CC BY
81
Химия растительного сырья. 2000. №1. С. 69-76.
УДК 615.322
БЕЛКИ И СВОБОДНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ В ДРЕВЕСИНЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ, ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ И ЛИСТВЕННИЦЫ ГМЕЛИНА В ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ
© Н.Е.Судачкова, И.Л. Милютина, Г.П. Семенова
Институт леса им. В.Н .Сукачева СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036 (Россия), e-mail: [email protected]
Исследование поддержано грантами РФФИ (№ 98-04-48136) и ККФН-РФФИ (№ 99-04-96004)
Изучено содержание общего азота, белка и свободных аминокислот в древесине ствола и скелетных корней сосны обыкновенной, лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина в зонах северной тайги, южной тайги и лесостепи Центральной Сибири. Установлено, что содержание общего азота в древесине ствола и корней варьируется от 0,04 до
0,28% от абс. сухого вещества древесины, закономерно увеличиваясь в северной тайге.
Показано, что суммарная концентрация белка и свободных аминокислот в древесине лиственницы всегда выше, чем в древесине сосны, а в древесине корней, - как правило, выше, чем в стволовой древесине. В составе свободных аминокислот древесины преобладают аминокислоты с короткой углеродной цепью: серин, глицин, аланин и аспарагиновая кислота.
Введение
Основная масса азотсодержащих соединений древесины представлена белками, локализующимися в живых элементах ксилемы; незначительное количество белка ассоциировано с материалом клеточных стенок древесины. Есть данные об аминокислотном составе белков древесины отдельных видов хвойных [1], охарактеризован аминокислотный состав белков хвои сибирских пород [2, 3, 4] , но количественные оценки содержания белка в древесине сибирских видов хвойных отсутствуют. Сравнительно мало известно и о составе свободных аминокислот в древесине. Свободные протеиногенные аминокислоты за исключением ароматических были найдены в спиртовых экстрактах древесины заболони и ядра пяти видов голосеменных растений [5], глутаминовая и аспарагиновая кислоты были обнаружены в свободном состоянии в древесине бука и тополя [6]. Большинство работ по идентификации свободных аминокислот в древесине хвойных проведено на однолетних побегах или стволиках сеянцев, что не дает представления о содержании этого класса соединений в зрелой древесине ствола и корней. Так, в древесине побегов сосны обыкновенной в первую половину лета найдено 20 свободных аминокислот с преобладанием в составе у-аминомасляной кислоты (ГАМК) и пролина [7], позднее в однолетних побегах того же вида в течение вегетации было идентифицировано 43 соединения, содержащих аминогруппу, среди преобладающих отмечены также у-аминомасляная кислота, аргинин, глутамин [8]. В гипокотилях семинедельных сеянцев сосны обыкновенной по данным одних авторов [9] найдена 21 аминокислота с явным преобладанием в составе глутаминовой кислоты, другие
Автор, с которым следует вести переписку.
авторы [10] в сеянцах сосны того же возраста обнаружили 14 свободных аминокислот, среди которых преобладали аргинин и глутамин. В прикамбиальной зоне ксилемы сосны обыкновенной и лиственницы сибирской в течение вегетации было обнаружено 17 свободных аминокислот, основную массу аминокислот лиственницы составляли аргинин и глутамин, в тканях сосны преобладали ГАМК и аланин [11], Свободные аминокислоты и высокие концентрации амидов, особенно глутамина, присутствуют в ксилемном соке хвойных [12, 13, 14].
Поскольку древесина и особенно ее заболонная часть выполняет не только механические и проводящие функции, но и представляет собой зону аккумуляции резервных веществ, в том числе и азотсодержащих, обеспечивающих успешное освоение древесины энтомо- и фитопатогенами, в задачу работы входила количественная оценка минорных азотсодержащих компонентов в древесине доминирующих в Центральной Сибири видов хвойных.
