Аллелопатический режим фитогенного поля спиреи ниппонской ( spiraea nipponica Maxim. ) Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 581.5+581.1+581.6+631.4

АЛЛЕЛОПАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ФИТОГЕННОГО ПОЛЯ СПИРЕИ НИППОНСКОЙ (SPIRAEA NIPPONICA MAXIM.)

© Е.В. Черняева, В.П. Викторов

Ключевые слова: фитогенное поле; напочвенный покров; фенольные кислоты; фитометр; биопробы.

В пробах почвы из фитогенного поля и в листьях Spiraea nipponica обнаружены аллелопатические вещества, ингибирующие рост тест-культур in vitro и in situ. Методом ТСХ в экстракте листьев идентифицированы фенольные кислоты. Обсуждается влияние листовых выделений кустарника на рост напочвенного покрова.

ВВЕДЕНИЕ

Представители рода спирея широко используются в озеленении как красивоцветущие и декоративнолиственные кустарники. Присутствие фенолкарбоно-вых кислот в составе водных и этанольных экстрактов листьев, соцветий, побегов у видов дальневосточного происхождения отмечено как один из таксоноспецифичных признаков спирей [1-2]. Оксикоричные кислоты известны как регуляторы роста растений, они вызывают различные ростовые реакции в зависимости от концентрации [3]. Вопрос участия эндогенных полифенолов в формировании аллелопатического режима фитогенного поля кустарников (ФП), рассматриваемого с позиции теории А.А. Уранова, остается невыясненным [4].

В современной концепции городского озеленения напочвенному покрову в виде газона, почвопокровных видов или разнотравья отводится важная санитарногигиеническая роль. В зеленых насаждениях, культур-ценозах, напочвенный покров может испытывать воздействие ФП кустарников [5]. В нашу задачу входило изучение аллелопатического режима ФП спиреи ниппонской и выяснение возможного влияния кустарника на напочвенный покров.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Природный ареал спиреи ниппонской ограничен территорией островов Японского архипелага. Культурный (интродукционный) ареал вида охватывает зоны умеренного климата Нового и Старого света. В России вид с 1882 г. культивируется по всей европейской части.

Для изучения фитогенного поля были отобраны 16 кустов спиреи отечественной репродукции возрастом 5-15 лет, произрастающие на 4-х площадках в Подмосковье.

Определение активности аллелопатических веществ в листьях, верхнем слое почвы подкроновой области и ризосфере кустарников проводили методом биопроб по А.М. Гродзинскому [6] на тест-культурах кресс-салата и редиса. Процент всхожести семян биотеста пересчитывали в условные кумариновые единицы (УКЕ) по шкале Гродзинского. Почвенные пробы отбирали в октябре по линии трансект, проведенных через центр кустов в направлении светового окна или

юга (рис. 1), после предварительного удаления подстилки с глубины 0-5 см. Расположение точек отбора проб относительно линии проекции кроны и основания кустов были неизменными, независимо от возраста и размера кустов.

Листья собирали в августе и октябре с 10 кустарников, из сборов формировали общий образец.

Биотестирование образцов почвы и листьев проводили по [7] с модификациями в стерильных условиях. В чашки Петри в слой 4 мм 0,5 % агара помещали навеску 2 г воздушно-сухой почвы проб № 4-7 или навеску в 0,5 г целых воздушно-сухих листьев. Затем поверх навески почвы или листьев заливали еще один слой агара высотой 4 мм. По поверхности застывшего агара раскладывали семена тест-культуры (кресс-салат) с равными промежутками в 8 рядов (рис. 2). Чашки Петри помещали в термостат с температурой 28 оС. Длину проростков измеряли на 4-й день. Опыт повторили в трех биологических и трех аналитических повторностях для каждого варианта (почва, листья).

Для тонкослойной хроматографии (ТСХ) этаноль-ные экстракты листьев и почвы получали по [8]. Разделение проводили на хроматографической бумаге “Watman” и пластинах “Silufol” в смеси растворителей бутанол - уксусная кислота - вода (БУВ) 4:1:2. Идентификацию фенолкарбоновых кислот проводили по [8].

Исследование ФП методом фитометра проводили с ноября 2011 г., когда в границах проекции кроны высеяли семена незабудки лесной (Myosotis sylvatica Ehrh. exHoffin.) в нескольких вариантах опыта.

Незабудка лесная - двулетнее или многолетнее лесное полурозеточное растение с коротким циклом развития. Выбор вида в качестве тест-культуры (фитометра) мотивирован его распространенностью в аборигенной флоре, лесным происхождением, быстрым ростом, высокой всхожестью семян, умеренной теневыносливостью (сциофит) и влаголюбием (мезофит).

