Практикум по экологии растений

Н. А. Лемеза, И. И. Смолич
Практикум
по экологии растений
Минск
БГУ
2004
УДК
ББК
Л
Рецензенты:
Л. В. Камлюк, доктор биологических наук,
профессор кафедры экологии и методики преподавания биологии
Белорусского государственного университета;
Н. М. Орел, кандидат биологических наук,
доцент кафедры биохимии
Белорусского государственного университета.
Печатается по решению Редакционно-издательского совета
Белорусского государственного университета
Лемеза Н. А.
Практикум по экологии растений: Учебное пособие / Н. А. Лемеза,
И. И. Смолич.– Мн.: БГУ, 2004.– 59 с.
ISBN
Пособие включает ряд заданий, в которых описывается методика
подготовки и проведения экспериментов и наблюдений по экологической морфологии, анатомии и физиологии растений. Главная цель пособия – приобщение студентов к самостоятельной исследовательской
работе, к овладению методическими и экспериментальными приемами проведения опытов по экологии растений.
Пособие предназначено для студентов биологических специальностей вузов. Может быть успешно использовано учителями и учащимися средних общеобразовательных школ, лицеев, гимназий, колледжей.
УДК
ББК
© Лемеза Н.А., Смолич И.И., 2004
© БГУ, 2004
2
От авторов
Лабораторным занятиям отводится одно из важнейших мест в
учебном процессе. Они позволяют значительно активизировать процесс обучения, усилить в нем поисковые, исследовательские элементы, способствовать выработке у студентов умений анализировать и
обобщать явления и факты, устанавливать причинно-следственные
связи в строении и функционировании клеток, тканей, органов и организмов в их взаимоотношениях друг с другом и с условиями окружающей среды.
Цель пособия – иллюстрировать действие общих экологических
законов на простых, наглядных, доступных наблюдению явлениях.
Кроме того, практикум имеет и профессиональную направленность, –
опыты могут быть использованы в дальнейшем на педагогической
практике, особенно в кружковой, внеурочной работе и на факультативных занятиях.
Особенностью данного пособия является то, что, предлагаемая
система лабораторных занятий рассчитана на привитие студентам навыков самостоятельного изучения особенностей строения и свойств
клеток, тканей и органов растений разных экологических групп с
применением элементов научно-исследовательского подхода.
Материал и методика постановки лабораторных работ предусматривает освоение методов макро- и микроскопических исследований как живых, так и фиксированных объектов, самостоятельного изготовления микропрепаратов, их изучения, зарисовки, проведения физиолого-биохимических экспериментов, анализа полученных результатов и оформления отчета о проделанной работе.
Основными требованиями при отборе материала для лабораторных занятий были наглядность, доступность и нетрудоемкость постановки экспериментов.
К лабораторным занятиям необходимо тщательно готовиться заранее – внимательно проработать теоретические вопросы соответст3
вующей темы, познакомиться с целью и содержанием предстоящей
работы, проверить наличие объектов исследования, оборудования, необходимых реактивов, бумаги для рисования и написания отчета.
Лабораторные эксперименты рекомендуется проводить в 4–6 повторностях по числу студентов или небольших бригад по 2–3 человека. Этим достигается не только более активное участие студентов в
работе, но и обеспечивается возможность полученные группой студентов данные обработать статистически прямо на занятиях.
По результатам выполнения каждой лабораторной работы студенты представляют письменный отчет, который оформляется на белой писчей бумаге.
Титульный лист отчета необходимо оформить следующим образом:
Белорусский государственный университет
Биологический факультет
Кафедра ботаники (или физиологии и биохимии растений)
ОТЧЕТ
о лабораторной работе №
Наименование темы
студента (ов) ___ курса
дневного (заочного) отделения
Фамилии и инициалы
В отчете нужно указать цель работы, объекты исследования, а
полученные результаты представить в виде таблиц, рисунков, графиков, диаграмм, схем, химических реакций и т.д. При оценке каждой
работы преподавателем особое значение придается анализу полученных студентами результатов, глубине их обсуждения и интерпретации. Отчет о проделанной работе сдается в конце занятия или другое,
согласованное с преподавателем время.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам
Л. В. Камлюк и Н. М. Орел за доброжелательный конструктивный
анализ рукописи и ценные критические замечания.
Авторы с признательностью примут все замечания и пожелания,
направленные на улучшение пособия.
4
Раздел 1
Особенности строения растений
в связи с условиями жизни
Одним из важнейших свойств всех живых организмов, в том числе и растений, является адаптация – процесс приспособления организма, популяции или сообщества к определенным условиям внешней
среды, то есть соответствие между условиями окружающей среды и
способностью организмов процветать в ней.
На влияние неблагоприятных условий среды растения реагируют
определенными реакциями или изменением состояния, которые обеспечивают не только выживание вида в тех или иных условиях, но и
его процветание. Основная стратегия жизни у растений – выработка
приспособительных изменений строения и процессов жизнедеятельности, основанная на высокой экологической пластичности их структурных компонентов и функциональной активности.
Морфолого-анатомические адаптации достаточно четко прослеживаются практически на всех уровнях организации – от клеточного и
тканевого до уровня целого организма, популяции или сообщества.
Об этом можно судить по форме и размерам клеток, особенностям их
строения и расположения в различных типах тканей и органов, развитию специализированных тканей и органов, форме роста, изменению
размеров растений и др.
Физиологическая и биохимическая пластичность растений проявляется в адаптивном изменении химического состава, интенсивности таких важнейших процессов, как фотосинтез, биосинтез хлорофилла и других фотосинтетических пигментов, дыхания, газообмена,
транспирации и др.
Растения различных экологических групп (экоморф) по отношению к свету, теплу, влаге, богатству почвы и ее кислотности и др. яв5
ляются удобным объектом для изучения и демонстрации приспособленности анатомических и морфологических структур организма к
различным экологическим факторам. На этих же объектах можно обсуждать и вопросы синэкологии, например, формирования ярусной
структуры фитоценозов, конкуренции между растениями за свет, смены видов при изменении условий освещенности и т.д.
Материалы и оборудование: фиксированные в 75 %-ном растворе этилового спирта листья и стебли исследуемого растения, флороглюцин (0,5–1 %-ный раствор в 50 %-ном растворе этилового спирта), судан III, концентрированная соляная кислота, глицерин, лезвия,
пинцеты, препаровальные иглы, предметные и покровные стекла,
микроскопы, окуляр- и объектив-микрометры, кристаллизатор с водой, фильтровальная бумага, салфетки.
Методические рекомендации к организации занятий. Рекомендуется сделать подряд несколько срезов (не менее 4–5) разными
участками лезвия. Снять срезы с лезвия препаровальной иглой, поместить в каплю воды на предметном стекле, затем капнуть на них раствором флороглюцина. Через 1,5–2 мин оттянуть реактив фильтровальной бумагой, добавить 1–2 капли соляной кислоты. После покраснения одревесневших клеточных стенок снова оттянуть фильтровальной бумагой реактив и нанести на срез 1–2 капли глицерина, накрыть покровным стеклом и изучить при малом и большом увеличении микроскопа. Один из срезов поместить в каплю раствора судана
III для окрашивания кутикулы.
Лабораторная работа № 1
Особенности строения световых и теневых листьев в кроне дерева
или кустарника
Цель работы: доказать, что каждое растение обладает экологической пластичностью, которая выражается в различиях морфологических и анатомических признаков световых и теневых листьев.
Материалы: живые или фиксированные в спирте листья липы
сердцелистной (Tilia cordata), сирени обыкновенной (Syringa vulgaris),
бересклета европейского (Euonymus europaea), вяза гладкого (Ulmus
laevis), или дуба обыкновенного (Quercus robur), собранные с наружной части кроны и внутри ее; гербарные образцы этих же листьев.
6
Методические рекомендации. Чтобы получить объективное
представление о влиянии условий освещенности на анатомоморфологическую структуру световых и теневых листьев необходимо
использовать отдельно взятые особи одного и того же вида растений.
Только в этом случае можно будет говорить о корректности проведенных экспериментов, поскольку при сравнении листьев гелиофитов
и сциофитов разных видов, и, естественно, с разными генотипами
возможны различия, вызванные не только и не столько условиями
среды обитания, сколько генетическими особенностями особей разных видов растений.
Ход работы. Внимательно рассмотреть визуально и под бинокулярным микроскопом световые и теневые листья (рис. 1), обратив
особое внимание на окраску листьев, длину черешка, степень развития жилок, толщину листа.
1
2
3
4
5
б
а
Рис. 1. Световой (а) и теневой (б) листья сирени.
1 – верхний эпидермис; 2 – палисадная паренхима; 3 – губчатая паренхима;
4 – нижний эпидермис; 5 – устьице.
Сделать поперечные срезы световых и теневых листьев. Обработать препараты флороглюцином и суданом III. Рассмотреть при малом
и большом увеличении микроскопа, отмечая относительную толщину
листовой пластинки, степень развития эпидермы, кутикулы и жилок,
палисадной, губчатой и механической тканей, степень развития межклетников. Измерить общую толщину листа и толщину мезофилла,
определить размеры клеток палисадной ткани и замыкающих клеток
устьиц.
7
Дополнительно приготовить препараты эпидермы, с нижней стороны листа подсчитать число устьиц в поле зрения. Каждый показатель определить в 5–7 повторностях, затем вычислить его среднее
значение. Полученные данные занести в таблицу.
Таблица 1
Особенности строения световых и теневых листьев разных видов растений
Признаки
Площадь листовой пластинки, см2
Общая толщина листа, мкм
Длина черешка, мм
Количество слоев палисадной ткани
Толщина мезофилла, мкм
Развитие кутикулы
Размер клеток палисадной ткани (длина × ширина), мкм
Число хлоропластов в клетках
– палисадной ткани
– губчатой ткани
Число устьиц
– в поле зрения
– на единицу площади листа
Размеры замыкающих клеток устьиц, мкм
Степень развития жилок листа, баллы (1–5)
Развитие проводящей и механической тканей
Листья
световые
теневые
Различие в строении световых и теневых листьев (растений) по
таким показателям, как развитие кутикулы, площадь листовой пластинки, развитие механической и проводящей тканей можно выразить
знаками > (больше) и < (меньше).
Сравнить морфологические и анатомические особенности световых и теневых листьев одного растения и объяснить, в чем адаптивный смысл наличия у одного и того же древесного растения одновременно и теневых, и световых листьев? Можно ли ожидать таких же
заметных различий в структуре листьев травянистых растений? Станут ли теневые листья световыми, если удалить затеняющую их часть
кроны дерева? Когда и чем определяется световая или теневая структура в онтогенезе листа?
8
Лабораторная работа № 2
Анализ структуры листьев гелиофитов и сциофитов
Цель работы: установить различие в строении листьев гелиофитов и сциофитов, определить их адаптивное значение.
Материалы: фиксированные в спирте листья кислицы обыкновенной (Oxalis acetosella), майника двулистного (Maianthemum
bifolium), мать-и-мачехи (Tussilago farfara), пижмы обыкновенной
(Tanacetum vulgare), гербарные образцы этих растений.
Методические рекомендации. По отношению к количеству света, необходимого для нормального развития, растения подразделяются на три экологические группы.
Светолюбивые, или гелиофиты, с оптимумом развития при
полном освещении; сильное затенение действует на них угнетающе.
Это растения открытых, хорошо освещенных местообитаний: степные
и луговые травы, прибрежные и водные растения (с плавающими листьями), большинство культурных растений открытого грунта, сорняки и др.
Тенелюбивые (теневые, или сциофиты) – растения с оптимальным развитием в пределах 1/10–1/3 от полного освещения. К тенелюбам относятся растения нижних затененных ярусов сложных растительных сообществ – темнохвойных и широколиственных лесов, а
также водных глубин, расщелин скал, пещер и т. п. В лесах Беларуси
типичными теневыми растениями являются копытень европейский,
ветреница дубравная, сныть обыкновенная, кислица обыкновенная,
майник двулистный и др.
