CC BY
129
Вестник Томского государственного университета. Биология. 2016. № 1 (33). С. 140-158
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ И БИОХИМИЯ
УДК 581.5:582.681.61:577.13 doi: 10.17223/19988591/33/9
Е.А. Карпова, Т.Д. Фершалова
Центральный сибирский ботанический сад СО РАН, г. Новосибирск, Россия
Динамика содержания пигментов в листьях Begonia grandis Dryander subsp. grandis при интродукции в Западной Сибири (г. Новосибирск)
Впервые изучена динамика содержания пигментов листьев (хлорофиллов a и b, каротиноидов, антоцианов) и показателей физиологического состояния (соотношений хлорофилл a / хлорофилл b, хлорофилл / каротиноиды, хлорофилл / антоцианы) в течение сезона вегетации у растений Begonia grandis subsp. grandis, интродуцированных в Западной Сибири в условиях оранжереи и открытого грунта. В весенний период активного роста выявлены максимальные показатели содержания хлорофилла (8-9 мг/г абсолютно сухой массы), каротиноидов (4-5 мг/г) и антоцианов (18-20 мг/г). Установлено, что характер динамики пигментов с мая по конец сентября аналогичен в оранжерее и в открытом грунте. Для периодов адаптации характерны более низкие величины соотношений хлорофилл / каротиноиды (1,3-4,4) и хлорофилл / антоцианы (0,3-1,0) по сравнению с благоприятными периодами (5,5-6,2 и 2-2,1 соответственно). В условиях воздействия низкой температуры значительно больше антоцианов содержат листья оранжерейных растений, находящихся в более благоприятных условиях и имеющих более высокий физиологический статус. Переход к состоянию покоя B. grandis subsp. grandis при интродукции в оранжерее не сопровождается значительным уменьшением содержания хлорофилла и накоплением антоцианов.
Ключевые слова: Begonia grandis subsp. grandis; адаптация; хлорофилл a+b; каротиноиды; антоцианы.
Введение
Физиолого-биохимические характеристики ассимилирующих органов, определяющих ростовые и репродуктивные процессы, чувствительны к изменениям окружающей среды и используются для ранней диагностики состояния растений. Содержание хлорофиллов и каротиноидов - главных фоторецепторов клетки - является одним из биохимических показателей степени адаптации растений к экологическим условиям. Содержание анто-циановых пигментов, участвующих в обеспечении устойчивости растений к стрессовым факторам, также может быть использовано для оценки их физиологического состояния [1, 2].
Begonia grandis subsp. grandis (синонимы B. discolor R. Brown, B. evansiana Andrews, B. grandis subsp. evansiana (Andrews) Irmsch.) - единственный пред-
ставитель рода Begonia, встречающийся в суббореальных летне-зелёных лесах [3], в отличие от большинства видов рода, в естественных условиях обитающих в зоне тропических лесов или в субтропической зоне.
В литературе нами не обнаружено данных о содержании фотосинтези-рующих пигментов и антоцианов B. grandis subsp. grandis. В составе ан-тоцианов представителей рода Begonia найдены гликозиды цианидина (3-О-глюкозид, 3-О-самбукозид, 3-О-софорозид, 3-О-глюкозилрутинозид, 3-О-ксилозилрутинозид) [4], каффеил- и кумароилгликозиды цианидина [5], 3-О-глюкозид пеларгонидина [4], 5-О-глюкозид пеонидина [6]. В качестве основного антоцианового компонента 18 видов рода установлен 3-О-(2"-ксилозил-6"-рамнозилглюкозид) цианидина [7].
Целью исследования является изучение динамики содержания пигментов (хлорофиллы a и b, каротиноиды, антоцианы) и соотношений (хлорофилл a / b, хлорофилл / каротиноиды и хлорофилл / антоцианы) в листьях растений B. grandis subsp. grandis, интродуцированных в условиях открытого и закрытого грунта, в течение вегетационного периода.
Материалы и методики исследования
В качестве образцов использованы листья растений Begonia grandis subsp. grandis, интродуцированных в условиях оранжереи и открытого грунта Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (ЦСБС СО РАН) в г. Новосибирске, в различные фазы вегетационных периодов 2013-2015 гг. (таблица).
Новосибирск находится в лесостепной зоне с континентальным климатом. Самый жаркий месяц - июль, когда среднемесячная температура достигает + 20,7°С, максимальная +37°С. Средняя продолжительность безморозного периода - 119 суток. Первые заморозки наблюдаются с третьей декады августа [8]. Период высокого уровня суммарной солнечной радиации (471-652 МДж/м2) длится с апреля по август, максимум солнечной радиации приходится на июнь [9].
Почвенный покров участка культивирования представлен дерново-подзолистыми почвами. Реакция почвенной среды слабокислая (pH 5-6). В открытый грунт клубни высаживают в третьей декаде мая под пологом соснового леса (г. Новосибирск). Освещенность, измеренная в полдень, составляла от 500 до 6 000 лк в зависимости от погодных условий. Измерения освещенности проводились на высоте, равной средней высоте B. grandis subsp. grandis в этих условиях (50 см от поверхности почвы). Период вегетации длится до отмирания надземной части растений в третьей декаде сентября. В оранжерее клубни высаживают в феврале в почвосмесь, аналогичную почве участка культивирования. Период вегетации в оранжерее заканчивается в конце ноября переходом к состоянию покоя.
Фондовые оранжереи ЦСБС СО РАН представляют собой железобетонную конструкцию, двускатную, закрытую поликарбонатом. Растения, высаженные в пластмассовые горшки, размещены на бетонных стеллажах, поднятых на высоту 75 см от поверхности пола.
Характеристика вегетационного периода Begonia grandis subsp. grandis [Characteristics of Begonia grandis subsp. grandis growing season]
Месяц [Month] Оранжерея [Greenhouse] Отрытый грунт [Open ground]
Фаза развития растения [Phase of plant development] Стрессовые факторы [Stress factors] Фаза развития растения [Phase of plant development] Стрессовые факторы [Stress factors]
IV Активный рост [Active growth] Высокая инсоляция [High insolation] - -
V Активный рост [Active growth] Суточные перепады температур до 10°С ' [Daily temperature drops to 10°С] Высадка растений из оранжереи в открытый грунт, адаптация [Planting from the greenhouse to the open ground, adaptation] Высокая инсоляция, суточные перепады температур [High insolation, daily temperature drops]
VI Активный рост [Active growth] Активный рост [Active growth] -//-
VII Замедление роста, бутонизация [Plant growth retardation, budding] O Рост [Growth] Высокая инсоляция [High insolation]
VIII Цветение [Flowering] Суточные перепады температур до 5°С [Daily temperature drops to 5°С] Цветение [Flowering] Высокая инсоляция, суточные перепады температур до 10°С [High insolation, daily temperature drops to 10°С ]
IX Цветение, плодоношение [Flowering, fructification] Суточные перепады температур до 5°С [Daily temperature drops to 5°С] Цветение [Flowering]
X* Цветение, плодоношение [Flowering, fructification] Суточные перепады температур до 10°С [Daily temperature drops to 10°С] Отмирание надземной части [Dieback of above-ground parts] Низкая температура [Low temperature]
XI Единичное цветение, плодоношение, переход к состоянию покоя [Single flowering, fructification, transition to dormant state] O - -
Примечание. O - минимальное воздействие неблагоприятных факторов; «-» - отсутствие вегетации растений в этот период; * - конец сентября.
[Note: O - minimal impact of unfavorable factors; - absence of plant growth during this period; * end of September]
В период вегетации освещенность составляет 500-5 000 лк в зависимости от облачности. Для предотвращения теплового шока у растений в весенний и летний периоды над стеллажами натягиваются пологи из акрила (с третьей декады апреля по третью декаду сентября).
Температурный режим в оранжереях зависит от времени года. С октября по апрель работает стационарная система отопления. В это время температура воздуха составляет в среднем +20°С. С мая по сентябрь отопительная система не работает, и температура воздуха во многом зависит от погодных условий. Иногда перепады температур могут достигать 20°С в течение суток. Период вегетации в оранжерее длится до отмирания надземной части растений в ноябре-декабре. Вступление в состояние покоя с отмиранием надземной части жестко детерминировано эндогенной ритмикой [10].
Как и большинство представителей рода, B. grandis subsp. grandis относится к теневыносливым растениям. В условиях интродукции характеризуется цветением один раз в год в осеннее-зимний период.
Средняя проба состояла из фрагментов центральной части вызревших листьев среднего яруса (между крупными жилками), не имеющих повреждений, отобранных с 5-10 растений. Листья для анализа собирали 1 раз в месяц (с 15-го по 20-е число каждого месяца) в первой половине дня, за исключением сентября, когда листья собирали дважды - в начале месяца (до 5 сентября) и сразу после наступления заморозка (с 15 по 20 сентября).
Для исследования пигментов растений, находящихся в конце фазы перехода к состоянию покоя, в пределах одного растения вырезали неповрежденные участки здоровых листьев и листьев, имеющих выраженные участки некроза.
Для определения содержания хлорофилла и каротиноидов свежие листья экстрагировали 96%-ным этанолом. Расчет вели по формулам:
Са = (13,36 ^ А664 - 5,19 Л49);
СЬ = (27,43 • А649 - 8,12-A6J; С = (1000 • А470 - 2,13-Са - 97,64 • Q/209, где Са, СЬ, Сс - содержание хлорофилла a, хлорофилла b и каротиноидов, мг/л экстракта, А664 , А649 и А470 - оптическая плотность экстракта, измеренная при 664, 649 и 470 нм [11] с последующим пересчетом содержания на 1 г абсолютно сухой массы листьев.
Экстракцию антоцианов проводили 1%-ным водным раствором соляной кислоты. Отделение антоцианов от других флавоноидов производили фильтрованием через концентрирующий патрон Диапак С 16. Состав антоцианов изучали методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) на пластинках Silufol 15^15 см в системах растворителей хлороформ - этилацетат - муравьиная кислота - вода 24:20:16:1 (система 1) и хлороформ - этанол - муравьиная кислота 9:1:0,5 (система 2).
Идентификацию агликонов проводили сравнением со стандартом циа-нидин-хлорида (Sigma), идентификацию гликозидов - сравнением с 3-глю-
козилрутинозидом, 3-рутинозидом и 3-глюкозидом цианидина из экстракта вишни садовой Prunus cerasus L. [12] и 3-глюкозидом цианидина из экстракта земляники садовой Fragaria x ananassa Duch. сорт Junia Smayds [13].
Содержание антоцианов определяли спектрофотометрическим методом на UV-Vis спектрофотометре «Agilent 8453» (США). Содержание суммы антоцианов (мг/г абсолютно сухого веса) рассчитывали с применением молярного показателя поглощения цианидин-3-рутинозида в 1%-ном водном растворе HCl, равного 28 840 [14]. Оптическую плотность полученного экстракта измеряли при длинах волн 529 и 650 нм. Поправку на содержание хлорофилла и продуктов его деградации учитывали по следующей формуле:
А = А519 - 0,288 х А^ где А529 и А650 - оптическая плотность экстракта, измеренная при 529 и 650 нм [15].
Кислотный гидролиз антоцианов проводили 2 N соляной кислотой на кипящей водяной бане в течение 30 мин.
Для каждого показателя вычисляли среднее арифметическое и стандартную ошибку среднего арифметического из показателей трех лет исследования [16]. Статистическая обработка полученных данных и построение графиков выполнены в программе Excel 2007 for Windows.
