Исследовательская работа. "Изучение стадий онтогенеза Щитовника мужского"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

« Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов № 18»

Научно-исследовательская работа по проекту:

«Дерево Земли, на которой я живу»

                                                         Выполнили:

                                                                         ученица 10 А класса

                                                                  Пятаева Марина,

                                                                     ученица 9Б класса

                                                                   Женина Надежда

                                                               Руководитель:

                                                               Каргина Н.В.

                                                                             зам.директора по НМР

Саранск 2008

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………	3
1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………… .	4
1.1 Ботаническая характеристика  щитовника мужского…………..	5
1.2 Цикл развития щитовника мужского…………………………….	6
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ………………………………… ..	8
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ…………………………………	9
ВЫВОДЫ…………………………………………………………………	13
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ  ИСТОЧНИКОВ…………………	14
ПРИЛОЖЕНИЕ	15

ВВЕДЕНИЕ

Папоротниковидные (или папоротники) относятся к числу наиболее древних групп высших растений. Хотя сейчас они играют несколько меньшую роль, чем в прошлые геологические периоды, тем не менее, и в настоящее время насчитывается около 300 родов и более 10000 видов (Вольтер, 1973).

Папоротники распространены очень широко, фактически по всему земному шару и встречаются в самых различных местообитаниях, начиная с пустынь и заканчивая озерами. Но наибольшее их разнообразие встречается во влажных тропических лесах, где они обильно произрастают не только на почве под деревьями, но на стволах деревьев. В результате приспособления к столь различным условиям среды у папоротников выработались очень разные жизненные формы, и возникло очень большое разнообразие во внешней форме, внутреннем строении, физиологических  особенностях и размерах. По своим размерам папоротники варьируют от тропических древовидных форм  до крошечных растений длинной всего лишь несколько миллиметров.

          Когда говорят о папоротниках, то имеют в виду, прежде всего, их бесполое, или споровое поколение (спорофит). Как и у большинства высших растений (за исключением моховидных), спорофит является господствующей фазой, в их жизненном цикле и поэтому мы наблюдаем, прежде всего, именно спорофит (Хржановский,1982).

Актуальной проблемой являются особенности жизненных циклов папоротников. Проблема жизненных циклов у растений - одна из ключевых «вечных» тем, которая волнует ботаников вот уже более ста лет. В настоящее время интерес к ней в связи с новыми методами исследования и развитием микроскопической техники всё более возрастает. Наиболее полно изучены жизненные циклы тех семенных растений, которые имеют практическое значение. У многих споровых проблема жизненных циклов остаётся, во многом не изучена. Это в полной мере, касается и папоротников.

Щитовник мужской является обычным видом для наших лесов. Он является лекарственным растением, а в последнее время привлекает внимание цветоводов как декоративное растение.

Целью нашей работы является изучение развития гаметофита и спорофита щитовника мужского в лабораторных условиях.

В задачи исследования входило:

-    изучение литературы по данному вопросу;

-   определение его местообитания в условиях г. Саранска;

- определение оптимальных условий и сроков прорастания спор щитовника мужского;

- выявление динамики начальных этапов формирования  гаметофита и спорофита.

                              1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

На территории Мордовии встречаются такие виды папоротников, как кочедыжник женский (Athyrium filix-femina), щитовник мужской (Pryopteris filix-mas), орляк обыкновенный (Pteridium aqulinum), диплазий сибирский

(Diplazium sibiricum), сальвиния плавающая (Salvinia natans), гроздовик виргинский (Botrychium virginianum) и гроздовик ромашколистный (Botrychium matricarii folium).

           Редкими видами из них являются диплазий сибирский, сальвиния плавающая, гроздовик виргинский и гроздовик ромашколистный. Они занесены в Красную книгу Мордовии (Красная книга РМ, 2003). Изучаемый нами вид папоротника не является редким или исчезающим видом.

    1.1 БОТАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  ЩИТОВНИКА

Щитовник мужской – Pryopteris filix-mas (L.)

Подсемейство Щитовниковые – Pryopteridoidceae

Род Щитовник – Pryopteris aolans

Вид Щитовник мужской – Pryopteris filix-mas (L.)

Это подсемейство охватывает около 500 видов, большая часть которых относится к роду щитовник и роду полистихум.

Род щитовник включает около 150 наземных, главным образом лесных видов. На территории Мордовии щитовник мужской встречается по влажным тенистым дубовым и широколиственным лесам. Обилен в пойменных лесах рек Мокши, Суры, Вада и Алатыря (Флора Мордовской АССР, 1968).

Название щитовник «мужской» получил из-за более темных и жестких листьев, по сравнению с папоротником женским (кочедыжником женским) с которым иногда растет рядом (Гиляров, 1986). Его толстое, поднимающееся корневище, одетое широкими, мягкими чешуями и остатками листовых черешков несет на верхушке пучок крупных листьев с дважды перистой пластинкой. На сегментах пластинки с нижней стороны видно, по 5-8 сорусов, расположенных на  разветвлениях жилок и прикрытых почковидными покрывальцами.

Листья дважды, трижды перистые, с треугольно-яйцевидной, продолговато-ланцетной или линейно-ланцетной пластинкой. Они покрыты чешуями, волосками или голые, травянистые. Листья щитовника мужского достигают длины 1 и даже 1,5 м, но растут они медленно. Появившись в виде листовых зачатков вокруг точки роста на верхушке корневища, они на второе лето принимают характерную для папоротников улиткообразную форму. Только весной третьего года молодые листья развертываются и достигают полного развития. Осенью листья увядают, к этому времени щитовник успевает рассеять споры, из которых вырастает сердцевидный гаметофит, покрытый железистыми волосками (Вольтер, 1973).

Щитовник мужской широко известен как лекарственное растение: экстракт неогаллен или препарат филициллена используется как глистогонное средство против ленточных глист, анкилостом у людей, а также у овец и у крупного рогатого скота (Голышенков, 1990).

1.2 ЦИКЛ РАЗВИТИЯ ЩИТОВНИКА МУЖСКОГО

Щитовник мужской размножается спорами. Сорусы (кучки спорангиев) различной формы возникают на нижней поверхности листьев. У щитовника округлые сорусы, прикрытые почковидными покрывальцами, расположены рядом по сторонам средней жилки долек листа. Листья щитовника мужского выполняют две функции: фотосинтез и спороношение.

Спорангий щитовника мужского имеет форму двояковыпуклой линзы и расположен на длинной ножке. Однослойная стенка спорангия состоит из крупных, тонкостенных клеток. По гребню спорангия, начиная от ножки, проходит кольцо, состоящее на 2/3 из толстостенных клеток, а 1/3 приходится на устье. При созревании происходит стремительный разрыв стенки спорангия, и кольцо при этом выворачивается наружу, разбрасывая споры.

Споры, образующиеся из материнских клеток путём мейоза, гаплоидны. Из них развивается новое поколение – заросток (гаметофит). Споры щитовника мужского долго сохраняют жизнеспособность. Они могут находиться в покоящемся состоянии от нескольких недель до нескольких лет.  Для прорастания спор необходима влага, положительная температура, определённая кислотность почв, интенсивность света.

Спора, прорастая, даёт короткую, из трёх – четырёх клеток зелёную нить. Одна из первых клеток, отчленяет бесцветную клетку, растущую вниз, - первый ризоид. Концевая зелёная клетка нити образует небольшую пластинку с выемкой на верхушке. Здесь находится точка роста (группа мелких постоянно делящихся клеток). Развитый гаметофит представляет собой зеленую сердцевидную пластинку диаметром до 1 см.  В клетках много хлоропластов, осуществляющих автотрофное питание В природе гаметофит растёт горизонтально. В культуре при густом посеве и очень слабом свете верхушки гаметофитов приподнимаются. От нижней стороны гаметофита на некотором расстоянии от выемки отходят многочисленные ризоиды, всасывающие минеральные вещества и воду.

Гаметофит щитовника мужского ведёт надземный образ жизни,. Продолжительность его жизни исчисляется несколькими месяцами. Рост однослойной пластинки осуществляется за счёт краевых клеток. При этом пластинка (размером несколько миллиметров) приобретает сердцевидную форму. На нижней стороне пластинки, у её основания среди многочисленных ризоидов развиваются антеридии. Немного позднее у вершины пластинки на многослойной подушечке формируются архегонии. Архегонии возникают около выемки гаметофита, антеридии – между ризоидами. Не одновременность развития антеридиев и архегониев способствует перекрёстному оплодотворению. Количество тех и других небольшое. В естественных условиях для передвижения сперматозоидов от антеридиев к архегониям необходима вода, которая всегда может быть под гаметофитами после дождя или росы.

Из зиготы развивается зародыш, состоящий из зачаточных органов нового спорофита: стебля, корня и листа, а также подвеска, посредством которого он получает своё первичное питание от материнского гаметофита. Когда начинают функционировать вегетативные органы молодого спорофита, гаметофит отмирает. Молодой спорофит укореняется в том месте, где находился гаметофит, и происходило оплодотворение (Еленевский А.Г. и др., 2004).

2.  МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

           В сентябре 2006 г. в лесу в окрестностях г. Саранска были определены площадки, на которых произрастали растения щитовника мужского. Часть растений находилась в стадии спороношения. Сбор спор производили путем стряхивания их в бумажный пакетик.

          Посев спор произведён 9.10.2006 года. Проращивали в чашках Петри с почвой и песком. Для определения оптимальных условий проращивания использовались варианты посева: первый – на свету, второй – в темноте. В  двух чашках Петри была почва  с места произрастания папоротника, в двух – в качестве субстрата использовали песок.  Наблюдения проводились с интервалом в 10-12 дней с помощью школьного микроскопа. Делали временные микропрепараты в капле воды. Отмечали состояние заростков и зарисовывали их.

Проросшие гаметофиты содержали в условиях достаточного увлажнения и среднего освещения.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Споры щитовника мужского золотисто-коричневого цвета, слегка овальной или бобовидной формы, размером 47,8х38,6 мкм, были посеяны в песок и почву 9.10.06 г.

Осмотр, проведенный  спустя  неделю – 17.10.2006 г. показал, что  споры во всех чашках изменились в окраске (рис 1,а), стали светлее, набухли, но прорастание ещё не обнаружено (таблица 1).

24.10.06г.- в чашках с лесной почвой (на свету) споры проросли. Позднее прорастание спор наблюдалось и в остальных вариантах.

Осмотр, проведённый ещё спустя неделю – 10.11.2006 г. показал, что споры в опыте на свету проросли, начал формироваться гаметофит  в виде четырехклеточной протонемы, на которой формируются  выросты - ризоиды. Протонемы имеют вид нитчатой зеленой водоросли.  В остальных вариантах опыта споры ещё не проросли.

27.11.2006г. был проведён ещё один осмотр, который показал, что в опыте на свету продолжает формироваться гаметофит, его размеры увеличились  до  шести  клеток. Прорастание  в  остальных  чашках  замедлилось  и  осталось  на  стадии двух- четырехклеточной  (водоросли) протонемы.

При  следующем  осмотре (3.12.2006 г) прорастание  в  чашке  Петри    (почва+свет) продолжается. В этом варианте наблюдается начало формирования зеленой пластинки (рис. 1б). Это было замечено при делении клеток заростка вдоль. В  чашке  с  песком  протонемы  достигли   4-5  клеток,  и более не развиваются. В темноте дальнейшее развитие протонем также не происходит.

          24.12.2006г. был проведён ещё один осмотр временных микропрепаратов, который показал, что в опыте на свету продолжает формироваться гаметофит округлой формы (рис. 1 в, г), образуется выемка и уже намечается сердцевидная форма заростка (рис.1 е). Иногда заросток имел неровную форму пластинки. Хорошо заметны ризоиды (рис. 2 Приложения), особенно длинные они у основания пластинки (у оболочки споры).

В  чашках  с  песком  прорастание  спор  замедленно  и  количество  клеток  осталось  неизменным: 4-5, что вероятно, связано с недостатком  питательных  веществ в среде.

Таблица  1

Зависимость  скорости  прорастания гаметофита щитовника мужского от  условий  выращивания (2006 г.)

Дата	Вариант
	Лесная почва		Песок
	свет	темнота	свет	темнота
9.10	посев	посев	посев	Посев
17.10	набухание спор	набухание спор	набухание спор	набухание спор
24.10	прорастание	-	-	-
10.11	4 клеточная нить	прорастание	2-3 клеточная нить, не у всех	Прорастание
27.11	6 клеток	2 клетки	4 клетки	2 клетки
3.12	8 клеток	4 клетки	4 -5 клеток	4 клетки
17.12	10 и более клеток, начало формирования пластинки	4 клетки	5 клеток	4 клетки
24.12	образуется пластинка сердцевидной формы	-	4-5 клеток	-

        Полученные данные показывают, что наиболее оптимальной средой для проращивания спор щитовника мужского является лесная почва. На интенсивность прорастания, прежде всего, влияет свет, наличие питательных веществ и влаги.

Находясь в оптимальных условиях, развитие пластинок гаметофита происходит не одновременно (фото 1 Приложения). Форма пластинки была разнообразной. В центральной части чашки Петри у пластинок формируются два слоя клеток. По периферии чашки Петри наблюдается однослойная пластинка с более мелкими клетками.

Одновременно была прослежена динамика формирования протонемы и в дальнейшем, заростка (гаметофита) щитовника мужского. Результаты наблюдений отражены в таблице 2.

 Оказалось, что при созданных условиях, споры прорастают через 15 дней после посева.

Таблица 2

Динамика прорастания спор щитовника мужского, 2006 г.

Дата наблюде-ния	Количество дней  с момента прорастания	Состояние	Примечание
9.10	–	посев	Тёмно-коричневые
17.10	8	Набухание спор	Окраска спор стала светлее, увеличение размера спор бобовидной формы
24.10	15	Прорастание	Оболочка спор лопается, появляются две клетки
10.11	31	4-х клеточная нить	Клетки протонемы содержат хлоропласты
27.11	49	6-ти клеточные заростки	У основания пластинки формируются ризоиды
3.12	55	7-8 клеточный. заросток	Начинается продольное деление клеток заростка
17.12	69	10 и более клеток	Формирование пластинки заростка (хорошо заметны ризоиды)
24.12	76	Образование сердцевидной формы гаметофита	Формирование округло-лопастной формы,  образование выемки

        Первоначально формируется зеленая нитчатая структура (протонема) из 4-х, 6-ти и более клеток. Затем она начинает делиться продольно и формировать зеленую пластинку (рис. 1 г,д).

        Через 2,5 месяца после прорастания начинает формироваться пластинчатая форма гаметофита, а еще через 10 дней образуется сердцевидная форма заростка папоротника (рис. 1 ж). Нитевидные заростки еще связаны со спорой и их развитие сравнительно мало зависит от внешних условий. Затем клетки начинают делиться вдоль – вертикальными перегородками

Рис. 1 Начальные этапы онтогенеза щитовника мужского

а – спора;

б, в, г, д, е – начало формирования гаметофитной пластинки;

ж – формирование сердцевидного гаметофита.

 Первоначально клетки заростка содержали один слой клеток. За 1,5 месяца число клеток увеличилось до 25-30 , образуя пластинку гаметофита, у которой намечается два слоя клеток. Наблюдалось и увеличение числа ризоидов (рисунок 1 г, д). Постепенно заросток  начинает разрастаться в ширину, за счет деления клеток  вдоль и их разрастания. Заросток постепенно приобретает лентовидную или языковидную форму (рисунок 1е), а затем начинает приобретать сердцевидную форму (рисунок 1,ж). Эта форма относительно крупная по сравнению с первоначальными заростками (более широкая). Ризоиды располагаются в нижней половине и по краям заростка. Сердцевидный таллом – обоеполый. От  момента посева спор до начала формирования сердцевидной формы пластинки прошло 49 дней (фото 2).

Гаметофиты щитовника мужского обоеполые, на одном заростке  развивались и антеридии и архегонии. Гаметофиты щитовника мужского имеют архегониальную подушку, на которой в верхней части  располагаются архегонии, а антеридии занимают  на нижнее положение. Антеридии  полусферические, чуть удлиненные, состоящие из трех клеток. После оплодотворения развивается спорофитное растение. Спорофиты появляются вначале по одному на каждом заростке. Молодой спорофит – это небольшое розеточное растение, которое наблюдалось уже через 3 месяца после формирования заростка. Через четыре месяца после начала  формирования заростков мы наблюдали образование зрелых спорофитов.

 Основные этапы формирования спорофита щитовника мужского представлены в таблице 7.

Таблица 3 – Основные этапы формирования спорофита щитовника мужского (2006-2008 гг.) в опыте «на свету».

Дата наблюдения	Количество месяцев от момента закладки опыта	Стадия онтогенеза
28 ноября 2006 г.	1,5	сформированный заросток (гаметофит) – сердцевидная форма
26 февраля 2007 г.	4,1	начало развития спорофита
30 марта 2007 г.	5,2	развитие двух-, трех-, шестилопастных перисторасчлененных листьев
19 апреля 2007 г.	6,0	формирование перисторассеченных листьев
15 июля 2007 г.-20 марта 2008 г.	9,0-19,0	образование первых настоящих листьев

На ранних этапах развития заростка зачатки вай и растущие верхушки корневищ построены одинаково. На первых этапах развития спорофита их вайи расположены перпендикулярно его продольной оси. Первые вайи, как правило, не крупные, черешки их короткие (Силаева, 1998).

В течение весны и лета 2007 г. у спорофита формировались перисторасчлененные листья, а затем  дважды непарноперисторасчлененные вайи. Первая вайя исследуемого спорофита двухлопастная (фото 3), затем развивается трехлопастная (фото 4), шестилопастная (рисунок 10б) перисторасчлененная. Первая вайя хорошо связана со скоплением гаметофитов зеленого цвета. У первой вайи еще не развита главная ось. При поддержании оптимальных условий влаги, света и температуры продолжалось дальнейшее развитие спорофита.

      У следующей вайи развивается главная ось. Лист становится непарноперисторассеченным – заканчивается наверху непарным одиночным, закругленным наверху листочком. Развитие этой вайи мы наблюдали примерно через 20 дней после появления первого листочка. На этой стадии гаметофит начинает постепенно уменьшаться в размерах и буреет по краям пластинки (фото 12).

    Через 15 дней появляется еще пара листочков от основания черешка. Постепенно количество листочков на черешке вайи увеличивается, а гаметофит уменьшается в размерах, становится вялым и сухим, и со временем совсем погибает.

      Молодые спорофиты щитовника мужского растут быстро. Количество листочков увеличивается за счет моноподиального ветвления – образуется главная ось, которая растет своей верхушкой (Споровые растения, 1950). Молодые вайи щитовника мужского расположены розеткой, светло-зеленые, мягкие (рисунок 16). Нижние перья их были наиболее широкими с хорошо заметным открытым дихотомическим жилкованием. Уже у шестимесячных молодых спорофитов развернулось по 10-12 вай длиной до 4-5 см. Молодые спорофиты щитовника мужского имели зачаточные листья (улитки).

В домашних условиях годовалые спорофиты имели до 20 вай длиной до 10-15 см., корневище длиной до 8-9 см.

                       Заключение

Проращивание спор показало их специфичность к требованиям в условиях прорастания. Оптимальным условием являются: температура 20-23⁰ С, свет, высокая влажность, относительно чистый воздух. Оптимальными условиями для прорастания заростков являются домашние условия. В таких условиях (искусственных) проращивание спор протекает успешно, прорастаемость достигает 70-80%, при оптимальных условиях происходит благополучное прорастание, формирование гаметофита. От момента посева спор до окончания наблюдения в искусственных условиях проходит 19 месяцев, пятнадцать месяцев из которых мы наблюдали формирование молодого спорофита Dryopteris filix-mas(L.).

       Проделанная нами исследовательская работа имеет большое научное и практическое значение. Нами получены данные об условиях и динамике начальных этапов онтогенеза формирования полового и бесполого поколений, о количественной и возрастной характеристике щитовника мужского.

      Представленные нами результаты можно использовать в школьной программе по биологии при изучении многообразия растительного мира (6 класс) и размножения и развития организмов, в старших классах.

     Выращивание спорофитов щитовника продолжается до сих пор.

     Из данных таблицы 7 видно, что от момента посева спор до окончания наблюдения в искусственных условиях проходит 19 месяцев, пятнадцать месяцев из которых мы наблюдали формирование молодого спорофита Dryopteris filix-mas (L.).

                                                ВЫВОДЫ

Проведенная нами исследовательская работа по изучению особенностей прорастания спор папоротника позволяет сделать следующие выводы:

1. Прорастание спор определяются следующими условиями: наличие питательных веществ, влажность, достаточная освещенность, в темноте споры не прорастают.

2. Споры щитовника мужского прорастают спустя 2 недели после посева.

3. Пластинка заростка начинает формироваться через 50-55 дней после посева.

4. Сердцевидной формы гаметофит формируется спустя 70-76 дней после посева спор.

5. В искусственных условиях спорофит щитовника мужского формируется через 2,5 месяца после оплодотворения.

6. Первые листья спорофита 2-6 лопастные перисторасчлененные, настоящие листья однажды-, дважды-, трижды-перисторассеченные формируются на 6 месяце развития.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.                Ареалы растений флоры СССР. В-2. Л.: Изд. Ленинградского университета, 1969. – 247с.

2.                Биологический энциклопедический словарь / гл. ред. М.С. Гиляров. – М.: Советская энциклопедия. – 1986. – 831с.

3.                Вольтер, Г. Растительность земного шара. Эколого-физиологическая характеристика. Т.3 / Г. Вольтер. – М.: Прогресс. – 1973. – 427с.

4.                Голышенков, П.П. Лекарственные растения и их использование / П.П. Голышенков – Саранск: Мордов. кн. изд-во. – 1990. – 304с.

5.                Еленевский, А.Г. Ботаника. Систематика высших или наземных растений / А.Г. Еленевский, М.П. Соловьев, В.Н. Тихомиров. – М.: Высшая школа. – 2004. – 432с.

6.                Маевский, П.Ф. Флора средней полосы Европейской части СССР / П.Ф. Маевский. – Л.: Колос. – 1964. – 688с.

7.                Силаева, Т.Б. Редкие и исчезающие растения Мордовии / Т.Б. Силаева, В.Н. Тихомиров, С.Р. Майоров. – Саранск: Издательство гос. университета. – 1996. – 69с.

8.                Красная книга Республики Мордовия. Т.1: Редкие виды растений, лишайников и грибов /Сост. Т.Б. Силаева. – Саранск: Мордов. кн. изд-во. – 2003. – 288с.

9.                Споровые растения / под ред. з-д Науки РСФСР проф. Совига. В.А. / В6. – М.-Л.: Издательство акад. Наук СССР. – 1950. – 543с.

10.            Флора Мордовской АССР / под ред. Силаевой Т.Б. – Мордовское книжное издательство. – Саранск. – 1968. – 137с.

11.            Хржановский, В.Г. Курс высших растений / В.Г. Хржановский. – М.: Высшая школа. – 1982. – 180с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Фото 1  Прорастание спор  щитовника мужского в искусственных условиях

Фото 2 Внешний вид заростка щитовника мужского.

фото 3 – Формирование сердцевидного гаметофита щитовника.

Фото 4 – Начальные этапы формирования спорофита щитовника.

Фото 5 – Формирование трехлопастной вайи щитовника.

Рисунок 6– Интенсивное развитие спорофитов щитовника.

Фото 7-Формирование настоящих вай щитовника мужского.

Фото  8 – Растущие спорофиты щитовника мужского.