Теневыносливые растения имеют широкую экологическую амплитуду выносливости по отношению к световому режиму. Они лучше растут и развиваются при полной освещенности, но хорошо адаптируются и к слабому свету. К ним относятся большинство видов лесов – ель, пихта, граб, бук, лещина, бузина, брусника, ландыш и др.
Под влиянием различных условий светового режима у растений
выработались соответствующие приспособительные признаки. Так, у
многих гелиофитов поверхность листовой пластинки блестящая, покрыта светлым восковым налетом, густо опушена, что способствует
отражению палящих солнечных лучей или ослаблению их действия.
Световые и теневые растения имеют четкие различия и по анатомическому строению (рис. 2). Например, у гелиофитов хорошо разви9
ты осевые органы с оптимальным соотношением ксилемы и механических тканей, менее сложные по форме листья с характерной дифференцировкой мезофилла на столбчатый и губчатый, высокой степенью
жилкования, большим числом устьиц на единицу поверхности листа.
В световых листьях количество хлоропластов, приходящихся на единицу площади листовой пластинки в несколько раз больше, чем у теневых.
Рис. 2. Структура листьев гелиофитов (1) и сциофитов (2).
1 – поперечный срез листа олеандра: а – эпидермис с кутикулой; б – гиподерма;
в – изопалисадный мезофилл; 2 – поперечные срезы листа кислицы (а) и майника двулистного (б).
В листьях тенелюбов наблюдается слабая дифференцировка на
столбчатый и губчатый мезофилл или таковая совсем отсутствует, отмечается сравнительно малое количество устьиц и т. д.
Изучение морфологических и анатомических особенностей вегетативных органов гелиофитов и сциофитов позволяет увидеть четкие
различия между этими экологическими группами растений практически по всем изучаемым признакам и установить их адаптивное значение.
Ход работы. Используя раздаточный материал (гербарные образцы растений гелиофитов и сциофитов) сравнить морфологические
признаки световых и теневых листьев, обратив особое внимание на
размеры (площадь) листовых пластинок, их толщину и окраску, степень развития жилок, наличие (или отсутствие) опушенности.
Сделать поперечные срезы листьев гелиофитов и сциофитов. Обработать флороглюцином и суданом III. Рассмотреть под микроскопом, отмечая относительную толщину листовой пластинки, степень
развития эпидермы и кутикулы, механической, палисадной и губчатой
тканей, степень развития межклетников. Дополнительно приготовить
препараты эпидермы с нижней стороны листа и подсчитать число
10
устьиц в поле зрения. Составить и заполнить таблицу по образцу лабораторной работы № 1.
По анатомическому строению листа определить гелиофиты и
сциофиты. Объяснить особенности строения листьев в связи с условиями светового режима разных местообитаний. Сравнить детали
строения эпидермы у листьев растений открытых местообитаний –
мать-и-мачехи и пижмы, и объяснить, в чем их адаптивность.
Лабораторная работа № 3
Морфолого-анатомические особенности растений, приуроченных
к местообитаниям с разными условиями освещения
Цель работы: экспериментально доказать справедливость понятия «Органическая целесообразность формирования приспособленности организмов к конкретным условиям среды как следствие естественного отбора».
Материалы: сухие и фиксированные в спирте листья дуба из освещенной (верхней) части кроны, листья лещины (Corylus avellana)
под пологом дуба, ветреницы дубравной (Anemone nemorosa), и (или)
медуницы (Pulmonaria obscura), произрастающих в нижнем, наиболее
затененном ярусе дубравы; гербарные экземпляры травянистых растений.
Методические
рекомендации.
Изучение
анатомоморфологических и физиолого-биохимических особенностей растений разных экологических групп представляет собой наиболее удачный и убедительный способ доказать органическую целесообразность
адаптации (приспособленности) организмов к определенным условиям среды обитания. Это можно показать на примере экологических
групп (экоморф) по отношению к световому режиму (гелиофитов,
сциофитов и теневыносливых), к водному режиму (гигрофитов, мезофитов и ксерофитов), богатству и кислотности почвы и т. п.
В данной работе представляется возможность установить характерные морфологические и анатомические признаки светолюбивых
(листья дуба из освещенной части кроны), теневыносливых (листья
лещины) и тенелюбивых (ветреница дубравная и медуница) растений
одного растительного сообщества (фитоценоза), произрастающего на
однородной территории (рис. 3). Это означает, что растения разных
11
ярусов находятся в совершенно разных условиях по отношению к световому режиму, в то время как другие факторы (например, механический состав почвы, ее кислотность, содержание элементов минерального питания, водный и тепловой режимы и т. д.) практически одинаковы для них.
2
1
Рис. 3. Анатомическое строение светового листа вяза приземистого (Ulmus pumila)
и относительно теневого листа дуба обыкновенного (Quercus robur)
(по М.С. Двораковскому, 1983).
Для занятий можно использовать также листья растений разных
ярусов и других фитоценозов: липы сердцелистной, вяза гладкого, березы пушистой (деревьев первой величины, образующих первый
ярус), крушины ломкой, бересклета европейского (ярус подлеска), копытня европейского, перелески благородной, осоки волосистой и др.
(растений нижнего яруса, находящихся в наиболее затененном месте).
Ход работы. Используя раздаточный материал (гербарные образцы листьев растений разных ярусов) описать форму листовой пластинки, измерить у разных видов их ширину и толщину, длину черешка, наличие опушенности или ее отсутствие, интенсивность окраски и другие морфологические особенности.
Приготовить обработанные флороглюцином с соляной кислотой
поперечные срезы листьев растений разных ярусов, рассмотреть под
микроскопом. По анатомическому строению листа определить, какие
из них являются световыми, а какие – теневыми.
Обратить внимание на характер расположения и степень развития у каждого исследуемого вида проводящей и механической ткани,
палисадной и губчатой хлоренхимы, толщины эпидермы, расположение устьиц и их количество на 1 мм2 и др. Заполнить таблицу 2.
12
Таблица 2
Морфолого-анатомические особенности листьев растений
из разных ярусов фитоценоза
Признаки растений
Параметры листовой пластинки
– длина, мм
– ширина, мм
– площадь, см2
Наличие опушенности
Толщина эпидермы, мкм
Палисадная ткань
– число слоев клеток
– размеры клеток
Губчатая паренхима (степень развития)
Развитие механической ткани
Положение устьиц
Количество устьиц, шт/мм2
Развитие жилок
Дуб
Лещина
Ветреница
Медуница
Обсудите полученные вами результаты. Ответьте на вопросы:
1. В каких особенностях морфологического и анатомического строения листьев растений из разных ярусов фитоценоза выражается
приспособленность их к световому режиму?
2. Что можно сказать о световом режиме под густым пологом леса в
период вегетации ветреницы лютиковой и медуницы по структуре
их листьев?
3. Чем объяснить нахождение этих двух видов в одном и том же ярусе дубравы?
4. Какое экологическое значение для растений разных ярусов имеют
такие признаки, как:
– ширина и толщина листовой пластинки;
– наличие опушенности;
– расположение и количество устьиц;
– наличие дифференциации мезофилла на палисадный и губчатый;
– развитие жилок и межклетников.
13
Лабораторная работа № 4
Особенности морфолого-анатомического строения растений
одного вида в разных условиях обитания
Цель работы: экспериментальным путем установить адаптивные
особенности строения растений одного вида, произрастающих в разных условиях освещения.
Материалы: гербарные экземпляры и фиксированные в спирте
листья одновозрастных растений лютика ползучего (Ranunculus
repens), гусиной лапки (Potentilla anserina) и (или) горца птичьего (Polygonum aviculare), собранных в открытых, хорошо освещенных солнцем местах на плотной почве и в затененных влажных местообитаниях.
Методические рекомендации. При выполнении подобных работ
крайне важно, чтобы для исследования брались листья одного возраста и сходного жизненного состояния, произрастающих в разных экологических условиях с точки зрения освещенности, кислотности почвы, богатства почвы минеральными элементами и ее влажности, различной конкуренции со стороны других видов растений и т. д.
Ход работы. Внимательно изучить морфологические признаки
растений одного биологического возраста, собранных в разных условиях обитания, обратив особое внимание на высоту (размеры) растений, окраску листьев, толщину листа, степень развития жилок, опушенность листьев и стебля и др.
Приготовить поперечные срезы листьев каждого растения из
двух или трех разных местообитаний. Обработать препараты флороглюцином и суданом III. Рассмотреть препараты при малом и большом
увеличении микроскопа, отметив степень развития признаков, указанных в таблице 3.
Дополнительно снять пинцетом кусочки эпидермиса с нижней
стороны листьев, поместить в каплю воды на предметном стекле и
при большом увеличении микроскопа подсчитать общее число устьиц
в поле зрения, отметить форму эпидермальных клеток.
14
Таблица 3
Особенности строения растений из разных местообитаний
Признаки
Площадь листа, см2
Толщина листа, мкм
Толщина эпидермиса, мкм
Развитие
– палисадной ткани
– губчатой ткани
Число хлоропластов в клетках
– палисадной ткани
– губчатой ткани
Развитие кутикулы
Развитие проводящей и механической тканей
Число устьиц
– в поле зрения
– на 1 мм2
Форма клеток эпидермиса
Открытые биотопы
лютик
гусиная лапка
ползучий
Затененные биотопы
лютик
гусиная
ползучий
лапка
Различие в строении листьев растений из разных местообитаний
по таким признакам, как развитие кутикулы, механической и проводящей тканей, опушенности и др. можно выразить знаками > (больше)
и < (меньше).
Сравнить анатомо-морфологические особенности строения листьев одного вида растения из разных мест обитания, а также разных
видов растений, произрастающих в сходных условиях. Отметить
сходство и различия в структурной организации листьев. Объяснить
экологический смысл отмеченных различий.
Лабораторная работа № 5
Определение теневыносливости древесных растений
по их относительной высоте
Цель работы: по относительной высоте деревьев установить
различия в их теневыносливости, а также влияние освещенности на
развитие растения.
Материалы: мерная вилка, эклиметр либо предлагаемое приспособление, блокнот для записей, карандаши.
15
Методические рекомендации. Ряд внешних признаков растений
может служить важной характеристикой их теневыносливости. Так,
по структуре кроны дерева можно определить степень их светолюбия
или теневыносливости. У светолюбивых пород кроны ажурные; у теневыносливых, наоборот, – густые, плотные. Одним из критериев теневыносливости является также «относительная высота» – отношение
высоты дерева к его диаметру на высоте 130 см. Для более теневыносливых пород деревьев, которые способны расти в густом насаждении, характерны большие значения относительной высоты. Светолюбивые деревья, напротив, имеют меньшую высоту при том же диаметре ствола. Такую же закономерность можно наблюдать для деревьев
одного вида, но произрастающих в разных по световому режиму местах: в подлеске, на опушке и т. д.
Ход работы. Часть лабораторного занятия выполняется в полевых условиях: в лесу, парке, роще. Измерения диаметра ствола дерева
проводится с помощью мерной вилки на высоте 130 см. Высоту дерева можно измерить эклиметром (согласно инструкции) либо с помощью несложного приспособления, представляющего собой две планки, закрепленные между собой под прямым углом следующим образом: длинный стержень (qn) разделен коротким (pm) в отношении
qn/pm=1/0,5. Большая часть (qm) длинного стержня при этом равняется короткому (pm). Указанное приспособление легко изготовить из
подручных средств, в этом качестве можно использовать блокнот и
карандаш. Измерения проводятся, как показано на рис. 4.
p
a
q
m
n
Рис. 4. Измерение высоты дерева с помощью двух планок (по Г. Н. Зайцеву).
Высота дерева равна: H = BC × a.
16
При невозможности измерить расстояние между деревом (С) и
точкой В, например, из-за рельефа местности, на месте первого измерения сделать отметку, и снова провести визирование с дальней точки
D. Высота дерева в этом случае будет равна: H = DB + a. Измерения
расстояний BC и DB провести с помощью рулетки. При этом следует
провести измерения не менее 10 деревьев каждого выбранного вида,
отметить какие из них растут в подлеске, на опушке, на краю леса,
рощи, парка. Все полученные результаты, расчетные данные и примечания занести в сводную таблицу 4.
Таблица 4
Относительная высота деревьев
Вид дерева
Дуб
Ель
Сосна
Высота, м
Диаметр ствола, см
Относительная высота
Примечание
Данные по относительной высоте следует сгруппировать и рассчитать средние, ошибки средних, а также стандартных отклонений.
Сравнение среднегрупповых данных произвести по t-критерию Стьюдента. Сделать выводы.
Как различаются по теневыносливости деревья из подлеска и материнского леса? В чем биологический смысл этих различий?
Лабораторная работа № 6
Морфолого-анатомические особенности листьев
на разных сторонах кроны дерева, растущего на опушке леса
Цель работы: доказать высокую экологическую пластичность
листьев одного и того же растения.
Материалы: живые и фиксированные в спирте листья дуба и
(или) липы, собранные у деревьев на опушке леса на стороне, которая
обращена к лесу и с внешней стороны дерева, обращенной к поляне;
гербарные образцы этих же листьев.
Методические рекомендации. К мезофитам относятся растения,
которые произрастают в средних (т. е. достаточных, но не избыточных) условиях увлажнения. Типичными мезофитами являются растения пойменных лугов, травяного покрова лесов, лиственные древес17
ные и кустарниковые породы из областей умеренно влажного климата, а также большинство культурных растений. Для мезофитов характерны так называемые мезофильные морфолого-анатомические и физиолого-биохимические особенности их структурно-функциональной
организации, т. е. средние между чертами гигрофитов и ксерофитов
Один и тот же мезофильный вид, попадая в разные по водному
режиму условия, проявляет определенную экологическую пластичность, приобретая во влажных условиях более гигроморфные, а в сухих – ксероморфные черты. С усилением сухости и освещенности у
мезофитов наблюдается изменение не только морфологических признаков листа, но и интенсивности физиологических процессов (транспирации, сезонного хода дыхания и др.).
Пластичность листьев проявляется не только в разных почвенноклиматических условиях обитания, но даже у одной и той же особи.
Например, у деревьев на опушке леса листья на стороне, обращенной
к лесу, имеют более мезофильный и теневой характер по сравнению с
несколько ксероморфными листьями внешней стороны дерева. Сравнение
важнейших
морфолого-анатомических
и
физиологобиохимических показателей разных листьев одного дерева позволяет
получить объективное представление об экологической пластичности
растений.
Ход работы. Сравнить внешний вид листьев дуба и (или) липы,
собранных у деревьев на опушке леса на стороне, которая обращена к
лесу и с внешней стороны дерева, обращенной к поляне. Обратить
внимание на толщину и окраску листьев, степень развития жилок.
Сделать поперечные срезы тех и других листьев. Обработать
флороглюцином и суданом III. Рассмотреть препараты при малом и
большом увеличении микроскопа, отмечая относительную толщину
листовой пластинки, степень развития эпидермы, кутикулы и жилок,
палисадной, губчатой и механической тканей. Измерить общую толщину листа и толщину мезофилла, площадь листа, определить содержание воды в тканях и хлорофилла (методика определения зеленых
пигментов описана в работе № 16).
Дополнительно приготовить препараты эпидермы с нижней стороны листа и подсчитать число устьиц в поле зрения. Каждый показатель определить в 5–7 повторностях, затем вычислить его среднее
значение. Полученные данные занести в таблицу 5.
18
Таблица 5
Различие морфолого-анатомических и физиологических показателей
листьев на разных сторонах кроны дерева, растущего на опушке леса
Сторона кроны, обращенная
к лесу
к поляне
Показатели
Площадь листа, см2
Толщина листа, мкм
Число устьиц на 1 мм2
Число хлоропластов в клетках
– палисадной ткани
– губчатой ткани
Содержание воды, %
Содержание хлорофилла, мг/г сухого вещества
Сравнить морфолого-анатомические и физиологические особенности листьев, собранных в разных частях кроны одного дерева и
объяснить каковы причины их различий? В чем адаптивный смысл
установленных вами морфолого-физиологических особенностей исследуемых листьев? У каких видов деревьев можно предполагать
больший диапазон различий между теневыми и световыми листьями –
дуба, граба, липы, белой акации?
Лабораторная работа № 7
Анатомо-морфологические адаптации растений по отношению
к различному водному режиму
Цель работы: установить особенности строения растений, обеспечивающие приспособленность их к различному водному режиму.
Материалы: живые, фиксированные в спирте и (или) высушенные растения белоуса торчащего (Nardus stricta), клевера лугового
(Trifolium pratense), рдеста курчавого (Potamogeton crispus).
Методические рекомендации. Приспособленность (адаптация)
организмов – свойство, позволяющее им существовать и размножаться в условиях неорганической, популяционной и биоценотической
среды. Приспособления возникают как один из результатов действия
естественного отбора.
На лабораторных занятиях по этой теме удобно изучать приспособления растений к световому, температурному и (или) водному режиму. Именно сравнение признаков растений разных экологических
групп позволяет определить значимость каждого из них в адаптации,
19
например гигрофитов и ксерофитов к избыточному и недостаточному
увлажнению.
6
а
5
б
Рис. 5. Анатомические особенности строения листа
клевера лугового (а) и рдеста курчавого (б).
1 – верхний эпидермис; 2 – устьице; 3 – палисадная паренхима;
4 – губчатая паренхима; 5 – нижний эпидермис; 6 – аэренхима.
Ход работы. Внимательно рассмотреть визуально и под бинокуляром вегетативные органы (корень, стебель и лист) растений различных экологических групп по их отношению к водному режиму: ксерофитов (белоус торчащий, овсяница овечья или булавоносец седой),
мезофитов (клевер луговой или луговик дернистый) и гидрофитов
(рдест курчавый). Отметить особенности формы листьев и стеблей, их
размеры, наличие опушенности, интенсивность развития корневых
систем, наличие корневых волосков и т. п.
Приготовить поперечные срезы листьев каждого растения. Для
рдеста целесообразно выбирать для этой цели участки в центральной
части листа (рис. 5). Последовательно, как и в случае изучения морфологических признаков, рассмотреть поперечные срезы, обращая
особое внимание на степень развития указанных ниже признаков. Заполнить таблицу 6.
20
Таблица 6
Морфолого-анатомические особенности растений
разных экологических групп
Признаки
белоус торчащий
Площадь листа, см2
Толщина листовой пластинки, мкм
Толщина эпидермиса с кутикулой, мкм
Развитие механической ткани
Палисадная паренхима
– число слоев
– форма клеток
– размеры клеток, мм
Развитие губчатой паренхимы
Расположение устьиц
Количество устьиц на 1 мм2
Наличие опушенности
Развитие корневой системы
Наличие корневых волосков
Виды растений
клевер
рдест курлуговой
чавый
Проанализировать полученные результаты и определить, какие
морфологические и анатомические признаки листа, стебля и корня
обеспечивают высокий уровень приспособленности водных растений
к среде; в каких признаках выражается ксероморфность растений; какое экологическое значение имеют такие признаки, как дифференцировка мезофилла на столбчатый и губчатый, положение устьиц, толщина эпидермиса, наличие опушенности, аэренхимы и т. п.
Лабораторная работа 8
Анатомо-морфологические особенности строения стеблей
гигрофитов, мезофитов и ксерофитов.
Цель работы: установить адаптивные различия в анатомическом
строении стеблей растений разных экологических групп по отношению их к водному режиму.
Материалы: живые, фиксированные в спирте или высушенные
растения клевера ползучего (Trifolium repens), калужницы болотной
(Caltha palustris), частухи подорожниковой (Alisma plantago-aquatica),
вахты трехлистный (Menyanthes trifoliata), ситника развесистого
(Juncus effusus), камыша озерного (Sciprus lacustris), белоуса торчащего (Nardus stricta), овсяницы овечьей (Festuca ovina).
21
Методические рекомендации. Для получения объективного
представления об экологической адаптации растений к определенным
условиям обитания необходимо исследовать не только анатомоморфологические и физиолого-биохимические особенности листьев
растений разных экологических групп, но и других органов. Например, анатомическое строение стебля растений разных экоморф не в
меньшей степени, чем строение листа отражает условия светового и
особенно водного режима. В этом легко убедиться, сравнивая поперечные срезы (в междоузлиях) травянистых растений (рис. 6).
Рис. 6. Анатомические особенности стебля камыша озерного.
1 – эпидермис; 2 – склеренхима;
3 – обкладка пучка; 4 – закрытые коллатеральные пучки; 5 – флоэма; 6 – ксилема; 7 – аэренхима; 8 – паренхима.
Ход работы. Сравнить морфологические особенности гигрофитов (калужницы, частухи, вахты, ситника и (или) камыша), мезофита
(клевера ползучего) и ксерофитов (белоуса торчащего или овсяницы
овечьей).
Отметить особенности формы листьев и стеблей, их размеры, интенсивность окраски, наличие опушенности.
Рассмотреть и зарисовать поперечные срезы растений каждой
экологической группы. На рисунке измерить площадь, занимаемую
22
паренхимой, механической и проводящими тканями. Выразить полученные величины в процентах от площади среза стебля и сравнить полученные значения для растений разных экологических групп. Объяснить, в каких особенностях анатомо-морфологического строения
стебля выражается приспособленность гигрофитов, мезофитов и ксерофитов к водному режиму.
Лабораторная работа № 9
Особенности строения надводных, плавающих и подводных
листьев гетерофилльного макрофита
Цель работы: показать адаптивный характер морфологоанатомических особенностей строения разных типов листьев одного
растения.
Материалы: фиксированные в спирте (с глицерином) листья
стрелолиста обыкновенного (Sagittaria sagittifolia), а также гербарные
экземпляры этого растения. Можно рекомендовать также такие растения, как кувшинка чисто-белая (Nymphaea candida), шелковник водяной (Batrachium aquatile), кубышка желтая (Nuphar lutea) и др.
Методические рекомендации. Явление гетерофиллии (различия
в форме, размерах и структуре листьев на одном и том же растении)
наиболее ярко выражено у пресноводных растений (например, у стрелолиста, кувшинки, кубышки и др.). Так, у стрелолиста листья в прикорневой розетке обычно трех типов: подводные – лентовидные; плавающие – длинночерешковые, овальные или яйцевидные; воздушные
– стреловидные (рис. 7). В данном случае речь идет о так называемой
экологически обусловленной гетерофиллии. С этой точки зрения
стрелолист, как и другие гетерофилльные макрофиты, является уникальным объектом для изучения экологической пластичности вида,
поскольку надводные, плавающие и подводные листья одного растения, находясь в разных экологических условиях, резко отличаются
друг от друга по многим морфолого-анатомическим и физиологобиохимическим параметрам, каждый из которых имеет определенное
адаптивное значение. Например, в воздушных полостях кубышки и
кувшинки имеются особые «рогатые» клетки неправильной формы –
идиобласты (склереиды) (рис 8, 9). Эти клетки с толстыми одревес-
23
невшими оболочками не дают спадаться воздушным полостям и увеличивают сопротивление листа на сжатие.
б
а
Рис. 7. Гетерофиллия у шелковника водяного (а) и стрелолиста (б).
Рис. 8. Поперечный срез плавающего листа кубышки желтой.
1 – эпидермис с кутикулой; 2 – палисадная паренхима; 3 – губчатая паренхима с воздухоносными
полостями; 4 – сосудисто-волокнистый пучок; 5 – идиобласт.
24
1
2
3
Рис. 9. Поперечный срез подводного листа кубышки желтой.
1 – эпидермис; 2 – губчатая паренхима с воздухоносными полостями;
3 – сосудисто-волокнистый пучок.
Ход работы. Рассмотреть и зарисовать (по гербарным образцам)
надводные, плавающие и подводные листья стрелолиста. Обратить
внимание на форму, размеры и окраску листа, его толщину, степень
развития жилок.
Приготовить поперечные срезы листьев всех трех типов, обработать препараты флороглюцином и суданом III. Рассмотреть препараты
при малом и большом увеличении микроскопа, отметив (как и в случае изучения морфологических особенностей листа) степень развития
признаков, указанных в таблице 7.
Таблица 7
Особенности строения надводных, плавающих
и подводных листьев стрелолиста
Признаки
Площадь листа, см2
Толщина листа, мкм
Толщина эпидермиса, мкм
Развитие
– палисадной ткани
– губчатой ткани
– проводящей ткани
– механической ткани
Расположение устьиц
Количество устьиц на 1 мм2
Аэренхима
надводные
Листья
плавающие
подводные
Дать сравнительный анализ структурной организации различных
листьев и объяснить адаптивное значение важнейших морфологоанатомических признаков.
25
Лабораторная работа № 10
Особенности строения световых и теневых листьев гигрофитов
Цель работы: установить адаптивные особенности строения листьев растений, позволяющие им приспосабливаться к световому и
водному режиму.
Материалы: фиксированные в спирте (с глицерином) листья
частухи подорожниковой (Alisma plantago-aquatica), первоцвета весеннего (Primula veris) и (или) недотроги обыкновенной (Impatiens
noli-tangere), а также гербарные экземпляры этих растений.
Методические рекомендации. У гигрофитов (растений влажных
местообитаний), в отличие от ксерофитов нет приспособлений, ограничивающих расходование воды. Для них характерна высокая кутикулярная транспирация. Стебли длинные, механические ткани развиты слабо; корневая система – слабая, поэтому даже незначительный
недостаток воды вызывает у них завядание.
Полученные результаты изучения структурных особенностей
световых и теневых листьев гигрофитов будут представлять несомненный научный интерес в том случае, если их сравнить с таковыми
у растений других видов (лабораторные работы №№ 1–4, 6, 8), произрастающих в разных экологических условиях, и дать исчерпывающий
анализ эколого-биологической целесообразности установленных
адаптаций.
Ход работы. Рассмотреть и зарисовать (по гербарным образцам)
листья частухи подорожниковой, недотроги и (или) первоцвета (примулы) как представителей световых и теневых гигрофитов соответственно. Обратить внимание на количество, форму, размеры и окраску
листьев, их толщину, степень развития жилок, расположение на стебле, наличие опушенности и др.
Приготовить поперечные срезы листьев всех исследуемых растений. Рассмотреть препараты при малом и большом увеличении микроскопа, отметив (как и в случае изучения морфологических особенностей листьев) степень развития признаков, указанных в таблице 8.
26
Таблица 8
Особенности строения световых и теневых листьев гигрофитов
Признаки
Площадь листа, см2
Толщина листа, мкм
Развитие
– палисадной ткани
– губчатой ткани
– проводящей ткани
– механической ткани
– межклетников
Число устьиц на 1 мм2
Суммарная длина жилок
на 1 см2
Листья частухи
световые
теневые
Листья примулы
световые
теневые
Листья недотроги
световые
теневые
Проанализировать полученные данные, отметив, какие черты в
строении листьев световых (частуха) и теневых (примула и недотрога)
растений в наибольшей степени отражают приспособленность их к
таким важнейшим факторам среды, как освещенность и водный режим. В чем адаптивное значение рыхлого строения листа с крупными
межклетниками? Какие структурные черты гигрофитов позволяют им
практически беспрепятственно терять избыток влаги, и каков в этом
биологический смысл?
Сравнить структурные черты световых и теневых листьев гигрофитов с таковыми у растений одного вида в разных условиях обитания (лабораторная работа № 4), в кроне дерева или кустарника (лабораторные работы № 1, 6), надводных, плавающих и подводных листьев гетерофилльного гидрофита (лабораторная работа № 9) и дать экологическое обоснование полученным наблюдениям.
Лабораторная работа № 11
Морфолого-анатомические особенности растений
сфагновых болот
Цель работы: изучить и проанализировать признаки растений
сфагновых болот, позволившие им адаптироваться к комплексу неблагоприятных факторов.
Материалы: фиксированные в спирте (с глицерином) листья
брусники (Vaccinium vitis-idaea), багульника болотного (Ledum palus-
27
tre), разветвленные молодые корни клюквы (Oxycoccus palustris), гербарные экземпляры этих растений.
Методические рекомендации. Режимы экологических факторов
на сфагновых болотах отличаются большим своеобразием. К числу их
основных особенностей принадлежат обилие влаги, более низкая (по
сравнению с окружающей территорией) температура и повышенная
кислотность субстрата. В результате создаются условия, препятствующие развитию гнилостных аэробных бактерий, поэтому мертвые
растительные остатки полностью не разлагаются и образуют торф. Со
временем его накапливается так много, что он отделяет растения болот от почвенного грунта и, как следствие, меняется режим их питания, т. е. они живут в скудных условиях минерального питания и повышенной кислотности субстрата.
На верховом болоте господствующим является сфагнум, который
обильно разрастается и определяет условия существования для других
растений. В частности, на таких болотах могут произрастать только те
растения, которые способны, следуя ежегодно за ростом мха выносить
побеги на поверхность, что предотвращает возможность оказаться погребенными в толще сфагнума.
В связи с избытком увлажнения и анаэробными условиями в
толще торфа, корневые системы растения сфагновых болот распространены лишь в верхних горизонтах почвы, иногда в живом сфагновом ковре. У многих видов корни и длинные корневища имеют хорошо развитую систему воздушных полостей, сообщающихся с надземными побегами. Но самое удивительное то, что при обилии влаги почти все болотные растения имеют ярко выраженные ксероморфные
признаки в строении листа: опушение (багульник), восковой налет
(голубика, подбел), кутинизированный толстый эпидермис (брусника,
клюква), эрикоидная структура листа (вереск, багульник, подбел и
др.), узколистность (осоки, пушица). Наличие таких признаков обусловлено с одной стороны физиологической сухостью торфяников, с
другой – физической сухостью, когда сильно пересыхают самые верхние слои сфагнума, где расположены корневые системы. Кроме того,
хотя в торфе много влаги, значительная часть ее находится в коллоидно-связанном состоянии и, естественно, недоступна для корней растений.
Таким образом, изучение строения растений сфагновых болот
представляет особый интерес в том плане, что представляется уникальная возможность воочию убедиться в наличии у них таких мор28
фологических и анатомических признаков, которые позволили растениям адаптироваться к комплексу неблагоприятных факторов – отсутствие в почве нитрифицирующих бактерий, повышенная влажность и
кислотность почвы, затрудненный доступ воздуха, низкое содержание
минеральных веществ, постоянный «рост» болота и др.
Ход работы. Используя раздаточный материал (гербарные образцы брусники, багульника и клюквы, измерить параметры листовой
пластинки (длину, ширину, толщину), форму, длину и толщину стебля, изучить особенности морфологического строения корневых систем
каждого вида, наличие опушенности или ее отсутствие на листьях и
стеблях и другие признаки морфологического строения.
Приготовить поперечные срезы листьев брусники и багульника.
Окрасить суданом III. Рассмотреть срезы вначале при малом, затем
при большом увеличении микроскопа (рис. 10).
1
2
Рис. 10. Анатомическое строение растений сфагновых болот. Участки цветущих
побегов и поперечные срезы листьев вереска (1) и багульника (2).
Обратить внимание на такие важные признаки анатомического
строения, как степень развития кутикулы, волосков эпидермиса, механической и губчатой тканей, межклетников, положение устьиц с
нижней, верхней или с обеих сторон листа, заглубленное или вровень
с эпидермой, их относительное количество.
Ознакомиться с эндотрофной микоризой в корешках клюквы или
другого вида болотного растения. При большом увеличении микро29
скопа можно обнаружить в эпидерме корешков клюквы вытянутые
вдоль оси пустые клетки и округлые клетки с мицелием гриба.
Описать особенности мицелия (суммарная длина гиф, его расположение, форма и т. д.) в корне.
Обсудите полученные вами результаты. На основе ваших собственных наблюдений ответьте на следующие вопросы:
1. Каковы экологические особенности (условия водоснабжения,
трофности и аэрации растений) на сфагновых болотах?
2. Какие ксероморфные признаки отмечены вами в строении листьев брусники и багульника?
3. Какие морфолого-анатомические признаки листьев багульника
и брусники отражают их адаптацию к абиотическим факторам
среды (трофности, кислотности почвы, оводненности и т. д.)?
4. Какие из факторов среды в большей мере влияют на развитие
ксероморфных признаков растений верховых болот?
5. Какова экологическая роль эндотрофной микоризы болотных
растений?
Лабораторная работа № 12
Строение листа и стебля суккулента
Цель работы: установить особенности строения надземных побегов листовых и стеблевых суккулентов.
Материалы: фиксированные в спирте с глицерином листья и
стебли листовых суккулентов (очитка едкого – Sedum acre, молодила
– Sempervivum soboliferum), агавы и (или) алоэ и стеблевого – кактуса.
Методические рекомендации. Суккуленты – многолетние растения с сочными мясистыми листьями (агавы, алоэ, молодило, очитки)
или стеблями (кактусы, некоторые молочаи и др.). Большую часть
объема их листа занимает специализированная паренхима – водоносная ткань, состоящая из крупных округлых тонкостенных клеток с
крупными вакуолями. Межклетники выражены слабо.
Основной способ преодоления засушливых условий у суккулентов – накопление больших запасов воды в тканях (до 2–3 тыс. л) и
крайне экономное ее расходование, благодаря толстой кутинизированной эпидерме, малому числу устьиц и т. п.
30
Ход работы. Сравнить внешний вид листовых и стеблевых суккулентов, форму, размеры и окраску листьев и стеблей, степень развития жилок, опушение.
Рассмотреть и зарисовать поперечные срезы листьев очитка и
молодила, стебля кактуса. Оценить площади, занимаемые на срезе ассимиляционной, водоносной (водозапасающей) и проводящей тканями и определить их соотношение. Установить наличие эпидермы, воскового слоя, опушения, толстой многослойной кутикулы, углублений
в местах расположения устьиц, расположение клеток паренхимы.
На основе сравнительного анализа полученных результатов дать
исчерпывающий ответ обо всех возможных путях и способах перенесения суккулентами засушливых условий. Какова причина того, что
температура тела кактуса бывает на 10–15 ºС выше температуры воздуха? Каким образом у суккулентов осуществляется фотосинтез, если
у них днем устьица обычно закрыты, а открываются ночью; при этом
поглощение СО2 может идти преимущественно ночью, в результате
чего доступ СО2 и света не совпадают во времени? Почему суккуленты не отличаются высокой биологической продуктивностью и не образуют сомкнутых растительных сообществ?
Лабораторная работа № 13
Особенности строения плодов и семян анемохорных растений
Цель работы: установить приспособления плодов и семян для
распространения их ветром.
Материалы: коллекции плодов и семян таких растений, как одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale), осот полевой (Sonchus
arvensis), бодяк полевой (Cirsium arvense), рогоз широколистный
(Typha latifolia), сосна обыкновенная (Pinus silvestris), береза бородавчатая (Betula verrucosa), вяз шершавый (Ulmus glabra), ясень обыкновенный (Fraximus excelsior), клен платановидный (Acer platanoides),
граб (Carpinus betulus), виды семейств грушанковых, ивовых и любые
другие имеющиеся в наличии коллекционные экземпляры плодов и
семян.
Методические рекомендации. Все особенности плодов, как самых пластичных органов покрытосеменных, определяются необходимостью создания оптимальных условий защиты развивающихся семян
31
и обеспечения наилучших возможностей для расселения растений при
минимальных затратах пластических веществ и энергии. Для того,
чтобы семена легко подхватывались и разносились ветром, другими
словами, были летучими, они должны иметь малые размеры и удельный вес, а также достаточно большую парусную поверхность. Необходимые аэродинамические свойства обеспечиваются деталями
строения семян и плодов анемохоров – наличием крылатых выростов
– крылаток, летучек, многочисленных волосков и др.
Ход работы. Рассмотреть и зарисовать плоды и семена анемохорных растений, обратив особое внимание на их приспособления к
ветроопылению (рис. 11).
Рис. 11. Плоды (1, 2, 4, 6) и семена (3, 5) анемохорных растений.
1 – одуванчик; 2 – гравилат; 3 – хлопчатник; 4 – чертополох; 5 – кипрей;
5а – семя из него в продольном разрезе; 6 – раскрытый плод тополя.
Составить списки наиболее типичных анемохорных растений местной флоры, отметить их особенности.
Обсудить особенности строения и распространения сорных растений, приносящих значительный вред сельскохозяйственному производству.
32
Раздел 2
Физиолого-биохимические особенности растений
в зависимости от условий обитания
Существование и устойчивость растений при многообразном и
порой неблагоприятном влиянии факторов окружающей среды обеспечивается целым рядом адаптаций растительных организмов.
Рассмотренные выше работы касаются сравнительной анатомии
и морфологии растений в связи с их приспособленностью к существованию в различных экологических условиях. Эти морфологоанатомические адаптации хорошо прослеживаются на различных
уровнях организации живого. Выработка приспособительных изменений касается не только структурной организации растительных организмов, но и процессов жизнедеятельности. Такое совместное проявление модификаций структур и основных физиолого-биохимических
реакций в целом и обусловливает экологическую пластичность растений по отношению к их среде обитания.
Адаптивные свойства растений различных экологических групп
определяются оптимумами их биохимических и физиологических реакций в ответ на действие факторов окружающей среды. Длительная
эволюция растительных форм способствовала закреплению этих адаптивных свойств у определенных видов и родов растений. Изучение
динамики химического состава, интесивности таких процессов, как
фотосинтез, дыхание, транспирация, скорость роста и развития, поглощение минеральных веществ и т. д. при действии тех или иных
абиотических факторов является основной задачей экологической физиологии растений. Познание механизмов адаптаций растений к постоянно меняющимся условиям среды позволит успешно решать многие важные задачи сельскохозяйственного производства, в том числе
33
задачу повышения урожайности культурных растений и качества получаемой продукции.
В данном разделе предлагается выполнить лабораторные работы,
посвященные изучению некоторых физиологических процессов (дыхания, транспирации, роста, развития, минерального питания и др.)
растений в зависимости от изменения условий окружающей среды.
Лабораторная работа № 14
Сравнение интенсивности транспирации растений одного вида
в разных условиях обитания
Цель работы: определить скорость испарения воды листьями
различных видов растений в зависимости от экологических условий
местообитания. Показать различие в скорости устьичной и кутикулярной транспирации.
Материалы и оборудование: растения примулы, гортензии, традесканции; микропипетка емкостью 0,2 мл с градуировкой, резиновая
трубка длиною 10 см и диаметром 3–4 мм, прозрачная линейка длиною 30 см, резиновые кольца, ножницы, секундомер, баротермогигрометр, миллиметровка, 5 %-ый раствор CoCl2, сосуд с водой диаметром 40 см, предметные стекла, бечевка, электрическая плитка, транспирометр Евтушенко-Шпота.
Методические рекомендации. Для определения интенсивности
транспирации можно использовать хлоркобальтовый метод. Он основан на том, что сухая хлоркобальтовая бумага имеет синий цвет, а при
увлажнении изменяет цвет на розовый в связи с образованием кристаллогидрата. Масса бумаги при этом увеличивается за счет поглощения воды. Об интенсивности транспирации листа можно судить по
скорости порозовения бумаги или по увеличению массы транспирометра.
Интенсивность транспирации определяют в жаркий солнечный
день и при пасмурной погоде, в полдень и вечером, у растений с поливом и без полива, верхних и нижних ярусов фитоценоза и т.д. Для
этих наблюдений хорошо использовать ветки и листья липы, тополя,
сирени, лещины, люпина, и других растений, ветки и черешки которых имеют круглую форму и достаточный диаметр.
34
Можно сравнивать интенсивность транспирации разновозрастных листьев одного растения или одновозрастных листьев растений,
находящихся в разных условиях водоснабжения или при различном
освещении, температуре, движении воздуха и т.д.
Ход работы. Опыт 1. Взять полоски фильтровальной бумаги
длиной 2–3 см и пропитать их 5 %-ным раствором CoCl2. Порозовевшую бумагу осторожно высушить над электрической плиткой. Бумага
приобретает после этого синий цвет.
Положить лист растения между полосками хлоркобальтовой бумаги и для защиты от водяных паров воздуха поместить между двумя
предметными стеклами, связать их скотчем. Определить интенсивность транспирации по скорости порозовения бумаги за единицу времени (сек, мин, час).
После этого взять лист растения, имеющего устьица только на
нижней стороне листа, и выяснить интенсивность устьичной транспирации (на нижней стороне листа) и кутикулярной (на верхней стороне
листа) транспирации. Сделать аргументированный вывод о причинах
разной скорости испарения воды.
Опыт 2. Скорость испарения воды листьями растений можно определить также при помощи транспирометра Евтушенко-Шпота. Прибор состоит из двух обойм с сухой синей хлоркобальтовой бумагой,
скрепленных пружинящим зажимом.
Перед опытом транспирометр взвесить на торзионных весах. После этого закрепить его на листовой пластинке так, чтобы обоймы были плотно прижаты бумагой к верхней и нижней сторонам листа соответственно. Отметить время начала опыта. На одно растение нужно
поставить не менее трех транспирометров.
Когда бумага начинает розоветь на любой стороне листа, транспирометр снять, и снова взвесить. Увеличение массы транспирометра
указывает на количество поглощенного бумагой водяного пара за определенное время экспозиции. Определив в двух обоймах площадь
бумаги, поглотившей воду, рассчитать интенсивность транспирации в
г/дм2ч или мг/см2ч. Результаты представить в виде таблицы 9.
35
Таблица 9
Интенсивность транспирации, мг/см2ч
Площадь бумаги, см2
длительность
начало
конец
Время опыта, ч
Привес
конечная
Масса транспирометра, г
исходная
№ транспирометра
Объект
Интенсивность транспирации растений одного вида
в зависимости от места обитания
Опыт 3. В основе данной работы лежит измерение объема воды,
которую испаряют листья за определенной время.
Сборка прибора. Взять градуированную пипетку емкостью 0,2
мл. Одно деление у нее равно 2 мг воды. Эту пипетку напильником
укорачивают со стороны «носика» на 2 см, а с противоположного
конца отрезают ее часть с таким расчетом, чтобы до начала градуировки оставалось 3 см. Затем на конец пипетки со стороны носика надевают тонкую резиновую трубку длиной 10 см, диаметр которой
должен быть несколько меньше внешнего диаметра пипетки. При помощи резиновых колец пипетку с надетым на нее резиновым шлангом
закрепляют на пластмассовой линейке.
Ход определения интенсивности транспирации растений. Для
определения интенсивности транспирации листьев необходимо проделать следующее:
1. Прибор погрузить в сосуд с водой и, нажимая кольцами на резиновую трубку, добиться заполнения капилляра пипетки и трубки
водой, чтобы не было пузырьков воздуха.
2. Срезать веточку растения с листьями наискосок с таким расчетом, чтобы срезанный ее конец был круглым, и по толщине был
близок к внешнему диаметру резиновой трубки.
3. Срезанный конец веточки под водой (не замачивая листья) вставить в резиновую трубку. При этом нужно достигнуть герметичности – главного условия работы прибора.
4. Прибор достать из воды и положить на край какой-либо подставки. Одно из резиновых колец надвинуть на веточку, прижимая ее
к линейке для закрепления в неподвижном состоянии.
5. Наблюдать за движением мениска воды в капилляре пипетки. В
момент включения секундомера на линейке карандашом поставить черточку против деления, где находится мениск воды. То же
36
самое сделать через 1 или 2 мин в конце экспозиции (времени
измерения).
6. После окончания наблюдений измерить с помощью миллиметровки площадь листьев в см2. Полученные результаты занести в
таблицу 10. Интенсивность транспирации вычисляют по формуле:
(2 × (b – a) × 100) / S × t).
Таблица 10
Интенсивность транспирации растений в разных условиях обитания
№
п/п
Вид
растения
Дата
наблю
дения
Время
суток,
час
Температура
воздуха,
ºC
1
Сирень
15.06
.04
1100
21
Относительная
влажность
воздуха, %
Состояние
облач
ности
Время
экспо
зиции,
мин
Пример для расчетов
60
облач
2
но
Количество
делений шкалы, которые
прошел мениск
начаколо
нец
опыта опы«а»
та
«b»
3
20
Пло
щадь
листьев
(S),
см2
Интенсивность
транспирации,
мг/дм2ч
30
2 × (20
–3)
×100 /
30×2
Лабораторная работа № 15
Влияние удобрений на рост, развитие и урожай растений
Цель работы: дать представление о минеральном питании растений, роли отдельных элементов в жизни растений, обучить технике
эксперимента.
Материалы и оборудование: семена фасоли, тыквы, пшеницы,
ржи, ячменя, реактивы (Ca(NO3)2, KH2PO4, MgSO4, KCl, NaH2PO4,
NaCl, CaSO4, FeCl3), куриный помет, вода, стеклянные банки с полиэтиленовыми крышками емкостью 0,5–1,0 л, весы с разновесами, черная и белая бумага, универсальная индикаторная бумага, вата, стеклянные палочки, стеклянные трубки длиной 30–40 см, линейка, клей,
пинцет, пипетка, сверло пробочное, колбы емкостью 1 л для хранения
растворов, резиновая груша для продувания сосудов.
37
Методические рекомендации.
Водные культуры. Простые по постановке опыты с водными
культурами дают столь наглядные результаты, что могут вызвать живой интерес студентов к экспериментальной работе по физиологическим основам экологии растений. Вместе с тем они требуют хорошей
подготовки, которая включает монтировку сосудов, выращивание рассады для водных культур, приготовление растворов для питательных
смесей.
Монтировка сосудов. Для водных культур используют стеклянные банки емкостью 0,5–1,0 л в зависимости от размеров выращиваемых растений. Банки следует обернуть сначала плотной черной бумагой (для затемнения питательного раствора, чтобы в нем не развивались одноклеточные водоросли), а затем белой (для отражения солнечных лучей). На дно банки надо надеть бумажные поддонники из
плотной темной бумаги. Банку необходимо закрыть полиэтиленовой
крышкой с отверстиями для растений и стеклянной трубки, через которую с помощью груши будет продуваться воздух (рис. 12).
б
а
Рис. 12. Сосуды для водных культур (а) и выращивания рассады (б).
Выращивание рассады. Здоровые, одинаковые по размеру семена следует прорастить на влажных опилках. Когда длина корешков
проросших семян достигнет 1–2 см, их требуется пересадить в поллитровые банки, наполненные водопроводной водой. Для этого в полиэтиленовой крышке пробочным сверлом диаметром 0,5 см сделать
6–8 отверстий, через которые осторожно пропустить корешки проростков и укрепить их кусочком ваты. В банку налить воду и закрыть
крышкой так, чтобы корешки только касались воды (рис. 12).
Когда проростки полностью израсходуют питательные вещества
семени (у двудольных при появлении первых двух настоящих листь38
ев, у однодольных – третьего листа), надо отобрать одинаковые растения и пересадить их в сосуды большего размера.
Приготовление питательных смесей. Для приготовления питательных смесей следует брать дистиллированную или кипяченую воду. Каждую соль необходимо растворить в отдельном сосуде во избежание образования труднорастворимых осадков.
Для выяснения влияния отдельных элементов минерального питания на рост и развитие растений применяют среду Кнопа (полная
питательная смесь) с исключением отдельных элементов, г/л раствора:
Полная питательная смесь
Ca(NO3)2,
1,00
или Ca(NO3)2 × 4H2O
1,44
KH2PO4
0,25
MgSO4
0,25
или MgSO4 × 7H2O
0,51
KCl
0,125
FeCl3
0,0125 (т.е.следы)
Питательная смесь без калия
Ca(NO3)2,
1,00
NaH2PO4
0,25
NaCl
0,09
MgSO4 × 7H2O
0,51
FeCl3
следы
Питательная смесь без фосфора
Ca(NO3)2,
1,00
KCl
0,255
MgSO4 × 7H2O
0,51
FeCl3
следы
Питательная смесь без азота
CaSO4 × 2H2O
1,03
NaH2PO4
0,25
KCl
0,125
MgSO4 × 7H2O
0,51
FeCl3
следы
При приготовлении среды соли необходимо вносить в таком порядке, в каком они указаны выше в составах. После внесения каждой
соли раствор следует тщательно размешивать стеклянной палочкой, а
пипетку промывать водой.
39
Затем с помощью универсальной индикаторной бумаги требуется
определить рН. В случае надобности подщелачивание или подкисление производят слабым раствором NaOH или HCl. Для большинства
культур рН должен быть в пределах 5,5–6,5.
Почвенные культуры. Значение минеральных и органических
веществ для питания растений можно выяснить, используя и почвенные культуры. Для этого растения подкармливают во время их роста.
Навозную подкормку готовят следующим образом: 10 г куриного
помета положить в пол-литровую банку, залить водой и поставить в
теплое место, время от времени помешивая палочкой. Через 10 сут
жидкость профильтровать и разбавить ее водой до 2 л.
Ход работы.
Водные культуры. Отобрать проростки, одинаковые по высоте
стебля, длине и числу корней и листьев. Основания стеблей обернуть
ватой и закрепить в отверстиях крышек сосудов так, чтобы семядоли
не были погружены в раствор, а находились непосредственно под
крышкой. В каждый сосуд высадить по три растения. Для лучшей
аэрации корни должны быть погружены в раствор не более чем на 2/3
их длины.
Банки с раствором и растениями, снабженные этикетками «Полный раствор», «Раствор без азота», «Раствор без калия», «Раствор без
фосфора» поставить в хорошо освещенное место. Для обогащения питательного раствора кислородом раз в 2–3 сут продувать его воздухом
в течение 5 мин с помощью груши через стеклянную трубку. Количество раствора в баках регулярно пополнять (до метки) и каждые две
недели менять полностью. Ежедневно или через день проверять рН
раствора. Опыт продолжается 4 недели.
В течение всего опыта вести дневник наблюдений, в котором давать полную характеристику роста и развития растений: изменение
высоты стебля, числа и площади листьев, сырой массы корней и надземных частей, отмечать признаки угнетения растений, проявляющиеся в результате недостатка того или иного элемента питания. Желательно 2–3 раза в течение опыта сфотографировать растения. Результаты опыта занести в таблицу 11.
40
Таблица 11
Результаты опыта с водными культурами
Вид смеси
Высота растения, см
всего
растения
Масса, г
надземной
части
корней
Число
листьев
Полная смесь
Смесь без калия
– без фосфора
– без азота
Вода без минеральных веществ
По содержанию таблица может быть и другой. Например, в таблицу можно включить сведения об объеме поглощенной воды в расчете на объем корневой системы, о сухой массе различных органов
растений и т.д.
Почвенные культуры. Взять три одинаковых растения фуксии
(или герани). Измерить их высоту, отметить, как выглядят боковые
веточки (измерить их длину) и листья.
Поставить растения рядом. Одно из них поливать водой (это контрольное растение), другое – полным питательным раствором, третье
– навозной подкормкой. Пред тем как вносить питательный раствор,
обильно поливать растение водой. Подкормку производить один раз в
10 сут, между подкормками поливать растение обычной водой.
Результаты наблюдений записывать в тетрадь. Сравнить рост,
развитие и урожай контрольного и опытных растений.
Сделать вывод о влиянии минеральных и органических удобрений на все исследуемые вами показатели.
Лабораторная работа № 16
Содержание фотосинтезирующих пигментов в листьях растений
разных ярусов фитоценоза, теневых и световых листьев одного
растения
Цель работы: установить различие в содержании зеленых и желтых пигментов хлоропластов у световых и теневых листьев, которое
служит подтверждением наличия физиологических адаптаций растений к различному световому режиму.
Материал и оборудование: живые, фиксированные в спирте или
высушенные листья сирени, липы, вяза, березы, акации, собранные с
41
освещенной (наружной) части кроны и внутри ее (теневые листья);
листья растений разных световых экотипов, например, листья дуба из
освещенной части кроны, листья лещины под пологом дуба, ветреницы лютиковой или медуницы (возможны любые другие варианты);
ацетон, ступки фарфоровые с пестиками, сухой мел, кварцевый песок,
воронки, ножницы, пробирки, колбы на 25 мл, насос Камовского, колбы Бунзена, стеклянные фильтры № 3, спектрофотометр (СФ) или фотоэлектроколориметр (ФЭК).
Ход работы. Навеску растительного материала 100–200 мг отдельно для каждого варианта размельчить ножницами, поместить в
маленькую ступку, добавить на кончике скальпеля немного мела и
кварцевого песка, прилить 4–5 мл 80- или 100 %-ного ацетона и тщательно растереть. Полученную вытяжку слить по палочке на стеклянный фильтр № 3, вставленный в колбу Бунзена, соединенную с насосом Камовского. Ацетоновый экстракт отсосать при помощи насоса.
После этого в ступку прилить еще немного ацетона, растереть, снова
влить на фильтр и отсосать. Это повторить несколько раз, пока раствор, стекающий из фильтра, не будет бесцветным.
Вытяжку перелить в мерную колбу на 25 мл или в пробирку на 10
мл. Колбу Бунзена сполоснуть несколько раз небольшими порциями
ацетона и довести чистым ацетоном объем вытяжки в мерной колбе
(пробирке) до метки. Работа количественная, нельзя терять ни одной
капли! Полученная ацетоновая вытяжка содержит сумму зеленых и
желтых пигментов.
Концентрацию хлорофилла а и b определяют на спектрофотометре. Для этого часть полученного экстракта налить в кювету СФ. Вторую кювету заполнить чистым растворителем (80- или 100 %-ным
ацетоном) и использовать как контрольную. Кюветы помещают в кюветную камеру СФ и определяют оптическую плотность (Д) вытяжки
при длинах волн, соответствующих максимумам поглощения хлорофилла a и b в ацетоне. Для хлорофилла а максимум поглощения в
80 % ацетоне наблюдается при длине волны 665 нм, для хлорофилла b
– при 649 нм, для каротиноидов – 440,5 нм. В 100 %-ном ацетоне максимум поглощения хлорофилла а и b, каротиноидов составляют соответственно 662, 644, 440 нм.
Концентрацию хлорофилла а и b в вытяжке рассчитать по следующим формулам:
1. В 80 %-ном ацетоне (Вернон, 1960)
Са = 11,63 × Д665 – 2,39 × Д649;
42
Сb = 20,11 × Д649 – 5,18 × Д665;
2.
В 100 %-ном ацетоне (Шлык, 1971)
Са = 11,70 × Д662 – 2,09 × Д644;
Сb = 21,19 × Д644 – 4,56 × Д662;
где Са и Сb – концентрация хлорофилла а и b в мг/л;
Д – оптическая плотность при соответствующих длинах волн.
Для определения концентрации каротиноидов мг/л в суммарной
вытяжке пигментов может быть использована формула Ветштейна
(1957).
Скар = 4,695 × Д440,5 – 0,268(Са+b),
где Са+b – суммарное содержание хлорофилла а и b в растворе
мг/л.
Установив концентрацию пигментов в вытяжке, определить их
содержание в исследуемом материале с учетом объема вытяжки и навески пробы
А = V × C / P × 1000,
где С – концентрация пигментов в мг/л;
V – объем вытяжки в мл (25 мл);
Р – навеска растительного материала (0,1–0,2 г);
А – содержание пигмента в растительном материале в мг/г сырой (сухой) массы.
Полученные результаты поместить в таблицу 12.
43
Таблица
Содержание пигментов хлоропластов в листьях растений
разных световых экотипов (мг/г сухого вещества)
№
п/п
1
2
3
4
Варианты опыта
Хл. а
Хл. b
Каротиноиды
Хл. а + Хл. b
каротиноиды
Листья … с наружной части кроны
Листья … с внутренней части кроны
Листья … с освещенной части кроны
Листья … под пологом и т.д.
Примечание. На месте точек указать изучаемые растения.
Дать сравнительный анализ содержания зеленых и желтых пигментов в листьях растений из разных ярусов фитоценоза; теневых и
световых листьев одного растения. Объяснить адаптивный смысл разного содержания хлорофилла а и b в исследуемых образцах листьев,
увязав
это
с
анатомо-морфологическими
и
физиологобиохимическими особенностями растений (листьев) различных биотопов.
Лабораторная работа № 17
Влияние выделений листьев растений на прорастание семян
и рост корней
Цель работы: установить влияние выделений листьев различных
видов растений на прорастание семян и рост корней.
Материалы и оборудование: чашки Петри диаметром 10 и 3 см,
фильтровальная бумага, проросшие семена зерновых культур, ступки
с пестиками, кварцевый песок, весы, разновесы, линейка, дистиллированная вода.
Методические рекомендации. Взаимодействие между растениями легко наблюдать при их совместном существовании в фитоценозах. Наряду с изменением компонент физических факторов среды
внутри растительного покрова, таких как условий освещения, спектрального состава света, температурного режима воздуха, влажности
и др., важное значение в фитоценозе имеет также биохимическое
взаимодействие между растениями. Известно как ингибирующее
влияние на растения тех или иных растительных выделений, так и
стимулирующее воздействие на прорастание семян и рост корней.
Указывается также на возможность своего рода биохимической ком44
муникации между растениями, атакованными фитофагами, и ближайшими еще не атакованными, при которой у последних индуцируются
защитные реакции, и изменяется химический состав листьев.
Ход работы. В чашки Петри диаметром 10 см поместить увлажненную фильтровальную бумагу, а по периферии – проросшие семена
ячменя, овса, ржи или пшеницы в количестве 20 шт. Семена заранее
должны быть отобраны по размеру и весу. В оставшийся свободным
центр поставить чашку Петри диаметром 3 см. В меньшую чашку
впоследствии поместить кашицу растертых листьев. В качестве контроля вместо кашицы из растертых листьев используется дистиллированная вода. Накрывается лишь большая чашка Петри.
Проросшие семена
Чашка Петри Ø 10 см
Чашка Петри Ø 3 см
с кашицей из растертых
листьев
Варианты подписать. Рекомендуется для каждого вида растений
производить не менее трех повторностей. Через неделю постановки
лабораторной работы посчитать число проросших семян и измерить
длину корешков. Результаты занести в таблицу 13.
Таблица 13
Влияние выделений растений на прорастание семян и рост корней
Вариант
опыта
Контроль
Опыт
Число проросших семян, %
1
2
Длина корешков, мм
3
–
19
20
среднее
Следует рассчитать среднюю длину корешков, ошибки средних, а
также стандартных отклонений. Сравнение среднегрупповых данных
произвести по t-критерию Стьюдента. Данные по числу проросших
семян сравнить по критерию Хи-квадрат. Сделать выводы.
45
Лабораторная работа № 18
Влияние оводненности тканей на процесс дыхания семян
Цель работы: установить влияние степени оводненности тканей
на интенсивность процесса дыхания семян различных видов растений.
Материалы и оборудование. Семена злаков (пшеницы, ржи, овса, ячменя и др.) и бобовых (фасоли, гороха, люпина и др.) с разной
степенью влажности (10–11, 14–15 и 30–35 %), широкогорлые колбы
на 300 мл, пробки к колбам, бюретки, весы, разновесы, сушильный
шкаф, бюксы, реактивы: фенолфталеин, 0,1 н щавелевая или 0,1 н соляная кислоты, 0,1 н раствор Ва(ОН)2.
Методические рекомендации. Для демонстрации необходимости определенной степени оводненности тканей для процесса дыхания
наиболее показателен опыт с изучением дыхания семян. Известно, что
при степени увлажнения 10–11 % дыхание семян фактически отсутствует. Повышение влажности семян до 14–15 % приводит к возрастанию дыхания в 4–5 раз. Для семян со степенью оводненности 30–35 %
дыхание резко возрастает в тысячи раз. Определение интенсивности
дыхания проводят с использованием метода учета выделившегося и
поглощенного баритом углекислого газа в замкнутом пространстве:
СО2 + Ва(ОН)2 = ВаСО3 + Н2О.
Оставшийся Ва(ОН)2 оттитровывают 0,1 н щавелевой или 0,1 н
соляной кислотами по фенолфталеину до исчезновения розовой окраски.
Ход работы. Из исходного материала отобрать навески семян
для определения содержания воды. Семена с определенной степенью
влажности приготовить за 1 день до проведения лабораторного занятия. Семена в алюминиевых бюксах поставить в сушильный шкаф и
выдержать 1 час при 104 ºС до полного высыхания. Затем по формуле
рассчитать содержание в процентах воды в семенах:
Х = (а – б) / а,
где а – навеска семян до высушивания,
б – навеска семян после высушивания.
46
В колбы налить по 25 мл раствора барита и внести 3–5 капель
фенолфталеина. Затем навески семян по 5 г с разной степенью увлажнения в пакетиках подвесить за крючки к пробкам и поместить в колбы. Замкнутость пространства внутри колб создается за счет плотного
закрывания колб пробками. Отдельно поставить колбу без семян для
контроля. Все колбы закрыть одновременно. Через 30–60 мин пакетики с растительными образцами изьять. Непрореагировавший с углекислым газом, выделившимся при дыхании семян, Ва(ОН)2 оттитровать 0,1 н щавелевой (либо соляной) кислотой до исчезновения характерной розовой окраски. Расчет интенсивности дыхания провести по
формуле:
А=
2,2 × (В – С) × 60
p×t
где А – интенсивность дыхания, мг СО2 на 1 г сырой массы в час;
В – количество мл 0,1 н щавелевой (либо соляной) кислоты, пошедшее на титрование барита в контрольной пробе;
С – количество мл 0,1 н щавелевой (либо соляной) кислоты, пошедшее на титрование барита в пробе с растительным материалом;
2,2 – мг СО2, эквивалентное 1 мл 0,1 н щавелевой или соляной кислот;
р – навеска семян, г;
t – время эксперимента в минутах.
После проведения всех расчетов сведения по каждому варианту
экспериментальной работы внести в таблицу 14.
Таблица 14
Интенсивность дыхания семян при разной степени оводнения тканей
Вариант
Количество раствора кислоты,
пошедшей на титрование, мл
контроль
опыт
Содержание Н2О в
семенах, %
Интенсивность дыхания,
мг/г сухой массы семян в
час
Сделать выводы о влиянии оводненности тканей семян на процесс их дыхания. Как будет влиять увеличение или снижение температуры при том же содержании воды в тканях семян на выделение углекислого газа?
47
Лабораторная работа № 19
Дыхание растений различных экологических групп
Цель работы: сравнить интенсивность дыхания растений различных экологических групп либо различных видов одной и той же
экологической группы.
Материалы и оборудование: проростки культурных растений
(С3-типа фотосинтеза – пшеница, рожь, ячмень, овес и др., С4-типа
фотосинтеза – кукуруза, свекла и др.), широкогорлые колбы на 300
мл, пробки к колбам, весы, разновесы, сушильный шкаф, бюксы, реактивы: фенолфталеин, 0,1 н щавелевая или 0,1 н соляная кислоты, 0,1
н раствор Ва(ОН)2.
Методические рекомендации. Экологическая пластичность растений обеспечивается многообразием дыхательных субстратов, которые могут быть использованы растениями, а также сложно организованной системой терминального окисления этих субстратов на уровне
клетки. В ходе ферментативных реакций окисления, протекающих в
клетках, образующиеся в ходе фотосинтеза сахара и другие органические соединения служат для растительного организма источником питания и энергии. Процесс дыхания характеризуется поглощением кислорода и выделением углекислого газа.
Растения различных экологических групп по отношению к световому режиму (гелиофиты и сциофиты), водному режиму (гигрофиты,
мезофиты, ксерофиты), богатству почвы (эвтотрофы, мезотрофы, олиготрофы) и т. д. характеризуются разным уровнем интенсивности дыхания, поскольку они находятся в разных условиях существования.
Определение интенсивности дыхания проводим с использованием уже известного нам по лабораторным работе № 18 метода учета
выделившегося и поглощенного баритом углекислого газа в замкнутом пространстве.
Ход работы. Из части исходного материала взять навески листьев для определения содержания в них воды. В качестве растительных
образцов целесообразно взять для сравнения проростки различных
культурных растений (например, злаков с С3- (пшеница, рожь, ячмень
и т.д.) и С4-типами фотосинтеза (кукуруза). Навески растительного
материала в алюминиевых бюксах поставить в сушильный шкаф и
выдержать 1 час при 104 ºС до полного высыхания. Затем рассчитать
содержание (%) в них воды (см. работу № 18).
48
В колбы налить по 25 мл раствора барита и внести 3–5 капель
фенолфталеина. Затем пучки листьев, заранее подготовленные и связанные ниткой, по 5 г подвесить за крючки к пробкам и поместить в
колбы. Вслед за этим колбы плотно закрыть пробками. Отдельно поставить пустую колбу для контроля. Все колбы следует закрывать одновременно. Для исключения процесса фотосинтеза в зеленых листьях колбы следует обернуть черной бумагой. Длительность опыта составляет 30–60 мин. За это время углекислый газ, выделившийся из
листьев, прореагирует с баритом. Оставшийся Ва(ОН)2 титруется 0,1 н
щавелевой (либо соляной) кислотой. Расчет интенсивности дыхания
провести по формуле (лабораторная работа № 18).
После проведения всех расчетов сведения по каждому варианту
экспериментальной работы внести в таблицу 15.
Таблица 15
Интенсивность дыхания различных видов растений
Вариант
Количество раствора кислоты,
пошедшей на титрование, мл
контроль
Содержание Н2О в
растительном образце, %
Интенсивность дыхания,
мг/г сухой массы растительного образца в час
опыт
Сделать выводы об интенсивности дыхания растений различных
экологических групп.
Лабораторная работа № 20
Содержание водорастворимой фракции белков
в зеленых листьях растений как показатель
их большей устойчивости к засолению
Цель работы: установить виды либо сорта культурных растений,
обладающих большей солеустойчивостью, используя в качестве критерия содержание фракции водорастворимых белков в зеленых листьях.
Материалы и оборудование: проростки культурных злаков
(пшеницы, ячменя, овса, ржи) или сорта этих растений, различающихся по солеустойчивости; ступки с пестиками, кварцевый песок, колбы
49
на 50 мл, воронки с фильтром, центрифужные градуированные пробирки, центрифуга, спектрофотометр, (NH4)2SO4.
Методические рекомендации. Способность растений переносить засоление определяется многими механизмами. Одним из них
является большее осмотическое давление клеточного сока у солеустойчивых видов. Это свойство обеспечивается высоким содержанием в их клетках водорастворимых белков и углеводов. Наличие этих
веществ придает растениям высокую сопротивляемость к действию
такого фактора, как повышенное содержание минеральных элементов
в почвенном растворе. Среди культурных растений, обладающих высокой солеустойчивостью, следует отметить ячмень.
Ход работы. Навески свежих листьев исследуемых растений по 2
грамма растереть с небольшим количеством кварцевого песка в 10 мл
воды. Полученную кашицу следует очистить от взвесей фильтрованием или центрифугированием. Фильтрат либо супернатант (надосадочная жидкость) исследовать на содержание в нем растворимых белков.
Способ 1. 5 мл вытяжки каждого растительного образца налить в
центрифужные градуированые пробирки. После в пробирку добавить
сухой сульфат аммония до полного насыщения (на 5 мл вытяжки требуется около 15 г (NH4)2SO4). Через 15 мин после растворения соли
наблюдается выпадение осадка белка в виде геля. Для количественного сравнения пробирки с образцами следует перенести в центрифугу и
осадить белок при 4000–5000 мин–1 в течение 3 мин. Объем (в мл) выпавших в осадок белков позволяет сделать выводы о различиях в устойчивости к засолению разных видов растений, либо сортов различающихся по устойчивости к данному фактору. Полученные данные
занести в таблицу.
Способ 2. Содержание белков в растительной образце можно определить также, используя спектрофотометр. Полученную вытяжку, в
которой содержится водорастворимый белок, налить в кюветы и измерить на спектрофотометре оптическую плотность раствора при 260
и 280 нм. Для расчета концентрации белка применяют формулу, предложенную Варбургом и Христианом:
С=1,55 × Е280 – 0,76 × Е260;
где С – концентрация белка, мг/мл,
Е280 и Е260 – экстинкция (оптическая плотность, светопоглощение)
раствора белка при 280 и 260 нм, 1,55 и 0,76 – расчетные коэффициенты.
50
Проведя измерения и рассчитав концентрацию белка в исследуемых растительных образцах, сравнить полученные данные с результатами первого способа и сделать общий вывод о содержании водорастворимой фракции белков в зеленых листьях растений, различающихся по своей солеустойчивости.
Лабораторная работа № 21
Влияние обеспеченности растений элементами минерального
питания на интенсивность их дыхания
Цель работы: определить зависимость интенсивности дыхания
от обеспеченности растений элементами минерального питания.
Материалы и оборудование: проростки злаков (пшеницы, ячменя, ржи, овса и др.), выращенные при различных концентрациях
элементов минерального питания (1/1, 1/10, 1/50, 1/100, 1/500 от исходной концентрации стандартного раствора Кнопа) и на дистиллированной воде, широкогорлые колбы с притертыми пробками, бюретки,
весы, разновесы, пинцет, реактивы: фенолфталеин, 0,1 н щавелевая
или 0,1 н соляная кислоты, 0,1 н раствор Ва(ОН)2.
Методические рекомендации. Растения способны извлекать из
почвенного раствора минеральные элементы в достаточных для себя
количествах. Системы активного транспорта более эффективно работают при низкой концентрации необходимых элементов в растворе у
растения, что требует затрат большего количества энергии. Действительно, установлена корреляция между более высокой скоростью поглощения ионов растениями, выращенными на разбавленных питательных растворах, и высоким содержанием в них сахаров, а также с
повышенной дыхательной активностью. Таким образом, наблюдается
непосредственная связь между интенсивностью поглощения минеральных элементов и метаболизмом растений.
Ход работы. Интенсивность дыхания оценить с помощью метода
по учету количества СО2, выделяемого растением при дыхании в
замкнутом сосуде. Известный объем щелочи поглощает углекислый
газ за определенный промежуток времени. Избыток щелочи титруется
соляной либо щавелевой кислотой. Сущность метода описана ранее в
лабораторной работе № 18. Для учета углекислого газа собрать прибор. На дне широкогорлой колбы расположить стаканчик с раствором
51
барита. Навеска растительного материала поместить на свободное
пространство вокруг стаканчика.
В колбы (перед опытом откалибровать по объему) поместить навеску растительного материала массой 2–3 г. Внутрь колбы установить стаканчик с 1–2 мл 0,1 н Ва(ОН)2. Колбу герметично закрыть
притертой пробкой. На время эксперимента 40–50 мин колбы поместить в темноту для исключения фотосинтетических реакций в тканях
растений. В течение этого времени выделившийся в результате дыхания углекислый газ поглощается баритом.