Результаты исследования и обсуждение
Содержание хлорофилла и каротиноидов. Содержание хлорофиллов a и b в листьях и отношение их суммы к содержанию каротиноидов являются надежными показателями физиологического состояния растений и индикаторами стресса. Высокая концентрация хлорофилла характерна для здоровых растений, тогда как содержание каротиноидов, как правило, увеличивается у растений, подверженных стрессу [11, 17].
В течение периода вегетации в оранжерее содержание суммы хлорофил-лов a и b в листьях B. grandis subsp. grandis снижалось от максимального значения 8,6 мг/г в апреле до 2,75 мг/г в июне, в июле наблюдался второй максимум 6,80 мг/г. Затем содержание хлорофиллов уменьшалось до минимума в августе (1,42 мг/г), возрастало к сентябрю (до 4,56 мг/г) и не снижалось до периода покоя в ноябре (рис. 1).
В открытом грунте содержание суммы хлорофиллов варьировало в значительно меньших пределах с максимумом в мае (6,16 мг/г) и минимумом в конце сентября (1,40 мг/г).
Следует отметить, что минимумы содержания хлорофилла в листьях в оранжерее (июнь, август) и в открытом грунте (сентябрь) всегда были связаны со значительным понижением среднесуточной температуры воздуха. Более позднее уменьшение содержания хлорофиллов в открытом грунте, вероятно, связано с большей степенью адаптации растений открытого грунта к экстремальным факторам среды, развившейся за 4 месяца вегетации в этих условиях.
14
12
I 10
£ "
14
12
110
IV
B
V
VI
VII VIII
IX
X
XI
V VI
VII
VIII
IX
X
Рис. 1. Содержание хлорофиллов а (Г), b (■) и каротиноидов (■) в листьях Begonia grandis subsp. grandis в течение периода вегетации в оранжерее (А)и в открытом грунте (B) [Fig.1. Content of chlorophylls ana carotenoids in Begonia grandis subsp. grandis leaves during the growing season in the greenhouse (A) and in the open ground (B)]
Динамика соотношения хлорофилл a / хлорофилл b в условиях оранжереи в целом соответствовала динамике солнечной радиации с максимумом в июне (3,82) (рис. 2). 1С сентябрю происходило уменьшение величины соотношения до минимума (2,12) и далее - незначительное увеличение до к ноябрю. В открытом грунте летом этот показатель был значительно выше (до 4,577 в августе), но к октябрю он уменьшался приблизительно до того же уровня, что и в ораджерее (2,50). Значительно меньший интервал изменения соотношения хлорофиллов а и b в ор анжерет свидетельствует о более стабильном режиме о свещенности.
8
6
в
2
0
8
6
в
7
12 6
4
3
2
S 1
я 1
A
.К
.........У'
/
ЬЧ ■
к
Ч. ----j.
JF4
щ с о 6
s 5
:3
■2
я 1
IV V VI VII VIII IX X
B
XI
-I- Ч х^ч • ■ ^ >
■ • ^r V
—----
—Ъ
V
VI
VII
VIII
IX
X
Рис. 2. Соотношения хлорофилла а + b / каротиноиды (.....) и
хлорофилл a / хлорофилл b (---) влистьях Begoniagrandis subsp. grandis в
течение периода вегетации в оранжгрее (A) и в открытом грунте (ВГ
[Fig.2. Chlorophyll а + b / carotenoids (.....)andchlorophyll a / chlorophyll b (---)ratios in
Begonia grandis subsp. grandis leaves during; 1the growing season in the greenhouse (A) and in the open ground (B)]
Содержание каротиноидов is листьях оранжерейных растений падало с апреля по август с 4 до 0,26 мг/г, а затем увеличивалось к ноябрю до 1,76 мг/г. 13 листьях растений открытого грунта наблюдалась аналогичная динамика с понижением с мая по июль со 1,359 до 0,70 мг/г и повышением к концу сентября до 1,54 мг/г.
13 соответствии с показателями пигментного состава наиболее благоприятным месяцем вегетационного периода в оранжерее является июль. Этот месяц характеризуется высоким содержанием суммы хлорофиллов и максимумом соотношения хлорофилл / каротиноиды. При этом относительно высокая ве-
5
0
7
4
0
личина соотношения хлорофилл а / хлорофилл b (2,83) является показателем определенной избыточности освещения. В осенний период соотношение хлорофилл а / хлорофилл b ближе к оптимуму для фотосинтетического аппарата тенелюбивого растения (2,12-2,59) [11, 18].
Высокая величина соотношения хлорофилл / каротиноиды в августе (5,52) свидетельствует об удовлетворительном физиологическом состоянии оранжерейных растений, несмотря на значительное уменьшение содержания суммы хлорофиллов. Аналогичное резкое снижение содержания хлорофилла отмечено и в листьях растений открытого грунта в сентябре. Однако при этом соотношение хлорофилл / каротиноиды более чем в 4 раза ниже (1,27). Это говорит о снижении физиологического статуса растений открытого грунта, вызванном воздействием низкой температуры. В листьях оранжерейных растений в период с нестабильной температурой не происходит падения соотношения хлорофилл / каротиноиды ниже 3, т.е. в такие периоды физиологический статус оранжерейных растений значительно выше.
Содержание антоцианов. В результате ТСХ гидролизованного экстракта антоцианов листьев B. grandis subsp. grandis было показано наличие только одного агликона - цианидина. Антоциановые компоненты экстрактов в соответствии с величинами Rf характеризуются как ди- и тригликозиды. Основной компонент по хроматографической подвижности соответствует 3-глюкозилрутинозиду цианидина [12].
Спектры поглощения экстрактов антоцианов имеют максимумы 282, 521 нм, характерные для производных цианидина [5], а максимумы спектра поглощения гидролизатов 274, 541 нм соответствуют спектру цианидина [19].
