ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2008, № 3, с. 296-303
ФИЗИОЛОГИЯ ^^^^^^^^^^^^^^ РАСТЕНИЙ
УДК.581.144:633
ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗИМОВКИ ШАЛФЕЯ МУСКАТНОГО (Salvia selarea L.) В СРЕДНЕЙ ПОЛОСЕ РОССИИ
© 2008 г. В. В. Кондратьева, Т. В. Воронкова, О. В. Шелепова, Л. С. Олехнович
Главный ботанический сад им. И.В. Цицина РАИ, 127276 Москва, ул. Ботаническая, 4 E-mail: lab-physiol@mail.ru Поступила в редакцию 17.07.2007 г.
Изучали динамику гормонального и углеводного пула, а также изменения содержания азота, фосфора и калия в тканях зимующих органов двулетника шалфея мускатного (Salvia sclarea L.) в связи с неблагоприятным воздействием внешней среды. Выявлено сопряженное с погодными условиями изменение содержания цитокининов (ЦТК), абсцизовой кислоты (АБК), водорастворимых сахаров и элементов минерального питания в тканях этих органов. Каждый зимующий орган (розеточные листья, базальная часть стебля с почками возобновления и запасающая часть корня) отличается специфической динамикой содержания изученных веществ. Обсуждается роль фитогормонов и углеводов в реализации адаптационного потенциала растений.
Шалфей мускатный (Salvia sclarea L.) - стерж-некорневой полурозеточный мезоксерофильный двулетник или многолетник, для которого характерен древнесредиземноморский тип ареала. На территории России он распространен на юге Европейской части и в предгорьях Кавказа. Шалфей мускатный - светолюбивое и теплолюбивое растение. Адаптация шалфеев к условиям сезонного климата вызвала необходимость переживания неблагоприятного периода. Как и для большинства видов рода Salvia в суббореальной зоне, для S. sclarea неблагоприятный период обусловлен физиологической сухостью и недостатком тепла (Байкова, 2006). Способ перенесения этого периода отражается на формировании той или иной жизненной формы растения. Согласно эколого-морфологической системе жизненных форм Ра-ункаера (Raunkiaer, 1934), основанной на положении почек возобновления относительно поверхности почвы в течение неблагоприятного сезона, шалфей мускатный относится к гемикриптофи-там, у которых почки возобновления расположены на уровне субстрата. Морфологически адаптация этой жизненной формы проявилась в укорачивании базальных междоузлий и формировании розеточности (Байкова, 2005). Такая структура системы побегов обеспечивает выживаемость при низкой температуре воздуха и почвы, а также при недостатке влаги. В розеточный период базальная часть главного побега и главный корень утолщаются и паренхиматизируются.
При интродукции растений часто наблюдается переход в другую жизненную форму (Базилев-ская, 1981), и чем более контрастны почвенно-климатические условия нового места обитания
вида по сравнению с его природной средой, тем больше вероятность изменения жизненной формы. Так, для 8с1агеа в условиях интродукции характерно сокращение продолжительности жизненного цикла. В естественных сообществах этот вид может развиваться и как монокарпик, и как поликарпик, а при интродукции sclarea формировались только двулетние монокарпические травы (Байкова, 2006).
Изменение жизненной стратегии интродуци-рованных растений при адаптации к новым условиям происходит вследствие комплексных преобразований обмена веществ в его тканях, кинетики физиологических процессов, ритмики развития и анатомо-морфологических признаков (Базилев-ская, 1981). Изучение анатомо-морфологических изменений при адаптации интродуцируемых растений ведется давно, а физиолого-биохимические аспекты выживания растений при новых почвен-но-климатических условиях исследованы сравнительно мало. В последние годы, когда участились климатические аномалии, нарушающие привычный жизненный цикл живых организмов, исследование адаптационного потенциала растений особенно актуально не только в связи с интродукцией, но и для выживания растений в их естественной среде обитания.
В лаборатории физиологии и биохимии растений ГБС РАН на протяжении ряда лет разрабатывается физиолого-биохимическая концепция адаптации и выживания интродуцируемых растений (Кириченко, 1996). Одним из аспектов исследования является изучение гормонального и углеводного пулов, а также баланса элементов минерального питания в тканях зимующих органов
растений в осенне-зимне-весенний период в связи с неблагоприятными погодными условиями (осенние и весенние заморозки, отсутствие снежного покрова и сильные морозы зимой, оттепели, избыточное увлажнение и другие стрессовые факторы).
Гормональный статус клетки во многом определяет координацию ее метаболизма как в обычных, так и в стрессовых условиях жизни растения. Фитогормоны не только влияют на темпы роста и развития отдельных органов и всего растения в целом, но и участвуют в запуске механизма ответных реакций на неблагоприятные воздействия внешней среды (Кулаева, Кузнецов, 2002). Растение формирует сложную многоступенчатую систему адаптации, в которую вовлечен и углеводный пул клетки. Так, углеводы, кроме хорошо изученных метаболической, осморегуляторной, энергетической функций, выполняют в растении еще и криопротекторную (Колупаев, Трунова, 1992). Наряду с этим сахара оказывают антидена-турационное действие на белково-липидный комплекс мембран при дегидратации (Дерябин и др., 2007).
Ранее нами был изучен гормональный и углеводный статус клеток зимующих корневищ ряда сортов и форм мяты (Mentha L.) различного географического происхождения в период с сентября по апрель (Кондратьева и др., 2000; Кондратьева и др., 2004). В последнее время ведется изучение динамики содержания фитогормонов, сахаров и макроэлементов в процессе зимовки у луковичных растений (Galanthus nivalis L.) и злаков (озимые рожь и пшеница), а также у многолетнего травянистого растения с моноподиально нарастающим корневищем - лапчатки белой (Po-tentilla alba L.) Уровень фитогормонов (АБК, ЦТК), водорастворимых сахаров, а также азота, фосфора, калия в тканях зимующих органов этих растений менялся сопряженно с изменением погодных условий (Воронкова и др., 2007; Кондратьева, Олехнович, 2007; Кондратьева и др., 2007; Шелепова, Воронкова, 2007).
Аналогичные исследования мы сочли целесообразным выполнить для иной жизненной формы растения: стержнекорневого двулетника, зимующего в розеточной форме, S. sclarea. Целью нашей работы было выявление особенностей стратегии адаптации данной жизненной формы к нетипичным для этого вида условиям зимовки в средней полосе России.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растения шалфея мускатного выращивали из семян. Рассаду высаживали в открытый грунт в конце мая 2005 г. на экспериментальном участке лаборатории. К концу первого вегетационного
сезона у всех растений были хорошо сформированы розетки листьев, около 80% из них образовали генеративные побеги и зацвели, но семена не вызрели.
Пробы брали ежемесячно с конца сентября 2005 г. (первые заморозки) до начала апреля 2006 г., когда дневная температура поднялась выше 0°С. Выделяли зимующие листья розетки, базальную часть стебля с прикрытыми основаниями листьев почками возобновления, запасающую паренхи-матизированную часть корня (4-5 см от базаль-ной части стебля).
Растительный материал фиксировали жидким азотом и лиофилизировали. Фитогормоны (цито-кинины и абсцизовую кислоту) определяли по модифицированной в лаборатории методике с использованием на завершающем этапе метода жидкостной хроматографии высокого давления (ВЭЖХ) (Белынская и др., 1997). Расчет содержания фитогормонов проводили по внешнему стандарту. Для ЦТК использовали калибровочную смесь из зеатинрибозида, изопентениладенозина, зеатина и изопентениладенина (Sigma, США). Идентификацию и количественное определение каждого фитогормона в экстракте осуществляли на основе программы Мультихром. Результаты получали в мкг. Общее количество цитокининов в образце определяли суммируя все идентифицированные ЦТК. Для анализа водорастворимых углеводов навеску лиофилизированного материала заливали бидистиллированной водой и экстрагировали в ультразвуковой ванне 10 мин, операцию повторяли дважды. Объединенный экстракт центрифугировали 20 мин при 2000 g, надосадоч-ную жидкость фильтровали через нейлоновый фильтр (размер пор 0.45 мкм). Идентификацию и количественное определение углеводов проводили методом ВЭЖХ по внешнему стандарту на колонке Rezex-RSO (Phenomenex, США), детектирование рефрактометрическое. Для изучения анатомического строения изготовляли препараты прижизненных поперечных срезов базальной части стебля, которые окрашивали по Аксенову, (1967). На препаратах с помощью окулярного микрометра определяли ширину камбиального слоя. Содержание макроэлементов определяли методами атомно-адсорбционной спектрометрии и фотометрии согласно ГОСТу 27262-97. Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием стандартной программы Microsoft Excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Температура осеннего периода 2005 г. была немного выше средних многолетних значений. В то же время зима 2005-2006 гг. отличалась аномально низкими температурами в январе и феврале, глубоким, до 20-25 см, промерзанием почвы и
мкг/г сухого вещества 120
100 80 60 40 20 0
мг/г сухого вещества 600
500 400 300 200 100 0
!
|| I
I
и
I
■1
1
1
1
1
28.09
24.11
28.12
21.01
22.02
28.03
(а)
=
1 = к — N — 1
(б)
I ¡1
12.04 Дата
Рис. 1. Динамика содержания суммы цитокининов (а) и водорастворимых сахаров (б) в тканях зимующих органов шалфея мускатного в осенне-зимне-весенний период 2005-2006 гг.: 1 - зимующие листья розетки; 2 - базальная часть стебля с почками возобновления; 3 - запасающая часть корня (для рис. 1-2).
высоким снежным покровом (55-60 см). Все эти погодные изменения оказали влияние на обмен веществ в тканях зимующих органов, что отразилось на динамике гормонального и углеводного пула растений и содержании макроэлементов в их тканях.
Цитокинины. В зимующих органах 5. sclarea идентифицированы зеатин рибозид (Зеа-Р), изо-пентениладенозин (ИПА-Р), зеатин (Зеа), изо-пентениладенин (ИПА). Наиболее стабильно во всех органах было содержание ИПА, а уровень транспортных форм Зеа-Р и ИПА-Р существенно менялся в течени
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.