Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биохимическая адаптация сосны обыкновенной к низким температурам

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Биохимическая адаптация сосны обыкновенной к низким температурам"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт леса имени В. Н. Сукачепа

На правах рукописи

М И Л Ю ТИНА Инна Леонидовна

УДК 63:1877.3:581.522.4:577.1.15

Биохимическая адаптация сосны обыкновенной к низким температурам

03.00.10 - Экологии 03.00.12 — Физиологии растений

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск' 1994

Работа выполнена в лаборатории биохимии древесных растений Института леса имени В. Н. Сукачева СО РАН

Нпучпмм руководитель:

доктор биологических наук, профессор Н. Е. Судачкова

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук В. М. Гольд

кандидат биологических паук Г. В. Осетрова

Ведущая организация:

Центральный сибирский ботанический сад СО Ран

Защита диссертации состоится « ££ » .л^^/.^ь^ея^. 1994 г. в / У часов на заседании Специализированного совета Д 002.70.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте леса им. В. Н. Сукачева по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, ИЛ им. В. Н. Сукачева СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН.

Автореферат разослан 1994 года

Учепый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

А. Я. Ларионова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность те ¡д. Сосна обыкновенная (Ршиг вИл-ее-Ьг^Б ь.). одна из основных лесооОразуккдх пород нашей страны, - вид с очень обширным естественным ареалом, произрастающий в разных климатических, физико-географических и геоботанических областях и зонах и имеющий много внутривидовых категорий, наиболее полная сводка которых дана Л.Ф.Правдиным (1964). Сосна на территории Сибири испытывает в разных частях своего ареала воздействие целого ряда неблагоприятных экологических факторов - засухи в лесостепной зоне, корневого анаэробиоза на переувлажненных болотных почЕах, длительно-сезонной мерзлоты в северных районах. Виды с естественным широким географическим распространением почти всегда образуют на краях ареала популяции, адаптированные к местным экологичесиж условия?,?. Для сосны в Сибири на северной границе ее ареала вакнейишми лимитирующими климатическими факторами являются низкая температура воздуха и, особенно, кор-нейбитаемого слоя почвы, а такке короткий вегетационный период, поэтому актуальность проблем выяснения способов адаптации сосны к гипотермии не вызывает сомнений. Известно, что интродукция сосны из популяций, произрастающих в центре ареала, в северные регионы практически мало осуществила, так же как и обратный процесс, что свидетельствует о масштабности и глубинности адаптивных перестроек метаболизма растений. Исследование естественных и штродуцированных популяций позволяет выделить генетически закрепленную долю адаптации, а также судить о возможности реакклиматизации краевых популяций.

В решении задачи изучения степени приспособленности популяций растений к низкотемпературным условиям существовать наиболее перспективным в настоящее время становится физиолого-окохи-мический подход, при котором возможно выявление различных механизмов адаптации, реализующихся при воздействии стресса различной силы и длительности. Изучение механизмов биохимической адаптации целесообразно проводить на ферментативном уровне, точнее отражающем взаимодействие стрессовый фактор-организм по сравнению с уровнем содержания метаболитов.

В связи с этил возникла проблема исследования неспецифической и специфической реакции ферментов сосны при кратковремен-

ном искусственном и длительном природном низкотемпературном стрессе.

Цели и задачи исследования. Исходя из актуальности рассмотренных цроблем, основная цель настоящей работы - исследование изменения свойств ферментов при адаптации к гипотермии у сосны обыкновенной различного происхождения. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1) изучение влияния кратковременного низкотемпературного стресса на активность ферментов в тканях и органах сеянцев сосны

2) анализ годичной динамики уровня общей активности ферментов инвертазы и малатдегидрогеназы в хвое Езрослых деревьеь сосны различного происхождения;

3) исследование кинетических характеристик - термостабильности, температурного коэффициента реакции, энергии активации \ сродства к субстрату этих же ферментов в интродуцированных I природных популяциях сосны:

4) оценка внутри- и межпопуляционной изменчивости свойст! ферментов.

Научная новизна работы. В работе впервые было изучено влияние кратковременного искусственного низкотемпературного стрессг на целый ряд ферментов в тканях и органах сеянцев сосны и выявлено пять ферментов, однонаправлекно изменяющих свою активност] под воздействием стресса во всех частях сеянцев, что допускае' их применение как биоиндикаторов стрессового состояния шениль-ных растений сосны.