В спектре поглощения экстрактов листьев, собранных в весенний и летний периоды, обнаруживался дополнительный пик 328 нм, что указывает на наличие антоцианов, ацилированных кофейной или феруловой кислотой (рис. 3) [20].
200 300 400 500 600 НМ 200 300 400 500 НМ
Рис. 3. Спектры поглощения экстракта и гидролизата антоцианов листьев Begonia grandis subsp. grandis, находящейся в фазе активного роста в условиях оранжереи. По оси ОХ - длина волны (нм), по оси OY - поглощение [Fig. 3. Absorption spectra of the extract and hydrolyzate of anthocyanins in Begonia grandis subsp. grandis leaves in the phase of active growth in the greenhouse. On X axis - Wave length, (nm), on the Y axis - Absorption]
Соотношение макстгумовА^/А^^^ А440 /А521(33%) свидетельствует о замещении гидроксильнай группы в положен™ 3 иос во]идной еидро -ксильной группев положенвшВ [19], чзотакже подтверждаетногичие в экстракте 3-гликозидов цианидина.
Максимуиы содержтния алгоцианов is листьнн ортнж/^йныи расте-нио Б. g-аси/Оо'т !5ut)S]3. grandis нбблюдаютелвпериодактимногорюставесной (19,08мгГг), вавожстеи о кагщб енехпадовтемпера-
оурыво/снт- (о^,(а и 3,87мг/а /оттоутеттенно), амитогоумз1 — в оптимальных условиях г июле (2,23s мг/г) и при переходе к состоянмю покоя в ноябре (2,75 мг/г) /.ис. И).
25 т
2Н -
IV V VI VII VIII IO о OI
Рис. 4. Содержание антоцианов в листьях Begonia grandis subsp. grandis в течение периода вегетации в оранжерее (Г) и в открытом грунте (■) [Fig. 4. Content of anthocyanins in Begonia grandis subsp. grandis leaves during the growing season in the greenhouse and in the open ground]
Динзмика сожержания знтоцитнов в листьях расаений открытого грунта имеет гналогичный характерт Максимумы содержания наблюдаются в мае после выслдки в грунт Т9,82 мг/г), в августе (3,57 мг/г) и в конце сентября в условиях замороз ков (6,65 ми/г-).
Следует отметить, что в августе-сентябре в открытом грунте, где растения подвергаются более серьезному воздействию низкой температуры, содержание антоцианов в листьях ниже, чем в оранжерее.
Антоцианы в адаптации Begonia grandis subsp. grandis. Для оценки роли антоцианов в адаптации B. grandis subsp. grandis проведено сопоставление динамики содержания антоцианов и основных индикаторов стресса в листьях растений оранжереи и открытого грунта. Динамика этих показателей в оранжерее и в открытом грунте характеризуется значительным понижением содержания хлорофилла, соотношения хлорофилл / каротиноиды и повышением
содержания антоцианов в периоды адаптации растений к перепадам температуры (рис. 4), в благоприятных условиях, наоборот, повышаются содержание хлорофилла, соотношение хлорофилл / каротиноиды и понижается содержание антоцианов.
В листьях оранжерейных растений динамика содержания антоцианов имеет обратный характер по отношению к динамике отношений хлорофилл / анто-цианы и хлорофилл / каротиноиды (минимумы / максимумы в апреле и июле). Минимум содержания антоцианов достигается уже в июне, когда соотношение хлорофилл а / хлорофилл b максимально. Это может свидетельствовать о низкой температуре как основном стрессовом факторе для оранжерейных растений в весенний и осенний периоды.
В листьях растений открытого грунта также наблюдается обратный характер динамики содержания антоцианов по отношению к динамике отношений хлорофилл / антоцианы и хлорофилл / каротиноиды (минимумы / максимумы в июле и в конце сентября). При этом августовское понижение соотношения хлорофилл / каротиноиды и максимум содержания антоцианов совпадают с максимумом отношения хлорофиллов а и b, что может говорить о большем вкладе фактора избыточной освещенности в стрессовое воздействие на растения открытого грунта.
Несмотря на то, что в открытом грунте колебания температуры и освещенности выражены сильнее, интервал изменения содержания антоцианов в листьях растений открытого грунта меньше, чем в листьях оранжерейных растений. Наиболее высокое содержание антоцианов, выявленное в листьях оранжерейных растений в весенний период, вероятно, связано с защитой незрелого фотосинтетического аппарата в молодых клетках [21]. Интенсивность солнечной радиации в начале апреля значительно выше, чем в зимние месяцы, поэтому отсутствие защитного экрана может служить причиной повышения стрессовой нагрузки на растения. Об этом свидетельствует относительно высокая величина отношения хлорофиллов a и b, достигающая 3. Относительно благоприятное состояние растений в целом описывается высокой величиной отношения хлорофилл / каротиноиды. В открытый грунт высаживают адаптированные к условиям оранжереи растения, вегетирующие уже 3 месяца, их адаптация к условиям открытого грунта не сопровождается значительным повышением содержания антоцианов.
Для оценки зависимости содержания антоцианов от условий выращивания проведено сравнение диапазонов изменения показателей листьев растений из оранжереи и открытого грунта в сопоставимые периоды (май-октябрь).
