CC BY
59
ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОСТАВА ТЕРПЕНТИННЫХ МАСЕЛ ХВОИ И УСТОЙЧИВОСТЬ КЛОНОВЫХ ПЛАНТАЦИЙ И ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КУЛЬТУР СОСНЫ В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Вячеслав Вениаминович Тараканов
Западно-Сибирский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (ЗСФ ИЛ СО РАН), 630082, Новосибирск, а/я 45, ул. Жуковского 100/1, доктор с.-х. наук, директор, тел. (383) 227 3330, e-mail: vvtarh@yandex .ru
Алексей Васильевич Ткачев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН (НИОХ СО РАН), 630090, Новосибирск, Академгородок, пр. Академика Лаврентьева, 9, профессор, доктор химических наук, зав. лабораторией, тел. (383) 330 8852, e-mail: [email protected]
Людмила Ивановна Кальченко
Филиал ФГУ «Рослесозащита» «Центр защиты леса Алтайского края» (ЦЗЛ Алтайского края), 656056, г. Барнаул, ул. Пролетарская ,61, нач. отдела, тел. (3852) 63-68-20, e-mail: [email protected]
Вадим Михайлович Ефимов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН), 630090, Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева, 10, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (ТГУ), 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, профессор, доктор биологических наук, ведущий науч. сотр., тел. (383) 363-4969*1319, e-mail: [email protected]
Роман Владимирович Роговцев
Филиал ФГУ «Рослесозащита» «Центр защиты леса Новосибирской области» (ЦЗЛ Новосибирской области), 630015, Новосибирск, ул. Гоголя, 221, нач. отдела, тел. (383) 279 93 55, e-mail: [email protected]
Методом газожидкостной хроматографии оценен состав терпентинных масел хвои на двух клоновых плантациях и у 12 климатипов в географических культурах сосны обыкновенной, произрастающих в условиях Среднеобского бора Западной Сибири. Подтверждена высокая наследуемость содержания альфа-пинена и дельта-3-карена в составе масел на одной из плантаций, на которой отсутствуют признаки поражения деревьев грибными заболеваниями. На другой клоновой плантации выявлен очаг корневой губки и существенное повышение содержания дельта-3-карена в составе терпентинных масел. Высказано предположение, что в дифференциацию климатипов сосны в географических культурах по исследуемым параметрам существенный вклад вносят не только наследственные особенности климатипов, но и степень их поражения грибными инфекциями.
Ключевые слова: сосна обыкновенная, клоны плюсовых деревьев, географические культуры, состав терпентинных масел, устойчивость, грибные болезни.
VARIABILITY OF MAINTENANCE OF A-PINENE AND A3-CARENE IN STRUCTURE OF NEEDLES ETHER OILS AND THE RESISTANCE SEED ORCHARDS AND PROVENANCE TRIALS OF SCOTS PINE IN WESTERN SIBERIA
Vyacheslav V. Tarakanov
West-Siberian Branch of V. N. Sukachev Institute of Forest, 100/1, Zhukovsky St., P.O. Box 45, 630082 Novosibirsk, Russian Federation, Doctor of agricultural sciences, Director, ph. (383) 227 3330, e-mail: [email protected]
Alexey V. Tkachev
Novosibirsk Institute of Organic Chemistry SB RAS, 630090, Prospekt Lavrentyeva 9, Novosibirsk, Russian Federation, Prof., The chief of laboratory, ph. (383) 330 8852, e-mail: [email protected]
Lyudmila I. Kalchenko
Branch of FSE “Roslesozashita” “Forest Protection Center of Altay territory”, chief of a department, 630015, Barnaul, Proletarskaya st., 61, Ph. (3852) 63-68-20, e-mail: [email protected]
Vadim M. Efimov
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, 630090, Prospekt Lavrentyeva 10, Novosibirsk, Russian Federation, Prof., The leading scientific worker, ph. (383) 363-4969*1319, e-mail: [email protected]
Roman V. Rogovtsev
Branch of FSE “Roslesozashita” “Forest Protection Center of Novosibirsk region”, chief of a department, 630015, Novosibirsk, Gogol's street, 221, Ph. (383) 279 93 55, e-mail: [email protected]
о
High heritability of the maintenance of a-pinene and A -carene in structure of Scots Pine needles ether oils in homogeneous conditions of one of plantations on which there are no attributes of defeat of trees by fungi diseases is confirmed. On other clonal plantation the infection focus of a root rot and essential increase of the maintenance A3-carene in structure of ether oils is revealed. It is assumed, that in differentiation of pine climatypes in geographical cultures at investigated parameters bring the essential contribution not only hereditary features of the climatypes, but also a degree of their defeat by fungi infections
Key words: Scots pine, clones of plus-trees, provenance trials, structure of ether oils, resistance, fungi infections.
Анализ состава монотерпеновой фракции эфирных масел применяется при анализе генетической структуры хвойных видов, филогенетических построениях и в селекционных целях. Положительными сторонами этого метода являются: 1) существенная генетическая обусловленность изменчивости
-5
по меньшей мере некоторых компонентов терпентинных масел - напр., А -карена (далее по тексту 3-карена) и a-пинена [Проказин и др., 1975; Hiltunen, 1976; Бауманис и др., 1978; Чернодубов, Дерюжкин, 1990; Тараканов и др., 2004]; 2) предположительно адаптивный характер изменчивости состава терпентинных масел [Полтавченко, Рудаков, 1973; Чудный, 1978; Терпеноиды ..., 1978; Чернодубов, Дерюжкин, 1990]. В частности, показано, что «3-
каренистые» деревья более устойчивы к корневой губке [Чернодубов, Дерюжкин, 1990]. Следовательно, изучение состава монотерпенов может дать ценную косвенную информацию о генетической основе устойчивости сосны к возбудителям болезней, что крайне актуально в связи с повышением частоты грибных инфекций в условиях потепления климата в Сибири в последние десятилетия [Павлов и др., 2011].
Целью настоящего исследования являлась характеристика изменчивости состава терпентинных масел хвои на клоновых плантациях и в географических культурах сосны, созданных в Западной Сибири. При этом были поставлены задачи: 1) оценить наследуемость состава терпентинных масел хвои в условиях клоновых плантаций; 2) выявить степень дифференциации климатипов сосны в географических культурах.
Исследования проведены на клоновых плантациях сосны обыкновенной Pinus sylvestris L., созданных привитыми саженцами плюс-деревьев по стандартной технологии в Озерском лесничестве Алтайского края: лесосеменной плантации 1988 и архива клонов 1996 годов закладки. На этих плантациях было изучено около 80 клонов. Кроме этих объектов задействованы 12 потомств географических популяций этого же вида ("климатипов"), выращиваемых в географических культурах Сузунского лесхоза Новосибирской области (табл.1). Культуры были созданы в 1976 г. по стандартной технологии. На каждый климатип анализировали по 50 случайно отобранных деревьев. Полное описание объектов можно найти в работах [Тараканов и др., 2001; Роговцев и др., 2008].
Заготовку побегов с хвоей осуществляли в зимний период, со средней части южного сектора кроны. Монотерпеновую фракцию терпентинных масел выделяли из 2-х летней хвои. Состав масел анализировали методом газовой хроматографии на короткой капиллярной колонке в НИОХ СО РАН. Детали методик описаны в [Ткачев, 2008]. Для целей настоящего исследования было проанализировано около 700 образцов.
Остановимся на результатах исследований по первой из поставленных задач. Проверка уровня наследуемости различных компонентов, выполненная на 35 раметах 12 клонов лесосеменной плантации 1988 г. (ЛСП-88), подтвердила вывод о том, что наилучшими генетическими маркерами монотерпеновой фракции являются а-пинен, 3-карен и их индекс (табл. 2). Отметим близость полученных оценок с более ранними [Тараканов и др., 2004], несмотря на различия во времени исследований (около 8 лет), объектах (изучены различные выборки клонов) и некоторые отличия в методах анализа состава масел. Также подчеркнем, что данная ЛСП отличается хорошим санитарным состоянием привитых деревьев, на которых не обнаружено признаков грибных заболеваний.
Вторая клоновая плантация (архив клонов 1996 г. - АК-96) размещена на другой площади, в пределах которой было зафиксированы небольшие очаги усыхающих деревьев неясной этиологии. Тем не менее, она была взята в исследования, поскольку характеризуется большим представительством клонов (около 45), 12 из которых произрастают также и на рассмотренной выше
плантации ЛСП-88. Последнее обстоятельство создает возможность для изучения изменчивости состава терпентинных масел хвои в 2-х факторной схеме "клоны-плантации" (табл.3).
Таблица 1. Местоположение районов происхождения семян, использованных для закладки географических культур сосны в Новосибирской области
№ климатипа Регион Лесхоз Географические координаты (град., мин)
с.ш. в.д.
4 Архангельская Плесецкий 63°20' 41°05'
54 Тамбовская Челнавский 5 2 о 3 6 О
55 Воронежская Воронежский 51°40' 39°08'
65 Татарстан Зеленодольский 55°20' 55°36'
66 Кировская Вятско-Полянский 58°10' 50°10'
81 Тюменская Сургутский 61°15' 71°30'
86 Новосибирская Сузунский 53°45' 82°20'
87 Новосибирская Болотнинский 55°40' 84°24'
92 Алтайский Чемальский 51°18' 83°35'
94 Красноярский Богучанский 59°36' 97°24'
103 Красноярский Енисейский 58°27' 92°10'
105 Тыва Балгазынский 51°05' 95°
Таблица 2. Доли влияния клонов в общей дисперсии компонентов монотерпеновой фракции терпентинных масел хвои, %
Компонент По данным настоящего исследования По данным [Тараканов и др., 2004; минимальные оценки из табл. 3]
а-пинен 85,8 86,1
3-карен 84,6 95,4
а-пинен/3 -карен 88,0 69,3
камфен 43,9 49,4
Р-пинен 19,8 0
лимонен+Р-фелландрен 0,0 -
лимонен - 0
Р-фелландрен - 0
Жирным шрифтом выделены статистически значимые оценки (Р < 0,01)
Полученный результат контрастирует с данными табл.2 по причине сильного снижения - почти на порядок (!) - доли влияния клонов. При этом на влияние экологического фактора "плантация" приходится около 90 % всей наблюдаемой изменчивости. Сопоставление состава масел на различных плантациях показывает, что у всех клонов в условиях плантации АК-96 в сравнении с ЛСП-88 достоверно увеличилось содержание 3-карена (с 32,5±0,27 до 35,8±0,10 %; Р<0.001) при одновременном достоверном снижении содержания а-пинена (с 62,3±0,30 до 58,5±0,14 %; Р<0.001). Столь необычный
результат для "генетически маркерных" признаков свидетельствует о появлении какого-то нового и весьма "агрессивного" экологического фактора на плантации "АК-96”.
Таблица 3. Доли влияния факторов (%), вычисленные по результатам 2факторного дисперсионного анализа содержания преобладающих компонентов терпентинного масла хвои 12 клонов, произрастающих на различных плантациях. Влияние обоих факторов и их взаимодействия достоверно для всех
признаков при Р<0.001
Источник изменчивости а-пинен 3-карен 3 -карен/а-пинен
Клоны 7,2 12,2 11,0
Плантации 90,2 85,6 87,2
Взаимодействие 1,4 1,8 1,7
Остаточный 1,2 0,4 0,1
Итого 100,0 100,0 100,0
Поскольку высокое содержание 3-карена ассоциируется с устойчивостью к корневой губке [Чернодубов, Дерюжкин, 1990], можно предположить, что этим фактором является инфицирование деревьев данным патогеном. Как известно, диагностика корневой губки в Сибири затруднена отсутствием на больных деревьях плодовых тел гриба [Павлов и др., 2011]. Создание условий, провоцирующих их развитие на пеньках от усохших деревьев (тепло и влага) на плантации АК-96, привело к усиленному развитию мицелия гриба, видовой статус которого пока не диагностирован (исследование осуществляется в филиале ФГУ "Рослесозащита" ЦЗЛ по Алтайскому краю под руководством Л.И. Кальченко). Тем не менее, этот результат косвенно подтверждает предположение о существенном влиянии на состав терпентинных масел не только наследственных особенностей деревьев, но и грибной инфекции.
Второй этап анализа заключался в оценке характера дифференциации изученных клонов и климатипов сосны методами многомерной статистики. Он выявил принципиально сходную картину: подразделение на 2 совокупности как в выборке клонов, так и в выборке климатипов (рис. 1, 2).
Рис. 1. Дифференциация клонов на плантациях приобской сосны АК-96 и ЛСП-88 в плоскости 1- 2 главных компонент на фоне различных климатипов ("0"). По данным анализа состава терпентинных масел хвои
гсаііегріоі (Терпены_а11-3.з1а 21у*584с)
- 0
-3
-4
* Ж 45 *1 *
* д ь. ш * 9
«-» ж»Г • • • * * п ■ ■ ■ % СП А «
А & * '*1, о, ^ + Й* □ °°° ^ □
-1 0 1 Расіогі Расіог эсогез Гог Гасіог 1
о Шифр
□ Шифр
♦ Шифр Д Шифр
* Шифр ■ Шифр
♦ Шифр а Шифр + Шифр ж Шифр
* Шифр
□ Шифр
партии:4 партии: 54 партии: 55 партии: 65 партии: 66 партии: 81 партии: 86 партии: 87 партии: 92 партии:94 партии:103 партии:105
Рис. 2. Дифференциация различных климатипов сосны в плоскости 1-2 главных компонент. По данным анализа состава терпентинных масел хвои
В выборке клонов многомерный анализ практически дифференцирует различные клоновые плантации: 1) ЛСП-88, которая отличается нормальным санитарным состоянием; 2) АК-96, на которой отмечены усыхающие деревья. Отметим, что при многомерном анализе дифференциация наблюдается именно по 1-й компоненте, отражающей соотношение между 3-кареном и а-пиненом. О чем говорит сходный характер диффиренциации климатипов, происходящих из самых разных точек ареала сосны? Столь похожий результат на столь
различных системах объектов скорее всего свидетельствует об общей причине этой дифференциации. Наиболее вероятно, что ею является наличие/отсутствие грибной инфекции. Во всяком случае, 3 из 4-х климатипов, сосредоточенных в правой части рис.2 (Сургутский 81, Чемальский 92, Челнавский 54) отличаются или низкой сохранностью или высокой долей сухостойных деревьев [Роговцев и др., 2008]. В культурах Сургутского происхождения была зафиксирована вспышка дендроктона. В географических культурах, находящихся на стадии дифференциации древостоев, различия между "здоровыми" и "больными" насаждениями могут усугубляться естественным отбором более устойчивых к инфекции "каренистых" генотипов.
