Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Рост и метаболизм древесных растений при фитоценотическом стрессе 7
1.1. Влияние неблагоприятных факторов среды на рост и метаболизм древесных растений 7
1.2. Влияние фитоценотического стресса на рост древесных растений 13
1.2.1. Внутривидовая конкуренция в лесных растительных сообществах 13
1.2.2. Конкурентные взаимоотношения между материнским древостоем и подростом 18
1.2.3. Рост деревьев при конкуренции в одновозрастных древостоях 20
1.2.4. Рост древесных растений после проведения рубок ухода 23
1.3. Влияние фитоценотического стресса на метаболизм древесных растений 26
Глава 2. Объекты и методы исследования 32
2.1. Объекты исследования 32
2.2. Методы исследования 36
2.2.1. Определение общего и белкового азота 37
2.2.2. Определение углеводов 39
2.2.3. Определение свободных аминокислот 40
2.2.4. Определение триацилглицеридов 41
2.2.5. Определение фенолов 42
Глава 3. Влияние фитоценотического стресса на рост сосны обыкновенной, лиственницы сибирской и лиственницы гмелина 44
3.1. Изменения морфометрических параметров деревьев 44
3.2. Влияние фитоценотического стресса на интенсивность ксилогенеза 49
3.3. Выводы по главе 68
Глава 4. Влияние фитоценотического стресса на метаболизм сосны обыкновенной, лиственницы сибирской и лиственницы гмелина 69
4.1. Азотсодержащие соединения 69
4.2. Углеводы 84
4.3. Жиры (триацилглицериды) 93
4.4. Фенольные соединения 96
4.5. Выводы по главе 100
Заключение 101
Выводы 106
Список литературы 108
Приложения 125
- Влияние неблагоприятных факторов среды на рост и метаболизм древесных растений
- Определение общего и белкового азота
- Изменения морфометрических параметров деревьев
- Азотсодержащие соединения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Продуктивность лесных насаждений в Сибири, где сосредоточена половина запасов древесины России, зависит от действия неблагоприятных факторов среды. На формирование древостоев помимо абиотических и антропогенных стрессов всегда оказывает влияние фитоценотический стресс. Фитоценотический стресс - негативное воздействие конкурентных взаимоотношений между отдельными особями в древостое, приводящее к снижению интенсивности роста деревьев в насаждениях высокой густоты.
При фитоценотическом стрессе растения конкурируют за энергетические ресурсы, к которым относятся свет, вода и элементы минерального питания. Конечная густота древостоев, следовательно, их продуктивность определяется уровнем обеспеченности жизненными ресурсами конкретного местообитания. Увеличивающийся недостаток ресурсов в загущенном древостое приводит к элиминации значительной части деревьев древостоя (Сукачев, 1953; Карпов, 1969). Изменения морфометрических и таксономических показателей угнетенного подроста изучены достаточно подробно (Морозов, 1912; 1930; Татаринов, 1972; Бузыкин, Пшеничникова, 1999; 2001; 2002; Судачкова, 1967; 1974). Также много работ посвящено исследованию роста деревьев после проведения рубок ухода (Давыдов, 1940; 1956; Тимофеев, 1950; Георгиевский, 1957; Жуков, 1958; 1967). При этом практически нет данных, которые характеризуют изменения роста и метаболизма деревьев в чистом насаждении под влиянием только фитоценотического стресса, с исключением других лимитирующих факторов роста.
В связи с этим, цель исследований состояла в изучении влияния фитоценотического стресса на рост и метаболизм деревьев сосны обыкновенной, лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина, являющихся основными лесообразующими породами в Сибири.