Рост содержания антоцианов в листьях при понижении температуры воздуха в открытом и закрытом грунте, сопровождающийся падением при минимальном воздействии стрессового фактора, а также минимальное содержание антоцианов в листьях оранжерейных растений в ноябре подтверждают тот факт, что содержание антоцианов в значительной степени опреде-
ляется соответствием условий произрастания физиологическому оптимуму вида. При развитии низкотемпературного стресса падение отношения хлорофилл / каротиноиды с июля по октябрь наиболее существенно в листьях растений открытого грунта (с 5,25 до 0,91) по сравнению с оранжерейными растениями (с 6,23 до 3,19). Однако содержание антоцианов в листьях оранжерейных растений в августе и сентябре всегда значительно выше (на 2550%), чем в листьях растений открытого грунта. Таким образом, в условиях воздействия низкой температуры значительно больше антоцианов содержат листья оранжерейных растений, находящихся в более благоприятных условиях и имеющих более высокий физиологический статус.
Этот факт согласуется с представлениями об антоцианах как менее эффективных компонентах защиты по сравнению с другими флавоноидами, например флавонолами. По мнению большинства исследователей, основной функцией антоцианов является снижение интенсивности процессов фотоинги-бирования и фотоокисления в ювенильных, стареющих листьях и листьях растений, находящихся в условиях стресса [22]. Механизм индукции биосинтеза антоцианов еще не вполне выяснен. Важнейшими факторами, вызывающими накопление антоцианов, являются низкая температура, свет, минеральное питание. При этом ответ на воздействие факторов и их комплексов является ви-доспецифичным в значительной степени [23]. Полученные результаты говорят о том, что накопление антоцианов при развитии низкотемпературного стресса не является эволюционно выработанной стратегией B. grandis subsp. grandis. И можно предположить, что при повышении стрессовой нагрузки синтез антоцианов в листьях B. grandis subsp. grandis замедляется, в то время как увеличивается содержание главных компонентов защиты [23, 24].
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о более низком содержании антоцианов в листьях растений в открытом грунте, т.е. при более сильном стрессовом воздействии низкой температуры. Следовательно, содержание антоцианов в листьях B. grandis subsp. grandis само по себе не является показателем стресса растений. Более информативным показателем, аналогичным соотношению хлорофилл / каротиноиды, является соотношение хлорофилл / антоцианы. Характер динамики этих показателей очень близкий. В периоды адаптации соотношение хлорофилл / антоцианы значительно падает до минимальных значений 0,2-0,3, в благоприятные периоды - возрастает. Максимальное его значение составляло 4,21 (открытый грунт, июль) (рис. 5).
Красное окрашивание абаксиальной стороны листьев, выраженное на всей поверхности или только по жилкам, является одним из признаков таксона B. grandis subsp. grandis [3]. Постоянно высокая концентрация антоци-анов обеспечивает защиту фотосинтетического аппарата листьев растений этого таксона, приспособленных к росту под пологом леса, от избыточной освещенности [25]. Однако содержание этих компонентов в листьях изменяется в течение вегетационного периода.
Рис. 5. Динамика соотношений хлорофилл / каротиноиды (.....)и хлорофилл / антоцианы
(--) в листьяхBegoniagrandis subop. urandis в оранжерее (A) и в открытом грунте (B)
[Fig. 5. Dynamics of chlorophyll / carotenoids (.....) and chlorophyll / anthoeyanins (--) radios
in Begonia grandis subsp. grandis leaves in the greenhouse (At) and in the open ground (B)]
Значительное повышение содержания антоцианов в период активного роста весной свидетельствует об аккумуляции растением компонентов защиты фотосинтетического аппарата молодых листьев в период высокой освещенности в весенние месяцы. Относительно высокое содержание антоцианов в зрелых листьях в осенние месяцы говорит о вовлеченности этих соединений в защитные реакции на воздействие низких температур. Подтверждением этого предположения является невысокое содержание антоцианов при переходе растений к состоянию покоя в благоприятных условиях оранжереи.
A
5,0
§ :
Щ е
и
B
ЕЕ =
¡S 13 g 8 S Ё
8 i
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
I
I
Рис. 6. Содержание антоцианов (■), хлорофилла а (■), хлорофилла b (Г) и каротиноидов (Г) (А) и соотношений хлорофилл / антоцианы (■), хлорофилл а / хлорофилл b (Г) и хлорофилл / каротиноиды (Г) (В) в листьях растений Begonia grandis subsp. grandis, переходящихк состоянию покоя в оранжерее. Условныеобозначения: N— здоровыелистьябезучастковнекроза,№- листьясучасткаминекроза
[Fig. 6. Content of anthocynians, chlorophyll a, chlorophyll b and carotenoids (A) and chlorophyll / anthocyanins, chlorophyll a / chlorophyll b and chlorophyll / carotenoids (B) ratios in Begonia grandis subsp. grandis leaves transitioning to dormant state in the greenhouse.
Legend: N-healthyleaveswithoutareasof necrosis,N+ leaveswith areasofnecrosis]
Состав пигментов листьев растений, переходящих к состоянию покоя. При интродукции в условиях Западнойй Сибири жизненный! цикл растений соответствует природному только в условияхоранжереи. Переход к состоянию покоя и отмирание надземной части ртстений B. grandis subsp. grandis в условиях естественного ареала (Китай) происходит с наступлением осени в октябре-ноябре после завершения цветения и завязывания плодов [25]. У растений в открытом грунте в условиях) Западной Сибири под воздействием заморозков в сентябре происходит отмирание надземной части цветущих растений, которые еще не реализовали большую часть потенциала, и фаза перехода к состоянию покоя у них отсутствует.
Исследование пигментного состава листьев растений, переходящих к состоянию покоя в оранжерее, показало, что в этот период растения характеризуются значительным содержанием хлорофилла (рис. 6).
Соотношения хлорофилл a / хлорофилл b и хлорофилл / каротиноиды в листьях с участками некроза ниже, чем в здоровых. Содержание антоцианов и соотношение хлорофилл / антоцианы при развитии некроза существенно не изменяются.