Семена фитометра высевали в подкроновой области кустарников по схеме на рис. 1. В варианте А семена высеяли в контейнеры 12x12 см с почвой из подкроно-вого пространства кустарника. В варианте В семена высеяли на площадки 15x15 см, на которых почву на глубину 10 см заменяли на «нейтральную», с открытого места, взятую из верхнего слоя (0-10 см) в несколь ких метрах от массива кустарников. При замене почвы

1614

Рис. 1. Схема трансекты, порядковые номера проб почвы и расположение площадок с фитометром относительно линии проекции кроны кустарника

сохраняли неповрежденными живые корни кустарника. В варианте С семена высевали на площадки 15x15 см с естественной подстилкой и удаленным напочвенным покровом. Контролем служили контейнеры с «нейтральной» почвой и площадки с высеянными семенами, расположенные вне фитогенных полей кустарников на расстоянии 3-4 м от линии проекции кроны кустарника. Варианты опыта закладывали в трехкратной повторности. В каждой повторности опыта высевали по 47-50 семян (по 0,033 г). Всхожесть семян фитометра предварительно тестировали по ГОСТу (93 %).

В октябре 2012 г. фитометры выкопали, отмыли корни от почвы, очистили от инородных включений и измерили вес надземной и подземной частей. Анализ результатов проводили методами математической статистики.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Колины почвы ФП спиреи приводили к угнетению прорастания семян биотеста (редиса) на 45-55 %, что соответствует 100-120 УКЕ. На границе проекции кроны кустарника активность колинов значительно, в 3-4 раза, снижалась и затем приближалась к фоновой для почвы (11-16 УКЕ). Активность колинов в образцах почвы из ризосферы спиреи не превышала фоновых значений для почвы.

Навески почвы из проб с наибольшей активностью колинов в биотестах, помещенные в агар, содержали вещества, тормозящие рост тест-культуры в прямой зависимости от концентрации. Аналогичная зависимость от концентрации наблюдалась в вариантах опыта с листьями спиреи (рис. 4).

Рис. 2. Схема опыта в чашках Петри по влиянию аллелопати-ческих веществ листьев и почвы на рост проростков кресс-салата

1615

Таблица 1

Рис. 3. Активность колинов в почвенных пробах ФП спиреи

Рис. 4. Влияние колинов листьев и почвы из ФП спиреи на длину проростков кресс-салата в зависимости от концентрации действующего вещества

Рис. 5. Схема хроматограммы экстрактов листьев и вытяжек почвы ФП спиреи после обработки 5 % раствором хлорида железа

Определение состава оксикоричных кислот в эта-нольных экстрактах листьев и вытяжках почвы из ФП спиреи методом ТСХ обнаружило кофейную, хлорогеновую и п-кумаровую кислоты в листьях спиреи. В вытяжках почвы оксикоричные кислоты не обнаружены (рис. 5).

Вес надземной (Н) и подземной (П) частей фитометра по вариантам опыта

Варианты опыта Вес (г)

А Н 0,57 ± 0,12

П 0,31 ± 0,05

В Н 2,21 ± 0,08

П 0,95 ± 0,04

С Н 1,43 ± 0,19

П 0,71 ± 0,09

Контроль контейнер Н 0,94 ± 0,14

П 0,49 ± 0,05

Контроль Н 5,10 ± 0,47

П 2,29 ± 0,40

Примечание: А - контейнеры с почвой и подстилкой из фитогенного поля кустарника; В - площадки с заменой верхнего слоя почвы на «нейтральную»; С - площадки с почвой и подстилкой.

Во всех вариантах опыта с фитометром наблюдается угнетение растений в ФП спиреи (табл. 1). Наименьшее снижение веса надземной части фитометра обнаружено в варианте А в контейнере - на 40 % от контроля. Наибольшее снижение веса надземной части - на 72 %, обнаружено в варианте опыта С (без замены почвы). В аналогичной зависимости снижается вес подземных частей фитометра. В варианте В вес над земной части фитометра снизился на 57 % от контроля.

Полученные данные о наличии оксикоричных кислот в экстрактах листьев и ингибировании роста тест-культур почвой из ФП спиреи служат основой рассуждений о химической природе обнаруженных в почве колинов.

Хотя количественного определения содержания полифенолов в листьях в нашем опыте не проводилось, об относительном и абсолютном содержании данного класса веществ в листьях спирей можно судить по работам Е.А. Костиковой с соавт. [1] и У. Еи|ц [9]. Так, в листьях спиреи Тунберга (5. ікипЬе^іі) цис-коричная кислота содержится в малом количестве, но по активности является одним из самых сильных ингибиторов роста растений [9]. В этой же работе указывается, что в листьях спиреи обнаружено большое содержание не ингибирующей рост транс-формы кислоты (способной к переходу в активную цис-форму) и возможно, являющейся запасаемой формой ингибитора.

Способы экстракции могут отразиться на результатах определения оксикоричных кислот, поскольку их состав может изменяться в процессе высушивания листьев [5]. Коллоиды почвы способны связывать полифенолы, выделяемые растениями, чем объясняется более или менее яркое проявление ингибирующей активности фенольных соединений в разных типах почв [9-10]. Продукты распада и метаболизации оксикорич-ных кислот - флавоноиды и кумарины - проявляют сильный ингибирующий рост, эффект в биотестах [3]. Сопоставление полученных нами данных об отсутствии оксикоричных кислот в вытяжках почвы из спиреи ниппонской с данными о возможности прижизненной метаболизации кислот в листьях, а также при контакте с почвой позволяют предположить, что химическая

1616

природа ингибитора роста в почве ФП кустарника отличается от обнаруженных в листьях полифенолов.

Второй важный вопрос - выяснение механизма переноса аллелопатических веществ из листьев в почву. Строгая приуроченность почвенного «пятна» с ингибирующим воздействием в ФП спиреи к проекции кроны кустарника может свидетельствовать о вертикальном характере перемещения веществ, например, с водой (при дожде) или с листовым опадом осенью. Первое предположение согласуется с хорошей растворимостью в воде хлорогеновой и п-кумаровой кислот и других фенольных соединений, второе - с накоплением вторичных метаболитов (к которым относятся эндогенные полифенолы) в осенних листьях.

ВЫВОДЫ

Данные о высокой активности колинов в почве подкронового пространства спиреи свидетельствуют о наличии аллелопатического режима в ФП кустарника. Угнетение роста тест-культуры в опыте с фитометром указывает о негативном воздействии ФП кустарника на напочвенный покров. Все обсуждаемые механизмы переноса аллелопатических веществ из листьев кустарника в почву предполагают возобновляемый характер пула ингибитора в ФП спиреи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Костикова Е.А., Высочина Г.И., Полякова Т.А. Сравнительное изучение содержания фенольных соединений в растениях рода Spiraea L. Дальнего Востока России // Научное обозрение. 2012. № 5. С. 167-173.

2. Hiradate S., Morita S., Furubayashy A., Fujii Y., Harada J. Plant grows inhibition by cis-cinnamoil glucosides and cis-cinnamic acid // Journal of Chemical Ecology. 2005. V. 31. № 3. Р. 591-601.

3. Плотникова И.В., Рункова Л.В., Уголик Н.А. Влияние полифенолов на рост колеоптилей пшенично-пырейного гибрида № 1 // Бюл. ГБС. 1967. В. 64. С. 71-76.

4. Уранов А.А. Фитогенное поле // Проблемы современной ботаники. М.: Наука, 1965. Т. 1. С. 251-254.

5. Переверзев В.Н., Комаров Е.А. Состояние почвенно-растительного покрова городских и парковых территорий в условиях интенсивного антропогенного воздействия // Проблемы озеленения городов: материалы общегородской конференции. М., 2004. Вып. 10. С. 202.

6. Гродзинский А.М. Аллелопатия в жизни растений и их сообществ. Киев: Наукова думка, 1965. С. 200.

7. Fujii Y., Parvez M.M., Ohmae Y., Uda O. Screening of 239 medicinal plant species for allelopathic activity using the sandwich method // Weed Biol. Manage. 2003. № 3 (4). Р. 233-241.

8. Жукова О.А., Абрамов А.А., Даргаева Т.Д., Маркарян А.А. Изучение фенольного состава подземных органов сабельника болотного // Вестик МГУ. Сер. 2. Химия. 2006. Т. 47. № 5. С. 342-345.

9. Fujii Y., Hiradate S. A critical survey at allelochemicals in action - the importance of total activity and the weed-supression equation // Forth World Congress on Allelopathy.

10. Zhao-Hui Li., Qiang Wang., Xiao Ruan., Cun-De Pan., De-An Jiang. Phenolics and Plant Allelopathy // Molecules. 2010. № 15. Р. 89338952.

Поступила в редакцию 11 июля 2014 г

Chernyaeva E.V., Viktorov V.P. ALLELOPATHIC REGIME OF PHYTOGENIC FIELD OF SPIRAEA NIPPONICA (Spiraea nipponica Maxim.)

Plant tests inhibition in vitro and in situ by allelochemicals of soil samples from phytogeneouse field and leaves of spiraea is shown. Identification of phenolic acids in leaf extracts is made by thin-layer chromatography method. The influence of leaf leachets of spiraea to ground vegetation is discussed.

Key words: phytogeneouse field; ground vegetation; allelopathy; phytometer; biotest.

Черняева Екатерина Вадимовна, Московский государственный педагогический университет, г. Москва, Российская Федерация, старший преподаватель кафедры ботаники, e-mail: katinsad@gmail.com.

Chernyaeva Ekaterina Vadimovna, Moscow State Pedagogical University, Moscow, Russian Federation, Senior Lecturer, Botany Department, e-mail: katinsad@gmail.com.

Викторов Владимир Павлович, Московский государственный педагогический университет, г. Москва, Российская Федерация, доктор биологических наук, доцент, зав. кафедрой ботаники, e-mail: vpviktorov@mail.ru

Viktorov Vladimir Pavlovich, Moscow State Pedagogical University, Moscow, Russian Federation, Doctor of Biology, Associate Professor, Head of Botany Department, e-mail: vpviktorov@mail.ru

1617