CC BY
84
УДК 630*581.174(470.11) Л.В. Зарубина1, В.Н. Коновалов2
вологодская государственная молочнохозяйственная академия
2Архангельский государственный технический университет
Зарубина Лилия Валерьевна родилась в 1975 г., окончила в 1997 г. Архангельский государственный технический университет, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры лесоводства Вологодской государственной молочно-хозяйственной академии. Имеет 20 печатных работ по экологии и физиологии осушаемых лесов, биологии рубок, вопросам минерального питания и др. Тел.: 8-921-684-31-56
Коновалов Валерий Николаевич родился в 1940 г., окончил в 1965 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и защиты леса Архангельского государственного технического университета. Имеет 105 печатных работ в области эколого-физиологического обоснования эффективности лесоосушения на Севере, подсочки и прижизненного просмоления древесины, применения минеральных удобрений в лесных экосистемах, способов рубок, изучения природы лесов Крайнего Севера, сезонного роста древесных пород и др. Тел.: (8182) 21-61-58
ОСОБЕННОСТИ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ ПИГМЕНТОВ В ЛИСТЬЯХ РАСТЕНИЙ СОСНЯКА КУСТАРНИЧКОВО-СФАГНОВОГО
Показана неоднозначная реакция пигментного комплекса отдельных видов и ботанических групп болотных растений на осушение.
Ключевые слова: болотные растения, пигменты, динамика, листопадные и вечнозеленые виды, осушение.
Состояние фонда пигментов в листьях растений служит одним из важных условий нормальной работы фотосинтетического аппарата. Считается, что уровень содержания пигментов в фотосинтезирующих органах может быть успешно использован в качестве индикатора, определяющего потенциальную фотосинтетическую продуктивность вида [6, 7], ежегодный атмосферный сток углерода [1, 8, 10], как показатель реакции вида на изменение экологических условий [7, 2]. В то же время еще В.Н. Любименко (1916 г.) указывал, что независимо от количественных колебаний содержание хлорофилла в листьях следует рассматривать как признак наследственный, свойственный виду или роду в целом. Наряду с этим установлено, что вечнозеленые растения обладают более низкой, чем листопадные, способностью к накоплению пигментов в листьях [5].
Изучение связи содержания пигментов с учетом длительности жизни листьев и уровнем стояния почвенной воды проведено нами в 1986 г. и 2002 г. в сосняке кустарничково-сфагновом (северная подзона тайги). Мелиоративные работы на объекте выполнены в 1988 г. системой открытых каналов с расстоянием 140 м между ними и глубиной 1,2 м. Опытный уча-
сток располагался в зоне интенсивного осушения (10...20 м от осушителей). Первые исследования были выполнены в 1986 г. перед началом лесомелиоративных работ, повторные - спустя 16 лет. Перед осушением возраст древостоя - 41 год, высота - 6,0 м, диаметр - 3,4 см, уровень почвенно-грунтовых вод - 7.17 см, освещенность под пологом леса на высоте исследуемых растений в околополуденные часы - 30,6 % от освещенности на открытом месте. За период действия осушения эти показатели составили соответственно 57 лет; 10,5 м; 10,0 см; 24.62 см и 16,0 %.
До осушения флористический состав живого напочвенного покрова был представлен преимущественно гигрофильными видами растений - вечнозелеными кустарничками, морошкой, небольшими синузиями осок. Проективное покрытие сфагновыми мхами составляло около 90 %. После осушения на прилегающей к осушителям территории к уже имеющимся видам добавились черника, плаун ползучий, массово-зеленые мхи, на микроповышениях - синузии кладоний. В травяном покрове значительно сократилась доля типичных влаголюбов - осок и сфагнума.
