close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102424

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
'рт
V , l i,'^^^ ~.l'
Садилова Марина Юрьевна
АЗОТ В Б Е Л К А Х П Р О Р А С Т А Ю Щ И Х С Е М Я Н Л И С Т В Е Н Н И Ц
ГМЕЛИНА И СИБИРСКОЙ
03.00.16-Экология
7
сЛбо.
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Красноярск, 2005
Работа выполнена в лаборатории лесоведения Института леса
им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Р А Н , г.Краеноярск
Научные руководители:
- доктор биологических наук, ст науч согр
Прокушкин Станислав Григорьевич
- кандидат биологических наук, ст науч.сотр.
Зражевская Галина Кирилловна
Официальные оппоненты:
- доктор биологических наук, профессор
Судачкова Нина Евгеньевна
-кандидат биологических на\к, доцент
Голованова Тамара Ивановна
Ведущая организация:
Сибирский институт физиологии и биохимии
растений, г. Иркутск
Защита состоится 30 ноября 2005 г в 10 часов на заседании диссертационного
совета Д 003 056.01 в Институте леса им. В.Н Сукачева СО Р А Н
но адресу 660036, Красноярск. Академгородок.
факс-(3912) 43-36-86:
E-mail: institute (я), forest.akadeni.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инстит>1а леса им В Н.
Сукачева СО Р А Н
Автореферат разослан «<?^ » октября 2005 года.
Ученый секретарь
диссергационного совета
кандидат физ.-мат. наук
G^
—
А В. Шашкии
§Ш^
111 6310
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемьи Лиственница Гмелина (Larix gmelinii (Rupr.) Rupr. ) и
лиственница сибирская (L. sibirica Ledeb.) являются основными лесообразующими
породами Средней и Восточной Сибири. Они не только служат объектом
промышленной
эксплуатации, но
и
одновременно
выполняют
важные
водоохранные, почвозащитные и климаторегулирующие функции.
Под воздействием дестабилизирующих природных и антропогенных
факторов происходит постепенное истощение генетических ресурсов леса,
снижение их устойчивости и продуктивности. Поэтому изучение проблемы
адаптации растительного организма к различным факторам среды имеет огромное
практическое значение, так как позволяет судить о возможных п)тях селекции и
акклиматизации растений.
Важную роль в регуляции физиологических процессов и обеспечении
устойчивости растительного организма играет азотный обмен [Измайлов, 1986].
Азотные вещества, в том числе и белки, участвуют практически во всех процессах
роста и развития растения, они обеспечивают запуск начала прорастания семян и в
дальнейшем определяют устойчивость проростка к неблагоприятным условиям
среды [Титов, Таланова, 2003].
Имеется много работ по исследованию азотного обмена культурных растений
[Воронова, 1963; Васильева и др., 1964; Галачалова, Кунгурцева, 1965; Кунгурцева,
1966; Николаева, Воробьева, 1978; Молодкин, 1987; Стрибуль и др., 1995; и др.], где
показана тесная связь между содержанием отдельных белков и устойчивостью
растений к различным неблагоприятным факторам. Гораздо меньше публикаций по
азотному обмену у хвойных растений [Кудашова, 1974; Митрофанов, 1977; Гире,
1996, 1998; Прокушкин и др., 1998; Судачкова и др., 1999], которые посвящены в
основном изучению содержания разных форм азота в вегетативных органах
растений. Особенности азотного обмена в семенах и его изменения на ранних
этапах онтогенеза изучены мало. В то же время, подобные исследования могли бы
не только расширить наши представления о физиологии и биохимии семян, но и
выявить пути адаптации хвойных растений к неблагоприятным условиям в период
прорастания.
Цель и задачи исследований. Изучить содержание азота в семенах лиственницы
Гмелина и лиственницы сибирской, ели сибирской и сосны обыкновенной и их
посевные качества в зависимости от климатических факторов и выяснить влияние
различных температур проращивания на фракционный состав белкового азота в
семенах лиственниц. В задачи исследования входило:
1) Определить содержание отдельных фракций белка в семенах лиственниц
Гмелина и сибирской, в зависимости от региона их произрастания;
2) Выяснить влияние температуры субстрата на фракционный состав
белкового азота в прорастающих семенах разных климатипов лиственниц
Гмелина и сибирской;
3) Проследить связь между интенсивностью дыхания семян изучаемых
лиственниц и качественным составом белкового азота при прорастании
семян;
4) Оценить посевные качества семян изучаемых хвойных видов Средней и
Восточной Сибири в зависимости <м—ссдерашция^ в них общего и
белкового азота.
/ ''ОС. Н А Ц И О Н А Л Ь Н А Я )
1
БИБЛИОТЕКА
/
' f
«"ТЙ (f '
Научная новизна. Впервые изучено влияние лесорастительных условий
древостоев на содержание общего и белкового азота в семенах хвойных пород.
Выявлено изменение фракционного состава белкового азота в процессе
прорастания семян лиственницы Гмелина и лиственницы сибирской в зависимости
от температуры. Полученные результаты способствуют пониманию особенностей
адаптации проростков хвойных растений к гипотермии на физиологобиохимическом уровне.
Практическая
значимость. Полученные данные об особенностях ответных
реакций прорастающих семян разных видов лиственницы к гипотермии могут быть
применены при диагностике устойчивости растений
к
неблагоприятным
температурным условиям при интродукции хвойных видов. Кроме того, сведения о
влиянии климатических особенностей региона произрастания на посевные качества
семян и содержание азота в них могут использоваться в лесокультзфной практике для
отбора семян при вьфащивании высококачественного посевного материала в
питомниках.