Исходя из цели исследований были сформулированы следующие задачи: 1) Изучить влияние фитоценотического стресса на основные морфометрические показатели деревьев;
Выявить особенности формирования годичного кольца древесины ствола деревьев под влиянием фитоценотического стресса;
Исследовать содержание в органах и тканях деревьев основных метаболитов и запасных веществ: белков, жиров, углеводов, свободных аминокислот и фенольных соединений;
Провести сравнительный анализ морфометрических, анатомических и биохимических показателей деревьев для определения специфических и неспецифических изменений в тканях и органах, которые позволят приблизиться к пониманию механизмов фитоценотического стресса и путей адаптации к нему.
Научная новизна работы. Впервые на чистых, заложенных в одинаковых условиях культурах сосны обыкновенной и лиственницы сибирской с различной густотой посадки (10 и 128 тыс.экз./га) проведен комплексный анализ роста и метаболизма деревьев при фитоценотическом стрессе. В качестве контрольных данных были использованы характеристики свободнорастущих деревьев с исходной густотой 0.5 тыс.экз./га. Кроме того, данные по влиянию фитоценотического стресса на деревья, выращенные в искусственно созданных посадках, сравнивались с данными по изменению роста и метаболизма подроста лиственницы Гмелина, сформированного в группах различной густоты в естественных условиях после пожара.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные данные расширяют представления о механизмах воздействия фитоценотического стресса на рост и метаболизм хвойных и о путях адаптации, которые позволяют существовать древесным растениям при ожесточенной внутривидовой конкуренции. Результаты могут быть использованы в практике лесного хозяйства для диагностики стрессового состояния сосны обыкновенной, лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина в загущенных древостоях и при получении с деревьев из высокополнотных древостоев семян, которые должны обладать повышенной устойчивостью к комплексу стрессовых воздействий, возникающих при фитоценотическом стрессе, что следует принимать во внимание при районировании семян сосны и лиственницы.
Изменения морфобиометрических и биохимических показателей с густотой представляет интерес для разработки оптимальных режимов лесовыращивания в зависимости от хозяйственной цели. Защищаемые положения:
Фитоценотический стресс в одновозрастных древостоях сосны и лиственницы приводит к уменьшению интенсивности флоэмо- и ксилогенеза и к сокращению размеров и массы хвои;
Уменьшение биомассы деревьев при фитоценотическом стрессе обусловлено снижением трофических и энергетических ресурсов: азотсодержащих веществ, углеводов, триацилглицеридов и фенольных соединений;
Содержание пролина и фенольных соединений в органах и тканях деревьев может рассматриваться в качестве биохимического индикатора фитоценотического стресса.
Работа выполнена за время обучения в очной аспирантуре в 1999-2002 гг. в секторе физиологии и биохимии древесных растений Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН. Исследования по теме работы были поддержаны грантами Российского Фонда фундаментальных исследований (01-04-48172, 2001-2002 гг.; 02-04-06840, 2002 г; 03-04-06987, 2003 г.) и Красноярского краевого Фонда науки (13G040, 2002-2003 гг.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методической части, двух экспериментальных глав, выводов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 138 страниц, включая 19 таблиц и 27 рисунков. Список литературы включает 178 наименований, в том числе 38 на иностранных языках.
За ценную помощь и советы при написании диссертационной работы автор выражает глубокую признательность д.б.н., профессору Судачковой Н.Е., а также всем сотрудникам сектора физиологии и биохимии древесных растений (с 2002 г. - отдел физико-химической биологии и биотехнологии древесных растений), в особенности к.б.н. Милютиной И.Л., к.б.н. Романовой Л.И., Семеновой Г.П., а также за содействие в сборе образцов к.б.н. Бузыкину А.И.
Влияние неблагоприятных факторов среды на рост и метаболизм древесных растений
На растения всегда воздействуют различные неблагоприятные факторы среды. Эти неблагоприятные факторы среды называют "стрессорами", а реакцию организма на такие воздействия - "стрессом". Однако, однозначный ответ на вопрос, что такое стресс по отношению к растительным организмам до сих пор окончательно не сформировался (Пахомова, 1995; Судачкова, 1998). Фитостресс можно определить как все отклоняющиеся от нормы ситуации, которые затрудняют существование растений. Согласно другому определению, стресс - это действие нагрузки на организм, вызванное влиянием внешних факторов (стрессовых факторов), которая ведет к усилению или редукции метаболизма и развития. Существенно отличается от приведенных выше концепция М. Теше, согласно которой стресс - это необычная, ограниченная временем нагрузка, не приводящая к очевидным необратимым последствиям (цит. по Судачкова и др., 1997). По общепринятой классификации помимо природных выделяют антропогенные стрессы, которые могут уменьшить или усилить негативное воздействие природных факторов вследствие антагонизма или синергизма негативных воздействий, влияя в конечном результате на продуктивность.
В лесах Сибири, где сосредоточено 50% запасов древесины России, резервы продуктивности не реализуются в полной мере из-за воздействия природных стрессовых факторов. Степень негативного влияния на продуктивность лесных сообществ во многом определяется физиологическим состоянием деревьев (Гире, 1982). Выживаемость растений, то есть их способность сохранять продуктивность в экстремальных условиях, зависит от реакции молекулярных, клеточных и тканевых систем на стресс (Гродзинский, 1983).
При любых экстремальных воздействиях в растительном организме происходят изменения различных физиологических параметров, что обусловлено взаимосвязанностью отдельных процессов в растении и саморегулируемостью его метаболизма в целом. Выделяют неспецифические и специфические реакции на стресс (Удовенко, 1979). Первые наблюдаются при действии любых факторов, вторые характерны только для определенного стрессора. К первичным неспецифическим процессам, происходящим в клетках растений при сильно и быстро нарастающем действии стрессора относятся следующие (Полевой, 1989):
1. Повышение проницаемости мембран, деполяризация мембранного потенциала плазмалеммы;
9-І 2. Вход Са в цитоплазму (из клеточных стенок и внутриклеточных компартментов: вакуоли, ЭС, митохондрий);
3. Сдвиг рН цитоплазмы в кислую сторону;
4. Активация сборки активных микрофиламентов и сетей цитоскелета, в результате чего возрастает вязкость и светорассеивание цитоплазмы;
5. Усиление поглощения О2, ускоренная трата АТФ, развитие свободнорадикальных реакций;
6. Возрастание гидролитических процессов;
7. Активация и синтез стрессовых белков;
8. Усиление активности Н+- помпы в плазмалемме (и, возможно, в тонопласте), препятствующей неблагопрятным сдвигам ионного гомеостаза;
9. Увеличение синтеза этилена и АБК при одновременном снижении содержания ауксина, цитокинина и гиббереллинов, торможения деления и роста, поглотительной активности клеток и других физиологических и метаболических процессов, осуществляющихся в обычных условиях; 10. Некоторые исследователи полагают, что накопление пролина в клетках также имеет неспецифический характер. Накопление пролина как осмотически активного вещества благоприятствует удержанию воды в клетке.
Неспецифический характер некоторых реакций клеток на определенный стресс позволяет мобилизовать резервные возможности организма для общего быстрого ответа на действие неблагоприятных факторов окружающей среды.
Выделяют также первичные изменения, обусловленные непосредственным действием стресса на растение и вторичные, вызванные первичными нарушениями метаболических функций (Зауралов, 1989).
К первичным относятся: изменения осморегуляции клетки, биоэнергетических процессов, структурной целостности и состава мембран, а также изменение структурного состояния и обусловленная им функциональная активность ядерной ДНК (Мирославов, 1997).
