научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЕ ФЕНОЛКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ В ХОДЕ СОЗРЕВАНИЯ И ЛИГНИФИКАЦИИ КЛЕТОК КСИЛЕМЫ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЕ ФЕНОЛКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ В ХОДЕ СОЗРЕВАНИЯ И ЛИГНИФИКАЦИИ КЛЕТОК КСИЛЕМЫ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ»

= БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

УДК 581.19:577.13

ИЗМЕНЕНИЕ ФЕНОЛКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ В ХОДЕ СОЗРЕВАНИЯ И ЛИГНИФИКАЦИИ КЛЕТОК КСИЛЕМЫ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

© 2012 г. Г. Ф. Антонова, Т. Н. Вараксина, Т. В. Железниченко, В. В. Стасова

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036 Красноярск, Академгородок E-mail: institute_forest@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 09.12.10 г.

Окончательный вариант получен 11.12.11 г.

Содержание и состав фракций спирторастворимых фенолкарбоновых кислот (ФК) изучали в связи с созреванием клеток ранней и поздней ксилемы и ее лигнификацией в ходе образования годичного прироста древесины в стволах сосны обыкновенной. Фенольные соединения (ФС) извлекали 80%-ным этанолом из клеток последовательных стадий созревания ранней и поздней ксилемы. Из ФС выделяли фракции свободных и связанных ФК, а из состава последних простые и сложные эфи-ры. Содержание веществ фракций рассчитывали на сух. массу и на клетку. Ранние трахеиды на всех стадиях утолщения вторичной стенки содержали меньше ФС и больше свободных ФК, чем поздние трахеиды. В ходе созревания ранних трахеид пул свободных кислот в расчете на клетку постепенно увеличивался, а связанных снижался. С созреванием трахеид поздней ксилемы пул свободных ФК повышался, тогда как связанных сначала повышался, а затем уменьшался. На всех стадиях созревания клеток обоих типов ксилемы в составе связанных ФК всегда доминировали простые эфиры. При этом клетки всех этапов созревания поздней ксилемы содержали больше простых эфиров, тогда как в клетках ранней было больше сложных эфиров. На последовательных стадиях лигнифика-ции ранней ксилемы суммарное содержание свободных оксикоричных кислот снижалось в результате сокращения пула п-кумаровой, феруловой и синаповой кислот, а пул эфиров этих кислот повышался. В ходе лигнификации поздней ксилемы пул свободной п-кумаровой, феруловой и особенно синаповой кислоты повышался. Одновременно увеличивалось содержание сложных эфиров феруловой кислоты и простых эфиров синаповой.

Ключевые слова: Pinus sylvestris L., ранняя и поздняя ксилема, вторичное утолщение и лигнифика-ция, фенолкарбоновые кислоты.

Годичный прирост хвойных состоит из двух слоев ксилемы — ранней и поздней, клетки которых — трахеиды — отличаются морфологическими параметрами, хотя развиваются по одному сценарию. После образования в камбиальной зоне клетки увеличиваются в размере в результате растяжения, а затем начинается вторичное утолщение их стенок. Вслед за отложением веществ вторичной стенки идет процесс накопления лигнина, основными структурными единицами которого являются производные оксикоричных кислот: п-кумаро-вой, феруловой, синаповой.

Оксикоричные кислоты (ОК), которые входят в состав фенолкарбоновых кислот (ФК) растений, участвуют также в росте клеток и создании структуры клеточных стенок, соединяя сложными и простыми эфирными связями между собой нецеллюлозные полисахариды (Fry, 1986. 1993; Waldron et al., 1997; Burr, Fry, 2009), а сами гемицеллюлозы с лигнином (Iiyama et al., 1990; Wallace, Fry, 1994; Antonova, Chapligina, 2007). Димеризованные ОК, такие как диферуловая кислота, могут поперечно

связывать пектины или пектины с другими нецел-люлзными полисахаридами (Fry, 1983; Waldron etal., 1997).

Значение ОК в растениях не ограничивается их участием в лигнификации (Запрометов, 1993, 1996). Физиологические функции кислот и их эфиров в растениях весьма разнообразны. Производные ФК, опосредуя действие таких ростовых веществ, как цитокинин, контролируют деление и расширение клеток (Teutonico et al., 1991). Благодаря природным антиоксидантным свойствам эфиры ОК, в частности, хлорогеновая кислота, могут защищать липиды от перекисного окисления in vivo (Rice-Evans et al., 1997). Предполагают, что п-кумаровая кислота оптимизирует введение синапового спирта в растущий лигниновый полимер (Hatfield et al., 2008). Существуют данные, что ОК обладают антимутагенными свойствами (Ferguson et al., 2003). Считается также, что ФК и их производные влияют на апоптоз клеток (Tamagnon et al., 1998; Дубравина и др., 2005). ФК в свободной форме потенциально токсичны для клеток и по-

этому их количество, как правило, в клетках ограничено. В растениях они представлены главным образом в виде конъюгатов с сахарами или органическими кислотами.

Тесно связанные с компонентами клеточных стенок ФК выделяются из ткани только растворами щелочи или кислоты, разрушающими эти связи, и такой метод их выделения используется в большинстве работ посвященных изучению ФК в растениях, например, двудольных (Lozovaya et al., 1999). Несвязанные с компонентами стенок бензойные и оксикоричные кислоты и их производные извлекаются такими органическими растворителями как спирты или их водные растворы.

Уровень спирторастворимых фенольных соединений (ФС) зависит от степени дифференциации тканей, как это было показано на каллусных культурах чайного растения (Загоскина и др., 1994) и при развитии зерен ржи (Weidner et al., 2000). Общих ФС и ФК в ходе развития зерен ржи в расчете на сухой вес больше в начале развития, чем на конечных стадиях созревания (Weidner et al., 2000). Авторы показали также, что инициация водного стресса ведет к понижению суммы свободных и связанных форм оксикоричных кислот. Как было установлено для хвои Pinuspinaster, избыток влаги тоже влияет на содержание свободных и связанных форм ФК (Alonso et al., 1993).

Водный стресс как внешний, так и внутренний, возникающий в дереве в результате сочетания определенных погодных условий, ведет к формированию в годичном приросте хвойных слоя поздней ксилемы (Zahner, 1963; Антонова, 1999). Изучая образование ранних и поздних трахеид в стволах лиственницы сибирской, мы нашли, что фракционный состав ФК, а именно содержание свободных и связанных ФК и их состав зависит как от стадии дифференциации клеток, так и от того, какой слой ксилемы, ранней или поздней, формируется в данный период вегетации (Чаплыгина, 2007). Развитие двух типов трахеид лиственницы характеризовалось также разной интенсивностью отложения лигнина в ходе дифференциации клеток (Antonova et al., 2007) и разным содержанием и соотношением аскорбиновой и дегидроаскорби-новой кислот (Антонова и др., 2005). От соотношения этих кислот, которое определяет окислительно-восстановительный потенциал тканей растений, зависит процесс сшивания полисахаридов (Zarra et al., 1999) и доступность предшественников лигнина для полимеризации (Takahama, 1993). Считают, что аскорбиновая кислота регулирует количество коричных кислот доступных действию пероксидазы, что в свою очередь контролирует скорость биосинтеза лигнина (Takahama, Oniki, 1997). Это означает, что пока аскорбат взаимодействует с перекисью водорода процессы сшивки и полимеризации в стенке тормозятся (Zarra et al.,

1999; Takahama, Oniki, 1997). При развитии трахеид лиственницы содержание и состав ФК (Чаплыгина, 2007) изменялись в соответствии с окислительно-восстановительным потенциалом (Антонова и др., 2005) и динамикой лигнификации ранних и поздних трахеид лиственницы в ходе их развития (Antonova et al., 2007).

При изучении процессов роста и лигнифика-ции ранней и поздней ксилемы в стволах сосны обыкновенной было найдено, что каждая из стадий дифференциации клеток тоже характеризуется определенным уровнем аскорбиновой и дегид-роаскорбиновой кислот (Антонова и др., 2009). Такие изменения в метаболизме должны влиять на содержание и фракционный состав ФК, а это в свою очередь на ростовые процессы и отложение лигнина. Мы рассматривали изменение содержания и состава фенолкарбоновых кислот в ходе роста клеток ксилемы сосны обыкновенной (Антонова и др., 2011). Данная работа является продолжением этих исследований.

Целью работы явилось изучение содержания и фракционного состава спирторастворимых ФК на этапах созревания и лигнификации ранних и поздних трахеид при формировании годичного прироста древесины в стволе сосны обыкновенной.

МЕТОДИКА

Материалом исследования служили слои клеток формирующейся ксилемы, полученных из стволов интактных 20—25 летних деревьев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), растущих в посадках Погорельской экспериментальной базы Института, в периоды образования ранней и поздней древесины. Время отбора подбирали с таким расчетом, чтобы все клетки формирующегося слоя древесины принадлежали либо к раннему, либо позднему типу. В вегетационном сезоне такие периоды соответствовали концу июня и началу августа.

Сбор материала со стволов деревьев (по два в каждый из периодов наблюдения) сосны обыкновенной проводили методом микрорассечения. Ствол распиливали по мутовкам, для каждой из которых оценивали состояние развития годичного слоя. С отрезков ствола последовательно удаляли кору, клетки непроводящей и проводящей флоэмы, клетки зон камбия и роста растяжением. Затем скальпелем собирали клетки на стадиях развития вторичных стенок (стадия созревания и лигнификации), постоянно контролируя стадию развития клеток с помощью гистохимических реакций (Антонова, Шебеко, 1981; Антонова и др., 2005, 2009). Начало отложения веществ вторичных стенок оценивали по появлению окаймления пор, что характерно для начала утолщения стенок трахеид (Murmanis, Sachs,

1969). Состояние зрелой ксилемы определяли по исчезновению протопласта.

В конце июня все клетки формирующегося годичного слоя, в том числе и зрелые, были представлены ранними трахеидами. Со стороны ксилемы были получены клетки зон камбия (Кам), роста растяжением (Рост), результаты анализа ФК которых показаны ранее (Антонова и др., 2011), и зоны созревания, клетки которой служили материалом для исследования. Зону разделяли на клетки с вторичным утолщением без лигнификации (D1) и последовательные слои лигнифицирующихся клеток (D2a и D26), а также зрелые клетки ксилемы (М).

В начале августа развивающаяся ксилема содержала только камбиальную зону (Кам) и зону созревания. Клетки в зоне роста растяжением отсутствовали, а зона созревания, которую использовали в работе, содержала достаточно большое число клеток, что позволило разделить ее на слой клеток до лигнификации (D

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