CC BY
12Комплексная переработка возобновляемого сырья
УДК 630.181.324
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕРИСТЕМ ХВОЙНЫХ ПОРОД
П. В. Миронов, Е. В. Алаудинова, В. В. Тарнопольская, А. С. Саволайнен
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: veronichkat@mail.ru
Приведены результаты изучения распределения воды в клетках зимующих меристем почек лиственницы сибирской (Larix sibirica L.), ели (Picea obovata L.), пихты (Abies sibirica L.), сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и сосны кедровой (Pinus sibirica Du Tour) в состоянии низкотемпературной устойчивости. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии исследованы особенности изменения теплоемкости образцов меристем и модельных систем в области фазовых превращений воды.
Ключевые слова: Larix sibirica L., Picea obovata L., Abies sibirica L., Pinus silvestris L., Pinus sibirica Du Tour, меристематические ткани почек хвойных, дифференциальная сканирующая калориметрия, фазовые превращения воды, водорастворимые вещества цитоплазмы, комплекс клеточных стенок и мембран.
LOW-TEMPERATURE THERMAL ANALYSIS OF CONIFER MERISTEMS
P. V. Mironov, E. V. Alaudinova, V. V. Tarnopolskaya, A. S. Savolainen
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: veronichkat@mail.ru
The research presents results of a study of water distribution in cells over-wintering meristem buds of Siberian larch (Larix sibirica L.), spruce (Picea obovata L.), fir (Abies sibirica L.), Scotch pine (Pinus silvestris L.) and cedar (Pinus sibirica Du Tour) at the stage of the low-temperature stability. The article examines the features of changing heat capacity of samples of model systems in the field ofphase transformations of water by the method of differential scanning caloriemeter.
Keywords: Larix sibirica L., Picea obovata L., Abies sibirica L., Pinus silvestris L., Pinus sibirica Du Tour, meris-tematic tissue of buds of conifers, differential scanning calorimetry, phase transformations of water, water-soluble substances of the cytoplasm, the complex cell walls and membranes.
Состояние низкотемпературной устойчивости живых тканей зимующих древесных растений достигается в результате сложной биохимической адаптации, включающей блокирование процессов жизнедеятельности, формирование устойчивой структуры клеточных мембран, накопление в клетках веществ, обладающих криопротекторными свойствами, снижение в клетках содержания воды или перераспределение в сторону ее связанных форм и другие процессы. Целью адаптации к низким температурам, в первую очередь, является такое изменение состояния воды в клетках, при котором обеспечивается минимизация опасных для клетки последствий ее внутри- и внеклеточной кристаллизации, в том числе и связанного с этими процессами обезвоживания клеток и клеточных структур.
На основании проведенных ранее исследований [1-3] был сделан вывод об относительной устойчивости тканей меристем к внутриклеточной кристаллизации воды. В этой связи представляет интерес дальнейшее изучение механизмов устойчивости, в том числе вопросы о локализации воды в клетках, способной к кристаллизации при низких температурах, о растворимых и нерастворимых клеточных структурах, контролирующих низкотемпературное поведение
воды и распределении между ними связываемой воды.
Объектами исследования являлись зачаточные (меристематические) ткани, выделенные из вегетативных почек, распространенных в Красноярском крае хвойных древесных растений: лиственницы сибирской (Larix sibirica L.), ели (Picea obovata L.), пихты (Abies sibirica L.), сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и сосны кедровой (Pinus sibirica Du Tour). Исследование особенностей состояния и поведения воды области отрицательных температур в полученных образцах и полученных из них модельных системах проводили методом дифференциальной сканирующей калориметрии с использованием прибора фирмы «NETZSCH» (Германия) и сканирующего микрокалориметра типа Кальве, сконструированного и изготовленного в проблемной лаборатории СибГУ.
На рисунке в качестве примера приведены зависимости изменения теплоемкости образцов тканей меристем почек лиственницы в области фазовых переходов воды.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что плавление в тканях меристем начинается около -40 °С и происходит в широком диапазоне температур.
