Оптимальная температура для весеннего отрастания побегов Populus nigra L. на Севере Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК582.681.81-144:581.543.2 (1-924.82)

ОПТИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ДЛЯ ВЕСЕННЕГО ОТРАСТАНИЯ ПОБЕГОВ POPULUS NIGRA L. НА СЕВЕРЕ

© 2012 Р.В. Малышев

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар

Поступила в редакцию 04.05.2012

Проведено изучение температурной зависимости метаболизма (дыхания и тепловыделения) развернувшихся вегетативных почек деревьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающих в парковой зоне г. Сыктывкара. Показано, что оптимальная температура для роста побегов данного вида составляет около 10оС, что близко к средней многолетней температуре в период активного отрастания побегов и свидетельствует о высокой степени адаптации метаболизма тополя черного к климатическим условиям подзоны средней тайги.

Ключевые слова: Populus nigra, почки, скорость роста, температура

Виды рода Populus (сем. Salicaceae) отличаются быстрым ростом и экологической пластичностью, что позволяет широко использовать их для создания лесозащитных полос, в рекреационных насаждениях и при озеленении городских ландшафтов [1, 2]. Некоторые виды Populus L. служат ценным источником для получения лекарственных препаратов, обладающих антимикробным и противогрибковым действием [3]. Положительным качеством ивовых и, в частности, представителей рода тополь, является их способность легко размножаться отпрысками, отводками и черенками. В последнее время интерес к этим растениям возрос в связи с поиском быстро возобновляемых альтернативных источников энергии [4, 5]. В парковой зоне г. Сыктывкара, а также вдоль городских магистралей и улиц произрастает Populus nigra L. (тополь черный). На территории Республики Коми это дерево высотой до 35 м с мощной кроной и тёмно-серой, почти чёрной, трещиноватой корой встречается в небольшом количестве только в устье р. Сысола и вдоль р. Вычегда [6]. В большей степени ареал данного вида приурочен к черноземной зоне европейской части России, Западной и Восточной Сибири, Кавказу [7].

Для эффективного использования ресурсов полезных растений необходимо более полное изучение их эколого-биологических свойств. В условиях европейского северо-востока России основным фактором, контролирующим рост и развитие растений, является недостаток тепла. Поэтому при интродукции

Малышев Руслан Владимирович, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории экологической физиологии растений. E-mail: mal-rus@ib.komisc.ru

на Севере, в первую очередь, необходимо оценить способность растений расти при пониженных температурах.

Цель работы: изучить температурную зависимость и определить зону температурного оптимума роста для побегов Populus nigra L. на этапе ранневесеннего отрастания в условиях подзоны средней тайги европейского Северо-Востока.

Материал и методы. Объектом исследования служили раскрывшиеся вегетативные почки (без почечных чешуй), которые отбирали с 4-5 взрослых деревьев тополя черного в парковой зоне г. Сыктывкара (61.6° с.ш., 50.8° в.д.). Сбор материала проводили в первой декаде мая 2008 г., непосредственно перед началом опытов. Средняя за декаду температура составляла +4.6 °С, минимальная равнялась -6°С, а максимальная +18°С. Для изучения температурной зависимости роста побегов использовали модель, предложенную Л.Д. Хансеном с соавт. (1996). Ранее эта модель была успешно апробирована нами на двух видах сирени [8]. Модель связывает скорость роста с дыханием и тепловыделением: AHbRsg= 455 Rco2 - q, где AHBRSG - скорость роста или количество запасенной энергии (мкВт/мг сухой массы); Rco2 - дыхание (нмоль/мг сухой массы с); q -тепловыделение или количество дисси-пируемой энергии при окислении дыхательного субстрата (мкВт/мг сухой массы); 455 - коэффициент, показывающий изменение энтальпии окисляемых органических соединений в расчете на моль потребленного в дыхании О2 (мкВт/пмоль); 455Rco2 - количество образуемой в дыхании энергии (мкВт/мг сухой массы).

Метаболическое тепловыделение и дыхание почек тополя определяли с помощью

2260

Биологические ресурсы: флора

изотермического калориметра Биотест-2 (ИБП, г. Пущино, Россия) в диапазоне температуры 5-25°С с шагом 5°С. Выделение метаболического тепла (^ измеряли методом прямого ка-лориметрирования. Интенсивность дыхания ^со2) определяли по тепловому эффекту реакции выделяемого образцом СО2 с 0.4 М раствором №ОН. Измерения при каждой температуре продолжительностью около 1,5 ч проводили на свежих образцах в 8-14 биологических повторностях.

Результаты и их обсуждение. Центральным звеном массо- и энергообмена является дыхание, которое служит основным

поставщиком необходимых для роста АТФ и метаболитов. Высокая дыхательная активность молодых органов и тканей обусловлена их ростовыми потребностями [9]. Часть извлекаемой из дыхательного субстрата энергии неизбежно рассеивается в окружающую среду в виде тепла. В наших опытах было установлено, что на начальном этапе внепочечного роста скорость дыхания молодых побегов тополя возрастала с повышением температуры от 5 до 25°С в 4 раза: от 0,013 до 0,05 нмоль/мг (рис. 1а). Скорость тепловыделения изменялась более значительно, почти в 15 раз, достигая 17 мкВт/ мг при 20°С (рис. 1б).

0.06

0.04

0.02

25 20 15 10 5 0

1.6

1.2

0.8

0.4

0

10 15 20 25

5 10 15 20 25

10 15 20 25

Рис. 1. Дыхание (а), тепловыделение (б) и их соотношение (в) при разной температуре у побегов Populus nigra в период весеннего отрастания. По оси абсцисс - температура, оС; по оси ординат -дыхание, нмоль/мг сухой массы с; тепловыделение, мкВт/мг сухой массы

Следует отметить, что степень активации дыхания при повышении температуры на 10°С была неодинаковой на разных участках температурной шкалы. Так, повышение температуры от 5 до 15°С приводило к усилению дыхания более чем в 2 раза, тогда как повышение температуры от 15 до 25°С усиливало дыхание примерно в 1,5 раза (табл. 1). Такая же закономерность была отмечена для тепловыделения почек за тем исключением, что процесс тепловыделения сильнее реагировал на температуру.

Таблица 1. Коэффициент Qi0 дыхания и тепловыделения побегов Populus nigra

Различия в реакции тепловыделения и дыхания на повышение температуры свидетельствуют об изменении доли диссипируемой энергии от количества энергии, образуемой в процессе дыхания. Анализ данных выявил, что температурная зависимость соотношения выделяемой побегами в форме тепла и образуемой в

дыхании энергии носит 8-образный характер (рис. 1в). В области 5-10°С величина соотношения достоверно не изменялась, но сильно (в 5 раз) повышалась при увеличении температуры от 10 до 20°С.

Если рассматривать рост как запасание энергии [10], то скорость роста будет тем выше, чем дыхание больше тепловыделения. Как видно из табл. 2, в исследуемом температурном диапазоне разница между этими показателями была положительной и варьировала в пределах 4-8 мкВт/мг. Абсолютная скорость роста была наибольшей при 10-15°С, а соотношение произведенной и запасенной энергии при 5-10°С. Следовательно, температура 10°С является оптимальной для поддержания высокой скорости и эффективности запасания энергии.

Сравнение тополя черного с исследованными нами ранее двумя видами сиреней [8] показывает, что по абсолютной скорости роста отрастающие весной побеги тополя сходны с сиренью венгерской, но уступают сирени обыкновенной. При этом оптимальная температура для роста побегов тополя ниже, чем у сирени венгерской и сирени обыкновенной на 5 и 10оС соответственно.

Процесс Q 5-15 Q 10-20 Q 15-25

дыхание 2,3 1,7 1,6

тепловыделение 4,9 8,0 2,3

2261

Таблица 2. Количество энергии, образуемой при дыхании и запасаемой в росте побегов Populus nigra при разной температуре

Энергия, мкВт/мг сухой массы Температура, оС

5 10 15 20 25

образуемая 5,9±0,4 10,5±1,1 13,7±1,3 18,2±4,5 22,8±1,3

запасаемая 4,6±0,9 8,3±1,5 7,3±0,9 3,7±4,9 7,7±2,1

Выводы: изучение температурной зависимости показателей метаболизма - дыхания и тепловыделения развернувшихся вегетативных почек тополя черного (Populus nigra) показало, что оптимальная температура для весеннего отрастания побегов данного вида составляет около 10оС. Абсолютная скорость роста была наибольшей в диапазоне температуры 10-15 оС, что близко к средней многолетней температуре в период активного отрастания побегов и свидетельствует о высокой степени адаптации метаболизма тополя черного к климатическим условиям произрастания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Кулагин, А.А. Особенности развития тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в условиях загрязнения окружающей среды металлами // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2003. Т. 5. №2. С. 334-341.

2. Бакулин, В.Т. Селекция тополя в Сибири // Лесное хозяйство. 2006. № 6. С. 40-41.

3. Браславский, В.Б. Антимикробная активность экстрактов и эфирных масел почек некоторых видов Populus L. / В.Б. Браславский, В.А. Куркин,

И.П. Жданов // Растительные ресурсы. 1991. Т. 27, вып. 2. С. 77-81.

4. Duff, S.J.B. Bioconversion of forest products industry waste cellulosics to fuel ethanol / S.J.B. Duff, W.D. Murray // A review bioresour. technol. 1996. Vol. 55. P. 1-33.

5. Leland, J.C. Plants as Sources of Energy / J.C. Le-land, K.P. Gopi, A. Kirakosyan, P.B. Kaufman // Recent advances in plant biotechnology. - New-York, 2009. P. 163-213.

6. Флора северо-востока европейской части СССР/ Под. ред. А.И. Толмачева. - Л.: 1976. Т.II. 316 с.

7. Ботанический атлас / Под. ред. Б.К. Шишкина. -М.-Л.: 1963. 500 c.

8. Малышев, Р.В. Рост и устойчивость Syringa vul-garis L. и Syringa josikaea Jacq. в условиях таежной зоны Республики Коми / Р.В. Малышев, Л.А. Скупченко, Т.К. Головко // Растительные ресурсы. 2009. Вып. 3. С. 44-50.

9. Головко, Т.К. Дыхание растений (физиологические аспекты). СПб., 1999. 204 с.

10. Хансен, Л.Д. Связь между ростом растения и дыханием: экологические аспекты и отбор лучших сортов культурных растений / Л.Д. Хансен, Д.С. Тейлор, Б.Н. Смит, Р.С. Кридл // Физиология растений. 1996. Т. 43, № 6. С. 805-812.

OPTIMAL TEMPERATURE FOR THE SPRING GROWTH OF POPULUS NIGRA L. SHOOTS IN THE NORTH

© 2012 R.V. Malyshev Institute of Biology Komi Scitntific Center UrB RAS, Syktyvkar

Studying of temperature dependence of vegetative buds metabolism (respiration and thermal emission) of poplar black trees(Populus nigra L.), growing in a park zone of Syktyvkar. It is shown that the optimal temperature for shoots height of this type makes near 10oC that is close to average long-term temperature in the period of shoots active growth and testifies to high extent of adaptation of metabolism at poplar black to climatic conditions of middle taiga subzone.

Key words: Populus nigra, buds, growth rate, temperature

Ruslan Malyshev, Candidate of Biology, Research Fellow at the Laboratory of Ecological Physiology of Plants. E-mail: malrus@ib.komisc. ru

2262