Титрование избытка гидроксида бария осуществить с помощью
0,1 н щавелевой либо 0,1 н соляной кислот по фенолфталеину.
В качестве контроля используется колба без навески растительного материала. Количество находящегося в ней углекислого газа
оценивается аналогичным способом. Все варианты опытных образцов
ставятся в трех повторностях.
Интенсивность дыхания вычисляется, исходя из разницы объемов
растворов кислоты, пошедшей на титрование избытка барита в опытных и контрольной колбах. Формула для расчета интенсивности дыхания приведена в лабораторной работе № 18.
Результаты лабораторной работы занести в таблицу 16.
Таблица 16
Интенсивность дыхания растений от его обеспеченности
элементами минерального питания
Интенсивность дыхания,
мг/г сухой массы семян в час
Питательный раствор
Дистиллированная вода
Р-р Кнопа 1/1
Р-р Кнопа 1/10
Р-р Кнопа 1/50
Р-р Кнопа 1/100
Р-р Кнопа 1/500
Сделать вывод о влиянии условий минерального питания растений на работу систем активного транспорта ионов через плазмалемму.
Какие ионтранспортные системы растительных клеток вам известны?
52
Лабораторная работа № 22
Водный дефицит листьев растений
при различных условиях
Цель работы: экспериментально доказать изменение водного
дефицита растений при варьировании условий окружающей среды.
Материалы и оборудование. 10–15 дневные растения зернобобовых (фасоли, гороха, бобов идр.), выращенные в лаборатории, аналитические весы, разновесы, ножницы, стаканчики, сушильный шкаф,
фильтровальная бумага, тепловентилятор.
Методические рекомендации. Содержание воды в листьях растений зависит от разности между количеством испаренной и поглощенной водой растением. При более сильной транспирации и недостаточном водоснабжении наблюдается водный дефицит. Величина
водного дефицита выражается в процентах и определяется как количество воды, недостающее до полного насыщения, к количеству воды,
содержащейся в насыщенных водой тканях. В норме величина водного дефицита не должна превышать 10 %, при возрастании свыше 25 %
у растений наблюдаются значительные изменения: завядание листьев,
снижение интенсивности фотосинтеза, закрывание устьиц, нарушение
дыхания.
Ход работы. При проведении лабораторной работы следует сделать несколько вариантов: водный дефицит оценить в растениях до
полива, через полчаса после полива, а также на протяжении 2–3 ч при
воздействии на растение движения воздуха (как отдельные варианты
можно последний способ модифицировать – использовать и теплый и
холодный воздух).
Несколько (5–6) листьев растения следует срезать с черешками и
взвесить. Затем поставить их в стаканчик с водой. В воду должны
быть погружены черешки листьев. Стаканчик сверху закрыть стеклом.
После нахождения листьев в воде 30 мин следует достать их из воды,
высушить фильтровальной бумагой и вновь взвесить. Далее пробы
поместить в сушильный шкаф и выдержать в течение 1 ч при температуре 100–105 °С.
После проведения работы полученные результаты следует занести в таблицу 17.
53
Таблица 17
Водный дефицит листьев растений при различных условиях
Масса пробы, г
Вариант
опыта
до насыщения
после
насыщения
Содержание воды, %
абс. сухой
до насыщения
после
насыщения
Водный
дефицит,
%
Содержание воды в листьях до насыщения (A) вычисляется по
формуле:
А = ((В–С)/В) × 100.
Содержание воды в листьях после насыщения (D) – по формуле:
D = ((E–С)/E) × 100.
Водный дефицит (F) рассчитывается по формуле:
F = ((E–B)/(E–C)) × 100,
где В – масса пробы до насыщения,
С – масса абсолютно сухой пробы,
Е – масса пробы после насыщения.
Каждый вариант следует проводить в 5–6 повторностях (целесообразно объединить данные нескольких студенческих бригад). Сделать выводы, сравнив содержание воды в листьях и водный дефицит
растений при различных условиях.
Лабораторная работа № 23
Влияние света на некоторые морфологические особенности
растений и на фонд фотосинтетических пигментов
Цель работы: установить влияние света на формирование листьев, побегов растения и фонд фотосинтетических пигментов.
Материалы и оборудование. Проростки зернобобовых культур
(фасоли, гороха, бобов и др.) либо салата, кабачка, огурцов, выращенные при различных условиях светового довольствия (при дневном освещении, в темноте и выставляемые из темноты на дневной свет на 10
мин в сутки); ацетон, ступки фарфоровые с пестиками, сухой мел,
кварцевый песок, воронки, ножницы, пробирки, колбы на 25 мл, насос
54
Камовского, колбы Бунзена, стеклянные фильтры № 3, спектрофотометр (СФ).
Методические рекомендации. Кроме энергетической составляющей фотосинтеза световая энергия является для растения фактором, осуществляющим взаимосвязь организма со средой. Световая радиация, поглощаемая растением, участвует в регуляции таких морфогенетических процессов, как прорастание семян, клеточное деление и
растяжение, фототропические реакции, образование пигментов, движение хлоропластов в клетке, состояние устьиц, вегетативный рост и
процесс генеративного развития. Таким образом, органы и ткани растения формируются при непосредственном участии световой компоненты окружающей среды. В основе фоторегулируемых процессов
лежат фотохимические реакции молекул хлорофиллов, каротиноидов,
фитохромов, флавиновых ферментов, криптохромов и др.
Ход работы. Методически экспериментальная часть работы аналогична работе № 17. Следует проанализировать фонд фотосинтетических пигментов в ацетоновой вытяжке, полученной из предлагаемых растительных образцов. Прежде чем начинать экстракцию хлорофиллов и каротиноидных пигментов, следует внимательно рассмотреть растения, отметив при этом длину и форму побегов и листьев,
цвет самих побегов, состояние растений.
Все экспериментальные величины и примечания занести в произвольную таблицу, в которой должны быть отмечены варианты, данные по спектрофотометрическому анализу пигментов, данные о содержании пигментов в растительных образцах, а также сделанные
примечания по морфологическим признакам. Сделать выводы.
Каким образом кратковременное воздействие дневным светом
повлияло на ряд морфологических признаков и фонд фотосинтетических пигментов? Почему этиолированные проростки имеют желтоватый цвет?
55
Содержание
От авторов ………………………………………………………...
Раздел 1. Особенности строения растений в связи с условиями жизни ……………………………………………………..
Лабораторная работа № 1. Особенности строения световых и
теневых листьев в кроне дерева или кустарника ……………….
Лабораторная работа № 2. Анализ структуры листьев гелиофитов и сциофитов ……………………………………………….
Лабораторная работа № 3. Морфолого-анатомические особенности растений, приуроченных к местообитаниям с разными
условиями освещения …………………………………………….
Лабораторная работа № 4. Особенности морфологоанатомического строения растений одного вида в разных условиях обитания …………………………………………………..
Лабораторная работа № 5. Определение теневыносливости
древесных растений по их относительной высоте ……………..
Лабораторная работа № 6. Морфолого-анатомические особенности листьев на разных сторонах кроны дерева, растущего на опушке леса ………………………………………………...
Лабораторная работа № 7. Анатомо-морфологические адаптации растений по отношению к различному водному режиму ...
Лабораторная работа № 8. Анатомо-морфологические особенности строения стеблей гигрофитов, мезофитов и ксерофитов.
Лабораторная работа № 9. Особенности строения надводных,
плавающих и подводных листьев гетерофилльного макрофита.
Лабораторная работа № 10. Особенности строения световых и
теневых листьев гигрофитов …………………………………….
Лабораторная работа № 11. Морфолого-анатомические особенности растений сфагновых болот …………………………....
Лабораторная работа № 12. Строение листа и стебля суккулента ……………………………………………………………….
Лабораторная работа № 13. Особенности строения плодов и
семян анемохорных растений …………………………………....
Раздел II. Физиолого-биохимические особенности растений в зависимости от условий обитания ……………………..
Лабораторная работа № 14. Сравнение интенсивности транспирации растений одного вида в разных условиях обитания ....
56
3
5
6
9
11
14
15
17
20
21
23
26
27
30
31
33
34
Лабораторная работа № 15. Влияние удобрений на рост, развитие и урожай растений ………………………………………...
Лабораторная работа № 16. Содержание фотосинтезирующих
пигментов в листьях растений разных ярусов фитоценоза, теневых и световых листьев одного растения …………………….
Лабораторная работа № 17. Влияние выделений из листьев
растений на прорастание семян и рост корней ………………....
Лабораторная работа № 18. Влияние оводненности тканей на
процесс дыхания семян …………………………………………..
Лабораторная работа № 19. Дыхание растений различных экологических групп ………………………………………………....
Лабораторная работа № 20. Содержание водорастворимой
фракции белка в зеленых листьях растений как показатель их
большей устойчивости к засолению …………………………….
Лабораторная работа № 21. Влияние обеспеченности элементами минерального питания на интенсивность дыхания ……...
Лабораторная работа № 22. Водный дефицит растений при
различных условиях ……………………………………………...
Лабораторная работа № 23. Влияние света на некоторые морфологические особенности растений и на фонд фотосинтетических пигментов ………………………………………………....
Содержание ……………………………………………………….
Литература ………………………………………………………...
57
37
41
44
46
48
49
51
53
55
56
58
Литература
1. Викторов Д. П. Малый практикум по физиологии растений.– М.:
Высшая школа, 1983.– 135 с.
2. Бавтуто Г. А., Ерёмин В. М. Ботаника: морфология и анатомия растений.– Мн.: Вышэйшая школа, 1997.– 375 с.
3. Гавриленко В. Ф., Жигалова Т. В. Большой практикум по фотосинтезу / Под ред. И. П. Ермакова.– М.: Академия, 2003.– 256 с.
4. Горышина Т. К. Экология растений.– М.: Высш. школа, 1979.–
368 с.
5. Горышина Т. К., Антонова И. С., Самойлов Ю. И. Практикум по
экологии растений / Под. ред. В. С. Ипатова.– СПб.: Изд-во С.Петербургского ун-та, 1992.– 140 с.
6. Двораковский М. С. Экология растений.– М.: Высш. школа, 1983.–
190 с.
7. Зайцев Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике.– М.: Наука, 1984.– 424 с.
8. Лотова Л. И. Морфология и анатомия высших растений.– М.: Эдиториал УРСС, 2000.– 526 с.
9. Нагалевский В. Я., Николаевский В. Г. Экологическая анатомия
растений.– Краснодар, изд-во Кубанского гос. ун-та, 1981.– 88 с.
10. Практикум по физиологии растений / Н. Н. Третьяков, Т. В.
Карнаухова, Л. А. Паничкин и др.– М.: Агрпромиздат, 1990.– 271 с.
11. Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника. В 2-х т.
Пер. с англ. 1990.
12. Чернова М. Н. Лабораторный практикум по экологии.– М.: Просвещение, 1986.– 96 с.
13. Эксперименты и наблюдения на уроках биологии.– Мн.: БелСЭ,
1998.– 208 с.
14. Яковлев Г. П., Челомбитько В. А. Ботаника / Под ред. чл.-корр.
РАН, профессора Р. В. Камелина.– СПб.: Спец. Лит. Изд-во
СПХФА, 2001.– 680 с.
58
Учебное издание
Лемеза Николай Алексеевич
Смолич Игорь Иванович
Практикум по экологии растений
Учебное пособие
В авторской редакции
Художник обложки
Технический редактор
Корректор
Ответственный за выпуск Н. А. Лемеза
Подписано в печать
. Формат 60×84/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Печать офсетная. Усл. печ. л.
. Уч.-изд. л. .
Тираж экз. Зак.
Белорусский государственный университет.
Лицензия ЛВ № 315 от 14.07.98.
220050, Минск, проспект Франциска Скорины, 4
Отпечатано с оригинал-макета заказчика.
Республиканское унитарное предприятие
«Издательский центр Белорусского государственного университета»
Лицензия ЛП № 461 от 14.08.2001.
220030, Минск, Красноармейская, 6.
59