Экспериментальная часть
Объектами исследования служили сосна обыкновенная, лиственница сибирская и лиственница Гмелина в возрасте 27-57 лет из трех лесорастительных зон Центральной Сибири, в интервале 88-100° в.д. и 53-65° с.ш. Зона северной тайги представлена насаждениями лиственницы сибирской и отдельными экземплярами сосны обыкновенной в районе пос. Туруханск (65° с.ш.), лиственницы Гмелина в районе пос. Тура (64° с.ш.), в зоне южной тайги объектами исследования были молодняки лиственницы сибирской и сосны обыкновенной вблизи г. Красноярска (56° с.ш.) и в лесостепной зоне те же породы в окрестностях г. Минусинска и пос. Черное озеро (53° с.ш.). В конце вегетации с 10-15 деревьев отбирали образцы заболонной древесины ствола и скелетных корней, в образцах проводили определение общего и белкового азота и свободных аминокислот. Древесину измельчали до порошкообразного состояния в жидком азоте, в образцах проводили определение общего и белкового азота [15]). Для определения свободных аминокислот навеску древесины экстрагировали 80%-ным этанолом, экстракт выпаривали, растворяли в воде, растворимые белки осаждали хлороформом, очищенный экстракт освобождали от углеводов на колонке с катионитом КУ-2, элюат концентрировали и проводили определение на аминокислотном анализаторе ААА-339. Для расчета содержания белка в ткани по концентрации белкового азота использовали коэффициенты 7,44 для древесины сосны и 7,25 для древесины лиственницы [16].
Повторность анализов трехкратная, достоверность различий оценивалась по критерию Стьюдента.
Результаты и обсуждение
Содержание общего азота в древесине исследуемых пород колеблется в широких пределах (табл. 1), максимальная концентрация этого элемента обнаруживается в древесине изучаемых видов в северной тайге. Концентрация азота в древесине корней во всех лесорастительных зонах выше, чем в древесине ствола, различия недостоверны лишь для сосны в лесостепной зоне. По литературным данным содержание общего азота в стволовой древесине хвойных колеблется от 0,04 до 0,2% (0,4-2 мг/г) от массы абс. сухой древесины
[17]. В целом изменения для исследованных пород, связанные с географическим положением, укладываются в эти пределы, значительно расширяют эти рамки значения содержания азота в древесине корней лиственницы Гмелина, произрастающей на вечной мерзлоте, достигающие 0.26-0,28%.
Отмеченные закономерности распространяются и на содержание белка в древесине, за исключением лиственницы Гмелина на дренированном участке, для которой характерно более высокое содержание белка в стволовой древесине (табл. 2).
Таблица 1. Содержание азота в древесине ствола и корней хвойных в разных лесорастительных зонах Центральной Сибири, мг/г
Лесорастительная зона Древесина Сосна обыкновенная Лиственница сибирская Лиственница Гмелина
I* II*
Лесостепь ствола 0,71 0,47 - -
корней 0,73 0,96 - -
Южная тайга ствола 0,38 0,81 - -
корней 0,47 1,11 - -
Северная тайга ствола 1,12 0,99 2,20 1,30
корней 1,41 1,62 2,60 2,80
* I - дренированный участок, II - заболоченный участок.
Таблица 2. Содержание белка в древесине ствола и корней хвойных в разных лесорастительных зонах Центральной Сибири, мг/г
Лесорастительная зона Древесина Сосна обыкновенная Лиственница сибирская Лиственница Гмелина
I* II*
Лесостепь ствола 4,75 2,90 - -
корней 4,82 3,84 - -
Южная тайга ствола 1,56 4,64 - -
корней 2,52 6,89 - -
Северная тайга ствола 7,27 6,53 14,84 7,20
корней 9,65 10,95 11,87 13,05
* I - дренированный участок, II - заболоченный участок.
Максимальное содержание белка отмечено в древесине ствола и корней в зоне северной тайги и превышает в корнях 1% от массы абсолютно сухой древесины.
Сравнительный анализ состава свободных аминокислот древесины лиственницы Гмелина показал, что независимо от части дерева и условий произрастания относительно высокие концентрации стабильно обнаруживают четыре аминокислоты: серин, глицин, аланин и аспарагиновая кислота, для заболоченного участка характерно повышенное содержание пролина и аргинина, последний аккумулируется в древесине корней (табл. 3). Суммарная концентрация свободных аминокислот в древесине корней значительно превышает этот показатель для стволовой древесины как на дренированном участке (133%), так и на заболоченном (161%).
Для лиственницы сибирской суммарное содержание аминокислот того же порядка отмечено на севере (табл. 4), а в южной тайге и лесостепи сильно возрастает в основном за счет аргинина и Г АМК, причем в последних отмечается повышенное по сравнению со стволовой древесиной содержание свободных аминокислот в древесине корней. Если в северном местообитании в составе аминокислот древесины лиственицы сибирской преобладают те же соединения, что и у лиственницы Гмелина, то в южных на первый план выступают аргинин и Г АМК.
Таблица 3. Содержание свободных аминокислот в древесине лиственницы Гмелина в различных
местообитаниях северной тайги, мкг/г
Аминокислоты Заболоченный участок Дренированный участок
ствол корни ствол корни
Аспарагиновая кислота 30,0 10,0 17,5 25,0
Треонин 10,8 8,6 11,3 9,7
Серин 51,1 79,3 49,9 72,9
Аспарагин 1,7 3,7 1,2 3,1
Глутаминовая кислота 9,0 15,2 5,1 10,1
Глутамин 1,1 0,8 0,8 0,8
Пролин 6,7 5,0 20,0 15,0
Глицин 27,3 57,2 24,5 42,2
Аланин 31,2 54,6 27,3 50,7
Цитруллин 15,6 20,5 4,4 4,4
а-аминомасляная кислота 2,4 10,9 0,9 0,9
Валин 12,0 18,1 9,0 16,3
Цистеин 2,8 2,1 4,2 2,1
Цистатионин 2,5 1,9 3,8 4,7
Метионин 1,6 1,2 0,6 1,8
Изолейцин 4,3 5,8 3,2 6,5
Лейцин 4,5 5,5 3,4 6,1
Тирозин 8,7 16,3 3,3 5,4
Фенилаланин 3,0 4,6 2,3 2,3
в-аланин 2,5 1,9 5,6 3,7
в- аминомасляная кислота 5,4 4,0 4,0 4,0
у- аминомасляная кислота 2,9 3,3 3,3 16,7
Орнитин 6,8 12,5 6,6 11,7
Лизин 4,4 5,8 3,3 6,6
Гистидин 2,9 4,3 4,3 5,7
Аргинин 17,4 5,2 17,4 52,3
Сумма 268,7 358,3 237,2 381,0
Очевидно, что содержание свободных аминокислот в древесине лиственницы выше, чем в древесине сосны (табл. 4, 5), по-видимому, это видоспецифический признак, связанный с листопадностью лиственницы: осенью запасы аминокислот эвакуируются из хвои, и местом их хранения являются не только запасающие элементы луба, но и древесина, что подтверждается повышенным содержанием в древесине лиственницы из благоприятных местообитаний таких запасных форм аминного азота, как Г АМК и аргинин.
В древесине корней сосны из южных местообитаний, как и у лиственницы, содержание аминокислот в 1,5-2 раза выше, чем в стволовой, на севере корни сосны обеднены свободными аминокислотами. В древесине сосны, как и у лиственницы, постоянно присутствуют в достаточно высоких концентрациях серин, глицин, аланин и аспарагиновая кислота, в лесостепной зоне повышается концентрация аргинина, в зоне южной тайги - Г АМК.
Таблица 4. Содержание свободных аминокислот в древесине ствола и корней лиственницы сибирской в различных лесорастительных зонах Центральной Сибири, мкг/г
Аминокислоты Лесостепь Южная тайга Северная тайга
ствол корни ствол корни ствол корни
Аспарагиновая кислота 25,0 27,5 16,8 25,2 25,0 18,8
Треонин 7,5 9,7 11,7 18,8 7,5 4,3
Серин 47,3 57,5 82,8 94,6 63,9 37,1
Аспарагин 3,7 7,4 4,8 7,1 0,6 1,9
Глутаминовая кислота 16,9 15,2 8,8 15,5 2,5 3,4
Глутамин 1,7 10,1 2,2 2,2 0,8 0,8
Пролин 29,9 119,8 19,2 129,4 25,0 20,0
Глицин 34,1 54,5 35,2 71,4 20,9 23,2
Аланин 42,9 130,0 43,5 138,7 20,8 15,6
Цитруллин 11,7 46,8 2,1 1,0 8,8 8,8
а-аминомасляная кислота 3,6 9,1 0,0 0,0 0,9 0,0
Валин 1,8 23,5 22,3 20,9 9,0 9,0
Цистеин 10,5 8,4 0,4 0,8 2,1 2,1
Цистатионин 5,7 5,7 1,5 1,5 1,9 0,9
Метионин 1,2 3,7 0,5 0,5 0,6 0,6
изолейцин 13,0 16,9 6,0 16,7 6,5 3,9
Лейцин 10,9 13,6 6,7 17,3 2,7 1,4
Тирозин 4,4 22,8 3,4 2,2 9,8 2,2
Фенилаланин 2,3 6,8 0,9 0,9 1,1 1,1
в-аланин 3,7 7,4 3,7 3,7 1,9 1,9
в- аминомасляная кислота 8,0 24,1 3,2 3,2 4,0 4,0
у- аминомасляная кислота 22,9 114,2 107,9 574,2 4,0 4,4
Орнитин 7,3 24,2 8,7 20,3 7,3 2,9
Лизин 4,1 14,9 2,2 11,4 3,3 3,7
Гистидин 2,9 6,5 0,7 3,9 4,3 1,4
Аргинин 286,7 4879,8 126,5 421,8 17,4 10,5
Сумма 609,8 5660,2 521,5 1603,2 252,8 183,8
Сами по себе высокие концентрации серина и глицина не часто обнаруживаются в тканях хвойных, обычно основную часть пула свободных аминокислот, в том числе и во флоэме, составляют глутаминовая кислота и ее производные (глутамин, пролин, ГАМК). Очевидно, в данном случае подтверждается предположение об избирательности переноса азотсодержащих соединений из одной проводящей ткани в другую
[18]. Тканеспецифические различия состава свободных аминокислот свидетельствуют о том, что древесина заболони представляет собой не пассивный транспортный путь, а активную метаболическую систему, способную регулировать состав метаболитов. Роль такого регулятора выполняют паренхимные элементы древесины и луба.
На основе полученных данных, приняв плотности древесины сосны обыкновенной, лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина равными 0,440, 0,563 и 0, 584 соответственно [19], рассчитали запасы свободных аминокислот и белка в 1 м3 древесины ствола и корней (табл. 6). Суммарное содержание белка и свободных аминокислот в древесине сосны всегда ниже, чем у лиственницы. особенно высокая концентрация белка обнаруживается в древесине лиственницы Гмелина.
Таблица 5. Содержание свободных аминокислот в древесине ствола и корней сосны обыкновенной в различных лесорастительных зонах Центральной Сибири, мкг/г
Аминокислоты Лесостепь Южная тайга Северная тайга
ствол корни ствол корни ствол корни
Аспарагиновая кислота 16,3 23,8 18,0 25,2 25,0 10,0
Треонин 4,3 7,5 4,7 9,4 7,5 3,2
Серин 18,8 26,4 42,6 56,8 60,1 12,8
Аспарагин 1,2 2,5 2,4 2,4 1,2 0,6
Глутаминовая кислота 11,8 13,5 10,0 13,3 2,5 3,4
Глутамин 1,7 1,7 0,0 3,3 0,8 0,8
Пролин 0,5 29,9 4,8 9,6 5,0 0,5
Глицин 10,9 15,4 20,1 30,1 32,7 9,1
Аланин 13,0 28,6 21,8 31,4 33,1 10,4
Цитруллин 2,9 2,9 2,1 1,0 14,6 5,8
а-аминомасляная кислота 0,9 0,9 0,0 0,0 0,9 0,9
Валин 9,0 10,8 4,2 12,5 9,0 8,1
Цистеин 1,1 1,1 0,4 3,6 1,1 1,1
Цистатионин 1,9 1,9 0,0 0,0 0,9 0,9
Метионин 0,6 0,6 0,5 0,5 0,6 0,6
изолейцин 2,6 3,9 3,6 4,5 3,9 1,3
Лейцин 2,0 3,4 4,0 4,2 2,7 1,4
Тирозин 2,2 9,8 1,1 2,2 6,5 3,3
Фенилаланин 1,1 1,1 0,9 1,8 2,3 2,3
в-аланин 1,9 1,9 11,1 22,3 1,9 1,9
в- аминомасляная кислота 4,0 4,0 0,0 0,0 4,0 4,0
у- аминомасляная кислота 5,1 14,5 40,0 87,0 2,2 3,6
Орнитин 3,7 3,7 7,2 17,4 5,9 5,5
Лизин 2,5 3,3 3,3 8,1 3,3 2,5
Гистидин 1,4 2,2 0,7 5,2 1,4 1,4
Аргинин 17,4 78,4 5,3 0,9 7,8 21,8
Сумма 138,8 293,8 208,5 352,7 237,2 117,3
Таблица 6. Содержание свободных аминокислот и белка в древесине ствола и корней основных лесообразующих видов хвойных Центральной Сибири, кг/м3
Сосна обыкновенная Лиственница сибирская Лиственница Гмелина
Лесорасти- Древесина амино- амино- Дренированный участок Заболоченный участок
тельная зона кислоты белок кислоты белок амино- кислоты белок амино- кислоты белок
Лесостепь ствола 0,06 2,09 0,34 1,63 - - - -
корней 0,13 2,12 3,19 2,16 - - - -
Южная тайга ствола 0,09 0,69 0,29 2,61 - - - -
корней 0,16 1,11 0,90 3,88 - - - -
Северная тайга ствола 0,10 3,20 0,14 3,67 0,14 8,67 0,16 4,17
корней 0,05 4,24 0,10 6,16 0,22 6,93 0,21 7,50
В древесине существуют значительные резервы для аккумуляции свободных аминокислот, которые, как правило, обычно не используются полностью, о чем свидетельствует величина запаса свободных аминокислот в корнях лиственницы сибирской в лесостепи, превышающая 3 кг на 1 м3 за счет накопления аргинина. В целом запасы свободных аминокислот в древесине невелики и вряд ли представляют утилитарный интерес, но с учетом аминокислот белка в будущем можно рассчитывать на создание технологии получения аминокислот как побочного продукта гидролизного производства. Помимо сказанного, представленные данные важны для понимания распространения фитопатогенов. Можно предположить, что в стрессовых условиях существования (например, на вечной мерзлоте) повышенная концентрация белка и свободных аминокислот может служить объяснением частого повреждения этих насаждений болезнями.
Выводы
Установлено, что содержание общего азота в древесине ствола и корней в зависимости от географического положения варьируется в широких пределах: 0,04-0,14% от абс. сухого вещества древесины для сосны обыкновенной, 0,05-0,16% - для лиственницы сибирской и 0,13-0,28% для лиственницы Гмелина, закономерно увеличиваясь в северной тайге.
Показано, что суммарная концентрация белка и свободных аминокислот в древесине лиственницы всегда выше, чем в древесине сосны, а содержание азота, белков и свободных аминокислот в древесине корней, как правило, выше, чем в стволовой древесине.
Содержание белка в древесине указанных видов может изменяться в зависимости от географического положения и части дерева на порядок, явно увеличиваясь в условиях севера. Максимальное содержание белка обнаружено в древесине лиственницы Г мелина и достигает 8,7 кг в 1 м3 древесины.
В составе свободных аминокислот древесины в отличие от других частей дерева преобладают аминокислоты с короткой углеродной цепью: серин, глицин, аланин и аспарагиновая кислота, тогда как в лубе, побегах и хвое преобладают аминокислоты, связанные своим происхождением с глутаминовой кислотой. По мере продвижения на юг в древесине повышается содержание аргинина и Г АМК, выполняющих функции резервных соединений.
Список литературы
1. Судачкова Н.Е., Семенова Г.П. Белки клеточных стенок ксилемы древесных растений и их функции в регуляции роста клеток // Лесоведение. 1988. № 1. С. 26-32.
2. Репях С.М., Рахмилевич В.А., Левин Э.Д. Состав белков хвои сосны разного возраста // Химия древесины. 1976. № 4. С.111-113.
3. Репях С.М., Левин Э.Д. Состав белков хвои ели // Химия древесины. 1976. № 4. С. 114-116.
4. Репях С.М., Новикова Н.Г., Левин Э. Д., Тихомирова Г.В. Состав аминокислот протеина, выделенного из хвои сосны обыкновенной // Химия древесины. 1977. № 3. С. 104-111.
5. Fukuda T. Studies on the chemical composition of woods. I. On the amino acids // J. Japan. Wood Res. Soc. 1963. V. 9. № 4. P. 166-170.
6. Rendon F., Domansky K. Studium dusikatych latok dreva. II. // Drevarsky vyskum. 1966. № 2. S. 125-133.
7. Осиновский А.Г., Скриган А.И. Содержание свободных аминокислот в древесине побегов сосны обыкновенной
(Pinus sylvestris) // Изв. АН БССР, Хим. науки. 1972. № 3. С. 92-96.
8. Pieti^inen P., Lдhdesmдki P. Free amino acid and protein levels, and u- glutamyltransferase activity in Pinus sylvestris
apical buds and shoots during the growing season // Scand. J. Forest Res. 1986. V. 1. № 4. P. 387-395.
9. Судачкова Н.Е., Милютина И. Л., Семенова Г.П., Кожевникова Н.Н. Влияние экологических стрессов на состав метаболитов в сеянцах сосны обыкновенной // Лесоведение. 1990. № 4. С.49-57.
10. Gezelius K, ^sholm T. Free amino acids and protein in Scots pine seedlings cultivated at different nutrient availabilities // Tree Physiology. 1993. V. 13. № 1. P. 71-86.
11. Кудашова Ф.Н., Позднякова А.С. Характеристика азотного обмена в связи с дифференциацией элементов ксилемы у сеянцев сосны и лиственницы // Физиолого-биохимические механизмы роста хвойных. Новосибирск, 1978. С.22-31.
12. Barnes R.L. Organic nitrogen compounds in tree xylem sap // For. Sci. 1963. V. 9. № 1. P. 98-102.
13. Carten M.C., Larsen H.S. Soil nutrients and loblolly pine xylem sap composition // For. Sci. 1965. V. 11. № 2. P. 216-220.
14. Чернобровкина Н.П., Макаревский М.Ф. Состав аминокислот ксилемного сока сосны обыкновенной в связи со скоростью роста // Лесоведение. 1988. № 3. С. 66-69.
15. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Смирнова-Иконникова М.И., Ярош Н.П., Луковникова Г.А. Методы биохимического исследования растений. Л, 1972. 456 с.
16. Судачкова Н.Е., Семенова Г.П. Белки вегетативных органов сибирских видов хвойных как потенциальный кормовой ресурс // Растительные ресурсы. 1995. Вып. 4. С. 20-25.
17. Судачкова Н.Е. Метаболизм хвойных и формирование древесины. Новосибирск, 1977. 230 с.
18. Измайлов С.Ф. Азотный обмен в растениях. М, 1986. 320 с.
19. Исаева Л.Н. Физико-механические свойства древесины основных пород Сибири. Красноярск, 1975. 55 с.
Поступило в редакцию 23 февраля 2000 года
