CC BY
206
УДК 581.1:582.475
Титова М.С.
Горнотаежная станция им. В.Л. Комарова ДВО РАН E-mail: [email protected]
СОДЕРЖАНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ В ХВОЕ PICEA ABIES И PICEA KORAIENSIS
Представлены результаты исследований содержания фотосинтетических пигментов (хлоро-филлов а, b и каротиноидов) в двухлетней хвое интродуцированной ели обыкновенной (Picea abies (L.) Karst.) и дальневосточного вида - ели корейской (Picea koraiensis Nakai), произрастающих в дендрарии Горнотаежной станции ДВО РАН.
Ключевые слова: хвоя, пигменты, интродуцент, хлорофилл, каротиноиды.
В современном мире выращивание растений вне их природных ареалов (интродукция) становится одним из путей их охраны, что перспективно в условиях интенсивной антропогенной нагрузки на естественные экосистемы с участием данных видов [1].
Выживание интродуцентов в новых местообитаниях возможно при их успешной адаптации к комплексу природно-климатических условий района интродукции [2]. Природные условия юга Приморского края определяются муссонным климатом. В таких условиях затяжная весна, пасмурное, с большим количеством туманов и осадков начало лета, суровая (сравнительно с европейской частью страны) с холодными северными ветрами зима оказывают лимитирующее действие на нормальное развитие растений-интродуцентов.
В связи с этим большое значение при исследовании состояния растений имеет изучение пластичности фотосинтетического аппарата, его способности приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям. Известно, что одним из показателей реакции растений на изменение факторов внешней среды, степени их адаптации к новым экологическим условиям является содержание хлорофиллов и каротиноидов - главных фоторецепторов фотосинтезирующей клетки [3].
Целью настоящего исследования явилась сезонная количественная оценка параметров накопления фотосинтетических пигментов в хвое Picea abies и Picea koraiensis и выявление на биохимическом уровне адаптивных механизмов интродуцента в условиях дендрария Горнотаежной станции.
Объектом исследования явились хвойные породы в возрасте 45-50 лет дендрария Горнотаежной станции ДВО РАН (Уссурийский район, Приморский край). Сезонную динамику со-
держания фотосинтетических пигментов в хвое изучали в паре «дальневосточный вид - интродуцент», соответственно ель корейская (Picea koraiensis Nakai) - ель обыкновенная (Picea abies (L.) Karst.).
Picea koraiensis распространена по всему Приморскому краю и в южных районах Хабаровского края, южнее 490 с. ш. Ареал Picea abies на территории России простирается от западных границ до Урала.
Количество хлорофиллов а, b и сумму каро-тиноидов определяли спектрофотометрическим методом с использованием методических разработок [4]. Образцы хвои второго года вегетации с постоянной навеской 0,2 г отбирали в трехкратной повторности в период с мая по март. Далее в лабораторных условиях получали вытяжку пигментов в ацетоне. Экстракты пигментов фильтровались вакуумным способом. Оптические плотности пигментных вытяжек определяли с помощью однолучевого автоматизированного спектрофотометра СФ-56 (ЛОМО) по центрам поглощения: для хлорофиллов а и b - 644 и 662 нм, для каротиноидов - 440,5 нм.
Основой расчета концентрации пигментов хлоропластов служили формулы Веттштейна для 100% -ного ацетона:
С = 9,78 х D662 - 0,99 х D664 ,
а ' 662 ' 664 '
С = 21,42 х DKK/1 - 4,65 х D™,
b 664 662
С ,, =5,13 х D™ + 20,43 х DKK/1,
а+b ' 662 ' 664'
С = 4,69 х 0,268 (С Л,
кар ' 440,5 ' V а+ Ь' '
где С - концентрация хлорофиллов а, b и кароти-ноидов в мг/л, D - оптическая плотность в центрах поглощения пигментов 440,5; 644 и 662 нм.
Содержание пигментов в хвое вычислялось по формуле:
А=(С х V) / (P x 1000),
где А - содержание пигмента в мг на 1 г сырой навески, С - концентрация пигмента в мг/л
(после расчета по формулам 1, 2, 3, 4), V - объем вытяжки пигмента (мл), Р - навеска хвои (г).
Пигментный состав считается одним из наиболее информативных показателей, харак-
Месяц
■ Ель корейская □ Ель обыкновенная Рисунок 1. Сезонная динамика содержания хлорофилла а в двухлетней хвое ели корейской и ели обыкновенной
Рисунок 2. Сезонная динамика содержания хлорофилла Ь в двухлетней хвое ели корейской и ели обыкновенной
Рисунок 3. Сезонная динамика содержания каротиноидов в двухлетней хвое ели корейской и ели обыкновенной
теризующих состояние фотосинтетического аппарата хвойных растений [5].
В то же время содержание пигментов в течение периода вегетации является довольно динамичным показателем, что отмечалось многими авторами [6].
В качестве одного из показателей работы фотосинтетического аппарата исследовали сезонную динамику содержания различных форм хлорофилла и каротиноидов в двухлетней хвое интродуцента и местного вида.
Согласно полученным данным, максимум накопления хлорофилла а у ели корейской был отмечен в ноябре (0,93 мг/г сырого веса), у ели обыкновенной зафиксированы два скачка нарастания «главного» хлорофилла - в сентябре (0,87 мг/г) и ноябре (0,82 мг/г). Как видно из рис. 1, для двух видов наблюдалась общая тенденция накопления данного пигмента в весенне-летние месяцы и его снижение в зимне-ран-невесенний период года.
Содержание хлорофилла Ь в хвое исследованных пород также подвержено сезонным изменениям (рис. 2).
Как следует из представленных материалов, динамика накопления хлорофилла Ь мало отличается от накопления хлорофилла а. Процесс накопления хлорофилла Ь у двух изучаемых видов начинается в мае (0,36 мг/г у ели корейской и 0,34 мг/г у ели обыкновенной), в летние месяцы мы наблюдали сравнительно низкую их концентрацию в хвое, а максимальные значения зафиксированы в ноябре (0,46 мг/г и 0,42 мг/г соответственно).
Снижение содержания зеленых пигментов в конце весны - начале лета связано с началом роста хвои. К осени, когда ростовые процессы у ели замедляются, концентрация пигментов в хвое увеличивается. Именно этим фактом можно объяснить максимальные значения в ноябре. С началом зимы, когда устанавливается отрицательный температурный режим, в хвое голосеменных хлоропласты группируются у клеточных стенок и около ядра, синтез пигментов в это время сводится к минимуму.
Обязательным компонентом пигментной системы растений являются каротиноиды. Исследование количественного содержания каро-тиноидов в хвое интродуцента и местного вида показало, что это довольно динамичный показатель (рис. 3).
Титова М.С. Содержание фотосинтетических пигментов в хвое Picea abies и Picea koraiensis
Таблица 1. Сезонная динамика содержания пигментов (мг/г сырого веса) и их соотношение в хвое ели корейской (над чертой) и ели обыкновенной (под чертой)
Время сбора образцов Содержание Отношение
Хлорофилл a Хлорофилл b Каротиноиды Сумма пигментов a+b/ каротиноиды a/b
Весна 0,65±0,20 0,29±0,07 0,22±0,01 1,16±0,23 4,27 2,24
0,64±0,20 0,27±0,09 0,20±0,01 1,11±0,28 4,55 2,37
Лето 0,73±0,09 0,30±0,03 0,19±0,02 1,22±0,29 5,42 2,43
0,70±0,09 0,30±0,04 0,19±0,04 1,19±0,17 5,26 2,33
Осень 0,78±0,13 0,38±0,08 0,23±0,05 1,39±0,28 5,04 2,05
0,79±0,10 0,37±0,06 0,22±0,04 1,38±0,18 5,27 2,14
Зима 0,67±0,01 0,32±0,03 0,23±0,02 1,22±0,23 4,30 2,09
0,70±0,12 0,33±0,05 0,21±0,03 1,24±0,20 4,90 2,12
Как видно на графике, с мая по октябрь у местного вида ели происходит постепенное нарастание количества каротиноидов с максимумом накопления в ноябре (0,29 мг/г). В зимний период пигментный аппарат ели корейской характеризуется более высокими показателями содержания желтых пигментов, чем в весенне-летний период (табл. 1). В отличие от ели корейской график содержания каротиноидов у интро-дуцента имеет вид многовершинной кривой.
Для данного вида также наблюдается основной максимум в ноябре (0,26 мг/г) и аналогичное повышение величин в холодное время года.
Это обусловлено тем, что в зимнее время каротиноиды выполняют защитную функцию - сохраняют хлорофиллы от избытка солнечной радиации.
Исследования показали, что содержание каротиноидов у местного вида - ели корейской составляет 0,22 мг/г сырого веса, у интродуцен-та он равен 0,21 мг/г. Близость количественного соотношения каротиноидов и хлорофиллов у двух видов ели свидетельствует в пользу мнения об адаптационной сбалансированности фотосинтетического аппарата к определенному режиму световой энергии разной длины волн [7]. Согласно полученным данным, наиболее высоким содержанием хлорофиллов и каротиноидов в течение года характеризовалась хвоя дальневосточного вида (1,25 мг/г), в то время как у интро-дуцента этот показатель был равен 1,23 мг/г.
Близость количественных характеристик и сезонные закономерности накопления пигментов для двух хвойных хорошо прослеживаются на рис. 4. Так наиболее стабильно фонд пигментов пополнялся с мая по июль и с сентября по ноябрь, как у местного, так и у интродуцированного вида. Снижение количества пигментов в зимний пери-
од связано со структурно-функциональной перестройкой, наблюдаемой в клетках мезофилла хвойных при их подготовке к периоду покоя. С наступлением осени в клетках хлоренхимы происходит исчезновение крахмальных зерен, изменение формы, размеров и месторасположения зеленых пластид, которые перемещаются к центральной части клетки и группируются вокруг ядра, что снижает поглощение световой энергии [8].
О степени сформированности фотосинтетического аппарата судят по отношению хлорофилла а к хлорофиллу Ь (а/Ь). Это отношение связано с активностью «главного» хлорофилла а, чем оно больше, тем интенсивнее фотосинтез. В норме этот показатель должен соответствовать 2,2-3,0. В двухлетней хвое местного вида это отношение варьировало от 1,89 (декабрь) до 2,47 (июнь). У интродуцента оно изменялось в пределах от 1,95 (ноябрь) до 2,50 (март). Среднее отношение хлорофиллов (а/Ь) у ели обыкновенной больше, чем у ели корейской. Можно предполагать, что интродуцированный вид прошел успешную адаптацию к природным условиям дендрария Горнотаежной станции.
i Б
I Ъ й 1 т т Е
Е Б Е
V VI VII VIII IX X XI XII I II II Месяц
■ Ель корейская □ Ель обыкновенная
Рисунок 4. Суммарное содержание пигментов в двухлетней хвое ели корейской и ели обыкновенной
Отношение суммы хлорофиллов к каро-тиноидам (а+Ь/каротиноиды) играет не менее важную роль при характеристике работы фотосинтетического аппарата. Это соотношение в норме стабильно и очень чутко реагирует на изменения различных факторов среды. В целом приведенные данные (табл.) указывают, что с наступлением зимы (конец ноября - декабрь) у двух видов отмечали тенденцию к уменьшению соотношения (а+Ь/каротинои-ды), что свидетельствует о снижении светосо-бирающей функции пигментного комплекса под воздействием неблагоприятных температурных условий зимы. Возрастание в холодный период года относительного содержания каротиноидов отражает устойчивость желтых пигментов к повреждающим условиям среды и их защитную функцию [9].
В целом общее количество пигментов в двухлетней хвое ели корейской, произрастающей в естественных для нее условиях, изменяется в течение вегетации в пределах 0,96-1,67 мг/г сырого веса и зависит от фазы годичного цикла, погодных условий сезона, влагообеспе-ченности и других факторов. Количество фотосинтетических пигментов в хвое ели обыкновенной в условиях дендрария колеблется от 0,91 до 1,50 мг/г сырого веса. В целом по общему количеству пигментов ель обыкновенная (1,23 мг/г) несколько уступает местной породе (1,25 мг/г).
Таким образом, с точки зрения пигментных показателей ель обыкновенная прошла успешную адаптацию (в течение 45 лет) в условиях дендрария Горнотаежной станции, а по уровню активности фотосинтетического аппарата приближается к ели корейской.
14.05.2010 г.
Список литературы:
1. Розно, С.А. Эколого-биологический анализ итогов интродукции древесных растений в лесостепи Среднего Поволжья: Автореферат дисс. ... кандидата биол. наук / С.А. Розно. - Самара, 2005. - 20 с.
2. Базилевская, Н.А. Теории и методы интродукции растений / Н.А. Базилевская - М.: Изд-во Московского ун-та, 1964. -131 с.
3. Тужилкина, В.В. Реакция пигментной системы хвойных на длительное аэротехногенное загрязнение / В.В. Тужилкина // Экология. - 2009. №4. - С. 243-248.
4. Шлык, А.А. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев /А.А. Шлык // Биохимические методы в физиологии растений. - М.: Наука, 1971. - С. 154-170.
5. Степень, Р.А. Влияние аэрогенного загрязнения на пигментную систему ассимиляционного аппарата ели сибирской / Р. А. Степень, О.А. Есякова // Лесной журнал. - 2010. №1. - С. 43-47.
6. Николаевский, В.С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния наземных экосистем методами фитоиндика-ции / В.С. Николаевский. - М.: МГУЛ, 1998. - 130 с.
7. Чернышев, В.Д. Динамика показателей пигментов хлоропластов дальневосточных и интродуцируемых хвойных дендрария Горнотаежной станции / В.Д. Чернышев, Е.Г. Вернигора, М.С. Титова // Биологические исследования на Горнотаежной станции. Сб. науч. тр. Вып. 9. - Владивосток: Дальнаука, 2004. - С. 106-114.
8. Ладанова, Н.В. Структурная организация и фотосинтетическая активность хвои ели сибирской / Н.В. Ладанова, В.В. Тужилкина. - Сыктывкар: Коми НЦ УрО РАН, 1992. - 97 с.
9. Яцко, Я.Н. Пигментный аппарат вечнозеленых растений на Севере: автореф. дисс. ... канд. биол. наук /Я.Н. Яцко. -Санкт-Петербург, 2010. - 23 с.
Сведения об авторе:
Титова М.С., старший научный сотрудник лаборатории физиологии и селекции лесных растений Горнотаежной станции им. В.Л. Комарова, кандидат биологических наук 692533, Приморский край, Уссурийский район, с. Горнотаежное, ул. Солнечная,26 тел. (4234) 391119, е-mail: [email protected]
Titova M.S.
Content of photosynthetic pigments in needles of Picea Abies and Picea Koraiensis
The author presents the results of research of content of photosynthetic pigments (chlorophyll a, b and carotinoids) in two-year needles of introducent common spruce (Picea abies (L.) Karst.) and Far-Eastern type -Korean spuce (Picea koraiensis Nakai), growing in arboretum of mountain- taiga station of DVO RAS. Key words: needles, pigments, introducent, chlorophyll, carotinoids.