Если предположение о существенном влиянии грибной инфекции на состав терпентинных масел хвои сосны подтвердится в ходе дальнейших исследований, то использованный нами биохимический метод может быть предложен в качестве дополнительного теста на степень зараженности популяций сосны грибными инфекциями (корневой губкой). Кроме этого, в связи с изложенными материалами, а также учитывая рост грибных инфекций в лесных фитоценозах Сибири в последние десятилетия [Павлов и др., 2011], актуальны вопросы: 1) незамедлительного фитопатологического обследования генетико-селекционных объектов сосны в Западной Сибири; 2) разработки методов борьбы с обнаруженными заболеваниями; 3) использовании вспышек инфекции на генетико-селекционных объектах для отбора клонов и климатипов лесообразующих видов на устойчивость к грибным патогенам.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов ИП СО РАН № 5.23
и 53.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бауманис И.И. Генетическая характеристика монотерпенов хвои в популяциях сосны обыкновенной [Текст]. / И.И. Бауманис, В.М. Роне, Я.Я. Биргелис // Отбор лесных древесных. Рига: Зинатне, 1978. - С. 83-94.
2. Павлов И.Н., Барабанова О.А., Кулаков С.С. и др. Снижение устойчивости хвойных лесов Сибири к корневым патогенам в результате современного увеличения температуры приземного слоя воздуха и почвы [Текст]. / И.Н. Павлов, О.А. Барабанова, С.С. Кулаков и др. // Хвойные бореальной зоны. - 2011. - Т. 28, № 1-2. - С. 47-53.
3. Полтавченко Ю.А. Эволюция биосинтеза монотерпенов в семействе сосновых [Текст]. / Ю.А. Полтавченко, Г.А. Рудаков // Растительные ресурсы. - 1973. - Т.9. Вып.4. - С. 481-493.
4. Проказин Е.П. Состав терпентинных масел как генетический признак семенного и вегетативного потомства сосны обыкновенной [Текст]. / Е.П. Проказин, А.В. Чудный, И.И. Бардышев и др. // Генетика, селекция, семеноводство и интродукция лесных пород. - М., 1975.- С. 214-225.
5. Тараканов В.В. Влияние естественных и антропогенных факторов на генетическую изменчивость сосны в Приобье: состав терпентинных масел хвои [Текст]. / В.В. Тараканов,
А.Е. Самсонова, Ю.Н. Ильичев // Лесоведение. - 2004, № 5. - С. 50-57.
6. Тараканов В.В., Демиденко В.П., Ишутин Я.Н., Бушков Н.Т. Селекционное семеноводство сосны обыкновенной в Сибири [Текст]. / В.В. Тараканов, В.П. Демиденко, Я.Н. Ишутин, Н.Т. Бушков - Новосибирск: Наука, 2001. - 230 с.
7. Терпеноиды хвойных растений [Текст]. / Пентегова В.А., Дубовенко Ж.В., Ралдугин В.А., Шмидт Э.Н. Новосибирск: Наука, 1987. - 97 с.
8. Ткачев А.В. Исследование летучих веществ растений [Текст]. / А.В. Ткачев -Новосибирск: Изд.полигр.предприятие "Офсет", 2008. - 969 с.
9. Чернодубов А.И., Дерюжкин Р.И. Эфирные масла сосны: состав, получение, использование [Текст]. / А.И. Чернодубов, Р.И. Дерюжкин - Воронеж: Изд-во Воронежского университета, 1990. - 112 с.
10. Чудный А.В. Структура популяций сосны обыкновенной в разных экологических условиях (на примере биосинтеза монотерпенов) [Текст]. / А.В..Чудный // Экология. - 1978. -№ 6. - С. 37-42.
11. Hiltunen R. On variation, inheritance and chemical interelationships of monoterpens in Scots pine (Pinus sylvestris L.) // Annales academiae Scientialum Fennicae, series A.IY Biologica Helsinki Snomalainen Fied. 1976. - P. 4-54.
© В.В. Тараканов, А.В. Ткачев, Л.И. Кальченко,
В.М. Ефимов, Р.В. Роговцев, 2012