В комплекс первичных неспецифических реакций растений на воздействие неблагоприятных факторов входит и изменение интенсивности дыхания (чаще усиление). Многофункциональность темнового дыхания, наличие альтернативных метаболических путей обеспечивают адаптивную видовую пластичность этого процесса при стрессе. При неблагоприятных условиях наблюдается значительное снижение дыхание роста и резко возрастает дыхание поддержания, точнее, ее адаптивной составляющей, обеспечивающей энергией метаболические, морфологические и анатомические реакции организма, а также диссипативные процессы. Такая поливариантность расходов энергии, различная у разных видов растений, и обеспечивает выживание одних организмов и гибель других при стрессе. При стрессе доля суммарного темнового дыхания от гроссфотосинтеза увеличивается, и тем больше, чем менее устойчиво растение к стрессу. Увеличение этого соотношения более чем на 80% определяет переход растения к генеративной фазе или может привести к его гибели (Рахманкулова, 2002). К вторичным относится большая часть физиологических изменений в клетке и целом организме. Их общей чертой является причинная зависимость от физиологических процессов, первично изменяющихся в результате стресса. Функционально наиболее важное значение среди вторичных отклонений имеет торможение белкового синтеза, увеличение концентрации фитогормонов, подавляющих деление и растяжение клеток (Удовенко, 1979; Меняйло, 1992).
Существуют определенные закономерности в изменении физиологических параметров под воздействием стресса, которые можно охарактеризовать двумя типами кривых (Godbold, 1998). Обнаружено, что при стабильном и длительном экстремальном воздействии уровень многих параметров меняется экспоненциально и в дальнейшем сохраняется на отличном от оптимальной нормы уровне. Другая же группа параметров изменяется по одновершинной кривой, сначала существенно отклоняясь от нормы, а затем постепенно возвращаясь к исходному уровню или близко к нему. По первому типу изменяются параметры, характеризующие первичные нарушения и интегральные изменения. По второму типу в экстремальных условиях меняются параметры вторичных отклонений. Они характеризуют либо соотношение скоростных процессов, противоположно направленных (например, синтез-гидролиз), или относительно независимых между собой (накопление биомассы, поглощение минеральных ионов), либо состояние постоянно обновляемых активно функционирующих биологических структур (внутриклеточных мембран и органелл) (Жученко, 1987). Предполагается, что именно изменения второго типа реально отражают сущность саморегулируемости метаболизма живой клетки и тем самым непосредственно характеризуют адаптацию растительного организма к стрессовым условиям (Альтергот, 1982).
Важнейшими механизмами адаптации растений к неблагоприятным факторам являются снижение скорости катаболических процессов и более полная мобилизация потенциальных возможностей различных реакций, компенсаторные изменения сопряженных процессов, а также включение шунтовых механизмов (Удовенко, 1979).
В целом, все виды стрессов вызывают у древесных растений морфологические изменения - миниатюризация растений, их органов и тканей, что обусловлено снижением числа делений клеток и уменьшением их размеров (Судачкова и др., 1994). Визуально фиксируемые признаки свидетельствуют о необратимых изменениях в метаболизме дерева, поскольку снижение интенсивности ксилогенеза обусловлено изменениями в интенсивности и направленности физиологических процессов (Меняйло, 1992; Судачкова, 1977, 1984; Судачкова и др., 1997).
Определение общего и белкового азота
В конце вегетации 1999 года и в начале июля 2000 года с 10-12 средних модельных деревьев сосны обыкновенной и лиственницы сибирской отбирали образцы хвои и луба годичных боковых побегов, ствола и скелетных корней для биохимических анализов. Определяли следующие биометрические параметры: длина годичных боковых побегов и хвои брахибластов, масса хвои, масса лубяной ткани на единицу камбиальной поверхности ствола и корней. Масса абсолютно сухой лубяной ткани ствола и корней на единицу камбиальной поверхности определялась путем взвешивания высечек луба площадью 5 см2 с каждого дерева с последующим определением влажности. Для анатомических исследований брали керны древесины ствола возрастным буравом на высоте 50 см от поверхности почвы. Параметры деревьев с участка густоты посадки 0.5 тыс.экз./га служили контролем.
В конце августа 2000 года из четырех групп самосева лиственницы Гмелина различной густоты (2, 30, 50 и 90 шт./м , или 20, 300, 500 и 900 тыс. экз./га) было взято по пятнадцать растений вместе с корневой системой. В лаборатории они разделялись на подземную и надземную части. От стволов отделяли побеги и хвою. Определяли биометрические параметры: высоту и диаметр растений, длину годичных боковых побегов и хвои брахибластов, массу хвои и массу надземной и подземной частей. Были проведены биохимические анализы хвои, луба годичных боковых побегов, ствола и корней. Для анатомических исследований делали срезы корневой шейки растений. В качестве контрольных рассматривали параметры растений из группы густоты произрастания 20 тыс.экз./га.
Анатомические исследования проводили методом световой микроскопии с использованием микроскопа МБИ-3 при увеличении от хЮО до хЮОО. На поперечном срезе каждого года в 10 радиальных рядах подсчитывали количество трахеид ранней и поздней древесины. Также измеряли диаметры и толщину клеточных стенок трахеид ранней и поздней древесины.
Для проведения биохимических анализов хвои сосны обыкновенной осенью брали однолетнюю хвою, а летом - одно- и двухлетнюю хвою. У лиственницы обыкновенной и лиственницы Гмелина брали хвою брахибластов. Для каждого анализа использовалась 5-10-граммовая навеска из среднего образца хвои, взятой с 5-Ю мутовок у 10-12 деревьев. Луб годичных боковых побегов брали с 2-Ю побегов, взятых от 10-12 модельных деревьев. Среднюю пробу луба ствола и корней сосны обыкновенной и лиственницы сибирской составляли из высечек размером 1x5 см, взятых у 10-12 деревьев. Количество модельных деревьев (10-12) обеспечивает 10% точность опыта биохимических исследований (Судачкова, 1980).
Для определения общего и белкового азота пользовались стандартным методом Къельдаля. Принцип метода состоит в том, что навеску анализируемого материала сжигают в присутствии концентрированной серной кислоты. В результате все органические вещества окисляются, а выделяющийся аммиак связывается серной кислотой. Концентрацию аммиака измеряли в дальнейшем колориметрическим методом.
Свежий материал фиксировали горячим паром в течение 10 минут, высушивали и хранили в холодильнике до определения, затем растирали в жидком азоте до порошкообразного состояния.
При определении общего азота брали измельченную навеску анализируемого материала (по 50 мг в трех повторностях), помещали ее в колбу Къельдаля, добавляли 2,5 мл концентрированной серной кислоты и 0,5 г катализатора (смесь K2SO4 : C11SO4 : Se в соотношении 100 : 10 : 1). Содержимое колбы нагревали до кипения и слабо кипятили до полного обесцвечивания раствора. По окончании сжигания колбу охлаждали и переносили ее содержимое декантацией дистиллированной водой в колбу объемом 50 мл и доводили объем до метки. Затем в зависимости от количества азота брали от 2 до 10 мл раствора и переносили в другую колбу объемом 50 мл. Постепенно добавляли 10 мл дистиллированной воды и 0,7 мл 25% сегнетовой соли (C4H406KNa 4H20), затем титрованием нейтрализовали окраску 10% раствором NaOH и добавляли 0.7 мл раствора Несслера. Колориметрировали через 20 минут напротив контроля при 440 нм (Плешков, 1968). Для определения белкового азота брали навеску анализируемого материала (по 50 мг в трех повторностях), помещали ее в стакан объемом 50 мл, добавляли 25 мл горячей дистиллированной воды и нагревали до кипячения при помешивании стеклянной палочкой. После кратковременного нагревания проводили осаждение белков 5% трихлоруксусной кислотой и после отстаивания в течение 30-40 минут содержимое стакана фильтровали через беззольный фильтр. Стакан и осадок на фильтре промывали несколько раз 2% трихлоруксусной кислотой. По окончании фильтрования фильтр вместе с воронкой помещали в термостат и высушивали в течение 1-2 часов при температуре 50-60С. Затем высушенный фильтр вместе с осадком переносили в колбу Къелдаля и далее проводили сжигание в серной кислоте и определение аммиака, как было описано выше для определения общего азота (Плешков, 1968).
