Пигментный комплекс хвои дальневосточных и интродуцированных видов рода Можжевельник (Juniperus L.)

Введение

Род можжевельник (Juniperus L.) является самым крупным в семействе Кипарисовые (Cupressaceae Bartl.) и включает около 68 видов и 36 разновидностей.

В пределах российского  Дальнего Востока естественно произрастает пять видов можже­вельника: даурский, Саржента, сибирский, твердый и прибрежный [1].

Можжевельники нетребователь­ны к почве и влаге, теневыносливы и морозостойки. Про­израстая обычно на малопродуктивных почвах, они сами способствуют улучшению почвенного слоя: опадающая хвоя быстро минерализуется, обогащая почву питатель­ными веществами, образуя нейтральный гумус. Можжевельник встречается отдельными экземплярами, группами кустов или небольшими зарослями [7].

В дендрарий Горнотаежной станции им. В.Л. Комарова ДВО РАН (Приморский край) интродуцированы 10 видов можжевельника, в том числе можжевельник китайский (Juniperus chinensis L.) и можжевельник полушаровидный (Juniperus semiglobosa Regel). Родиной можжевельника китайского является Северо-Восточный Китай, Южная Маньчжурия, Корея, Япония. Можжевельник полушаровидный естественно произрастает в горах Средней Азии  - на Памире, в Западном и Центральном Тянь-Шане.

Известно, что функциональная активность фотосинтетического аппарата определяет степень адаптации вида в новых условиях местообитания. Для выявления на биохимическом уровне адаптивных механизмов фотосинтетического аппарата необходимо знать, как происходит сезонная динамика синтеза хлоропластов и каротиноидов в процессе роста и развития хвои у интродуцентов и фоновых растений.

Цель исследования

 Исследовать пигментный комплекс растений рода Можжевельник и выявить различия в сезонной динамике накопления фотосинтетических пигментов у интродуцируемых и аборигенных (дальневосточных)  видов.

Материал и методы исследования

Объектами исследования служили листья трех вечнозеленых видов рода Можжевельник (Juniperus L.): Juniperus chinensis L. (можжевельник китайский), Juniperus semiglobosa Regel (можжевельник полушаровидный), Juniperus rigida Sieb. et Zucc.(можжевельник твердый).

Сбор материала проводили в дендрарии Горнотаёжной станции ДВО РАН (Уссурийский район, Приморский край). Район исследований характеризуется средней многолетней годовой температурой воздуха  –5,4°С. Средняя годовая сумма температур составляет 1757,6°С. Максимальная температура воздуха – 39,0°С, минимальная – -37,7°С. Количество дней с положительными среднесуточными показателями колеблется от 222 до 253 в год. Продолжительность безморозного периода 105-120 дней. Средняя температура самого холодного месяца составляет 16,0°С. В районе расположения дендрария выпадает в среднем 657,7 мм осадков в год. Исследование динамики накопления фотосинтетических пигментов проводили с 2013 по 2014 гг.

Образцы хвои второго года вегетации с постоянной навеской 0,2 г отбирали в трехкратной повторности в течение всего года раз в месяц. Хвою можжевельника брали на высоте 1,0-1,5 м.

 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. Количество хлорофиллов и каротиноидов, а также их соотношение определяли с помощью однолучевого автоматизированного спектрофотометра СФ-56 (ЛОМО) по методике Шлыка А.А. [5]. Расчет концентрации пигментов производился по формулам Веттштейна для 100%-ного ацетона:

 С_а= 9,78 х D₆₆₂ – 0,99 х D₆₄₄ ,                                

 С_b = 21,42 х D₆₄₄ – 4,65 х D₆₆₂ ,                              

 С_а+b =5,13 х D₆₆₂ + 20,43 х D₆₄₄ ,                             

 С_кар = 4,69 х D_440,5 – 0,268 (С_{а+ b}),                           

где С – концентрация хлорофиллов а, b и каротиноидов 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).

Результаты исследования и их обсуждение

В качестве одного из показателей работы фотосинтетического аппарата исследовали сезонную динамику содержания различных форм хлорофилла и каротиноидов в двухлетней хвое интродуцентов (м. полушаровидного и м. китайского) и местного вида (м. твердого).

Анализ полученных данных выявил отчетливую дифференциацию видов по накоплению фотосинтетических пигментов. Наибольшее среднегодовое количество суммы пигментов (хл.а+хл.b+каротиноиды) отмечено нами у аборигенного можжевельника твердого (2,22 мг/г сырого веса), в то время как у можжевельников китайского и полушаровидного этот показатель равен 1,66 и 1,42 соответственно.

Количественные характеристики и сезонные закономерности накопления суммы пигментов хорошо прослеживается на рис. 1. Так, наиболее стабильно фонд пигментов пополнялся с апреля по июль и с сентября по ноябрь, как у местного, так и у интродуцированных видов. Снижение количества пигментов в зимний период 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 [2].

Рисунок 1 –  Сезонная динамика содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов а+b, каротиноидов) в хвое трех видов можжевельников.

У можжевельника твердого тенденция накопления пигментов отмечена с апреля по июль и с августа по сентябрь с максимальной отметкой в 2,38 мг/г сырого веса. Согласно полученным данным, максимум накопления хлорофиллов и каротиноидов у инорайонных можжевельника китайского зафиксирован в октябре (2,05 мг/г сырого веса), у можжевельника полушаровидного в ноябре (1,73 мг/г). Как видно из рис. 1, для этих двух видов наблюдалась общая картина накопления фотосинтетических пигментов в осенние и зимние месяцы.

Меньшим колебаниям в течение вегетации растений был подвержен фонд желтых пигментов.  Имеются лишь различия величины показателей каротиноидов, характеризующиеся большим содержанием пигмента в дальневосточном растении по сравнению с интродуцентами.  Кроме того, отмечена четкая динамика уменьшения их количества в летний период и накопления в зимний период (рис.2).

 Рисунок 2 –  Сезонная динамика содержания каротиноидов в хвое  трех видов можжевельников.

Низкий летний уровень содержания каротиноидов в хвое можжевельников объясняется ростовыми процессами вегетативных органов у растения и  направленностью процессов синтеза в сторону образования белков, полисахаридов и других веществ. О подобной динамике снижения уровня каротиноидов в хвое в летние месяцы отмечали и другие авторы [3, 4].

Характер сезонной динамики каротиноидов в отличие от хлорофиллов у местного и интродуцированных видов можжевельников идентичен. Максимальные значения у м. твердого отмечены в марте (0,38 мг/г сырого веса), минимальные – в сентябре (0,21 мг/г сырого веса). У интродуцированного м. китайского максимум (0,38 мг/г сырого веса) содержания каротиноидов зафиксирован в марте, минимум (0,14) в августе. Наибольшие отметки содержания желтых пигментов у можжевельника полушаровидного приходятся на январь-февраль месяц (0,28), наименьшие в сентябре (0,15).

 Высокие показатели значений каротиноидов зимой и весной обусловлены повышенным уровнем инсоляции, наиболее характерным для климатических условий Приморского края. В феврале-марте в листьях хвойных было обнаружено наибольшее количество пигментов виолаксантинового цикла, защищающих ассимиляционный аппарат от фотодинамического разрушения в условиях низких температур и избыточной инсоляции [6].

Выводы

 На основании полученных экспериментальных данных установлены различия в содержании фотосинтетических пигментов и сезонной динамики их накопления у местного и интродуцированных видов можжевельников. Установлено, что местный вид по среднегодовому суммарному содержанию фотосинтетических пигментов (2,22 мг/г сырого веса) превосходит интродуцируемые виды можжевельников китайского (1,66 мг/г сырого веса) и полушаровидного (1,42 мг/г сырого веса).

 Таким образом, по накоплению пигментов в хвое можжевельники располагаются в следующем порядке по мере убывания: м. твердый → м. китайский→м. полушаровидный.

Основные процессы накопления пигментов у можжевельника твердого завершаются в начале осени (сентябрь), в то время как фотосинтетический аппарат интродуцентов до октября-ноября продолжает устойчиво работать.

В целом, с точки зрения пигментных показателей, по уровню активности фотосинтетического аппарата, нами отмечена стабильность в работе пигментного комплекса интродуцированных можжевельников, но по уровню накопления пигментов эти виды несколько уступают дальневосточному виду.

В процессе интродукции хвойные виды, перенесенные за пределы своих природных ареалов, находятся в новых для них экологических условиях. Выживание интродуцентов возможно при их успешной адаптации к комплексу природно-климатических условий района интродукции.  Полученные нами материалы могут быть использованы для диагностики состояния фотосинтетического аппарата интродуцированных видов, тем самым расширяя представления о пигментном комплексе интродуцентов.

Список литературы

1. Воробьев, Д.П. Дикорастущие деревья и кустарники Дальнего Востока. –  Ленинград:  Изд-во «Наука», 1968. –  С.34-37.
2. Ладанова, Н.В., Тужилкина, В.В. Структурная организация и фотосинтетическая активность хвои ели сибирской. – Сыктывкар: Коми НЦ УрО РАН, 1992. –  97 с.
3. Марковская, Е.Ф. Каротиноиды разных органов// Ботанический журнал, – 1978.Т.63, №3. – С. 437-441.
4. Тужилкина В.В. Пигментный комплекс хвои сосны в лесах европейского Северо-Востока// Лесоведение, №4, 2012. С.16-23.
5. Шлык, А.А. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев // Биохимические методы в физиологии растений. – М.: Наука, 1971. – С. 154-170.
6. Яцко, Я.Н., Дымова, О.В., Головко, Т.К. Пигментный комплекс зимнее- и вечнозеленых растений в подзоне средней тайги европейского Северо-Востока// Ботанический журнал, 2009. Т.94. № 12. –  С. 1812-1820.
7. Электронный ресурс: Можжевельники на Дальнем Востоке. URL: http://pihtahvoya.ru/chvoynie-derevya-i-kustarniki-dalnego-vostoka/semeystvo-kiparisovich-rod-mozhzhevelnik/blog(Дата обращения: 8.011.2015г)
   

Spisok literatury

1. Vorob'ev, D.P. Dikorastushchie derev'ya i kustarniki Dal'nego Vostoka. –  Leningrad:  Izd-vo «Nauka», 1968. –  S.34-37.
2. Ladanova, N.V., Tuzhilkina, V.V. Strukturnaya organizaciya i fotosinteticheskaya aktivnost' hvoi eli sibirskoj. – Syktyvkar: Komi NC UrO RAN, 1992. –  97 s.
3. Markovskaya, E.F. Karotinoidy raznyh organov// Botanicheskij zhurnal, – 1978.T.63, №3. – S. 437-441.
4. Tuzhilkina V.V. Pigmentnyj kompleks hvoi sosny v lesah evropejskogo Severo-Vostoka// Lesovedenie, №4, 2012. S.16-23.
5. Shlyk, A.A. Opredelenie hlorofillov i karotinoidov v ehkstraktah zelenyh list'ev // Biohimicheskie metody v fiziologii rastenij. – M.: Nauka, 1971. – S. 154-170.
6. Yacko, YA.N., Dymova, O.V., Golovko, T.K. Pigmentnyj kompleks zimnee- i vechnozelenyh rastenij v podzone srednej tajgi evropejskogo Severo-Vostoka// Botanicheskij zhurnal, 2009. T.94. № 12. –  S. 1812-1820.
7. Elektronnyj resurs: Mozhzhevel'niki na Dal'nem Vostoke. URL: http://pihtahvoya.ru/chvoynie-derevya-i-kustarniki-dalnego-vostoka/semeystvo-kiparisovich-rod-mozhzhevelnik/blog(Data obrashcheniya: 8.011.2015)

Титова М. С., Пигментный комплекс хвои дальневосточных и интродуцированных видов рода Можжевельник (Juniperus L.) // «Живые и биокосные системы». – 2015. – № 13; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-13/article-4