Характеристика формирования древесного вещества при выращивании сеянцев сосны обыкновенной с использованием химических маркеров

УДК

630*232:58.087:543.2

DOI:

10.37482/0536-1036-2022-1-36-48

Аннотация

В настоящее время выращивание сеянцев основных лесохозяйственных пород осуществляют в тепличных комплексах, производя посадочный материал с закрытой корневой системой. В связи с особенностями данного процесса возникает вопрос об устойчивости получаемого посадочного материала к условиям окружающей среды. На рост и развитие сеянцев при многоротационных схемах выращивания будут влиять как тепличные условия, так и условия площадки закаливания. В связи с этим оценка готовности посадочного материала к переносу в открытый грунт становится актуальной научной задачей. С химической точки зрения одними из наиболее подходящих индикаторов для такой оценки являются вторичные метаболиты – конечные продукты биосинтеза. Цель исследования – изучение химических маркеров формирования древесного вещества как критериев завершения годичного цикла развития сеянцев (при летних сроках посева) и их готовности к вынесению в открытый грунт. Сосна обыкновенная – наиболее подходящий модельный объект для проведения исследований, поскольку она – типичный представитель хвойных лесов и имеет обширный ареал произрастания, а также высокий адаптационный потенциал. На ранних этапах развития сеянцы сосны, как правило, характеризуются повышенной чувствительностью к действию окружающей среды. Для анализа процессов биосинтеза основных компонентов древесной ткани применяли физико-химические методы. Исследована сезонная динамика фенольных соединений в отдельных частях однолетних сеянцев сосны обыкновенной. Выявлено: в момент выноса на площадку закаливания растения адаптируются к новому для них температурному режиму. Это выражается в снижении содержания низкомолекулярных фенольных соединений, препятствующих развитию неконтролируемых окислительных процессов, запускающихся под воздействием неблагоприятных и стрессовых условий среды. Обнаружено, что изменение уровня кониферилового спирта как предшественника макромолекулярных структур лигнина древесины является маркером лигнификации при вегетации растений. В качестве критериев завершения годичного цикла формирования сеянца и его готовности к высаживанию в естественную среду могут выступать содержание фенольных соединений (не менее 120–140 мг/г Сорг) и активность пероксидазы в «хвое» (0,1–0,3 ед. активности).

Финансирование: Исследования проведены в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН ФНИ в 2018–2021 гг. (тема № АААА-А18-118012390231-9) с использованием оборудования ЦКП НО КТ РФ-Арктика (ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН).

---

Данная статья опубликована в режиме открытого доступа и распространяется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0) • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Сведения об авторах

М.А. Гусакова, канд. техн. наук, вед. науч. сотр.; ResearcherID:AAB-5528-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2937-2604
К.Г. Боголицын, д-р хим. наук, гл. науч. сотр, проф.; ResearcherID:AAA-6432-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4055-0483
А.А. Красикова, канд. хим. наук, науч. сотр.; ResearcherID: AAH-5816-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6040-2026
Н.В. Селиванова, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: AAA-5681-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3393-0664
С.С. Хвиюзов, канд. хим. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID:AAH-9795-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4810-2378
Н.А. Самсонова, мл. науч. сотр.; ResearcherID: AAB-9486-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4422-7453
Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова УрО РАН, наб. Северной Двины, д. 23, г. Архангельск, Россия, 163000; e-mail: mariya_gusakova@mail.ru, k.bogolitsin@narfu.ru, snatalia-arh@yandex.ru, ann.krasikova@gmail.com, khviyuzov.s@yandex.ru, gavrilova.iepn@yandex.ru

Ключевые слова

биосинтез, выращивание сеянцев, фенольные соединения, лигнификация, ферментативная активность

Для цитирования

Гусакова М.А., Боголицын К.Г., Красикова А.А., Селиванова Н.В., Хвиюзов С.С., Самсонова Н.А. Характеристика формирования древесного вещества при выращивании сеянцев сосны обыкновенной с использованием химических маркеров // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 1. С. 36–48. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-1-36-48

Литература

1. Бессчетнов В.П., Бессчетнова Н.Н., Яханова Е.А., Горелова З.В., Соколова А.А., Кентбаев Е.Ж., Кентбаева Б.А., Шабалина М.В. Развитие ксилемы и лигнификация ее клеток у сеянцев сосны с открытой и закрытой корневой системой // Вестн. НГСХА. 2014. Т. 4. С. 25–35. Besschetnov V.P., Besschetnova N.N., Yakhanova E.A., Gorelova Z.V.,  Sokolova A.A., Kentbayev E.Zh., Kentbayeva B.A., Shabalina M.V. Xylem Development and Lignification of Its Cells in Bare-Rooted and Ball-Rooted Pine Seedlings. Vestnik Nizhegorodskoy gosudarstvennoy sel’skokhozyaystvennoy akademii, 2014, vol. 4, pр. 25–35.
2. Бессчетнова Н.Н., Кулькова А.В. Содержание запасных питательных веществ в клетках тканей годичных побегов представителей рода ель (Picea L.) в условиях Нижегородской области // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 6. С. 52–61. Besschetnova N.N., Kul’kova A.V. The Content of Reserve Nutrients in the Cells of Annual Shoot Tissues of the Representatives of the Spruce (Picea L.) Genus in Nizhny Novgorod Region. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 6, pр. 52–61. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.6.52
3. Бобушкина С.В. Интенсивность роста и развития сеянцев сосны с закрытой корневой системой при разных режимах выращивания для лесовосстановления в Архангельской области: дис. … канд. с.-х. наук. Архангельск, 2014. 196 c. Bobushkina S.V. Intensity of Growth and Development of Ball-Rooted Pine Seedlings under Different Regimes of Cultivation for Reforestation in the Arkhangelsk Region: Cand. Agric. Sci. Diss. Arkhangelsk, 2014. 196 p.
4. Боголицын К.Г., Лунин В.В., Косяков Д.С. и др. Физическая химия лигнина: моногр. М.: Академкнига, 2010. 492 с. Bogolitsyn K.G., Lunin V.V., Kosyakov D.S. et al. Physical Chemistry of Lignin: Monograph. Moscow, Akademkniga Publ., 2010. 492 p.
5. Жигунов A.B., Маркова И.А. Производство посадочного материала в лесных питомниках Северо-Запада России: практические рекомендации. СПб.: СПбНИИЛХ, 2005. 114 с. Zhigunov А.B., Markova I.A. Production of Planting Material in Forest Nurseries of the North-West of Russia: Practical Recommendations. Saint Petersburg, SPbNIILH Publ., 2005. 114 p.
6. Маркова И.А. Современные проблемы лесовыращивания (Лесокультурное производство). СПб.: СПбГЛТА, 2008. 156 с. Markova I.A. Current Issues of Forest Cultivation (Forestry Production). Saint Petersburg, SPbGLTA Publ., 2008. 156 p.
7. Красикова А.А., Боголицын К.Г., Гусакова М.А., Ивахнов А.Д., Хвиюзов С.С., Самсонова Н.А. Анализ фенольных компонентов в сверхкритических экстрактах древесины Juniperus Communis L. методом ВЭЖХ // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2018. Т. 13, № 4. С. 41–49. DOI: https://doi.org/10.34984/SCFTP.2018.13.4.006. Krasikova A.A., Bogolitsyn K.G., Gusakova M.A., Ivakhnov A.D., Khviuzov S.S., Samsonova N.A. Analysis of Phenolic Components in the Supercritical Extracts of the Juniperus communis L. Wood by the Method of HPLC. Sverkhkriticheskiye flyuidy: Teoriya i praktika [Supercritical Fluids: Theory and Practice], 2018, vol. 13, no. 4, pp. 41–49. DOI: https://doi.org/10.1134/S1990793119070169
8. Тарханов С.Н., Бирюков С.Ю. Морфоструктура и изменчивость биохимических признаков популяции сосны (Pinus sylvestris L.) в стрессовых условиях устья Северной Двины // Сиб. экол. журн. 2014. № 2. С. 319–327. Tarkhanov S.N., Biryukov S.Yu. Morphostructure and Biochemical Parameters of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) in the Stressing Environment of North Dvina Estuary Region. Sibirskiy Ekologicheskiy Zhurnal [Contemporary Problems of Ecology], 2014, no. 2, pр. 319–327.
9. Федотов А.Н., Жигунов А.В. Влияние длины дня на формирование верхушечных почек у однолетних контейнеризированных сеянцев сосны обыкновенной и ели европейской // Изв. СПбЛТА. 2016. Вып. 215. С. 80–91. Fedotov A.N., Zhigunov A.V. The Effect of the Day Length on the Formation of Apical Buds in One-Year-Old Containerized Seedlings of Scots Pine and Norway Spruce. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2016, iss. 215, pр. 80–91. DOI: https://doi.org/10.21266/2079-4304.2016.215.80-91
10. Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты / отв. ред. Н.В. Загоскина, Е.Б. Бурлакова. М.: Науч. мир, 2010. 400 с. Phenolic Compounds: Fundamental and Applied Aspects. Ed. by N.V. Zagoskina, E.B. Burlakova. Moscow, Nauchnyy mir Publ., 2010. 400 p.
11. Шавнин С.А., Юсупов И.А., Марина Н.В., Монтиле А.А., Голиков Д.Ю. Сезонные изменения содержания хлорофиллов и каротиноидов в хвое сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в зоне влияния теплового поля газового факела // Физиология растений. 2021. Т. 68, № 3. С. 315–325. DOI: https://doi.org/10.31857/S0015330321020184. Shavnin S.A., Yusupov I.A., Marina N.V., Montile A.A., Golikov D.Yu. Seasonal Changes in Chlorophyll and Carotenoid Content in Needles of Scots Pines (Pinus sylvestris L.) Exposed to the Thermal Field of a Gas Flare. Fiziologiya rastenij [Russian Journal of Plant Physiology], 2021, vol. 68, no. 3, pp. 315–325. DOI: https://doi.org/10.1134/s1021443721020187
12. Якимов Н.И., Крук Н.К., Юреня А.В. Биометрические показатели и густота однолетних сеянцев сосны и ели в закрытом грунте при разных нормах высева семян // Проблемы лесоведения и лесоводства. Гомель: Ин-т леса НАН Беларуси, 2016. Вып. 76. С. 302–306. Yakimov N.I., Kruk N.K., Yurenya А.V. Biometric Indices and Density of Annual Seedlings of Pine and Spruce in Closed Ground at Different Rates of Seed Sowing. Issues of Forest Science and Forestry. Gomel, Institut lesa NAN Belarusi Publ., 2016, iss. 76, pp. 302–306.
13. Якимов Н.И., Крук Н.К., Юреня А.В. Агротехника выращивания сеянцев сосны обыкновенной в условиях закрытого грунта // Тр. БГТУ. 2018. Сер. 1: Лесное хоз-во, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. № 1. С. 25–30. Yakimov N.I., Kruk N.K., Yurenya A.V. Agricultural Cultivation of Seedlings of Scots Pine in a Greenhouse. Trudy BGTU. Ser. 1: Lesnoye khozyaystvo, prirodopol’zovaniye i pererabotka vozobnovlyayemykh resursov [Proceedings of BSTU. Series 1: Forestry. Environmental management. Reprocessing of renewable resources], 2018, no. 1, pp. 25–30.
14. Barnett J.P. Activities that Increase Germination and Establishment of Longleaf Pine Seedlings in Containers. Proceedings: Workshops on Growing Longleaf Pine in Containers– 1999 and 2001. General Technical Report. SRS-56. Asheville, NC, USDA, 2002, pp. 18–21.
15. Barros J., Serk H., Granlund I., Pesquet E. The Cell Biology of Lignification in Higher Plants. Annals of Botany, 2015, vol. 2015, iss. 7, pp. 1053–1074. DOI: https://doi.org/10.1093/aob/mcv046
16. Bergmeyer H.U. Methods of Enzymatic Analysis. Vol. 1. New York, Academic Press, 1974. 495 p.
17. Harkin J.M., Obst T.R. Lignification in Trees: Indication of Exclusive Peroxidase Participation. Science, 1973, vol. 180, iss. 4083, pр. 296–298. DOI: https://doi.org/10.1126/science.180.4083.296
18. Juntunen M.-L., Rikala R. Fertilization Practice in Finnish Forest Nurseries from the Standpoint of Environmental Impact. New Forests, 2001, vol. 21, pp. 141–158. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1011837800185
19. Nilsson U., Louranen J., Kolström T., Örlander G., Puttonen P. Reforestation with Planting in Northern Europe. Scandinavian Journal of Forest Research, 2010, vol. 25, iss. 4, pp. 283–294. DOI: https://doi.org/10.1080/02827581.2010.498384
20. Ralph J. Hydroxycinnamates in Lignification. Phytochemistry Reviews, 2010, vol. 9, iss. 1, pp. 65–83. DOI: https://doi.org/10.1007/s11101-009-9141-9
21. Shigeto J., Honjo H., Fujita K., Tsutsumi Y. Generation of Lignin Polymer Models via Dehydrogenative Polymerization of Coniferyl Alcohol and Syringyl Alcohol via Several Plant Peroxidases Involved in Lignification and Analysis of the Resulting DHPs by MALDI-TOF Analysis. Holzforschung, 2018, vol. 72, iss. 4, pp. 267–274. DOI: https://doi.org/10.1515/hf-2017-0125
22. Taylor E.L., Blazier M., Gordon Holley A. New Pine Planting Strategies for the Western Gulf States. National Proceedings: Forest and Conservation Nursery Associations – 2006. USDA Forest Service Proceedings RMRS-P-50. Fort Collins, CO, USDA, 2007, pp. 104–109.
23. Vanholme R., Demedts B., Morreel K., Ralph J., Boerjan W. Lignin Biosynthesis and Structure. Plant Physiology, 2010, vol. 153, iss. 3, pр. 895–905. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.110.155119
24. Vogt T. Phenylpropanoid Biosynthesis. Molecular Plant, 2010, vol. 3, iss. 1, pp. 2–20. DOI: https://doi.org/10.1093/mp/ssp106
25. Waterman P.G., Mole S. Analysis of Phenolic Plant Metabolites. London, Blackwell Scientific Publications, 1994. 238 р.
26. Weng J.-K., Chapple C. The Origin and Evolution of Lignin Biosynthesis. New Phytologist, 2010, vol. 187, iss. 2, pp. 273–285. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2010.03327.x