Juglans L. genus trees influence on cellulolytic soil activity in Samara University Botanical Garden Dendrarium

Full Text

Введение

Влияние деревьев на почву оказывается различными путями. Древесные растения качественно и количественно изменяют приток веществ в почвенную среду, перехватывая кроной осадки и насыщая их выделениями из листьев и материалом, осажденным из воздуха. Поступление наземной (листовой опад) и подземной (корневой отпад) мортмассы влияет на химические процессы в почве и способно изменять ее морфологическое строение. Образуя и высвобождая опад, деревья косвенно активизируют почвенную микрофлору [1], которая адаптируется к специфической морфологии и полифенольному составу специфического опада [2]. Переход части углерода из продуктов фотосинтеза в почву через корневые экссудаты также может сильно влиять на активность и структуру сообществ почвенных микроорганизмов, что на уровне экосистем выражается в изменении скорости цикла углерода [3]. Химический состав и физическая природа листьев, коры, ветвей и корней, доступность питательных веществ являются факторами, участвующими в регуляции активности микробиоты и почвенной фауны, вовлеченных в разложение растительных остатков [4]. Расщепление целлюлозы имеет огромное значение в круговороте углерода, так как в ее состав входит более 50% всего органического углерода биосферы. На долю целлюлозы приходится 45–80% сухого веса растений [5]. По химической природе целлюлоза – полисахарид, состоящий из цепочек глюкозы по 100–200 молекул. Это стойкое органическое соединение, разрушающееся только при действии очень сильных окислителей. В природных условиях разрушение целлюлозы осуществляется микроорганизмами, образующими ферменты целлюлазы [6; 7]. Различают аэробное и анаэробное расщепление целлюлозы. В аэробных условиях большая часть целлюлозы окисляется до углекислоты и воды, лишь незначительное ее количество окисляется не полностью и входит в состав гумуса. Основной вклад в процесс аэробного разложения целлюлозы принадлежит грибам (Fusarium, Botrytis и др.), в процессе участвуют также миксобактерии таких родов, как Cytophaga, Sporocytophaga, Myxococcus, Sorangium и Polyangium, и сходные с псевдомонадами бактерии рода Cellvibrio. В анаэробных условиях разложение клетчатки осуществляют мезофильные бактерии Bac. cellulosae omelianskii, некоторые кокки и термофильные клостридии. Некоторые из них могут развиваться только в присутствии в субстрате целлюлозы или целлобиозы. Процесс разложения протекает по типу брожения. Вначале под действием целлюлаз происходит внеклеточный гидролиз, продукты которого – глюкоза и целлобиоза – затем сбраживаются с образованием уксусной, масляной, молочной и муравьиной кислот, углекислоты и молекулярного водорода. В смешанных культурах эти кислоты под действием метанобразующих бактерий подвергаются брожению, основным продуктом которого является метан [7].

Орехоплодные растения, формирующие богатые белками и липидами семена, используются человеком начиная с глубокой древности [8–11]. Помимо традиционного использования в качестве пищевых продуктов и высоколипидного растительного сырья, признанных лекарственных растений [11; 12] они также служат хранилищем биологически активных веществ [13], что привлекает к ним интерес с позиций организации здорового питания населения [14].

История интродукции орехов в Ботаническом саду Самарского университета начинается уже с момента создания сада, основные посадки орехов провели еще до 1953 года. В общей сложности за период с 1936 по 2004 гг., согласно спискам в регистрационных журналах, были получены и высеяны около 500 образцов семян Ореховых: до 1960 г. – 113; до 1970 г. – 20; до 1980 г. – 26; до 1990 г. – 89; до 2000 г. – 149 и до 2005 г. – 96 образцов. Состав коллекции динамически изменяется, что зависит от поступления новых образцов, продолжительности их жизни, а также времени отпада. Динамика численности дендрологической коллекции орехов Самарского ботанического сада: 1950 г. – 3 вида, 1964 г. – 9 видов, 1973 г. – 5 видов, 1992 г. 13 видов, 2004 г. – 7 видов, 17 форм и 2 гибрида [15–17].

Ранее были подробно изучены особенности их роста, фенологического развития, уровень устойчивости, начало изучение структурно-функциональных особенностей листьев [18]. Однако для древесных интродуцентов важным моментом является их воздействие на почвенную среду, которое может принимать формы почвоутомления. Наша работа, включающая изучение особенностей средопреобразующего влияния деревьев рода орех, продолжает и дополняет ранее выполненные исследования и представляет результаты оценки целлюлозолитической активности почвы под деревьями рода орех в дендрарии Ботанического сада Самарского университета.

Условия и методы исследований

Отбор проб почвы из слоя 0–10 см был выполнен в дендрарии Ботанического сада в сентябре 2011 г. в подкроновом пространстве (приблизительно в середине радиуса проекции кроны) для деревьев орехов грецкого и черного (у каждого вида – экземпляров – старого, среднего возраста, молодого), а также деревьев орехов айлантолистного, маньчжурского, серого, сердцевидного, скального. В качестве контрольного образца использовали почву питомника Ботанического сада. Определение целлюлозоразрушающей активности выполняли чашечным аппликационным методом, для чего на дно чашек Петри помещали заранее взвешенные кусочки плотной белой бумаги, закрывали их капроном. Отвешивали на технических весах по 40 г почвы каждого образца, помещали на капрон и увлажняли до 60% от плотной влагоемкости. Чашки закрывали крышкой и ставили в термостат при температуре 27–28°C на 30 суток [7]. По окончании опыта остатки бумаги осторожно вынимали, тщательно освобождали от частичек почвы и взвешивали. По разнице в весе, выраженной в процентах от начального веса фильтровальной бумаги, судили о степени разложения клетчатки в почве.

Результаты исследования и их обсуждение

Визуальный осмотр проб бумаги, которую экспонировали в контакте с почвой, обнаружил довольно хорошую ее сохранность в контрольном варианте (почва питомника) и сильное разрушение под влиянием почвы в вариантах орех грецкий (старое дерево), орех черный (все варианты), орех скальный (рис. 1–3). На части бумажных полосок появилась хорошо заметная пигментация, которая предположительно была связана с развитием различных групп микроорганизмов. Как известно, полевое определение особенностей биологической активности почвы путем аппликации полосок бумаги рекомендуется даже садоводам-любителям, при этом характер пигментации образующихся колоний рассматривается в качестве важного диагностического признака [19; 20].

Рисунок 1 – Целлюлозоразрушающая активность проб почвы из-под деревьев ореха грецкого разного возраста

Как правило, фитопатогенные грибы образуют на бумаге (ткани) колонии черной (стахиботрис), серой (альтернария), фиолетово-малиновой окраски (фузариум), распространяясь по всей поверхности пробы [19]. Напротив, если поверхность ткани или бумаги желтая, зеленая или розовая, это свидетельствует о благоприятном составе микрофлоры и здоровом состоянии почвы. Выявленные в наших экспериментах особенности пигментации бумаги показали появление заметных ярко-желтых пятен (орехи грецкий среднего возраста, черный среднего возраста и молодой, серый). Бледно-желтая окраска пятен появилась на бумаге под действием проб почвы из-под орехов маньчжурского, сердцевидного, айлантолистного, грецкого молодого и довольно слабо в варианте с почвой питомника (контроль). В то же время на бумаге, контактировавшей с почвой из-под орехов серого и скального, сформировались также отдельные пятна ярко-лиловой окраски, которые в литературе связывают с присутствием в почве фузариума [19; 20]. Это может означать, что большинство деревьев орехов оказывали на микрофлору почвы оздоравливающее воздействие, подавляя фитопатогены. Слабее других данный эффект был выражен в почве под орехами серым и скальным, где выявлялось некоторое присутствие фузариума. Особенности пигментации были зафиксированы нами на цифровых фото, но, к сожалению, возможности черно-белых иллюстраций не позволили их представить в данной статье.