Изменения морфометрических параметров деревьев
Влияние густоты посадки на морфометрические показатели деревьев в литературе описано достаточно подробно. Так, хорошо известен факт возрастания относительной высоты деревьев, сокращения массы и длины всех органов и тканей, в том числе ассимилирующих, и снижения интенсивности ксилогенеза у подчиненной части древостоя вследствие ухудшения обеспеченности метаболитами камбиального слоя (Усольцев, 1988; Судачкова и др., 1993; Бузыкин, Пшеничникова, 1999, 2001; Anninen, Makeld, 2000).
Обнаруженные изменения морфометрических характеристик деревьев сосны обыкновенной, лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина, растущих в различных фитоценотических условиях, согласуются с литературными данными. Так, по мере увеличения густоты произрастания у деревьев сосны обыкновенной и лиственницы сибирской наблюдали значительное уменьшение средних диаметров, при этом средние высоты менялись незначительно, вследствие чего резко возрастала относительная высота (см. табл.2.1). У самосева лиственницы Гмелина в группах различной густоты относительная высота также значительно возрастала (табл. 3.1).
Такая тенденция к преимущественному росту в высоту давно была отмечена многими лесоводами и свидетельствует о том, что рост в высоту в условиях фитоценотического стресса доминирует над ксилогенезом, являясь фактором, обеспечивающим выживание. Поскольку в загущенных посадках лиственницы сибирской отмечен отпад, достигающий 60%, значения относительной высоты (133) в этом варианте, по-видимому, являются наибольшими в этом возрасте, приближаясь к максимально возможным. Таблица 3.1. Морфометрические параметры самосева лиственницы Гмелина различной густоты произрастания
Наибольшее значение относительной высоты (208.5) было отмечено у самосева лиственницы Гмелина при максимальной густоте (900 тыс.экз./га) в 5-летнем возрасте.
Фитоценотический стресс вызывает ослабление нисходящего транспорта, о чем свидетельствует снижение с увеличением густоты посадок массы луба, приходящейся на единицу камбиальной поверхности ствола и корней (табл. 3.2). Этот показатель позволяет сравнивать реальную обеспеченность процесса ксилогенеза азотом и запасными веществами углеводной и липиднои природы при разных густотах и служит косвенным подтверждением снижения запасающей функции луба под влиянием фитоценотического стресса. Масса лубяной ткани на единицу поверхности древесины ствола сократилась на участках с густотой 10 и 128 тыс.экз/га, по сравнению с контрольным участком, в 1.4 и 2 раза у сосны и в 3.2 и 3.5 раза у лиственницы, соответственно. Аналогичные изменения наблюдались в корневой системе деревьев. У сосны эти изменения были гораздо значительнее, чем в стволе (масса лубяной ткани уменьшилась в 2.4 и 6.2 раза), а у лиственницы масса лубяной ткани корней на участке с густотой 10 тыс.экз/га отличалась от контроля незначительно, а на участке 128 тыс.экз/га была меньше в 1.6 раза.
У самосева лиственницы Гмелина с увеличением густоты диаметр корневой шейки уменьшился в 3 раза в ряду от растений из загущенных групп к свободнорастущим. Наблюдается уменьшение массы надземной и подземной частей. Так, масса надземной части растений в контрольной группе превышала приблизительно в 5.5 раза массу растений в загущенных группах (табл. 3.2). Такая же реакция наблюдалась у 5-летних саженцев сосны и ели в условиях затенения (20-25% от полного освещения) уже на третий год выращивания: сухой вес контрольных саженцев превышал в 6-7 раз вес затененных и диаметр у корневой шейки был в 2.5 раза больше (Журавлева, 1968). Также изменяется и соотношение массы надземной и подземной частей: у контрольных растений оно равно 5, тогда как в более загущенных вариантах это соотношение приближается к единице. Перераспределение биомассы в пользу корней -адаптивная реакция, которая обеспечивает приспособление растений к таким видам стресса, как недостаток элементов минерального питания и воды (Усманов и др., 2001).