Решетневские чтения. 2017
5
к
А
/л
-А /г1
1 Л и L
-50 -40 -30
Температура, °С
Температурная зависимость изменения теплоемкости в области фазового перехода воды в тканях меристем почек лиственницы (1 - 0,4 г Н2О/г сухой массы; 2 - 0,45 г/г; 3 - 0,52 г/г; 4 - 0,62 г/г; 5 - 0,72 г/г)
Пики изменения теплоемкости свидетельствуют о поглощении тепла при плавлении льда. Таким образом, кривые изменения теплоемкости свидетельствуют о том, что жидкая фаза воды в клетках появлялась при нагреве с температуры около -40 °С. Кроме того, ход кривых изменения теплоемкости для образцов различной влажности указывает на то, что при отрицательных температурах в области фазового перехода состояние воды характеризовалось определенным соотношением жидкой и твердой фаз.
Результаты исследования модельных систем (растворимых и нерастворимых компонентов клеток) позволяют сделать вывод о том, что в области температур -40...-20 °С фазовый переход претерпевает вода, связанная низкомолекулярными растворимыми веществами, а при температурах выше -20 °С - вода, преимущественно контролируемая нерастворимыми компонентами клеток - клеточными стенками и мембранным комплексом. Промежуточное положение занимают высокомолекулярные соединения (преимущественно водорастворимые белки) - фазовый переход воды в образцах растворимых белков начинался около -30 °С.
В условиях частичного обезвоживания клеток до уровня остаточного содержания воды, при котором они выживают при низких температурах, состояние воды и характер ее фазовых превращений при этом определяется, преимущественно, взаимодействием с растворимыми веществами цитоплазмы. В этом случае практически вся способная к кристаллизации при низких температурах вода локализована в жидкой фазе цитоплазмы (цитозоле), а клеточные стенки и мембраны уже не удерживают воду, способную к кристаллизации, что обеспечивает предотвращение повреждения мембран. При этом минимальный уровень содержания связанной комплексом клеточных стенок и мембран воды в условиях термодинамического равновесия с фазой льда составляет ~0,25 г
Н2О/г сухой массы. Эта фракция воды не кристаллизуется даже при охлаждении до температуры жидкого азота (-196 °С).
Библиографические ссылки
1. Алаудинова Е. В., Миронов П. В. Особенности низкотемпературной адаптации хвойных Сибири: изменение содержания водорастворимых и нерастворимых компонентов клеток // Хвойные бореальной зоны. 2015, № 1-2. С. 90-94.
2. Алаудинова Е. В., Симкина С. Ю., Миронов П. В. Сезонные изменения содержания воды в меристема-тических тканях Picea obovata L. и Pinus silvestris L. и ее распределение в клетках // Хвойные бореальной зоны. 2007, № 4-5. С. 481-489.
3. Миронов П. В., Алаудинова Е. В., Репях С. М. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных. Красноярск : СибГТУ, 2001. 221 с.
References
1. Alaudinova E. V., Mironov P. V. [Peculiarities of low-temperature adaptation of Siberian conifers: changes in content of water-soluble and insoluble cell components] // Khvoinie boreal'noy zony. 2015, no. 1-2. Р. 90-94. (In Russ.)
2. Alaudinova E. V., Simkina S. Yu., Mironov P. V. [Seasonal changes of water content in meristem tissues of Picea obovata L. and Pinus silvestris L. and its distribution within cells] // Khvoinie boreal'noy zony. 2017, no. 4-5. Р. 481-489. (In Russ.)
3. Mironov P. V., Alaudinova E. V., Repyakh S. M. Nizkotemperaturnaya ustoichivost' zhivikh tkaney khvoinik [Low-temperature sustainability of conifers' live tissues]. Krasnoyarsk : SibGTU Publ., 2001, 221 p.
© Миронов П. В., Алаудинова Е. В., Тарнопольская В. В., Саволайнен А. С., 2017
8
7
6
5
4
3
2
0
-80
-7 0
-60
-20
-10
0
