Анализ биохимического разнообразия вегетативной сферы дуба черешчатого лесостепной зоны

Полный текст

Введение

В настоящее время остро стоит проблема деградации дубрав в России, странах Европы, Средней Азии и США. По всему ареалу вида наблюдается неуклонное снижение доли высокоствольных насаждений [1, с. 23–25]. По мнению Н.А. Харченко, одной из главных причин деградационных процессов в дубовых лесах является целенаправленное изъятие человеком на протяжении многих веков лучших по росту и развитию деревьев без обеспечения соответствующего лесовосстановления, что в свою очередь привело к снижению общей биологической устойчивости дуба [2, с. 29]. К концу ХIХ столетия широкомасштабное сведение дубрав стало одной из причин изменения гидрологического режима в лесостепной и степной зонах Европейской части России, что впоследствии привело к череде сильнейших засух. После засухи 1891 г. по инициативе В.В. Докучаева была организована «Особая экспедиция Лесного департамента по испытанию и учету различных способов и приемов лесного и водного хозяйства в степях южной России» и была третьей комплексной экспедицией под его руководством. В Каменной Степи были начаты работы по лесовосстановлению, которые спустя 125 лет на практике доказали правильность тех научных заключений и предложенных мер по борьбе с засухами. Создана система полезащитных лесных полос с участием дуба черешчатого. Однако лесоводами отмечено, что к 85–90-летнему возрасту лесополосы достигают зрелости и начинаются процессы деградации. Лесные полосы с преобладанием дуба в перспективе станут либо иными по составу пород, либо погибнут [3, с. 11–12]. В связи с этим необходимы длительные мониторинговые работы по исследованию состояния дуба черешчатого в составе насаждений. Известно, что в листьях дуба выявлено большое количество различных групп веществ вторичного метаболизма фенольной природы, которые могут служить критериями оценки устойчивости деревьев к неблагоприятным факторам среды.

Целью исследований являлась оценка сезонной динамики накопления веществ вторичного метаболизма в листьях 70-летних модельных деревьев дуба черешчатого, произрастающих в контрастных условиях рельефа лесной полосы № 133 Каменной Степи.

Объекты исследований

В качестве объектов исследований были выбраны деревья дуба черешчатого, произрастающего в полезащитной лесной полосе № 133 (1950 г. посадки) агролесомелиоративного комплекса «Каменная Степь». Каменная Степь находится на юго-востоке Воронежской области, на Битюжско-Хоперском междуречье. Она располагается в переходной части от Калачской возвышенности к Окско-Донской низменности, что и определяет общий уклон местности в северном направлении. Лесополоса № 133 направлена с запада на восток и располагается на водоразделе. Она состоит из 3 литер: а, б и в. В литерах а и б, расположенных на плакорном и междуречном недренированном типах местности, отобраны 20 деревьев дуба черешчатого (контрольная группа). В литере в, расположенном на склоне, выбраны 20 деревьев дуба опытной группы. Ранее нами было показано, что биометрические показатели деревьев дуба зависят от условий местопроизрастания – мезорельефа лесостепной зоны. Доказано, что на плакоре дуб находится в более благоприятных лесорастительных условиях и превосходит по диаметру и высоте деревья, произрастающие на склоне и претерпевающие негативное влияние рельефа [4, с. 78].

Материалы и методы исследований

Сбор растительных образцов производили дважды в течение вегетационного сезона: в середине июня и во второй декаде августа 2020 г. Отбирали по 4 системных листа с каждого дерева и фиксировали в кипящем этаноле. Для определения веществ вторичного метаболизма экстрагировали растительный материал в 96, 70 и 50%-ном этиловом спирте. В 96%-ном экстракте производили определение низкомолекулярных катехинов (НК) (по реакции с ванилиновым реактивом) [5, p. 213] и флавонолов (ФЛ) (по реакции с АLCL₃) [6, с. 351]; в 50%-ном экстракте – конденсированных танинов (КТ) (по реакции с ванилиновым реактивом) [5, p. 213] и общую сумму фенольных соединений (ФС) [7, с. 398]; в 70%-ном экстракте – проантоцианидины (ПА) [8, с. 622]. Сумму гидролизуемых танинов в листьях дуба оценивали по разнице между содержанием ФС и КТ.

Результаты исследований и их обсуждение

Произведена оценка биохимического разнообразия в сезонной динамике вегетативной сферы контрольных и опытных деревьев дуба черешчатого, произрастающих в контрастных условиях рельефа полезащитной лесной полосы № 133 Каменной Степи. В результате анализа выявлены отличия в уровне синтеза веществ вторичного метаболизма как между контрольной и опытной группами деревьев, так и в сезонной динамике. Показано, что в июне 2020 г., как и в предыдущие годы исследований, максимальный уровень накопления фенольных соединений характерен для флавонолов. Так, в листьях контрольных деревьев среднее содержание данной группы фенольных соединений составляет 3,16 ± 0,11% сухой массы (с.м.) (табл. 1). При этом значения варьируют в пределах 2,43–3,82% с.м. Можно предположить, такой высокий их уровень у контрольных деревьев обусловливает способность дуба противостоять влиянию болезней и вредителей, что подтверждается данными энтомо-фитопатологической оценки в сезонной динамике. В листьях опытных деревьев средний уровень накопления флавонолов ниже на 11,1% – 2,81 ± 0,18% с.м. (табл. 2). Амплитуда изменения признака составляет 2,09%. Максимальные значения достигают 4,12% с.м. Однако следует отметить: в целом содержание этих соединений в листьях модельных деревьев дуба в 2020 г. ниже, чем в предыдущие годы исследований: 4,42 ± 0,17 и 3,73 ± 0,33% с.м. (2019 г.) и 4,68 ± 0,23 и 3,25 ± 0,28% с.м. (2018 г.) соответственно для контрольных и опытных деревьев [9, с. 179; 10, с. 162]. Вероятно, данное явление можно объяснить тем, что в мае 2020 г., месяце, предшествующем отбору растительных образцов, выпало 162% нормы осадков, что привело к снижению уровня накопления флавонолов в листьях модельных деревьев дуба. Как известно, флавонолы обладают очень сильными антиоксидантными свойствами защиты фотосинтетического аппарата растений от гидротермического стресса во время засухи и повышенной УФ-радиации [11, с. 61; 12, p. 67].

К середине августа 2020 г. уровень накопления флавонолов снизился в листьях обеих групп деревьев дуба. Так, в листьях контрольных деревьев их содержание стало ниже на 20,2% (2,63% с.м.), а в листьях опытных деревьев – на 29,5% (1,98% с.м.) (табл. 1, 2).

Уровень накопления флавонолов может служить генетическим индикатором потенциальной устойчивости деревьев дуба черешчатого к внешнему воздействию различных стрессовых факторов, таких как атмосферная засуха, повышенная УФ-радиация, повреждения филлофагами и болезнями. Таким образом, при отборе материнских деревьев дуба для последующих селекционных работ целесообразна их биохимическая проверка на содержание флавонолов в листьях [13, с. 253; 14, с. 315].

Таблица 1 – Содержание веществ вторичного метаболизма в листьях контрольных модельных деревьев дуба черешчатого (лесная полоса № 133 (плакор), Каменная Степь), % с.м.

Примечание. НК – низкомолекулярные катехины, КТ – конденсированные танины, ГТ – гидролизуемые танины, ФС – общая сумма фенольных соединений, ФЛ – флавонолы, ПА – проантоцианидины.

Таблица 2 – Содержание веществ вторичного метаболизма в листьях опытных модельных деревьев дуба черешчатого (лесная полоса № 133 (склон), Каменная Степь), % с.м.

В результате детального физиолого-биохимического анализа показано наличие в тканях листьев модельных деревьев дуба черешчатого низкомолекулярных катехинов (НК). Данная группа фенольных соединений обладает значительными антиоксидантными свойствами. Выявлено в сезонной динамике, что в листьях опытных деревьев дуба уровень накопления НК существенно выше, чем в листьях контрольных деревьев. Так, в июне 2020 г. среднее содержание в листьях опытных деревьев дуба, произрастающих на склоне, равно 3,00 ± 0,36% с.м., что на 29% выше, чем в листьях деревьев дуба, произрастающих на плакоре (контроль) (табл. 1, 2). При этом амплитуда изменения признака у опытных деревьев составляет 5,46% с.м. Максимальные значения достигают 5,74% с.м. В контрольных деревьях амплитуда уже и составляет 3,55% с.м. при максимальном значении признака 3,97% с.м. К середине августа уровень накопления НК несколько выровнялся у обеих групп модельных деревьев: 2,31 ± 0,40 и 2,53 ± 0,41% с.м. Амплитуда изменчивости признака у опытных деревьев составляет 5,73% с.м., максимальные значения достигают 6,42% с.м. Для деревьев контрольной группы характерно варьирование значений признака от 0,70 до 7,79% с.м. Аналогичная тенденция характера динамики накопления НК наблюдалась и в предыдущие годы исследований. Так, в июне 2019 г. содержание НК в листьях деревьев на склоне составляло 2,17 ± 0,31% с.м., а в листьях контрольных деревьев – 1,32 ± 0,19% с.м. Ко второй декаде августа содержание НК сравнялось в листьях обеих групп исследуемых деревьев: 1,25 ± 0,25 и 1,36 ± 0,27% с.м. для контроля и опыта соответственно. Существенные отличия по содержанию НК между контрольными и опытными деревьями дуба позволяет рассматривать данные соединения как выполняющие определенную защитную функцию в неблагоприятных для произрастания условиях.

