CC BY
76
УДК 581.133
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ЛУБЕ И ХВОЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ И КЕДРА СИБИРСКОГО В ПОСАДКАХ РАЗЛИЧНОЙ ГУСТОТЫ
© И.В. Плаксина , Н.Е. Судачкова, Л.И., Романова, И.Л. Милютина
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Академгородок, Красноярск,
660036 (Россия) E-mail: [email protected]
Рассмотрено изменение общего содержания фенольных соединений, экстрагируемых этанолом и водорастворимых фенольных соединений в течение вегетационного периода в лубе ствола и хвое сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour) в зависимости от густоты посадки. Показано, что при увеличении густоты насаждения содержание фенольных соединений уменьшается. В лубе ствола угнетенных деревьев обнаружен сдвиг летнего максимума фенольных соединений по сравнению со свободнорастущими, в отличие от хвои, где изменений в динамике фенольных соединений в зависимости от густоты древостоя не выявлено.
Ключевые слова: фенольные соединения, Pinus silvestris L., Pinus sibirica Du Tour, луб, хвоя, густота насаждения
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 07-04-00199 и гранта РФФИ-ККФН «Енисей»
№07-04-96816.
Введение
Формирование естественных древостоев происходит в процессе жесткой конкуренции. При фитоценоти-ческом стрессе, возникающим вследствие загущенности насаждений, деревья конкурируют за ресурсы, к которым относятся свет, вода и элементы минерального питания, при этом существенно меняются показатели продуктивности [1]. Ранее нами было показано [2, 3], что в условиях усиленной конкуренции в органах и тканях сосны обыкновенной и лиственницы сибирской снижается содержание общего и белкового азота, свободных аминокислот, крахмала, жиров и водорастворимых фенольных соединений в хвое и лубе в конце вегетации, что приводит к снижению интенсивности ксилогенеза и устойчивости деревьев. Снижение растворимых фенольных соединений было также обнаружено в условиях резко выраженного дефицита влаги в листьях березы [4]. Некоторые исследователи [5, 6], однако, отмечают повышение содержания фенольных соединений в тканях растений в стрессовых условиях. Известно, что фенольные соединения могут выступать в роли низкомолекулярных антиоксидантов, предотвращающих и уменьшающих последствия окислительного стресса [7, 8]. Накопление низкомолекулярных фенольных соединений в тканях хвойных является индикационным признаком низкотемпературного и водного стрессов [9]. Таким образом, сведения о влиянии различных факторов на содержание фенольных соединений в тканях древесных растений достаточно противоречивы, и этот вопрос остается малоизученным. В связи с этим было предпринято данное исследование, целью которого явилось изучение содержания фенольных соединений в органах и тканях двух видов сосны под воздействием фитоценотического стресса.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
Объектами исследования служили 25-летние культуры сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), заложенные в подзоне южной тайги Средней Сибири в Большемуртин-ском лесхозе Красноярского края на серых лесных почвах с начальной густотой 0.5 и 12S тыс.экз/га.
Образцы луба и хвои отбирали с 10-12 средних модельных деревьев в течение вегетационного периода с июня до конца сентября 2007 г. один раз в месяц. Для каждого анализа использовалась двухграммовая навеска из среднего образца хвои текущего года и однолетней хвои, взятой с 5-10 мутовок. Данные по содержанию фенольных соединений в однолетней хвое кедра с участка густоты 12S тыс.экз/га отсутствуют по техническим причинам. Среднюю пробу луба ствола составляли из высечек размером 1x5 см. Анализы проводились в трехкратной аналитической повторности, данные обрабатывались статистически.
Ткани в лабораторных условиях фиксировали в кипящем 9б% этаноле, так как при этих условиях наиболее вероятно сохранение состава фенольных соединений по сравнению с другими способами фиксации [10]. Образцы растирали до гомогенного состояния и проводили исчерпывающую пятикратную экстракцию поочередно 96 и S0% этанолом при 50 °С. Экстракты выпаривали в фарфоровых чашках на водяной бане при температуре 35 °С. Каротиноидные пигменты и хлорофилл удаляли промыванием остатка толуолом [11]. Очищенный экстракт доводили до объема S0% этанолом, затем проводили определение общего содержания фенольных соединений [12] и водорастворимых фенольных соединений [13].
Обсуждение результатов
В лубе ствола свободнорастущих деревьев (густота посадки - 0,5 тыс.экз/га) обеих изучаемых пород (рис. 1) был обнаружен максимум содержания фенольных соединений в июле. При этом было отмечено увеличение содержания водорастворимых фенольных соединений в сентябре. Процентное содержание водорастворимых форм фенольных соединений от общего их содержания (рис. 2) к сентябрю достигает S0%, что может быть связано с осенним накоплением запасных веществ, роль которых могут выполнять и фенольные соединения. Так, гликозиды флавоноидов могут расщепляться, образуя агликон фенольной природы и гликозидный остаток, или полностью подвергаться катаболизму, вплоть до углекислоты в процессе дыхания [14]. Кроме того, гликозид-ный остаток в гликозидах фенолов может служить своеобразной формой запасания сахаров [15].
мг/г сух.в-ва
I
мг/г сух.в-ва
II
июнь июль август сентябрь июнь
мг/г сух.в-ва мг/г сух.в-ва
июль август сентябрь
Рис. 1. Сезонная динамика общих (А) и водорастворимых (Б) фенольных соединений в лубе ствола сосны обыкновенной (I) и кедра сибирского (II) в посадках различной густоты: 1 - 0,5 тыс.экз/га,
2 - 128 тыс.экз/га
%
100!
80
60
40
20
0
□ 0,5 ■ 128
июнь июль август сентябрь
62 75 65 81
73 84 74 90
%
100т
80
60
40
20
0
□ 0,5 ■ 128
июнь июль август сентябрь
73 67 63 80
81 74 71 87
Рис. 2. Содержание водорастворимых фенолов в лубе ствола сосны обыкновенной (I) и кедра сибирского (II), % от общего количества фенольных соединений, экстрагируемых этанолом
В лубе ствола угнетенных деревьев (густота посадки - 128 тыс.экз/га) сосны и кедра наблюдается снижение содержания фенольных соединений по сравнению со свободнорастущими (рис. 1). При этом был отмечен сдвиг летнего максимума - с июля у свободнорастущих деревьев до августа у угнетенных. Содержание водорастворимых фенольных соединений в лубе ствола угнетенных деревьев в сентябре не увеличивалось, в отличие от свободнорастущих. Однако доля водорастворимых форм фенольных соединений (рис. 2) заметно возрастала в сентябре - до 90%.
В хвое исследуемых свободнорастущих деревьев наблюдаются значительные межвидовые различия сезонной динамики фенольных соединений (рис. 3, 4). В хвое текущего года кедра (рис. 211) максиму-мальное количество общих и водорастворимых фенольных соединений наблюдалось в сентябре. В однолетней хвое (рис. 311) наблюдалось снижение фенольных соединений до августа с резким увеличением их количества в сентябре. Такая же динамика была отмечена и для процентного содержания водорастворимых фенольных соединений (рис. 5). У сосны в однолетней хвое (рис. 41) также, как и в лубе ствола, максимум фенольных соединений наблюдался в июле, доля водорастворимых форм фенольных соединений увеличивалась к сентябрю (рис. 5). В хвое текущего года (рис. 31) максимальное количество фенольных соединений наблюдалось в августе с последующим снижением их количества, при этом доля водорастворимых фенольных соединений в течение вегетационного сезона не менялась.
В отличие от луба ствола, динамика содержания фенольных соединений и изменение процентного содержания водорастворимых фенолов в хвое угнетенных деревьев была такой же, как и у свободнора-стущих. В целом так же как, и в лубе ствола, в хвое было отмечено снижение содержания фенольных соединений при увеличении густоты произрастания (рис. 3, 4). В первую очередь, на наш взгляд, это связано с недостатком освещенности, так как дефицит элементов минерального питания и воды в большинстве случаев приводит к накоплению фенольных соединений в органах и тканях растений [8, 14]. Как известно, освещение стимулирует образование фенольных соединений за счет увеличения активности ряда ферментов фенольного метаболизма и активации фитохрома, который участвует в нефотосинтети-ческом образовании фенольных соединений [14]. Уменьшение содержания фенольных соединений, являющихся предшественниками лигнина и дубильных веществ, в сочетании с понижением активности гидролитических ферментов и фенилаланинаммиак-лиазы угнетенных деревьев в загущенных древосто-ях [16] приводит к снижению синтеза основных структурных полимеров клеточных стенок, что в целом ведет к уменьшению ширины годичного кольца и продуктивности деревьев.
II
мг/г сухв-ва
А
мг/г сухв-ва
июнь
мг/г сух.в-ва
июль август сентябрь
Б
июнь
мг/г сух.в-ва
июль август сентябрь
Рис. 3. Сезонная динамика общих (А) и водорастворимых (Б) фенольных соединений в хвое текущего года сосны обыкновенной (I) и кедра сибирского (II) в посадках различной густоты: 1 - 0,5 тыс.экз/га, 2 - 128 тыс. экз/га
А
мг/г сухв-ва 24
21
18
15
12
9
I
мг/г сухв-ва
Б
12
10
8
6
4
июнь
июль август сентябрь
II
Рис. 4. Сезонная динамика общих (А) и водорастворимых (Б) фенольных соединений в однолетней хвое сосны обыкновенной (I) и кедра сибирского (II) в посадках различной густоты: 1 - 0,5 тыс.экз/га,
2 - 128 тыс. экз/га
Рис. 5. Содержание водорастворимых фенолов в хвое текущего года (А) и однолетней хвое (Б) сосны обыкновенной (I) и кедра сибирского (II), % от общего количества фенольных соединений, экстрагируемых этанолом
Выводы
1. При увеличении густоты посадки деревьев сосны и кедра содержание фенольных соединений, экстрагируемых этанолом, уменьшается, причем в лубе ствола в большей степени, чем в хвое.
2. В лубе ствола угнетенных деревьев наблюдается сдвиг летнего максимума фенольных соединений по сравнению со свободнорастущими. В хвое изменений в динамике в зависимости от фитоценотическо-го стресса не было обнаружено.
Список литературы
1. Усманов И.Ю., Рахманкулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений, М., 2001. 224 с.
2. Плаксина И.В., Судачкова Н.Е., Бузыкин А.И. Влияние густоты посадок на ксилогенез и метаболизм сосны обыкновенной и лиственницы сибирской // Лесоведение. 2003. С. 47-53.
3. Плаксина И.В. Влияние фитоценотического стресса на рост и метаболизм основных лесообразующих пород Сибири : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Красноярск, 2003. 18 с.
4. Кавеленова Л.М., Лищинская С.Н., Карандаева Л.Н. Особенности сезонной динамики водорастворимых фенольных соединений в листьях березы повислой в условиях урбосреды в лесостепи (на примере Самары) // Химия растительного сырья. 2001. №3. С. 91-96.
5. Фуксман И.Л., Новицкая Л. Л., Исидоров В.А., Рощин В.И. Фенольные соединения хвойных деревьев в условиях стресса // Лесоведение. 2005. №3. С. 4-10.
6. Олениченко Н.А., Осипов В.И., Загоскина Н.В. Фенольный комплекс листьев озимой пшеницы и его изменение в процессе низкотемпературной адаптации растений // Физиология растений. 2006. Т. 53. №4. С. 554-559.
7. Rice-Evans C.A., Miller N.J., Paganga G. Antioxidant Properties of Phenolic Compounds // Trends Plant Sci. 1997. V. 2. P. 1З2-1З9.
8. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, Oxidative Damage and Oxygen Deprivation Stress: A Review // Ann. Bot. 2003. V. 91. P. 179-194.
9. Судачкова Н.Е., Шеин И.В., Романова Л.И. и др. Биохимические индикаторы стрессового состояния древесных растений. Новосибирск, 1997. 17б с.
10. Минаева В.Г. Флавоноиды в онтогенезе растений и их практическое использование. Новосибирск, 1978. 2Зб с.
11. Вараксина Т.Н., Колесник Г.М. Количественное определение флавоноидов в тканях лиственницы сибирской // Физиолого-биохимические методы исследования древесных растений. Красноярск, 1977. С. 93-99.
12. Запрометов М.Н. Фенольные соединения и методы их исследования // Биохимические методы в физиологии растений / под ред. О.А. Павлиновой. М., 1971. С. 18З-197.
13. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Смирнова-Иконникова М.И., Ярош Н.П., Луковникова Г.А. Методы биохимического исследования растений. Л., 1972. 4Зб c.
14. Запрометов М.Н. Фенольные соединения. Распространение, метаболизм и функции в растениях. М., 1993. 271 с.
1З. Chalker-Scott L. Environmental Significance of Anthocyanins in Plant Stress Responses // Photochem. Photobiol. 1999. V. 70. P. 1-9.
1б. Судачкова Н.Е., Милютина И.Л., Кожевникова Н.Н., Семенова Г.П. Изменение метаболизма деревьев сосны обыкновенной в процессе естественного изреживания древостоя // Лесоведение. 1993. №4. С. 11-18.
Поступило в редакцию 22 мая 2008 г.
