VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение устойчивости побегов древесных растений к низким температурам

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Самсонов К.Д. 1Старкова Я.С. 1Фурса А.Н. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение Школа п. Харп

Самсонова И.Ю. 1Старкова Т.А. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение Школа п. Харп

Работа в формате PDF

3.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

В средствах информации часто говорится о том, что происходит изменение климата, что на Земле становится все теплее и теплее. А как на это реагируют растения? При подготовке к зимнему покою в побегах растений происходит целый ряд изменений, которые способствуют выработке определенных качеств устойчивости к низким температурам. Это снижение содержания свободной воды и повышение прочно связанной, увеличение количества жиров и углеводов, а так же лигнификация клеточных оболочек древесины. В природе о подготовке к зимним условиям судят по гибкости или ломкости побегов, соответствующей окраске коры, хорошо сформировавшимся почкам. Все выше указанное включается в понятие «вызревание побегов», под чем подразумевается не только лингнификация, но и опробковение покровов побега, заложение верхушечной почки, физиолого-биологические и структурные изменения биоколлоидов протоплазмы и накопление в клетках запасных веществ. У морозостойких видов на срезах побегов видна резкая граница между камбием и древесиной, у неморозостойких эта граница плохо просматривается, т.е. они вступают в зиму с незаконченной дифференцировкой древесины. Замечено также, что чем раньше заканчивается рост побегов в длину, тем полнее в них завершаются процессы дифференциации древесины и вызревание¹. В предлагаемой работе использовалась методика приготовления срезов древесины и проведения ряда гистохимических реакций У. Дженсена (1965) и Е.И. Барской (1967). Было решено проверить, а готовятся ли растения нашей местности к зиме так же, как это было зафиксировано учеными раньше, или реакции подготовке побегов к зиме стали протекать позднее, или не в полном объеме.

Гипотеза:

Если условия среды вокруг поселка неоднородны, и происходит потепление климата, то реакции по подготовке побегов к зиме стали протекать позднее, или не в полном объеме.

Цель работы:

Осуществить первоначальный мониторинг реакций по подготовке побегов к зиме на выбранных площадках с различными условиями микроклимата.

Задачи:

Определить степень вызревания побегов по критериям: ломкость, цвет коры, сформированность почек.

Установить уровень сформированности клеточных оболочек древесины, с использованием реакции на лигнин «Ф».

Исследовать побеги методом перманганатной реакции (на лигнин «М»).

Произвести пробы на крахмал, для определения накопления в клетках крахмала и других запасающихся веществ.

Осуществить сравнительный анализ полученных результатов.

Объект исследования

Побеги четырех видов, наиболее часто встречающихся в нашей местности древесных растений: береза, ива, ель, лиственница.

Предмет исследования

Физиологические и биохимические реакции по подготовке побегов к зиме.

Методики

Экологический мониторинг по подготовке побегов к зиме Т.Я. Ашихмина²

Оборудование, реактивы, материалы

1) микроскоп; 2) предметные покровные стекла; 3) чашки Петри; 4) кисточка; 5) 25%-ная серная кислота; 6) 1%-ный раствор перманганат калия (КМnО4); 7) 15%-ная соляная кислота; 8) концентрированный аммиак; 9) дистиллированная вода; 10) гипохлорид кальция (насыщенный и слегка подкисленный раствор); 12)1%-ный раствор сульфит натрия; 13) раствор люголя (в 100 мм воды растворяли KJ, после чего добавляли 0,2 г. кристаллического йода); 13) побеги последнего года таких растений, как береза, лиственница, ель и ива.

Описание результатов

Для исследований выбраны три площадки: у дороги, на опушке, в лесу. Исследования проводились два раза: в конце сентября и в конце ноября (рис. 1-6). Собирали побеги четырех видов, наиболее часто встречающихся в нашей местности древесных растений: береза, ива, ель, лиственница. Выбирали на каждой площадке по три дерева, каждого вида и срезали по четыре ветки с каждого растения. Всего было собрано и обработано 144 побега, в работе представлены усредненные результаты по каждой площадке и по каждому виду исследованных растений.

1. Определение степени вызревания побегов по критериям: ломкость, цвет коры, сформированность почек

Ветки древесных видов осматривали и пробовали на сгибание и ломкость. Вызревший побег обычно соломенно-коричневого цвета, хорошо ломается, почки хорошо выражены с коричневыми кроющими чешуями. Невызревший побег зеленый, гнется, а не ломается, почки мелкие. Ветки березы имели ярко-коричневый цвет и мелкие почки. Ветки лиственницы светло-серого цвета, хорошо выраженные почки.

В сентябре, при испытании на гибкость и ломкость обнаружено, что ветки на первой площадке обнаруживали большую ломкость и меньшую гибкость, чем на второй и третьей. Ветки лиственницы обнаружили наибольшую ломкость, а ветки березы – наименьшую (рис. 7-10, приложение табл.1)

В ноябре, при испытании на гибкость и ломкость обнаружено, что все ветки обнаруживали большую ломкость по сравнению с сентябрьскими результатами. На первой площадке побеги по-прежнему обнаруживали большую ломкость и меньшую гибкость, чем на второй и третьей. Ветки лиственницы и ели обнаружили наибольшую ломкость, а ветки березы и ивы – наименьшую (рис. 11-14, приложение табл.2).

Результаты исследования показывают, что в течение двух месяцев подготовка к зиме в растениях увеличилась, более морозостойкими являются лиственница и за ней следует ель, а наименее морозостойкими оказались ива и береза. Изучение сформированности почек и цвета коры подтверждают выше приведенные выводы (рис. 15-20, приложение табл. 3).

2. Установление уровня сформированности клеточных оболочек древесины, с использованием реакции на лигнин «Ф»

Лигнификация клеточных оболочек древесины свидетельствует о прошедшем этапе вызревании побега и его подготовке к зиме³.

Существует две большие группы лигнина: компонент «Ф» - флороглюциновая реакция, компонент «М» - реакция Меуле с перманганатом. При одревеснении побегов и подготовке их к зиме появляется сначала лигнин «М», а потом лигнин «Ф». Таким образом, положительная реакция только с перманганатом свидетельствует о неполном одревеснении побега.

Для определения лигнин а «Ф» выполняли срезы побегов острой бритвой и помещали в воду в чашки Петри (рис. 21). Далее срезы вынимали из воды, помещали на предметное стекло и добавляли 2-3 капли 5%-ного спиртового раствора флороглюцина (рис.22). Через 1-2 минуты добавляли 1-2 капли 25%-ной серной кислоты закрывали покровным стеклом. Через 5-7 мин (но не позже, чем через 11-12 мин, во избежание интенсивности окраски) срезы рассматривали под микроскопом (рис. 23). Флороглюцин окрашивает компоненты лигнина «Ф» в малиновые тона различной интенсивности.

При изучении поперечных срезов, отмечалось наличие камбия у всех видов растений, однако, на срезах разных видов камбий присутствует в разной степени выраженности (рис. 24, 25, приложение табл.4).

Выяснено, что в большей мере камбий формируется у лиственницы, в меньшей – у ивы и березы. Развитость камбия в ноябре больше, чем в сентябре, у деревьев в лесу камбий формируется быстрее, чем на открытых пространствах, например, возле дороги.

Реакции на лигнин а «Ф», так же оказались неоднородными (рис.26, 31).

На образцах, взятых в ноябре, реакции выражены сильнее, чем на образцах, взятых в сентябре. У ели проявление пурпурной окраски в ноябре ярче, чем у лиственницы (рис. 32-33, приложение, табл.4, 5).

3. Исследование побегов методом перманганатной реакции на лигнин «М»

Срезы из воды помещали на предметное стекло и заливали 2-3 каплями 1%-ного водного раствора КМnО₄ на 5 мин, после чего раствор удалялся фильтровальной бумагой и срезы заливались 15%-ной соляной кислотой до их обесцвечивания. Кислоту удаляли фильтровальной бумагой, здесь же на стекле срезы два-три раза промывали дистиллированной водой и после ее удаления наносили 2-3 капли крепкого аммиака, покрывали покровным стеклом и сразу же рассматривали в микроскоп⁴. Оболочки, содержащие лигнин «М», окрашивался в томатно-красные тона.

Перманганатная реакция на образование в побегах лигроина «М» показала, что не во всех побегах он присутствует, так на площадке №2-опушка леса и площадке №3-лесной массив это вещество не обнаруживается в пробах березы, на площадке №1 –его нет в побегах ивы. Очевидно, в побегах этих растений, не происходят биохимические реакции по подготовке растений к зимнему покою (рис. 34-38, приложение табл.4,5).

4. Осуществление пробы на крахмал, для определения накопления в клетках крахмала и других запасающихся веществ.

Морозоустойчивость побегов определялась не только состоянием клеточных оболочек, но также их содержимым, т.е. запасными веществами (накоплением в клетках крахмала, сахара, жиров). В связи с этим приводилась проба на крахмал⁵.

Срезы помещали в раствор люголя (йод в йодистом калии) на 10-15 мин. Через несколько минут наблюдали окрашивание крахмала в цвет от синего до черного.

При этом учитывали, что молодые, только образовавшиеся крахмальные зерна (или крахмал, который у растения частично гидролизован) могут приобрести красную или пурпурную окраску (рис. 39-41).

В ходе исследования срезов пробой на крахмал, было обнаружено присутствие крахмала во всех срезах, но количественное содержание крахмала в разных побегах оказалось различным. Наибольшее количество обнаружено в ветках ели на всех площадках, лиственницы и березы – на первой площадке, наименьшее количество крахмала в побегах лиственницы на площадках №2 и№3. В сентябре в побегах образовался молодой, гидролизованный крахмал, в ноябре наблюдалось изменение его на нормальный – цвет его после воздействия люголем от синего до черного. (рис. 42-47, приложение, табл.4,5).

Сравнительный анализ полученных результатов

В сентябре, при испытании на гибкость и ломкость обнаружено, что ветки на первой площадке обнаруживали большую ломкость и меньшую гибкость, чем на второй и третьей. Ветки лиственницы обнаружили наибольшую ломкость, а ветки березы – наименьшую (рис. 7-10, приложение табл.1). В ноябре, при испытании на гибкость и ломкость обнаружено, что все ветки обнаруживали большую ломкость по сравнению с сентябрьскими результатами. На первой площадке побеги по-прежнему обнаруживали большую ломкость и меньшую гибкость, чем на второй и третьей. Ветки лиственницы и ели обнаружили наибольшую ломкость, а ветки березы и ивы – наименьшую (рис. 11-14, приложение табл.2). Результаты исследования показывают, что в течение двух месяцев подготовка к зиме в растениях увеличилась, более морозостойкими являются лиственница и за ней следует ель, а наименее морозостойкими оказались ива и береза. Изучение сформированности почек и цвета коры подтверждают выше приведенные выводы (рис. 15-20, приложение табл. 3) При изучении поперечных срезов, отмечалось наличие камбия у всех видов растений, однако, на срезах разных видов камбий присутствует в разной степени выраженности (рис 24, 25, приложение табл.4). Выяснено, что в большей мере камбий формируется у лиственницы, в меньшей – у ивы и березы. Развитость камбия в ноябре больше, чем в сентябре, у деревьев в лесу камбий формируется быстрее, чем на открытых пространствах, например, возле дороги. Реакции на лигнин а «Ф», так же оказались неоднородными. На образцах, взятых в ноябре, реакции выражены сильнее, чем на образцах, взятых в сентябре. У ели проявление пурпурной окраски в ноябре ярче, чем у лиственницы (рис. 32-33, приложение, табл.4, 5). Перманганатная реакция на образование в побегах лигроина «М» показала, что не во всех побегах он присутствует, так на площадке № 2-опушка леса и площадке № 3-лесной массив это вещество не обнаруживается в пробах березы, на площадке № 1 – его нет в побегах ивы. Очевидно, в побегах этих растений, не происходят биохимические реакции по подготовке растений к зимнему покою (рис. 34-38, приложение табл.4,5). В ходе исследования срезов пробой на крахмал, было обнаружено присутствие крахмала во всех срезах, но количественное содержание крахмала в разных побегах оказалось различным. Наибольшее количество обнаружено в ветках ели на всех площадках, лиственницы и березы – на первой площадке, наименьшее количество крахмала в побегах лиственницы на площадках №2 и №3. В сентябре в побегах образовался молодой, гидролизованный крахмал, в ноябре наблюдалось изменение его на нормальный – цвет его после воздействия люголем от синего до черного (рис.42-44, приложение, табл.4,5). У хвойных растений подготовка к зиме происходит на более ранних сроках, чем у лиственных растений. У видов открытой местности подготовка к зиме происходит в более ранние сроки, чем у видов располагающихся в лесном массиве. В целом у всех исследованных видов растений происходит дозревание побегов после первых холодов (рис. 48).

Выводы

Исследование таких критериев степени вызревания побегов, как: ломкость, цвет коры, сформированность почек, показало, что подготовка к зимнему покою у растений происходит в более поздние сроки (после выпадения снега и первых морозов) и зависит от местоположения растений, а так же от их видовой принадлежности.

Изучение уровня сформированности клеточных оболочек древесины, с использованием реакции на лигнин «Ф», методом перманганатной реакции (на лигнин «М»), выявило, что синтез данного вещества у растений происходит в более поздние сроки и зависит от местоположения растений, а так же от их видовой принадлежности.

Произведенные пробы на крахмал, установило, что накопление в клетках крахмала и других запасающихся веществ происходит в полном объеме, но в более поздние сроки.

Сравнительный анализ полученных результатов показал, что у хвойных растений подготовка к зиме происходит в более ранние сроки, чем у лиственных растений. У растений открытой местности подготовка к зиме происходит в более ранние сроки, чем у растений располагающихся в лесном массиве. В целом у всех исследованных видов происходит дозревание побегов после первых холодов.

Литература

С.А. Боголюбов. Экологические исследования школьников в природе. – М.: Экосистема. 2001. Т.Я.

Т.Я. Ашихмина. «Школьный экологический мониторинг» – М.; АГАР, 2000.; стр.81

А.И. Федорова, А.Н. Никольская. Практикум по экологии и охране окружающей среды. Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Владос, 2001, 235с. (стр. 23)

Г.А. Шестакова, А.Б.Стрельцов, Е.Л.Константинов. Методика сбора и обработки материала для оценки стабильности развития березы повислой. Государственный педагогический университет им.К.Э.Циолковского. – Калуга, 1997

Ступень в будущее. Сборник материалов открытой научно-исследовательской конференции учащихся и студентов. – Салехард. ГУП ЯНАО «Издательство «Красный север». 2016,2017,2018г.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица №1. Ломкость побегов в сентябре (время в секундах, потребовавшееся для разламывания побегов)

Таблица №2. Ломкость побегов в ноябре (время в секундах, потребовавшееся для разламывания побегов)

Таблица №3. Ломкость, цвет коры, сформированность почек в ноябре

Таблица №4. Результаты исследования поперечных срезов в ноябре на сформированность камбия, лигнина «Ф», Лигнина «М», крахмал

Таблица №5. Фотографии срезов, с химическими эффектами.

Первая римская цифра-номер площадки, вторая арабская-номер реакции в порядке, изложенном в тексте, третья арабская-вид растения в порядке, изложенном в тексте и представленном в табл.4 приложения.