Особенно полно и глубоко изучена фотопериодическая реакция при образовании репродуктивных органов.
Некоторые вопросы, едва затронутые при исследовании процесса воздействия фотопериода на вегетативные органы, получили почти законченное решение при изучении формирования репродуктивных органов. Сказанное относится прежде всего к характеристике лучей спектра, деятельных в фотопериодической реакции, к вопросу о зависимости реакции от интенсивности света и, наконец, к вопросу о соотношении продолжительности светлых и темных периодов. Рассмотрим отдельно эти вопросы, предпослав изложению несколько указаний о методике изучения фотопериодической реакции.
На первых порах при изучении фотопериодической реакции критерий ее наличия был очень прост. О ее прохождении заключали по возникновению или отсутствию соответствующих органов. Так, по зацветанию растения или отсутствию цветков, по образованию клубней или луковиц заключали о том, имела ли место фотопериодическая реакция. Возможность ошибочного заключения при пользовании критериями подобного рода очевидна.
Выше указывалось, что действие фотопериода вызывает прежде всего прохождение соответствующих детерминационных процессов в точке роста побега или в эмбриональном зачатке органа. Вслед за прохождением соответствующих детерминационных процессов может начаться процесс органообразования. Сначала это будут процессы эмбрионального роста данных органов, а затем видимого роста, которые завершатся цветением, клубнеобразованием или образованием иных органов. При рассмотрении ряда проблем физиологии развития мы уже отмечали, что условия, при которых растение приобретает готовность к прохождению определенного этапа развития, могут совершенно не совпадать с условиями, необходимыми для его прохождения. Естественно допустить, что это может произойти и при действии фотопериода.
Определенная продолжительность дня может быть необходимым условием прохождения детерминационных процессов. Возникновение же репродуктивных или вегетативных органов на основе этих детерминационных изменений может оказаться процессом, протекающим лишь при иных фотопериодических условиях. Опыт показывает, что это предположение отвечает действительности. Так, например, при изучении развития озимых злаков, выращиваемых с начала прорастания на укороченном 8-часовом дне, не удается наблюдать выхолащивания. Отсюда можно сделать, и это делалось некоторыми исследователями, ошибочное заключение, что необходимые для колошения изменения в точках роста озимых злаков не проходят на коротком дне. Однако тщательное микроскопическое изучение точек роста злаков, проходивших развитие на 8-часовом дне, заставляет сделать совершенно иной вывод. Оказывается, что в условиях этого короткого фотопериода происходит обильное и быстрое заложение меристематических зачатков репродуктивных органов. Следовательно, на 8-часовом дне в точках роста побегов озимых злаков проходят детерминациоцные процессы, делающие конусы нарастания способными формировать зачатки репродуктивных органов. Эти зачатки действительно начинают образовываться. Но в условиях 8-часового дня дальнейший рост и дифференцировка этих зачатков до образования макроскопических колосьев и цветков оказываются невозможными. Поэтому поверхностное наблюдение и приводит к ошибочному заключению, что озимые злаки при 8-часовом фотопериоде остаются в вегетативном состоянии.
Для физиологического анализа зависимости развития озимых злаков от длины дня представляется, конечно, далеко не столь важным, выколосились ли растения в данных условиях; гораздо важнее установить, прошел ли процесс детерминации зачатков репродуктивных органов. Поэтому, естественно, что в последнее время фитофизиологи при изучении фотопериодической реакции считают нужным не ограничиваться только констатированием образования макроскопических репродуктивных органов, а прибегают к микроскопическому изучению точек роста. Это позволяет благодаря рано обнаруживающемуся различию зачатков вегетативных и репродуктивных органов устанавливать прохождение детерминационных процессов вскоре после их завершения. Подсчет числа зачатков репродуктивных органов, возникших в данных условиях, может служить мерой количественного эффекта фотопериодической реакции.
Применение указанной методики учета фотопериодической реакции по возникновению эмбриональных зачатков репродуктивных органов позволило с недостижимой раньше точностью установить значение различных лучей спектра в этой реакции. Американский ученый Паркер и его сотрудники (Parker, Hendricks, Borthwick, Scully, 1946) использовали в качестве опытного растения сложноцветное Xanthium pennsylvanicum и сою. Их опыты показали, что наиболее эффективными при фотопериодической реакции являются лучи с длиной волны 6000— 6800А. Минимум эффективности световых лучей в фотопериодической реакции лежит в области длины волны 4800А. Лучи меньшей длины волны более эффективны, и граница их действия совпадает с коротковолновой границей видимого света. В целом зависимость фотопериодической реакции от длины волны световых лучей выражается двувершинной кривой, напоминающей соответствующую кривую для фотосинтеза.
Этот результат, как уже указывалось выше, не может быть истолкован как доказательство непосредственной зависимости фотопериодической реакции от фотосинтеза. В основе фотопериодической реакции растений лежат совершенно иные фотохимические реакции, чем протекающие при фотосинтезе. Но так как всякая фотохимическая реакция, согласно закону Гротгуса — Дрэпера, протекает только за счет поглощенной лучистой энергии, то это приложимо и к фотохимическим превращениям при фотопериодической реакции. Мы видели выше, что местом восприятия фотопериодического раздражения при детерминации образования вегетативных органов являются листья среднего возраста. Такой же вывод получен и при анализе физиологических процессов, приводящих к детерминации зачатков репродуктивных органов в результате действия определенного фотопериода. Не удивительно поэтому, что в листе, имеющем мощный аппарат поглощения лучей в виде пластидных пигментов, этот же аппарат функционирует и как поглотитель излучений, деятельных при фотопериодической реакции. Отсюда сходство кривых эффективности лучей разной длины волны в фотосинтезе и при фотопериодических реакциях.
Однако сходным оказывается лишь общий характер этих кривых, лишь положение максимумов и минимумов эффективности излучений. Соотношение эффективности лучей в области наиболее деятельных красных лучей и слабо деятельных синих лучей выражается величиной 60: 1 для сои и 200 : 1 для Xanthium, Различие величины этого соотношения и соответствующего отношения для эффективности красных и синих лучей в процессе фотосинтеза очевидно. По результатам К. А. Тимирязева (1875) и других исследователей можно принять, что скорость фотосинтеза в красных лучах лишь в два-три раза превосходит скорость этого процесса в синей части спектра. Этому различию нельзя не придавать принципиального значения как аргументу против признания непосредственной связи фотосинтеза с фотопериодической реакцией.
Другим аргументом в пользу признания своеобразия фотохимических реакций при фотопериодизме является характер зависимости фотопериодического воздействия от интенсивности света. Выше уже указывалось, что фотопериодические реакции при образовании вегетативных органов имеют место даже в том случае, если интенсивность света лежит ниже компенсационной точки. В цитированном нами исследовании Паркера и его сотрудников удалось установить, что фотопериодическая реакция при образовании репродуктивных органов осуществляется при поражающе низкой освещенности. Так она может иметь место даже при освещенности всего около 0,3 лк. Этот удивительный результат был получен при очень своеобразной методике постановки опытов по фотопериодизму. Ознакомление с этой методикой представляет интерес, так как она основана на одной очень существенной черте фотопериодических реакций.
Короткодневные растения, например Xanthium или соя, остаются в вегетативном состоянии, если их выдерживать на 24-часовом дне. Микроскопический контроль устанавливает, что в этом случае они не образуют даже зачатков репродуктивных органов. Поэтому можно заключить, что на 24-часовом дне у этих растений не проходят процессы детерминации, изменяющие характер деятельности точек роста. Однако растения Xanthium могут перейти в совершенно иное состояние и начать закладывать зачатки репродуктивных органов, если после выдерживания на 24-часовом дне дать им один длинный, по крайней мере, 16-часовой тем новой период. Отсюда прежде делалось неверное заключение, что короткодневные растения для перехода к образованию зачатков репродуктивных органов нуждаются в действии темноты. Истинная природа фотопериодической реакции короткодневных растений оказалась более сложной.
Если растения Xanthium, выращивающиеся на 24-часовом дне, выдерживать затем в условиях меняющегося светового режима, а именно три часа темноты — три минуты освещения, то в состоянии опытных объектов наступают глубокие изменения. После дачи растениям 12 циклов света и темноты указанной продолжительности растения не переходят затем при культуре на длинном дне к закладке зачатков репродуктивных органов. Это не может не показаться странным, ибо за 12 циклов растения получают 36 час. темпового воздействия, тогда как 16-часовое непрерывное действие темноты уже обусловливает возникновение зачатков репродуктивных органов. Приходится, следовательно, заключить, что короткие трехминутные промежутки освещения сделали неэффективным воздействие темноты. Это позволяет сделать весьма важный вывод: для прохождения детерминационных процессов у короткодневных растений необходима минимальная величина непрерывного темнового периода.
