BIOCHEMICAL ADAPTATION OF PINE (PINUS SYLVESTRIS L.) WITH DIFFERENT TYPES OF SEED SCALE APOPHYSIS UNDER STRESS CONDITIONS
BIOCHEMICAL ADAPTATION OF PINE (PINUS SYLVESTRIS L.) WITH DIFFERENT TYPES OF SEED SCALE APOPHYSIS UNDER STRESS CONDITIONS
Abstract
The essence of the problem is that forms of pine (Pinus sylvestris L.) can react differently to the external factors under stress conditions. The aim of the study is to identify the features of seasonal changes in biochemical parameters in pine forms with different types of apophysis of seed cone scales under conditions of excessive soil moisture. The conducted research has shown that the pH of the needles of newly formed shoots increases as their age increases (from July to November), regardless of the form of pine, indicating a decrease in organic acids and water in the needles. In summer, there is an increase in the content of anthocyanins in the needles formed in the current year, which increases the efficiency of its biochemical defence. In early autumn, their content in pine with convex type of apophysis is significantly higher compared to pine with flat type of apophysis. During this period, the form with convex apophysis has higher antioxidant activity. The significant increase in the content of ascorbic acid in conifers in July and November is probably due to the negative influence of meteorological factors under seasonal climate conditions (hot and dry July and frost in November). The strengthening of defence functions during hot and dry weather and, especially, autumn air temperature decrease is also evidenced by active synthesis of proline in conifers of trees of different forms. The identified differences in peroxidase activity, content of water-soluble proteins and anthocyanins in separate periods between the forms of pine with flat and convex type of apophysis testify to the specifics of their adaptation to conditions of excessive soil moisture.
1. Введение
Растение отвечает на стресс развитием устойчивости, что подразумевает биохимические, физиологические и морфологические изменения, требующиеся для снятия или ослабления стресса . Эти типы изменений связаны с генетической адаптацией и формируются под влиянием стресса и природных факторов. Наиболее распространенная стратегия устойчивости в условиях хронического действия стрессовых факторов – выработка защитных механизмов , . К индикаторам – стрессовым метаболитам с защитной функцией относят, например, аминокислоты, низкомолекулярные углеводы, полиамины. Под действием различных стрессов в клетках активизируется экспрессия генов, кодирующих синтез стрессовых белков , , . Разные формы сосны при недостатке кислорода в условиях избытка влаги в почве могут различаться по содержанию стрессовых метаболитов. Динамика их содержания связана с работой комплекса ферментов, что также обуславливает их изучение с позиции использования в качестве индикаторов стресса . Устойчивость растений к стрессу не ограничивается одним соединением или механизмом. Длительное избыточное увлажнение почвы приводит к корневой гипоксии и гипотермии, которые сопровождаются активацией механизмов адаптации деревьев – синтезом протекторных соединений: свободных аминокислот, белков, витаминов, окислительных ферментов и других биохимических показателей , , . Известно , что сезонная динамика физиолого-биохимических процессов имеет решающее значение при адаптации и развитии устойчивости древесных растений к воздействию внешних факторов.
Целью исследований является выявление особенностей сезонных изменений биохимических параметров у форм сосны с разным типом апофиза сменных чешуй шишек в условиях избыточного увлажнения почв.
2. Методы и принципы исследования
Исследования проведены в северотаежных разновозрастных сосняках кустарничково-сфагновых устья р. Северной Двины (рис. 1), где почвы представлены, как правило, сфагновым или пушице-сфагновым торфом с низкой степенью разложения.
Рисунок 1 - Карта-схема объектов исследования
Эти почвы имеют сильнокислую реакцию среды (рН солевой суспензии 2,6-3,2), высокую обменную и гидролитическую кислотность, очень низкую степень насыщенности основаниями (менее 20%). Содержание золы в верхнем торфе составляет 2-4%
. В сосняках такого типа большую часть теплого периода уровень почвенно-грунтовых вод находится в непосредственной близости от поверхности почвы и только эпизодически после длительных сухих периодов снижается до 25-30 см. Средняя продолжительность подтопления верхнего десятисантиметрового слоя почвы составляет 64 дня . Торф верхних горизонтов характеризуется низкой объемной массой, высокой полевой влажностью, близкой к полной влагоемкости (90-94%). Лесоводственно-геоботаническое описание, таксационную характеристику древостоев давали общепринятыми методами , , , . Состав древостоя – 10С, средний возраст – 100 лет, средняя высота – 10 м, средний диаметр ствола – 11 см, сомкнутость крон – 0,4, класс бонитета – Va. Подрост представлен сосной, а подлесок – карликовой березой. Травяно-кустарничковый ярус характеризуется преобладанием багульника, клюквы, кассандры, подбела, голубики. Из трав иногда встречаются пушица, морошка. Моховой покров представлен сфагновыми мхами.Наиболее надежными морфологическими маркерами наследственных форм у древесных являются признаки генеративных органов. Они обладают низкими уровнями экологической и географической изменчивости, стабильны во всех метамерах кроны деревьев и во времени
, , , . Считается , что в этом случае в процессе онтогенеза признак независим по отношению к формирующим его условиям, а развитие его определяется преимущественно генотипом особи. Этим принципом руководствуются при отборе разных форм. К числу альтернативных дискретных вариаций морфологических признаков (присутствие особей только одной вариации признака) у видов семейства Pinaceae можно отнести тип развития семенных чешуй шишек. При изучении адаптивных реакций нами использованы уже известные соединения, зарекомендовавшие себя как индикаторы стресса. Для определения биохимических показателей у 10 деревьев сосны каждой из выделенных по типу апофиза семенных чешуй форм (f. gibba Christ – выпуклый и f. plana Christ – плоский) отбирали образцы хвои вновь образованных побегов. Для изучения их сезонной динамики отбор образцов хвои производили в текущем году на одних и тех же деревьях: в период ее формирования, в конце вегетации и подготовки вновь образованных побегов к перезимовке (в июле – ноябре 2018 года). В лабораторных условиях спектрофотометрическим методом (с использованием спектрофотометра Nano Drop 2000C) определяли активность пероксидазы , содержание антоцианов , аскорбиновой кислоты , свободного пролина , водорастворимых белков по методу Kalb, Bernlohr . С помощью pH-метра Delta 320 pH (Mettler Toledo) измеряли рН гомогената хвои . Метеорологические показатели на объектах исследований (температура воздуха, количество осадков) определяли по данным метеостанции «Архангельск», находящимися в открытом доступе на сайтах Северо-Евразийского климатического центра и Гисметео , .3. Результаты и обсуждение
Рисунок 2 - Сезонная динамика биохимических параметров (среднее значение с ошибкой) хвои вновь образованных побегов у форм сосны с разным типом апофиза:
1 – плоский тип апофиза; 2 – выпуклый тип апофиза; а – рН; б – активность пероксидаз; в – концентрация антоцианов; г – содержание аскорбиновой кислоты; д – содержание пролина; е – содержание водорастворимых белков; I.07 – III.11 – декада. месяц
Известно , , что антоцианы непосредственно участвуют в детоксикации свободных радикалов. Антоцианы смягчают действие ультрафиолета, обладают антиоксидантной активностью в условиях различных стрессовых воздействий . У формы сосны с плоским типом апофиза установлено существенное повышение содержания антоцианов в хвое, образованной в текущем году, летом, по сравнению с сентябрем – октябрем (t = 2,89 – 4,31; t0,05 = 2,26) (рис. 2). У формы с выпуклым типом апофиза летом этот показатель значительно больше по сравнению с осенью (t-критерий, p < 0,05). Повышенное содержание антоцианов летом можно объяснить увеличением освещенности в этот период. Выявлено значительное превышение этого показателя в сентябре у сосны с выпуклым апофизом по сравнению с формой с плоским апофизом (t = 2,56; t0,05 = 2,26). Однофакторный дисперсионный анализ подтверждает достоверное влияние сезона на концентрацию антоцианов в хвое обеих форм (F = 6,06 – 6,25; F0,05 = 2,58 – 2,59). Зависимость этого показателя от фактора «форма апофиза» в сентябре также подтверждается этим методом (F = 6,57; F0,05 = 4,41).
Аскорбиновая кислота наряду с другими соединениями участвует в регуляции окислительно-восстановительного потенциала, с которым связана активность многих ферментов и физиолого-биохимических реакций, в том числе таких жизненно необходимых, как фотосинтез и дыхание , . По нашим данным, значительное увеличение содержания аскорбиновой кислоты в хвое вновь образованных побегов в июле и ноябре, вероятно, связано с влиянием метеорологических факторов в июле и ноябре. Среднемесячная температура воздуха в июле (19,4 оС) была значительно выше среднемноголетней (15,6 оС), а количество осадков в этот месяц более, чем в 2 раза меньше (31 мм) по сравнению с среднемноголетним показателем (64 мм). Среднемесячная температура воздуха в ноябре составляла -1,0 оС. Это свидетельствует о развитии защитных механизмов у сосны для предотвращения окислительного стресса в жаркий и засушливый период и при наступлении морозов. Содержание аскорбиновой кислоты у деревьев обеих форм в июле значительно больше, чем в августе, сентябре и октябре (t = 4,79 – 5,71; t0,05 = 2,26). Перед перезимовкой (в ноябре) наблюдается значительное увеличение этого показателя у обеих форм по сравнению с августом, сентябрем и октябрем (t = 6,72 – 20,70; t0,05 = 2,26). Результаты однофакторного дисперсионного анализа подтверждают зависимость концентрации аскорбиновой кислоты в хвое от сезона (F = 26,03 – 27,85; F0,05 = 2,58 – 2,59). Между деревьями сосны с разной формой апофиза достоверные различия концентрации аскорбиновой кислоты не наблюдаются (t < t0,05). Влияние фактора «тип апофиза» на изменчивость этого показателя не подтверждается при критических значениях F-критерия (р > 0,05).
Пролин накапливается в органах многих видов растений в ответ на экологический стресс . Его повышенное содержание отмечается при воздействии на растения стрессовых факторов, в том числе пониженных температур , , . По нашим данным, концентрация пролина в хвое деревьев у обеих форм осенью существенно больше по сравнению с августом (t = 2,60 – 5,85; t0,05 = 2,26), а в июле значительно больше, чем в августе и сентябре (t = 2,75 – 7,45; t0,05 = 2,26). В октябре и ноябре содержание пролина значительно выше, чем в сентябре (t = 2,27 – 4,94; t0,05 = 2,26 – 2,31). Достоверные различия этого показателя между формами с разным апофизом не установлены при критических значениях t-критерия. Таким образом, жаркая и сухая погода (в июле) и, особенно, понижение температуры в октябре – ноябре вызывают интенсивное накопление пролина в хвое, образованной в текущем году, как ответную реакцию на экологический стресс. Результаты однофакторного дисперсионного анализа подтверждают влияние сезона на концентрацию пролина в хвое деревьев обеих форм (F = 5,38 – 6,00; F0,05 = 2,58).
Водорастворимые белки выполняют роль криопротектора, предохраняющего меристематические ткани от низкотемпературных повреждений. Отмечается , что по увеличению уровня водорастворимых белков можно судить об активации защитных реакций сосны. Согласно нашим данным, наблюдается существенное повышение содержания водорастворимых белков в хвое, образованной в текущем году, в октябре и ноябре по сравнению с июлем, августом и сентябрем у формы с плоским типом апофиза (t = 2,26 – 3,30; t0,05 = 2,26). У сосны с выпуклым типом апофиза установлено существенное увеличение этого показателя в ноябре по сравнению с сентябрем (t = 2,39; t0,05 = 2,26). Это указывает на повышение их криозащитной роли при подготовке деревьев разных форм к перезимовке. У сосны с выпуклой формой апофиза содержание водорастворимых белков в хвое в августе, сентябре и ноябре существенно больше по сравнению с формой, имеющей плоский апофиз (t = 2,60 – 2,84; t0,05 = 2,26). В результате однофакторного дисперсионного анализа установлено достоверное влияние сезона на концентрацию водорастворимых белков в хвое у формы с выпуклым типом апофиза (F = 4,20; F0,05 = 2,58). Зависимость этого показателя от фактора «тип апофиза» подтверждается в августе (F = 8,09; F0,05 = 4,41). Это свидетельствует о большей активизации защитных функций формы с выпуклым типом апофиза по сравнению с формой с плоским апофизом в эти периоды.
4. Заключение
С повышением возраста хвои, образованной в текущем году, с июля по ноябрь показатель рН у деревьев разных форм сосны увеличивается, что указывает на снижение в хвое органических кислот и воды. Повышение активности пероксидазы хвои вновь образованных побегов в ноябре свидетельствует об окислительном стрессе и активации системы ее антиоксидантной защиты в связи с понижением температуры до отрицательных величин. При этом у сосны с выпуклым апофизом этот показатель выше, что указывает на усиление окислительных процессов у этой формы перед перезимовкой по сравнению с формой с плоским апофизом. Летнее повышение содержания антоцианов в хвое, образованной в текущем году, у обеих форм можно объяснить увеличением освещенности в этот период. В сентябре у сосны с выпуклым апофизом их содержание существенно выше по сравнению с формой с плоским апофизом. В этот период сосна с выпуклым типом апофиза имеет более высокую антиоксидантную активность. Значительное увеличение содержания аскорбиновой кислоты и пролина в хвое у разных форм в июле и ноябре 2018 года, вероятно, связано с неблагоприятными метеорологическими условиями (жаркий и засушливый июль, отрицательные температуры в ноябре). Это свидетельствует о развитии защитных механизмов у сосны для предотвращения окислительного стресса в этих условиях. Увеличение содержания водорастворимых белков в хвое в ноябре свидетельствует о повышении их криозащитной роли при подготовке деревьев сосны к перезимовке. В августе – сентябре и ноябре этот показатель существенно больше у формы с выпуклым типом апофиза по сравнению с формой с плоским апофизом, что указывает на более высокую активацию защитных функций в эти периоды у сосны с выпуклым апофизом по сравнению с сосной с плоским апофизом.