ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2013, № 3, с. 315-323
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ ^
УДК 581.1
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ РОСТА ПОДЗЕМНЫХ ОРГАНОВ ПАЛЬЧАТОКОРЕННИКА ПЯТНИСТОГО И НАКОПЛЕНИЯ В НИХ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ГЕНЕРАТИВНОМ
ЭТАПЕ ОНТОГЕНЕЗА
© 2013 г. О. А. Маракаев*, М. В. Целебровский*, Т. Н. Николаева**, Н. В. Загоскина**
*Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, 150000Ярославль, ул. Советская, 14 **Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, 127276Москва, ул. Ботаническая, 35
E-mail: olemar@yandex.ru Поступила в редакцию 05.10.2012 г.
Впервые изучена динамика роста и накопления фенольных соединений (ФС) в различных частях подземных органов тубероидной орхидеи Dactylorhiza maculata во время вегетации и зимнего покоя. Показано, что замещение старых тубероидов и придаточных корней молодыми сопровождается активными процессами роста, перераспределением ассимилятов и накоплением ФС. Обнаружено, что тубероид, выполняющий функцию запасающего органа, характеризовался низким содержанием ФС, которое повышалось в конце его вегетации и оставалось стабильно высоким в период зимнего покоя, а весной — снижалось, что может быть сопряжено с их катаболизмом и использованием для ростовых процессов. Предположено, что более высокое содержание ФС в придаточных корнях и окончаниях тубероидов, возможно, обусловлено их микотрофностью.
DOI: 10.7868/S0002332913030065
Семейство ОгсЫёасеае является крупнейшим среди однодольных и давно привлекает внимание исследователей (Щербухина, 1968; ЛгёкИ, 1979; СшггаИ ег а1., 1990; Вахрамеева и др., 2004). Большинство его представителей произрастает в тропических широтах, а сравнительно небольшое число видов — в умеренном климате северного полушария (Татаренко, 1996; УакИгашееуа ег а1, 2008). Долгое время специальных исследований орхидных в России не проводилось. Однако в последние десятилетия тщательно изучаются их хорологические, популяционные, морфологические, микосимбиотические и биотехнологические характеристики (Татаренко, 1995; Куликов, Филиппов, 1998; Вахрамеева и др., 2004; Горохова, Маракаев, 2004; Широков и др., 2005; Уа-кИгашееуа ега1, 2008), но крайне мало — физиоло-го-биохимические (Алехин, Никитченко, 1996; Маракаев, Титова, 2000).
Одна из уникальных особенностей высших растений — способность к образованию различных вторичных метаболитов, к числу которых относятся и фенольные соединения (ФС), присутствующие практически во всех клетках и обладающие высокой биологической активностью (Запрометов, 1993; Зенков и др., 2003; В1окЫпа ега1, 2003; В1ёе1 ег а1, 2010). Известно их участие в окислительно-восстановительных процессах дыхания и фотосинтеза, реакциях иммунитета,
защите клеток от различных стрессовых воздействий, а также в качестве запасного энергетического материала (Dixon, Paiva, 1995; Запрометов, 1993; Winkel-Shirley, 2001; Kovacik, Klejdus, 2008). Однако сведений о ФС орхидных мало и касаются они преимущественно тропических видов. В частности, сообщалось об образовании в них ан-тоцианов (Arditti, 1969), а также токсичных для патогенов фитоалексинов, большинство из которых представлено ФС (Hadley, 1982). Орхидные же умеренного климата северного полушария в этом плане практически не изучены.
Пальчатокоренник пятнистый (Dactylorhiza maculata (L.) Soo) является тубероидной орхидеей и произрастает в средней полосе России (Вахрамеева, 2000; Горохова, Маракаев, 2004). Его сезонное развитие сопровождается ежегодной сменой старого стеблекорневого тубероида, функционирующего в текущем году, на молодой, несущий почку возобновления, из которой в следующем году разовьется побег. Поэтому, несмотря на многолетний жизненный цикл, происходит ежегодное обновление растения.
Цель работы — изучение характера роста подземных органов пальчатокоренника пятнистого как одного из представителей орхидных средней полосы России и накопления в них ФС на генеративном этапе онтогенеза. Такой подход позволит выяснить наличие взаимосвязи между процесса-
Морфометрические параметры подземных органов D. maculata, изменяющиеся в течение вегетации
Орган Май Июнь Июль Август Сентябрь
Окончания тубероидов
старые 1 3.8 3 ± 8 . 31 1 3 .0 0 ± 6. 74 1 2.5 6 ± 2 . 49 8 .83 ± 2. 8 6
3 .75 ± 1. 26 3 .43 ± 1. 72 3 .48 ± 0. 43 3 .3 ± 1.4 1
молодые 3 .71 ± 1.3 1 1. 25 ± 0.45 8 .06 ± 2. 1 2 . 40 ± 0.6 8 1 1 .3 2 ± 2. 71 3.3 3 ± 0 . 7 12 .1 4 ± 5. 61 3 .42 ± 0. 79
Придаточные корни
старые 25.22 ± 4 . 29 20.79 ± 4. 31 1 5.7 8 ± 5 . 14 1 3 .8 8 ± 3. 43
4.98 ± 0.9 3.7 6 ± 0. 8 3.2 ± 0.6 1 3 .02 ± 0. 23
молодые 5 . 16 ± 2.93 1 .4 ± 0.43 9 .67 ± 2.6 6 2 .05 ± 0. 6 1 9.04 ± 7. 64 3 .45 ± 0. 81
Примечание. Над чертой — суммарная длина, под чертой — длина одного корня (окончания), см.
ми его роста и образования ФС — одних из наиболее распространенных в высших растениях представителей вторичного метаболизма с высокой биологической активностью.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования были генеративные растения пальчатокоренника пятнистого — Б. таеыШа (Ь.) 8оо (семейство ОгсЫёасеае). Они росли на дерново-подзолистой суглинистой почве в молодом злаково-разнотравном березняке с примесью ольхи, расположенном в Даниловском р-не Ярославской обл. Подземные органы отбирали во время вегетации и зимнего покоя — во вторую декаду каждого месяца. О характере роста судили по суммарному объему подземных органов, по длине придаточных корней и окончаний тубероидов, а также по накоплению в них сырой и сухой масс (Ермаков и др., 1952).
Для извлечения ФС свежий материал (туберо-иды, их окончания и придаточные корни) подвергали экстракции горячим 80%-ным этанолом. В экстрактах спектрофотометрическим методом определяли суммарное содержание растворимых ФС (с реактивом Фолина—Дениса; 725 нм) и содержание флавоноидов (с хлористым алюминием; 415 нм) (Запрометов, 1971; Загоскина и др., 2005). Калибровочные кривые в обоих случаях строили по рутину. Определения проводили не менее чем в трехкратной биологической повтор-ности с тремя аналитическими повторностями в каждом случае.
Статистическую обработку данных проводили по стандартным методикам с использованием
программы Excel'2000. В таблице представлены средние арифметические значения и их стандартные отклонения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В процессе вегетативного развития генеративных растений изменяются физиолого-биохими-ческие характеристики различных органов. Так, стеблекорневые тубероиды Б. таеы1а1а имели уплощенную форму, рассеченную в нижней части на несколько долей, сужающихся в корнеподоб-ные окончания (рис. 1). В начале вегетации у растений был один тубероид (старый), который сформировался в прошлом году и функционировал в текущем. С июня у них начинал формироваться второй (молодой) тубероид, что сопровождалось значительным увеличением объема подземных органов (рис. 2а). В дальнейшем этот показатель снижался, вероятно, за счет уменьшения сырой массы старого и увеличения таковой у молодого тубероида (рис. 2б). Интересен факт кардинальных изменений в соотношении сухой массы у старого и у молодого тубероидов летом (июль): у старого тубероида оно уменьшалось в 2 раза по сравнению с таковым в мае, тогда как у молодого — увеличивалось в 2 раза по сравнению с таковым в период образования тубероида (июнь) (рис. 2в).
Следует также отметить, что оводненность тканей старого тубероида менялась крайне мало (от 88.1 ± 0.3% в мае до 92.3 ± 0.4% в августе) в отличие от таковой у молодого тубероида, у которого она снижалась значительно (от 86.1 ± 0.2% в июле до 75.3 ± 0.2% в сентябре).
Рис. 1. Подземные органы Б. таеы1а1а на генеративном этапе онтогенеза: тс — тубероид старый, тм — молодой, ост — окончания старого тубероида, омт — молодого тубероида, пкс — придаточные корни старые, пв — почка возобновления.
Изучение суммарного содержания растворимых ФС в течение вегетации в подземных органах пальчатокоренника показало, что в старом тубе-роиде их накопление менялось незначительно, с некоторой тенденцией в сторону повышения в конце развития (июль-август) (рис. 3а). У молодого тубероида на начальных этапах роста (июнь-июль) содержание ФС не менялось, а затем постепенно увеличивалось и к сентябрю почти вдвое превышало таковое в начале вегетации (июнь). В дальнейшем значительных изменений в их содержании не наблюдалось и в зимующем
тубероиде в большинстве случаев оно составляло 1.75 ± 0.17 мкг/г сырой массы и лишь в феврале-марте было выше (в среднем на 20%).
Известно, что к наиболее распространенным в высших растениях соединениям фенольной природы относятся флавоноиды (Запрометов, 1993; Кое8 а1, 2005). Их образование характерно и для подземных органов пальчатокоренника пятнистого (рис. 3б). При этом в старом тубероиде содержание флавоноидов на генеративном этапе онтогенеза было достаточно низким, за исключением завершающей фазы (август), когда их на-
318 V, см3 3
(a)
2
1.5 1
S3 0.5
2 г
0 0.4
□ 1 U2
(б)
0.2
(в)
« 0
о
□ 1 ш
(а)
0.4
0.2
(б)
Май Июнь Июль Август Сентябрь
Рис. 2. Объем (V) подземных органов (а), а также сырая (б) и сухая (в) массы (M) старого (1) и молодого (2) тубероидов D. maculata на генеративном этапе онтогенеза, для рис. 2—7.
копление возрастало почти в 4 раза и составляло почти 38% суммарного количества ФС. Формирование молодого тубероида сопровождалось повышением содержания этих вторичных метаболитов, наиболее выраженном в августе, когда их доля достигала 50% суммы ФС. Однако в сентябре происходило почти 10-кратное снижение их количества. В зимующем органе содержание фла-воноидов в октябре, ноябре и декабре составляло соответственно 0.22 ± 0.02, 0.33 ± 0.03 и 0.19 ± ± 0.02, в январе—марте значительно снижалось и составляло в среднем 0.09 ± 0.01, а в апреле — всего лишь 0.03 ± 0.01 мкг/г сырой массы.
Окончания тубероидов D. maculata — это шну-ровидные корнеподобные отростки запасающих органов (рис. 1). Характерной их особенностью является наличие в клетках экзодермы и паренхи-
Май Июнь Июль Август Сентябрь
Рис. 3. Суммарное содержание растворимых ФС (а) и флавоноидов (б) в тубероидов.
мы коры микосимбионта, прон
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.