УДК 630x165.5:630*17:582.475.4
КОРРЕЛИРОВАННОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ЛЕГКОЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ ХВОИ В ПОПУЛЯЦИОННЫХ ВЫБОРКАХ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ НА ЮГЕ СИБИРИ
© 2014 г. И. В. Тихонова, А. А. Анискина, С. Р. Лоскутов
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50, стр. 28 е-шаП: selection@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 28.06. 2013 г.
Исследованы внутрипопуляционное разнообразие и корреляции 30 легколетучих соединений хвои в популяциях сосны обыкновенной на юге Сибири. Выявлены существенные межпопуляционные различия по коррелированности относительного содержания терпеноидов в выборках деревьев. Определены устойчивые сочетания тесно связанных между собой моно- и сесквитерпенов, а также особенности общей корреляционной структуры признаков.
Ключевые слова: сосна, терпеноиды хвои, корреляции. БО1: 10.7868/80367059714040131
В последние десятилетия для изучения популяци-онной структуры видов широко применяется анализ состава вторичных метаболитов, в том числе компонентного состава эфирных масел (Полтавченко, Рудаков, 1973; Скворцов, 1981; Ламоткин и др., 2008; Шутова и др., 2009). Использование терпеноидов в исследованиях генетического разнообразия видов представляется вполне обоснованным, так как для их синтеза необходимы специальные ферменты, которые не включаются в другие метаболические пути (Pallardy, 2008). Следовательно, анализ терпеноид-ных продуктов имеет непосредственный выход к генетическому полиморфизму аллозимов, о чем свидетельствуют высокие оценки наследуемости содержания некоторых монотерпенов (Hanover, 1966; Forrest, 1980; Yazdani et al., 1982; Baradat, Yazdani, 1988; Тараканов и др., 2004). Особенно ценными объектами для таких исследований являются виды хвойных растений с высоким содержанием и большим разнообразием терпеноидных соединений (Hanover, 1992).
Несмотря на широкое практическое использование терпеноидов в качестве маркеров генетической изменчивости, о конкретных путях биогенеза большинства из них и взаимопревращений в
растительных тканях известно мало . Между тем
* К настоящему времени известно о существовании двух путей синтеза терпенов: основного — "мевалонатного", на наружной мембране оболочки митохондрий и ядра, и альтернативного "метил-4-фосфатного" — в хлоропластах (Meier, Goggans, 1978; Pallardy, 2008). Сформулированы общие и частные "изопрено-вые правила" формирования структуры терпенов (Ruzicka, 1953). Разработана общая схема биогенеза монотерпенов, установлены промежуточные соединения синтеза основных групп терпенов (изопентилпирофосфат, геранилпирофосфат, фарне-зилпирофосфат, геранилгеранилпирофосфат) и биогенетические связи некоторых монотерпенов (Полтавченко, Рудаков, 1973; Муравьева, 1978; McGarvey, Croteau, 1995).
эти сведения имеют непосредственное значение для генетических исследований и более правильного выбора химических маркеров.
Отставание в развитии этой области знаний от потребностей смежных наук и промышленности обусловлено большим разнообразием терпенои-дов (сегодня известно более 22 тыс. соединений) и их высокой реакционной способностью (Пен-тегова и др., 1987). Непосредственно опытным путем изучать эти процессы довольно сложно из-за их скоротечности. Одним из приемлемых дополнительных способов исследования путей биогенеза терпеноидных веществ является корреляционный анализ биохимических признаков. В работах, посвященных оценке популяционного и географического разнообразия монотерпенов, регулярно приводятся значения коэффициентов корреляции между парами отдельных соединений (Meier, Goggans, 1978; Степень, 2000). К сожалению, эти сведения не распространяются на весь комплекс выделенных компонентов эфирных масел и касаются лишь небольшой группы соединений.
Цель настоящего исследования — анализ корреляционной структуры признаков: качественного и количественного составов всех идентифицированных моно- и сесквитерпенов в популяциях сосны, произрастающих на южной границе ареала, в диапазоне условий от теплых и засушливых до умеренно прохладных и сухих.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в двух популяциях сосны обыкновенной — в ширинской (Хакасия) и балгазынской (Тува). Географические координа-
2
257
ты первой популяции — 54°24' с.ш., 89°59' в.д., второй — 51°10' с.ш., 95°5' в.д. Преобладающий тип леса в первой популяции — сосняк каменисто-лишайниковый, во второй — сосняк разнотравно-злаковый, состав древостоя соответственно 7С2Б1Л (бонитет 1У-Уа) и 10С (бонитет II-III).
Образцы хвои отбирали в начале октября 2011 г. с 10-20 побегов текущего года роста в средней части по всему периметру крон деревьев. Популя-ционные выборки состояли из 100-120 деревьев, возрастом старше 30 лет. Время сбора образцов было выбрано согласно литературным данным (Meier, Goggans, 1978; Степень, 1999), когда у сосны накапливается достаточное количество эфирных масел и стабилизируется их состав.