Ассимиляционный аппарат сосны под воздействием фитоценотического стресса изменяется в большей степени, чем у лиственницы. Длина годичных боковых побегов и масса хвои сосны под влиянием стресса на участках с максимальной густотой уменьшились в 3.5 раза, длина хвои - в 1.5, а масса хвои - в 3.5. Аналогичное уменьшение массы хвои у ели белой отмечается в эксперименте при снижении интенсивности освещения (Nunemets, Kull, 1995). Длина побегов лиственницы в тех же условиях снижается лишь на 30%, длина хвои изменяется незначительно, масса хвои при этом снижается в 2 раза. У самосева лиственницы Гмелина с увеличением густоты длина годичных боковых побегов также значительно снижалась, а длина хвои в группах с густотой 300, 500 и 900 тыс.экз./га значительно не менялась, хотя была в 2 раза меньше, чем на контрольном участке (табл. 3.2). Различия между сосной и лиственницей связаны, по-видимому, с различной интенсивностью изреживания в посадках и видовыми особенностями этих пород, в частности, с листопадностью лиственницы.
Чтобы оценить вклад метаболитов в развивающиеся побеги и хвою, было проведено измерение длины годичных побегов и длины и массы однолетней хвои, сформировавшихся летом 2000 года (табл. 3.3). Длина годичных боковых побегов сосны на контрольном участке была больше, чем у деревьев с участков густоты 10 и 128 тыс. экз./га в 16 и 32 раза, соответственно. Это практически в десять раз превышает разницу между деревьями с разных участков густоты по результатам осени 1999 года (см. табл. 3.2). У лиственницы на участке 10 тыс. экз./га длина годичных боковых побегов по сравнению с контрольными деревьями была меньше в 5 раз. У деревьев с участка 128 тыс.экз./га годичных боковых побегов не было обнаружено.
Азотсодержащие соединения
В древесных растениях в связи с преимущественным развитием системы проводящих тканей потребности в ассимилятах на построение древесины конкурируют с затратами на рост ассимиляционного аппарата и поддержание жизнедеятельности всего дерева. Значительные масштабы ксилогенеза требуют создания соответствующих резервов, обеспечивающих устойчивость в стрессовых ситуациях (Романова, Судачкова, 1990). Поэтому для определения обеспечения процесса ксилогенеза необходимыми метаболитами в органах и тканях деревьев исследовали содержание основных запасных веществ хвойных: жиров, белков, крахмала, а также низкомолекулярных форм углеводов. Также изучали содержание свободных аминокислот, важных с точки зрения синтеза белков и фенольных соединений, выполняющих многообразные важные функции в растениях, в том числе использование их в качестве запасного энергетического материала.
Азота является одним из главных процессов, определяющих жизнедеятельность и продуктивность растительного организма. При этом из всех элементов минерального питания азот является, как правило, самым дефицитным и, следовательно, одним из лимитирующих рост хвойных элементом, особенно на севере (Прокушкин, 1982; Поздняков, 1986; Чернобровкина, 2001). Хвоя играет роль весьма существенного депо метаболитов, расходуемых в течение многолетних циклов на построение вегетативной массы растения (Козина, 1995). В осевых органах происходит депонирование, переработка, распределение и перераспределение азотсодержащих метаболитов (Измайлов, 1986). Поэтому содержание азота определялось в хвое и в лубе годичных боковых побегов, ствола и корней деревьев.