Объектами наших исследований являлись наиболее представленные виды растений, принадлежащие к семействам Pinaceae (сосна обыкновенная
- Pinus silvestris L. ), Betulaceae (береза карликовая - Betula nana L.), Vacci-naceae (багульник - Ledum palustre L., кассандра - Chamaedaphne colucula-ta (L .) Moench, подбел - Andromeda poliifolia L., голубика - Vaccinium uligi-nosum L., клюква - Oxycoccus quadripetalus Gilib., брусника - Vaccinium viti-sidaea L.), Empetraceae (вороника - Empetrum nigrum L.), Rosacea (морошка
- Robus chamaemorus L.), Sphagnaceae (сфагнум магелланский - Sphagnum magellanicum Brid.), 1 отдел: Bryophyta (плеврозиум Шребера - Pleurozium Schreberi). Эти виды растений по длительности жизни листа подразделяются на 3 группы: исчезающие на зиму (морошка), листопадные (береза карликовая), вечнозеленые (сосна, вечнозеленые кустарнички, моховидные растения).
Содержание пигментов определяли в свежесобранном материале, составляя средний образец. Для сосны образцы хвои второго года отбирали от 3.5 деревьев, для представителей напочвенного покрова - от 10.20 растений, взятых из различных мест методом случайной пробы. Биологическая повторность - кратная 3-4, аналитическая - 2-3. Для изучения пигментов у сосны и вечнозеленых растений в течение года брали листья (хвою), закончившие рост, причем одной и той же генерации. У морошки и плодоносящих кустарничков содержание пигментов определяли в основные фенологические фазы: распускания листьев, цветения, плодоношения и перед осенним листопадом.
При изучении содержания пигментов использовали два метода: количественную бумажную хроматографию в модификации Д.И. Сапожни-кова с сотрудниками [6] и спектрофотометический [11].
В первом случае пигменты извлекали смесью этилового спирта с безводным ацетоном (1:3) с добавлением небольшого количества (на кончике скальпеля) MgCO3 или CaCO3. Пигменты разделяли восходящим током растворителя на хроматографической бумаге Ленинградской фабрики № 2
марки «С». Растворителем служила смесь бензина, петролейного эфира и
* -Щ—Ж-
ацетона (17:5:7). Пигменты с бумажного носителя в растворимое состояние переводили с помощью серного эфира. Полученный элюат фотометрирова-ли на фотоэлектроколориметре ФЭК-М. Концентрацию пигментов в растворе определяли по калибровочным кривым, построенным по стандартным растворам.
В спектрометрическом методе для извлечения пигментов использовали 96 %-й этанол. Концентрацию пигментов определяли на спектрофотометре СФ-46 и рассчитывали по специальным формулам.
Как показали наблюдения, климатические условия 1986 г., несмотря на затяжную весну, в целом были благоприятными для нормального роста и развития болотных растений. Однако в мае и начале июня на почве наблюдались заморозки, выпадали осадки в виде снега и мокрого снега, иногда устанавливался временный снежный покров. Температура воздуха в дневные часы редко поднималась выше 4...6 °С. Низкие температуры воздуха и почвы, избыток влаги вызвали задержку в развитии болотных растений. Из всех видов лишь у березы карликовой в конце мая на побегах появились первые молодые листья. Молодая хвоя на главном побеге сосны обозначилась лишь 4-6 июля, что на 1.2 нед. позже обычных сроков. К середине июня, после холодного периода, когда среднесуточная температура воздуха перешла через 10 °С, началась активная вегетация растений. У кустарничков начали разверзаться вегетативные почки, появились первые листья. У морошки обозначились цветоносы и цветки. В дальнейшем погодные условия уже не препятствовали нормальному росту и развитию растений.
Согласно результатам метеонаблюдений, вегетационный период 2002 г. по количеству осадков и температуре воздуха был близок к средне-многолетней норме. Развитие болотных растений и прохождение у них основных фенологических фаз происходило в обычные сроки.
