Изменчивость биохимических признаков Pinus sylvestris (Pinaceae) при адаптации форм в условиях избыточного увлажнения. С. 58–75

УДК

581.5:582.475.4:631.524

DOI:

10.37482/0536-1036-2023-4-58-75

Аннотация

Хвойные характеризуются определенной индивидуальной изменчивостью содержания стрессовых метаболитов, которая может являться результатом генотипических различий или расхождений в условиях произрастания отдельных деревьев. Цель исследования – оценка изменчивости биохимических признаков у форм сосны обыкновенной, различающихся цветом мужских стробилов, при адаптации этих форм в условиях постоянного избыточного увлажнения почв северной тайги. Изучение динамики метаболических показателей у форм сосны обыкновенной проведено в кустарничково-сфагновых сосняках на болотных верховых почвах в районе устья р. Северной Двины (северная подзона тайги). У 10 деревьев сосны каждой из выделенных по цвету мужских стробилов форм отобраны образцы хвои на побегах, формирующихся в текущем году – в июле–ноябре 2018 г. В лабораторных условиях определено содержание фотосинтетических пигментов, антоцианов, аскорбиновой кислоты, пролина, водорастворимых белков, а также уровень pH. Установлено, что в засушливый летний период синтез хлорофиллов в хвое текущего года формирования снижается у деревьев обеих форм. Благоприятный температурный режим осенью способствует увеличению длительности накопления фотосинтетических пигментов, что в целом может отрицательно сказаться на подготовке деревьев к перезимовке. Значительных различий краснопыльниковой и желтопыльниковой форм по содержанию хлорофиллов и каротиноидов, антоцианов, аскорбиновой кислоты, свободного пролина, водорастворимых белков и pH формирующейся молодой хвои не обнаружено. Выявлено сходство в адаптации этих форм к постоянному избыточному увлажнению почв в условиях северной тайги. Обнаружено существенное влияние сезонного фактора на динамику биохимических показателей у деревьев исследуемых форм. Высокая температура воздуха в летний период приводит к более активному накоплению аскорбиновой кислоты, пролина и антоцианов в хвое, а следовательно, к повышению ее антиоксидантной активности и развитию защитных механизмов, направленных на предотвращение окислительного стресса в этих условиях. Повышение содержания водорастворимых белков в хвое в октябре–ноябре способствует усилению криозащитных функций при подготовке деревьев к перезимовке. Уровни индивидуальной изменчивости содержания аскорбиновой кислоты и пролина в хвое сосны с желтым цветом микростробилов при установлении отрицательных температур в ноябре существенно выше, чем у сосны с красными микростробилами. Это связано с нормой реакции деревьев разных форм на влияние отрицательных температур.

Сведения об авторах

С.Н. Тарханов*, д-р биол. наук, зав. лаб., гл. науч. сотр.; ResearcherID:ABG-7237-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9037-8995
Е.А. Пинаевская, канд. биол. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID:ABB-6293-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1877-1412
Ю.Е. Аганина, аспирант, мл. науч. сотр.; ResearcherID: ABB-6305-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6069-8979
А.С. Пахов, мл. науч. сотр.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2362-8840
Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова УрО РАН, просп. Никольский, д. 20, г. Архангельск, Россия, 163020; tarkse@yandex.ru*, aviatorov8@mail.ru, julja-a30@rambler.ru, aleksander.pakhoff@yandex.ru

Ключевые слова

Pinus sylvestris, краснопыльниковая форма, желтопыльниковая форма, хвоя текущего года, фотосинтетические пигменты, антоцианы, pH, аскорбиновая кислота, пролин, водорастворимые белки, длительное избыточное увлажнение почв

Для цитирования

Тарханов С.Н., Пинаевская Е.А., Аганина Ю.Е., Пахов А.С. Изменчивость биохимических признаков Pinus sylvestris (Pinaceae) при адаптации форм в условиях избыточного увлажнения // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 4. С. 58–75. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-4-58-75

Литература

1. Абдуллина Д.С., Петров И.В. Дифференциация популяций сосны обыкновенной по фенотипическим признакам на северо-восточном пределе ареала // Аграрн. вестн. Урала. 2012. № 9(101). C. 34–36. 

2. Аверина Н.Г., Щербаков Р.А., Емельянова А.В., Доманская И.Н., Усатов А.В. Индукция накопления антоцианов и состояние защитной системы в растениях озимого рапса, обработанных 5-аминолевулиновой кислотой // Физиология растений. 2017. T. 64, № 3. C. 173–182. https://doi.org/10.7868/S0015330317030022

3. Алаудинова Е.В., Миронов П.В. Особенности низкотемпературной адаптации хвойных Сибири: изменение содержания водорастворимых и нерастворимых компонентов клеток // Хвойные бореальной зоны. 2015. T. 33, № 1-2. С. 90–94. 

4. Анучин Н.П. Лесная таксация. М.: Лесн. пром-сть, 1982. 552 с. 

5. Большой практикум «Биохимия». Лабораторные работы / сост. М.Г. Кусакина, В.И. Суворов, А.А. Чудинова. Пермь: ПГНИУ, 2012. 148 с. 

6. Васфилов С.П. Использование рН гомогената хвои для оценки воздействия диоксида серы на сосну // Экология. 1995. № 5. С. 347–350. 

7. Видякин А.И. Фены лесных древесных растений: выделение, масштабирование и использование в популяционных исследованиях (на примере Pinus sylvestris L.) // Экология. 2001. № 3. C. 197–202. https://doi.org/10.1023/A:1011310111062

8. Воскресенская О.Л., Алябышева Е.А., Половникова М.Г. Большой практикум по биоэкологии. Ч. 1. Йошкар-Ола: МарГУ, 2006. 107 с. 

9. Дымова О.В., Головко Т.К. Фотосинтетические пигменты в растениях природной флоры таежной зоны европейского северо-востока России // Физиология растений. 2019. T. 66, № 3. С. 198–206. https://doi.org/10.1134/S0015330319030035

10. Загирова С.В. Структура, содержание пигментов и фотосинтез хвои лиственницы сибирской на Северном и Приполярном Урале // Лесоведение. 2014. № 3. C. 3–10. 

11. Изотов В.Ф. Влияние осушения на условия произрастания лесов северной подзоны тайги // Лесн. хоз-во. 1969. № 1. С. 31–37.

12. Калугина О.В., Михайлова Т.А., Шергина О.В. Биохимическая адаптация сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) к техногенному загрязнению // Сиб. экол. журн. 2018. Т. 25, № 1. С. 98–110. https://doi.org/10.15372/SEJ20180109

13. Коновалов В.Н., Зарубина Л.В. Эколого-физиологические особенности хвойных на осушаемых землях. Архангельск: САФУ, 2010. 295 с. 

14. Крамер П.Д., Козловский Т.Т. Физиология древесных растений. М.: Лесн. пром-сть, 1983. 464 с. 

15. Мамаев С.А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений (на примере семейства Pinaceae на Урале). М.: Наука, 1972. 284 с. 

16. Маслова Т.Г., Мамушина H.C., Шерстнева О.А., Буболо Л.С., Зубкова Е.К. Структурно-функциональные изменения фотосинтетического аппарата у зимневегетирующих хвойных растений в различные сезоны года // Физиология растений. 2009. Т. 56, № 5. С. 672–681. https://doi.org/10.1134/S1021443709050045

17. Муравьева Д.А., Бубенчикова В.Н., Беликов В.В. Спектрофотометрическое определение суммы антоцианов в цветках василька синего // Фармация. 1987. T. 36, № 5. С. 28–29. 

18. Новицкая Ю.Е. Физиолого-биохимические механизмы адаптации хвойных к экстремальным факторам среды // Адаптация древесных растений к экстремальным условиям среды. Петрозаводск: Кар. фил. АН СССР, 1984. С. 42–52. 

19. Паршевников А.Л. Руководство по полевому исследованию лесных почв. Архангельск: АИЛиЛХ. 1974. 45 с.

20. Петров К.А., Софронова В.Е., Бубякина В.В., Перк А.А., Татаринова Т.Д., Пономарев А.Г., Чепалов В.А., Охлопкова Ж.М., Васильева И.В., Максимов Т.Х. Древесные растения Якутии и низкотемпературный стресс // Физиология растений. 2011. T. 58, № 6. C. 866–874. https://doi.org/10.1134/S1021443711060148

21. Полевая геоботаника / под общ. ред. Е.М. Лавренко и А.А. Корчагина. Т. 3. М.; Л.: Наука, 1964. 531 с. 

22. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода. М.: КДУ, 2007. 140 с. 

23. Попов П.П. Географическая изменчивость формы семенных чешуй ели в Восточной Европе и Западной Сибири // Лесоведение. 1999. № 1. C. 68–73. 

24. Правдин Л.Ф. Сосна обыкновенная. Изменчивость, внутривидовая систематика и селекция. М.: Наука, 1964. 192 с. 

25. Практикум по физиологии растений / под ред. Н.Н. Третьякова, Т.В. Карнауховой, Л.А. Паничкина и др. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1990. 271 с.

26. Путенихин В.П. Популяционная структура и сохранение генофонда хвойных видов на Урале: автореф. дис. … д-ра биол. наук. Красноярск, 2000. 48 с. 

27. Софронова В.Е., Чепалов В.А., Дымова О.В., Головко Т.К. Роль пигментной системы вечнозеленого кустарничка Ephedra monosperma в адаптации к климату Центральной Якутии // Физиология растений. 2014. Т. 61, № 2. С. 266–274. https://doi.org/10.7868/S001533031401014X

28. Судачкова Н.Е. Состояние и перспективы изучения влияния стрессов на древесные растения // Лесоведение. 1998. № 2. С. 3–9. 

29. Судачкова Н.Е., Милютина И.Л., Романова Л.И. Биохимическая адаптация хвойных к стрессовым условиям Сибири. Новосибирск: Гео, 2012. 178 с. 

30. Сукачев В.Н., Зонн С.В. Методические указания к изучению типов леса. М.: АН СССР, 1961. 144 с. 

31. Теребова Е.Н., Галибина Н.А., Сазонова Т.А., Таланова Т.Ю. Индивидуальная изменчивость метаболических показателей ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной в условиях промышленного загрязнения // Лесоведение. 2003. № 1. С. 72–77. 

32. Яцко Я.Н., Дымова О.В., Головко Т.К. Пигментный комплекс зимне- и вечнозеленых растений в подзоне средней тайги Eвропейского Северо-Востока // Ботанич. журн. 2009. Т. 94, № 12. С. 1812–1820. 

33. Almagro L., Gomez Ros L.V., Belchi-Navarro S., Bru R., Ros Barcelo A., Pedreno M.A. Class III Peroxidases in Plant Defense Reactions. Journal of Experimental Botany, 2009, vol. 60, iss. 2, pp. 377–390. https://doi.org/10.1093/jxb/ern277

34. Aquil S., Ahmad S.H., Reshi Z.A., Iqbal M. Physiological and Biochemical Response of Albizia lebbeck Benth to Coal Smoke Pollution. Pollution Research, 2003, vol. 22, iss. 44, pp. 489–493.

35. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid Determination of Free Proline for Water-Stress Studies. Plant and Soil, 1973, vol. 39, iss. 1, pp. 205–207. https://doi.org/10.1007/bf00018060

36. Björkman O. Responses to Different Quantum Flux Densities. Physiological Plant Ecology I. Responses to the Physical Environment. Ed. by O.L. Lange, P.S. Nobel, С.В. Osmond, H. Ziegler. Berlin, Springer-Verlag Publ., 1981. pp. 57–107. https://doi.org/10.1007/978-3-642-68090-8_4

37. Black A.R., Subjeck J.R. Mechanisms of Stress-Induced Thermo- and Chemotolerances. Stress Proteins. Induction and Function. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag Publ., 1990. pp. 101–117. https://doi.org/10.1007/978-3-642-75815-7_9

38. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, Oxidative Damage and Oxygen Deprivation Stress: A Review. Annals of Botany, 2003, vol. 91, iss. 2, pp. 179–194. https://doi.org/10.1093/aob/mcf118

39. Davies K.M., Schwinn K.E. Molecular Biology and Biotechnology of Flavonoid Biosynthesis. Flavanoids: Chemistry, Biochemistry and Applications. London, CRC Press Publ., 2005. pp. 143–218. https://doi.org/10.1201/9781420039443.ch3

40. Demming-Adams В., Gilmore A.M., Adams W.W. In vivo Function of Carotenoids in Higher Plants. FASEB Journal, 1996, vol. 10, iss. 4, pp. 403–412. https://doi.org/10.1096/fasebj.10.4.8647339

41. Ivanov L.A., Ivanova L.A., Ronzhina D.A., Yudina P.K. Changes in the Chlorophyll and Carotenoid Contents in the Leaves of Steppe Plants Along a Latitudinal Gradient in South Ural. Russian Journal of Plant Physiology, 2013, vol. 60, no. 6, pp. 812–820. https://doi.org/10.1134/S1021443713050075

42. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and Carotenoids: Pigments of Photosynthetic Biomembranes. Methods in Enzymology. Vol. 148. Elsevier Publ., 1987. pp. 350–382. https://doi.org/10.1016/0076-6879(87)48036-1

43. Matysik J. Alia, Bhalu В., Mohanty P. Molecular Mechanisms of Quenching of Reactive Oxygen Species by Proline Under Stress in Plants. Current Science, 2002, vol. 82, iss. 5, pp. 525–532.

44. Mittler R. Oxidative Stress, Antioxidants and Stress Tolerance. Trends in Plant Science, 2002, vol. 7, iss. 9, pp. 405–410. https://doi.org/10.1016/S1360-1385(02)02312-9

45. Oqust G., Huner N.P.A. Photosynthesis of Overwintering Evergreen Plants. Annual Review of Plant Biology, 2003, vol. 54, no. 1, pp. 329–355. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.54.072402.115741

46. Roohi A., Nazish B., Nabgha-e-Amen, Maleeha M., Waseem S. A Critical Review on Halophytes: Salt Tolerant Plants. Journal of Medicinal Plants Research, 2011, vol. 5, iss. 33, pp. 7108–7118. https://doi.org/10.5897/JMPRx11.009

47. Scheer H. The Pigments. Light-Harvesting Antennas in Photosynthesis. Book Series: Advances in Photosynthesis and Respiration. Ed. by B.R. Green, W.W. Parson. Dordrecht, Springer Publ., 2003. pp. 29–81. https://doi.org/10.1007/978-94-017-2087-8_2

48. Schödel R., Irrgang K.-D., Voigt J., Renger G. Quenching of Chlorophyll Fluorescence by Triplets in Solubilized Light-Harvesting Complex II (LHCII). Biophysical Journal, 1999, vol. 76, iss. 4, pp. 2238–2248. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(99)77380-7

49. Siefferman-Harms D. The Light-Harvesting and Protective Functions of Carotenoids in Photosynthetic Membranes. Physiogia Plantarum, 1987, vol. 69, iss. 3, pp. 561–568. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1987.tb09240.x

50. Smillie R.M., Hetherington S.E. Photoabatement by Anthocyanin Shields Photosynthetic Systems from Light Stress. Photosynthetica, 1999, vol. 36, pp. 451–463.

51. Szabados L., Savoure A. Proline: A Multifunctional Amino Acid. Trends in Plant Science, 2010, vol. 15, iss. 2, pp. 89–97. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.009

52. Tarkhanov S.N., Pinaevskaya E.A., Aganina Y.E. Adaptive Responses of Morphological Forms of Pine (Pinus sylvestris L.) Under Stressful Conditions of the Northern Taiga (in the Northern Dvina Basin). Contemporary Problems of Ecology, 2018, vol. 11, no. 4, pp. 377–387. https://doi.org/10.1134/S1995425518040091

53. Zhang J., Kirkham M.B. Drought-Stress-Induced Changes in Activities of Superoxide Dismutase, Catalase, and Peroxidase in Wheat Species. Plant and Cell Physiology, 1994, vol. 35, iss. 5, pp. 785–791. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.pcp.a078658