Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Азот в белках прорастающих семян лиственниц Гмелина и сибирской

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Азот в белках прорастающих семян лиственниц Гмелина и сибирской"

На правах рукописи

Саднлова Марина Юрьевна

АЗОТ В БЕЛКАХ ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЯН ЛИСТВЕННИЦ ГМЕЛИНА И СИБИРСКОЙ

03.00.16 - Экология

ЛЫ

7

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск, 2005

Работа выполнена в лаборатории лесоведения Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН, г.Красноярск

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 ! 0 часов на заседании диссертационного совета Д 003 056.01 в Институте леса им. В.Н Сукачева СО РАН по адресу 660036, Красноярск. Академгородок, факс- (3912)43-36-86; E-mail: institute @ forest.akadem.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иистит\1а леса им ВН. Сукачева СО РАН

Автореферат разослан « 2< » октября 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного i

кандидат физ.-мат. наук I __А В. Шашкин

диссертационного совета [

2DQQ-4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. 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 путях 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 содерлщния_ в них общего и

белкового азота. I РОс- национальная i

i библиотека /

1 ' _ ¿"ТЙ (fj

2116310

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 физиолого-биохимическом 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 лесокультурной практике для отбора семян при выращивании 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 работы. Основные положения работы докладывались на семинаре лаборатории лесоведения, на конференции молодых ученых Института леса им. В Н Сукачева (Красноярск, 2003), Международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых (Абакан, 2003), IV международной ботанической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2004), Международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера» (Петрозаводск, 2004), Всероссийской конференции в честь 60-летия Института леса СО РАН (Красноярск, 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 языке. Текст иллюстрирован 33 рисунками, включает 7 таблиц и 4 приложения. Общий объем составляет 142 страницы.

Благодарности. Автор благодарит научных руководителей д,б.н., с.н.с. С.Г. Прокушкина и к.б.н., с не. Зражевскую за методическую и организационную помощь в работе над диссертацией. Автор выражает искреннюю признательность д б.н., проф. А П. Абаимову и д.б.н, в.н.с. Г.С. Вараксину за помощь в сборе семян для исследований. Диссертационная работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 815-092, 2004 г.), исследования были включены в интеграционный проект СО и ДВО РАН №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 анатомо-морфологических особенностях семян хвойных и содержании азотистых соединений в них. Показаны основные этапы формирования запасных питательных веществ при созревании семян. Рассмотрены причины гетерогенности семян и особенностей плодоношения хвойных пород из разных регионов 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 адаптационная 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 Гмелина 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 шишки с 20-30 деревьев I - II 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 колоримегрированием [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.

Порода Область, лесхоз Лесорастительная зона Вегетац период (дни) Кол-во осадков (мм) Период te5°C (сут) top июля t«. янв

Lanx gmehmi Ц Эвенкия Эвенкийский л/э, п Тура северная тайга 67 350 110 14 -36

L qmehnii Читинская обл , Читинский л/з среднегорныи пояс хр Черского 71 300 110 16 -26

L sibinca Красноярский кр, Талнах лесотундра 67 440 90 13 -35

Красноярский кр, Богучанский л/з южная тайга 86 350 139 18 -24

Тыва, Шаганарский л/з среднегорный пояс Танну-Ола 71 400" 120 12 -20

Тыва, Каа-Хемский л/з среднегорный пояс Танну-Ола 71 250 120 14 -25

Тыва, Тес-Хемский л/з степная 112 200 150 16 -26

Pinus sylvestns Красноярский кр, Енисейский л/з средняя тайга 86 400 140 17 -23

Picea obovata Красноярск кр, Таежинский л/з лесостепь 112 450 140 18 -21

Иркутская обл, Усольский л/з среднегорный 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: 0 - воздушно-сухие семена, I - стадия набухания, II - стадия стимуляции зародыша, III и IV - 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, USA) - в 3-х аналитических повторностях, затем семена фиксировались жидким азотом и далее в них определялось содержание азота отдельных белковых

фракций: водо-, 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 MS Excel, в соответствии с методами вариационной статистики [Лакин, 1973; Плохинский, 1978]. Достоверность результатов оценивалась по критерию Стьюдента с уровнем значимости Р=0,05.

ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА В СЕМЕНАХ ХВОЙНЫХ ПОРОД СРЕДНЕЙ И ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ И ИХ 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:

so

45 '

5 »i fa

i ikkidU

1 2 3 4 5 6 7

■ энергия прорастанш и обиуш азот ■ белковый азот В лабораторная воояесгь

■ псгэщюгъная вхяестъ

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., 1999-99гт.;

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 (г= 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 повышение 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.).

Полученные данные были сопоставлены* с погодными изменениями за рассматриваемый период (среднемесячные температуры и среднее количество осадков в июне, июле и августе в год урожая 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: гМ),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:

во -< 50 ~

.-40-1

I

12° -1 I

о ■

1990 1999 2000 2002 2003 2004 1990 1999 2000 2002 2003 2004

годы урожая годы урожая

Рисунок 2. Посевные качества семян лиственницы Гмелина (А) и содержание в них общего и белкового азота (Б), в зависимости от количества осадков и среднемесячных температур воздуха. ,

Большое количество осадков в июне может ухудшать распространение пыльцы, 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 АЗОТА В ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЕНАХ ЛИСТВЕННИЦЫ ПРИ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

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 -рег> 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 разным экологическим условиям -исследованы недостаточно.

В эксперименте для выявления изменения качественного и количественного состава отдельных фракций белка при прорастании семян использовались только жизнеспособные

L gmelinu Ц Эвенкия

- L sibinca Талнэх

- L sibinca Богучаны

- L sibirica Тыва

I II III

стадии прорастания

L gmelirw Ц Эвенкия L sibinca Тэтах

- L sibinca Богучаны

- L sibinca, Тыва

I II III

стадии прорастания

В:

Г:

L gmefinii Ц Эвенкия

- L sibinca, Талнах -L sibinca Вогнаны

- Lsibinca, Тыва

I II III IV стадии прорастания

Lgmefirar, ЦЭвешия

- L sibinca, Та/пах

- L sibinca, Богучаны

- L sibinca, Тыва

I II III

стадии прорастания

Рипиок 3. Изменение содержания альбуминов (А), глобулинов (Б), проламинов (В) и глютелинов (Г) в процессе прорастания семян лиственницы при оптимальной температуре, семена лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина, отобранные методом рентгенографии. Выявлено, что при оптимальных температурных условиях фракционный

* Примечание анализ семян лиственницы Гмелина из Читинской обл сделан только на 0 и IV стадиях прорастания (см. рис. 5)

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 лиственницы 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, возможно, происходит из-за утилизации запасных штьбуминов в зародышевой 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 глобулинов 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. МтатУсалуа (1983) и Э.Я. Миггау (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 эволюции как один из физиолого-биохимических 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).

Мы предполагаем, что это связано с возрастанием числа мембранных органелл -митохондрий и пластид - у растений холодных местообитаний, а также с участием мембранных белков в защитных механизмах клеток.

- -ф- • I. дте1|пн ц Эвенкия —¿>—I $|Ь(пса, Талнах —о— 1.5|Ь|Пса. Еэогучаны —■— и 5|Ь>пса, Тыва

стадии прорастания

Рис>нок. 4. Изменение содержания нерастворимой фракции 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 было 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 происходило в основном за счет уменьшения содержания глобулинов, в то время как в семенах южного климатипа - за счет уменьшения всех форм растворимого белка.

■ нерастворимые (Ш глютелины

□ пр^оламины ш глобулины

□ альбумины

О IV

стадии прорастания

Рисунок 5. Содержание отдельных белковых фракций в семенах северного (А) и южного (Б) климатипов лиственницы Гмелина на 0 и IV стадии прорастания при оптимальной температуре.

Следует отметить, что при анализе этих же семян без учета их жизнеспособности, было 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.

• Семена южного климатипа лиственницы сйбирской (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 поверхностных струюур, надежно защищающих их от холода. Следовательно, клетки северных и высокогорных видов должны сами поддерживать свой метаболизм на достаточно высоком уровне. Предполагается, что именно белки играют основную роль в адаптации растений к неблагоприятным условиям существования ройников и др., 1989; Прокушкин, 1992; Кузнецов и др., 1993; Алексеев, 1994; Судачкова и др., 1997,1998; Ступникова и др., 2001].

А: Б:

а оптимальная температура ■ -а- - контрастная температура

-—оптимальная температура • - контрастная температура

I II III IV

«

стадии прорастания

I II III

стадии прорастания

В:

Г:

-оптимальная температура • контрастная температура

5

I

4 -I

Ч 2

1 1

0 -I

—й—оптимальная температура ■ -а- - контрастная температура

I II III

стадии прорастания

IV

•х...-.....{

I II III IV

стадии прорастания

Рисунок 6. Содержание альбуминов в прорастающих семенах лиственниц в 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

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

I II III

стадии прорастания

IV

3 о 12 -

<0 * 10 -

8 н

я

о (0 6 -

1 X 4

а а> 2 ^

5 О 0 -

0

- оптимальная температура • контрастная температура

I II III

стадии прорастания

IV

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:

I

-оптимальная температура - контрастная температура

I II III

стадии прорастания

-оптимальная температура - контрастная температура

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.

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

О I II III IV

стадии прорастания

—%—оптимальная температура - -О - контрастная температура

16 -

О I 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 темперачуры.

Содержание нерастворимой фракции белка у большинства изучаемых семян лиственниц 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 данные подтверждают высказанное нами в 4 главе диссертации предположение о важной роли нерастворимого белкового азота в повышении устойчивости растительной клетки к неблагоприятным условиям прорастания.

ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДЫХАНИЕ ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЯН ЛИСТВЕННИЦ ГМЕЛИНА И СИБИРСКОЙ

Дыхание является главным источником энергии растений. От адаптивных возможностей дыхания в изменяющихся условиях среды (от оптимальных до экстремальных), 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; Семихагова, 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 С02/г а.с.м./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 IV стадии прорастания.

В целом, при прорастании семян отмечены два этапа изменения интенсивности их дыхания: медленное возрастание - с I по II 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.

- -1. дте!1, Ц Эвенкия —я—I- в1Ь)г, Тыва

> I э1Ыг , Богучанский р-он —^— I. б1Ыг , Талнах

стадии прорастания

Рисунок 10. Интенсивность дыхания прорастающих семян лиственницы Гмелина 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. 11 А - Г). У некоторых семян на стадии набухания интенсивность дыхания при

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 II стадии прорастания

В:

- контрастная температура -оптимальная температура

- контрастная температура -оптимальная температура

I II III стадии прорастания

IV

1,4-, 1,2 -I 1 ^ 0,8 н 0,6 -0,4 -0,2 1 0 ~

- контрастная температура —оптимальная температура

Л-5--о

гТ.«

I II III IV стадии прорастания

Рис. 11. 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.

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 климатипа лиственницы является одним из механизмов адаптации к экстремальным условиям Севера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лесные экосистемы 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-морфологических особенностях 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;

5 При оптимальной температуре проращивания не выявлено сущес1 венных отличий в интенсивности дыхания между семенами двух видов лиственницы, в то время как при контрастной температуре такие отличия были показаны;

6 Дыхание семян лиственницы сибирской снижалось при контрастной температуре, в то время как у семян северного климатипа лиственницы Гмслина 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 длитечьной 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 VIII 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 E.H., Реунова Г.Д., Козыренко М.М , Аргюкова Е В , Ларионова А Я , Прокушкин С.Г., Константинов Ю М., Седельникова Т С, Пименов A.B., Яхнева Н.В., Садилова М.Ю, Велисевич С.Н., Исаев А П. Популяционно-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.

$20 4 82

РНБ Русский фонд

2006^4 22378

УОП ИЛ СО РАН Заказ №391, тир. 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Садилова, Марина Юрьевна

Введение 3

Глава 1. Физиолого-биохимические свойства семян хвойных 8

1.1. Анатомическое строение семян хвойных растений 8

1.2. Виды покоя семян и его особенности у семян хвойных 9

1.3. Гетерогенность посевных качеств семян разного происхождения 12

1.4. Азотный обмен и его роль в онтогенезе растений 15

1.5. Образование запасных питательных веществ в семенах 19

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

1.8.1. Физиология и биохимия основных этапов прорастания 25 29 семян

1.8.2. Состав азотистых веществ при прорастании семян 29

1.8.3. Влияние температуры на прорастание семян и биохимические превращения в них

1.9. Дыхание семян и его связь с азотным обменом 36

Глава 2. Объекты и методы исследования 42

2.1. Характеристика объектов и районов исследования 42

2.2. Методы определения посевных качеств семян хвойных видов 52

2.3. Методы определения азотистых веществ в семенах 54

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

Глава 3. Содержание азота в семенах хвойных пород Средней и ^ ^ Восточной Сибири и их посевные качества

3.1. Посевные качества семян хвойных пород 64

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 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

Введение Диссертация по биологии, на тему "Азот в белках прорастающих семян лиственниц Гмелина и сибирской"

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:

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 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 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:

1. «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.

3. «IV международная ботаническая конференция молодых ученых» -С.-Петербург, 2004.

4. «Проблемы физиологии растений Севера» - Петрозаводск, 2004.

5. «Структурно-функциональная организация и динамика лесов», Всероссийская конференция, посвящ. бОлетию Института леса СО РАН -Красноярск, 2004.

6. «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» - Красноярск, 2004.

7. «Биоразнообразие природных и антропогенных экосистем», III Молодежный 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.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Садилова, Марина Юрьевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лесные экосистемы 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-морфологических особенностях отдельных органов и тканей, но, в большей степени, в изменениях их метаболизма, что проявляется уже на начальных этапах прорастания семян.

В связи с этим возник интерес к изучению особенностей белкового обмена на ранних стадиях развития семян хвойных видов.

Выполненные исследования выявили различия не только в содержании азота и посевных качествах семян хвойных разных климатипов, но и в механизмах преодоления ими температурного стресса за счет изменения качественного и количественного состава фракций белка.