Пигментный состав листьев растений B. grandis subsp. grandis, переходящих к состоянию покоя, свидетельствует об их относительно высоком физиологическом статусе. Таким образом, переход к состоянию покоя B. grandis subsp. grandis при интродукции в оранжерее не сопровождается значительным уменьшением содержания хлорофилла и накоплением антоцианов, обнаруженным у многих растений [22]. Это может быть связано с некоторым замедлением перехода к состоянию покоя, вызванным отсутствием сигнальных факторов старения надземной части растения (снижение температуры, влажности почвы и воздуха, сокращение продолжительности светового дня).
Выводы
Впервые изучена динамика содержания пигментов листьев (хлорофил-лов a и b, каротиноиды, антоцианы) и показателей физиологического состояния (соотношения хлорофилл a / хлорофилл b, хлорофилл / каротиноиды, хлорофилл / антоцианы) в течение сезона вегетации у растений B. grandis subsp. grandis, интродуцированных в Западной Сибири (г. Новосибирск) в условиях оранжереи и открытого грунта.
Весенний период активного роста характеризуется максимальными показателями содержания хлорофилла (8-9 мг/г), антоцианов (18-20 мг/г) и кароти-ноидов (4-5 мг/г).
Характер динамики пигментов в оранжерее и открытом грунте в сопоставимые периоды (с мая по конец сентября) аналогичен. Содержание хлорофилла варьирует от более 6 мг/г в благоприятных условиях до 1,4 мг/г в периоды перепадов температуры и заморозков. Динамика каротиноидов и антоцианов противоположна динамике хлорофилла, минимумы наблюдаются в июне-июле (0,3-0,7 и 1-2 мг/г соответственно), а максимумы - в условиях перепадов температур (1-2 и 2-9 мг/г).
Соотношение хлорофиллов a и b в листьях оранжерейных растений на протяжении практически всего периода вегетации находится в интервале, оптимальном для тенелюбивых растений 2,12-3,01, а в листьях растений открытого грунта в летний период наблюдается рост этого показателя значительно выше оптимума, что свидетельствует о не всегда благоприятном режиме освещенности.
В условиях воздействия низкой температуры значительно больше антоциа-нов содержат листья оранжерейных растений, находящихся в более благопри-
ятных условиях и имеющих более высокий физиологический статус, чем растения открытого грунта.
Для периодов адаптации B. grandis subsp. grandis характерны более низкие величины соотношений хлорофилл / каротиноиды (1,3-4,4) и хлорофилл / антоцианы (0,3-1,0) в листьях по сравнению с благоприятными периодами (5,5-6,2 и 2-2,1 соответственно).
Переход к состоянию покоя B. grandis subsp. grandis при интродукции в оранжерее не сопровождается значительным уменьшением содержания хлорофилла и накоплением антоцианов.
Литература
1. Chalker-Scott L. Environmental significance of anthocyanins in plant stress responses //
Photochemistry and photobiology. 1999. Vol. 70, № 1. P. 1-9.
2. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н., Бессережнова М.И. Реакция пигментной и антиоксидантной систем растений на загрязнение окружающей среды г Калининграда выбросами автотранспорта // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 2 (18). С. 171-185.
3. Gu C., Peng C.-I, Turland N.J. Begoniaceae. Flora of China. Vol. 13 (Clusiaceae -Araliaceae) / ed. by Wu Z.Y., Raven P. H., Hong D.Y. 2007. Science Press, Beijing, and Missouri Botanical Garden Press, St. Louis. P. 176.
4. Harborne J.B., Hall E. Plant polyphenols-XIII. The systematic distribution and origin of
anthocyanins containing branched trisaccharides // Phytochemistry. 1964. Vol. 3, № 3. P. 453-463.
5. Chirol N., Jay M. Acylated anthocyanins from flowers of Begonia // Phytochemistry. 1995.
Vol. 40, № 1. P. 275-277.
6. Gould K.S., Kuhn D.N., Lee D.W., Oberbauer S.F. Why leaves are sometimes red // Nature.
1995. Iss. 378. P. 241-242.
7. LanghammerL., GrandetM. Über die Verbreitung eines seltenen Anthocyans in der Familie
der Begoniaceae // PlantaMedica. 1974. Vol. 26, iss. 7. P. 260-268.
8. Киселёва А.П. Метеорологические условия в районе Центрального сибирского ботанического сада в 1966-1972 гг. // Ритмы развития и продуктивности полезных растений сибирской флоры. Новосибирск, 1975. С. 164-176.
9. Климат России / под ред. Н.В. Кобышевой. СПб. : Гидрометеоиздат, 2001. 655 с.
10. Фершалова Т.Д., Байкова Е.В. Интродукция бегоний в оранжереях и интерьерах. Новосибирск : Гео, 2013. 157 с.
11. Lichtenthaler H.K., Buschmann C. Chlorophylls and Carotenoids: Measurement and Characterization by UV-VIS Spectroscopy / In: Current Protocols in Food Analytical Chemistry. F4.3.1-F4.3.8. N.Y. : John Wiley&Sons, 2001.
12. Blando F., Gerardi C., Nicoletti I. Sour Cherry (Prunus cerasus L.) Anthocyanins as Ingredients for Functional Foods // Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2004. Vol. 5. P. 253-258.
13. Lopes da Silva F., Escribano-Bailón M.T., Alonso J.J.P., Rivas-Gonzalo J.C., Santos-Buelga C. Anthocyanin pigments in strawberry // LWT-Food Science and Technology. 2007. Vol. 40, № 2. P. 374-382.
14. Horbowicz M., Mioduszewska H., Koczkodaj D., Saniewski M. The effect of methyl jasmonate and phenolic acids on growth of seedlings and accumulation of anthocyanins in common buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) // ActaAgrobotanica. 2009. Vol. 62, № 1. P. 49-56.
15. Sims D.A., Gamon J.A. Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species, leaf structures and developmental stages // Remote Sensing of Environment. 2002. Vol. 81. P. 337-354.