Рисунок 2 – Целлюлозоразрушающая активность проб почвы из-под деревьев ореха черного разного возраста

В почве под орехом грецким с возрастом дерева увеличивалась целлюлозоразрушающая активность. Так, в пробе почвы из-под ореха грецкого молодого целлюлозоразрушающая активность была равна 53%, ореха грецкого старого – 79%. Для ореха черного пробы почвы из-под деревьев разного возраста показали достаточно близкую целлюлозоразрушающую активность (от 72% до 78%). Пробы почвы из-под орехов серого, маньчжурского, сердцевидного, айлантолистного обладали практически одинаковым уровнем целлюлозоразрушающей активности (от 69% до 72%). Самая высокая целлюлозоразрушающая активность была в пробе почвы ореха скального (82%). Контроль – почва питомника – показала целлюлозоразрушающую активность на уровне 55%. Таким образом, большинство почвенных проб характеризовалось повышенной по сравнению с контролем целлюлозоразрушающей активностью (кроме ореха грецкого молодого и ореха грецкого среднего возраста).

Рисунок 3 – Целлюлозоразрушающая активность проб почвы из-под деревьев орехов различных видов

Сравнение полученных результатов с данными проведенной нами в 2009 предварительной серии опытов показало, что целлюлозоразрушающая активность почвы изменяется по годам, испытывая влияние погодных условий (рис. 4). Так, в 2009 г. во всех почвенных пробах была отмечена способность разрушать целлюлозу. Под влиянием всех деревьев, кроме ореха грецкого молодого, разрушение целлюлозы шло слабее, чем в контрольном образце – почве питомника. Для ореха черного влияние возраста практически не было выражено, разрушение целлюлозы составило от 41 до 52%. У ореха грецкого при увеличении возраста активность целлюлозолитических ферментов снижалась, уровень расщепления целлюлозы изменялся от 74 (молодой) до 26% (старый орех).

Рисунок 4 – Результаты оценки целлюлозоразрушающей активности проб почвы (2009 г.)

Эти данные представляют противоположную картину по сравнению с 2011 г. Возможно, причину изменений следует искать в колебаниях режима увлажнения в весенне-осенне-летний период. В частности, высокий уровень увлажнения почвы в 2011 г. мог вызвать активизацию микрофлоры, испытавшей в 2010 г. воздействие экстремальной засухи.

Заключение

Таким образом, в подкроновом пространстве деревьев рода орех в зависимости от видовой принадлежности и возраста экземпляра наблюдались разнонаправленные изменения целлюлозоразрушающей активности. Характер пигментации полосок бумаги указывал на изменение активности наиболее распространенных групп почвенной микробиоты, а именно: большинство деревьев орехов оказывали на микрофлору почвы оздоравливающее воздействие, подавляя фитопатогены. Слабее других данный эффект был выражен в почве под орехами серым и скальным, где пигментация бумаги указывала на некоторое присутствие фузариума.

About the authors

Efim Alexandrovich Pomogaybin

Email: rainstoker@rambler.ru

postgraduate student of Ecology, Botany and Nature Conservation Department

Alexander Vladimirovich Pomogaybin

Author for correspondence.
Email: rainstoker@rambler.ru

candidate of biological sciences, deputy director of the Botany Garden

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Cellulose-breaking activity of soil samples from under walnut trees of different ages

Download (19KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 - Cellulose-breaking activity of soil samples from under black walnut trees of different ages

Download (20KB)

Indexing metadata

4. Figure 3 - Cellulose-breaking activity of soil samples from under trees of various types of nuts

Download (22KB)

Indexing metadata

5. Figure 4 - The results of assessing the cellulose-degrading activity of soil samples (2009)

Download (27KB)

Indexing metadata