Но не менее интересным оказывается и другой факт. Действие на растения Xanthium указанных циклов темноты, прерываемой трехминутным освещением, не только не приводило их в состояние готовности к закладке репродуктивных органов, но мешало способности к нормальной реакции на непрерывное 16-часовое затемнение. Даже и после этого воздействия растения, предварительно получившие 12 циклов (три часа темноты — три минуты света), оставались в вегетативном состоянии.
Этот факт позволил сделать второй весьма важный вывод: эффективность непрерывного темнового воздействия достаточной длительности определяется световыми условиями, непосредственно предшествовавшими помещению растений в темноту. Так возникло новое представление о необходимости для осуществления фотопериодической реакции короткодневных растений определенных периодов светового и темнового воздействия. Это представление получило очень убедительное и яркое подтверждение в опытах Хамнера (Hamner, 1940). В сумме необходимый минимальный срок темного воздействия и предшествующего ему светового периода могут составить меньший промежуток, чем 24 часа. Поэтому, естественно, в таких случаях говорить уже не о коротком дне, а о фотоиндуктивном цикле. Xanthium относится к числу растений, у которых прохождение процессов детерминации зачатков репродуктивных органов может быть вызвало действием даже одного фотоинддктивного цикла. У сои сорта Билокси это достигается только после действия нескольких фотоиндуктивных циклов.
Объяснение результатов этих интересных опытов привело к значительному обогащению наших представлений о механизме фотопериодической реакции короткодневных растений. Для изложения этих новых воззрений на природу отдельных превращений, протекающих при действии на растения фотоиндуктивных циклов, приходится использовать упоминавшийся выше факт значения непрерывности темнового периода.
Необходимость минимальной продолжительности световой части фотоиндуктивного цикла можно истолковывать, очевидно, только как условие, определяющее образование в листьях продуктов соответствующих фотохимических превращений. Но вещество или вещества, возникающие в результате этих превращений, сами по себе еще не являются теми физиологически активными соединениями, наличие которых в растении может уже обусловить изменение деятельности точек роста. Очевидно, при действии фотопериода минимальной эффективной длительности: в листьях достигается пороговая концентрация вещества или веществ, подлежащих дальнейшей переработке в темноте.
Это гипотетическое вещество А подвергается за время темновой части фотоиндуктивного цикла дальнейшим изменениям, делающим его физиологически активным веществом, способным изменять характер зачатков, образуемых точками роста. О том, что эти превращения действительно имеют место, можно заключить по наличию таких растений, как Xanthium, дающих фотопериодическую реакцию образования зачатков репродуктивных органов уже после действия одного фотоиндуктивного цикла. Следовательно, за время прохождения темновой части фотоиндуктивного цикла совершенно заканчивается выработка вещества или веществ, способных вызвать изменение характера деятельности точек роста.
Но было бы неверно заключить, что происходящая за темновой промежуток переработка продуктов фотохимических реакций является одной реакцией, одним звеном в цепи превращений.
Если бы это было так, то короткие промежутки света в 3 мин. рассекающие темновой период, не делали бы вещество А неэффективным. Ведь растение, подвергнутое действию одного фотоиндуктивного цикла, перемещенное затем на 24-часовой день, переходит в дальнейшем к образованию зачатков репродуктивных органов. Следовательно, конечные продукты, возникающие, за время темнового периода цикла, устойчивы к действию света. Однако этой устойчивостью к действию света совершенно, не обладают промежуточные продукты темновой переработки вещества А. Наоборот, эти вещества (В) характеризуются чрезвычайной чувствительностью к действию света, так что короткое трехминутное освещение листьев в середине темнового периода совершенно разрушает промежуточные соединения.
Назовем физиологически активные вещества, способные перестраивать деятельность точек роста, — С. Тогда мы сможет кратко формулировать представление о последовательном ходе превращений за время фотоиндуктивного цикла следующим образом:
Темная часть фотоиндуктивного цикла. Переработка веществ А сперва в промежуточные продукты — В, разрушаемые действием света, затем в устойчивые к освещению вещества — С.
Светлая часть фотоиндуктивного цикла. Образование веществ А — продуктов фотохимических реакций в листьях — и накопление их до порога концентрации, необходимой для последующих темновых реакций.
Итог действия одного фотоиндуктивного цикла. Накопление способного перестраивать деятельность меристем вещества С в количестве, достаточном для этой перестройки, или части этого количества.
