ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2004, № 5, с. 58-65 УДК 630*174.754
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНЫХ МЕТАБОЛИТОВ В СЕМЕНАХ И ПРОРОСТКАХ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
© 2004 г. Т. А. Шуляковская, С. М. Шредере, Г. К. Канючкова, Л. А. Чиненова
Институт леса Карел. НЦ РАН 185610 Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11 Поступила в редакцию 20.12.2000 г.
Исследованы продукты основного метаболизма на ранних этапах онтогенеза сосны обыкновенной, а именно в процессе формирования проростков из семян. Показано соотношение фракций углеводов в пользу растворимых сахаров в надземной части и лабильных, стабильных гемицеллюлоз в корешках проростков, а также значительное увеличение небелкового азота в составе свободных аминокислот и рост уровня общего фосфора в надземной части проростков. Приведены данные по динамике содержания отдельных аминокислот в процессе прорастания семян сосны, а также групп жирных кислот по степени ненасыщенности и длине углеродной цепочки их молекул по окончании гидролиза запасных липидов семени.
Онтогенез, семя, проросток, сосна, метаболизм, аминокислоты, углеводы, липиды, жирные кислоты.
Прорастание семени - это пробуждение зародыша от покоя. Оно отражает сдвиг в развитии семени от гипометаболизма к оптимальному метаболизму и возобновлению роста. Покой семян представляет собой состояние сильного обезвоживания, и прорастание предусматривает повторное оводнение биохимически важных структур [6]. Такие процессы, как дыхание, превращения аминокислот, синтез белка, транскрипция мРНК, гидролиз запасного белка и крахмала запускаются повышением оводненности до 20-55%. При благоприятных условиях воздушно-сухое семя быстро переходит в состояние активного метаболизма, которое в свою очередь приводит к интенсивному росту осевых органов проростка [12, 13]. Запасные вещества растений представляют компактную форму хранения активных метаболитов, которые остаются инертными в сухом семени и подвергаются быстрому дозированному использованию при прорастании [5].
Специфика хвойных, в частности сосны обыкновенной, состоит в том, что семядоли у них являются специализированным фотосинтезирующим органом, не выполняющим резервных функций [1, 28]. В период прорастания семени семядоли служат главным образом для поглощения питательных веществ из эндосперма. Однако несмотря на то, что рост самих семядолей в этот период происходит гетеротрофно, уже через двое суток после начала прорастания в зародышах семян сосны наблюдается синтез хлорофилла [3], и фотосинтез зеленеющего гипокотиля и семядолей последовательно начинается сразу после выхода
этих частей растения на поверхность почвы [1, 28]. Невысокие ресурсы азотистых соединений семени сосны расходуются на первые этапы подземного роста: развитие корешка и начало растяжения гипокотиля. Интенсивный рост и развитие проростка сосны определяется сочетанием утилизации резервных соединений мегагаметофита семени и поглощения элементов минерального питания из почвы, главным образом экзогенного азота [9, 19].
В литературе очень мало сведений о физиологических процессах на ранних этапах развития хвойных, в частности сосны. В то же время терминальный этап онтогенеза наиболее критический в жизни древесных растений [2]. На нем происходит формирование первичного фотосинтетического аппарата и переход от гетеротрофного периода развития к автотрофному. Целью настоящей работы было исследование динамики показателей основного метаболизма в процессе прорастания семян сосны обыкновенной. Изучены важнейшие характеристики азотного, углеводного и липидного обменов у семян и проростков сосны.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Объекты исследования относятся к следующим этапам онтогенеза сосны обыкновенной: 1) семена сухие - эмбриональный этап; 2) семена проклюнувшиеся - герминальный этап; 3) проростки 3-4-недельные - герминальный этап.
Семена замачивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге. Проклюнувшиеся семена с ко-
Таблица 1. Содержание липидов и углеводов в семенах и проростках сосны обыкновенной
Метаболиты Семена Проростки
сухие проклюнувшиеся надземная часть корешки
Суммарные липиды, % от сухого вещества Сумма, мг г-1 абсолютно сухого вещества углеводов растворимых углеводов нерастворимых углеводов ~32.6 109.7 ± 5.3 38.6 ± 2.4 71.1 ± 2.8 ~24.1 91.2 ± 2.1 25.5 ± 1.8 65.7 ± 2.0 ~0.8 125.8 ± 6.4 60.7 ± 4.1 65.1 ± 4.7 Не опр. 112.0 ± 5.8 33.8 ± 3.2 78.2 ± 3.0
решками 3-8 мм длиной отбирали на анализ. Проклюнувшиеся семена помещали в горшочки с почвой. На анализ отбирались проростки с раскрытыми семядолями. Такой стадии развития растение достигало за 3-4 нед. от замачивания семян. Азот и общий фосфор определяли по методикам [4, 18]. Аминокислоты разделяли с помощью автоматического аминокислотного анализатора ААА-339. Содержание отдельных фракций углеводов изучали по методике, отработанной в лаборатории физиологии древесных растений Института леса Карельского НЦ РАН применительно к сосне обыкновенной [16]. Навеска сухого растительного материала подвергалась дигес-тии в течение 1 ч при 45-50°С. После этого осаждали белковые вещества 5%-м раствором сульфата цинка и фильтровали через стеклянный фильтр. В фильтрате определяли растворимые углеводы: моносахара, дисахара (после слабого гидролиза 2%-й соляной кислотой при 70°С в течение 5 мин) и олигосахара (после сильного гидролиза 2%-й соляной кислотой при 100°С в течение 3 ч). Из осадка экстрагировали нерастворимые углеводы 0.25%-й салициловой кислотой (45 мин при 100°С), фильтровали, а затем в фильтрате определяли крахмал и лабильные гемицел-люлозы (после гидролиза 0.7%-й соляной кислотой при 100°С в течение 3 ч). Эта фракция геми-целлюлоз обладает большей лабильностью, поэтому и названа лабильной в отличие от более стабильной фракции гемицеллюлоз, остающейся в осадке после извлечения углеводов. Стабильную фракцию гемицеллюлоз анализировали после сильного гидролиза осадка 2%-й серной кислотой при 100°С в течение 3 ч. Данная методика позволяет разделить гемицеллюлозы на 2 фракции: лабильные и стабильные, различающиеся по метаболической активности и функциональному значению. Липиды экстрагировали смесью хлороформа и метанола в отношении 2 : 1 по объему [22], их количество определяли весовым методом. Жирнокислотный состав суммарных липидов исследовали методом газожидкостной хроматографии на хроматографе "СИгош-5" с ионизационно-пламенным детектором. Идентификацию жирных кислот осуществляли путем сравнения с мет-
чиками, а также сопоставлением эквивалентной длины цепи (ББЬ) с табличными данными [24]. Все жирные кислоты распределяли по группам в зависимости от степени ненасыщенности: моно-еновые (М) - в углеродной цепочке имеется одна двойная связь; диеновые (Д) - две двойные связи; триеновые (Тр.) - три двойные связи; тетраено-вые (Тетр.) - четыре двойные связи и насыщенные (Н) - без двойных связей. В состав суммы ко-роткоцепочковых включали кислоты с числом углеродных атомов менее 16. Индекс двойной связи (ИДС) рассчитывали по [27]:
ИДС
_ М + 2 Д + 3 Тр. + 4Тетр.
_ 100 .
Коэффициент ненасыщенности жирных кислот определяли по формуле:
К _
сумма ненасыщенных кислот сумма насыщенных кислот
Анализы проводили в трех биологических по-вторностях (трижды выращивали проростки из семян сосны разного происхождения) и двух-трех аналитических повторностях. Полученные результаты обработаны статистически [15].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
По нашим данным семена сосны обыкновенной богаты запасными липидами (~32.6% от сухого вещества), содержание которых снижается в проклюнувшихся семенах, а к моменту формирования проростка они почти полностью расходуются (табл. 1). Количество общего азота повышается в процессе образования проростков из семян, причем это повышение происходит за счет небелковых азотистых веществ, а именно свободных аминокислот (табл. 2, 3). Белковый азот в семенах составляет около 87% от общего азота и 13% приходится на небелковый азот. В надземной части проростков доля белкового азота снижается до 58.5% от общего азота, а небелкового соответственно растет до 41.5%. В то же время в корешках проростков больше небелкового азота (54.5%). Таким образом, в процессе прорастания семян сосны изменяется соотношение белковых и
Таблица 2. Содержание азота и фосфора в семенах и проростках сосны обыкновенной
Метаболит Семена сухие Надземная часть одномесячных проростков Корневая часть одномесячных проростков
Общий азот, % 4.22 ± 0.04 5.78 ± 0.012 4.59 ± 0
Белковый азот, % 3.69 ± 0.01 3.38 ± 0.003 2.09 ± 0
Небелковый азот, % 0.53 ± 0.01 2.40 ± 0.003 2.50 ± 0
Общий фосфор, мг % 777.89 ± 5.95 1085.02 ± 2.44 574.18 ± 0.20
Таблица 3. Содержание свободных аминокислот в семенах и проростках сосны обыкновенной
Аминокислота Семена сухие Семена проклюнувшиеся Проростки
мкг г 1 сухого вещества % от суммы аминокислот мкг г 1 сухого вещества % от суммы аминокислот мкг г 1 сухого вещества % от суммы аминокислот
Аспарагиновая кислота 247.5 16.92 2303.0 13.89 54880.0 65.63
Треонин 22.1 1.51 157.3 0.95 676.2 0.81
Серин 30.6 2.09 396.0 2.39 567.0 0.68
Глутаминовая кислота 140.3 9.59 4253.4 25.65 1851.3 2.21
Пролин 82.9 5.67 407.4 2.46 1198.0 1.43
Глицин 42.7 2.92 303.6 1.83 220.8 0.26
Аланин 38.5 2.63 1197.0 7.22 348.0 0.42
Цитруллин - - - - 324.0 0.39
Валин 44.4 3.04 399.6 2.41 444.0 0.53
Цистин 51.5 3.52 399.0 2.41 - -
Метионин 48.0 3.28 220.8 1.33 336.0 0.40
Изолейцин 66.9 4.57 471.2 2.84 1346.4 1.61
Лейцин 29.9 2.04 276.5 1.67 227.5 0.27
Тирозин 72.9 4.98 246.2 1.48 1036.8 1.24
Фенилаланин 21.3 1.46 30.4 0.18 136.8 0.16
у-аминомасляная кислота 50.3 3.44 2468.4 14.89 1386.0 1.66
Орнитин 23.8 1.63 110.2 0.66 - -
Лизин 41.5 2.84 166.3 1.00 464.4 0.56
1-метилгистидин 23.7 1.62 44.2 0.27 - -
Гистидин 23.0 1.57 213.2 1.29 1802.0 2.16
3-метилгистидин 24.9 1.70 173.8 1.05 331.8 0.40
Аргинин 336.2 22.98 2342.4 14.13 16041.6 19.18
Сумма аминокислот 1462.7 100 16579.9 100 83618.6 100
Сумма аминокислот 2419.7 100 20856.7 100 100646.6 100
с этаноламином
Этаноламин 957.0 39.55 4276.8 20.51 17028.0 16.92
небелковых азотистых веществ в сторону увеличения небелковых. П
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.