В 1935 и 1936 гг. нами были проведены опыты с хирургическим уменьшением листовых пластинок, находящихся в условиях как короткого дня, так и непрерывного освещения.
Цель их — выяснить зависимость актиноритмических реакций от размеров листовой площади, воспринимающей световые усилия.
Периллу масличную с появления всходов выращивали в условиях непрерывного освещения. Актиноритмическое воздействие начиналось после того, как растения периллы образовывали четвертую пару листьев. Хирургическая подготовка состояла в декапитации растений и удалении всех листьев и точек роста, кроме четвертого снизу листа и находившейся в его пазухе почки. Данный опыт проводили в условиях непрерывного освещения в середине лета. В нем было 18 вариантов с многократной повторностью.
В 1-м варианте листовые пластинки находились в условиях непрерывного освещения. За все время опыта растения оставались растущими и не приступили к бутонообразованию. Во 2-м варианте листовые пластинки полностью росли при коротком 8-часовом дне. Бутоны у всех растений этой группы появились через 18 дней после начала воздействия. В 3-м варианте листовые пластинки на время опыта заключали в темноту. Растения здесь не только не развивались, но и не росли и вскоре погибли.
Бутонизация на 18-е сутки — нормальное явление для периллы, растущей при коротком дне. Поэтому все результаты других вариантов опыта сравниваются с данными 2-го варианта, принятого в качестве контроля. В 4-м варианте половина листовой пластинки вдоль главной жилки была отрезана при подготовке растений. На оставшуюся половину действовали коротким днем. Бутоны появились в нормальный срок, одновременно с бутонами у растений 2-го варианта. В 5-м варианте половину листа отрезали поперек главной жилки, для оставшейся нижней половины (основание листа) создали короткий день. Бутонообразование проходило в нормальные сроки, одновременно с бутонизацией контрольного варианта.
В 6-м варианте нижнюю базальную половину листа отрезали, за исключением центральной жилки, для верхней части обеспечили короткий день. Бутоны образовались без опоздания по сравнению с контролем. В 7-м варианте короткий день был создан только для нижней 1/4 листа, 3/4 отрезали в начале опыта. Бутоны у всех растений появились также в нормальный срок, одновременно с бутонами у растений контроля.
В 8-м варианте в условиях короткого дня находилась верхняя 1/4 листовой пластинки, 3/4 было отрезано. Бутоны у растений данного варианта появились на 5 дней позже, чем на контроле. В 9-м варианте одна продольная половина листовой пластинки находилась в условиях короткого дня, другая — в условиях непрерывного освещения. Бутоны появились на 8—15 дней позже, чем у растений 2-го варианта.
В 10-м варианте нижняя основная часть листа находилась при коротком дне, а верхняя — при непрерывном освещении. Бутоны появились на 8—15 дней позже, чем на контроле. В 11-м варианте коротким днем воздействовали на верхнюю поперечную половину листа, нижняя базальная находилась при непрерывном освещении. Бутоны здесь появились на 10—15 сут позже, чем на растениях 2-го варианта. В 12-м варианте короткий день был обеспечен для нижней 1/4 листовой пластинки, 3/4 ее находилось в условиях непрерывного освещения. Бутоны у растений этой группы появились на 15 дней позже, чем на контроле.
В 13-м варианте в условиях короткого дня находилась верхняя четверть листа, 3/4 листовой пластинки было при непрерывном освещении. У растений этой группы бутонов не образовалось до конца опыта. В 14-м варианте для одной продольной половины был создан короткий день, а другая находилась все время в непропускающем свет пакете, т. е. в темноте. Бутоны у растений этой группы появились без опоздания, одновременно с контролем.
В 15-м варианте при коротком дне была верхняя поперечная половина листа, а нижняя находилась в темноте. Бутонизация растения произошла здесь одновременно с контролем. В 16-м варианте для нижней основной половины листовой пластинки создали короткий день, а для верхней — темноту. Бутоны в данном варианте появились одновременно с контролем, т. е. на 18-й день после начала воздействия. В 17-м варианте нижняя четверть листа находилась при коротком дне, а остальные 3/4 — в темноте. Бутоны у растений этой группы появились на 6—10 дней позднее, чем у растений 2-го варианта. В 18-м варианте воздействию коротким днем подвергалась верхняя четверть листа, остальные 3/4 находились при непрерывной темноте. Бутоны у растений данной группы появились на 10—15 дней позже, чем у растений контрольного варианта.
Таким образом, с 4-го по 8-й вариант включительно у всех опытных растений оставалась только та часть пластинки основного листа, на которую действовали коротким днем, а остальные части листа отрезали. Наблюдение за бутонизацией показало, что само удаление значительной доли листовой пластинки не изменяет скорости актиноритмического реагирования оставшихся частей листа, за исключением 8-го варианта.
У растений, начиная с 9-го и кончая 13-м вариантом, целостность листовой пластинки не нарушалась и различные зоны одного и того же листа одновременно находились в противоположных актиноритмических условиях, т. е. при коротком дне и непрерывном освещении. Для этой серии вариантов опыта характерно задерживающее действие листовых зон, находившихся при непрерывном освещении, на проявление актиноритмического эффекта. В том случае, когда короткий день создавали только для верхней четверти листа, а 3/4 его находилось при непрерывном освещении, бутонизации не было. Оставленные листья у растений последних пяти вариантов подвергались одновременному воздействию короткого дня и непрерывной темноты. В отличие от света темнота начинает задерживать проявление актиноритмической реакции только в том случае, если под ее воздействием находится 3/4 листовой пластинки.
Из последних пяти вариантов следует, что невозможно с помощью воздействия темнотой обеспечить цветение короткодневных видов. Темнота, данная половине листа, не ускоряет и не ослабляет актиноритмической реакции другой его половины, находящейся в условиях короткого дня. Напротив, темнота задерживает актиноритмическую реакцию меньшей части листа, если его большая часть находится в темноте. Помещение половины листа в темноту дает такой же эффект, как и ее удаление, т. е. в данном случае темнота, как и отрезание листовой половинки, полностью выключает ее влияние на ход процессов, определяющих актиноритмическую реакцию растения.
Когда 3/4 листа находится в темноте и только 1/4 часть — в условиях короткого дня, задержка выявления актиноритмической реакции может быть объяснена некоторым общим патологическим состоянием листа, связанным с его постепенной этиоляцией, и частичным медленным отмиранием отдельных участков зоны, находящейся в темноте. Это явление почти не наблюдается в том случае, когда в темноте находится только половина листа. Если заключить в темноту целый лист и обрывать листья на боковом побеге, то растение погибнет. Характерно, что лист, у которого одна продольная половина была в условиях короткого дня, а другая в темноте, изгибался в сторону последней, что говорит о более быстром росте его половины, находившейся при коротком дне.
Полученные в опытах с периллой результаты позволяют сделать вывод, что актиноритмическая реакция листа мало зависит от размера листовой пластинки. Уменьшение ассимиляционной поверхности листа на 3/4 не сказывается на конечных результатах. Иначе говоря, актиноритмическая реакция листа настолько активна, что для ее глубокого влияния на растение достаточно очень небольшого листового участка, получающего определенные актиноритмические условия. Отсюда можно предположить, что каждая часть физиологически активного листа, находящегося в оптимальных актиноритмических условиях, обладает высокой производительностью синтеза, причем последняя, возможно, усиливается с уменьшением листовой площади. Следует признать, что более активны из различных частей листа базальные секторы, являющиеся основными ростовыми зонами листьев.
Результаты опытов, в которых отдельные зоны одной листовой пластинки растения находились в противоположных актиноритмических условиях, показывают, что происходит некоторая задержка или даже снятие конечного актиноритмического эффекта, выражающегося в переходе растения к цветению, если 3/4 листа находится при непрерывном освещении и только 1/4 верхней части — при коротком дне.
На основании приведенных фактов прежде всего неизбежен вывод, что первичные физиологические изменения, вызывающие актиноритмическую реакцию растений, локализованы только в той части листа, которая подверглась непосредственному актиноритмическому воздействию. Если бы это было не так, то оставление отдельных зон листа в условиях непрерывного освещения не могло бы задерживать актиноритмического эффекта, вызываемого частью листа, находящегося при коротком дне. Именно в связи с тем, что зоны листа, пребывающие в условиях непрерывного освещения, не испытав непосредственного воздействия коротким днем, физиологически не перестраиваются и не меняют своих синтетических функций, сказывается их задерживающее влияние.
Изучая методом локальных актиноритмических воздействий процессы, связанные с актиноритмическими изменениями отдельных частей листа у нескольких видов растений, мы встретились со следующими любопытными фактами.
Когда на одну четвертую верхнюю (апикальную) часть листа периллы масличной воздействовали оптимальными актиноритмами с длиной дня 10, а ночи — 14 ч при удалении остальных 3/4 листа, то в условиях искусственного освещения бутонизация растения начиналась через 13—15 сут (в данном опыте через 13 сут). Если же 3/4 листа находится при непрерывном освещении до конца опыта, то перилла остается в вегетативном состоянии. Однако, если после 20-дневного воздействия 10-часовым днем только на апикальную четверть отрезать остальные 3/4 листа, бывшие все время в условиях непрерывного освещения, бутоны на побеге, контролируемом этим листом, появятся после этого через 13 сут, т. е. в то же время, что и в варианте, где аналогичные участки листа были отрезаны перед короткодневным воздействием. Отсюда напрашиваются следующие выводы.
1. Как было установлено ранее, актиноритмические процессы в части листа, находящейся в оптимальных условиях, проходили независимо от остальной листовой площади, получавшей свет непрерывно.
2. Три четверти листа, находящиеся в условиях непрерывного освещения, мешали осуществлению действия, вызываемого коротким днем.
3. Так как после удаления 3/4 листа, бывших в условиях непрерывного освещения, бутоны появились в тот же срок, что и в варианте, где аналогичные 3/4 листа были удалены перед началом опыта, из этого неизбежно вытекает, что действие, вызванное коротким днем, не может осуществиться из-за зоны листа, находящейся при длинном дне (длиннодневная зона). Иными словами, зона листа, бывшая при непрерывном освещении, блокировала контакт почки с малой зоной, на которую действовал короткий день (короткодневная зона).
Если короткодневная зона в результате актиноритмических изменений стимулировала появление бутонов, то зона, бывшая при непрерывном освещении, наоборот, выступала в роли ингибитора. И вот возник вопрос: какое число коротких дней, действующих на последнюю зону, может снять ее ингибирующий эффект?
Поскольку индукционный период актиноритмических изменений листа периллы составляет 7 сут, в опыт было включено семь вариантов, отличавшихся друг от друга лишними сутками пребывания в условиях 10-часового освещения нижних 3/4 листа. Воздействие в течение 1, 2, 3 и 4 сут коротким днем на нижнюю длиннодневную зону не дало положительного результата, и растения этих вариантов опыта остались в вегетативном состоянии. Зато после 5 сут воздействия коротким днем на нижние 3/4 листа бутонизация периллы наступала на 18-й день, т. е. раньше, чем окончилось 20-дневное воздействие коротким днем на апикальную четверть листа. Для полного снятия блокирующего действия нижней части листа потребовалось 7 сут, т. е. столько же, сколько для обычных индукционных воздействий.
Из прежних опытов с периллой масличной известно, что если в противоположных по эффекту актиноритмических условиях находятся равные части листа, то растение всегда зацветает, хотя и с некоторым, примерно 10-дневным, опозданием. Стимулирующее действие в данном случае превышает ингибирующее.
Совсем иная картина наблюдается у другого типичного никтофильного растения — каланхое (Kalanchoe blossfeldiana). Опыты с каланхое отличались от прежних тем, что проходили в искусственных условиях осветительной установки, состоящей из зеркальных ламп накаливания и водного экрана. Лучистый поток в плоскости растений составлял 300—320 Вт/м2 со спектральными границами от 400 до 1000 нм.
В течение четырех месяцев растения каланхое выращивали при непрерывном освещении. Затем у опытных растений были удалены все листья, кроме одного из третьей пары, считая сверху. После этого также в условиях непрерывного освещения проводили локальные воздействия темнотой на оставшийся лист. Темноту листу или отдельной его части создавали при помощи бумажных светонепроницаемых пакетов.
В 1-м варианте опыта на весь лист действовали 10-часовым днем, т. е. ежедневно на 14 ч его помещали в темный пакет. Бутоны появились на 34-й день после воздействия на лист коротким днем в течение 28 дней. Длительность индукционного периода и сроки бутонизации в этом варианте были минимальными, а число цветков наибольшим — 120 на растении.
Во 2-м варианте перед началом опыта отрезали верхнюю апикальную половину листа, а для нижней обеспечили 10-часовой день. Бутоны появились на 45-й день после воздействия на лист коротким днем в течение 36 дней.
Сокращение площади листа в 2 раза удлинило индукционный период на 8, а бутонизацию — на 11 сут. Такого явления у периллы масличной мы не наблюдали. Причиной его могла быть или хирургическая травма, или уменьшение количества синтезирующихся частью листа продуктов, необходимых для репродуктивного развития стеблевых почек. Но первое предположение опровергается результатом, полученным в 8-м варианте опыта, где вместо удаления верхней половины листа ее на все время индукции помещали в темноту. В этом случае (8-й вариант) длительность индукционного периода также составляла 36 сут, т. е. на 8 дней больше, чем в 1-м варианте опыта. Появление бутонов также задерживалось на 8 дней.
В 3-м варианте перед началом индукции была удалена нижняя половина листа, от которой осталась только центральная жилка, переходящая в черешок. Результат был получен такой же, как и во 2-м варианте. Активность базальной и апикальной части листа оказалась одинаковой.
В 4-м варианте удаляли не поперечную, а продольную половину листа, но результат был такой же, как во 2-м и 3-м вариантах.
В 7-м и 9-м вариантах, где базальную и продольную половины листа не отрезали, а помещали в темноту, реакция растений была такой же, как и при удалении этих частей.
У растений 5-го варианта опыта перед началом индукции оставляли лишь одну базальную четверть листа. В результате у этих растений индукционный период затянулся на 12 дней, а сроки бутонизации — на 16 сут.
При оставлении на растении только верхней апикальной четверти листа (6-й вариант) длина индукционного периода и сроки бутонизации были еще на 2 дня больше, чем в 5-м варианте опыта.
Замена хирургического удаления 3/4 листа помещением в темноту в 10-м и 11-м вариантах не изменила поведения растений. Следовательно, хирургическое удаление значительных частей листа не дает отрицательного эффекта, а различие в поведении растений зависело лишь от уменьшения листовой поверхности.
Особый интерес вызывает поведение опытных растений каланхое в 12, 13 и 14-м вариантах, где различные половины листовой пластинки оставались в условиях непрерывного освещения.
В 12-м варианте непрерывно освещалась верхняя (апикальная) половина листа, а нижняя находилась в условиях короткого дня. Индукционный период по сравнению с контролем (1-й вариант) увеличился на 15, а появление бутонов задержалось почти на 20 сут.
В 13-м варианте опыта, где при непрерывном освещении находилась нижняя базальная часть листа, а верхняя половина — в условиях короткого дня, бутоны до конца опыта, длившегося более 150 сут, не появились.
Аналогичный результат наблюдался в 14-м варианте, где одна продольная половина была в условиях короткого дня, а другая — при непрерывном освещении.
Создается впечатление, что если в короткодневных зонах листа происходят какие-то физиологические явления, стимулирующие цветение, то в половинах листа, находящихся при непрерывном освещении, идут процессы не менее, а, вероятно, более активные, приводящие к подавлению репродукции.
Сравнивая состояние растений 12-го и 13-го вариантов, можно предположить, что преимущественное значение в воздействии на развитие растений каланхое принадлежит основной — базальной половине листа.
Ранее было сказано, что актиноритмическая активность восприятия актиноритмических режимов одинакова во всех зонах листа. Отсюда возможен вывод о блокирующем эффекте стимулирующего и ингибирующего начал, если они должны проходить одно через другое.
Ингибирующий эффект при однозначных условиях поступления из листа к конусу нарастания более действенный, чем стимулирующий. Этот несколько неожиданный эффект локального актиноритмического воздействия на различные половины одного листа заслуживает дальнейшего изучения.
Таким образом, результаты, вытекающие из большой серии опытов, позволяют дополнить характеристику актиноритмической реакции каланхое следующими положениями.
1. Сокращение площади листа, находящегося в индуцирующих цветение актиноритмических условиях, приводит к снижению общего положительного эффекта как по срокам зацветания, так и по конечному числу цветков на растении.
Среди причин, определяющих это явление, наиболее вероятны: а) общий количественный недостаток стимулирующего цветение фактора, обеспечивающего репродуктивное развитие всех репро-
дуктивных почек на растении; б) недостаточность стимулирующего репродукцию начала, поступающего из листа, по сравнению с ингибирующим воздействием других частей листа, находящихся при непрерывном освещении.
2. Актиноритмическая активность различных частей листа, в частности базальной и апикальной, практически очень близка и может не приниматься во внимание.
3. Воздействие на отдельные доли листа темнотой привело к тем же результатам, что и хирургическое их устранение. Это свидетельствует, во-первых, о несамостоятельной роли темноты в актиноритмической реакции и, во-вторых, о полной возможности хирургических воздействий на листья без риска погасить их общую физиологическую активность.
4. Любые части листа могут и стимулировать, и ингибировать процесс репродукции в зависимости от актиноритмических режимов, в которых они находятся.
5. При равных площадях листовой пластинки, находящейся в противоположных по конечному актиноритмическому эффекту актиноритмах, ингибирующий репродукцию эффект оказывается сильнее стимулирующего, что отмечается впервые.
6. Длительный ингибирующий эффект апикальной половины листа, проходя, через базальную короткодневную зону, теряет свою активность не полностью, в то время как стимулирующий эффект апикальной части листа, проходя через нижнюю длиннодневную половину листа, утрачивает свою способность обеспечить цветение каланхое.
7. Очевидно, каланхое — строго никтофильное растение, не способное нормально цвести и плодоносить, если не все его листья или не вся их площадь находятся в определенных актиноритмических режимах, характеризующихся количественным превышением темных периодов суточных циклов над светлыми.
Особенно интересные результаты были получены в аналогичных опытах с типичным по реакции цветения никтофобным растением — капустой абиссинской.
Если оставить один лист при непрерывном освещении, то контролируемая им вершина, находясь или на коротком (15-часовом) дне, или в темноте, переходит к бутонообразованию через 16 сут после начала индукционного воздействия на лист. Целый лист при коротком дне, естественно, не обеспечивает репродуктивного развития капусты.
Если отрезать половину листа растения или содержать ее в темноте, то это, как и у никтофильных видов, не сказывается на конечном результате.
Но совершенно неожиданным и специфическим для капусты абиссинской оказалось полное отсутствие ингибирующего эффекта короткого дня. Независимо от того, какая половина листа находилась в условиях короткого дня — продольная или нижняя, побеги капусты, находясь в темноте или при коротком дне, давали бутоны так же, как и в других вариантах, — через 16 дней после начала воздействия непрерывным освещением на другие половины листа.
Только что изложенные факты, связанные с локальными актиноритмическими воздействиями на отдельные части листьев различных растений, противоречат схеме гормональных объяснений актиноритмизма и вообще онтогенеза растений. Вместе с тем они исключительно важны для понимания принципиальных физиологических различий между никтофильными и никтофобными по цветению растениями.
Очевидно, одно из таких различий как раз и заключается в том, что у никтофобных растений короткодневные режимы не вызывают в листьях процессов, приводящих к задержке цветения, в то время как у листьев никтофильных видов под воздействием непрерывного освещения появляется способность задерживать положительный, короткодневный эффект. У никтофильных видов в отличие от никтофобных длиннодневный эффект сказывается так же активно, как и оптимальный для перехода к цветению — короткодневный, тогда как у никтофобных нет отрицательной реакции на короткодневное воздействие.
Есть и еще одно столь же существенное различие между никтофильными и никтофобными по цветению видами. Оно заключается в различном характере воздействия светлых периодов, разрывающих темный. Так, перилла масличная, цветущая в условиях 14-часового дня и 10-часовой ночи, теряет это свойство, если 10- часовая ночь разрывается в середине 60 или даже 30 мин света. В отличие от периллы капуста абиссинская, не цветущая при режиме 15 ч света + 9 ч темноты, не цветет и при разрыве 9-часового темного периода включением света как на 30, так и на 60 мин. Период света, прерывающий период темноты, равный 9 ч, для последующего цветения капусты абиссинской должен доходить до 180 мин. В этом случае общая суточная длительность света достигает 18 ч, а 18-часовой день достаточен для перехода капусты от роста к бутонизации и цветению.
Так как в ранних наших работах было установлено, что актиноритмическая реакция листа любых видов не осуществляется в атмосфере, лишенной углекислоты, и, следовательно, связана с фотосинтезом, естественно, возник вопрос о значении фотосинтеза во время разрывов темной части суток светом. Тем более что у капусты абиссинской 3-часовой период является дополнительным, превращающим 15-часовой день в 18-часовой.
Чтобы выяснить значение фотосинтеза в течение светлых периодов, нарушающих темную фазу, была использована та же методика, что и в опытах, в которых устанавливали роль фотосинтеза в актиноритмической реакции листа.
Через камеру, в которой находился лист опытных растений, протягивался воздух, лишенный углекислоты при помощи щелочных поглотителей. В камерах с листьями контрольных растений прогонялся воздух с обычным содержанием углекислоты.
Все растения периллы масличной в вариантах с разрывом темноты светом как в присутствий углекислоты, так и без нее остались до конца длительного опыта в вегетативном состоянии. Действие света на прерывание темной фазы у никтофильного вида — периллы масличной — не связано с процессом разложения углекислоты.
Наоборот, капуста абиссинская зацветала только в том случае, если разрыв темноты светом осуществлялся в атмосфере, содержащей нормальное количество углекислоты. Трехчасовой разрыв светом той же интенсивности, но в атмосфере, лишенной углекислоты, не устранял реакции капусты, вызванной темнотой. Капуста в данном варианте опыта, как и контрольные растения в условиях 15-часового дня, осталась в вегетативном состоянии. Для капусты свет в условиях, исключающих фотосинтез, не является фактором, нарушающим ход процессов, обусловленных темнотой.
На основании результатов неоднократно повторявшихся экспериментов можно сделать вывод о существенном различии между ииктофвльными и никтофобнымн по цветению видами растений относительно действия процессов, вызванных темнотой и разрывающим ее светом.
Для никтофильных видов нужна темнота сама по себе, и потому всякий свет, т. е. исключение темноты и сокращение ее ниже минимума, необходимого для полного прохождения актиноритмической реакции, вне зависимости от фотосинтеза, нарушает завершение процессов, вызванных темнотой, и не способствует репродуктивному развитию.
Наоборот, для перехода от роста к репродукции никтофобных видов темнота не нужна. Необходим свет и, очевидно, не просто свет, а те физиологические процессы, которые связаны с усвоением лучистой энергии и углекислоты, т. е. достаточно длительный период фотосинтеза.
Таким образом, никтофильные актиноритмические реакции, чем бы они ни выражались, у любых растений не могут проходить без участия определенных темновых периодов, чередующихся также с определенными периодами света. Тогда как никтофобные физиологические процессы скорее всего проходят в условиях непрерывного освещения и задерживаются темнотой, если ее количество в актиноритме превышает критическую величину, не одинаковую для никтофобных реакций различных видов. Причем в данном случае отрицательное действие темноты, а следовательно, и многих актиноритмов, заключается не только в определенном физиологическом воздействии темноты как таковой, но и в том, что при этом сокращается светлая часть суток, необходимая для фотосинтеза.