Открытие роли листьев в актиноритмической реакции растений признано главнейшим этапом в теоретическом аспекте познания этого важнейшего явления.
Истоками изучения актиноритмической реакции листьев растений послужили работы, начатые автором в связи с сомнениями, возникшими по поводу «фотопериодической локализации», описанной в публикациях Гарнера и Алларда, а также Нотта (Knott, 1925).
Двум первым авторам принадлежит открытие «фотопериодической локализации», а с именем последнего связана попытка доказать значение вершин побегов и вообще точек роста в этом явлении.
Актиноритмическая локализация была обнаружена Гарнером и Аллардом в опытах 1923—1924 гг. с короткодневными растениями космос — Cosmos sulphureus и Cosmos bipinnatus. Помещая в противоположные актиноритмические условия различные зоны и части растения, они пришли к выводу, что фотопериоды воспринимаются как всем растением в целом, так и любой отдельной его зоной и ветвью вне зависимости друг от друга. В тех случаях, когда одна зона растения находилась в условиях короткого, а другая — длинного дня, цветение наблюдалось только в короткодневной зоне. Это явление получило название «фотопериодической локализации».
Проводя свои опыты и обсуждая их результаты, Гарнер и Аллард не затронули тему об органах растений, воспринимающих фотопериоды и реагирующих на них. Такая первая попытка была сделана Ноттом в 1925 г.
Ставя опыты с растениями космос, Нотт исходил из предварительных наблюдений за активностью фермента каталазы в листьях и вершинах побегов шпината, находящегося в условиях длинного и короткого дня (в первом случае шпитан цветет, во втором нет). Активность каталазы в зависимости от длины дня оказалась различной именно в вершинах побегов, а не в иных органах. Поэтому Нотт и сделал заключение, что и само восприятие фотопериодических условий может быть локализовано там же.
Опыт с космосом был им поставлен, чтобы экспериментально доказать значение для восприятия актиноритмических условий вершины) побега или, точнее, вершинной точки роста. Применив неправильную методику и не учтя, что восприятие внешнего воздействия и конечная реакция на последнее — вещи разные, Нотт в разбираемой работе пришел к ошибочному выводу о локализации фотопериодической реакции в вершинах побегов. Дело в том, что, по письменному свидетельству самого автора (Нотт, 1926), в закрываемой зоне растения находилась не только точка роста, но одновременно и несколько ближайших к ней листьев и, хотя последние и были причиной цветения космоса при коротком дне, автор не принял их во внимание.
Вслед за Ноттом в 1931 г. выступил В. И. Разумов, повторивший с некоторыми дополнениями опыты Гарнера, Алларда и Нотта. Объектом его исследований были клубнеобразующие растения Ullucus, Oxalis и некоторые виды картофеля. Показателями актиноритмической реакции и ее локализации в опытах Разумова служили появление столонов и клубней и их израстание, а не переход от роста к цветению, как в работах его предшественников. Выращивая опытные растения при длинном дне и создавая условия короткого дня отдельным их зонам и стеблям, Разумов наблюдал образование клубней на подземных столонах даже в том случае, если короткий день получали только верхние части растений. В этом случае воздействие короткодневной зоны передавалось вниз к корням через зону, находившуюся при длинном дне. Однако и в этом случае нельзя видеть прямого доказательства нарушения актиноритмической локализации, так как, находясь на коротком дне, вершина растения оканчивала рост, а это приводит к клубнеобразованию. Не случайно Разумов, обсуждая вопрос об органе восприятия актиноритмических воздействий у растений, высказался так же, как и Нотт, в пользу точки роста, не учтя того, что, помимо точек роста, в закрываемой зоне находилось несколько вполне развитых листьев.
Таким образом, в 1931 г. господствовало представление о растущей зоне, или точке роста, как об основном органе, воспринимающем актиноритмические условия.
В тот период объектом наших опытов были только древесные виды. Это обстоятельство и послужило одной из причин постановки исследований, цель которых — выяснить роль листьев при локальных актиноритмических воздействиях. У травянистых однолетних растений, особенно у однодольных, различие между вершиной стебля и прилегающими к ней листьями разграничено не так резко, как у древесных видов. После окончания роста ствол и ветви последних быстро древеснеют и покрываются пробкой. Поэтому трудно предположить, что они как-то активно могут реагировать на актиноритмический фактор. Иное дело — листья. Прежде всего с их фотосинтетической деятельностью связано накопление углеводов, и в частности сахаров, способствующих, по мнению многих авторов, повышению морозоустойчивости растений (Н. А. Максимов, Н. И. Туманов и др.).
В нашем первом актиноритмическом опыте, проводимом в Ленинграде, было обнаружено, что воздействие коротким днем на акацию белую (Robinia pseudoacacia) приводит к весьма значительному накоплению ею крахмала. Поэтому, ставя в 1931 г. опыты по воздействию коротким днем на отдельные зоны саженцев акации белой, мы включили в них варианты, выясняющие роль листьев в реагировании растений на актиноритмические локальные условия.
Весной 1931 г. сеянцы акации белой, зимовавшие в прикопанном виде в подвале, были высажены на гряды. После того как они достигли высоты 40—50 см, их подвергли локальному актиноритмическому воздействию, которое началось в первых числах июля и продолжалось в течение 30 сут. Чтобы создать короткий 12-часовой день для отдельных частей растений, последние закрывали на 12 ч в сутки картонными и матерчатыми муфтами и колпаками, черными внутри и белыми снаружи. Повторность каждого варианта — десятикратная. Контролем служили саженцы, находящиеся в условиях естественного дня. Они полностью вымерзли зимой 1931/32 гг.
В первой опытной группе коротким днем действовали на вершины саженцев длиной 15 см со всеми расположенными на них листьями. Рост таких вершин скоро прекратился, весной следующего года все 10 растений этого варианта оказались почти не поврежденными морозами. У них сохранились даже верхушечные почки. Только у отдельных экземпляров отмерзли концы нижних ветвей.
Вариант 2-й отличался от 1-го лишь тем, что в закрываемой зоне растений, находящейся при коротком дне, обрывали все листья, кроме еще не распустившихся. Все 10 акаций этой группы вымерзли.
В 3-м варианте коротким днем действовали на нижние половины стеблей высотой 25 см со всеми находящимися на них листьями. Верхние части саженцев в данном случае находились в условиях длинного дня и росли так же, как контрольные.
Рост саженцев не был закончен до наступления холодов. Весной установили, что перезимовали только нижние части растений, испытавшие воздействие короткого дня. Все, что было выше закрываемой зоны, отмёрзло.
Наконец, в 4-м варианте коротким днем воздействовали, как и в 3-м, на нижние части стволов акации, но у саженцев этой группы удалили все листья. Следствием этого было вымерзание всех 10 растений данного варианта.
На основании результатов опыта, поставленного с целью выяснить роль листьев в актиноритмической реакции растений, тогда же были сделаны следующие выводы:
1) физиологические процессы, обусловливающие морозоустойчивость многолетних видов, связаны с актиноритмической реакцией листьев;
2) основным, а у древесных пород — единственным органом, воспринимающим актиноритмические условия, являются листья, потому что воздействие коротким днем на любую зону без листьев не дает положительных результатов.
В 1932 г. подобные опыты были поставлены уже не только с акацией белой, но и с другими вымерзающими в Ленинграде видами: айвой, абрикосом и некоторыми сортами малины. Здесь, как и ранее, обрыв листьев в зоне, находящейся в условиях короткого дня, всегда приводил к отсутствию актиноритмического эффекта, выражающегося в изменении зимостойкости растений.
Повторение результатов 1931 г. служило полным доказательством значения листьев в актиноритмической реакции растений, и мы имели все основания отметить данное обстоятельство в работе, посвященной этим исследованиям.
Таким образом, мы можем утверждать, что первые опыты, доказавшие роль листьев в актиноритмической реакции растений, были проведены нами в работе 1931 г., посвященной локальным актиноритмическим воздействиям на акацию белую. Результаты ее были подготовлены к печати в 1933 г. и опубликованы в 1935 г.
В то же время был проведен повторный опыт с акацией белой. В опыте было три основных группы растений. В первой группе растения все время находились на длинном дне (не короче 17 ч), во второй группе — полностью на коротком 10-часовом дне. Растения третьей группы были в тех же световых условиях, что и растения первой группы, т. е. находились на длинном дне, но на все листья по мере их распускания воздействовали коротким (10-часовым) днем. Для этого каждый лист заключали в светонепроницаемый пакет на 14 ч в сутки. Повторность в каждой группе — 10—12 растений. В течение всего опыта проводили биометрические наблюдения 2 раза в декаду.
При длинном дне рост акации белой не оканчивается и она дает значительные приросты. В описываемом опыте не было ни одного сеянца, который бы в условиях короткого дня превысил 5 см, тогда как при длинном дне в 60-дневном возрасте акация белая достигала в отдельных случаях 50 см.
Высота сеянцев третьей группы, где короткий день был создан только для листьев, а сами они находились на длинном дне, была такой же незначительной, как и сеянцев, росших при коротком дне.
Уже этого факта достаточно, чтобы считать доказанным, что и актиноритмическая реакция, выражающаяся ростом, является полностью листовой. Точки роста и в данном случае были совершенно пассивны.
Различие в приростах акации белой при длинном и коротких днях (причем только за счет надсемядольного стебля) наблюдались уже с первых дней опыта.
Вытягивание подсемядольного колена проходило одинаково во всех вариантах опыта, что, видимо, не было связано с актиноритмической реакцией листьев. Это и понятно, так как к моменту распускания первого листа прирост подсемядольных колен уже был окончен. Очевидно, ростовые процессы гипокотилей обусловливаются прежде всего запасами семян. Поэтому при более точном учете приростов главного стебля в высоту в зависимости от актиноритмов не следует принимать во внимание длину подсемядольного колена. Сделав это в разбираемом примере, мы получим следующие средние высоты двухмесячных растений акации; при длинном дне 47,4 см, или 100%, при коротком дне 2,3 см, или около 5%, при коротком дне только для листьев — 2,8 см, или около 6 %.
Как мы и ожидали, укорачивание длины дней для одних только листьев акации привело ее к тому же физиологическому состоянию, как если бы все растение находилось при коротком дне. В условиях непрерывного освещения или длинного дня (не короче 17—18 ч) рост акации белой продолжается и она становится вечновегетирующей и вечнозеленой. При коротком дне, наоборот, рост ее заканчивается очень быстро, в данном эксперименте при 10-часовом дне он завершается за 12—15 сут. За этот же срок окончился рост и сеянцев, у которых при 10-часовом дне были одни листья. Следовательно, продолжительность сезонного периода роста растений — это актиноритмическая реакция листьев.
Вслед за окончанием роста в условиях коротких дней у акации белой сравнительно быстро (через 15—30 сут) начинается листопад. Так было и на этот раз, причем наблюдалась полная одновременность сбрасывания листьев как сеянцами, находившимися на коротком дне, так и теми, у которых на коротком дне были только листья.
Листья акаций, росших при длинном дне, имели значительно большие размеры, чем листья у растений, на которые воздействовали коротким днем. Так же сильно они отличались и по форме. Сложный непарноперистый лист акации белой при длинном дне состоял из восьми пар листочков, а у сеянцев, получавших короткий день, всего из одной пары, что характерно для первого листа всхода. Точно такие же однопарные листочки имели и сеянцы акации, выращенные при длинном дне, но у которых листья были при 10-часовом дне.
Следовательно, форма и размеры листьев зависят от актиноритмических условий, в которых они находились во время формирования.
Ранее говорилось, что впервые роль листьев в актиноритмической реакции растений была выявлена на примере изменения морозоустойчивости древесных видов. Однако тогда актиноритмическое воздействие проводили не на отдельные листья, а на целые зоны растения, на которых в одних вариантах листья оставляли, а в других обрывали. Желая устранить малейшие сомнения в правильности наших первоначальных выводов, мы использовали с этой целью только что приведенный опыт с акацией белой. Для этого сеянцы акации, выращенные при длинном дне, при коротком 10-часовом дне и при длинном дне, но с листьями, для которых был создан короткий день, подвергли замораживанию в холодильном шкафу при температуре —18 °С. Перед замораживанием растения прошли температурную закалку, для чего находились в течение 10 сут при 2—5°С. После замораживания сеянцы акации выдерживали в течение 3 сут снова при температуре 2—5°С, а затем их помещали в теплую оранжерею для отрастания.
В результате замораживания все растения акации, росшие при длинном дне, полностью вымерзли вместе с корнями. Растения, выращенные при коротком дне, совершенно не пострадали от низкой температуры и начали рост из верхушечных почек.
Растения, вегетировавшие при длинном дне, но с листьями, для которых был создан короткий 10-часовой день, оказались такими же морозоустойчивыми, как и сеянцы, росшие при коротком дне.
Таким образом, было получено еще одно доказательство значения актиноритмической реакции листьев для прохождения процессов, определяющих максимальную морозоустойчивость растений.