Защищаемые положения:
1) Содержание общего и белкового азота в семенах лиственниц Гмелина и
сибирской, ели сибирской и их посевные качества зависят от температурных
условий региона в период созревания семян;
2) Изменение содержания альбуминов, проламинов и нерастворимой фракции
белка в семенах лиственницы, прорастающих при контрастных температурах,
отражает степень их адаптации к экстремальным температурным условиям
региона;
3) При
оптимальной
температуре
дыхание
прорастающих
семян
рассматриваемых лиственниц коррелирует с содержанием в них альбуминов
и глобулинов; в то время как при контрастных температурах - с содержанием
проламинов и нерастворимого белка.
Апробация работьи Основные положения работы докладьшались на семин^ю
лаборатории лесоведения, на конференции молодых ученых Инстшута леса им.
В Н Сукачева (Красноярск, 2003), Международной научной школе-конференции студентов
и молодых ученых (Абакан, 2003), IV междун^юдной ботанической конференции
молодых ученых (Санкт-Петербург, 2004), Международной конференции «Проблемы
физиологии растений Севера» (Петрозаводск, 2004), Всероссийской конференции в честь
60-летия Института леса СО Р А Н (К4)асноярск, 2004) и Ш Молодежном научном семинаре
«Биоразнообразие природных и антропогенных экосистем» (Екатеринбург, 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ и 1 находится в печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав,
заключения, списка литературы и приложения. Список использованной литературы
включает 249 наименований, в том числе 51 на английском язьже. Текст иллюстрирован 33
рисунками, включает 7 таблиц и 4 щзиложения. Общий обьем составляет 142 страницы
Благодарности. Автор благодарит научных руководителей д-б.н., с.н.с. С.Г. Прокушкина
и кб.н, сне. Зражево^то за методическую и организационную помощь в рабсуге над
диссертацией. Автор выражает искреннюю признательность д.б.н., проф. А П. Абаимову и
дб.н, B.H.C. Г.С. Вараксину за помощь в сборе семян для исследований. Диссертационная
работа выполнена при поддержке Р Ф Ф И (грант № 8ts-092, 2004 г ) , исследования были
включены в ингехрационный проект СО и ДВО Р А Н №53 «Популяционно-генетический
анализ лиственниц Сибири и Дальнего Востока и оценка их лесообразующей роли».
ГЛАВА 1. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕМЯН ХВОЙНЫХ
ПОРОД
Глава носит обзорный характер. В ней систематизированы сведения об анатомоморфологических особенностях семян хвойных и содержшши азотистых соединений в них.
Показаны основные этапы формирования запасных питательных веществ при созревании
семян. Рассмотрены причиныгетерогенностисемян и особенностей плодоношения хвойных
пород из разных регаонов произрастания, также обсуждается проблема низкого урожая и
неудовлетворительных посевных качеств семян в отдельные годы.
Приведены основные этапы прорастания семян и обобщены имеющиеся
данные по изменению состава азотистых веществ в них при прорастании. В целом
отмечено, что подобные исследования проводились в основном только с семенами
культурных видов растений [Крокер, Бартон, 1955; Кунгурцева, 1966; Реймерс, 1987;
Обручева и др.,1997; Азаркович и др., 1999; Николаева, 1999; Гумилевская и др.,
1993, 2003], в то время как азотный обмен в семенах хвойных изучен недостаточно
[Шибистова, 1993; Короткий и др., 2002; Шуляковская, 2003] и нет полной ясности в
происходящих физиолого-биохимических процессах на начальных этапах их
прорастания.
Выполненный обзор о влиянии температуры на азотный обмен семян показал,
что адапгационная способность семян определяется темпами мобилизации запасных
веществ в них [Гумилевская и др., 1993] и перестройкой функциональных
составляющих дыхания [Севрова, 1966; Альтергот и др., 1966; Семихатова, 1980,
1995; Зыкова и др., 2002].
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования посевных качеств семян хвойных видов и содержания в них
общего и белкового азота, в зависимости от региона произрастания древостоя, были
взяты семена основных лесообразующих хвойных пород: лиственница ^мeлинa и
лиственница сибирская, ель сибирская и сосна обыкновенная из различных районов
Восточной Сибири (табл. 1). Климатические характеристики районов сбора семян,
особенности почв, рельефа и состава древостоя - рассмотрены в разделе 2.1.
Для исследования посевных качеств семян были отобраны щишки с 20-30
деревьев I - I I классов роста (по Крафту), семена которых затем объединялись в
средний образец.
Определение посевных качеств семян производили по ГОСТу 14161-86:
проращиванием в течение 7 суток (энергия прорастания), 14 суток (лабораторная
всхожесть) и 21 дня (потенциальная всхожесть - Карпель, 1982) в термостате при
температуре +24''С, которая является оптимальной для прорастания семян хвойных
[Короткий и др., 2002].
В этих экспериментах определение содержания общего и белкового азота в
семенах изучаемых хвойных пород проводилось без учета их жизнеспособности, так
как характеризовался состав семян всей партии. Образцы на общий'и белковый азот
сжигали по Кьельдалю и содержание азота определяли с реактивом Несслера, с
последующим колориметрированием [Ермаков и др., 1972; Плешков, 1976].
Для изучения влияния различных температур на содержание отдельных
фракций белка в семенах лиственницы и его изменение в процессе прорастания было
заложено 2 модельных опыта со следующими режимами суточных температур:
1)
постоянная температура в течение суток (+24''С) - оптимальная;
2) * переменная температура: +12''С - в течение 12 часов и +32''С - в
течение следующих 12 часов - далее в тексте дается как контрастная
температура.
Таблица 1.