Качественный компонентный состав образцов определяли нахромато-масс-спектрометре "Agilent 5975С-7890А" (США) с использованием паро-фазного пробоотборника HeadSpace Sampler G1888. Применяли 30-метровую кварцевую колонку НР-5 (сополимер 5%-дифенил-95%-диметилсилоксан) с внутренним диаметром 0.25 мм. Газ-носитель — гелий с постоянным потоком 1.1 мл/мин. Температура колонки: начальный изотермический участок — 50°C (10 мин), подъем температуры со скоростью 4°С/мин — от 50 до 200°C. Параметры парофаз-ного пробоотборника: температура термостата -100°С, температура петли — 110°С, температура HS-интерфейса — 115°С, время выдержки образца в термостате пробоотборника — 7 мин. Температура испарителя — 280°С, температура ионизационной камеры — 170°С, энергия ионизации — 70 эВ.
Идентификацию компонетов проводили методом сравнения исследуемых образцов со стандартными образцами "Базы данных стандартных образцов" из масс-спектральной библиотеки '^КТ05а. L" по наличию и соотношению характерных ионов-фрагментов. Для каждого компонента определяли его процентное содержание в образце. Данные анализировали с помощью корреляционного анализа. Достоверность различий оценивали с помощью i-критерия, достоверность связей — с помощью критериев t и tr (Шмидт, 1984). В связи с тем, что распределение некоторых компонентов существенно отклонялось от нормального, эти данные предварительно были нормированы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Надо отметить, что терпеноиды представляют особый интерес для исследования популяцион-ного разнообразия видов в связи с тем, что они относятся к "накапливаемым" в течение жизни дерева метаболитам (Gershenson, 1994). Поэтому при всей их подвижности и изменчивости получаемые спектрограммы отражают "накопленный" результат метаболических превращений.
Кроме того, в определенной нами фракции терпенов сесквитерпены являются регуляторами роста, что немаловажно для исследователей древесных растений.
Всего в изучаемых популяциях сосны был идентифицирован 31 компонент легколетучих выделений хвои моно- и сесквитерпенов (табл. 1), при этом индивидуальные образцы различались по числу компонентов — от 8 до 31. В обеих популяциях основными, с содержанием более 1%, были: а- и Р-пинены, Д3-карен, камфен, кариофил-лен, Р-кадинен, гермакрен, т-муролен, трициклен, мирцен и лимонен. Наиболее редко встречались деревья, в составе эфирных масел хвои которых содержались следующие соединения: Р-туйен, Р-фелландрен, Д3-карен, Р-транс-оцимен, тер-пинен, камфора, борнеол, Р-кубебен. Высоко изменчивыми по относительному содержанию в образцах (с коэффициентом вариации выше 40%) были: Р-фелландрен, Р-пинен, Д3-карен, лимонен, терпинолен, Р-цис-оцимен и все сесквитерпены. Самое редкое углеводородное соединение — камфора, было обнаружено только у двух деревьев в балгазынской популяции, поэтому оно не учитывалось при анализе данных.
В связи с тем, что на результаты корреляционного анализа существенное влияние могли оказать экологические условия произрастания деревьев — это было отмечено нами ранее по целому ряду морфо-физиологических признаков у сосны обыкновенной (Тихонова, 2000, 2007; Тихонова и др., 2012), мы рассматривали как совокупные популяционные выборки деревьев, так и выборки, приуроченные к разным местообитаниям внутри популяций. Анализ проводили последовательно в два этапа по следующей схеме: 1-й — корреляционный анализ между компонентами по их наличию или отсутствию в образцах, 2-й — корреляционный анализ связей между компонентами по их относительному содержанию в образцах. В первом случае можно было ожидать, что корреляции между соединениями могут отражать наличие взаимосвязей между генами, контролирующими синтез терпеноидных продуктов. По результатам второго этапа предполагалось получить сведения о возможном движении метаболитов по конкретным метаболическим путям их взаимопревращения.
Мерой силы связи для альтернативных качественных признаков "+/—" послужил коэффициент контингенции Шарлье (гр), разработанный на основе х2 (Шмидт, 1984). Его достоверность определяли с помощью критерия В результате анализа корреляций между летучими терпеноидными продуктами по их наличию у отдельных деревьев в выборках было установлено, что популяции достоверно различаются степенью сопряженности признаков (Р < 0.05). Некоторые различия по этому
Таблица 1. Компонентный состав и среднее содержание легколетучих выделений хвои в ширинской — Ш и бал-газынской — Б популяциях сосны, %
Соединение Популяция Соединение Популяция
Ш Б Ш Б
Монотерпены Сесквитерпены
Трициклен 1.397 ± 0.045 1.557 ± 0.071 Эликсен 0.201 ± 0.014 0.307 ± 0.015
ß-туйен* 0.229 ± 0.020 0.233 ± 0.012 а-кубебен 0.191 ± 0.014 0.208 ± 0.017
а-пинен 60.670 ± 1.470 47.137 ± 1.483 Копаен 0.314 ± 0.014 0.481 ± 0.025
Камфен 4.797 ± 0.169 4.758 ± 0.233 ß-бурбунен 0.232 ± 0.021 0.265 ± 0.025
ß-фелландрен* 0.409 ± 0.042 0.370 ± 0.027 ß-элемен 0.440 ± 0.027 0.849 ± 0.058
ß-пинен 3.320 ± 0.225 3.872 ± 0.026 Кариофиллен 2.066 ± 0.111 3.178 ± 0.185
Мирцен 1.639 ± 0.072 1.531 ± 0.062 ß-кубебен* 0.123 ± 0.008 0.203 ± 0.014
Д3-карен* 20.383 ± 1.476 15.318 ± 0.885 Кадинен 0.359 ± 0.018 0.661 ± 0.035
Лимонен 1.827 ± 0.112 1.104
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.