The state of the adaptive potential of Quercus robur L. in field-protective forest belts based on the study of substances of secondary metabolism

Cover Page

Abstract

The paper studies various groups of substances of secondary metabolism of phenolic nature in the leaves of model trees of English oak growing in the field-protective forest belts of the agroforestry complex «Kamennaya Steppe». A physiological and biochemical analysis was carried out on samples of oak leaves from each tree in two stages – in the first decade of June and in early August. From each model tree 4–6 shoots of the lower tier of the southern exposure were selected. Significant biochemical diversity of the control and experimental groups of model oak trees was revealed. It is shown that the most significant fluctuations in the level of phenolic substances occur at the beginning of the growing season and then their content is stabilized. The informativeness of biochemical monitoring studies in the complex assessment of the current state of oak stands was confirmed. It is proved that the content of substances of secondary metabolism of phenolic nature and their combination can serve as a criterion of potential energy efficiency.

Full Text

Введение

В последние десятилетия климат Земли претерпевает значительные изменения: растет повторяемость, продолжительность и интенсивность засух, нарушается экологическое равновесие, снижается биологическое разнообразие видов. Одним из главных препятствий по сдерживанию темпов остепнения южных областей Европейской части России являются полезащитные лесные полосы [1, с. 5–8]. Роль основной лесообразующей породы данных полос принадлежит дубу черешчатому. Дуб является засухоустойчивой породой повышенной хозяйственной ценности. В связи с этим в настоящее время проблемы сохранения и поддержания экологического потенциала дубовых древостоев вышли на уровень наиболее актуальных. Для комплексной оценки состояния дубовых насаждений необходимо более широко использовать биохимические критерии биоиндикации. Одним из ключевых моментов экологического мониторинга является изучение адаптационных механизмов устойчивости дуба на биохимическом уровне, который включает особенности синтеза веществ первичного и вторичного метаболизма. В качестве маркеров устойчивости дубрав к повреждению листьев различными видами патогенов и вредителей используются вещества вторичного метаболизма. Известно, что в листьях дуба черешчатого синтезируется большое количество разнообразных вторичных метаболитов фенольной природы – низкомолекулярные катехины, конденсированные и гидролизуемые танины, флавонолы и проантоцианидины. Эти вещества обладают высокой антиоксидантной активностью и относятся к компонентам неспецифической защиты [2, p. 282–391]. Биосинтез фенольных соединений зависит от многих абиотических факторов (свет, влага, минеральное питание и т.д.), а также от генотипических особенностей растительного организма [3, с. 34–42].

Целью исследований являлась оценка в сезонной динамике биохимического разнообразия 69-летних деревьев дуба черешчатого, произрастающих в контрастных лесорастительных условиях лесной полосы № 133 «Каменной Степи».

Материалы и методы исследований

Объектом исследования служили деревья дуба черешчатого, произрастающие в полезащитной лесной полосе № 133 агролесомелиоративного комплекса «Каменная Степь» (Таловский район, Воронежская область). Данная лесополоса создана в 1950 г. академиком Е.С. Павловским коридорно-гнездовым способом, направлена с запада на восток, находится на водораздельном участке и располагается на трех типах местности: плакорном, междуречном недренированном (литеры а и б) и склоновом (литера в). В ней отобраны 40 модельных деревьев дуба: 20 деревьев, произрастающих в литерах а и б (контрольный вариант), и 20 деревьев – на склоне в литере в (опытный вариант). Таксационные показатели насаждения и биометрические характеристики модельных деревьев дуба были рассмотрены нами ранее [4, с. 78–89]. Физиолого-биохимические исследования проводили на образцах листьев дуба черешчатого, в два этапа – I декада июня (листовая пластинка молодая полностью сформировавшаяся) и в начале августа (стадия зрелой листовой пластинки). С каждого модельного дерева отбирали по 4–6 побегов нижнего яруса южной экспозиции. Затем в течение 4–5 секунд фиксировали в кипящем этаноле отобранные системные листья и высушивали до воздушно-сухого состояния. Далее определяли содержание в листьях дуба вещества вторичного метаболизма фенольной природы. Для этого проводили экстракцию листьев 96; 70 и 50%-ным этиловым спиртом. В 96%-ном экстракте производили определение низкомолекулярных катехинов (НК) и флавонолов (ФЛ) [5, с. 350–358; 6, p. 213–217]; в 50%-ном экстракте – конденсированных танинов (КТ) и общую сумму фенольных соединений (ФС) [6, с. 213–217; 7]; в 70%-ном экстракте – проантоцианидины (ПА) [6, p. 213–217]. Сумму гидролизуемых танинов (ГТ) в листьях дуба оценивали по разнице между содержанием ФС и КТ [8, p. 1693–1702].

Результаты исследований и их обсуждение

Анализ показал, что среди изученных групп веществ вторичного метаболизма максимальный уровень накопления характерен для ФЛ. Так, в июне в листьях контрольных деревьев их среднее содержание составляло 4,419 ± 0,172% сухой массы (с.м.) (рис. 1). В листьях опытной группы уровень накопления ФЛ на 15,6% ниже – 3,726 ± 0,332% с.м. Повышенное их содержание в июне может быть связано с особенностями защиты фотосинтетического аппарата растений от гидротермического стресса во время атмосферной и почвенной засухи. ФЛ широко известны как компоненты антиоксидантной защиты в условиях засухи и повышенной УФ-радиации [9, с. 61–66; 10, p. 67–76].

В июле 2019 г. выпало 161% от региональной нормы осадков и в почве накопились значительные запасы влаги. Вследствие этого в августе уровень накопления вторичных метаболитов снизился в листьях обеих групп модельных деревьев дуба. Среднее содержание ФЛ в контрольной группе снизилось на 16,7% и составило 3,683 ± 0,164% с.м. Уровень накопления этих веществ в листьях опытной группы снизился менее существенно и составил 3,594 ± 0,153% с.м. (рис. 2).

 

Рисунок 1 – Накопление фенольных соединений в листьях дуба черешчатого (лесная полоса № 133, Каменная Степь, июнь 2019 г.)

 

Рисунок 2 – Накопление фенольных соединений в листьях дуба черешчатого (лесная полоса № 133, Каменная Степь, август 2019 г.)

 

В ходе анализа определен уровень накопления еще одной группы вторичных метаболитов, которые так же, как и флавонолы, синтезируются из дигидрокверцетина, – конденсированных танинов (КТ). Известно, что под воздействием флавонолсинтазы из этого компонента образуются ФЛ, а при протекании другой ферментативной реакции с дигидрофлавонолредуктазой осуществляется синтез флаванолов (КТ и ПА). Однако из-за высокой способности к полимеризации конденсированные танины обладают менее выраженными антиоксидантными свойствами [11, p. 153–159].

В динамике по уровню накопления конденсированных танинов выявлены следующие различия. Так, в июне отмечен максимальный уровень накопления КТ у опытных деревьев – 1,104 ± 0,160% с.м. Листья контрольных деревьев содержат КТ на 59,4% меньше – 0,656 ± 0,093% с.м. (рис. 1). Вероятно, увеличение содержания данной группы вторичных метаболитов обусловлено дополнительным синтезом этих веществ в ответ на повреждение тканей листа насекомыми или поражения болезнями. На 1 этапе (июнь) энтомо-фитопатологической оценки филлосфера опытных деревьев была более поражена мучнистой росой, что, в свою очередь, могло индуцировать дополнительный синтез конденсированных танинов. Однако анализ сбора августа показал, что уровень накопления КТ несколько выровнялся: в листьях контрольных деревьях дуба произошло увеличение уровня накопления КТ до 1,007 ± 0,178% с.м., а в листьях опытных деревьев, наоборот, снижение их уровня до 0,824 ± 0,221% с.м. (рис. 2). Вероятно, элиситоры патогенов (например, мучнистой росы) могут влиять на регуляцию общего предшественника флавонолов и конденсированных танинов – дигидрокверцетина. В случае восприимчивости к патогену происходит преимущественное образование флаванолов, а в случае с устойчивостью регуляторной системы растения уровень накопления веществ вторичного метаболизма остается достаточно стабильным [12, с. 396–403].

