CC BY
241.VII. 1975 (К); Усть-Мая, 2.VII. 1969; с. Троицкое в 8 км от Усть-Маи, 24.VI. 1976 (Баг); р. Алдан 20 км вверх от Усть-Маи, 30.VI. 1976. В: хр. Сунтар-Хаята, р. Атмооле, правый приток р. Восточной Хандыги, 24.VI.1991 (Сивцев), 24-25.VI. 1991 (К), верховья р. Восточной Хандыги, 25.VI. 1991 (В); р. Кюрбслях, правый приток р. Восточной Хандыги, 19.VI. 1991 (К). Всего 213 экз.
Arge zhelochovtsevi Stroganova, 1967. Восточносибирский. Впервые указывается для фауны Якутии.
Мат.: Ц: Октемцы, 50 км ЮЮЗ Якутска, 7.VI.1976(K), 1 экз.
Литература
1. Каймук Е.Л. Материалы ио фауне пилильщиков (Hymenoptera, Tenlhredinoidea) Южной Якутии // Фауна и экология насекомых Якутии. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1972. - С. 71-90.
2. Каймук Е.Л. Заметки по ландшафтно-биотопическому распределению пилильщиков Южной Якутии // Фаунистические ресурсы Якутии. -Якугск: ЯФ СО АН СССР, 1974. - С. 120-124.
3. Гуссаковский В. В. Рогохвосты и пилильщики // Фауна СССР. Насекомые перепончатокрылые. - T.II, вып.1. - M.; Л.: Изд-во АН СССР, 1935.-284 с.
4. Петренко Е.С. Насекомые - вреди гели лесов Якутии. - М.: Наука, 1965. - 167 с.
5. Строганова В.К., Василенко C.B. К фауне пилильщиков (Hymenoptera, Symphyta) Якутии. Сообщение 1 // Членистоногие и гельминты. - Новосибирск: Наука, 1990. - С. 71-75.
6. Желоховцев А.Н., Зиновьев А.Г. Список пилильщиков и рогохвостов (Hymenoptera, Symphyta) фауны России и сопредельных территорий // Энтомологическое обозрение. - 1995. - Т. 74, вып. 2. - С. 395—415.
7. Каймук Е.Л., Попов A.A. Энтомофауна культурных и дикорастущих ягодных окрестностей Якутска // Энтомологические исследования в Якутии. - Якутск, 2003.-С. 162-170.
8. Viitasaari M. Sahapistiäiset 5. Argidae, Blasti-cotomidae ja Cimbicidae. - Helsinki, 1990. - 80 s.
9. Винокуров H.H. Насекомые полужесткокрылые (Heteroptera) Якутии. - Л.: Наука, 1979. - 232 с.
10. Желоховцев А.Н. Подотряд Symphyta (Chalas-trogastra) II Определитель насекомых Европейской части СССР. - Т.Ш. Перепончатокрылые. - Ч. 6. - Л.: Наука, 1988. - 272 с.
УДК 581.543.6 : 577.175.152
Адаптивные изменения состава фотосинтетических пигментов хвои Pinus sylvestris L. при понижении температуры*
В.Е. Софронова, В.А. Чепалов
Обсуждаются особенности адаптивных изменений состава фотосинтетических пигментов хвои Pinus sylvestris L. при понижении температуры в осенний период. Каротиноидные пигменты, по всей видимости, наряду с белками холодового шока являются элементами термогенеза в вечнозеленых хвойных растениях. Показано, что в процессе закаливания они участвуют в реорганизации структуры светособирающих комплексов фотосинтетического аппарата (ССК ФСА). Предполагается, что «осенний» ССК ФСА более эффективно переводит энергию квантов света в теплоту, продлевая сроки функционирования мерцающего фотосинтеза, что дает возможность сосне завершить процессы закаливания и достичь физиологического состояния морозоустойчивости.
The paper discusses some peculiarities of adaptive changes in photosynthetic pigments composition of needles of Pinus sylvestris L. at temperature decrease in the autumn period. Carotenoid pigments along with cold shock proteins are possibly elements of thermogenesis in evergreen conifers. It is shown that during cold-hardening acclimation the pigments participate in reorganization of light-harvesting complexes of the photosynthetic apparatus (LHC PA). It is supposed that "autumn "
LHC PA transfers light quantum energy into heal more СОФРОНОВА Валентина Егоровна - к.х.н., с.н.с. effectively prolonging "flickering" photosynthesis that
ИБПК CO РАН; ЧЕПАЛОВ Валентин Азотович -н.с. ,, . , . . . •
ИБПК СО РАН allows pine to complete cold-hardening processes and to
, -„„, reach physiological state of frost resistance.
*Статья принята к печати 17 ноября 2006 i. ' ' ° J
Введение
Одним из информативных параметров, характеризующих фотосинтетическую активность (ФСА), является пигментный состав. Роль каро-тиноидов в процессах, имеющих прямые и косвенные связи с фотосинтезом, а также с устойчивостью ФСА в широком диапазоне световых и температурных условий многогранна [1-4]. Вечнозеленые растения испытывают сезонные изменения в уровне содержания фотосинтетических пигментов, которые напрямую связаны с адаптивными процессами к изменяющимся условиям среды [4-7]. При этом каротиноиды (разнообразная группа желтых, оранжевых и красных пигментов) играют важную роль как фотопротекторные агенты и стабилизаторы липидной фазы тилакоидных мембран [8]. Изучение содержания каротина в хвойных растениях Якутии было проведено в 1950-е гг. А.Д. Егоровым |9]. Однако систематические исследования пигментов ФСА хвойных древесных растений криоли-тозоны в эколого-физиологичсском аспекте с привлечением современных теоретических представлений еще не проводились. Нами проведено определение вариабельности состава пигментов ФСА сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) во второй половине вегетации (13.07.-24.08.); в период закаливания и в зимний период (с 25.08.06 по 20.12.06 г.). В данной работе мы попытались оценить изменения количественного и качественного состава фотосинтетических пигментов хвои в процессе адаптации к снижению температурных условий произрастания.
Материал и методика
Пробы второго года хвои отбирали у сосен 30-40-летнего возраста, произ-растающих на территории Ботанического сада ИБГ1К ä к» СО РАН, расположенного в окрестностях г. Якутска. ? °во Сбор полевых материалов осуществляли на постоянных пробных площадях. j ою Периодичность отбора проб для анализа составля- °*>
ла 7-10 дней.
Количественное опредс- ос°
ление хлорофилла а и b проводили в 80%-ном ацетоновом экстракте [101- Качественный и количественный состав каротиноидов анализировали
методом ТСХ. Суммарный ацетоновый экстракт пигментов (навеска хвои 30-35 мг) наносили на пластинку 8огЬА1 ПТСХ-АФ-В-УФ (10x10 см, Россия). Для хроматографии использовали системы растворителей: бензол-ацетон (7:3) для разделения ксантофиллов, далее этанол-бензол-ацетон-петролейный эфир (0,3:1:2:6,7) для отделения а- и р-каротинов от хлорофилловых пигментов. Элюаты каротинов в хлороформе, ксантофиллов в этаноле идентифицировали по спектрам поглощения, регистрированным на спектрофотометре БЫтас^и иУ-240 (Япония). Количественное содержание каждого из пигментов, выделенного методом ТСХ, рассчитывали по основному максимуму поглощения: р-каротина при 464 им, лютеина - 446 нм, виолак-сантина - 442 нм, неоксантина - 438 нм, используя удельные коэффициенты экстинкции [11, 12]. Определения проводили в опытах, каждый из которых состоял из трех параллельных биологических повторностей. В таблицах и рисунках приведены средние арифметические значения со стандартными отклонениями.
Температуру воздуха регистрировали с помощью термографа ОБ 1922Ь (США). Интервал между измерениями 1 ч. Точность измерения ± 0,5 °С.
Результаты и обсуждение
Осенью в процессе закаливания содержание хлорофилловых пигментов в хвое сосны снижается. После установления устойчивых отрицательных температур воздуха зеленые пигменты сохраняются практически на постоянном уровне (рис.1, 2).
Рис.1. Динамика содержания хлорофилловых пигментов в хвое сосны обыкновенной. 1. 2. 3 - содержание хлорофилла а. Ь и их суммы
....... 1 — ■ ■ - — 2-*-3
Рис. 2. Ход среднесуточной температуры в осенне-зимний период 2006 г. 1, 2. 3 - максимальная, средняя и минимальная суточная температура соответственно
В табл. 1 и 2 представлены данные, иллюстрирующие каротиноидный состав хвои сосны.
Динамика содержания индивид
Большую долю в сумме каротиноидов составляли лютеин, затем Р-каротин. в меньших количествах содержались внолаксантин и нсоксантин. Во второй половине вегетации, особенно к концу августа, наблюдаются подъем концентрации Р-каротина. виолаксантина, неоксантина и некото-рос снижение лютеина по сравнению с первой половиной лета. Уровень каротина 103,8 ± 12,7 мкг/г сухой массы сопоставим с данными Егорова [9], по которым, пределы колебаний в содержании каротина в хвое сосны составляли 105-165 мкг/г сухой массы в конце цветения.
Одной из основных кратковременных реакций в период вегетации является быстрый контроль над интенсивностью потока электронов в фото-синтетических мембранах, так как его излишняя интенсивность привела бы к необратимой структурной деградации ФСА.
Таблица 1
|ых каротиноидов в хвое сосны
Дата Каротиноиды. мкг/г
нсоксантин внолаксантин лютеин + зсаксантнн р-каротин
мкг/г" % мкг/г % мкг/г % мкг/г %
с 13.07.06 по 02.09.06 20,1 ±2,1 14.6 20,5 ± 2,9 14.7 53,1 ±5,0 38.0 44.6 ±5.4 32.8
08 09.06 20,6 ± 1.0 13,4 25.6 ± 1.7 16.6 62.1 ±,1,9 40.3 45.9 ± 2.2 29.8
14.09.06 38,5 ± 4,2 16.9 42.3 ±1,1 18.6 80.1 ±4.5 35.2 66.9 ± 7,5 29,4
21.09.06 23,6 ± 0.9 14.7 26.6 ± 1.1 16.6 78,7 ±2.1 49.1 31.2 ±3.0 19.5
28.09.06 20.9 ± 1.5 12.3 25.3 ± 1.9 14.8 93.9 ± 1,8 55.0 30,8 ± 3.3 18,0
05.10.06 23.4 ± 0.9 12,1 19.8 ± 0.5 10,2 110.1 ± 1,7 57,1 39.7 ± 0.9 20.6
12.10.06 22.5 ± 1.6 11,6 21,1 ± 1.3 10.8 II 8.8 ±7.2 60.9 32.6 ± 1.6 16,7
24.10.06 24.6 ± 2.2 12.1 19,3 ±2.2 9.5 121,0 ±2,9 59,8 37,6 ± 1,5 18,6
02.11.06 28,7 ± 0.5 15.0 19,8 ±0.5 10.3 119.0 ±0.5 62,2 24.0 ±0.5 12.5
14.11.06 26,4 ± 0.7 14.7 12,4 ± 1.6 6.9 117,0 ±2.0 65,2 23.5 ± 2.2 13.1
01.12.06 20.7 ±1,1 13.7 12.6 ± 1,9 8.3 100.7 ± 1,8 66,4 17.6 ± 1.6 11.6
20.12.06 22.5 ± 0,9 13.5 13.6 ±0,5 8.1 109.5 ± 1.9 65.4 21.8 ±2,2 13.0
12.01.07 17.5 ±2.0 10.8 8.7 ± 0.9 5,4 103.5 ± 1,8 63,9 32.2 ±3,1 19,9
Примечание, а - содержание в сырой массе: % - дочя от суммы каротиноидных пигментов.
По современным представлениям этот контроль реализуется через нефотохимичсскос тушение возбужденных состояний хлорофилла в антенне ФС2, которое тесно связано с функционированием виолаксантинового цикла - ВЦ [4]. В кратковременных реакциях участвует и р-каротин, функция которого сводится к защите реакционного центра (РЦ) ФС2 от фотоповреждений [13). Таким образом, во второй половине вегетации происходит рост уровня тех пиг ментов (виолаксантина, Р-каротина), которые кроме антенной выполняют и динамичные по времени фотопротскторные защитные функции. В Центральной Якутии сезонный максимум фотосин-
тстичсской деятельности сосны приходится на июнь-июль [14, 15] и по времени не совпадает с максимальным накоплением вышеназванных пигментов (рис. 3).
Прекращение ростовых процессов и вхождение в состояние глубокого физиологического покоя древесно-кустарниковой растительности криолитозоны с резким снижением их фотосинтетической активности приходятся на конец августа - начало сентября [14]. По средним многолетним данным, период с температурами, оптимальными для протекания первой фазы закаливания, приходится на И-У пентады сентября.
Таблица 2
Динамика содержания суммы каротиноидов и взаимные соотношении пигментов в хвое сосны
Дата Каротинонды. мкг/г сырой массы % каротиноидов, содержащих гидрокси-иэпоксигруппы
Сумма каротиноидов Сумма ксантофиллов
с 13 07 по 02 09 136,1 ±4.8" 91.5 ±4.8 67.2
08 09 06 154.1 ± 1.1 108,2 ± 1,1 70,2
14 09 06 227.8 ± 9.5 160,8 ±9,5 70.6
21 09 06 160.1 ±2.4 128.9 ±2.4 80.5
28 09 06 170.9 ± 1,3 140.1 ± 1.3 82.0
05 10 06 193.0 ± 1,2 153,3 ± 1,2 79.4
12 10 06 195.1 ±7.0 162.4 ±7.0 83.2
24 10 06 202.4 ± 3.0 164.8 ±3.0 81.4
02 11 06 191.3 ±0.5 167.4 ±0.5 87.5
14 11 06 179.2 ±3.7 155.8 ± 3.7 86.9
01 1206 151.7 ±4.5 134.1 ±4.5 88,4
20 12 06 167,5 ±2.1 145.6 + 2.1 86.9
12 01 07 162,0 + 3.1 129.8 ±3.1 80.1
- нсоксантим •
-вислаксантмн '
с 13? по 2 9
14 9 219
5 10 12 10 24 10 2 11
Рис. 3. Динамика содержания каротинокдных пигментов хвои Pinns sylvestris L
В осенний период, начиная с последней пен-тады августа до конца первой декады октября, происходило постепенное увеличение концентрации лютеина от 53,1 ±5,5 до 118.8±7,2 мкг/г сырой массы (рис. 3) Со второй декады октября его рост прекращался (табл.1) Показана линейная зависимость содержания лютеина (СЛЮ1, мкг/г сухой массы) в хвое сосны от минимальной суточной минимальной температуры окружающего воздуха в диапазоне 1 ()— 15 °С, которая описывается формулой СЛЮ1 = -4,43Т+177,9, R:= 0,9601 (рис. 4).
Несколько иная динамика наблюдалась для ß-каротина. До середины сентября его долевое содержание (29,4 %) оставалось неизменным (табл 1) по сравнению с началом сентября. В указанный период температурные условия произрастания существенно не менялись. К концу второй декады сентября уровень ß-каротина снижался с 45,9±2,2 до 31,2±3,0 мкг/i. В этот
1 12 2012 дата
Я »•
Продолжительность периода со слабыми (до -5°С) и умеренными (до -10... - 15 °С) морозами, подходящими для прохождения второй фазы закаливания, составляет около 30 дней 116-19]. В этот период вечнозеленые растения криолитозоны должны обладать определенной пластичностью структуры и функций ФСЛ, способствующей развитию их морозостойкости. По нашим данным, перестройка ФСЛ наблюдается и на уровне фотосинтетических пигментов.
, 4 4328* . 177 9 R* - 0 9601
минимальней су'онная (емлература вошука
Рис. 4. Влияние минимальной суточной температуры воздуха на содержание лютеина в хвое в период закаливания
период на поверхности почвы уже отмечались ночные заморозки Резкое падение Р-каротина (до 23,9 мкг/г) наблюдалось при падении среднесуточной температуры воздуха до -15 -17 °С к началу ноября.
Процесс постепенного уменьшения содержания виолаксантина (с 26,6 ±1,1 до 19,3 ± 2,3 мкг/г) начинается на три недели раньше - в первой пентаде октября (табл.1). В это же время происходит переход среднесуточной температуры воздуха через О °С и, по-видимому, мерцающий фотосинтез со слабой интенсивностью кратковременно происходил лишь в дневные часы (рис. 2). Суммарное содержание каротиноидных пигментов достигало максимальных значений (202,4±2,2 мкг/г сырой массы) к концу второй декады октября, когда минимальные, средние, максимальные суточные температуры воздуха в среднем были равны -14, -7, -2 °С соответственно. В целом рост содержания каротиноидных пигментов составил 48,7 % по сравнению с августовским показателем. С установлением устойчивых отрицательных температур с середины октября отмечалось резкое снижение содержания виолаксантина в 2-2,5 раза, что связано с полным прекращением фотосинтеза. Напротив, несмотря на нарастание низких температур воздуха до -35...-45 °С, падение лютеина и Р-каротина, нсоксан-тина в ноябре-декабре было , незначительным (на 10-15 %). В зимнее время (с начала нояб- > ря по январь) содержание хлорофилловых. пигментов и их 1 взаимные соотношения остава- | лись относительно стабильны- I ми. Характерно, что в период Ц зимнего покоя виолаксантин | обнаружен в малых количествах - 8,7-13,6 мкг/г сырой массы. Для сравнения отметим, что вне зоны вечной мерзлоты,
по данным работы [20], в хвое «-о I--■------
кедра сибирского зимой в Алтае содержание виолаксантина достигало 35-65 мкг/г сырой массы.
Таким образом, при прохождении первой фазы закаливания при низких положительных температурах мы наблюдали сопоставимые с периодом активной вегетации концентрации виолаксантина и Р-каротина, а также непрерывный рост содержания лютеина при прохождении как первой, так и второй фаз закаливания. По-видимому, при сочетании пониженных температур и достаточного освещения виолаксантин и Р-каротин. кроме антенной, выполняют и динамичные по времени фотопротекторные защитные функции ФСА. Рост лютеина в холодное время года хорошо согласуется с литературными данными и
объясняется его усиленным синтезом из а-каротина [5, 7]. В условиях криолитозоны люте-ин возрастает гораздо резче - примерно на 80 % относительно летнего уровня. В умеренном климате этот показатель равен 20-40 %. Мы также предполагаем, что во фракции лютеина может быть его изомер зсаксантин, образующийся из виолаксантина в виолаксантиновом цикле (ВЦ). Перестройки на уровне пигментных комплексов в период закаливания наряду с изменением количественных и качественных показателей пигментов включают и структурную реорганизацию ССК ФСА [7]. Процесс сопровождается уменьшением содержания хлорофиллов и увеличением содержания ксантофиллов. Это хорошо иллюстрируется нашими данными. Общее содержание каротиноидов, содержащих гидрокси-и эпокси-группы, в процессе закаливания непрерывно растет с 67,2 до 88,9 %. Уже к середине сентября соотношение хлорофиллы/ксанто-филлы падает с 11,8 до 8, а к началу второй декады октября - до 4,8 (рис. 5).
Рнс. 5. Соотношения фотосинтетичсских пигментов в хвое сосны в осенне-зимний период. 1 и 2 - соотношение хлоро-филлы/ ксантофиллы и хлорофиллы/каротиноиды соответственно
Это происходило как за счет роста содержания лютеина, так и снижения содержания хлорофиллов с 1,27 до 0,94 мг/г. Каротиноиды, по-видимому, наряду с белками холодового шока [21] являются элементами термогенеза в хвое вечнозеленых. В состав осеннего хлорофилл-ксантофиллового комплекса активно, по всей вероятности, включается не только лютеин, но и его изомер зсаксантин. Мы предполагаем, что этот комплекс в ССК ФСА более активно пере-
водит энергию квантов света 'в теплоту, продлевая сроки функционирования мерцающего фотосинтеза, что дает возможность сосне завершить процессы закаливания [5, 7] и достичь физиологического состояния морозоустойчивости. Существует мнение [22], что в процессе холодовой адаптации ВЦ превращается из кратковременного и динамичного защитного механизма в долговременный, действующий вплоть до прекращения фотосинтеза.
Авторы приносят благодарность доктору биологических наук К.А. Петрову за поддержку в проведении данного исследования.
Литература
1. Маслова Т.Г., Попова И.А., Корнюшенко Г.А., Королева О.Я. Развитие представлений о функциях виолаксантинового цикла в фотосинтезе // Физиология растений. - 1996. - Т. 43, № 3. - С. 437^49.
2. Бухое Н.Г. Динамическая световая регуляция фотосинтеза // Физиология растений. - 2004. - Т. 51, №6.-С. 825-837.
3. Goodwin T.W. Plant Carotenoid Research 1945-1985 // J.Plant Physiol. - 1994. - V. 143, № 4-5. - P. 440-443.
4. Demmig-Adams В., Gilmore A.M.. Adams W.W. In vivo functions of carotenoids in plants // FASEB J. -1996.-V. 10.-P. 404-412.
5. Adams W.W. III., Demmig-Adams B. Carotenoid composition and down' regulation of photosystem II in three conifer species during winter // Physiol. Plant. -1994. - V. 92, № 3. - P. 451-458.
6- Vogg G., Heim /?., Hansen J.. Scliafe, С., Beck E. Frost hardening and photosynthetic performance of Scots pine (Pinus sylveslris L.) needles. Seasonal changes in the photosynthetic apparatus and its function // Planta. -1998. - V. 204, № 2. - P. 193-200.
7. Ottander C., Campbell D., Oquist G. Seasonal changes in photosystem II organization and pigment composition in Pinus sylvestris II Planta. - 1995. - V. 197.-P. 176-183.
8. Havaiix M. Carotenoids as membrane stabilizers in chloroplusts//Trends Plant. Sci. - 1998. - V. 3, №4. - P. 147-150.
9. Егоров А.Д. Витамин С и каротин в растительности Якутии. - М.: Изд-во АН СССР, 1954. - 248 с.
10. Гавриленко В.Ф., Ладыгина М.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. -М.: Высшая школа, 1975. - 392 с.
11. Сахарова О.В. Определение пигментов в пластидах зеленых растений // Методы комплексного изучения фотосинтеза. - Л.: Наука, 1969. - С. 165-180.
12. Lichienhaller Н.К., Wellburn А.К. Determination of total carotenoids and chlorophyll a and b of leaf extracts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. - 1983. -V. 11.-P. 591-592.
13. Tejler A., Dhami S.. Bishop S.M. etc. P-Carotene quenches singlet oxygen formed by isolated photosystem II reaction centers // Biochemistry. - 1994. - V. 33. - P. 14469-14474.
14. Максимов T.X., Максимов А.П., Кононов А.В. и др. Эколого-физиологические особенности фотосинтеза лиственницы Каяндера в криолитозоне // Лесоведение. - 2005. - № 6. - С. 3-10.
15. Maximov T.Ch., Kononov A.V., Koike Т. Photosynthetic activity of woody plants in Yakutia // Proc. Symp.Joint Permafrost Studies between Japan and Russia in 1992-1994. - Yakutsk, 1995. - P. 24-30.
16. Перк А.Я. О диагностике растений на морозоустойчивость // Почвенные и ботанические исследования в Якутии. - Якутск: Кн. изд-во, 1972. - С. 184-191.
17. Перк А.Я., Коробкова Т.С. Эколого-физиологические особенности черной смородины в периоды роста и покоя в связи с морозоустойчивостью при выращивании в Центральной Якутии // Интродукци-онные исследования растений в Якутии: Сб. науч. тр. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987. - С. 52-64.
18. Петров К.А. у-ингибитор в почках субарктического ольховника // Сибирский экологический журнал. - 1998. - Т. 5, № 3-4. - С. 285-289.
19. Петров К.А. Природные регуляторы роста растений криолитозоны: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. - Иркутск, 2001.
20. Зотикова А.П., Воробьева И.А., Соболевская Ю.С. Динамика содержания и роль каротиноидов хвои кедра сибирского в высокогорье // Вестник Башкирского университета. - 2001. - № 2 (II). - С. 67-69.
21. Колесниченко А.В., Войников В.К. Белки низкотемпературного стресса растений. - Иркутск: Арт-Пресс, 2003. - 196 с.
22. Oquist G., Huner N.P. Photosynthesis of overwintering evergreen plants // Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol. - 2003. - V. 54. - P. 329-355.