Как было установлено, исследуемые виды по содержанию и динамике накопления пигментов в листьях отличаются значительно (табл. 1). Это зависит от вида и группы, к которой растение принадлежит (листопадные или вечнозеленые). Содержание пигментов в расчете на единицу массы свежих листьев у разных видов варьирует от 186 до 3455 мг. Максимальное количество пигментов в листьях накапливает исчезающая на зиму морошка. Так, в июне-августе в свежих листьях этого растения содержится 1,30.2,63 мг хлорофиллов и 0,32.0,82 мг каротиноидов. У сосны хвоя второго года летом содержит 0,38.0,56 мг зеленых и 0,16.0,22 мг каро-тиноидных пигментов. Для сфагнового мха, напротив, характерно самое низкое наполнение пластидного аппарата головок гаметофитов пигментами (0,14.0,33 мг хлорофилла и 0,05.0,10 мг каротиноидов). Низкое содержание пигментов у него проявляется и более слабой по сравнению с другими видами растений способностью осуществлять фотосинтез [2] и ростовые
* Оптимальные соотношения химических реагентов получены нами экспериментально.
процессы. Вересковые по содержанию пигментов занимают среднее между этими видами положение.
Известно, что способность растений накапливать определенное количество пигментов - свойство наследственное. Считается, что в листьях теневыносливых видов содержание хлорофилла выше, чем в светолюбивых [5]. Однако установлено, что способность к накоплению пигментов в листьях родственных видов интродуцированных в Крыму кустарников с различной продолжительностью жизни листа зависит не столько от степени «све-толюбия» растений, сколько от принадлежности их к вечнозеленой или листопадной группе [4]. Авторы полагают, что низкий уровень содержания пигментов в листьях вечнозеленых видов является их наследственным свойством, которое может существенно изменяться в новых экологических условиях.
Таблица 1
Содержание хлорофиллов и каротиноидов (мкг/г свежей массы) в листьях болотых растений
По- Хлорофиллы Каротиноиды
ряд-ко-вый номер Вид Дата a Ь a+b a:b Кар°- тин Лю-теин Виола-ксан-тин Сумма Всего
Вечнозеленые
1 Сосна 9.У[ 231 153 384 1,51 50 61 46 157 541
обык- 29.Ш 342 216 558 1,58 64 91 65 220 778
новен 5.УШ 277 134 411 2,07 49 78 46 173 584
ная- 3.1Х 257 137 394 1,88 75 91 58 224 618
20.1 238 164 402 1,45 96 135 0 232 634
2 Ба- 28^ 612 498 1110 1,36 84 140 91 315 1425
гуль- 29.У1 798 532 1330 1,50 131 178 113 422 1752
ник 29.Ш 703 470 1173 1,50 128 171 80 379 1552
26.УШ 685 387 1072 1,77 120 172 99 391 1465
20.1 602 468 1070 1,29 104 181 104 389 1459
3 Под- 28.V 660 535 1195 1,23 97 142 85 324 1519
бел 29.У1 855 557 1412 1,57 128 175 115 420 1832
29.УП 672 410 1082 1,64 102 138 73 313 1395
26.УШ 740 450 1190 1,64 123 169 85 377 1567
4 Кас- 28.V 720 415 1135 1,73 104 183 125 412 1547
санд- 29.У1 1054 806 1860 1,31 200 233 94 527 2387
ра 29.УП 814 506 1320 1,61 136 189 108 433 1753
26.УШ 628 409 1037 1,54 107 168 84 359 1396
20.1 510 376 886 1,36 109 206 72 387 1273
5 Клю- 29.У1 461 312 773 1,55 90 101 70 261 1034
ква 29.УП 550 416 966 1,32 98 121 76 295 1261
3.1Х 670 421 1091 1,59 93 165 84 342 1433
6 Сфаг- 29.У1 182 148 330 1,21 31 48 25 104 434
нум 29.УП 147 75 222 1,96 15 27 17 59 281
магел- 3.1Х 88 52 140 1,69 12 23 11 46 186
лан-
ский
Листопадные
7 Бере- 28.У 542 445 987 1,22 75 133 73 281 1268
за 29,У1 876 508 1384 1,72 147 158 97 402 1786
кар- 29.УП 812 630 1442 1,29 161 185 116 462 1904
лико- 26.УШ 636 468 1104 1,36 137 146 96 379 1483
8 вая Мо- 9.У1 864 495 1359 1,75 120 192 84 396 1755
рош- 29.УП 151 112 2630 1,35 304 361 160 825 3455
ка 26.УШ 726 502 1228 1,45 113 142 65 320 1548
9 Голу- 29.У1 890 401 1291 2,22 109 141 88 338 1629
бика 29.УП 965 615 1580 1,57 161 180 122 463 2043
26.УШ 1140 732 1872 1,56 165 220 93 478 2350
Результаты наших исследований также свидетельствуют о неоднозначной скорости биосинтеза пигментов у отдельных видов болотных растений разных жизненных форм с различной продолжительностью жизни листьев. Так, сосна обыкновенная, имеющая древовидную жизненную форму, по содержанию пигментов существенно отличается от вечнозеленых вересковых кустарничков, несмотря на их общую принадлежность к группе вечнозеленых растений. Летом листья вечнозеленых кустарничков содержат в 2 раза больше пигментов, чем хвоя сосны. Аналогичная закономерность наблюдается и в группе растений с опадающими на зиму листьями (береза карликовая, морошка, голубика).
Г.В. Куликов и З.В. Иванцова [4] считают, что для установления существенных и статистически достоверных различий между сравниваемыми группами растений лучше сравнивать не абсолютные значения содержания хлорофилла и каротиноидов в листьях, а их отношение к сумме пигментов. Результаты проведенных нами расчетов свидетельствуют о сохраняющемся у растений различных ботанических групп и отдельных видов генетическом постоянстве соотношений пигментного состава несмотря на его сезонную изменчивость (табл. 2). Так, содержание хлорофилла а в общем составе пигментов колеблется от 38 до 55 %, хлорофилла Ь - от 22 до 35 %, кароти-ноидов - от 20 до 37 %. Среди каротиноидов наибольшей сезонной изменчивости подвержен лютеин (вариабельность 8,7.21,5 %). Виолаксантин у некоторых видов растений (сосна) в зимние месяцы вообще исчезает и появляется лишь с наступлением теплого периода. Каротин проявляет стабильность (4,5.8,8 %), соотношение хлорофиллов а и Ь изменяется в пределах 1,22.2,22, а зеленых и каротиноидных пигментов - 2,2.3,7.
В сезонной изменчивости пигментов наблюдается определенная закономерность, связанная с возрастными изменениями листьев и фенофазами развития растений. Так, в листьях ягодниковых кустарничков и полукустарничков (голубика, клюква) минимальное количество всех пигментов отмечено в июне, в период листообразования и формирования репродуктивных органов. В этот период формирование фонда зеленых пигментов у этих видов идет со значительным превышением хлорофилла а (соотношение хлорофиллов а и Ь составляет 1,6.2,2), из каротиноидов преобладает лютеин. Максимальное количество пигментов в листьях этих растений содержится в
фазе массового созревания плодов (август-сентябрь). У растений голубики в этот период из каротиноидов наиболее активно накапливаются лютеин и каротин. Сезонные изменения содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях листопадной березы карликовой и исчезающих на зиму растений морошки характеризуются достаточно четко выраженной одновершинной кривой: минимум отмечен весной, в период разверзания вегетативных почек, и во время осеннего листопада. В листьях вечнозеленых кустарничков (багульник, кассандра, подбел) более высокая концентрация пигментов выявлена во время цветения (июнь). Зимой у этих видов содержание пигментов заметно ниже (в 1,3-2,0 раза). В это время особенно мало листья содержат хлорофилла а.
Таблица 2
Соотношение хлорофиллов и каротиноидов (в процентах к сумме пигментов)
в листьях болотных растений
Порядковый номер Вид Хлоро< шллы Каротиноиды
а Ь
минимальное максимальное среднее минимальное максимальное среднее минимальное максимальное среднее
Вечнозеленые
1 Сосна 38 47 42,6±1,8 8 22 28 25,4±1,4 11 28 37
2 Багульник 41 47 44,4±1,1 5 27 35 30,8±1,5 5 22 27
3 Подбел 43 47 45,9±1,0 4 29 35 32,2±1,8 10 20 24
4 Кассандра 40 47 44,4±1,3 6 27 34 29,7±1,3 9 22 30
5 Клюква 44 47 45,0±1,1 4 29 33 30,9±1,3 6 23 25
6 Сфагнум 42 52 47,1±3,8 11 27 34 29,6±2,8 13 21 25
Листопадные
7 Береза карлико- 43 49 44,3±1,8 8 28 35 32,1±1,6 9 22 26
вая
8 Морошка 44 49 46,6±2,0 6 28 32 31,0±1,7 6 21 24
9 Голубика 47 55 50,1±2,8 8 25 31 28,6±2,5 12 20 23
32,1±1,9 12
24,8±1,0 8
23,1±1,0 8
25,9±1,5 12
24,2±0,7 4
23,3±1,4 9
23,7±0,9 7
22,4±1,1 7
21,7±0,9
6
Примечание. В знаменателе приведены коэффициенты изменчивости (%).
Для сфагнового мха характерным признаком является интенсивное обогащение головок гаметофитов пигментами весной, сразу после схода снежного покрова, при высокой насыщенности его тканей влагой (92,8 %). В июле, после высыхания почвы и уменьшения водонасыщенности тканей (до 67,7 %), содержание всех пигментов у этого вида заметно ниже (на 35 %). В сентябре при достаточно высокой влагонасыщенности тканей (до 87 %) количество пигментов в головках гаметофитов в 2,5 раза ниже, чем весной (V = 15,7).
В прошлогодней хвое сосны минимальное количество пигментов отмечено в мае-июне, в июле пигментный фонд активно восстанавливается. С наступлением холодов содержание хлорофилла снижается, а каротиноид-ных пигментов сохраняется на достаточно высоком уровне. Можно полагать, что зимнее снижение хлорофилла является результатом фотосенсиби-лизированного окисления его [12] и агглютинации пластид [9]. В зимний период наиболее активно разрушается хлорофилл а. Среди каротиноидов наблюдается исчезновение виолаксантина, но в этот же период весьма активно накапливаются более восстановленные пигменты - каротин и, особенно, лютеин. Активное разрушение виолаксантина и хлорофилла а в зимние месяцы отмечено нами также у ели [2]. Выпавшие в конце июля-начале августа 1986 г. обильные осадки, вызвавшие подтопление корнеобитаемого слоя почвы, привели у сосны к снижению содержания хлорофилла и каро-тиноидов соответственно на 35 и 28 %.
За 16 лет, прошедших после осушения, существенно изменились условия для роста болотных растений. В результате опускания уровня поч-венно-грунтовых вод значительно ускорился рост сосны, в итоге возросла сомкнутость крон и уменьшилось поступление под полог солнечного света (в 2 раза). Изменения в экологической обстановке своеобразно сказались у подпологовых растений на накоплении пигментов, что однако не нарушило общий характер их динамики. Так, по усредненным данным после осушения в листьях березы карликовой содержание хлорофиллов возросло в 2,2 раза (V = 16,1), а каротиноидов - в 1,2 раза (V = 3,8), в листьях вересковых - соот-ветсвенно в 1,4-1,8 и 1,2-1,6 раза (V = 3,4.6,9). Весьма существенно (в 2,9-3,1 раза) содержание пигментов повысилось в головках сфагнового мха. При полевой влажности мха 77,6 % в головках гаметофитов содержалось 1,04 мг хлорофиллов и 0,21 мг каротиноидов. В листьях голубики количество пигментов после осушения не изменилось, а в листьях клюквы отмечена даже их небольшая убыль (на 10.18 %). В хвое сосны (см. рисунок) после осушения содержание хлорофиллов возросло в 1,9, каротиноидов -в 1,4 раза (V соответственно 13,3 и 5,2) .
4000
* 3500
« 3000
2 2500
и
С 2000
<о
1 1500
та
1
8" 1000
ч
и 500
0
23456789 10 11
Влияние осушения на содержание суммы пигментов в листьях болотных растений (обозначения на горизонтальной оси с 2 по 9 приведены в табл. 1, 2) : л 10 - брусника, 11 - вороника; □ - контроль, □ - опыт
венные изменения в содержании отдельных пигментов в течение года, они у листопадных и исчезающих на зиму видов по сравнению с вечнозелеными видами обнаруживают большую изменчивость, связанную не столько со степенью увлажнения и термообеспеченности местообитания, сколько с длительностью жизни листового аппарата. Осушение, понижая уровень стояния почвенной воды, у большинства видов болотных растений способствует накоплению пигментов в листьях в результате как уменьшения вла-гозапасов в торфяной почве, так и сокращения поступления под полог солнечного света. Различия существенны и достоверны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронин, П.Ю. Проективное содержание хлорофилла и биоразнообразие растительности основных ботанико-географических зон России [Текст] / П.Ю. Воронин [и др.] // Физиология растений. - 1995. - Т. 42, вып. 2. - С. 295-305.
2. Коновалов, В.Н. Адаптивные особенности физиологических процессов у растений на Крайнем Севере [Текст] / В.Н. Коновалов, Л.В. Коновалова // Лесн. журн. - 1996. - № 6. - С. 26-31. - (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Коновалов, В.Н. Сезонная динамика содержания пластидных пигментов в хвое ели в связи с внесением минеральных удобрений [Текст] / В.Н. Коновалов // Журн. общей биол. - 1988. - Т. 49, № 5. - С. 611-617.
4. Куликов, Г.В. Динамика пигментов в листьях вечнозеленых и листопадных древесных растений в Крыму [Текст] / Г.В. Куликов, З.В. Иванцова // Ботан. журн. - 1977. - Т. 62, № 7. - С. 1053-1062.
5. Любименко, В.Н. О превращениях пластид в живой ткани растения [Текст] / В.Н. Любименко // Записки Императ. акад. наук . - 1916. - Сер. 8, Т. 33.
6. Попова, И.А. Исследование пигментов пластид с помощью хроматографии на бумаге [Текст] / И.А. Попова // Тр. БИН АН СССР. - Вып. 16. - С. 154-164.
7. Тарчевский, И.А. Содержание пигментов как показатель мощности развития фотосинтетического аппарата у пшеницы [Текст] / А.А. Тарчевский, Ю.Е. Андрианова // Физиология растений. - 1980. - Т. 27, вып. 2. - С. 341-347.
8. Тужилкина, В.В. Хлорофилловый индекс и ежегодный сток углерода в хвойных фитоценозах на Европейском Севере [Текст] / В.В. Тужилкина, К.С. Боб-кова // Физиология растений. - 1998. - Вып. 45, № 4. - С. 594-600.
9. Ходасевич, Э.В. Фотосинтетический аппарат хвойных [Текст] / Э.В. Ходасевич. - Минск: Наука и техника, 1982. - 200 с.
10. Цельникер, Ю.Л. Хлорофилловый индекс как показатель годичной аккумуляции углерода древостоями леса [Текст] / Ю.Л. Цельникер, И.С. Малкина // Физиология растений. - 1994. - Т. 4, вып. 3. - С. 325-330.
11. Шлык, А.А. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев [Текст] / А.А. Шлык. - М: Наука, 1971. - С. 154-169.
12. Dieter, G. Chlorophyll und сhlorophyllabbau in fichtenadelen [Текст] / G. Dieter, P. Jris, P. Wilfried // Phyton. - 1983. - Vol. 23, N 1. - P. 79-90.
Поступила 09.06.08
L.V. Zarubina1, V.N. Konovalov2 :Vologda State Dairy Academy
2Arkhangelsk State Technical University
Seasonal Dynamics' Peculiarities of Leaves' Pigments in Fruticulose-sphagnous Pine Stands
The varied reaction of pigment complex for separate species and botanical groups of he-lophytes to drainage is shown.
Keywords: helophytes, pigments, deciduous species, evergreens, drainage.