На основе июньской диагностики содержания веществ вторичного метаболизма в листьях дуба всю выборку деревьев можно разделить на 2 биохимических фенотипа. Первый – контрольные деревья, устойчивые к мучнистой росе формы, характеризующиеся повышенным содержанием ФЛ и пониженным содержанием КТ; второй – опытные деревья, восприимчивые к мучнистой росе, с пониженным содержанием ФЛ и повышенным КТ. Необходимо отметить, что полученные соотношения уровней накопления ФЛ и КТ в опыте и контроле и результаты энтомофитопатологической оценки подтверждаются данными визуальной оценки санитарного состояния деревьев, произрастающих в контрастных экологических условиях (плакор и склон лесополосы № 133). Разделение деревьев дуба черешчатого на устойчивые и восприимчивые к мучнистой росе на основе биохимических фенотипов ранее было обосновано Л.В. Поляковой и В.И. Литвиненко [13, с. 128–137].

Анализ результатов количественного определения компонентов фенольного комплекса позволил определить уровень накопления еще одной группы флаванолов, обладающей антиоксидантными свойствами, – низкомолекулярных катехинов (НК). Максимальный уровень накопления НК характерен для молодых полностью сформировавшихся листьев дуба опытной группы июньского сбора – 2,168 ± 0,312% с.м. (рис. 1). В листьях дуба контрольной группы низкомолекулярных катехинов выявлено почти в 2 раза меньше – 1,318 ± 0,185% с.м. (рис. 1). Ко второй декаде августа отмечается одновременное снижение уровня накопления НК в обеих группах исследуемых деревьев: до 1,356 ± 0,272% с.м. у опытных и до 1,247 ± 0,248% с.м. у контрольных деревьев (рис. 2).

Установлено, что содержание гидролизуемых танинов (ГТ) несущественно варьирует в течение вегетационного сезона. В целом, уровни накопления ГТ в первой его половине несколько выше в обеих группах: 0,888 ± 0,131% с.м. в листьях контрольных деревьев и 0,761 ± 0,180% с.м. (рис. 1). Во второй декаде отмечено некоторое снижение содержания этих веществ во всей выборке: до 0,579 ± 0,124% с.м. (группа контроля) и до 0,679 ± 0,136% с.м. (группа опыта) (рис. 2).

Л.В. Поляковой и др. [14, с. 24–32] предложен принцип разделения насаждений дуба черешчатого на 3 биохимических фенотипа. 1-й фенотип характеризуется содержанием белка, выше среднего для популяции и пониженным содержанием ГТ. 2-й фенотип – содержание белка ниже среднепопуляционного уровня, а ГТ – выше. 3-й фенотип – повышенный уровень белка и ГТ. Известно, что предшественником гидролизуемых танинов, синтезируемых из галловой кислоты, является дегидрошикимовая кислота, которая одновременно служит в роли предшественника фенилаланина [15, p. 3–16]. Вероятно, негативная корреляция между накоплением белка и ГТ является следствием их конкуренции за общий предшественник – фенилаланин – для синтеза белка и галловой кислоты. Существуют мнение, что повышенному уровню (относительно среднепопуляционного) первичных метаболитов соответствует пониженный уровень вторичных веществ, и наоборот. При этом более тесная связь данных показателей отмечена в старовозрастных деревьях и деревьях лесных массивов, устойчивых к различным патогенам и вредителям [9, с. 61–66].

Еще одним компонентом фенилпропаноидной структуры, кроме ФЛ, НК и КТ, выявленным в листьях модельных деревьев, является связанная форма ПА. Показано, что в начале вегетационного сезона уровень накопления ПА в листьях деревьев опытной группы составлял 1,911 ± 0,335% с.м., что на 21,8% выше уровня этих веществ у контрольных деревьев (рис. 1). К середине августа произошло существенное увеличение содержания ПА в листьях контрольных деревьев на 29,5% до 2,120 ± 248% с.м. (рис. 2). У деревьев опытной группы, наоборот, на 35,8% снизился уровень накопления данных веществ. Вероятно, подобные особенности вторичного обмена не проявляются однозначно только на количественном уровне, а представляют собой комплекс компонентов фенольной природы, сочетающихся по характеру защитного действия в разные периоды вегетационного сезона [16, с. 252–259; 17, с. 581–586].

Об адаптивной пластичности изучаемых деревьев дуба можно судить по коэффициентам вариации признаков. Наблюдается значительная дифференциация деревьев по биохимическим показателям вторичного обмена. Наиболее высокий уровень пластичности у деревьев обеих выборок показан при анализе гидролизуемых танинов. Коэффициенты вариации данного признака составляют от 66 до 95,9% (июнь 2019 г.).

Высокий уровень пластичности на уровне 50–70% выявлен и при анализе других групп веществ вторичного метаболизма, за исключением ФЛ. Такие высокие коэффициенты вариации признаков дают достаточный размах адаптивности показателей. Подобную индивидуальную вариативность можно рассматривать как процесс поиска растениями внутренних путей адаптации к средовым стрессорам в рамках строго определенных адаптационных возможностей вида. Коэффициенты вариации выборок по ФЛ составляют от 17,1 (опытный вариант, август) до 35,7% (контрольный вариант, август).

Показатели коэффициентов вариабельности по флавонолам соответствуют данным, полученным для природных популяций дуба черешчатого – 18,1% [14, с. 24–32]. Благодаря высокой вариабельности веществ вторичного метаболизма сохраняется биохимическое разнообразие в популяциях, которое определяет различную степень устойчивости деревьев к различным абиотическим и биотическим факторам (высоким температурам, УФ-радиации, вредителям, патогенам и т.д.) [16, с. 252–259].

Выводы

Таким образом, в ходе исследования групп веществ вторичного метаболизма выявлено существенное биохимическое разнообразие контрольной и опытной групп модельных деревьев дуба черешчатого. Показано, что наиболее существенные колебания их уровня происходят в начале вегетационного сезона, а в августе их содержание несколько стабилизируется. Подтверждена информативность биохимического мониторинга при оценке состояния дубовых насаждений. Выявлено, что содержание фенольных соединений может служить критерием потенциальной устойчивости вида к среде обитания. Устойчивость дубовых насаждений имеет многофакторную основу. Установлено, что способность растений противостоять средовому стрессу под влиянием абиотических и биотических факторов зависит во многом от уровня накопления различных групп веществ вторичного метаболизма и их сочетания [18, с. 140–147]. Так, особенности метаболизма, связанные с устойчивостью, в полной мере проявляются не только в их количестве, а представляют собой коадаптивный комплекс разных по характеру действия групп веществ в различные временные периоды вегетационного сезона. Такие коадаптивные комплексы обладают достаточно высоким уровнем наследуемости. Генетическая устойчивость к мучнистой росе подтверждена у полусибсовых потомств устойчивого 600-летнего дерева и 300-летнего восприимчивого дерева дуба. Наследуемость составили 0,78 для 600-летнего дерева и 0,42 для 300-летнего [16, с. 252–259]. Различия по содержанию вторичных метаболитов в листьях контрольных и опытных деревьев могут свидетельствовать о наличии адаптационных механизмов, позволяющих особям выживать в неблагоприятных гидротермических и эдафических условиях.

×

About the authors

Marina Yurievna Sautkina

All-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and Biotechnology

Author for correspondence.
Email: sautmar@mail.ru

candidate of agricultural sciences, researcher of Ecological Genetics Laboratory; All-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and Biotechnology (Voronezh, Russian Federation)

Russian Federation, Voronezh

References

  1. Федотов В.И. Антропогенез – объективная реальность в географической оболочке Земли // Вестник ВГУ Сер. География. Геоэкология. 2014. № 3. С. 5–8.
  2. Haviola S., Saloniemi J., Ossypov V. et al. Additive genetic variation of secondary and primary metabolites in mountain birch // OIKOS. 2006. № 112. P. 382–391.
  3. Киракосян Р.Н., Калашникова Е.А. Содержание фенольных соединений в листьях растений-регенерантов капусты белокочанной (Brassica oleracea L.) // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2017. № 2. С. 34–42.
  4. Сауткина М.Ю., Кузнецова Н.Ф., Тунякин В.Д. Современное состояние полезащитных лесных полос с преобладанием дуба черешчатого (Quercus robur L.) // Лесохозяйственная информация. 2018. № 1. С. 78–89.
  5. Беликов В.В. Оценка содержания флавонол-производных в плодах Sylabium marianum (L.) // Растительные ресурсы. 1985. № 3. С. 350–358.
  6. Julkunen-Titto R. Phenolic constituents in leaves of northen willows: methods for the analysis of certain phenolics // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1985. № 33. P. 213–217.
  7. Харборн Дж. Биохимия фенольных соединений. М.: Изд-во «Мир», 1968. 448 с.
  8. Salminen J.-P., Roslin T., Karonen M. Seasonal variation in the content of hydrolizable tannins, flavonoid glycosides and proanthocyanidins in oak leaves // Journal of Chemical Ecology. 2004. № 30 (9). P. 1693–1702.
  9. Полякова Л.В. Фенольные соединения листьев материнских деревьев и сеянцев полусибсового потомства дуба черешчатого // Биологический вестник. 2007. № 11. С. 61–66.
  10. Agati G., Azzarello E., Pollastri S., Tattini M. Flavanoids an antioxidants in plants: Location and functional significance // Plant Science. 2012. № 196. P. 67–76.
  11. Lahtinen M., Kapari L., Ossipov V., et al. Biochemical transformation of birch leaf phenolics in larvae of six species of sawflies // Chemoecology. 2005. № 1 (3). P. 153–159.
  12. Полякова Л.В., Литвиненко В.И. Регуляция синтеза некоторых групп фенольных соединений в листьях дуба черешчатого в условиях повреждения патогенной инфекцией и насекомыми // Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты: сб. науч. тр. М., 2015. С. 396–403.
  13. Полякова Л.В., Литвиненко В.И. Значение вторичных метаболитов в формировании устойчивости к мучнистой росе деревьев 16-летних культур дуба черешчатого // Лесоведение. 2019. № 2. С. 128–137.
  14. Полякова Л.В., Литвиненко В.И. Биохимическое разнообразие полусибсового потомства деревьев дуба черешчатого как источник отбора генотипов для микроклонирования // Бюллетень ГНБС. 2016. № 121. С. 24–32.
  15. Ossipov V., Salminen J.-P., Ossipova S., Haukioja E., Pihlaja K. Gallic acid and hydrolysable tannins are formed in birch leaves from an intermediate compound of the shikimate pathway // Biochemical Systematics and Ecology. 2003. № 31 (1). P. 3–16.
  16. Полякова Л.В. Сезонная изменчивость фенольных соединений в листьях деревьев дуба черешчатого (Quercus robur) и красного (Quercus rubra), устойчивых и восприимчивых к мучнистой росе (Microsphaera alphitoides) // Лiciвництво i агролiсомелiорацiя. 2008. № 113. С. 252–259.
  17. Шеин И.В., Шибистова О.Б., Зражевская Т.К., Астраханцева Н.Г., Полякова Г.Г. Содержание фенольных соединений и активность ключевых ферментов их синтеза в гипокотилях сосны обыкновенной при фузариозе // Физиология растений. 2003. № 50. С. 581–586.
  18. Полякова Л.В., Кузнецова Н.Ф. Повышение устойчивости лесозащитных полос с участием сосны обыкновенной на основе изучения особенностей метаболизма веществ вторичного обмена // Бюллетень ГНБС. 2020. № 136. С. 140–147.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Figure 1 - Accumulation of phenolic compounds in the leaves of English oak (forest belt No. 133, Kamennaya Steppe, June 2019)

Download (21KB)
2. Figure 2 - Accumulation of phenolic compounds in the leaves of English oak (forest belt No. 133, Kamennaya Steppe, August 2019)

Download (19KB)

Statistics

Views

Abstract: 54

PDF (Russian): 18

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2021 Sautkina M.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies