Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изучаемой проблемы 10
1.1.Морфолого-физиологическая характеристика плодоношения пихты сибирской .10
1.2. Анатомическое строение и биологические особенности семян хвойных растений 14
1.3.Посевные качества семян пихты сибирской 19
1.4.Содержание белков в семенах и их биологическая роль .22
1.5 Роль белков в устойчивости растений к различным экологическим условиям .30
Глава 2. Объекты и методы исследования .35
2.1. Характеристика объектов и районов исследования 35
2.2. Методика определения посевных качеств семян пихты сибирской ..40
2.3. Методика определения общего, белкового азота и его фракционного состава в семенах пихты сибирской 41
Глава 3. Посевные качества семян пихты сибирской в разных эколого-фитоценотических условиях .44
3.1. Влияние эколого-фитоценотических условий на посевные качества семян .45
3.2. Динамика прорастания семян пихты сибирской .51
Глава 4. Фракционный состав белков в жизнеспособных семенах пихты сибирской .57
4.1. Содержание общего и белкового азота у жизнеспособных семян пихты 59
4.2. Фракционный состав белков в жизнеспособных семенах пихты 61
4.3. Роль отдельных форм азота в посевных качествах семян 67
Глава 5. Оценка фракционного состава белков нежизнеспособных и жизнеспособных семян пихты сибирской 72
5.1. Содержание общего, белкового азота и отдельных фракций белков в нежизнеспособных семенах пихты .72
5.2. Оценка содержания белков жизнеспособных и нежизнеспособных семян пихты .78
Заключение 86
Выводы 89
Список литературы 92
Приложение .109
- Анатомическое строение и биологические особенности семян хвойных растений
- Методика определения посевных качеств семян пихты сибирской
- Динамика прорастания семян пихты сибирской
- Фракционный состав белков в жизнеспособных семенах пихты
Введение к работе
Актуальность темы. Пихта сибирская (Abies sibirica Ledeb.) – одна из основных лесообразующих пород Сибири. Являясь объектом широкой промышленной эксплуатации, она выполняет важные водоохранные, почвозащитные, климаторегулирующие, а также санитарно-гигиенические функции. В настоящее время под воздействием деструктивных природных и антропогенных факторов происходит постепенное истощение генетических ресурсов пихтовых лесов, снижение их возобновления и устойчивости к неблагоприятным факторам среды (Белова, Бажина, 2007). Восстановление лесов в значительной степени обусловлено посевными качествами семян, которые, в свою очередь, зависят от эколого-фитоценотических факторов среды, оказывающих существенное влияние на их формирование и физиологическое состояние (Kamra, 1980; Титов, Таланова, Акимова, 2003).
Семена древесных растений, даже одного вида, созревающие в разных климатических условиях, различаются как по содержанию запасных веществ, так и по соотношению отдельных их групп – белков, жиров, углеводов, влияющих на их посевные качества. При этом существенная роль среди этих соединений принадлежит белковой фракции азота, содержание которой в семенах хвойных относительно невелико (Овчаров, 1969). Запасные белки семян – это материал, необходимый для биосинтеза жизненно важных соединений, обеспечивающих их прорастание. Кроме того, содержание азота имеет первостепенное значение в повышении устойчивости проростков к неблагоприятным факторам среды (Алехина, Клюйкова, 1988; Лазарева, 2007; Бондаревич, 2009).
Имеющиеся работы касаются в основном изучения азотного обмена у культурных растений (Николаева, Воробьев, 1978; Измайлов, 1986; Карасев и др., 1991; Нарлева, 1991; Гумилевская и др., 1993; Новожилова, Арефьев, 1993; Котова, Обручева, 1996; Садилова, 2007; Масягина, 2009 и др.). Гораздо меньше публикаций по азотному обмену у хвойных, посвященных в основном изучению содержания разных форм азота в вегетативных органах растений (Гирс и др., 1982; Прокушкин, 1982; Судачкова и др., 2000; Чернобровкина, 2001; Алаудинова, 2002, 2003, 2006, 2010).
Особенности же азотного обмена в семенах пихты сибирской, как и других лесообразующих пород, изучены меньше (Садилова, 2005; Прокушкин, Абаимов, Прокушкин, 2008; Масягина, Прокушкин, Садилова 2009). Между тем, подобные исследования могли бы не только расширить наши представления о физиологии и биохимии семян, но и выявить пути адаптации хвойных растений к неблагоприятным антропогенным и экологическим условиям в период их прорастания, а также понять причины потери их всхожести. В связи с этим необходимо более глубокое изучение роли азота и его отдельных фракций в физиологических процессах, происходящих в семенах пихты.
Цель исследований: изучить фракционный состав белков и посевные качества семян пихты сибирской в эколого-фитоценотических условиях разных лесорастительных зон, типов леса, структуры древостоев по степени роста и развития отдельных деревьев и морфоструктуры их крон.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
1) Оценить посевные качества семян пихты сибирской в зависимости от эколого-фитоценотических условий.
2) Выявить содержание отдельных фракций белков в жизнеспособных семенах пихты в разных эколого-фитоценотических условиях и их роль в посевных качествах семян.
3) Сравнить фракционный состав белков в жизне- и нежизнеспособных семенах пихты и оценить их роль при потере жизнеспособности.
Научная новизна. Впервые изучено влияние лесорастительных условий, типов леса на содержание фракционного состава белков в семенах пихты сибирской, а также закономерности их распределения в зависимости от роста и развития дерева и расположения семян в генеративном ярусе кроны. Установлена достоверная связь между содержанием в семенах отдельных фракций азота и их всхожестью. Выявлены изменения фракционного состава белков в семенах при потере их жизнеспособности, которые могут служить основой определения качеств семян на физиолого-биохимическом уровне.
Защищаемые положения:
-
В составе рассматриваемых белков жизнеспособных семян пихты доминируют труднорастворимые, альбумины и фракция глобулинов.
-
В семенах пихты из средней тайги преобладает белковый азот основными растворимыми формами которого являются альбумины, в то время как в семенах из южной тайги – глобулины.
-
Содержание растворимых фракций белков в нежизнеспособных семенах пихты из отдельных частей генеративного яруса кроны существенно ниже, чем в жизнеспособных.
-
Посевные качества семян пихты в значительной степени зависят от фракционного состава белков.
Практическая значимость. Одной из актуальных задач лесного хозяйства в настоящее время является успешное возобновление хвойных пород за счет повышения посевных качеств семян. Поэтому выяснение физиологических процессов, характеризующих их качества, является одним из наиболее перспективных направлений, так как от содержания азотистых соединений, скорости трансформации и использования в метаболических процессах в значительной степени зависит успешность прорастания семян в естественных условиях. Полученные данные позволяют судить об участии отдельных фракций белков в улучшении посевных качеств семян и сохранении их жизнеспособности.
Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается достаточным по объему фактическим материалом, собранным на основе апробированных методик и обработанным с использованием современных математических методов и прикладной программы MS Excel.
Апробация работы. Материалы исследований были представлены на Всероссийской научно-практической конференции студентов и учащихся «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения» (Красноярск, 2008); Межрегиональной научно-практической конференции студентов и учащихся «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 2010); на конференциях молодых ученых «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири» (Красноярск, 2012, 2013).
Личный вклад автора. Автором лично осуществлены сбор, подготовка образцов, лабораторные исследования, а также последующий анализ полученных данных и написание работы.
Благодарности. Автор искренне благодарит научных руководителей: д.б.н., проф., в.н.с. С.Г. Прокушкина и к.с/х.н., доц. З.В. Ерохину за неоценимую помощь в работе над диссертацией и ее организацию, к.б.н. О.Н. Зубареву за ценные советы методического плана, а также к.б.н. О.А. Зырянову и к.б.н. Л.Н. Каверзину за творческое сотрудничество в ходе выполнения работы.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 научных работах, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства науки и образования Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и приложения. Список использованной литературы включает 190 наименований, из них 27 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 24 рисунками, включает 5 таблиц и 5 приложений. Общий объем составляет 116 страниц.
Анатомическое строение и биологические особенности семян хвойных растений
Семена являются важнейшим, а зачастую и единственным средством сохранения на Земле видового разнообразия растений, их воспроизводства и размножения. Семя представляет собой необычное образование. До сих пор ему не удается дать полное и достаточно точное определение. До той поры, пока идет формирование плода, семя является органом растения. Но после отделения зрелого семени от материнского растения оно становится самостоятельной единицей – зачатком нового растения (Николаева М.Г. Физиология и биохимия покоя и прорастания семян. М. : Колос, 1982. 495 с.).
Как правило, семя голосеменных растений представляет собой комбинацию из двух спорофитных поколений (семенная кожура и зародыш) и одного гаметофитного (эндосперм) – для запасания питательных веществ. При этом семенная кожура и зародыш по числу хромосом - диплоидны, а женский гаметофит – гаплоидный. Зародышевая ось представлена гипокотилем (часть стебля), зародышевым корнем с чехликом 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 (Юрасов П.Б. Лесоводственно-селекционные основы выращивания сосны обыкновенной в Среднем Приангарье: автореф. дис. … к.б.н. Красноярск, 1997. 16 с.). Интегумент состоит из трех слоев, из которых средний становится твердым и служит семенной кожурой (Рейвн П. Современная ботаника. М. : Мир, 1990. 348 с.). Характерное строение семян хвойных на примере сосны Ламберта представлено на рисунке 1.2.
Семя пихты сибирской золотистого цвета, неправильной трехгранной формы, размером 5–7 мм, с плотной семенной кожурой, вмещающей смоляные камеры. Крылышки, длиной до 10 мм, плотно соединены с семенем, покрывая его верхнюю сторону, и с трудом отделяются при обработке (рис. 1.3) (Некрасова Т.П. Плодоношение пихты сибирской. С. 113). В семенах голосеменных, в том числе и пихты, большая часть питательных веществ запасается в мегагаметофите (женском гаметофите), который окружает зародыш. Мегагаметофит отличается по происхождению от эндосперма, хотя и выполняет те же функции (Крамер П.Д. Физиология древесных растений. М., 1983. 236 с.).
В процессе эволюции у семян многих хвойных выработался ряд совершенно необычных биологических свойств, которые дают им некоторое время (дни, месяцы, годы, а иногда и десятки и сотни лет) сохранять жизнеспособность для того, чтобы при наступлении благоприятных условий прорасти и образовать новое растение (Крокер В. Физиология семян. М. : ИЛ, 1954. 398 с.; Николаева М.Г. Физиология и биохимия покоя и прорастания семян. 495 с.).
Зрелые семена многих древесных растений, попав в соответствующие условия, сразу же прорастают, но семена большинства видов проходят через стадию покоя. Это означает, что они не прорастают сразу после созревания, даже если их посеять в самые благоприятные условия (Крамер П.Д. Физиология древесных растений. 236 с.). Прорастание семян – явление очень сложное и во многом еще не изученное. Как известно, семена многих растений сразу после их сбора не прорастают. Они трогаются в рост через какой-то определенный для каждого вида растений период, названный периодом покоя семян. Биологическое значение периода покоя состоит в том, что такое состояние семян способствует лучшему перенесению ими неблагоприятных условий внешней среды (Коровин А.И. Растения и экстремальная температура. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1984. 260 с.). У семян некоторых видов растений он весьма продолжителен, что побудило исследователей к поискам способов нарушения периода покоя и создания благоприятных условий для прорастания семян (Овчаров К.Е. Физиологические основы всхожести семян. М. : Колос, 1969. 280 с.).
Для прохождения стадии покоя семенам многих растений умеренной зоны требуется продолжительное охлаждение (стратификация), поэтому они не прорастают до наступления весны. Это обеспечивает молодым растениям безопасность, так как раннее прорастание привело бы проростки к гибели от заморозков. Семена некоторых дикорастущих растений могут оставаться в состоянии покоя в почве на протяжении многих лет, и период прорастания таких семян растягивается на годы. Такой длительный покой способствует закреплению и выживанию видов, даже если случайно очень рано появившиеся некоторые проростки данного года будут убиты засухой или морозом. Другое преимущество покоя семян в жарких и сухих областях заключается в том, что они прорастают в очень короткий влажный период года. У семян некоторых пустынных растений ингибиторы, содержащиеся в оболочке, препятствуют прорастанию. Однако ингибиторы выщелачиваются обильными дождями во влажную почву, вследствие чего семена прорастают лишь при достаточном для укоренения растений содержании воды в почве (Крамер П.Д. Физиология древесных растений. 236 с.; Mayer A.M. The Germintaion of Seeds. Oxford: Pergamon Press, 1989. 270 p.).
Среди многих классификаций типов органического покоя заслуживает внимание классификация М.Г. Николаевой (Николаева М.Г. Биология семян. Санкт-Петербург : Ботанический институт им. В.Л. Комарова, 1999. С. 102–104), которая выделяет три основных типа покоя семян: А – экзогенный, определяемый свойствами внешних покровов зародыша (у представителей родов Лоховые и др.); Б и В – эндогенный, вызванный недоразвитием или физиологическим состоянием зародыша и его внутренних покровов (у представителей родов Кленовые, Бересклетовые и др.); Г – комбинированный, при котором сочетаются причины, определяющие эндогенный и экзогенный покой (у представителей родов Абрикосовые, Боярышниковые, Липовые и др.). Для нарушения покоя семян типа А применяют различные приемы физической обработки семян (скарификацию, удаление или разрушение околоплодника, промывание плодов в проточной воде). Предпосевная обработка семян, имеющих покой типов Б и В, заключается в различных физиологических воздействиях (в основном теплая и холодная стратификация). При нарушении комбинированного покоя методы физической обработки семян сочетаются с различными режимами стратификации.
У семян, находящихся в слабом экзогенном покое, задержка прорастания связана с присутствием в околоплоднике ингибиторов. Чтобы устранить такую задержку, достаточно адсорбции ингибирующих веществ почвой в естественных условиях, искусственного удаления околоплодника или обильного промывания семян.
Методика определения посевных качеств семян пихты сибирской
Для исследования посевных качеств семян (массы, энергии прорастания, лабораторной и потенциальной всхожести, динамики прорастания, длины гипокотиля) были взяты семена пихты сибирской Козульского лесничества с двух пробных площадей, расположенных на юго-восточном и северном склонах (ПП 1 и ПП 2), (табл. 2.2).
Для сбора семян было отобрано по 3 дерева с I-го по V-й классы роста и развития (всего 15 деревьев на каждой пробной площади) в Козульском лесничестве и по 3 дерева I и IV классов роста в Енисейском и Таежинском лесничествах. Первая пробная площадь находится в зеленомошно-папоротниково-крупнотравном пихтаче, вторая – в крупнотравно-папоротниковом. Сбор образцов шишек проводился в конце августа 2010 г. Известно, что структура кроны пихты сформирована тремя видами побегов: женскими (расположенными в верхней ее части с протяженностью 0.5– 2.1 м), мужскими (средняя часть) и вегетативными (Третьякова И.Н. Жизнеспособность пыльцы пихты сибирской в нарушенных лесных экосистемах гор Южной Сибири // Экология. 1994. №6. С. 20–28; Третьякова И.Н. Морфоструктура кроны и состояние генеративной сферы у пихты сибирской в нарушенных лесных экосистемах близ озера Байкал / Изв. РАН. Сер. биол. 1995. № 6. С. 685–692; Белова Н.В. Жизнеспособность семян пихты сибирской в лесных экосистемах Восточного Саяна // Хвойные бореальной зоны. Красноярск : СибГТУ. 2007. № 4-5. С. 474–477). Поэтому для выявления влияния эколого-фитоценотических условий, которое характеризуется изменениями в фракционном составе белков семян и их посевных качеств женский генеративный ярус был условно разделен еще на три части, которые в дальнейшем будут приниматься за верхнюю, среднюю и нижнюю части крон (рис. 1.1.). Исключениями являются семена с деревьев IV и V классов роста, так как морфологическое состояние женского яруса и всей кроны в целом у таких деревьев не позволяет получить достаточное количество семян для анализов. Для определения посевных качеств семена с разных деревьев одного класса развития были объединены в один образец по их положению в кроне (верх, середина, низ женского яруса). Вместе с тем, в Козульском лесничестве семена были отобраны с условно разных участков шишек – верхней, средней и их основания. Полученные образцы семян в зависимости от вариантов исследований были взвешены.
В опытах использовались только полнозернистые семена, исключающие пустые и поврежденные. Для чего был проведен их отбор, который показал в среднем для семян из верхней части генеративного яруса кроны в Енисейском лесничестве 96 % полнозернистых семян, в Таежинском – 93 %, в Козульском – 94 %. Полнозернистые семена, сохранившие посевные качества в дальнейшем называем жизнеспособными, а потерявшие всхожесть – нежизнеспособными.
Для определения посевных качеств семена с разных деревьев одного класса развития были объединены в один образец по их положению в кроне (верх, середина, низ генеративного яруса). Вместе с тем, в Козульском лесничестве для выявления посевных качеств семян в зависимости от их положения в шишке они были отобраны с условно разных ее участков – верхней, средней и основания шишки. Полученные образцы семян в зависимости от вариантов исследований были взвешены в пятикратной повторности по 1000 шт. в каждом варианте.
Определение посевных качеств семян производили по ГОСТу 13056.6-97: проращиванием в течение 7 суток (энергия прорастания), 14 суток (лабораторная всхожесть) и 21 дня (потенциальная всхожесть) в термостате при температуре + 24 0С, которая является оптимальной для прорастания семян хвойных. Проращивание семян производили в чашках Петри на увлажненных фильтрах, по 100 семян в каждом варианте и в 3–5 биологических повторностях, в зависимости от количества собранного материала. Для дезинфекции от микрофлоры семена предварительно замачивали в 0.1 % растворе KMnO4 в течение 2 часов, а чашки Петри и фильтры стерилизовали. Оценка посевных качеств семян в образцах производилась подсчетом количества проросших семян через 7, 14 и 21 сутки проращивания, после чего вычислялся процент проросших семян.
В семенах пихты сибирской был проведен анализ содержания общего, белкового азота и отдельных его фракций. Для их определения брались по 15 г измельченных жизнеспособных и нежизнеспособных семян, которые промывались концентрированным и охлажденным до – 10 С ацетоном до полного вымывания смолянистых веществ и просеивались через сито. Ацетонированные образцы высушивались до абсолютно сухого вещества (а.с.в.) и в дальнейшем хранились в бюксах в холодильнике при температуре + 7–8 0С. Одна часть из них шла на определение общего азота (по Къельдалю), другая – на определение белкового с осаждением по Барштейну. Затем образцы сжигали по Кьельдалю и определение азота проводили с реактивом Несслера с последующим колориметрированием на фотоколориметре КФК-3 (Ермаков А.И. Методы биохимического исследования растений. Ленинград, 1972. 456 с.). Определение фракционного состава белкового азота выполнено в 1г исходного образца по методу Х.Н. Починок (Починок Х.Н. Методы биохимического анализа растений. Киев : Наукова думка, 1976. 334 с.). Для чего производилась экстракция белкового азота соответствующими растворами: 1 – водорастворимые белки – дистиллированная вода (альбумины); 2 – солерастворимые белки – 1М KCl (глобулины); 3 – спирторастворимые белки – 70 % спирт (проламины); 4 – щелочерастворимые белки – 0.2 Н NaOH (глютелины); 5 – нерастворимая фракция белков (труднорастворимые).
Затем, каждая из фракций белкового азота семян осаждалась по Барнштейну с последующим ее колориметрированием на фотоколориметре КФК-3. В дальнейшем, на основании полученных данных по содержанию отдельных форм белкового азота судили о количестве белков в образцах.
Все анализы проводились в 4-х биологических и 4-х химических повторностях. Полученные данные обрабатывались в соответствии с методами вариационной статистики с использованием современных математических методов и прикладной программы MS Excel. Достоверность результатов оценивалась по критерию Стьюдента с уровнем значимости P = 0.05.
Динамика прорастания семян пихты сибирской
В процессе исследований была прослежена динамика прорастания семян в зависимости от класса роста дерева и их положения в генеративном ярусе кроны. Для сравнения были взяты образцы семян собранные с деревьев I класса (верхняя, средняя и нижняя часть генеративной сферы) и IV, V классов роста (в среднем по дереву).
Установлено, что семена деревьев, произрастающих на юго-восточном склоне (ПП 1), характеризовались более интенсивной динамикой прорастания (рис. 3.4. А). Первые проростки семян появились буквально на четвертый день после их закладки, а максимальное их число было отмечено на 7-ой день. Число проросших семян из верхней части составило 20 %, затем их количество ежедневно снижалось и на 19-ый день полностью прекратилось. В то же время число проросших семян с деревьев IV и V классов роста было значительно меньше, хотя максимальное их количество отмечено также на 7 день (2.7 %). Таким образом, всхожесть семян с деревьев IV и V классов роста значительно ниже, чем с деревьев I класса, но продолжительность их прорастания растянута во времени (рис. 3.4. Б).
Первые проростки семян, в средней пробе по дереву, появились на четвертый день после их закладки. Максимальный процент проростков семян отмечен на седьмой день, последующее количество ежедневно прорастающих семян было незначительным. Скорость прорастания семян пихты, собранных с угнетенных деревьев очень низка: единичные всходы появились на 5, 7, 13, 19 и 20 день с момента закладки (рис. 3.5. Б).
Вероятно, это связано с тем, что деревья, произрастающие на северном склоне, получают меньше тепла и солнечной радиации, чем деревья юго-восточного склона, что отражается на содержании запасающих веществ, оказывающих влияние на все посевные качества семян пихты. В целом, семена, собранные в верхней части имеют более высокий процент всхожести, скорость прорастания и число проростков в день, чем семян, из нижних частей генеративного яруса кроны. Такая тенденция характерна для обеих рассматриваемых пробных площадей. Вероятно, метаболические особенности в верхней части кроны способствуют более высокому накоплению запасных веществ, влияющих на посевные качества семян. У всех проросших семян была измерена длина гипокотиля – подсемянодольного колена – участка стебля проростка от места перехода его в корень до семядолей (первых листьев зародыша) (Минина Е.Г. Геотропизм и пол у хвойных. Новосибирск. : Наука, 1983. 199 с.). Размеры и статистические показатели гипокотиля семян приведены на рис. 3.6. Установлено, что длина гипокотиля, как и ранее исследуемые показатели посевных качеств семян, сильно варьирует не только в зависимости от класса роста и развития дерева, но и от их положения в генеративном ярусе кроне. Так, максимальная величина длины гипокотиля выявлена у семян с деревьев 1 класса роста. На юго-восточном склоне длина гипокотиля равна 14.6 мм, при точности опыта 3.4 %, а на северном склоне – 13.6 мм, с точностью опыта 4.4 %. Максимальное значение длины гипокотиля независимо от экспозиции склона отмечено у семян с верхней части генеративного
Посевные качества семян зависят, главным образом, от содержания в них запасных азотистых веществ и интенсивности их использования в процессе прорастания. Содержание азота в семенах хвойных относительно невелико, но его роль, и особенно белковых фракций, значительна, так как это основной и необходимый исходный материал для биосинтеза новых соединений, обеспечивающих как прорастание семян, так и формирование новых клеточных структур проростков (Брянцева З.Н. Азотный и фосфорный обмен кукурузы в связи с измененною интенсивностью ее роста. Новосибирск : АН СССР, 1963. 125 с.; Овчаров К.Е. Физиологические основы всхожести семян. 280 с.; Благовещенский А.В. Белковые комплексы хвойных // Бюлл. МОИП. Сер. биолог. 1977. Т.82. №2. 89 с.; Брей С.М. Азотный обмен в растениях. М. : Агропромиздат, 1978. 199 с.; Измайлов С.А. Азотный обмен в растениях. М. : Наука, 1986. 325 с.; Кретович, В.Л. Усвоение и метаболизм азота у растения. М. : Наука, 1987. 486 с.; Большакова Л.С. Влияние уровня азотного питания и концентрации СО2 на фотосинтез, дыхание и ассимиляцию нитрата у проростков яровой пшеницы. Сыктывкар, 1995. С. 30–32).
Отмечено, что при одинаковом количестве общего белка в растении в нем в течение вегетации может существенно меняться соотношение отдельных белковых фракций, обуславливая тем самым появление новых свойств у растения (Кретович В.Л. Основы биохимии растений. М. : Высшая школа, 1964. 452 с.; Павлов А.Н. Накопление белка в зерне пшеницы и кукурузы. 325 с.; Конарев В.Г. Белки пшеницы. М. : Наука, 1980. 124с.; Колесниченко А.В. Характеристика белков температурного стресса растений // Физиология растений. 2000. №4. С. 624–630). Так, например, Ю.Е. Новицкая и др. показали, что в древесине побегов Pinus sylvestris в осенне-зимний период повышается содержание альбуминов и понижается содержание глютелинов (Новицкая Ю.Е. Азотный обмен у сосны на Севере. Ленинград : Наука, 1980. 165 с.). В то время как А. Касперска-Палач и др., обнаружили, что изменение содержания отдельных белковых фракций в проростках связано с изменением свойств мембран клеток, приводящих к повышению морозоустойчивости растений (Касперска-Палач А. Механизмы закаливания травянистых растений // Холодостойкость растения : под ред. Г.А. Самыгина. М. : Колос, 1983. С. 112–123; Фракционный состав водорастворимых цитоплазматических белков меристем зимующих почек ели и пихты / Е.В. Алаудинова [и др.] // Хвойные бореальной зоны. 2006. № 2. С. 228–231). Таким образом, соотношение белковых фракций характеризует физико-химические свойства белка и связано с физиологическим состоянием растительного организма.
Фракционный состав белков в жизнеспособных семенах пихты
Известно, что семена с более высоким содержанием белков имеют более высокую всхожесть и повышенную устойчивость к неблагоприятным условиям среды (Николаева М.Г. Биология семян. Санкт-Петербург : Ботанический институт им. В.Л. Комарова. 1999. 232 с; Короткий Т.И. Влияние температурного режима на поглощение воды в прорастающих семенах лиственниц Гмелина и сибирской // Лесоведение. 2002. № 5. С. 53-57). Так, В.М. Пахомова связывает устойчивость прорастающих семян к стрессовым температурам с изменениями азотного обмена в них, в частности, с изменением содержания общего и белкового азота и отдельных его форм. Вышеназванное вызывает необходимость более глубокого изучения роли отдельных фракций азота в сохранении жизнеспособности семян хвойных пород в экстремальных условиях (Пахомова В.М. Основные положения современной теории стресса и неспецифической адаптационный синдром у растений // Цитология. 1995. № 1/2. С. 66-91).
Содержание отдельных фракций белкового азота в семенах пихты сибирской Козульского лесничества из верхней (В), средней (С) и нижней (Н) частей генеративного яруса кроны деревьев I и IV классов роста и развития, мг /г а.с.в.; 1 – водорастворимая, 2 – солерастворимая, 3 – спирторастворимая, 4 – щелочерастворимая, 5 – труднорастворимая фракция белкового азота
Затем, по мере убывания, следуют глобулины и альбумины, составляя в семенах из верхней части генеративного яруса кроны деревьев I класса 2.3±0.08 и 1.7±0.07 мг/г а.с.в., в средней части 1.4±0.02 и 1.7±0.07 мг/г а.с.в. соответственно. Вероятно, выявленный качественный состав фракций белкового азота в семенах из разных частей генеративной сферы служит индикатором их посевных качеств.
При оценке достоверности различий содержания отдельных фракций азота в семенах пихты, выполненной по методике Б.А. Доспехова и Г.Ф. Лакина, показано что различия в содержании белкового, соле- и труднорастворимого азота как между отдельными частями генеративного яруса кроны, так и между деревьями – достоверны (Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М. : Колос, 1973. 335 с.; Лакин Г.Ф. Биометрия. Учебное пособие для университетов и педагогических институтов. М. : Высшая школа, 1973. 343 с.). По содержанию водорастворимой фракции различия достоверны лишь между отдельными деревьями. Далее было выявлено распределение фракций белкового азота в семенах в целом по всей генеративной зоне деревьев I и IV класса роста и развития (рис.4.4 А, Б). Установлено, что семена с деревьев I класса, по сравнению с угнетенными, отличаются несколько большим количеством всех фракций белков, особенно труднорастворимой, содержание которой составляет 39.8 для I и 31.6 % от белкового азота для угнетенных (рис.4.4 А, Б).
При изучении фракций белкового азота в семенах пихты из разных лесорастительных зон установлено, что независимо от местопроизрастания в них преобладающей является труднорастворимая (рис. 4.5). Подобные сведения по преобладанию этой фракций азота получены и для семян лиственниц Гмелина и сибирской (Масягина О.В. Влияние температуры на фракционный состав белков и дыхание прорастающих семян лиственницы Гмелина и сибирской. С. 937–948).
Содержание отдельных фракций белкового азота в семенах пихты сибирской Козульского лесничества в целом по генеративной сфере деревьев I и IV классов роста и развития, А – мг /г а.с.в.; Б – %; 1 – водорастворимая, 2 – солерастворимая, 3 – спирторастворимая, 4 – щелочерастворимая, 5 – труднорастворимая фракция белкового азота
При этом у семян из самого северного из рассматриваемых местоположений пихты (Енисейское лесничество) отмечены различия в распределении фракций белков относительно класса роста дерева (рис. 4.5; 4.6). В частности, в семенах деревьев I класса роста установлено преобладание труднорастворимой фракции, составляющей 55 % от общего содержания белков, затем по степени убывания следуют водо- (19 %), соле- (9 %) и щелочерастворимая фракция (9 %). Тогда как для семян с деревьев IV класса наблюдается несколько иное распределение по их количеству: труднорастворимая – 31.4, затем следует солерастворимая – 20, щелочерастворимая – 20, водорастворимая – 13 и спирторастворимая – 14 % (рис. 4.5; 4.6).
Содержание отдельных фракций белкового азота в семенах пихты из верхней части генеративного яруса кроны деревьев I и IV классов роста Енисейского (А), Таежинского (Б) и Козульского (В) лесничеств, мг/г а.с.в.; 1 – водорастворимая, 2 – солерастворимая, 3 – спирторастворимая, 4 – щелочерастворимая, 5 – труднорастворимая фракция
Что касается Таежинского и Козульского лесничеств, то здесь, независимо от роста и развития деревьев, наблюдается однотипное распределение белков по фракциям (рис. 4.6). Так, в Таежинском, после труднорастворимой (51 %) преобладают соле- (20 %) и спирторастворимая (11 %) фракции. В то время как у семян из самого южного из представленных лесничеств – Козульского, также после труднорастворимой фракции (39 %) преобладают соле- и спирторастворимая, составляя 24 и 10 % от общего содержания белкового азота соответственно (рис. 4.6).
Содержание отдельных фракций белкового азота в семенах пихты из верхней части генеративного яруса кроны деревьев I и IV классов роста Енисейского, Таежинского и Козульского лесничеств, мг/г а.с.в.; 1 – водорастворимая, 2 – солерастворимая, 3 – спирторастворимая, 4 – щелочерастворимая, 5 – труднорастворимая фракция
Установленное согласуются с ранее отмеченными сведениями для жизнеспособных семян лиственниц северных популяций, в которых содержание белкового азота также значительно выше, чем в семенах более южных местопроизрастаний. Для них характерно высокое содержание водо-, солерастворимых и нерастворимых фракций белков (Садилова М.Ю. Азот в белках прорастающих семян лиственниц Гмелина и сибирской. Красноярск. 2005. 17 с.; Масягина О.В. Влияние температуры на фракционный состав белков и дыхание прорастающих семян лиственницы Гмелина и сибирской // Сибирский экологический журнал. 2009. № 6. С. 937–948). Все отмеченные различия в составе отдельных фракций азота можно объяснить тем, что семенам из местообитаний, расположенных севернее по сравнению с остальными районами для успешного прорастания и дальнейшего роста необходимо большее количество альбуминов, являющихся катализаторами. В семенах деревьев I класса роста из средней тайги альбумины являются преобладающей фракцией вслед за труднорастворимой. Поскольку в процессе естественного отбора заложено элиминирование слабых семян, то, возможно, накопление небольшого количества альбуминов у семян деревьев IV класса роста является одним из механизмов, регулирующих их способность к прорастанию.
