пьянков, Мокроносов, 1993]. Особенно сильно процессы кустарниковых инвазий прослеживаются в аридных и семиаридных экосистемах [Archer, 1995; Van Auken, 2000; Гунин и др., 2012; Caldeira et al., 2015]. Эти изменения происходят в результате деградационных процессов экосистем, связанных с эоловой и пастбищной дигрессией [Гунин и др., 2015]. Внедрение новых видов в коренные сообщества возможно, если они обладают физиологическими особенностями, являющимися преадаптацией к новым условиям. Преадаптация дает новым внедряющимся видам конкурентное преимущество над нативными видами.
   Экспансия кустарников рассматривается как важный компонент глобальных изменений растительности в последнее столетие [Archer et al., 1995; Brantley, Young, 2008; Briggs et al., 2005; Knapp et al., 2008]. Внедрение кустарников как в травянистые, так и в лесные экосистемы приводит к изменениям гидрологического режима, скорости круговорота веществ, продуктивности сообществ, структуры и разнообразия травяного покрова [Слемнев и др., 2005; Briggs et al., 2005; Knapp et al., 2008; Brantley, Young, 2008].  В связи с глобальными климатическими и антропогенными изменениями кустарниковые сообщества приобретают все большее значение на границе леса и степи в Сибири и Монголии [Gunin et al., 1999]. Заросли кустарников получили большое распространение в лесостепи Северной Монголии [Слемнев и др., 2005]. В горных лесостепных районах Северо-Западной Монголии в последнее десятилетие отмечена экспансия пустынно-степного кустарника C. Bungei в лиственничные леса [Гунин и др., 2015; Иванов и др., 2016], где обилие этого кустарника зачастую превышает обилие типичных лесных видов. 
   Цель данной работы было исследовать особенности адаптации фотосинтетического аппарата кустарника C. Bungei в условиях деградации лесных экосистем Северо-Западной Монголии.
   Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) Изучить размеры и продуктивность кустов C. Bungei в типичных для этого вида условиях степных склонов в сравнении с условиями лиственничного леса. 
2) Изучить влияние затенения в лиственничном лесу на интенсивность фотосинтеза листьев C. Bungei.  
3) Исследовать структуру фотосинтетического аппарата C. Bungei в условиях степи и леса и выявить механизмы адаптации фотосинтетического аппарата этого вида к условиям лиственничного леса по сравнению с типичными для этого вида степными условиями горных склонов Монголии.
 
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
      ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
       1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
       1.1 Структура листа как основа фотосинтеза растений
       Анализу структуры и физиологических особенностей, от которых зависит функциональное состояние фотосинтетического аппарата, посвящены многочисленные исследования [Цельникер, 1978]. Внимание к комплексному анатомо-физиологическому изучению листа как органа фотосинтеза было привлечено еще в прошлом столетии Габерландом. В последнее время этот аспект изучения фотосинтеза привлекает все большее внимание исследователей [Мокроносов, 1981].
       Клеточный тканевый уровень называют мезоструктурой фотосинтетического аппарата. Он исследуется методами световой микроскопии в сочетании с физиолого-биохимической оценкой функциональной активности единицы площади листа, отдельных хлоропластов, единицы хлорофилла и т.д. [Мокроносов, 1981]. Выявление связей между структурно–функциональными характеристиками растений и экологической обстановкой в местах их обитания привлекает большое внимание в связи с возможностью прогнозирования реакции видов при глобальных климатических изменениях [Пьянков, Мокроносов, 1993; Garnier, Laurent, 2001; Wright, Reich et al, 2004].
       Для того чтобы обеспечить существование вида в данной экологической обстановке, растения должны получать свет в количествах, необходимых для осуществления фотосинтеза и создания определенной массы органического вещества. Этой задаче подчинены многие особенности строения растений и растительных сообществ, что дает возможность говорить об адаптивной архитектонике по отношению к свету [Горышина, 1979].
       Фотосинтез может протекать в различных органах растений, имеющих зелёную окраску, но основным органом фотосинтеза является лист. Анатомическое строение листа приспособлено к тому, чтобы обеспечить поступление CO2к клеткам, содержащим зелёные пластиды, и достигнуть максимального поглощения энергии света [Якушкина, 1980].
       В основном под «фотосинтетическим аппаратом» понимается совокупность материальных структур, с помощью которых осуществляется фотосинтез в растении и растительном покрове [Горышина, 1989]. Хорошо известно, что при изменении экологических условий структура фотосинтетического аппарата может изменяться на всех уровнях его организации от пигментного состава фотосинтетических единиц, показателей клеток и хлоропластов до параметров целого листа [Горышина, 1989; Мокроносов, 1978]. В связи с глобальными климатическими изменениями особый интерес в настоящее время вызывает проблема адаптации фотосинтетического аппарата к климату. При этом механизмы адаптации могут затрагивать разные уровни организации растительного организма – от перераспределения биомассы по органам до тканево-клеточных и биохимических изменений [Evans, Poorter, 2001].
       Фотосинтетический аппарат растений крайне аридных территорий (пустынь и полупустынь) изучен хорошо [Бутник и др., 1991; Гамалей, Шийревдамба, 1988, Василевская, 1940]. Обнаружены общие черты строения ксерофитов – плотная сомкнутость тканей [Бутник и др., 1991], редуцированная листовая поверхность [Гамалей, Шийревдамба, 1988] и высокие значения удельной поверхностной плотности листа (УППЛ) [Wright, Reich et al, 2004]. Показано низкое содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений пустынь и полупустынь [Попова, Слемнев и др., 1984; Воронин, Иванова и др., 2003]. Известно также, что изменения фотосинтетического аппарата при воздействии водного стресса происходят и на уровне целого растения. Так, Lambers и Dijekstra [Lambers, Dijekstra, 1987] показали, что на бедных и сухих почвах доля листьев в растении снижается. В то же время, эти параметры у степных растений, находящихся в начале широтного градиента водного дефицита, изучены мало. Постепенное усиление аридности должно вызвать адаптацию фотосинтетических органов.
       Известно также, что изменения фотосинтетического аппарата при воздействии водного стресса происходят и на уровне целого растения.
   
   
       1.2 Влияние водного стресса на структуру и фотосинтез листьев и адаптация фотосинтетической функции растений к аридному климату
       В настоящее время имеются разные точки зрения на взаимодействия растений в экстремальных условиях. Одни [Newman, 1973] считают, что в этих условиях межвидовая конкуренция усиливается, поскольку виды используют недостаточные ресурсы. Другие [Tilman, 1980; Wilson, Tilman, 1993]полагают, что сила конкуренции одинакова в высокопродуктивных и малопродуктивных местообитаний. По мнению Дж. Грайма [Grime, 1979], в условиях сильного экологического стресса конкуренция не имеет такого большого значения, как устойчивость к стрессу. В связи с этим в экстремальных местообитаниях выживают не конкурентоспособные растения, а наиболее устойчивые к стрессу растения, или стресс-толеранты по Грайму. Д. Тилман [Tilman, 1990] полагает, что в неблагополучных условиях виды, наиболее устойчивые к стрессу, становятся доминантами и поэтому наиболее конкурентоспособны. При этом, по его мнению, в аридных условиях основная конкуренция идет в подземной сфере за воду и элементы минерального питания.
       Вода – важнейший экологический фактор для всего живого на Земле. Для процессов обмена веществ со средой, составляющих основу жизни, необходимо участие воды в качестве растворителя и метаболита. Так, у растений вода участвует в реакциях фотосинтеза. Вода – главная составная часть тела растения (от 30 – 40 до 95%) [Горышина, 1979].
       Для оценки водообеспеченности растений мало знать только количество осадков, поскольку одно и то же их количество может характеризовать и пустынный климат, и очень влажный. Большую роль играет соотношение осадков и испаряемости, а также весьма неодинаковой в разных районах земного шара. Области, в которых эта величина превышает годовую сумму осадков, относят к аридным (сухим, засушливым); здесь растения испытывают недостаток влаги в течение большей части вегетационного периода. Области, где растения достаточно обеспечены влагой, называют гумидными (влажными). Следует заметить, что граница между аридными и гумидными местообитаниями весьма условна. Иногда выделяют ещё переходные – семиаридные местообитания [Горышина, 1979].
       Растения подвергаются водному стрессу, иными словами, испытывают недостаток в воде, когда их клетки и ткани начинают утрачивать тургор. После достижения растением полного тургора процессы обмена также восстанавливаются не сразу, так как водный стресс вызывает нарушения в системах регуляции.
       Для своего нормального существования клетки и растительный организм в целом должны содержать определенное количество воды. Для сухопутных растений эта задача осложняется тем, что вода в растительном организме непрерывно теряется в процессе испарения. Для того чтобы возместить потери воды при испарении, в растение должно непрерывно поступать большое её количество. Непрерывно идущие в растении два процесса – поступление и испарение воды – называют водным балансом растений. Для нормального роста и развития растений необходимо, чтобы расход воды примерно соответствовал приходу, или, иначе говоря, чтобы растение сводило свой водный баланс без большого дефицита. Для этого в растении в процессе естественного отбора выработались приспособления к поглощению воды, к передвижению воды, к сокращению испарения. Несмотря на все указанные приспособления, в растении часто наблюдается водный дефицит, т.е. поступление воды не уравновешивается её расходованием в процессе транспирации [Якушкина, 1980].
       Необходимо отметить особую роль хлоропластов в регуляции водоудерживающей способности листьев. В начальный период стресса содержание воды в хлоропластах увеличивается, и они набухают. В период усиления водного дефицита хлоропласты теряют воду медленнее по сравнению с клеткой в целом и могут служить дополнительным резервуаром воды. Это является одной из причин, что при засухе процесс фотосинтеза снижается медленно и при небольшом водном дефиците даже возрастает [Якушкина, 1980].
   
   
       1.3 Экологические особенности кустарников лесостепи Монголии
       Современную тенденцию изменения природной среды можно определить, как аридизация климата и расширение площади засушливых районов. Изменение температурного и водного режима может привести к сдвигу ботанико-географических зон, смещению ареалов видов и изменению конкурентных взаимоотношений растений в экосистемах [Пьянков, Мокроносов, 1993].
       Кустарники являются неотъемлемой частью большинства растительных биомов–от тропиков до полярных экосистем. В последние десятилетия отмечено усиление их плотности и площади покрытия практически повсеместно [Briggs et al., 2005; Brantley, Young, 2008; Knapp et al., 2008]. Обычно это связывают с глобальными изменениями климата и усиливающейся антропогенной нагрузкой [Archer, 1995; Van Auken, 2000; Гунин и др., 2015]. Во многих случаях наряду с инвазиями чужеродных для данной флоры видов, происходит существенное усиление не новых, а местных видов кустарников, которые увеличивают свою численность и активно внедряются в нехарактерные для них местообитания [Van Auken, 2000; Caldeira et al., 2015]. Известно, что увеличение плотности кустарников может влиять на структуру и функционирование экосистем [Eldridge et al., 2011; Koyama et al., 2015; Caldeira et al., 2015]. Так, при изучении Caragana microphylla на территории внутренней Монголии отмечено, что в зарослях кустарника увеличивалось обилие однолетников и уменьшалось обилие коренных травянистых доминантов [Koyama et al., 2015]. В целом, изменение доли древесных растений в сообществах приводит к дисбалансу водного и углеродного обмена экосистемы [Jackson et al., 2002; Knapp et al., 2008; Caldeira et al., 2015].
       Экология и распространение Caragana Bungei Ledeb.в данном районе в настоящее время достаточно хорошо описаны [Гунин и др., 2015], в то время как физиологические особенности, позволяющие ему произрастать в столь контрастных условиях – от пустынной степи до лиственничного леса - остаются не ясными. Для выживания в меняющихся условиях среды растения должны иметь положительный углеродный баланс, который определяется как соотношение между уровнем ассимиляции СО2 при фотосинтезе и его потерями при дыхании. Усвоение углерода растением зависит от механизмов приспособления структуры и физиологии листа к текущим условиям. Известно, что с уменьшением уровня освещения в месте произрастания интенсивность фотосинтеза всегда снижается [Bj?rkman, 1981; Terashima et al., 2001; Lambers et al., 2008], что в свою очередь должно приводить к снижению роста растений и уменьшению накопления сухой биомассы. Для поддержания роста в условиях леса Карагане необходимо адаптировать фотосинтетический аппарат к новым условиям. При этом механизмы адаптации могут затрагивать разные уровни организации растительного организма – от перераспределения биомассы по органам до тканево-клеточных и биохимических изменений [Evans, Poorter, 2001].
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
       2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
       2.1 Район исследований
       Изученные местообитания различались по целому ряду микроклиматических условий - уровню освещения, гидрологическому и термическому режимам, которые являются ведущими факторами для жизнедеятельности растений.
       Исследования проводили в конце июля – начале августа 2015 г. в Завханском аймаке в долине реки Идер между населенными пунктами Тосонцэнгэл и Их-Уул. Климат района исследований резко континентальный со среднегодовой температурой воздуха в январе -32 оС (минимальная температура -53 о С), в июле +16 о С и среднегодовым количеством осадков 270 мм. Район исследования относится к Западнохангайской горно-лесостепной подпровинции, для которой характерно чередование массивов лиственничных лесов с горными степями [Гунин и др., 2015]. Исследования проводили на горном склоне северо-западной экспозиции на высоте около 1800 м над уровнем моря. Были изучены растения Caragana bungei в двух типах местообитаний: степной участок и редкостойный лиственничный лес. На степном участке растительность была представлена разнотравно-холоднополынно-злаково-кустарниковым сообществом, а расположенный рядом на той же высоте лесной участок можно было характеризовать как разнотравно-злаково-осоково-кустарниковый лиственничник (см. рисунок 2.1). Непосредственно в полевых условиях определяли параметры кустов, листьев, показатели газообмена, содержание фотосинтетических пигментов и фиксировали материал для анатомических исследований.
   
Рисунок 2.1 -  Район исследования – горный лесостепной склон в Северо-Западной Монголии (Хангай)
       2.2 Объекты исследований
       Caragana Bungei Ledeb. (Карагана Бунге) – псаммофильный пустынно-степной сильноветвистый кустарник до 2,5 м высотой с алтайско-саянско-западномонгольским ареалом, распространенный преимущественно на подгорных шлейфах, равнинах пустынных степей, по каменистым щебнистым склонам, на песках [Грубов, 1982; Губанов, 1996]. В Котловине Больших Озер в опустыненных и пустынных степях кустарниковые ковыльковые и змеевково-ковыльковые степи с доминированием Караганы Бунге являются ландшафтообразующим типом растительности [Лавренко, 1991].
   
   	
       2.3 Материалы и методы исследований
       2.3.1 Размеры и продуктвиность кустов
       Непосредственно в полевых условиях измеряли ростовые параметры кустов в 20-кратной биологической повторности с помощью рулетки. У 20 кустов для каждого варианта местообитания (степного и лесного) измеряли высоту, диаметры кроны, диаметр стебля на высоте 10 см от основания. 
       Для определения площади, толщины и плотности листовой пластинки с каждого из 20 кустов каждого варианта (степной и лесной участки) отбирали по 10 полностью развитых, неповрежденных листьев из среднего листового яруса с южной стороны кроны. Таким образом, для каждого варианта условий произрастания измерены 200 листьев. Свежесобранные листья фотографировали и определяли их площадь с помощью системы анализа изображений Simagis Mesoplant (ООО «СИАМС», Россия). У тех же листьев измеряли толщину листа с помощью микрометра (Mitutoyo, Япония). Удельную поверхностную плотность листовой пластинки (LMA, leaf mass area, мг/дм2) рассчитывали после измерения сухого веса листьев и их площади для 20 кустов каждого варианта.. 
   
   
       2.3.2 Измерение интенсивности фотосинтеза
       Интенсивность фотосинтеза (Amax, мкмоль м-2 с-1) измеряли с помощью системы газоанализа Li-6400xt (Li-COR, США). 
   Световые кривые фотосинтеза измеряли при температуре поверхности листа в камере 22 о С в диапазоне освещения от 0 до 1500 мкмоль/м2с, начиная с максимального освещения. Параметры световых кривых - световой компенсационный пункт (СКП), квантовый выход фотосинтеза (?) и уровень темнового дыхания (Rd) определяли по начальному линейному участку световой кривой в диапазоне 0-150 мкмоль/м2с, используя линейный регрессионный анализ. Amax и Emax рассчитывали как среднее из пяти измерений интенсивности фотосинтеза при насыщающем уровне освещения 1500 мкмоль/м2с. Углекислотную зависимость фотосинтеза определяли при максимальном освещении 1500 мкмоль/м2с и температуре поверхности листа в камере 22 о С. 
   
   
       2.3.3 Анализ мезоструктуры листьев
       Главным методом, применяемым в оценке структуры листа являлся метод структурно–функционального изучения тканево–клеточного уровня организации фотосинтетического аппарата, метод мезоструктуры [Мокроносов, Шмакова, 1978].
       Определение типа строения мезофилла, измерения толщины листа и хлоренхимы, а так же размеров хлоропластов проводились на поперечных срезах фиксированных листьев. Срезы делали при помощи микротома Microm. Полученные срезы анализировались с помощью Siams Mesoplant (ООО «Сиамс», Россия, Екатеринбург) (см. рис. 2.2 А).
   

   
   
   
Рисунок 2.2 – Фотография среза листа для определения толщины листа и хлоренхимы с помощью Siams Mesoplant (А) и фотография анализа параметров клеток в мацерате для определения объема клетки и числа хлоропластов (Б)
       Для измерения таких показателей, как число клеток, объем клетки и число хлоропластов в клетке использовался метод мацерации. Для подсчета числа клеток несколько дисков листьев с известной площадью помещали в мерную пробирку и приливали 20%-й раствор щелочи KOH. Раствор с дисками доводили до кипения с помощью горелки, после чего диски тщательно растирали стеклянной палочкой до получения гомогенной суспензии. Для дальнейшего подсчета числа клеток использовали камеру Горяева – число клеток в единице площади листа. Измерение данных характеристик проводили с помощью светового микроскопа Zeiss Axioster (Zeiss, Германия) (см. рис. 2.2 Б).
       В результате былы получены измеряемые и расчетные характеристики для вида C. Bungei важных для понимания организации фотосинтетического аппарата (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1 - Мезоструктурные характеристики фотосинтетического аппарата 
Измеряемые характеристики
Размерность
   1 Высота куста и диаметр кроны
2 Площадь листа
3 УППЛ (удельная поверхностная плотность листа)
4 Толщина листа
5 Число хлоропластов в клетке
6 Интенсивность фотосинтеза
7 Объем клетки
8 Объем хлоропласта
см
см2
мг/дм2
мкм
шт.
мкмоль/(м2*с)
тыс. мкм3
мкм3
   Расчетные характеристики

   1 Объем куста
2 Число клеток в единице площади листа
3 Число хлоропластов в единице площади листа
4 Индекс поверхности наружных мембран хлоропластов (ИМХ)
5 Индекс поверхности наружных мембран клеток (ИМК)
6 Интенсивность фотосинтеза одного хлоропласта
м3
тыс./см2
млн./см2
индекс
индекс
   мкмоль/(м2*с)

      
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
       3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
       3.1 Морфологические параметры кустов 
       Из анализа рисунка 3.1 можно сделать вывод о том, что высота кустов C. Bunge не связана с их устойчивостью к аридному стрессу, это важно для конкуренции за свет. Однако объем куста имеет значимые различия – у кустов леса объем был меньше.. Соответственно это может означать, что биомасса  лесных кустов ниже, чем биомасса степных, т.к. параметры объема и биомассы полность коррелируют. Чем меньше объем особи, тем ниже его биомасса и конкурентноспособность. Так же можно сказать, что продуктивность кустов C. Bungei в условиях лиственничного леса будет ниже, чем в условиях степи.
   
   
    
   
Рисунок 3.1 - Морфологические параметры кустов C. Bungei в условиях степи и леса (1 - степь, 2 – лиственничный лес). Представлены средние арифметические значения и стандартное отклонение по 20 особям каждого варианта. нз - нет значимых различий, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001

        3.2. Интенсивность фотосинтеза
        На рисунке 3.2 показана интенсивность фотосинтеза. Различий не было обнаружено между особями лиственничного леса и степи. Отсюда получается наблюдение, что по максимальному фотосинтезу кусты не различались, по высоте не различались, но продуктивность лесных кустов ниже. Отсюда можно сделать вывод, что в условиях леса формируются другие листья. Получается так, что максимально хлоропласты могут развивать в условиях леса бо?льшую фотосинтетическую активность, но поскольку основную часть времени кусты находятся при небольшом затенении, то они не достигают этой максимальной интенсивности фотосинтеза, поэтому и продуктивность тоже будет ниже. Т.е. по своим потенциальным свойствам лесные особи способны развить такую же хорошую продуктивность как и на степных участках, но поскольку идет затенение от лесного яруса, они не могут достичь уровня степных. Делаем вывод, что максимальный фотосинтез не отличается, по потенциальным способностям особи не отличаются, но поскольку всегда есть небольшое затенение, то они не могут развить большой продуктивности, но любая хозяйственная деятельность в виде вырубки или пожаров приведет к тому, что кустарники очень сильно разовьют свою биомассу так же как и на степных участках. Т.е. антропогенная нарушенность в виде вырубок способствует экспансии этого кустарника, т.е. он формирует мощный фотосинтетический аппарат даже в условиях лиственничного леса, который под пологом леса не реализуется. Смысл экспансии этого кустарника именно в том, что при проряжении лесов он заходит под полог леса и чем больше нарушенность леса, тем сильнее он захватывает территорию. Это проблема антропогенного характера для лиственничных лесов.

   
Рисунок 3.2 – Макимальная интенсивность фотосинтеза C. Bungei в условиях степи и леса (1 - степь, 2 – лиственничный лес). Представлены средние арифметические значения и стандартное отклонение по 5 особям каждого варианта. нз - нет значимых различий, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001
   
   
      
   
   
       3.3 Структура фотосинтетического аппарата
       3.3.1 Морфологические параметры листьев
       На рисунке 3.3.1 приведен анализ морфологических параметров листьев C. Bungei в условиях леса и степи. Исследование листовых параметров показал, что лесные и степные особи не различались по площади листа, но имели различия по толщине листа и плотности листа (УППЛ) и в ряду от ксерофитов к мезофитам уменьшалась толщина и плотность листа (УППЛ), что характерно для особей в условиях леса и степи. У кустов растущих в условиях лиственничного леса плотность и толщина листа меньше. Это обычное явление для растений, которые растут при недостатке света. Плотность и толщина листа часто увеличиваются в ответ на засуху [Гамалей, Шийревдамба, 1988; Gutschick, 1999; Ivanov et al., 2004; Bussoti et al., 2005].
       Структурные параметры листьев, такие как площадь, толщина и плотность листовой пластинки, тесно связаны с устойчивостью вида к экологическому стрессу [Иванова, 2012]. Отмечено, что в засушливых и жарких условиях происходит редукция листовой пластинки [Вознесенский, 1977; Лархер, 1978]. На аридной территории Монголии растения произрастают в условиях недостаточного увлажнения и, как правило, характеризуются небольшими размерами листьев [Гамалей, Шийревдамба, 1988; Ivanovetal., 2004]. Плотность и толщина листа часто увеличиваются в ответ на засуху [Гамалей, Шийревдамба, 1988; Gutschick, 1999; Ivanov et al., 2004; Bussoti et al, 2005].
   
   
   
Рисунок 3.3.1 - Морфологические параметры листьев C. Bungei в условиях леса и степи (1 –степь, 2 – лиственничный лес). Для структурных параметров представлены средние арифметические значения и стандартное отклонение по 20 особям каждого варианта. нз - нет значимых различий, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001
       
   
       3.3.2. Морфологическое строение поперечных срезов
       Морфологическое строение поперечных срезов было сходным. Вид имеет дорзовентральный тип строения мезофилла, представленный верхним слоем палисадной ткани с клетками цилиндрической формы и нижними слоями губчатой ткани с клетками неправильной округлой формы (см. рисунок 3.3.2 А  и 3.3.2 Б).
   
   
        
Рисунок 3.3.2 - Фрагмент поперечного среза листа C. Bungei в степных условиях (А) и  фрагмент поперечного среза листа C. Bungei в условиях лиственничного леса (Б) (ПК – палисадные клетки, ГК – губчатые клетки, ВЭ – верхний эпидермис, НЭ – нижний эпидермис)
   
   
       3.3.3 Параметры клеток мезофилла листьев 
       На рисунке 3.3.3 представлены исследования параметров клеток мезофилла. 
   
   
   
   
   
Рисунок 3.3.3 - Параметры клеток мезофилла листьев C. Bungei в условиях леса и степи (1 –степь, 2 – лиственничный лес). Для параметров представлены средние арифметические значения и стандартное отклонение по 5 особям каждого варианта. нз - нет значимых различий, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001
   
       3.3.4 Параметры хлоропластов 
       На рисунке 3.3.4 представлены параметры хлоропластов листьев C. Bungei в условиях леса и степи. Анализ показал различия по числу хлоропластов в клетке и по числу хлоропластов в единице площади листа в палисадной и губчатой тканях. По поверхности и объему хлоропласта также были различия. По интенсивности одного хлоропласта были выявлены различия. Следовательно можно сделать вывод о том, что изменяя структуру, растения адаптируют фотосинтез, т. е. добиваются того же уровня фотосинтеза в условиях остепененного леса. Таким образом можно выйти на механизм, как растениям, с не характерным для них местообитанием, удается достигать максимального уровня фотосинтеза, за счет перестроения структуры листа.
   
   
   
   
   
Рисунок 3.3.4 -  Параметры хлоропластов листьев C. Bungei в условиях леса и степи (1 – степь, 2 – лиственничный лес). Для параметров представлены средние арифметические значения и стандартное отклонение по 5 особям каждого варианта. нз - нет значимых различий, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001
   
   
   
   
   
   
   
   
       3.3.5 Интегральные показатели мезофилла 
       В условиях леса листья кустарников тоньше, их плотность меньше, т.к. клеток и хлоропластов меньше, но при этом хлоропласты более активные, следовательно поверхность клеток (ИМК) ниже, но поверхность хлоропластов (ИМХ) выше и в палисадной и в губчатой тканях (см. рис. 3.3.5). Так как поверхность хлоропластов выше, то это благоприятно влияет на диффузию углекислого газа, т.е. увеличению общей поверхности хлоропластов. Это позволяет поддерживать такой же максимальный фотосинтез, не смотря на затенение, как и в условиях степи.
   
   
   
   
   
Рисунок 3.3.5 -  Интегральные показатели мезофилла C. Bungei в условиях леса и степи (1 – степь, 2 – лиственничный лес). Для параметров представлены средние арифметические значения и стандартное отклонение по 5 особям каждого варианта. нз - нет значимых различий, *p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001


       3.4 Связь интенсивности фотосинтеза с параметрами структуры мезофилла
       В ходе исследования было выявлено, что фотосинтез не зависит от такого параметра как объем клетки. На уровне отдельно лесных и степных особей растений связи так же не было (см. рис. 3.4 А). Наблюдается положительная корреляция толщины листа с объемом клетки, как внутри каждого местообитания, так и от лесных особей степным (см. рис. 3.4 Б).
   
   
   
   
   
Рисунок 3.4 - Связь интенсивности фотосинтеза с параметрами структуры мезофилла
(зелеными точками обозначены – значения для лесного вида, оранжевыми – для степного вида). Для параметров представлены средние арифметические значения по 5 особям каждого варианта. R2 – коэффициент детерминации.
   


   
   
   
       3.5 ляля
       Анализ показал, что интенсивность фотосинтеза не зависела от общей поверхности клеток (ИМК) и хлоропластов (ИМХ). В то же время обнаружена прямая зависимость интенсивности фотосинтеза от функциональной активности единичного хлоропласта. Это связано с тем, что растение адаптируется к затенению в лесных условиях. Главный фактор затенения – недостаток освещения, именно поэтому адаптация идет на уровне первичных фотосинтетических процессов, а не на уровне накопления структур.
   
   Фотосинтез в условиях леса поддерживается активизацией фотосинтетической активности отдельных хлоропластов
   
   
      

   

   
   
   
    
    
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   ВЫВОДЫ
1) Исследование увеличения размеров и продуктивноти кустов C. Bungei  показало, что кусты в условиях лиственничного леса не отличались по высоте от.......................