Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физиолого-биохимические свойства семян хвойных 8-41
1.1. Анатомическое строение семян хвойных растений 8-9
1.2. Виды покоя семян и его особенности у семян хвойных 9-12
1.3. Гетерогенность посевных качеств семян разного происхождения 12-14
1.4. Азотный обмен и его роль в онтогенезе растений 15-18
1.5. Образование запасных питательных веществ в семенах 19-21
1.6. Особенности биохимического состава семян и плодоношения хвойных растений в зависимости от региона их произрастания
1.7. Влияние долговременного хранения семян на их химический состав
1.8. Биохимия прорастания семян в зависимости от факторов среды 25 - 41
1.8.1. Физиология и биохимия основных этапов прорастания ~г on семян
32-36
1.8.2. Состав азотистых веществ при прорастании семян 29 - 31
1.83. Влияние температуры на прорастание семян и биохимические превращения в них
1.9. Дыхание семян и его связь с азотным обменом 36-41
Глава 2. Объекты и методы исследования 42-53
2.1. Характеристика объектов и районов исследования 42 - 52
2.2. Методы определения посевных качеств семян хвойных видов 52-53
2.3. Методы определения азотистых веществ в семенах 54-57
2.3.1. Схема проведения температурного эксперимента в лабораторных условиях
2.3.2. Определение общего и белкового азота в семенах хвойных видов
2.3.3. Определение фракционного состава белковых веществ в семенах хвойных видов
2.3.4. Предлагаемые дополнения к методу определения отдельных фракций белкового азота в семенах хвойных растений
2.4. Метод определения дыхания семян 62 - 63
Глава 3. Содержание азота в семенах хвойных пород Средней и Восточной Сибири и их посевные качества
3.1. Посевные качества семян хвойных пород 64 - 67
3.2. Влияние местопроизрастания на содержание общего и белкового азота в семенах хвойных пород
3.3. Посевные качества семян лиственницы Гмелина в зависимости от содержания азота в них и года урожая
Глава 4. Фракционный состав белкового азота в прорастающих 76 - 89 семенах лиственницы при оптимальной температуре
Глава 5. Фракционный состав белкового азота в прорастающих семенах лиственницы при контрастной температуре
5.1. Содержание отдельных белковых фракций в прорастающих семенах лиственницы при контрастной температуре
5.2. Изменение фракционного состава белкового азота в прорастающих семенах лиственницы в зависимости от температуры
Глава 6. Влияние температуры на дыхание прорастающих семян лиственниц Гмелина и сибирской
6.1. Дыхание прорастающих семян лиственницы при оптимальной температуре
6.2. Действие контрастной температуры на дыхание прорастающих семян лиственниц Гмелина и сибирской
6.3. Дыхание семян лиственниц Гмелина и сибирской в зависимости от фракционного состава белкового азота
Заключение L17-119
Литература 120 - 142
Приложения
- Анатомическое строение семян хвойных растений
- Характеристика объектов и районов исследования
- Посевные качества семян хвойных пород
Введение к работе
Основными лесообразующими породами Средней и Восточной Сибири являются лиственницы Гмелина, Каяндера и сибирская. Сформированные ими леса занимают огромную территорию от бассейна Нижней Тунгуски на западе до бассейна Колымы на востоке, и от южной границы республики Тыва до предела распространения лесной растительности в Субарктике.
Насаждения этих видов служат объектом промышленной эксплуатации и одновременно в условиях сплошного распространения многолетней мерзлоты они выполняют важные водоохранные, почвозащитные и климаторегулирующие функции (Абаимов, Коропачинский, 1984).
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 имеет огромное практическое значение, так как позволяет судить о возможных путях селекции и акклиматизации растений (Севрова, 1963; Титов, Таланова, 2003).
Кроме того, подобные исследования имеют не только специальное, но и общее биологическое значение, когда речь идет о раскрытии закономерностей более устойчивого воспроизводства растений и формирования у них специфических особенностей обмена и структуры, более соответствующих новым условиям произрастания.