Климатическая характеристика районов сбора семян
Порода
Lanx
gmelinii
L
gmefinii
L
sibinca
Pinus
sylvestns
Picea
obovata
Область, лесхоз
Ц Эвенкия
Эвенкийский л/э,
пТура
Читинская обл ,
Читинский л/з
Красноярский кр,
Талнах
Красноярский кр,
Богучанский л/з
Тыва,
Шаганарский л/з
Тыва,
Каа-Хемский л/з
Тыва,
Тес-Хемский л/з
Красноярский кр,
Енисейский л/з
Красноярск кр,
Таежинский л/з
Иркутская о б л ,
Усольский л/з
Лесорастительная
зона
Вегетац
период
(дни)
Кол-во
осадков
(мм)
Период
te5°C
(сут)
июля
янв
северная тайга
67
350
110
14
-36
71
300
110
16
-26
67
440
90
13
-35
среднегорныи пояс
хр Черского
лесотундра
top
Up
южная тайга
86
350
139
18
-24
среднегорныи пояс
Танну-Ола
71
40О
120
12
-20
среднегорныи пояс
Танну-Ола
71
250
120
14
-25
степная
112
200
150
16
-26
-23
средняя тайга
86
400
140
17
лесостепь
112
450
140
18
-21
среднегорныи пояс
Восточного Саяна
71
350
110
18
-23
Температурный режим этих вариантов определен на основании анализа
действующих температур на поверхности почвы в естественных условиях
Центральной Эвенкии, в июле - в период массового появления всходов лиственницы.
Для выяснения и сравнения адаптационных
реакций
разных видов
лиственницы на температурный стресс, в эксперименте были использованы семена
северного и южного климатипов лиственницы Гмелина (Ц. Эвенкия и Читинская
обл.), а также семена 3 климатипов лиственницы сибирской - северного, среднего и
южного (Талнах, Среднее Приангарье, Тыва). Чтобы исключить влияние пустых и
поврежденных семян на содержание азота в образцах, была проведена
предварительная рентгенография с последующим отбором жизнеспособных семян по
методике М.А. Щербаковой (1965).
Изменение содержания отдельных фракций белкового азота при прорастании
семян было прослежено на следующих стадиях: О - воздушно-сухие семена, I - стадия
набухания, П - стадия стимуляции зародыша, I I I и I V - стадии формирования
первичного корешка и наклевывания семян. При оптимальной температуре
проращивания стадии прорастания семян всех климатипов лиственницы Гмелина и
сибирской совпадали по срокам ( 1 , 4, 11 и 14 сутки). В то время как при контрастной
температуре, начиная со ' стадии стимуляции, у семян южных климатипов
лиственницы происходило смещение стадий прорастания на более поздние сроки (на
2-3 суток), что учитывалось в последующих исследованиях.
На каждой стадии прорастания измерялось дыхание семян на газоанализаторе
(LI-COR, U S A ) - в 3-х аналитических повторностях, затем семена фиксировались
жидким азотом и далее в них определялось содержание азота отдельных белковых
фракций: В0Д0-, соле-, спирто-, щелочерастворимой и нерастворимой [Ермаков и др.,
1972].
Все анализы проводились в 2-х биологических и 4-х химических повторностях.
Полученные данные обрабатывались с помощью стандартного статистического пакета
программы M S Excel, в соответствии с методами вариационной статистики [Лакин, 1973;
Плохинский, 1978]. Достоверность результатов оценивалась по критерию Стьюдента с
уровнем значимости Р=0,05.
Г Л А В А 3. С О Д Е Р Ж А Н И Е АЗОТА В С Е М Е Н А Х Х В О Й Н Ы Х ПОРОД С Р Е Д Н Е Й И
ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ И И Х ПОСЕВНЫЕ КАЧЕСТВА
Посевные качества семян одного и того же вида растений сильно варьируют и
эта изменчивость определяется многими факторами и главным образом климатическими.
Полученные данные о посевных качествах семян у 4 видов хвойных пород
(сосна обыкновенная, ель сибирская, лиственница сибирская и лиственница Гмелина)
А:
Б:
■ энерпп прораоант
В лгбсратсрнзя восхесгь
■ погв4цт1Ъная еошесть
1об1Ч1йазот
■ белковый азот
Рисунок 1. Посевные качества семян хвойных видов Средней и Восточной Сибири
(А) и содержание в них азота (Б):
1 - лиственница Гмелина, Ц. Эвенкия, урожай и сбор 1999-99гг.;
2 - лиственница Гмелина, Читинская обл., 1999-99гг.;
3 - лиственница сибирская, Шагонарский л/з, Тывы, 2000-01гг.;
4 - лиственница сибирская, Тес-Хемский л/з Тывы, 2000-01гг.;
5 - сосна обыкновенная. Енисейский л/з Красноярского края, 2000-01гг.
6 - ель сибирская, Таежинский л/з Красноярского края, 2000-01гг.;
7 - ель сибирская, Усольский л/з Иркутской области, 2000-01гг.;
показали, что лучшими посевными качествами обладали семена сосны - 77,3 % потенциальная всхожесть; 76 % - лабораторная и 68,7 % - энергия прорастания (рис. 1
А).
Далее в тексте, в целях сокращения, азот водорастворимой фракции белка
именуется альбуминами, солерастворимой - глобулинами, спирторастворимой проламинами и щелочерастворимой - глютелинами.
Для оценки влияния условий произрастания древостоя на посевные качества
его семян, были сопоставлены посевные качества семян лиственницы сибирской из
степной зоны (Тыва)
и среднегорного пояса Танну-Ола (Тыва); лиственницы
Гмелина из северной тайги (Ц. Эвенкия) и среднегорного пояса хребта Черского
(Читинская обл.); ели сибирской
из лесостепной зоны (Красноярский кр) и
среднегорного пояса Восточного Саяна (Иркутская обл.).
Из семян лиственницы Гмелина лучшими посевными качествами обладали
семена южного климатипа. Низкие посевные качества семян северного климатипа
лиственницы обусловлены, вероятно, как неудовлетворительным перекрестным
опылением лиственниц в этих районах [Котелова, 1956; Дылис, 1961], приводящим к
нарушениям в биохимических процессах при созревании семян [Альтергот и др.,
1966], так и состоянием их покоя [Варасова, 1956; Махоткина, 1963; Карпель,
1969,1971; Ляшук, 1971; Карпель, Медведева, 1977; Крамер, Козловский, 1983].
Посевные качества семян лиственницы сибирской из степной зоны были выше, чем у
семян из среднегорного пояса. Семена ели сибирской из лесостепной зоны и среднегорного
пояса не отличались по посевным качествам: различия в их потенциальной и лабораторной
всхожести не достоверны, а энергия прорастания у семян из лесостепной зоны была выше в
1,2 раза (рис. 1 А).
Сопоставляя посевные качества семян хвойных растений с климатическими
показателями изучаемых районов в период вегетации (количество осадков, среднеиюльская
температура воздуха, количество дней со средней температурой выше +5''С,
продолжительность вегетации), была обнаружена высокая корреляция между потенциальной
всхожестью семян и среднеиюльскими температурами регионов сбора семян (i= 0,86), а
также с продолжительностью вегетации (г= 0,76).
Известно, что интенсивность начального роста проростков - как биологический
показатель качества семян, находится в непосредственной связи с наличием в них
достаточного количества запасных веществ, особенно белков и нуклеиновых кислот
[Федоров, Литвинова, 1955; Суднов, 1961]. Наши исследования также подтвердили наличие
высокой корреляции между потенциальной всхожестью семян и содержанием в них общего
азота (г= 0,76) и несколько меньшей корреляции с белковым азотом (0,64).
При сопоставлении содержания азота в семенах с климатическими показателями
регионов их сбора, было отмечено, что содержание как общего, так и белкового азота
положительно коррелирует со среднеиюльской температурой (г=+0,64 и 0,45 соответственно). Не обнаружено достоверного влияния осадков на содержание азота в
семенах, хотя некоторыми исследователями [Физиология водообмена.., 1968; Николаева,
Воробьева, 1978; Николаева, Лянгузова, 1999] отмечено повьш1ение содержания белка в
семенах при недостатке воды в засушливых регионах.
Известно, что посевные качества семян одного и того же вида растения
меняются не только в зависимости от региона его произрастания, но и даже в
пределах одной популяции [Котелова, 1956; Дылис, 1961; Овчаров, Кизилова, 1966;
Мамаев, 1972; Некрасова, 1984]. Выполненная нами оценка посевных качеств семян
лиственницы Гмелина и содержания в них азота в связи с годичными колебаниями
температуры воздуха и количества осадков в Ц. Эвенкии (рис. 2
) показала
значительную вариацию посевных качеств семян в зависимости от года урожая
(энергия прорастания - от 0,7 до 35,3%, лабораторная всхожесть - от 5,3 до 42 % ,
потенциальная всхожесть - от 6,7 до 43,3%) и содержания азота в них (общий азот от 9,8 до 25,3 мг/г а.с.м., белковый азот - от 8,4 до 17,7 мг/г а.с.м.).
Получишые данные были сопоставлены* с погодными изменениями за
рассматриваемый период (среднемесячные температуры и среднее количество осадков в
июне, июле и августе вгодурожая семян). Обнаружена высокая отрицательная корреляция
всхожести семян с температурой августа (лабораторная всхожесть: г=-0,83, энергия
прорастания: г=Ч),75), а также отрицательная корреляция всхожести семян с осадками в
июне (потенциальная всхожесть: г^0,73, лабораторная всхожесть: г=-0,78) и энергии
прорастания - с осадками в августе (г= -0,62). Показана средняя зависимость содержания
белкового азота в семенах от температуры июня и августа (г=-0,57 и -0,74, соответственно).
А:
Б:
■ общий азот
I белковый азот
-Ыюня
-t август
I потенциальная всхожесть
лабораторная всхожесть
осадки июня
осадки августа
1990
1999 2000
2002
2003
2004
1990
1999 2000 2002 2003 2004
годы уроуая
Рисунок 2. Посевные качества семян лиственницы Гмелина (А) и содержание в них общего
и белкового азота (Б), в зависимости от количества осадков и среднемесячньгх температур
воздуха.
,
Большое количество осадков в июне может ухудшать распространение пьшьцы, что
снижает репродуктивную способность лиственницы. В то время как понижение
температуры августа, возможно, способствует накоплению в семенах большего количества
запасных азотистых веществ, тем самым, улучшая посевные качества семян.
ГЛАВА
4.
ФРАКЦИОННЫЙ
СОСТАВ
БЕЛКОВОГО
ПРОРАСТАЮЩИХ
СЕМЕНАХ
ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
АЗОТА
ЛИСТВЕННИЦЫ
В
ПРИ
Соотношение между количеством отдельных белковых фракций в клетках
семян является важным показателем направления физиолого-биохимических
процессов и оно может изменяться в значительных пределах в зависимости от
почвенно-климатических
условий
произрастания
древостоя,
генетических
особенностей растения, а также в процессе прорастания семян.
Отдельные фракции белков различаются как по. физико-химическим
свойствам, так и по выполняемым в клетках функциям: альбумины водорастворимые белки, представлены в основном ферментами, и, частично запасными белками; глобулины - солерастворимые белки, основная запасная форма
азота для большинства семян голосеменных, легко мобилизуются при прорастании и
транспортируются для построения новых клеток зародыша; проламины спирторастворимые белки, дополнительная форма запасного белка, особенно
характерная для растений холодных и засушливых местообитаний - содержат много
пролина и глютаминовой кислоты; глютелины - щелочерастворимые белки, также
выполняют
запасную
функцию
и повышают ' устойчивость
растений
в
неблагоприятных условиях произрастания; нерастворимая фракция - белки
структурных элементов клеток, также входят в состав плазматических мембран регу лируют ионный транспорт и проницаемость мембран.
Для культурных видов растений давно отмечены существенные изменения
соотношения отдельных фракций белка в течение вегетации, обуславливающие тем
самым появление новых свойств клеток: жаростойкость, холодоустойчивость и т п.
[Благовещенский, Александрова, 1974; Судачкова и др., 1977; Прокушкин, Полякова,
1986; Ермолаева, 1999; Короткий и др, 2002]. В то время как особенности
фракционного состава белка в семенах хвойных растений в период их прорастания, а
главное, его роль в адаптации растений к разны.м экологическим условиям исследованы недостаточно.
В эксперименте для выявления изменения качественного и количественного состава
отдельных фракций белка при прорастании семян использовались только жизнеспособные
А:
Б:
Lgmelirni
L sibinca
- L sibirica
-L Sibmca,
L gmeimii Ц Эвенкия
-L sibmca Талнах
-Lsibirtca Богучаны
- L sibmca Тыва
I
М
I
m
Ц Эвенкия
Талнах
Богучаны
Тыва
II
III
стадии прорастания
стадии прорастания
В:
L gmelinii, Ц.Эвена«1
- L sibinca. Taл^ax
- L sibinca, Богучаны
- L sibinca, Тыва
L gmelinii Ц Эвенкия
- L sibmca, Талнах
-Lsibinca Богучаны
- Lsibtnca, Тыва
1
II
111
стадии прорастания
rv
I
II
Ш
стадии прорастания
Рис)Т1ок 3. Изменение содержания альбуминов (А), глобулинов (Б), проламинов (В) и
глютелииов (Г) в процессе прорастания семян лиственницы при огггимальной температуре,
семена лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина, отобранные методом
рентгенофафии. Выявлено, что при огггимальных температурных условиях фракционный
* Примечание анализ семян лиственницы Гмелина из Читинской обл
стадиях прорастания ( с м . рис. 5)
сделан только на О и I V
состав белков существенно меняется в ходе прорастания семян, причем различия в
содержании отдельных белковых фракций между разными климатипами лиственницы
значительнее, чем различия между двумя видами (рис. 3 - 5).
В большинстве исследуемых семян наблюдается снижение содержания альбуминов на
стадии набухания (рис. 3). В последующие стадии их количество в семенах возрастало,
особенно у лиственницьт Гмелина из Эвенкии и лиственницы сибирской из Тывы.
Исключение - северный климатип лиственницы сибирской (Талнах), у семян которой
возрастание содержания альбуминов отмечено уже на стадии набухания. Понижение
содержания альбуминов на I стадии прорастания, юзможно, происходит из-за утилизации
запасных штьбуминов в зародьш]евой оси, а также белков-ингибиторов, которые регулируют
распад основных запасных белков семян. Дальнейшее возрастание содержания альбуминов
показывает, что на стадии стимуляции зародыша в клетке возобновляется синтез новых
ферментов и идет подготовка к прорастанию.
Содержание глобулшюв в процессе прорастания всех семян понижалось, достигая на
стадии первичного корешка минимальных величин (рис. 3 Б). Лишь у лиственницы
сибирской из Тывы на первой стадии прорастания наблюдалось повышение глобулинов, а
на III стадии - резкое их снижение. Семена лиственницы Гмелина отличались от
лиственницы сибирской тем, что в них использование глобулинов в биохимических
процессах осуществлялось в 2 этапа, начинаясь уже на стадии набухания. Возможно, что
начальный их распад происходил в -зародышевой оси, а с началом роста органов
зародыша возник следующий этап распада глобулинов - в эндосперме. На подобную
ситуацию при прорастании семян указывали Т. Minamikawa (1983) и D.R. Murray (1984),
считающие, что способность клеток зародышевой оси использовать свои белковые
запасы для нужд раннего метаболического развития является одним из условий
успешного прорастания семян.
Содержание проламинов у всех семян рассматриваемых лиственниц резко повышалось
на стадии набухания (в 3 -15 раз) и снижалось до начального уровня на стадии стимуляции
(рис. 3 В). Вероятно, проламины являются запасными белками и, как предполагают
некоторые исследователи, почти полностью расходуются в конце прорастания [Семихов,
1982; Новожилова и др., 1993].
Повышенное содержание проламинов в семенах
лиственницы сибирской из Тывы сохранялось вплоть до последних стадий прорастания (в 5
раз выше воздушно-сухих семян). Вероятно, эта особенность метаболизма позволяет
прорастающим семенам быть устойчивыми к засушливому климату Тывы. По гипотезе В.Ф.
Семихова (1982), проламины можно рассматривать как филогенетически молодые
специализированные белки, возникшие в процессе эюлюции как один из физиологобиохимических механизмов адаптации к неблагоприятным условиям произрастания.
Содержание глютелинов в семенах всех изучаемых лиственниц повышалось на
стадии набухания и понижалось в период стимуляции зародыша (рис. 3 Г). У
северной популяции лиственницы Гмелина и южной популяции лиственницы
сибирской отмечено возрастание синтеза глютелинов на стадии появления корешка.
Вероятно, высокое содержание глютелинов является генетически закрепленным
признаком семян, способствующим выживанию их проростков в экстремальных
условиях этих регионов, так как известно, что у растений, устойчивых к
неблагоприятным условиям обитания, содержание глютелинов значительно выше,
чем у восприимчивых [Сергеева, 1971; Родченко, Маричева, 1973; Удовенко, 1973].
В процессе прорастания семян лиственницы сибирской из холодных и
засушливых местообитаний (Талнах и Тыва) наблюдалось повышение содержания
нерастворимой фракции белка, особенно на стадии формирования корешка (рис. 4).
М ы предполагаем, что это связано с возрастанием числа мемб{)анных органелл митохондрий и пластид - у растений холодных местообитаний, а также с участием
мембранных белков в защитных механизмах клеток.
• L gmebnt Ц Эвенкия
-1$|Ь1пса,Твлнах
- L sibinca, Богунаны
- L sibinca, Тыва
стадии прорастания
Рис)нок. 4. Изменение содержания нерастворимой фраюхии белкового азота в процессе
прорастания семян лиственницы при оптимальной температуре.
