Удивительные опыты с растениями

Деревья и кустарники с наступлением холодов переходят в состояние покоя. Листопадные породы предварительно сбрасывают листву.
Переход от активного роста летом к глубокому покою зимой происходит постепенно, в течение осеннего сезона. Изменение условий внешней среды, прежде всего продолжительности дня, вызывает перестройку гормонального режима растений: постепенно уменьшается содержание гормонов, стимулирующих рост, и увеличивается количество ингибиторов роста (этилена, абсцизовой кислоты). Не случайно абсцизовую кислоту называют гормоном стресса, а этилен – гормоном старения. Увеличение содержания ингибиторов роста приводит к снижению интенсивности обмена веществ и постепенной остановке роста. Формируются приспособления, повышающие устойчивость растений к морозам: сбрасывание листвы, накопление сахаров и других водорастворимых веществ, обезвоживание клеток, переход растений в состояние покоя.

Листопад и ветвепад

Каждый день осыпаются с кленов
Силуэты багровых сердец.

Н.Заболоцкий

Характерной чертой осеннего состояния природы является, конечно, листопад, а у некоторых растений – и ветвепад.
Отделение листа происходит у основания черешка в области специализированной ткани, где формируется отделительный слой толщиной в 2–3 клетки. У одних растений под действием ферментов пектиназ, синтезирующихся к этому времени в клетках отделительного слоя, растворяется межклеточное вещество, соединяющее клетки. У других кроме пектиназ синтезируется еще и фермент целлюлаза. Он расщепляет целлюлозу клеточных оболочек, что приводит к растворению клеток. Результат – желтые листья под ногами, иногда целые ветви, оказавшиеся «лишними».

57. Искусственный листопад

Для опыта нужны 2–4 побега караганы древовидной или робинии лжеакации, несколько зрелых яблок, 2 стеклянных колпака, 2 стакана.
В стаканы с водой поместите по 1–2 побега караганы древовидной. Листья должны быть зелеными, без признаков пожелтения, но не слишком молодыми (среднего и нижнего ярусов), так как этилен проявляет свое действие при предрасположенности ткани, в данном случае черешка, к старению. Накройте стаканы колпаками. Под один из них положите несколько зрелых яблок. Через 5–6 дней в варианте опыта с яблоками начнется пожелтение и опадение боковых листочков сложного листа. Несколько позже опадет и главный черешок. В другом варианте листья остаются зелеными.
Результаты опыта позволяют сделать вывод, что газообразные выделения зрелых яблок стимулируют образование отделительного слоя в черешке и преждевременное опадение листьев.
Как мы уже знаем, этим газообразным веществом является этилен. Он синтезируется в околоплоднике в период созревания плодов, где стимулирует накопление сахаров, разрушение хлорофилла и синтез антоцианов, а также распад соединяющего клетки межклеточного вещества.
Синтез этилена созревающими яблоками и выделение его через межклетники усиливается после сбора плодов. Поэтому для проведения описанного опыта яблоки более удобны, чем другие сочные плоды.
Помимо созревания плодов этилен, как показывают результаты проведенного опыта, вызывает и опадение листьев.

Задание. Выясните, стимулируют ли образование отделительного слоя плоды других видов растений, например томатов, земляники садовой, черники. Изучите влияние этилена на продолжительность жизни листьев комнатных растений. При этом имейте в виду, что у этих растений листопада может и не быть. Довольно часто о гибели листьев свидетельствует их побурение.

58. Опадение листьев под влиянием табачного дыма

Для опыта нужны 2–4 побега караганы древовидной, 2 стеклянных колпака, табак, чашечка для сжигания табака, 2 стакана.
В стаканы с водой поставьте по 1–2 побега караганы. На них должны быть не только молодые (верхушечные), но и более старые листья среднего и нижнего ярусов. Вместо побегов караганы древовидной (у нее сочленения боковых листочков сложных листьев реагируют на увеличение содержания этилена в воздухе) можно использовать побеги любых комнатных растений. Накройте стаканы стеклянными колпаками. Под одним из них сожгите часть сигареты. Воздух под колпаком заполнится табачным дымом. Нужно позаботиться о том, чтобы не было утечки дыма из-под стеклянного колпака (поставить растение и колпак на подставку из стекла).
Наблюдая за растениями, убедитесь, что у побегов, находящихся в атмосфере табачного дыма, через несколько дней начинается опадение листочков сложных листьев (рис. 39).

Рис. 39. Влияние табачного дыма на листопад робинии лжеакации

Табачный дым неблагоприятно действует не только на растения. В нем содержится более 90 органических веществ, многие из которых оказывают на организм человека еще более сильное отрицательное воздействие, чем никотин. Например, содержание ацетона в табачном дыме превышает допустимые для человека дозы в 74 раза, содержание таких активных канцерогенов, как бензпирен, стирол, превышает допустимые дозы в 1037 раз, 2-метилпропаналя – в 513 раз. Среди веществ, которые выделяются при сгорании табака, есть и этилен. Именно он воздействует на клетки черешков листьев, вызывая преждевременное формирование отделительного слоя и опадение листьев.
Результаты изучения влияния газообразных выделений плодов и табачного дыма показывают, что первыми начинают опадать нижние, более старые листья. Это связано с тем, что в молодых органах велико содержание ауксина, листья прочно удерживаются на побегах и клетки отделительной ткани черешков медленнее реагируют на увеличение содержания этилена.
Осень – пора массового листопада. Следовательно, растения получают какой-то общий для всех сигнал, по которому начинает формироваться отделительный слой в черешках листьев.
Если растение по какой-то причине такого сигнала не получит, морозы застанут его неподготовленным к зиме.
В условиях Белоруссии не успевает сбросить листву до наступления холодов робиния лжеакация, погибают от морозов в фазе активного цветения георгины культурные, хризантемы.
Установлено, что переход древесных растений от активной вегетации к зимнему покою регулируется изменением продолжительности светового периода в течение суток. Если в июле в средних широтах продолжительность дня составляет 16–17 ч, то в сентябре она уменьшается до 11–14 ч, а в октябре – до 9–11 ч.

Задание. Попытайтесь изучить взаимосвязь уменьшения продолжительности светового дня и перехода растений в состояние покоя.

59. Береза – растение комнатное?

Для опыта нужны семена березы бородавчатой, светоустановка для дополнительного освещения растений, горшки с почвой.
Соберите осенью семена березы бородавчатой. Весной посейте их в горшки. Через год разделите их на 2 группы по 4–6 растений в каждой. Растения первой группы выращивайте при естественном освещении (контрольные растения).
Саженцам второй группы создайте условия постоянного длинного дня – 15 и более часов освещения в сутки. Для соблюдения этого условия, начиная с середины августа, дополнительно подсвечивайте растения в течение 1–3 ч. Опыт продолжайте до начала листопада у берез в природных условиях.
Если условия освещения соблюдены, березы, выращиваемые в условиях длинного дня, к листопаду не приступят, хотя у другой, контрольной, группы пожелтение и опадение листьев произойдет одновременно с растениями в природе.
Прекратив дополнительную подсветку, переведите растения на характерный для данного месяца короткий день. Под влиянием короткого фотопериода в черешках листьев сформируется отделительный слой, листья опадут.
Продолжите опыт. Контрольные растения, успешно и вовремя закончившие листопад, разделите на 2 группы. Растения одной из них пересадите из горшков в открытый грунт, а вторую оставьте зимовать в тепле. В конце апреля–начале мая у деревьев, растущих вне помещения, начнут распускаться почки, а комнатные березки по-прежнему будут оставаться в состоянии покоя, без листьев. Вывести их из этого состояния можно только длительным, в течение 2–3 месяцев, воздействием низких температур.
Таким образом, выращивать березу в домашних условиях очень сложно. Листопад – обязательный этап онтогенеза всех листопадных видов растений. Главное условие его начала – укорочение светового дня, которое является сигналом приближения зимы. Обычно для формирования отделительного слоя в черешках листьев растениям достаточно 10–15 коротких дней.
Возникает вопрос: каким образом растения определяют продолжительность дня? Восприятие действия света осуществляется голубоватым пигментом фитохромом. Фитохром локализован в поверхностной мембране клетки, эндоплазматической сети и других мембранах. Общее количество фитохрома в клетках ничтожно по сравнению с содержанием хлорофилла. Фитохром – регуляторный пигмент, который координирует прохождение растением практически всех этапов онтогенеза, в том числе листопада и перехода в состояние покоя.
В мембранах клетки фитохром находится в двух взаимопревращаемых формах. Одна форма, голубого цвета, имеет максимум поглощения в светло-красной области спектра с длиной волны 660 нм (Ф660); а вторая – в темно-красной области спектра с длиной волны 730 нм (Ф730). При освещении светло-красным светом Ф660 превращается в Ф730, который малоустойчив и в темноте постепенно возвращается в исходную форму Ф660. Более быстро возврат происходит при освещении растений темно-красным светом (длина волны 730 нм). Свет волны длиной 730 нм – это дальние красные лучи, граничащие с невидимой инфракрасной областью спектра, поэтому одна форма фитохрома получила название фитохром 730 дальний красный (Фдк), а другая форма – фитохром 660 красный (Фк).
Таким образом, в течение дня в листе постепенно накапливается фитохром дальний красный. Именно эта форма является физиологически активной. Ее количество определяется продолжительностью дня. Когда количество активной формы фитохрома достигает критического уровня для данного вида, происходит переход от одного этапа развития к другому. В данном случае идет усиление синтеза этилена, ферментов, формирующих отделительный слой, и, в конечном итоге, опадение листьев, переход растений в состояние покоя (рис. 40).

Рис. 40. Отделительный слой у основания листового черешка

У каждого вида растения своя критическая длина дня, приводящая в действие фитохромную систему. Причем, как выяснилось, главную роль играет не продолжительность светового периода как таковая, а именно укорочение его. Поэтому, хотя все особи одного вида приступают к листопаду практически одновременно, у разных видов эти сроки различны, но не случайны. Критическая длина дня обусловлена климатическими условиями, в которых данный вид в процессе эволюции сформировался. Переход в состояние покоя должен начаться не слишком рано, так как это приведет к истощению растения, но и без опоздания, чтобы перестройка организма закончилась к моменту наступления неблагоприятных условий.
На юге Европы благоприятные климатические условия позволяют начать подготовку к зиме значительно позже, чем в средней полосе. Поэтому южные виды, выращиваемые в условиях средней полосы России, например робиния лжеакация, хризантемы, не начинают подготовку до тех пор, пока длина дня не уменьшится до критической величины. И конечно, запаздывают: листья их остаются зелеными до первых морозов.

Продолжение следует