Исследования в этом направлении проводились, в основном, на культурных растениях (Воронова, 1963; Васильева и др., 1964; Галачалова, Кунгурцева, 1965; Кунгурцева, 1966; Николаева, Воробьева, 1978; Молодкин, 1987; Стрибуль и др., 1995; и др.), которые являются удобными объектами исследования из-за легкости их размножения, короткого жизненного цикла и важного хозяйственного значения, по сравнению с дикорастущими видами. Но нельзя забывать об экологической, экономической и эстетической роли хвойных лесов в жизни человека и биосферы в целом.
Одной из основных задач современного лесоводства является сохранение бореальных лесов, возобновление которых лимитируется как неблагоприятными факторами среды, так и посевными качествами семян, связанными с содержанием в них запасных веществ и интенсивностью их использования в процессе прорастания. Содержание азота в семенах хвойных относительно небольшое, но его роль, особенно в форме белковых соединений, очень велика. Запасные белки - это необходимый материал для биосинтеза жизненно важных соединений, не только обеспечивающий прорастание семян, но и существенно повышающий устойчивость проростков к внешним факторам.
Особый интерес в проблеме устойчивости растительных организмов к действию экстремальных факторов среды, представляет изучение азотного обмена хвойных северных популяций, таких, как лиственница Гмелина. Известно, что ее ареал занимает самое северное положение по сравнению с другими хвойными растениями, а границы произрастания лиственницы Гмелина совпадают с границами распространения многолетней мерзлоты (Абаимов, Коропачинский, 1984). Северные районы произрастания лиственницы Гмелина - Центральная Эвенкия и п/о Таймыр (массив Ары-Мас) - характеризуются низкими температурами почвы в течение всей вегетации, неглубоким проникновением положительных температур и малой их продолжительностью (Прокушкин и др., 2002). Однако лиственничные леса, имея здесь огромный дефицит биологически-активных температур, обладают высокой терморезистентностью и представляют собой довольно устойчивые экологические системы. Поэтому выяснение механизмов адаптации лиственницы на биохимическом уровне к экстремальным температурам - крайне необходимо, как в целях диагностики толерантности древесных, так и возможного её регулирования.
В настоящее время достаточно широко изучено влияние различных экологических факторов на содержание отдельных форм азота в вегетативных органах хвойных. Однако, особенности содержания азота в семенах, его трансформация при прорастании в зависимости от экологических условий и его роль в устойчивости к неблагоприятным факторам, в частности, к гипотермии - исследованы недостаточно. Поэтому необходимо тщательное изучение специфичности этих процессов у лиственниц, как главных лесообразующих пород Сибири.
Цель 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 связи с этим были поставлены следующие задачи:
Определить содержание отдельных фракций белка в семенах лиственниц Гмелина и сибирской, в зависимости от региона их произрастания;
Выяснить влияние температуры субстрата на фракционный состав белкового азота в прорастающих семенах разных климатапов лиственниц Гмелина и сибирской;
Проследить связь между интенсивностью дыхания семян изучаемых лиственниц и качественным составом белкового азота при прорастании семян;
Оценить посевные качества семян изучаемых хвойных видов Средней и Восточной Сибири в зависимости от содержания в них общего и белкового азота.
Научная новизна: Впервые изучено влияние лесорастительных условий древостоев на содержание общего и белкового азота в семенах хвойных
6 пород. Выявлено изменение фракционного состава белкового азота в процессе прорастания семян лиственницы Гмелина и лиственницы сибирской в зависимости от температуры. Полученные результаты способствуют пониманию на физиолого-биохимическом уровне особенностей адаптации проростков хвойных растений к гипотермии.
Практическое значение: Полученные данные об особенностях ответных реакций прорастающих семян разных видов лиственницы к гипотермии могут использоваться для диагностики 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 лесокультурной практике для отбора семян при выращивании высококачественного посевного материала в питомниках. На защиту выносятся следующие положения:
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;
Изменение содержания альбуминов, проламинов и нерастворимой фракции белка в семенах лиственницы, прорастающих при контрастной температуре, отражает степень их адаптации к экстремальным температурным условиям региона;
При оптимальной температуре дыхание прорастающих семян рассматриваемых лиственниц коррелирует с содержанием в них альбуминов и глобулинов; в то время как при контрастной температуре - с содержанием проламинов и нерастворимого белка. Апробация работы: Результаты проведенных исследований были представлены на следующих конференциях:
I. «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири», конференция молодых ученых ИЛ СО РАН - Красноярск, 2003.
2. «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий», Международная научная школа-конференция студентов и молодых ученых - Абакан, ХГУ, 2003. «IV между народная ботаническая конференция молодых ученых» -С.-Петербург, 2004. «Проблемы физиологии растений Севера» - Петрозаводск, 2004.
5. «Структурно-функциональная организация и динамика лесов», Всероссийская конференция, ноевнщ. бОлетию Института леса СО РАН - Красноярск, 2004.
6. «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» - Красноярск, 2004.
7. «Биоразнообразнс природных и антропогенных экосистем», IIIМолодежный научный семинар - Екатеринбург, 2004.
По теме диссертации опубликовано 7 работ и 1 находится в печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, 4 приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц, 33 рисунка. Библиография - 249 наименование, в том числе 51 на английском языке.
Личный вклад автора: Автором непосредственно проведены эксперименты по проращиванию семян при разных режимах температур, химический анализ на содержание азота в семенах и статистическая обработка результатов. Кроме того, автор проводил сбор шишек лиственницы Гмелина в Центральной Эвенкии, подготовку семян к рентгенографии и обработку рентгенограмм. Определение дыхания семян проводилось при непосредственном участии автора, совместно с к.б.н., н.с. О.В. Масягиной.
Благодарности. Автор искренне благодарен научным руководителям д.б.н., в.н.с. СТ. Прокушкину и к.б.н. Г.К. Зражевскои за общее методическое руководство и творческое сотрудничество в ходе выполнения работы. За ценные консультации и предоставление образцов семян хвойных пород из разных регионов Сибири автор глубоко признателен д.б.н., проф. А.П. Абаимову, д.б.н., в.н.с. Г.С. Вараксину и к.б.н. Н.В. Яхневой.
Анатомическое строение семян хвойных растений
У большинства видов растений образование семян является завершающим этапом онтогенеза. Возникшие в процессе длительной эволюции растительных организмов семена сконцентрировали в себе признаки вида и приобрели различные приспособления, позволяющие воспроизводить себе подобных. Поэтому не удивительно, что семена давно привлекают внимание исследователей разного профиля. Как у нас, так и за рубежом имеется ряд монографий, содержащих ценную информацию относительно различных аспектов жизни семян (Леманн, Айхеле, 1936; Крокер, Бартон, 1955; Овчаров, Кизилова, 1966; Овчаров, 1976; Николаева, 1967; Полцов, 1976; Bewley, Black, 1978).
Семена дикорастущих видов сильно отличаются от семян культурных растений: большей частью они мелкие, нередко с затрудненным прорастанием, весьма неоднородны по морфологическим и физиологическим показателям на внутри- и межпопуляционном уровнях. Изученность анатомии, морфологии и биологии семян дикорастущих видов недостаточна (Злобин и др., 1966; Крамер, Козловский, 1983; Карпель, 1985; Кудашева, Осетрова, 1985; Николаева, 1990; Рейвн и др., 1990; Третьякова, 1996; Юрасов, 1997; Короткий, 1999; Тихонова, 1999; Seed of woody plants..., 1974).
Семя голосеменных состоит из комбинации двух спорофитных поколений (семенная кожура и зародыш) и одного гаметофитного (эндосперм) - для запасания питательных веществ. Семенная кожура и зародыш по числу хромосом - диплоидны, а женский гаметофит гаплоидный. Зародышевая ось представлена гипокотилем (часть стебля), зародышевым корнем с чехли ком и апикальной меристемой - на одном конце и апикальной меристемой с несколькими (обычно восемью) семядолями на другом. Зародыши семян голосеменных видов могут иметь от 2 до 18 семядолей
В семенах голосеменных питательные вещества запасаются, прежде всего, в мегагаметофите (женском гаметофите), который окружает зародыш. Мегагаметофит отличается по происхождению от эндосперма, хотя и выполняет те же функции (Крамер, Козловский, 1983).
В практике растениеводства Сибири часто наблюдается разрыв в показателях лабораторной и полевой всхожести семян. Эти нарушения в прорастании могут быть связаны с состоянием покоя, как ответной реакцией семян на экстремальные метеорологические факторы в период созревания, характерные для континентального климата Сибири (Махоткина, 1963).
Затрудненное прорастание или его отсутствие при обычных благоприятных условиях связано либо с особенностями самих семян (органический покой), либо с неподходящими для них внешними условиями (вынужденный покой). Причиной второго чаще всего являются неблагоприятная температура или недостаток влаги, препятствующие прорастанию.
Органический покой семян обусловлен их структурными особенностями (например; водонепроницаемость покровов, присутствие ингибиторов в околоплоднике) или сугубо физиологическим состоянием зародыша (Благовещенский, 1953; Альтергот и др., 1966). Доразвитие зародыша обычно протекает в набухших семенах в тепле при +10+30С, т.е. в условиях тепловой стратификации (Крокер, Бартон, 1955; Ляшук, 1971; Физиология и биохимия..., 1982; Николаева и др., 1999). Этот вид покоя, в основном, характерен для растительных видов южных широт.
В семенах многих растений умеренного климата, в том числе хвойных видов, часто наблюдается физиологический механизм торможения прорастания: такие семена приобретают способность прорастать только под влиянием длительной холодной стратификации (Стрибуль и др, 1995; Обручева, Антипова, 1997; Busse, 1930), а в естественных условиях - после действия осенне-весенних холодов.
Эта особенность семян обеспечивает молодым растениям сохранность, так как раннее прорастание привело бы проростки к гибели от низких температур (Кунгурцева, 1966; Крамер, Козловский, 1983; Стрибуль и др, 1995; Обручева, Антипова, 1997). С другой стороны, способность семян находиться в состоянии покоя способствует накоплению запасов семян в почве, обеспечивая сохранение растительного генофонда.
Характеристика объектов и районов исследования
Объектами исследований были семена лиственницы Гмелина, лиственницы сибирской, ели сибирской и сосны обыкновенной, произрастающие в Средней и Восточной Сибири:
Лиственница Гмелина (Larix gmelinii fRupr.) Rupr.) является одним из основных лесообразующих видов рода Larix в нашей стране (Абаимов, Коропачинский, 1984; Абаимов, Милютин, 1995; и др.). Обладая высокой экологической пластичностью, она формирует огромные массивы монодоминантных лесов и редколесий в высоких широтах азиатской части страны. Этот вид занимает около 35% общей площади лиственничных лесов Российской Федерации (Абаимов и др., 1980).
Цветет лиственница Гмелина неодновременно: на юге раньше - в начале мая, на севере на 3-4 недели позднее. Семена лиственницы Гмелина из северных регионов (Эвенкия, западная часть Якутии) имеют хорошо выраженный семенной покой и их созревание заканчивается только весной следующего за урожаем года (Карпель, 1971; Карпель, Медведева, 1977). Часть всхожих семян может сохраняться в шишках в течение 3-4 лет. По данным А.П. Абаимова и Л.И. Милютина энергия прорастания семян лиственницы Гмелина может колебаться в пределах 11- 63%, всхожесть — 18-17%, полнозернистость - 23-84% (Абаимов, Милютин, 1995; Абаимов,1997).
Территория, занятая лиственницей Гмелина, отличается большим разнообразием в характере почвенного покрова и значительной изменчивостью климата. Это определяет широкую приспособляемость вида к факторам внешней среды. Лиственница Гмелина, лучше, чем какая-либо другая хвойная порода, в том числе и Lsibirica, приспособлена к существованию на почвах, подстилаемых многолетней мерзлотой. В частности, имеются сведения о том, что западная окраина ареала лиственницы Гмелина совпадает с границей области распространения сплошной многолетней мерзлоты (Милютин, Кутафьев, 1967; Кутафьев, 1968). По отношению к теплу лиственница Гмелина малотребовательна, северная граница ее ареала очень близко совпадает с изотермой июля +10 С и продолжительностью вегетационного периода - 60 дней (Абаимов, Коропачинский, 1984).
В эксперименте были использованы семена лиственницы Гмелина северного и южного климатипа.
Семена лиственницы Гмелина северного климатипа собраны в трех ценопопуляциях Эвенкийского лесхоза Центральной Эвенкии (см. рис. 4).
Климат региона умеренно-холодный, он характеризуется относительно умеренной морозной зимой (средняя температура января около -36,7С) и умеренно теплым летом (средняя температура июля +16,3С) с годовым количеством осадков 269-342 мм, большая часть которых приходится на летние месяцы. Среднегодовая температура воздуха - 9.5С, период с отрицательными суточными температурами составляет 210 дней. Снежный покров мощностью до 40-50 см залегает в среднем 207 дней. Продолжительность вегетационного периода составляет 67 дней (Буторина, 1979; Справочник по климату СССР, 1967,1969).
По теплообеспеченности почвы этого района относятся к мерзлотным сезонно-талым или очень холодным. Наблюдается незначительное оттаивание верхних горизонтов (максимум 1 м) и низкие положительные температуры в верхних горизонтах (Димо, 1972; Abaimov et al., 1999). Отмечается низкая обеспеченность почв минеральными элементами. Количество доступных форм азота и фосфора почти на порядок ниже, чем в длительно-сезонно-промерзающих почвах средней и южной тайги Средней Сибири (Прокушкин и др., 2002).
Все три изученных ценопопуляции лиственницы Гмелина расположены в 25-км радиусе, в центре которого находится административный центр Эвенкийского автономного округа - п. Тура (см. рис. 4).
Расположена в бруснично-лишайниковом лиственничнике на правом берегу реки Кочечум, ее географические координаты: 64 19 с.ш. и 100 07 в.д. Тип почвы данного района - криозем гомогенный щебнисто-среднесуглинистый. В древесном пологе представлена только лиственница Гмелина. Густота древостоя - 250 шт./га. Средние возраст, диаметр и высота древостоя составляют- 175 лет, 15 см, 11 м, соответственно.
Ценопопуляі{Ш II
Расположена в лиственничнике бруснично-зеленомошном с подлеском из Duschekiafruticosa (Rupr.) на левом берегу реки Кочечум. Данная популяция приурочена к следующим географическим координатам: 64 19 с.ш. и 100 13 в.д. Тип почвы района - криозем гомогенный щебнисто-суглинистый. Состав древостоя - 6Лц4Б. Густота древостоя 750 - 800 шт./га. Средний возраст деревьев с относительно обильным плодоношением -5 0 лет, средний диаметр - 15.4 см, средняя высота- 15.5 м.
Посевные качества семян хвойных пород
Это согласуется с данными К.Н. Гаджиевой (2004), которая показала, что семена сосны обыкновенной, в целом, обладают очень высокой жизнеспособностью и, в частности, семена из подзоны южной тайги Красноярского края имели жизнеспособность от 72 до 87,9 % в зависимости от климатических условий.
Для оценки влияния условий произрастания древостоя на посевные качества его семян, были сопоставлены данные по посевным качествам 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 область); ели сибирской из лесостепной зоны (Красноярский край) и среднегорного пояса Восточного Саяна (Иркутская область).
Отмечено, что посевные качества одних и тех же видов семян хвойных варьируют в зависимости от региона произрастания материнского древостоя (см. табл. 6). Так, семена лиственницы Гмелина из Читинской области имели потенциальную всхожесть в 2 раза, лабораторную всхожесть - в 2.6 раз и энергию прорастания в 22 раза выше, чем семена из Центральной Эвенкии. Низкие посевные качества семян лиственницы северного климатипа могут быть обусловлены несколькими причинами, а именно: неудовлетворительным перекрестным опылением (Котелова, 1956; Дылис, 1961), нарушениями в биохимических процессах при созревании семян в результате резких колебаний температуры весной и осенью (Альтергот и др., 1966), а также состоянием покоя как ответной реакцией семян на экстремальные метеорологические факторы (Варасова, 1956; Махоткина, 1963;Ляшук, 1971; Крамер, Козловский, 1983).
Семена лиственницы сибирской из степного района Тывы (Тес-Хемский л/з) имели лучшие посевные показатели, чем семена лиственницы сибирской из среднегорного пояса Тывы (Шагонарский лесхоз): потенциальная, лабораторная всхожесть и энергия прорастания были выше у первой-в L7, 2.3 и 2.8 раз, соответственно. Полученные данные о всхожести семян лиственниц согласуются с выводами Н.В. Дылиса (1961) о географической изменчивости посевных качеств семян лиственницы. По его данным, всхожесть семян восточносибирских и дальневосточных лиственниц из различных районов (Забайкалья, Дальнего Востока, Якутии и Японии) варьировала от 0 до 75%, а энергия прорастания от 0 до 60%. Однако, чаще всего, всхожесть семян колебалась в пределах 20-50%.
Семена ели сибирской из лесостепной зоны Красноярского края (Таежинский л/з) и среднегорного пояса Иркутской области (Усольский л/з) 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. 8).
Для оценки влияния климатического фактора на качество созревающих семян, полученные данные по прорастанию семян были сопоставлены с климатическими показателями изучаемых районов в период вегетации: количеством осадков, средними температурами июля, количеством дней с температурами выше 5С, продолжительностью вегетационного периода (см. табл. 6).
Обнаружена высокая корреляция между потенциальной всхожестью семян и среднеиюльскими температурами регионов сбора семян (Р=0,86), а также с продолжительностью вегетации (г=0,76).
Имеются сведения, что семена с более высоким содержанием белков обладают повышенной всхожестью (Суднов, 1961 - цит.: Павлов, 1967; Семененко, 1964). Это побудило нас к более глубокому изучению роли белковых соединений при прорастании семян.
Условия внешней среды оказывают большое влияние на метаболизм формирующихся семян (Варасова, 1956; Николаева, Воробьева, 1978; Гаджиева, 2004; Mergen et aL, 1974). Поэтому семена одного вида, созревающие в разных климатических условиях, различаются как по содержанию запасных веществ, так и по соотношению отдельных групп веществ - белков, жиров, углеводов.
В литературе имеются сведения о том, 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). Поэтому изучение содержания азота в семенах хвойных в зависимости от вида растений и условий их местопроизрастания является необходимым при изучении проблемы терморезистентности.
Из всех исследованных нами семян хвойных, семена сосны имели наибольшее содержание общего и белкового азота (41,7 и 38,0 мг/г а.с.м, соответственно). Наименьшее содержание этих форм азота (14,1 и 12,1 мг/г ах.м.) имели семена лиственницы Гмелина из Ц. Эвенкии (рис. 9).
Обнаружена высокая корреляция между потенциальной всхожестью и содержанием в семенах общего азота (г=0,76); а также средняя корреляция между потенциальной всхожестью и содержанием в них белкового азота (г = 0,64).