Содержание общего и белкового азота в хвое и лубе сосны обыкновенной и лиственницы сибирской в посадках различной густоты осенью 1999 года представлено в таблице 4.1.
С увеличением густоты посадки при расчете содержания азота на сухое вещество обнаруживается достоверное повышение концентрации общего и белкового азота в хвое и лубе побега текущего года сосны, а также и в лубе ствола лиственницы осенью. Достоверное снижение содержания общего и белкового азота наблюдается в лубе побега и корней лиственницы. В остальных вариантах различия недостоверны, но преобладает тенденция к увеличению концентрации азота в тканях с усилением фитоценотического стресса. Разнонаправленные изменения концентрации с увеличением густоты наблюдаются и в содержании белкового азота. Увеличение концентрации азота отмечалось при изучении влияния материнского полога на самосев (Судачкова, Ачиколов, 1965; Журавлева, 1968). В 40-летнем сосняке, несмотря на значительное снижение прироста терминальных побегов у угнетенных деревьев сосны по сравнению с деревьями господствующего полога, содержание общего, белкового и небелкового азота в их растущих органах - почках, почках-побегах, молодой хвое совпадало (Чернобровкина, Успенская 1988). Таким образом, растение при любых условиях мобилизует свои резервы на обеспечение необходимого количества метаболитов для поддержания обмена веществ в наиболее жизненно важных центрах.
Сравнение уровня азота в посадках различной густоты показало, что содержание общего и белкового азота в запасающих тканях у лиственницы больше, чем у сосны. При этом в хвое сосны по сравнению с другими тканями наблюдалось максимальное содержание азота. У лиственницы содержание общего и белкового азота наибольшим было в лубе молодых побегов и ствола, при достаточно низком уровне содержания азота в хвое (Plaksina, 2000).
Хвоя текущего года сосны летом отличается большим содержанием азота, по сравнению с осевыми органами, что согласуется с известными закономерностями азотного обмена развивающихся побегов хвойных (Судачкова, 1977).
Причиной повышения концентрации азота в тканях при фитоценотическом стрессе может быть изменение соотношения паренхимных и сосудистых элементов. Как отмечает Н. П. Чернобровкина (2000), не только общее содержание азота и белков в расчете на единицу сухой биомассы органов являются показателем обеспеченности азотом хвойного растения. Также в качестве такого показателя может выступать содержание азотных соединений в расчете на отдельные органы и ткани или на целое растение. Поэтому для оптимального сравнения обеспеченности азотом угнетенных и свободнорастущих деревьев производили пересчет содержания азота из удельного содержания в единице абсолютно сухой массы на отдельные органы и ткани деревьев. Расчет производился на 100 хвоинок и на 1 см2 луба, обеспечивающего питательными веществами равноценную площадь камбия, осуществляющего процесс ксилогенеза.
При пересчете на 100 хвоинок содержание как общего, так и белкового азота при увеличении густоты посадки снижается на участках максимальной густоты, по сравнению с контрольными деревьями, более чем в 2 раза у сосны и в 1.5-2 раза у лиственницы (рис. 4.1). В лубе различия еще значительнее: на единицу камбиальной поверхности ствола содержание азота в варианте с максимальной густотой посадки снижается у сосны и лиственницы в 4 раза, на единицу камбиальной поверхности скелетных корней у сосны в 6 раз, а у лиственницы - менее чем в 4 раза. Также было выявлено снижение содержания азота при пересчете на 100 хвоинок и на единицу камбиальной поверхности ствола деревьев сосны и лиственницы летом (рис. 4.2.).
У самосева лиственницы Гмелина содержание как общего, так и белкового азота уменьшается примерно в 3 раза во всех тканях при возрастании густоты произрастания от 20 до 900 тыс.экз./га (табл. 4.3.). Видимо, такая реакция, отличная от полученной на 19-летних деревьях сосны и лиственницы, объясняется слишком высокой густотой произрастания.
