научная статья по теме АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ В ХВОЙНЫХ ДРЕВОСТОЯХ РАЗНОЙ ГУСТОТЫ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ В ХВОЙНЫХ ДРЕВОСТОЯХ РАЗНОЙ ГУСТОТЫ»

ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2012, № 3, с. 69-76

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 630*582*47; 581*524.12

АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ В ХВОЙНЫХ ДРЕВОСТОЯХ РАЗНОЙ ГУСТОТЫ

© 2012 г. И. Л. Милютина, Н. Е. Судачкова, Л. И. Романова

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок

E-mail: biochem@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 22.10.2010 г.

Исследовали влияние внутривидовой конкуренции на биометрические параметры, содержание фотосинтетических пигментов, глутатиона, аскорбиновой и дегидроаскорбиновой кислот, перекиси водорода, активность антиоксидантных ферментов супероксиддисмутазы (СОД), перокси-дазы, аскорбатпероксидазы, каталазы в течение вегетационного периода в хвое сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour), лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.). Показано, что в условиях внутривидовой конкуренции в хвое всех видов обнаруживаются признаки окислительного стресса и уровень активности пероксидазы может быть маркером стрессового состояния хвойных.

Внутривидовая конкуренция, хвойные, антиоксидантная система, хлорофиллы, каротиноиды, окислительный стресс.

В последние десятилетия возобновился интерес экологов к изучению взаимоотношений растений в лесных сообществах [16]. Эта тема была популярной у экологов и фитоценологов в 19701980-е гг. [2, 5, 7, 20], детально исследовалось негативное влияние конкуренции на рост и накопление биомассы деревьев, но физиологические и биохимические последствия действия конкурентных отношений растений до сих пор остаются недостаточно ясными.

Уникальные объекты для изучения конкуренции представляют собой фитоценозы многолетних древесных растений, где конкурентные взаимоотношения между отдельными особями за основные жизненные ресурсы принимают крайние формы и приводят к естественному изреживанию насаждений в результате гибели значительной части древостоя. Интенсивность конкурентных взаимоотношений между древесными растениями определяется густотой насаждения: чем она выше, тем раньше происходит развитие конкурентных отношений, негативно влияющих на скорость роста и накопление биомассы. Совокупность негативных воздействий на растения в густых посадках вследствие конкуренции за основные жизненные факторы: свет, воду, минеральное питание и жизненное пространство вызывает со-

стояние, обозначаемое как фитоценотический стресс. По современным представлениям неспецифической реакцией растений на стресс является повышенная интенсивность образования активных форм кислорода в растительных клетках, представляющих угрозу для их жизнедеятельности [3]. К активным формам кислорода относятся гидроперекисный радикал (И02), супероксидный анион-радикал (02'), перекись водорода (И202), гидроксильный радикал ('ОН) и синглетный кислород (102) [7]. Одним из продуцентов синглетно-го кислорода в растительной клетке является хлорофилл. Негативному влиянию активных форм кислорода противостоит антиоксидантная система защиты растительных клеток, состоящая из ферментных систем, перехватывающих и нейтрализующих активированный кислород: суперок-сиддисмутазы (СОД), пероксидазы, аскорбатпер-оксидазы и каталазы, а также ряда метаболитов, участвующих в контроле уровня свободных радикалов: глутатиона, аскорбиновой и дегидроаскорбиновой кислот [4, 21]. Существенная роль в антиоксидантной защите отводится каротинои-дам [12]. Показано изменение активности анти-оксидантной системы в тканях хвойных в ответ на различные стрессы [19, 22, 23].

Представляется интересным выяснить, распространяется ли не специфическая реакция, проявляющаяся в активизации свободнорадикальных процессов, на стрессовое состояние растений, вызванное конкуренцией. В связи с этим была поставлена задача сопряженного изучения содержания фотосинтетических пигментов и активности работы системы антиоксидантной защиты в хвое четырех хозяйственно ценных сибирских видов хвойных в условиях жесткой внутривидовой конкуренции в густых насаждениях.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования служили 26-28-летние посадки сосны обыкновенной (Pinus silvest-ris L.), сосны сибирской или кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в подзоне южной тайги Средней Сибири в Большемуртинском лесхозе Красноярского края, заложенные сотрудниками лаборатории лесоведения Института на серых лесных почвах в однородных лесорастительных условиях с начальной густотой 0.5 и 128 тыс. экз. га-1 [1]. В настоящее время густота посадок вследствие естественного изреживания составляет: сосны 0.2 и 17.8 тыс. экз. га-1 , лиственницы 0.2 и 18.0 тыс. экз. га-1, ели 0.3 и 24.6 тыс. экз. га-1 , кедра 0.2 и 27 тыс. экз. га-1 соответственно. В течение вегетационного сезона четыре раза с интервалом в 1 месяц проводился отбор образцов однолетней хвои из средней части кроны 5 деревьев. Из собранной свежей хвои готовили средние образцы, из которых отбирались навески 1 г для определения содержания хлорофиллов, перекиси водорода, аскорбиновой и дегидроаскор-биновой кислот и навески 2 г для определения уровня активности ферментов супероксиддисму-тазы (СОД) (КФ 1.15.1.1), каталазы (КФ 1.11.1.6.), пероксидазы (КФ 1.11.1.7), аскорбатпероксидазы (КФ 1.11.1.11), глутатионредуктазы (КФ 1.8.1.7).

Для определения концентраций веществ и активности ферментов использовались спектрофо-тометрические методы. Концентрацию хлоро-филлов и каротиноидов определяли в этанольных экстрактах по оптической плотности при 649, 654 и 663 нм, долю хлорофиллов а и б рассчитывали по соответствующим коэффициентам [8]. Содержание перекиси водорода измеряли в соответствии с методом Th, Brennan w Ch. Frenkel [10]. Содержание восстановленного глутатиона определяли с реактивом Эллманна [11]. Определение содержания аскорбиновой и дегидроаскорбино-вой проводили по методу M.Y. Law c соавт. [15].

Активность супероксиддисмутазы СОД устанавливали по ингибированию фотохимического обесцвечивания нитросинего тетразолия [14]. Активность пероксидазы измеряли по реакции окисления гваякола перекисью водорода [18]. Активность аскорбатпероксидазы и глутатионредуктазы определяли по методу A. Polle c соавт. [17], активность каталазы по изменению концентрации Н2О2, фиксируемой по оптической плотности при 2^20 нм [9].

Все анализы проводили не менее чем в трех биологических повторностях. Результаты рассчитывали на единицу абсолютно сухого вещества хвои. В таблицах и рисунках представлены средние значения и их стандартные ошибки.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Деревья ели сибирской, лиственницы сибирской, сосны обыкновенной и кедра сибирского в посадках с начальной густотой 128 тыс. экз. га1, растущие в условиях жесткой конкуренции, имеют сниженные морфометрические параметры: диаметр корневой шейки у лиственницы, ели и кедра снизился в 3 раза и у сосны в 4.5 раза, длина хвои у обоих видов сосен сократилась в 1.21.3 раза, у ели и лиственницы в 1.8-2 раза, уменьшение массы хвои более выражено и достигает 2-3-кратной величины (табл. 1).

Таблица 1. Морфометрические характеристики деревьев разных видов хвойных из насаждений различной начальной густоты

Показатель Густота, Сосна Лиственница Ель Кедр

тыс. экз. га 1

Диаметр корневой шейки, см 0.5 28.8±1.3 18.2±0.2 15.9±0.2 17.9±0.9

128 6.3±0.8 6.4±0.5 4.8±0.1 5.9±0.7

Длина однолетней хвои (брахи- 0.5 7.5±0.2 2.4±0.1 1.5±0.1 11.5±0.1

бластов), см 128 5.9±0.1 1.7±0.1 1.0±0.1 9.5±0.1

Масса 100 шт. хвоинок, г 0.5 6.55±0.02 0.31±0.01 0.97±0.02 5.80±0.01

128 2.93±0.01 0.18±0.01 0.32±0.01 3.01±0.01

и 4-

о

-fr 3 о

Ï2-I

<0

Я.1'

В.

&

о

U О

в-

_в—а—в

5 4 3 210

i

-а—ш

5 4 3 210

VI VII УШ IX

VI vn vni IX

VI VII Vin IX

VI VII vni IX

3-|

2-

1-

D.

I

и о

-1-1-1-1

VI VII Vin IX

-1-1-1-1

VI vn vni IX

3-|

2-

1-

Ж / N

r

ж

V -Ï—i

-1-1-1-1

VI VII Vin IX

3-|

2-

1-

- * - 6

-1-1-1-1

VI VII vni IX

Рис. 1. Динамика содержания хлорофиллов а и Ь и каротиноидов в хвое деревьев из разных по густоте посадок ели (а), лиственницы (б), сосны (в), кедра (г). 1, 2, 5 - густота 0.5 тыс. экз. га-1, 3, 4, 6 - густота 128 тыс. экз. га-1, 1, 3 - хлорофилл а, 2, 4 - хлорофилл б.

Отмечены существенные различия в содержании хлорофиллов в хвое деревьев из насаждений разной густоты (рис. 1). В хвое деревьев из густых насаждений отмечено значимое повышение концентрации зеленых пигментов у трех видов, в хвое кедра повышение концентрации хлорофил-лов в густом насаждении в течение вегетационного периода составляет не более 15%. Превышение суммарного содержания хлорофилла в хвое густых насаждений обеспечивается повышением концентраций хлорофиллов а и б.

Наряду с хлорофиллами под влиянием фито-ценотического стресса в хвое сосны, ели и лиственницы отмечается существенное увеличение

концентрации каротиноидов (рис. 1), что свидетельствует об усилении антиоксидантной защиты [24].

Примечательно, что в составе пигментного комплекса светолюбивых видов (лиственницы и сосны) в условиях конкуренции обнаруживается возрастание доли желтых пигментов, что проявляется в снижении отношения содержания хлорофиллов к каротиноидам (табл. 2). Для теневыносливых ели и кедра соотношение желтых и зеленых пигментов не зависит от густоты.

В комплексе антиоксидантной защиты важная роль принадлежит глутатиону. Восстановленная форма глутатиона в растении противодейству-

Таблица 2. Среднее за вегетационный период отношение хлорофиллы: каротиноиды в хвое деревьев из посадок различной начальной густоты

Густота, Лиственница Сосна Ель Кедр

тыс. экз. га 1

0.5 3.07 3.31 3.20 2.39

128 2.52 2.80 3.24 2.43

72

МИЛЮТИНА и др.

% 400 о

200

VI

VII

VIII

IX

600

й Ё

и Й

I. § 400 ■ 5Г Р<

•е-е

£ и

| е 200

VI

vп

VПI

IX

Рис. 2. Содержание глутатиона (а) и активность глутатионредуктазы (б) в хвое деревьев из густых посадок, % от свободно растущих: 1 - кедр, 2 - сосна, 3 - лиственница, 4 - ель.

ет окислению свободными радикалами белковых SH-групп, что обеспечивает нормальное протекание ферментативных реакций. Устойчивое существенное превышение у

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком