CC BY
59
УДК (577.115:582.4):551.345(571.56) К А. Петров, А. А. Перк, В. А. Чешите, Ж. М. Охлопкова
ОСОБЕННОСТИ ЖИРНОКИСЛОТНОГО СОСТАВА
НЕКОТОРЫХ РАСТЕНИЙ ЯКУТИИ В ПЕРИОД ФОРМИРОВАНИЯ КРИОРЕЗИСТЕНТНОСТИ
Получены данные о сезонных изменениях качественного состава и количественного содержания жирных кислот липидов б хвое Pinus svlvcstris и побегах Equisctum varicgatum в у словиях криолитозоны. Обнаружено значительное возрастание содержания полиненасыщенных жирных кислот при подготовке к зиме. Впервые найдена арахидоновая кислота, которая ранее в растениях Е. variegatum не идентифицировалась. Обсу ждается связь жирнокислотного состава с формированием криорезистентности у сосны обыкновенной и осенневегетирующего хвоща пестрого.
Ключевые слова: Яку тия, криолитозона, Pinus sylvestris, Equisetum varicgatum, жирнокислотный состав липидов, сезонные изменения, криорезистентность растений.
К. A. Petrov, A. A. Perk, V. A. Chepalov, Zh. М. Okhlopkova
Characteristics of fatty acid composition of some plants of Yakutia during the development of cryore si stance
There are obtained data that cover seasonal variations of qualitative composition and quantitative content of fatty acids in lipids of
Pinus sylvestris needles and Equisetum variegatum shoots under permafrost conditions. The research demonstrated significant increase in polyunsaturated fatty acids content. Arachidonic acid was found in E. variegatum for the first time in this plant species. It is discussing correlation between fatty acid content and development of cryotolerance in coniferous plants and autumn-vegelating herbaceous plants of Yakutia.
Key words: Yakutia, permafrost, Pinus sylvestris, Equisetum variegatum, fatty acid composition of lipids, seasonal variations, cryotolerance of plants.
Рост растений как интегральный процесс «новообразования элементов структуры организма» отражает результат влияния на них всего комплекса условий окружающей среды. В естественных местообитаниях растение испытывает воздействие самых различных факторов, одни из которых благоприятствуют ростовым процессам, другие тормозят их, например, низкие температуры. Имеющиеся данные свидетельству ют о том, что в условиях криолитозоны растения растут и развиваются в исключительно своеобразной климатической ситуации, обусловленной редчайшим сочетанием многолетней мерзлоты с высокой активностью солнечной радиации, длинного светового дня с резкими снижениями ночных температу р и относительно теплого, но короткого лета. Например, в Центральной и Северо-Восточной Яку тии (Полюс холода
ПЕТРОВ Клим Алексеевич - д.б.н., с.н.с. ИБГЖ СО РАН. E-mail: [email protected]
ПЕРК Александр Александрович ~ н.с. ИБГЖ СО РАН. E-mail: [email protected]
11ЕПАЛ()В Валентин Азатович - к.б.н., н.с. ИБТТК СО РАН. E-mail: [email protected]
ОХЛОПКОВА Жанна Михайловна - к.б.н., ИБПК СО РАН. E-mail: [email protected]
Северного полушария) безморозный период длится 90-110 и менее дней, средняя температу ра воздуха в январе ниже -40°С, в июле +18-19°С, абсолютно минимальная температура составляет -64-72°С, а максимальная
- +34-38°С, средняя годовая температура —10-12°С, высота снежного покрова 20 - 40 см, годовое количество осадков - 200 - 250 мм. Краткость вегетационного периода, быстрое нарастание температур весной и быстрое их падение осенью обусловливают ускоренное прохождение аборигенными видами растений этапов онтогенеза.
У стойчивость растительного организма определяется, в основном, его способностью к быстрым адаптациям, которые чаще всего регулируются изменением активности ферментов. Однако важную роль при этом играют и низкомолекулярные биологически активные вещества, особенно липиды, так как их физико-химические свойства способствуют созданию оптимальных условий функционирования клеточных мембран. Начиная с 1970-х гг., накоплен большой экспериментальный материал по «взаимоотношениям» липидов растений с окружающей средой 11,2]. Показано, что при адаптации регуляция функционально-активного жидкостного состояния мембран зависит от соотношения фосфо- и галактолипидов [3, 4]. Выявлено также
увеличение количества полярных липидов относительно содержания белков в мембранах, связанное с процессами низкотемпературной адаптации [5].
В самих липидах основную роль при адаптационных ответах играет жирнокислотная часть, которая в результате процессов синтеза и распада жирных кислот, а также изменения степени их ненасыщенности, способна поддерживать текучесть мембран на необходимом уровне [6, 7, 8]. Это происходит благодаря активности особых фсрментов-дссатураз, задействованных в классических механизмах преодоления низкотемпературного стресса [9]. Вместе с тем до сих пор отсутствуют конкретные данные о сезонных изменениях жирнокислотного состава древесных и травянистых растений Яку тии.
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) семейства сосновые (Pinaceae Lindl.) в Центральной Якутии является одной из основных лесообразующих хвойных пород. На ее долю приходится 6-8% от площади всех бо-реальных лесов Респу блики Саха (Яку тия).
Реликтовое споровое растение семейства хвощовых (Equisetaceae Rich, ex DC.) - хвощ пёстрый (Equisetum variegatum Sclileich. ex Web. ct Mohr) произрастает во всех районах Яку тии, но особенно распространен в Яно-Индигирском флористическом районе.
Растения сосны обыкновенной (хвоя) собирали в лесопарковой зоне г. Якутска (Центрально-Якутский флористический район, 62°с.ш., 129° в.д.), растения хвоща пестрого (побеги) - в окрестностях г. Верхоянска, в среднем течении р. Туостах (Яно-Индигирский флористический район, 67° с.ш., 137° в.д.). В последнем случае местообитание вида относится к особо суровому региону' Северо-Восточной Якутии - Полюсу холода.
В работе использовали хвою второго года, отобранную в нижней части кроны сосны обыкновенной в середине лета (июль) и начале осени (сентябрь) 2010 г. Возраст деревьев - 30-40 лет. Средняя высота 6-8 м, диаметр 8-10 см. Надземную часть хвощовых растений собирали в течение 2009-2010 гг. летом (июль), осенью (сентябрь) и в начале зимы из-под снега (октябрь).
Собранный материал фиксировали жидким азотом с последующим лиофильным высушиванием на лиофилизаторс «VirTis» (США). Липиды выделяли по М. Кейтсу [10]. Для этого к 10 мг сухого растительного образца с внутренним стандартом (углеводород тридекан СрН28, 5 мг/г) добавляли 1 мл метилирующего агента (14% раствор ВО, в метаноле, реактив Supclco №3-3033) и выдерживали в течение 8 часов при 80°С в герметичной виале на 2 мл. В процессе нагрева происходит расщепление жирного масла на составляющие его жирные кислоты и дальнейшее метилирование этих кислот. Одновременно метилируются содержащиеся в образце другие органические кислоты.
По окончании процесса виалу охлаждали и реакционну ю смесь нейтрализовали 5% NaOH. Добавляли 0,2 мл хлороформа и, слегка встряхивая, экстрагировали
метиловые эфиры кислот. Хлороформенный экстракт метиловых эфиров извлекали микрошприцом, упаривали до 50 мкл и вводили в хроматограф в количестве 2 мкл.
Для определения жирных кислот использовали хроматограф Agilent Technology 6890 с масс-спектрометрическим детектором 5973, колонку Innowax длиной 30 м и внутренним диаметром 0,25 мм. Условия хроматографирования: программное термостатирова-ние от 50 до 240°С со скоростью 5°С/мин, температура испарителя - 250°С. Для выявления компонентов привлекали библиотеку' масс-спектров NIST'05. Для осенне-зимних проб хвоща время разделения жирных кислот липидов было укорочено, в связи с чем в масс-спектре не удалось зафиксировать арахидоновую кислоту-
Опыты проводили в трех повторностях. В результатах приведены средние арифметические значения и их стандартные отклонения.
В результате хроматографического анализа получены масс-спектры метиловых эфиров насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, показывающие их качественный состав и содержание (мг/г су хой массы) в лиофильно высушенных образцах растений (рис. 1, 2).
Летняя хвоя сосны: содержание насыщенных жирных кислот - лауриновая (2,73 ± 0,19), миристиновая (1,00 ± 0,07), пальмитиновая (1,69 ± 0,14) и стеариновая (0,23 ±
0,10); ненасыщенных - олеиновая (0,70 ± 0,18), линолевая (1,74 ± 0,29), линоленовая (1,94 ± 0,40), 5,8,11,14-арахидоновая (0,35 ± 0,04), 5,11,14,17-арахидоновая (0,14 ± 0,03). Раннеосенняя хвоя: содержание насыщенных жирных кислот - лау риновая (2,24 ± 0,45), миристиновая (0,97 ± 0,08), пальмитиновая (2,82 ± 0,22) и стеариновая (0,24 ± 0,07); ненасыщенных - пальмитолеиновая (0,14 ± 0,01), олеиновая (1,55 ± 0,14), линолевая (4,56 ± 0,71), линоленовая (3,32 ± 0,41), гексадеценовая (0,12 ± 0,01), 5,11,14,17-арахидоновая (0,29 ± 0,01).
Летние побеги хвоща: содержание насыщенных жирных кислот - миристиновая (0,15 ± 0,05),
пальмитиновая (4,60 ± 0,42) и стеариновая (0,41 ± 0,14); ненасыщенных - олеиновая (1,31 ± 0,37), линолевая (1,30 ± 0,41), линоленовая (2,62 ± 0,76), пальм итли нолевая (0,10 ± 0,06), пальмитлиноленовая (0,57 ± 0,22). Раннсоссннис побеги: содержание насыщенных жирных кислот
- лауриновая (0,12 ± 0,02), миристиновая (0,46 ± 0,06), стеариновая (0,73 ± 0,03), пальмитиновая (5,61 ± 0,85) и арахиновая (0,13± 0,02); ненасыщенных - олеиновая (0,95 ± 0,12), линолевая (2,12 ± 0,24), линоленовая (2,83 ± 0,72), 5,11,14,17 - арахидоновая (0,38 ± 0,06), 7, 10, 13-гексатриеновая (0,34 ± 0,03). Осенне-зимние побеги: содержание насыщснныхжирныхкислот-пальмитиновая (17,30 ± 2,10); ненасыщенных - олеиновая (3,30 ± 0,40), линолевая (26,80 ± 3,22), линоленовая (47,40 ± 5,68). Следует отметить, что арахидоновая кислота ранее у пестрого хвоща не была обнаружена [11].
Особенностью сезонной динамики роста и развития
растительности криолитозоны является то, что большинство древесно-кустарниковых растений, в том числе сосна, относятся к группе с ранним началом и ранним окончанием роста побегов, который длится 30-45 дней 112]. Прекращение ростовых процессов и вхождение многолетних растений в состояние глубокого физиологического покоя с одновременным резким снижением фотосинтетической активности приходится на вторую половину августа - начало сентября и совпадает с периодом максимальной интенсивности почвенного дыхания и наибольшего формирования его сезонно-талого слоя.
Начиная с этого времени, в Центральной Якутии складываются самые благоприятные погодные условия для закаливания древесно-кустарниковых и осенневегетирующих травянистых растений. Преобладающим метеорологическим элементом является наличие большого числа ясных солнечных дней, необходимых для фотосинтеза, и прохладных ночей, задерживающих расходование углеводов на дыхание. По средним многолетним данным, период с температурами, оптимальными для протекания первой фазы закаливания (дневные температуры воздуха - 10-15°С, ночные - от +3-
Т5СОСЮ
Т'ОСООО
1осооо 90000
4-4
л..,и.
1 Сг ОВ- 1=1 Гч11_ь=- :=--т' и2. О
^.-1
0°С до -1 -2°С), приходится на II-V пентады сентября. В этот период выпадает около 10-15% годового количества осадков, в конце сезона - преимущественно в виде снега. Продолжительность периода со слабыми (до -5°С) и умеренными (до -10-15°С) морозами, подходящими для прохождения второй фазы закаливания, длится 25-30 дней [13].
Отава и большинство осенневегетирующих травянистых растений, в том числе хвощи, подвергаясь закаливанию, сохраняются до глубокой осени в зеленом виде и в таком состоянии уходят под снег. Необходимо отметить, что в условиях криолитозоны в зимнее время сведены к минимуму такие неблагоприятные явления, как выпревание и выпирание растений, что связано с отсутствием в этот период возвратных потеплений. Поэтому в Якутии широкое распространение получило понятие - зимнезеленые травянистые растения, являющиеся зимним тебеневочным кормом для многих травоядных млекопитающих.
Общее содержание жирных кислот липидов в осенней хвое сосны (сентябрь) увеличивается на 54% по сравнению с летними показателями. При этом значительно увеличилось содержание ненасыщенных жирных кислот более чем в 2,1 раза. Одновременно наблюдается некоторое увеличение содержания насыщенных жирных Д кислот липидов (на 11%). Все это указывает на важную роль ненасыщенных жирных кислот в низкотемпературной адаптации многолетних фотосинтезирующих органов сосны (хвоя) во время холодового закаливания.
Липиды зимнезеленого
хвоща пестрого по содержанию ненасыщенных жирных
кислот сильно отличаются от летневегетирующих растений. В целом, содержание всех жирных кислот для ЕдшзШШ \ariegatimi увеличивается в 8,6 раза, в том числе ненасыщенных - в 13,1 раза, а насыщенных - в 3.3 раза. Такое резкое возрастание содержания жирных кислот, особенно ненасыщенных, обусловлено важной ролью данных соединений в адаптации к условиям экстремально низких температу р региона Полюса холода.
Рис. 1. Масс-спектры метиловых эфиров жирных кислот липидов в хвое Ртщ хуЬс*1п.ч в зависимости от сезона:
А - середина лета, Б - начало осени
31 ^ГГ"" 3*4 ЛО | >1 [ 32.76 ЗБ.23
ЗЕ37
31.1« 3315 || |
|
_ 33^43 3033 ш
30.95 32.71
=7,^^ 31.78
, II.
TIC CC-BOJIS
.о
I ■ I
-4-Д4
В связи с этим следует также указать на высокую питательную ценность хвощовых растений в качестве нажировочных кормов для животных, что неоднократно отмечалось как местным населением, так и многими исследователями Севера [14, 15].
Как видно из приведенных выше данных, в хвое сосны и побегах хвоща пестрого в состав липидов входят, главным образом, ненасыщенные жирные кислоты. Основную долю составляют пальмитиновая, олеиновая, линолевая и линоленовая. Кроме того, в структуре фосфолипидов впервые выявлено наличие высоконенасыщенной арахидоновой кислоты. Как известно, в процессе снижения температуры воздуха вязкость липидного бислоя мембран падает. Переход мембранных липидов из жидкокристаллического состояния в кристаллическое нарушает их транспортные функции в процессе фотосинтеза и образования энергии.
Рис. 2. Масс-спектры метиловых эфиров жирных кислот липидов в побегах НцшхеШт \ariegaumi:
А - середина лета, Б - начало осени, В - начало зимы
а также метаболизм мембранных белков. Для предотвращения таких негативных явлений в ходе адаптации к низким положительным температурам возрастает текучесть мембран, что является результатом увеличения количества ненасыщенных жирных кислот в фосфолипидах. Как уже отмечалось выше, замен}7 в липидах насыщенных жирных кислот ненасыщенными, которая очень четко наблюдается в побегах хвоща пестрого, осуществляют десатуразы. Активность этих ферментов, а также экспрессия кодирующих их генов сильно возрастает в ответ на действие закаливающих температур [9]. Кроме того, древесные растения, произрастающие в районах холодного и умеренного климата, адаптируясь к сезонному снижению температуры, испытывают сильное обезвоживание. Наличие в липидном матриксе высоконенасыщенных жирных кислот позволяет сохранять жидкое фазовое состояние мембран, необходимое для снижения уровня воды в живых тканях при формировании состояния устойчивости к низкотемперату рным воздействиям.
Таким образом, в ходе изучения сезонных изменений качественного состава и количественного содержания жирных кислот липидов хвои Ниш (Центральная Якутия) и
побегов ВдшкеШплщ^аЩп (Северо-Восточная Якутия) обнаружено значительное возрастание содержания по линенасыщенных жирных кислот во время их осеннего закаливания при формировании криорезистентности. Впервые в побегах хвоща ЕдгшеШп variegatum найдена арахидоновая кислота, которая ранее у данного вида не
В
lu
идентифицировалась.
Литература
1. Yoshida S., Sakai A. Phospholipid changes associated with the cold hardiness of cortical cells from poplar stem // Plant and Cell Physiol. 1973. Vol. 14. P. 353-359.
2. Kuiper P. I. C. Lipid metabolism of higher plants as a factor in environmental adaptation // Structure, function and metabol. of phospholipids. N.Y. 1984. P. 525-530.
3. Бочаров В. А., Джанумов Д. А. Синтез полярных липидов в хлоропластах озимых пшениц в связи с их морозоустойчивостью // Физиол. растений. 1977. Т. 25. № 4. С, 756 - 760.
4. Сопин А. И, Трунова Т. И. Динамика содержания фосфолипидов и жирных кислот в этиолированных проростках озимой пшеницы при закаливании к морозу // Физиол. растений. 1991. Т. 38. №1. С. 142 - 149.
5. Новицкая Г. В., Вольнова Т. JL, Суворова Т. А. Влияние фузикокцина на состав и содержание мембранных липидов в условиях адаптации озимой пшеницы к низкой температуре // Прикл. биохимия и микробиол. 1994. Т. 30. № 6. С. 917-922.
6. Smolenska G., Kuiper Р..Т.С. Effect of temperature and phase transition on oxidation resistance of low density lipoprotein // J. Lipid Res. 1995. Vol. 36. №1. P. 2113-2128. '
7. Новицкая L. B-, Суворова Т. А., Трунова Т. И. Липидный состав листьев в связи холодостойкостью растений томатов // Физиол. растений. 2000. Т. 47. № 6. С. 829 - 835.
8. Ranus P., Giesed S.P., Shuster В. et al. Effect of temperature and phase transition on oxidation resistance of low density lipoprotein//.Г. Lipid Res. 1995. Vol. 36. № 1. P. 2113-2128.
9. Los D. A., Murata N. Structure and expression of fatty acid desaturases // Biochem. et Biophys. Acta. 1998. Vol. 1394. P. 3-15.
10. Кейтс М. Техника липидологии. М.: Мир, 1975. 322 с.
11. Растительные ресурсы России и сопредельных государств: Часть I. - Семейства Lycopodiaceae - Ephedraceae, часть II. - Дополнение к 1-7-му томам. СПб: Мир и семья-95, 1996. 571 с.
12. Петрова А. Ж, Романова А. Ю., Назарова В. И. Интродукция деревьев и кустарников в Центральной Якутии. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2000. 269 с.
13. Перк А. Я., Коробкова Т. С. ЭкоЛого-физиологические особенности черной смородины в период роста и покоя в связи с морозоустойчивостью при выращивании в Центральной Якутии // Интродукционные исследования растений в Якутии. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987. С. 52-64.
14. Миддендорф А. Ф. Путешествие на север и восток Сибири. 4.1. СеверивостокСибиривестественно-историческом отношении. Отд. 4. Растительность Сибири. СПб., 1867. 758 с.
15. Работнов Т. А. Сибиктэ (Equisetum variegatum et Е. scirpodes) //Природа. 1935. № 8. С. 21-23.
УДК 502.55(571.56-25) Н. Е. Сивцева, Я. Б. Легостаева, В. С. Макаров, Н. Ф. Васильев
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИИ г. ЯКУТСКА ПО СУММАРНОМУ ПОКАЗАТЕЛЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
На основе анализа подвижных форм микроэлементов и суммарного показателя загрязнения сделана экологическая оценка состояния почвенного покрова города Якутска. Выявлены основные загрязнители почв территории города.
Ключевые слова: техногенное загрязнение, подвижные формы микроэлементов, суммарный показатель загрязнения, техногенные аномалии.
Sirtseva X. Б., Legostaeva Ya. В., Makarov V. S., VasilievN. F.
Ecological evaluation of the city of Yakutsk environment according to the summary index of soil pollution
СИВЦЕВА Наталья Елизаровна - м.н.с. лаборатории физи-ко-химических методов анализа НИИПЭС СВФУ.
E-mail: [email protected]
ЛЕГОСТАЕВА Яна Борисовна - к.б.н., зав. лабораторией физико-химических методов анализа НИИПЭС СВФУ.
E-mail: [email protected]
МАКАРОВ Виктор Семенович - к.б.н., руководитель группы экологического картографирования НИИПЭС СВФУ
ВАСИЛЬЕВ Николай Федорович - к.б.н., н.с. группы экологического картографирования НИИПЭС СВФУ.
It is carried out an environmental assessment of the soil cover of Yakutsk based on the analysis of mobile forms of trace elements and total index of pollution. There are identified the major soil contaminants in the city.
Key words: technogenic pollution, microelements’ mobile forms, the summary index of pollution, technogenic anomalies.