К важным компонентам комплекса адаптации растений к неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам относятся конденсированные танины (КТ). Физиолого-биохимический анализ количественного определения вторичных метаболитов показал наличие определенных различий в уровнях накоплении в листьях модельных деревьев дуба черешчатого КТ. Выявлена тенденция накопления данных соединений, аналогичная 2019 г. исследований. Так, в результате анализа сбора растительного материала в июне выявлено, что в 2020 г. в листьях деревьев дуба опытной группы уровень накопления КТ равен 1,78 ± 0,24% с.м., что на 19,1% выше, чем у контрольных деревьев – 1,43 ± 0,17% с.м. (табл. 1, 2). Размах изменчивости признака в листьях контрольных деревьев составляет 2,12% с.м. при варьировании значений от 0,37 до 2,50% с.м. Амплитуда изменчивости признака в листьях деревьев дуба опытной группы составляет 2,91% с.м. Повышенное содержание данной группы вторичных метаболитов может быть связано с индуцированным синтезом веществ в ответ на повреждение вегетативной сферы патогенными инфекциями и вредителями. Так, во время энтомо-фитопатологической оценки (июнь 2020 г.) было показано, что листья опытных деревьев дуба, произрастающих на склоне в неблагоприятных экологических условиях, наиболее подвержены поражению мучнистой росой и филлофагами относительно контрольных деревьев. Однако в результате анализа растительного материала августовского сбора выявлено, что в листьях контрольных деревьев произошло повышение среднего уровня накопления КТ на 29,2% до 1,86 ± 0,21% с.м., а в листьях опытных деревьев, наоборот, снижение до 1,53 ± 0,17% с.м. При этом в листьях деревьев контрольной группы значения варьируют от 0,45 до 3,23% с.м., а в листьях опытной – от 0,28 до 2,41% с.м. В течение двух лет исследований выявлена определенная закономерность между 2 группами веществ вторичного метаболизма, обеспечивающими защитные функции – ФЛ и КТ. Так, отмечено, что в 2020 г. в листьях контрольных деревьев в сезонной динамике происходит снижение уровня накопления ФЛ от 3,16 ± 0,11 до 2,63 ± 0,17% с.м., а уровень накопления КТ, наоборот, повышается от 1,44 ± 0,17 до 1,86 ± 0,21% с.м. (табл. 1). В листьях опытных деревьев выявлена противоположная тенденция. Таким образом, ежегодный анализ выборки деревьев дуба полезащитной лесополосы № 133 показал устойчивую негативную корреляцию оценок уровней накопления ФЛ и КТ. Кроме того, полученные соотношения содержания данных групп вторичных метаболитов в листьях опытных и контрольных деревьев и результаты энтомо-фитопатологической оценки подтверждаются данными визуальной оценки жизненного состояния деревьев дуба, произрастающих в контрастных экологических условиях (плакор и склон лесополосы).

В результате анализа биохимического разнообразия вегетативной сферы дуба черешчатого показано наличие гидролизуемых танинов (ГТ). Средний уровень накопления ГТ в 2020 г. в обеих выборках в целом выше, чем в предыдущем году исследований. Так, в июне 2020 г. содержание ГТ в листьях контрольных и опытных деревьев составляет соответственно 1,17 ± 0,16 и 1,24 ± 0,16% с.м. (табл. 1, 2). При этом для июня 2019 г. характерен существенно более низкий уровень накопления данной группы вторичных метаболитов: 0,89 ± 0,13% с.м. (контроль) и 0,76 ± 0,18% с.м. (опыт). К августу 2020 г. выявлено незначительное варьирование содержания ГТ в листьях анализируемых деревьев. Так, в листьях контрольных деревьев уровень накопления ГТ повысился на 5,7% (табл. 1). В листьях опытных деревьев, наоборот, отмечено снижение содержания ГТ на 20,3% (табл. 2). Однако, несмотря на более низкие показатели содержания ГТ в листьях в предыдущие годы исследований, можно отметить в целом ежегодный повторяющийся характер сезонной динамики накопления данных веществ вторичного метаболизма. Известно, что гидролизуемые танины являются физиологически токсичными веществами для многих филлофагов. В связи с этим данные вещества относят к одному из компонентов адаптационного механизма защиты растений от патогенов и вредителей – индуцированному. Данный механизм заключается в том, что в ответ на повреждение листьев филлофагами в них дополнительно индуцируются ГТ. Л.В. Поляковой выделено 2 механизма защиты растений от воздействия неблагоприятных абиотических и биотических факторов: 1) системный механизм защиты, который характеризуется начальным уровнем накопления вторичных метаболитов до начала распространения инфекции; 2) индуцированный механизм защиты, характеризующийся уровнем содержания веществ вторичного метаболизма после распространения патогена по листовой поверхности. Однако наиболее важное значение имеет системный механизм [13, с. 253].

Физиолого-биохимический анализ показал различие в содержании проантоцианидинов (ПА) в листьях исследуемых деревьев как на количественном уровне, так и в характере сезонной динамики. Наблюдается тенденция, подобная предыдущему году исследований, вероятно отражая видовые особенности сезонной динамики. Так, отмечено, что в начале вегетационного сезона уровни накопления ПА в листьях опытных и контрольных деревьев практически равны и составляют 1,45 ± 0,18% с.м. и 1,36 ± 0,23% с.м. (табл. 1, 2). Однако к середине августа содержание ПА в зрелых листьях контрольных деревьев дуба повысилось на 17,9% до 1,65 ± 0,31% с.м., а в листьях опытных деревьев, наоборот, количество ПА снизилось на 15% до 1,27 ± 0,12% с.м. (табл. 1, 2). Таким образом, увеличение уровня накопления ПА в листьях контрольных деревьев может быть связано с проявлением индуцированного механизма защиты в ответ на поражение патогенами или вредителями, который приводит к дополнительному синтезу вторичных метаболитов [13, с. 254]. Известно, что проантоцианидины обладают высокими антиоксидантными свойствами. Согласно литературным данным, уровень накопления проантоцианидинов может служить генетическим маркером исследуемых популяций, который может указывать на потенциальную устойчивость в условиях средового стресса [15, с. 29].

В результате статистической обработки выявлена существенная дифференциация анализируемых деревьев дуба черешчатого контрольной и опытной групп по показателям вторичного метаболизма. Полученные коэффициенты вариации cv показывают, что выборки контрольных и опытных деревьев по содержанию вторичных метаболитов являются очень неоднородными. Выявлено, что аналогично предыдущему году исследований наиболее неоднородна выборка контрольных деревьев по ГТ (август 2020 г.). Коэффициент вариации равен 86,3% (табл. 1). В целом наиболее высокая вариативность основных показателей вторичного метаболизма на уровне 60–70% характерна для выборки контрольных деревьев дуба. Такие высокие показатели коэффициентов вариации позволяют обеспечивать биохимическое разнообразие в популяции и достаточный размах адаптивности признаков. Выявлено, что в 2020 г., как и в предыдущие годы исследований, наиболее однородными являются выборки контрольных и опытных деревьев по ФЛ. Так, коэффициенты вариации в начале вегетационного сезона составляют 14,8 и 24,8% соответственно для контрольных и опытных деревьев, а к концу вегетации – 26,3 и 23,2% соответственно (табл. 1, 2). Вероятно, содержание ФЛ в листьях дуба черешчатого отражает закрепленный на генетическом уровень этих веществ. Тенденция сохранения низких коэффициентов вариации указывает на устойчивое сохранение особенностей структуры ФЛ в популяции дуба черешчатого.

Выводы

Таким образом, результаты физиолого-биохимического анализа показали наличие существенного биохимического разнообразия в листьях исследуемых деревьев дуба черешчатого контрольной и опытной групп в полезащитной лесной полосе № 133 Каменной Степи. Выявлено, что количественно ведущей группой веществ вторичного метаболизма являются флавонолы. В начале вегетационного сезона в молодых листовых пластинках дуба происходят наиболее значительные колебания уровней накопления веществ вторичного метаболизма, а к концу сезона вегетации их содержание стабилизируется. Показано, что повышенный уровень содержания различных групп веществ вторичного метаболизма принимает участие в формировании потенциальной биохимической устойчивости деревьев при произрастании в неблагоприятных экологических условиях. При этом следует отметить, что устойчивость растений к средовому стрессу под влиянием абиотических и биотических факторов определяется не только уровнем накопления различных групп фенольных соединений, но и их сочетанием. Образуются определенные коадаптивные комплексы разных по характеру действия групп вторичных веществ в различные временные периоды вегетационного сезона, которые обладают высоким уровнем наследуемости. При подборе древесных пород для создания полезащитных лесных полос необходимо использовать породы, в которых синтезируется достаточное количество вторичных метаболитов для формирования устойчивости к болезням и вредителям [16, с. 143]. Также при выборе материнских деревьев для селекционных работ следует выбирать особи с повышенным уровнем накопления определенных групп веществ вторичного метаболизма.

Об авторах

Марина Юрьевна Сауткина

Автор, ответственный за переписку.
Email: sautmar@mail.ru

кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник лаборатории экологической генетики

Список литературы

Дополнительные файлы