Сравнивая общее содержание белкового азота в жизнеспособных семенах северного
(Ц. Эвенкия) и южного (Чита) климатипа лиственницы Гмелина, было отмечено, что оно в
семенах северного климатипа бьио выше как на начальной, так и на конечной стадии
прорастания (рис. 5). К последней стадии прорастания (IV) общее содержание белкового
азота уменьшилось в обоих вариантах, причем в семенах северного климатипа это
прюисходило в основном за счет уменьшения содержания глобулинов, в то время как в
семенах южного климатипа - за счет уменьшения всех форм растворимого белка.
■ нерастворимые
ПП|^оламины
□ альбумины
о
I глютелины
I глобулины
IV
стадии
прорастания
Рисунок 5. Содержание отдельных белковых фракций в семенах северного ( А ) и
южного (Б) климатипов лиственницы Гмелина на О и I V стадии прорастания при
оптимальной температуре.
Следует отметить, что при анализе этих же семян без учета их жизнеспособности,
бьио показано большее содержание белкового азота и лучшие посевные качества у семян
южного климатипа. Принимая во внимание тот факт, что среди семян северного климатипа
лиственницы Гмелина встречается много пустых и поврежденных, можно объяснить их
низкую потенциальную, лабораторную всхожесть и энергию прорастания.
10
• Семена южного климатипа лиственницы сибирской (Тыва) на всех стадиях
прорастания при оптимальной температуре по сравнению с семенами лиственницы
других климатипов имели максимальное содержание всех белковых фракций.
ГЛАВА
5.
ФРАКЦИОННЫЙ
СОСТАВ
БЕЛКОВОГО
АЗОТА
В
ПРОРАСТАЮЩИХ
СЕМЕНАХ
ЛИСТЕНИЦЫ
ПРИ
КОНТРАСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
В северных районах основными неблагоприятными факторами, тормозящими
возобновление и рост самосева, являются гипотермия и резкие перепады температур
на поверхности почвы. У большинства растений холодного климата нет повфхносгных
структур, надежно защищающих их ог холода. Следовательно, клетки северных и
высокогорных видов должны сами подцерживать сюй метаболизм на достаточно высоком
уровне. Предполагается, что именно белки играют основную роль в адаптации растений к
неблагоприятным условиям существования [Войников и др., 1989; Прокушкин, 1992;
Кузнецов и др., 1993; Алексеев, 1994; Судачкова и .гф., 1997,1998; Ступникова и др., 2001].
А:
Б:
-оптимальная температура
- контрастная температура
I
II
«
III
• оптимальная температура
- контрастная температура
IV
I
стадии прорастания
II
III
стадии прорастания
В:
-оптимальная температура
• контрастная температура
I
II
-оптимальная температура
- контрастная температура
III
I
II
III
IV
стадии прорастания
стадии прорастания
Рисунок 6. Содержание альбуминов в прорастающих семенах лиственниц
зависимости от температуры:
А - лиственница Гмелина из Ц. Эвенкии
Б - лиственница сибирская из Талнаха
В - лиственница сибирская из Богучанского р-на
Г - лиственница сибирская из Тывы
11
в
в связи с этим, проведены исследования по выяснейию содержания отдельных
фракций белка в прорастающих семенах лиственницы при контрастных
температурах.
Сравнение этих параметров показало значительные различия в содержании
белковых фракций у изучаемых видов лиственницы при оптимальной и контрастной
температуре (рис. 6 - 9).
При контрастных температурах в семенах всех климатипов лиственницы
сибирской, начиная со стадии стимуляции, происходит снижение содержания
альбуминов. Лишь в семенах лиственницы Гмелина из Ц. Эвенкии их содержание на
последних стадиях прорастания резко повышалось, что свидетельствует о
мобилизации энергетических резервов клеток в условиях резких перепадов
температур (рис. 6 А - Г ) .
В прорастающих семенах лиственниц распад запасных глобулинов при
контрастной температуре происходит более интенсивно, чем при оптимальной (рис. 7
А:
Б:
- оптимальная температура
• контрастная температура
— оптимальная температура
■ - контрастная температура
12
10
8
6
4
2О I
II
III
О
IV
стадии прорастания
I
II
III
IV
стадии прорастания
Рисунок 7. Содержание глобулинов в прорастающих семенах лиственницы Гмелина
из Ц. Эвенкии (А) и лиственницы сибирской из Талнаха (Б) в зависимости от
температуры.
А:
Б:
-оптимальная температура
- кокграстная температура
Z
и
ш
S
Р
f-\j:l
'
1
II'
'
III
л
0)
S
Z
1
а.
0)
§
и
IV
стадии прорастания
-оггтимальная температура
- контрастная температура
2,5
2
1,5
1
0,5
и
I
II
III
IV
стадии прорастания
Рисунок 8. Содержание проламинов в прорастающих семенах лиственницы Гмелина
из Ц. Эвенкии (А) и лиственницы сибирской из Тывы (Б) в зависимости от
температуры.
12
А - Б). Причем, у всех климатипов лиственницы сибирской понижение содержания
глобулинов начиналось уже на стадии набухания, в то время как у лиственницы
Гмелина - со стадии стимуляции. Это свидетельствует о важности глобулинов в
качестве резерва азота для синтеза защитных белков, которые расходуются в первую
очередь при неблагоприятных условиях прорастания.
У семян северных климатипов лиственницы Гмелина и сибирской, при
прорастании в контрастных температурных условиях содержание проламинов было
выше, чем в оптимальных (рис. 8 А ) . В то время как у семян южного климатипа
лиственницы сибирской содержание проламинов при этой температуре понижается
(рис. 8 Б). Вероятно, высокое содержание проламинов является одним из проявлений
температурной
адаптации
лиственницы,
т.к.
проламины
считаются
специализированной формой белка, характерной для растений из неблагоприятных
условий произрастания.
При контрастной температуре во всех прорастающих семенах лиственницы на
стадии стимуляции наблюдалось максимальное содержание глютелинов, количество
которых на стадии выхода корешка вновь падало, что говорит об интенсивном
использовании этой фракции белка на метаболические процессы.
А:
Б:
—К— оптимальная температура
- -В - контрастная температура
г
со
t
S
i5
^
16 -
14 1
1? 10 Н
8 -
ч
SJi
6 а-—*
S
2 0
X
п
о
—К—оптимальная температура
■а - контрастная температура
4 -
III
IV
о
I
стадии прорастания
II
III
IV
стадии прорастания
Рисунок 9. Содержание нерастворимой фракции белка в прорастающих семенах
лиственницы Гмелина из Ц. Эвенкии (А) и лиственницы сибирской из Талнаха (Б) в
зависимости от температуры.
Содержание нерастворимой фракции белка у большинства изучаемых семян листве1шиц
в процессе прорастания возрастало, причем ее содержание у лиственницы Гмелина было
выше при контрастной температуре (рис. 9 А). Только у лиственницы сибирской из Талнаха
содержание нерастворимого белка при этой температуре было ниже, чем при оптимальной
(рис. 9 Б). Полученные дштые подтверяодают высказанное нами в 4 главе диссертации
предположение о важной роли нерастворимого белкового азота в повыщении устойчивости
растительной клетки к неблагоприятным условиям прорастшшя.
13
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДЫХАНИЕ ПРОРАСТАЮЩИХ
СЕМЯН ЛИСТВЕННИЦ ГМЕЛИНА И СИБИРСКОЙ
Дыхание является главным источником энергии растений. Ог адагпмвных
возможностей дыхания в изменяющихся условиях среды (от оптимальных до
экстремштьньк), которым подвергаются растения, в значительной степени зависит
энергообеспеченность и устойчивость их клеток, поскольку дыхание поставляет
кетокислоты и энергию для синтеза новых аминокислот и белков [Рубин, 1971; Кретович,
1980; Крамер, Козловский, 1983; Войников, 1987; Семихатова, 1990,1995].
Исследования дыхания семян лиственницы на отдельных стадиях прорастания
показали, что при оптимальной температуре, интенсивность их дыхания по мере
прохождения рассматриваемых стадий меняется. Так, в воздушно-сухих семенах
интенсивность дыхания была минимальной и составляла в среднем около 0,1 мг СОг/г
а.см./ч., в то время как на последней стадии прорастания - она была в 7-18 раз выше,
чем у воздушно-сухих семян (рис. 10). Из всех изученных семян максимальная
интенсивность дыхания при оптимальной температуре наблюдалась у лиственницы
сибирской из Богучанского района (из оптимальных условий произрастания
лиственницы) на I V стадии прорастания.
В целом, при прорастании семян отмечены два этапа изменения интенсивности
их дыхания: медленное возрастание - с I по I I стадии прорастания и быстрое
возрастание - на стадии образования первичного корешка. В семенах лиственницы
сибирской из Талнаха и Тывы этап «медленного» дыхания был укорочен, а на
последних стадиях прорастания наблюдался спад интенсивности дыхания, что,
вероятно, связано с истощением субстратов для дыхания.
gmell Ц Эвенкия
- -•---LL sibir,
Тыва
^
1,4
2
1,2 -
8
0,8
П
0,6 н
1
0,2 .
X
р-он
1 -
i
й
п
—i. sibir, Богучанский
—»А— L sibir, Талнах
.J.
0,4
^•'^ -'
0 ■
I
J '\"'
\/ '
£
'f
'^-^
и
III
IV
стадии прорастания
Рисунок 10. Интенсивность дыхания прорастающих семян лиственницы Гмедина и
сибирской при оптимальной температуре
При прорастании семян в условиях контрастной температуры изменился
характер их дыхания на отдельных стадиях прорастания. При этом изменения
интенсивности дыхания зависели как от вида лиственницы, так и от климатипа (рис.
И Л - Г ) . У некоторых семян на стадии набухания интенсивность дыхания при
14
контрастных температурах, по сравнению с оптимальной - повысилась, в то время
как на последующей стадии - понизилась у всех семян без исключения. Вероятно, на
стадии стимуляции зародыша происходила перестройка дыхательных ферментов,
направленная на повышение энергетики дыхания. В дальнейшем, ход интенсивности
дыхания зависел от вида лиственницы. В семенах среднего и южного климатипов
(Богучаны и Тыва) лиственницы сибирской дыхание, начиная с III стадии
прорастания, резко снижается, достигая 50-60% от дыхания при оптимальной
температуре, как, например, у лиственницы из южной тайги Богучанского р-она (рис.
11 В). В то же время, у семян северных климатипов лиственницы Гмелина и
сибирской отмечено возрастание интенсивности дыхания, и особенно на последней
стадии прорастания. При этом у семян лиственницы Гмелина при контрастных
температурах наблюдалась максимальная интенсивность дыхания, что указывает на
активацию синтетических и ростовых процессов в клетках этих семян.
Таким образом, из всех изученных семян, только семена северных климатипов
лиственницы Гмелина и сибирской в условиях резких перепадов температуры
обладали способностью поддерживать высокую интенсивность метаболизма клеток.
А:
Б:
- контрастная температура
-оптимальная температура
I
■ контрастная температура
-оптимальная температура
II
стадии прорастания
В:
■«• - контрастная температура
—О—оптимальная температура
- контрастная температура
-оптимальная температура
I
II
III
IV
стадии прорастания
стадии прорастания
Рис. и . Интенсивность дыхания прорастающих семян лиственниц в зависимости от
температуры:
А - Лц Гмелина из Ц. Эвенкии;
Б - Лц сибирская из Талнаха;
В - Лц сибирская из Богучанского р-на;
Г - Лц сибирская из Тывы.
15
Между дыханием растений и белковым обменом клетки имеется тесная
взаимосвязь, так как дыхательные ферменты имеют белковую природу и, в то же
время, запасные белки могут использоваться в качестве субстрата дыхания [Рубин,
1971].
Поэтому была прослежена зависимость между дыханием семян и содержанием
в них отдельных белковых фракций. При оптимальной температуре отмечена
положительная корреляция интенсивности дыхания с содержанием в семенах
альбуминов (г= +0.41) и отрицательная корреляция - с содержанием глобулинов (г= 0,43). При контрастной температуре, кроме выявленной ранее корреляции дыхания с
содержанием альбуминов и глобулинов, также обнаружена его зависимость от
содержания проламинов (г= +0,65) и нерастворимых белков (г= +0,52).
Таким образом, повышенное дыхание при резких сменах температур у семян
северного кли.матипа лиственницы является одним из механизмов адаптации к
экстремальным условиям Севера.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Лесные экосисте.мы Крайнего Севера, сформировавшиеся в области сплошного
распространения многолетней мерзлоты, представляют собой уникальный пример
адаптации растений к экстремальным температурным условиям произрастания.
Приспособление хвойных видов к олиготрофности, низким температурам почвы
и
короткому вегетационному периоду отражается не только в анатомо-морфолошческих
особетостях отдельных органов и тканей, но, в большей степени, в изменениях их
метаболизма, что проявляется уже на отдельных этапах прорастания семян.
Выводы:
1. Посевные качества семян изучаемых хвойных видов и содержание в них
азота зависят от региона произрастания. Лучшими посевными качествами
обладают семена из более южных широт - с большим периодом вегетации и
высокой среднеиюльской температурой. Сухой июнь и прохладный август
способствуют большему накоплению азотистых веществ и улучшению
посевных качеств семян;
2. В жизнеспособных семенах северных популяций лиственниц Гмелина и
сибирской содержание белкового азота значительно выше, чем в семенах
южных. В них основными запасными азотистыми соединениями являются
глобулины и нерастворимые белки;
3. При оптимальной температуре в прорастающих семенах северной
популяции лиственницы Гмелина, в отличие от лиственницы сибирской,
происходит более интенсивное использование глобулинов на стадии
набухания и увеличение альбуминов и глютелинов в период наклевывания
семян. В прорастающих семенах лиственницы сибирской из холодных и
засушливых местообитаний при этой температуре происходит интенсивное
накопление нерастворимой фракции белка;
4. При контрастной
температуре в прорастающих семенах северных
климатипов лиственниц Гмелина и сибирской происходит интенсивный
гидролиз глобулинов и глютелинов с одновременным увеличением
проламинов и нерастворимых белков. При этом в семенах лиственницы
Гмелина, в отличие от лиственницы сибирской, содержание альбуминов
постоянно высокое на всех стадиях прорастания;
16
5
При оптимальной температуре проращивания не выявлено сущее i венных
отличий в интенсивности дыхания между семенами двух видов
тиственницы, в то время как при коптрастпой температуре такие отличия
были показаны;
6 Дыхание семян лиственницы сибирской снижалось при контрастной
температуре, в то время как у семян северного климатипа лиственницы
Гмслипа происходило его возрастание до максимальных значений, что
свидетельствует о высокой метаболической активности этих семян;
7 При
оптимальной
температуре
дыхание
прорастающих
семян
рассматриваемых лиственниц коррелирует с содержанием в них альбуминов
и глобулинов; в то время как при контрастной - с содержанием проламинов
и нерастворимого белка;
8 Все отмеченные особенности ответных реакций прорастающих семян
лиственницы Гмелина на контрастную температуру можно рассматривать
как приспособительные, приобретенные в процессе длитетьной адаптации
этого вида к экстремальным температурным условиям региона.
Список опубликованных работ по теме диссертации:
1. Садилова М.Ю. Посевные качества семян хвойных и содержание в них
белкового азота// Исследования компонентов лесных экосистем Сибири / Материалы
конф молодых ученых. - Красноярск, 2003. - С.42-45.
2 Садилова М Ю. Содержание отдельных форм азота в семенах хвойных пород
Сибири и их прорастание// Экология Южной Сибири и сопредельных территорий»/
Материалы Междунар. научной шк.- конф. студ. и молод.ученых - Абакан, 2003 С 46-48.
3 Садилова М Ю. Различные формы азота в семенах хвойных пород и их
прорастание // Проблемы физиологии растений Севера / Тезисы международной
конференции. - Петрозаводск, 2004. - С.161-162.
4 Садилова М Ю. Формы азота в семенах хвойных пород и особенности их
прорастания/ Материалы V I I I Молодежной конференции ботаников. - С -Петербург,
2004 -С.134-135.
5. Садилова М Ю. Фракции белкового азота в семенах лиственниц из различных
местообитаний // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы
/ Тез докладов конференции, СибГТУ. -Красноярск, 2004. - С.37-39.
6 Абаимов А П., Журавлев Ю.Н , Муратова Е.Н., Реунова Г.Д., Козыренко М.М ,
Аргюкова Е В , Ларионова А Я , Прокушкин С.Г., Константинов Ю М., Седельникова
Т С , Пименов А.В., Яхнева Н.В., Садилова М . Ю , Велисевич С И . , Исаев А П.
Популяцпонно-генетический анализ лиственниц Сибири и Дальнего Востока//
Стр)кт>рно-ф)нкциональная организация и динамика лесов / Материалы
Всероссийской конференции. - Красноярск, 2004. - С.394 -396.
7 Садилова М Ю., Прокушкин С.Г. Содержание азота и посевные качества
семян хвойных пород Сибири // Сибирский экологический журнал. - Новосибирск - в
печати.
8. Садилова М.Ю. Дыхание и содержание белкового азота в прорастающих
семенах пиственниц в зависимости от температуры // Биоразнообразие природных и
ан гропогенных экосистем / Сборник статей к III Молодежному научному семинару Екатеринбург, 2005 С 85 - 88.
17
^20 4 62
Р Н Б Русский фонд
2006^
22378
УОП
и л с о Р А Н Заказ №3 91, тир. 100 экз.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
966 Кб
Теги
bd000102424
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа