Определение устойчивости побегов древесных растений к низким температурам

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Определение устойчивости побегов древесных растений к низким температурам

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
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

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.

     

Рис.1.Сбор материала с площадки №1-сентябрь

(у дороги)

Рис.2. Сбор материала с площадки №2-сентябрь

(на опушке)

Рис.3. Сбор материала с площадки №3 - сентябрь

(в лесу)

     

Рис.4. Сбор материала с площадки №1-ноябрь

Рис.5. Сбор материала с площадки №2-ноябрь

Рис.6. Сбор материала с площадки №3-ноябрь

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.

     

Рис. 7. Проверка сгибание и ломкость побегов площадки №1 сентябрь

Рис. 8. Проверка сгибание и ломкость побегов площадки №2 сентябрь

Рис. 9. Проверка сгибание и ломкость побегов площадки №3 сентябрь

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)

 

Рис. 10. График зависимости ломкости побегов в сентябре от местонахождения дерева и его вида.

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).

     

Рис. 11. Проверка сгибание и ломкость побегов площадки №1 ноябрь

Рис. 12. Проверка сгибание и ломкость побегов площадки №2 ноябрь

Рис. 13. Проверка сгибание и ломкость побегов площадки №3 ноябрь

 

Рис. 14. График зависимости ломкости побегов в ноябре от местонахождения дерева и его вида.

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).

     

Рис. 15. Измерение длины почек лиственницы

Рис. 16.Измерение длины почек ели

Рис. 17.Измерение почек ивы

     

Рис.18.Изготовление среза почки березы

Рис. 19.Почки березы

Рис. 20.Почки ивы

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.

     

Рис.21 Выполняли срезы побегов острой бритвой и помещали в воду в чашки Петри

Рис.22 Срезы вынимали из воды, помещали на предметное стекло

Рис.23 Срезы рассматривали под микроскопом

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).

   

Рис.24. График выраженности камбия на поперечных срезах в сентябре

Рис.25. График выраженности камбия на поперечных срезах в ноябре

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).

     

Рис.26. Реакция на лигнин «Ф», срез ели площадки №1, сентябрь

Рис.27. Реакция на лигнин «Ф», срез ели площадки №2, сентябрь

Рис.28 Реакция на лигнин «Ф», срез ели площадки №3, сентябрь

     

Рис. 29. Реакция на лигнин «Ф», срез ели, ноябрь

Рис. 30. Реакция на лигнин «Ф», срез березы, ноябрь

Рис. 31. Реакция на лигнин «Ф», срез ели, ноябрь

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).

   

Рис.32. График выраженности реакции на лигнин «Ф» в сентябре

Рис.33. График выраженности реакции на лигнин «Ф» в ноябре

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).

     

Рис 34. График зависимости образования легроина «М» в побегах разных видов деревьев от местоположения – ноябрь.

Рис.35. Приготовление раствора перманганата калия (взвешивание навески на электронных весах)

Рис.36. Растворение навески в дистиллированной воде, объем которой отмерялся в мерном цилиндре

   

Рис.37. Изготовление фильтра для последующей фильтрации раствора

Рис.38. Фильтрование раствора.

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).

     

Рис.39. Реакция на крахмал побегов ели площадки №1сентябрь

Рис.40. Реакция на крахмал побегов ели площадки №2 сентябрь

Рис.41.Реакция на крахмал побегов ели площадки №3 сентябрь

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).

     

Рис.42.График зависимости содержания крахмала в побегах различных растений от местоположения - ноябрь

Рис.43. Проведение реакции «Проба на крахмал»-площадка №1

Рис.44. Проведение реакции «Проба на крахмал» площадка №2

     

Рис.45.Реакция на крахмал побегов ели площадки №1 ноябрь

Рис.46.Реакция на крахмал побегов ели площадки №2 ноябрь

Рис.47.Реакция на крахмал побегов ели площадки №3 ноябрь

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).

 

Рис.48.График сравнительной характеристикиустойчивости побегов древесных растений к низким температурам

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)

 

Лиственница

Ель

Береза

Ива

Пл.№1

2

4

10

8

Пл.№2

3

5

12

9

Пл.№3

4

6

12

11

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

 

Лиственница

Ель

Береза

Ива

Пл.№1

1

3

8

6

Пл.№2

2

3

9

7

Пл.№3

2

4

9

7

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

Экспериментальные пощадки

Критерии

Ель

Береза

Ива

Лиственница

1 площадка у дороги

ломкость-гибкость

гибкость

ломкость

ломкость

Частичная ломкость

Цвет коры

Светло-коричневый

Темно-коричневый

Светло-коричневый

Светло-коричневый

Размер, сформирован-ность, цвет почек

4мм сформирован-ные, зеленые + сухие

5м сформирован-ные, зеленые м

9мм сформирован-ные, зеленые

3мм сформирован-ные, зеленые

2 площадка опушка

ломкость-гибкость

гибкость

ломкость

ломкость

Частичная ломкость

Цвет коры

Светло-коричневый

Темно-коричневый

Светло-коричневый

Светло-коричневый

Размер, сформирован-ность, цвет почек

4мм сформирован-ные, зеленые + сухие

5м сформирован-ные, зеленые м

9мм сформирован-ные, зеленые

3мм сформирован-ные, зеленые

3 площадка лесной массив

ломкость-гибкость

гибкость

гибкость

гибкость

ломкость

Цвет коры

Темно-коричневый

Темно-коричневый

Бежевый

Светло-коричневый

Размер, сформирован-ность, цвет почек

3 мм

Сформирован-ные, зеленые

9 мм

Сформирован-ные, зеленые

7 мм

Сформирован-ные, зеленые

3 мм

Сформирован-ные, зеленые

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

Экспериментальные площадки

Критерии

Ель

Береза

Ива

Лиственница

1 площадка у дороги

Граница камбия (просматривается-не просматривается

Просмат-ривается отчетливо

Просмат-ривается не отчетливо

Не просмат-ривается

Просмат-ривается отчетливо

Реакция на лигнин на компонент «Ф» флороглюциновая реакция

Присут-ствует в большей степени

Присут-ствует в меньшей степени

Отсутст-вует

Присут-ствует едва заметно

Перманганатная реакция (на лигнин «М»)

Р-ция Меуле

Присут-ствует в большей степени

Присут-ствует в меньшей степени

Отсутст-вует

Присут-ствует едва заметно

Реакция на крахмал

Присут-ствует в большей степени

Присут-ствует в большей степени

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует в большей степени

2 площадка лесная опушка

Граница камбия (просматривается-не просматривается

Просмат-ривается отчетливо

Просмат-ривается отчетливо

Просмат-ривается отчетливо

Просмат-ривается отчетливо

Реакция на лигнин на компонент «Ф» флороглюциновая реакция

Присут-ствует в большей степени

Отсутст-вует

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует едва заметно

Перманганатная реакция (на лигнин «М»)

Р-ция Меуле

Присут-ствует в большей степени

Отсутст-вует

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует едва заметно

Реакция на крахмал

Присут-ствует в большей степени

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует едва заметно

3 площадка лесной массив

Граница камбия (просматривается-не просматривается

Просмат-ривается отчетливо

Просмат-ривается отчетливо

Просмат-ривается отчетливо

Просмат-ривается отчетливо

Реакция на лигнин на компонент «Ф» флороглюциновая реакция

Присут-ствует в большей степени

Отсутст-вует

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует едва заметно

Перманганатная реакция (на лигнин «М»)

Р-ция Меуле

Присут-ствует в большей степени

Отсутст-вует

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует едва заметно

Реакция на крахмал

Присут-ствует в большей степени

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует в меньшей степени

Присут-ствует едва заметно

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.

 
 
 
Просмотров работы: 208