16. Зайцев Г.Н. Математический анализ биологических данных. М. : Наука, 1991. 184 с.
17. Kancheva R., Borisova D., Georgiev G. Chlorophyll assessment and stress detection from vegetation optical properties // Ecological Engineering and Environment Protection. 2014. № 1. P. 34-43.
18. Burritt D.J., Mackenzie S. Antioxidant metabolism during acclimation of Begonia x erythrophylla to high light levels // Annals of Botany. 2003. Vol. 91. P. 783-794.
19. Harborne J.B. Spectral methods of characterizing anthocyanins // Biochem. J. 1958. Vol. 70. P. 22-28.
20. Escribano-Bailón M.T., Santos-Buelga C., Rivas-Gonzalo J.C. Anthocyanins in cereals // Journal of Chromatography A. 2004. Vol. 1054. P. 129-141.
21. Karageorgou P., Manetas Y. The importance of being red when young: anthocyanins and the protection of young leaves of Quercus coccifera from insect herbivory and excess light // Tree Physiology. 2006. Vol. 26. P. 613-621.
22. Merzlyak M.N., Chivkunova O.B., Solovchenko A.E., Naqvi K.R. Light absorption by anthocyanins in juvenile, stressed, and senescing leaves // Journal of Experimental Botany. 2008. Vol. 59, № 14. P. 3903-3911.
23. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н. Природные антиоксиданты (экологический аспект). Калининград : Изд-во БФУ им. И. Канта, 2011. 111 с.
24. Solovchenko A., Schmitz-Eiberger M. Significance of skin flavonoids for UV-B-protection in apple fruits // Journal of Experimental botany. 2003. Vol. 54, № 389. P. 1977-1984.
25. TebbittM.C. Begonias: cultivation, identification, and natural history. Portland, 2005. 270 p.
Поступила 24.12.2015 г.; повторно 28.02.2016г.; принята 10.03.2016г.
Авторский коллектив:
Карпова Евгения Алексеевна - канд. биол. наук, с.н.с. лаборатории фитохимии Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (г Новосибирск, Россия). E-mail: [email protected]
Фершалова Татьяна Дмитриевна - канд. биол. наук, н.с. группы ландшафтной архитектуры и дизайна Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (г. Новосибирск, Россия). E-mail: [email protected]
Karpova EA, Fershalova TD. Dynamics of leaf pigments content of Begonia grandis Dryander subsp. grandis introduced in West Siberia (Novosibirsk). Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal ofBiology. 2016;1(33):140-158. doi: 10.17223/19988591/33/9. In Russian, English summary
Evgeniya A. Karpova, Tatyana D. Fershalova
Central Siberian Botanical Garden, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russian Federation
Dynamics of leaf pigments content of Begonia grandis Dryander subsp. grandis introduced in West Siberia (Novosibirsk)
The aim of this work was to study the dynamics of pigment content in leaves (chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoids and anthocyanins) and indicators of physiological state (chlorophyll a/b ratio, chlorophyll a+b/total carotenoids, chlorophyll a+b/ anthocyanins) during the growing season of B. grandis subsp. grandis plants,
introduced in Western Siberia (Central Siberian Botanical Garden, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Novosibirsk) in the greenhouse and the open ground. We determined pigment content in fresh leaves by the spectrophotometric method. We measured the absorption of ethanol extracts at 649 nm, 664 nm and 470 nm (chlorophylls, carotenoids) and aqueous extracts acidified with hydrochloric acid at 529 nm and 650 nm (anthocyanins). We studied anthocyanin composition by the thin layer chromatography on Silufol plates of 15 x15 cm in the solvent systems chloroform -ethyl acetate - formic acid - water 24 : 20: 16: 1 and chloroform - ethanol - formic acid 9:1:0.5.
We found maximum values of chlorophyll a+b (8-9 mg/g dry weight), anthocyanins (18-20 mg/g) and total carotenoids (4-5 mg/g) during the spring period of active growth. We established that the dynamics of pigments in the greenhouse and the open ground from May to the end of September were similar. Chlorophyll a+b content ranges from 6 mg/g and above in a favorable environment to 1.4 mg/g during periods of temperature drops and frost. Dynamics of carotenoids and anthocyanins are opposite to the dynamics of chlorophyll, minimal values are seen in June-Julay (0.3-0.7 mg/g and 1.2 mg/g, respectively), while maximal values are observed in the conditions of temperature drops (1-2 mg/g and 2-9 mg/g). We found that anthocyanin content under low temperature conditions was higher in leaves of greenhouse plants being under more favorable conditions and having higher physiological status than plants of open ground. We revealed that ratio values of chlorophyll a+b/total carotenoids (1,3-4,4) and chlorophyll a+b / anthocyanins (0.3-1.0) in leaves for a period of B. grandis subsp. grandis adaptation were lower in comparison to the favorable period (5,5-6,2 and 2-2 1, respectively). We demonstrated that the transition to a dormant phase of B. grandis subsp. grandis introduced in the greenhouse was not accompanied by a significant decrease in chlorophyll content and accumulation of anthocyanins. The article contains 6 Figures, 1 Table, 25 References.
Key words: Begonia grandis subsp. grandis; adaptations; chlorophyll a+b; carotenoids; anthocyanins.
References
1. Chalker-Scott L. Environmental significance of anthocyanins in plant stress responses. Photochemistry andphotobiology. 1999;70(1):1-9.
2. Tchoupakhina GN, Maslennikov PV, Skrypnik LN, Besserezhnova MI. Reaction of pigmental
and antioxidant systems of plant on environmental pollution of Kaliningrad by motor transport emission. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2012;2(18):171-185. In Russian, English summary
3. Gu C, Peng CI, Turland NJ. Begoniaceae. In: Flora of China. Vol. 13 (Clusiaceae -Araliaceae). Wu ZY, Raven PH, Hong DY, editors. Beijing: Science Press and St. Louis: Missouri Botanical Garden Press; 2007. P. 153-207.
4. Harborne JB, Hall E. Plant polyphenols. XIII. The systematic distribution and origin of
anthocyanins containing branched trisaccharides. Phytochemistry. 1964;3(3):453-463.
5. Chirol N, Jay M. Acylated anthocyanins from flowers of Begonia. Phytochemistry. 1995;40(1):275-277.
6. Gould KS, Kuhn DN, Lee DW, Oberbauer SF. Why leaves are sometimes red. Nature.
1995;378:241-242.
7. Langhammer L, Grandet M. Über die Verbreitung eines seltenen Anthocyans in der Familie
der Begoniaceae. PlantaMedica. 1974;26(7):260-268. doi: 10.1055/s-0028-1099385
8. Kiseleva AP. Meteorologicheskie usloviya v rayone Tsentral'nogo sibirskogo botanicheskogo
sada v 1966-1972 gg [Weather conditions in the Central Siberian Botanical Garden area in 1966-1972]. In: Ritmy razvitija i produktivnosti poleznyh rastenij sibirskoj flory [Rhythms of development and productivity of useful plants of Siberian flora]. Novosibirsk: Nauka, Siberian Branch Publ.; 1975. рр. 164-176. In Russian
9. Klimat Rossii [Climate of Russia]. Kobysheva NV, editor. St Petersburg: Gidrometeoizdat
Publ.; 2001. 655 p. In Russian
10. Fershalova TD, Baykova EV. Introduktsiya begoniy v oranzhereyakh i inter'erakh [Introduction of Begonia in greenhouses and interiors]. Koropachinskiy IYu, editor. Novosibirsk: Geo Publ.; 2013. 157 p. In Russian.
11. Lichtenthaler HK, Buschmann C. Chlorophylls and Carotenoids: Measurement and Characterization by UV-VIS Spectroscopy. In: Current Protocols in Food Analytical Chemistry. F4.3.1-F4.3.8. New York: John Wiley&Sons;2001. Available at: http://www. thyssen-web.de/assets/files/fd_documents/sp_buche/uv_vis_pigmente.pdf (accessed 03.02.2016).
12. Blando F, Gerardi C, Nicoletti I. Sour Cherry (Prunus cerasus L.) Anthocyanins as Ingredients for Functional Foods. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2004;5:253-258. doi: 10.1155/S1110724304404136
13. Lopes da Silva F, Escribano-Bailón MT, Alonso JJP, Rivas-Gonzalo JC, Santos-Buelga C. Anthocyanin pigments in strawberry. LWT-Food Science and Technology. 2007;40(2):374-382. doi: 10.1016/j.lwt.2005.09.018
14. Horbowicz M, Mioduszewska H, Koczkodaj D, Saniewski M. The effect of methyl jasmonate and phenolic acids on growth of seedlings and accumulation of anthocyanins in common buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench). Acta Agrobotanica. 2009;62(1):49-56.
15. Sims DA, Gamon JA. Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species, leaf structures and developmental stages. Remote Sensing of Environment. 2002;81:337-354.
16. Zaicev GN. Matematicheskiy analiz biologicheskikh dannykh [Mathematical analysis of biological data]. Moscow: Nauka Publ.; 1991. 184 p. In Russian
17. Kancheva R, Borisova D, Georgiev G.Chlorophyll assessment and stress detection from vegetation optical properties. Ecological Engineering and Environment Protection. 2014;1:34-43.
18. Burritt DJ, Mackenzie S. Antioxidant metabolism during acclimation of Begonia x erythrophylla to high light levels. Annals of Botany. 2003;91:783-794.
19. Harborne JB. Spectral methods of characterizing anthocyanins. Biochem. J. 1958;70:22-28.
20. Escribano-Bailón MT, Santos-Buelga C, Rivas-Gonzalo JC. Anthocyanins in cereals. Journal of Chromatography A. 2004;1054:129-141.
21. Karageorgou P, Manetas Y. The importance of being red when young: anthocyanins and the protection of young leaves of Quercus coccifera from insect herbivory and excess light. Tree Physiology. 2006;26:613-621. doi: 10.1093/treephys/26.5.613
22. Merzlyak MN, Chivkunova OB, Solovchenko AE, Naqvi KR. Light absorption by anthocyanins in juvenile, stressed, and senescing leaves. Journal of Experimental Botany. 2008;59(14):3903-3911. doi: 10.1093/jxb/ern230
23. Chupakhina GN, Maslennikov PV, Skrypnik LN. Prirodnye antioksidanty (ekologicheskiy aspekt): monografiya [Natural antioxidants (ecological aspect)]. Kaliningrad: University of Immanuel Kant Publ.; 2011. 111 p. In Russian
24. Solovchenko A, Schmitz-Eiberger M. Significance of skin flavonoids for UV-B-protection in apple fruits. Journal of experimental botany. 2003;54(389):1977-1984.doi: 10.1093/jxb/ erg199
25. Tebbitt MC. Begonias: cultivation, identification, and natural history. Portland; Timber Press, 2005. 270 p.
Received 24 December, 2015; Revised 28 February, 2016; Accepted 10 March, 2016
Author info:
Karpova Evgeniya A, Cand. Sci. (Biol.), Senior Researcher, Laboratory of Phytochemistry, Central Siberian Botanical Garden, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 101 Zolotodolinskaya Str., Novosibirsk 630090, Russian Federation. E-mail: [email protected]
Fershalova Tatyana D, Cand. Sci. (Biol.), Researcher, Group of Landscape Architecture and Phytodesign, Central Siberian Botanical Garden, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 101 Zolotodolinskaya Str., Novosibirsk 630090, Russian Federation. E-mail: [email protected]