Если принять эту схему, то факты, еще недавно казавшиеся непонятными, получают объяснение. Остается лишь неясным вопрос, имеющий первостепенное значение, о химической природе веществ, обозначенных А, В, С. Ниже мы увидим, что до сих пор все попытки выделить вещество С оказались безуспешными. Не удивительно поэтому, что вещества А и В, отличающиеся большой лабильностью, пока также остаются неизвестными.
Приведенная схема дает ключ к пониманию процессов, определяющих прохождение фотопериодической реакции у короткодневных растений. Но каким образом следует объяснять возникновение этой реакции у длиннодневных растений? Так как у этой группы растений образование зачатков репродуктивных органов происходит на 24-часовом дне, то следует допустить, что образование физиологически деятельных веществ, детерминирующих характер органообразования, начинается и заканчивается на свету. Это логически неизбежное заключение приводит нас к трудности объяснения действия периодов темноты на длиннодневные растения. Чередование световых и темновых промежутков при достаточной длительности последних лишает эти растения способности к образованию репродуктивных органов.
Как указано выше, мы исходим из допущения об окончательной выработке на свету в листьях длиннодневных растений веществ, изменяющих характер работы точек роста. Следовательно, нам приходится допускать, что в листьях длиннодневных растений эти вещества оказываются неустойчивыми в условиях темнового обмена веществ. Это заключение вполне закономерно, и единственно слабым местом его надо признать недоказанность допущения о тождественности веществ С у длиннодневных и короткодневных растений.
Но как бы ни был в дальнейшем решен вопрос об идентичности для всех растений веществ, вызывающих изменения характера деятельности точек роста, изучение фотопериодизма приводит к одному важному общему выводу о процессе перемещения этих веществ. Эта сторона фотопериодической реакции была обстоятельно изучена М. X. Чайлахяном (1936, 1937) и Б. С. Мешковым (1936, 1937), работавшими независимо друг от друга и пришедшими к одинаковым выводам.
Первое существенное положение, установленное их опытами сходно с выводом, полученным при изучении действия фотопериода на образование вегетативных органов. Это положение можно формулировать так: при детерминации характера зачатков, образуемых конусом нарастания под действием фотопериода, местом восприятия фотопериодического раздражения является лист. Местом осуществления реакции является, очевидно, конус нарастания побега.
Интересно отметить некоторые детали, характеризующие роль листьев в фотопериодический реакции. Деятельными в этом отношении являются только листья некоторого среднего возраста. Старые или только начинающие развертываться листья не могут обеспечить осуществления фотопериодической реакции. Как мы видели выше, аналогичные отношения имеют место и при изменении характера вегетативных образований в результате фотопериодической реакции.
Существуют определенные количественные соотношения между площадью листьев, подвергающихся действию соответствующего фотопериода, и числом точек роста, где может осуществиться реакция. Наличие такого предела реагирующих точек роста, приходящихся на единицу листовой поверхности, подвергающейся фотопериодическому воздействию, свидетельствует о существовании порога эффективной концентрации веществ С. Соотношения аналогичного характера мы отмечали и для других этапов развития как общую черту процессов развития растений.
Второе существенное положение, касающееся выяснения роли листьев в фотопериодической реакции образования зачатков репродуктивных органов, обоснованное опытами Чайлахяна, таково: вещества С, возникающие в листьях под действием соответствующего фотопериодического режима, перемещаются из листьев по проводящим путям флоэмы к точкам роста. Установление пути перемещения этих веществ потребовало проведения специальных опытов. Лист короткодневного растения хризантемы, получивший нужные фотоиндуктивные циклы и служивший местом образования веществ С, частично лишался связи с остальным растением. Если сохранялась узкая полоска коры, соединявшая его со стеблем, то фотопериодическая реакция образования репродуктивных органов имела место. Следовательно перемещение веществ С происходит по флоэме.
Третье принципиально важное положение, установленное упомянутыми исследованиями, вводит нас уже в круг вопросов, связанных с характеристикой природы веществ С. Опытами прививки одних видов на другие Чайлахяну удалось показать, что эти вещества не являются специфичными для определенных видов. Можно привить листья подсолнечника на топинамбур и выдерживать листья подсолнечника в условиях фотопериода, вызывающего зацветание подсолнечника. Листья, имевшиеся на подвое, можно при этом выдерживать на дне столь значительной длины, при которой топинамбур не переходит к образованию репродуктивных органов. Тем не менее топинамбур под влиянием фотопериодического воздействия на листья привоя перейдет к формированию репродуктивных органов. Вывод из результатов этого опыта очевиден: вещества С, образовавшиеся в листьях подсолнечника, вызвали изменения в деятельности точек роста топинамбура. Так как эти изменения аналогичны тому, которое листья подсолнечника вызывают при осуществлении фотопериодической реакции на подсолнечнике, то приходится заключить об идентичности веществ С у подсолнечника и топинамбура.
Эти опыты были проведены в дальнейшем разными исследователями с различными растениями. Важно отметить, что удалось установить не только отсутствие видовой специфичности вещества С, но и общность этих веществ у растений различных фотопериодических групп. Листья короткодневного растения, привитого на длиннодневное растение, подвергнутые действию фотоиндуктивного цикла, вызывали зацветание подвоя. Листья растений короткого дня, привитых на фотопериодически нейтральные растения, вызывали образование зачатков репродуктивных органов у подвоя, если эти листья получали нужный фотопериод. Обобщая результаты опытов этого рода, можно сказать, что растения различных фотопериодических групп в условиях соответствующего фотопериода вырабатывают в листьях одни и те же вещества. Что же известно о химической природе этих веществ?
До сих пор, к сожалению, еще не удалось получить ответа на этот вопрос, несмотря на многочисленные настойчивые попытки изучения веществ, обусловливающих изменение деятельности точек роста.
Главной причиной этих неудач является невозможность получить из растений путем диффузии или экстракции вещества, вызывающие при действии на растения, еще находящиеся в вегетативном состоянии, образование зачатков репродуктивных органов. Выше мы видели, что при срезании верхушек колеоптилей злаков и помещении их на агар в него диффундирует гормон роста. Но это вещество можно получить не только за счет свободной диффузии, ню и путем экстракции разными растворителями. Так, например, при экстракции растительных тканей серным эфиром, хлороформом и другими веществами удается извлечь гормон роста. Все попытки получить путем диффузии или экстракции вещества С из растительных тканей до сих пор безрезультатны, хотя для их извлечения испытано свыше ста растворителей.
Неудачными оказались и попытки заменить вещество С искусственным введением в растения ряда различных физиологически деятельных соединений. Среди этих соединений, оказавшихся неспособными заменить вещества С, были: витамины B1, В2, В6, витамин С, никотиновая кислота, пантотеновая кислота, инозит, индолил-3-уксусная кислота. Таким образом, пока нет никаких оснований для заключений о природе веществ, возникающих в листьях и вызывающих перестройку в деятельности точек роста. Но вместе с тем все сообщенные выше факты о зависимости фотопериодической реакции от наличия хотя бы одного листа в соответствующих фотопериодических условиях, о взаимодействии привоя и подвоя при осуществлении этой реакции заставляют заключить о существовании таких веществ.
Некоторые исследователи, как например М. X. Чайлахян (1937), считали возможным допустить наличие одного специфического вещества этого рода—гормона цветения — флоригена. Но это предположение пока лишено экспериментальной основы и, принимая во внимание сложность процесса цветения, правильнее допускать наличие ряда гормональных веществ, обусловливающих этот процесс. Наконец, некоторые факты, полученные за последнее время, позволяют высказать гипотезу о решающей роли и в процессе образования репродуктивных органов ростовых веществ. Американскому ученому Ван-Овербеку toverbeek van, 1946) и нашему исследователю Д. П. Снегиреву (см. Холодный, Кочерженко, 1948) удалось вызвать образование репродуктивных органов путем воздействия ростовыми веществами.
Эти факты не следует истолковывать слишком просто как непосредственный результат реакции точек роста на введенное в организм ростовое вещество. Вероятно, ростовое вещество, способное вызывать течение ряда цепных реакций, привело к прохождению одной из реакций, давших в итоге превращений вещества, функционировавшие как гормоны цветения. Если бы это действительно было так, то стали бы понятными неудачи попыток извлечь из растений гормональные вещества, вызывающие формирование зачатков репродуктивных органов. Большое практическое значение изучения вопроса о специфических веществах, заставляющих точки роста изменять характер органообразования, и крупный теоретический интерес проблемы привлекают к ней внимание и силы многих ученых. Надо надеяться, что и в этой области физиологии развития крупные успехи — дело близкого будущего.