Вп&рвые для древесных растений наряду с определением обще! активности ферментов проведено исследование и основных кинети ческих свойств ферментов - термостабильности, температурного ко ффивдента ферментативной реакции, энергии активации и сродства : субстрату. Показано, что в отличие от уровня общей ферментатив ной активности значения кинетических характеристик ферментов мо гут служить критерием степени приспособленности популяции сосн к низким температурам. Отмечена тесная корреляционная связь величин температурного коэффициента и термостабильности инвертазы с температурно-климэтическим параметром района естественного произрастания популяции'сосны - суммой эффективных температур.

Практическая ценность. Настоящая работа направлена на изу чение метаболических механизмов, обеспечивающих адаптацию сосн

к низкотемпературному стрессу различной длительности. Использование кинетических, свойств ферментов в качестве биохимических маркеров степени адаптации популяции сосны к низким температурам среды кокет быть полезно в интродукционной и генетико-селеквд-онной работе, а такке в вопросах экологии и систематики вида для выделения отдельных популяций как климзтипов, географ;!- ' ческих рас и т.п. Физиолого-биохимический подход к решению экологической проблемы взаимоотношений отдельных растений и целых популяций с факторами окружающей среды выводит ее на качественно новый уровень и открывает перспективы для дальнейших исследований.

Апробация работа. Материалы диссертационной работы докладывались на конференции молодых ученых Института леса и древесины (Красноярск, 1983); II Всесоюзном симпозиуме "Биологические проблемы Севера" (Якутск, 1986); Международном симпозиуме "Экологическая физиология хвойных" (Абакан, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

структура и объем работы. Диссертация состоит из Еведения, обзора литературы, методической части, двух экспериментальных глав, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем работы 159 страниц машинописного текста, включая 16 таблиц и 21 рисунок. Список литературы включает 167 наименований, из них 104 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. БЛИНКЕ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ НА СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

В обзсре литературы анализируются данные о влиянии антропогенных, биогенных и природных стрессов на ферментные системы древесных растений. Показана слабая изученность ответной реакции ферментов на воздействие стрессов, особенно природных, вследствие чего остается открытым вопрос о механизмах метаболической адаптации древесных растений к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Более подробно рассматриваются способы низкотемпературной адаптации ферментных систем растений. Отмечается, что наряду с

общей ответной реакцией на стресс, заключающейся в изменении активности и (или) изоэнзимного состава, у ферментов растений широко распространена и специфическая реакция на гшотермический стресс, проявляющаяся в модификации кинетических свойств ферментов. Этот феномен зафиксирован в основном у травянистых растений (имеются лишь единичные данные для древесных), что ставит проблему необходимости изучения способов адаптации к гипотермии ферментных систем древесных растений.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования служили 22-25-летниэ географические культуры сосны обыкновенной, заложенные на стационаре Института леса "Погорельский бор" под Красноярском В.Л.Черепниным, а также одноЕозрастные деревья из естественных насаждений на территории Волчихикского лесхоза Алтайского края и Якутского стационара Института леса. Географические и климатические характеристики районов происхождения изученных климатипов приведена в таблице 6.

Биохимический анализ проводился на однолетней и полностью сформированной молодой хвое, взятой с 5-7 мутовок у ю деревьев. Среднюю навеску хвои измельчали,- растирали с Дауэкс 1ха, экстрагировали 0,1 U цитрат-фосфатным буфером рН 7,5 для инвертазы и о,1 М Ооратным буфером рН 8,5 для малатдегидрогеназы (ИДГ) и центрифугировали. Супернатант очищали на колонке с сефадексом G-50 и в элюате определяли активность инвертазы и МДГ по стандартным методикам (Sumner, Howell, 1935; Кретович, Северная, 1970). Кинетические характеристики ферментов изучали при температурах 7, 18 и 35° и концентрации субстрата - сахарозы от 1,5 до 45 ммоль для инвертазы и температурах 5, 20 и 35° и концентрации оксалоацетата от 10 до 400 мкмоль для малатдегидрогеназы.

Оптимальные значения рН определяли при варьировании рН среды от з,о до 7,0 для инвертазы и от 6,0 до 11,0 для МДГ. Термостабильность ферментов изучали измерением их активности после предварительной инкубации ферментного препарата при температуре 25, 35, 45, 55 и 65° в течение 15 мин, а также после различного по длительности (5-30 мин) прогревания ферментного препарата при 55°.

Величина энергии активации ферментной реакции рассчитывалась по формуле:

Т1 * Т2

Е = и - 1п о (Благовещенский, 1966).

Т2 "

Для сравнимости результатов значения температурных козс^-циентов реакций в различных температурных диапазонах пересчкты-вались на величину а10 (Хочачка, Сомеро, 1988):

«10 =

пу 10

т -1? ±2 11

Константа Михаэлиса рассчитывалась по методу Лайнулве-ра-Бэрка путем определения методом наименьших квадратов угла наклона линии регрессии в системе двойных обратных координат 1/У и 1/Э при концентрациях субстрата, нике насыщающих. Из уравнения Михаэлиса-Ментен точка пересечения линии регрессии с осью л/в соответствует величине 1/Нт(Диксон, Узбб, 1982).

Индивидуальная изменчивость изучалась путем определения активности ферментов в хвое ю отдельных деревьев.

Анализ мекпопуляционной изменчивости свойств фермента проводили путем измерения активности инЕертазц при температурах 5° и ю° и концентрации субстрата з ммоль для расчета Ееличшш температурного коэффициента и определения отношения активности фермента ■ после 15-мннуткого прогревания ферментного препарата при 55°С к исходному уровню активности для показателя термостабильности. Отбор образцов и получение ферментного препарата осуществлялись описанными вше способами.

Опыт по изучению влияния искусственного кратковременного низкотемпературного стресса проводили на полуторамесячных сеянцах соснн, охлаждая их ризосферу до температуры почвы +1-3° в течение ю дней. Температура почвы у контрольных растений составляла 14-17°. После завершения опыта сеянцы разчленяли на молодую хкою с семядолями, гипокотили и корни. Ферментные препараты получали описанным вше способом со следующими модификациями: в качестве экстрагирующего буфера применяли 0,01 М трис-НС1 буфер рН 7.2, гель-фильтрацию осуществляли на колонке с сефа-

дексом G-75. В элюате определяли активность пероксидазы с двуш субстратами - гваяколом и бензидином, кислой фосфатазы, ИУК-оксидазы, инвертазы, амилазы, р-глюкозидазы, малатдегидроге-назы и алкогольдегидрогеназы. Часть элюата осавдали холодны! ацетоном, в осажденных белковых препаратах определяли активное?] каталазы и фенилаланин-аммигк-лиазы. Определение активности ферментов проводили по стандартным методикам.

Все измерения проводили в 3-6 позторностях. Активность ферментов рассчитывали по количеству продукта, образовавшегося за ■ мин, на 1 г абсолютно сухого вещества.

Статистическая обработка результатов и графическое оформление проводились с ПОМОЩЬЮ программ StatGraphics и Quattro Pro.

Глава 3- ВЛИЯНИЕ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

Воздействие 1фатковременного низкотемпературного стресса ризосфере сеянцев сосны вызывает неоднозначную реакцию актив ности ферментов в различных частях сеянцев. Из 11 изученных фер ментов только пять однонаправленно изменяют свою активность в всех частях сеянцев сосны под влиянием гипотермии, повышая е (инЕертаза, амилаза, ИУК-оксчдаза, МДГ) или снижая (АДГ) (Ta6j 1).

Для исследования ответной реакции ферментов сосны на дле тельный, в течение многих поколений, гипотермический стресс был выбраны1инвертаза - фермент метаболизма низкомолекулярных paci воримых углеводов (способных, как широко показано, осуществля1 криопротекторную функцию) и малатдегидрогеназа - фермент, учас: нунций в фиксации С02, образовании НДДН и в процессах фотодых! ния.

Изучение механизмов генотипической адаптации сосны к низю температуре проводилось путем сравнительного исследования дани ферментов у популяций, происходящих из разных климатических pi гионов - Центральной Якутии и Алтайского края.

Таблица 1.

Активность ферментов в тканях и органах сеянцев сосны обыкновенной при охлаадении, % к контролю

Фермент Хвоя + семядоли Гипокотшш Корни

Пероксидаза

гвзяколспецифичная 77 201 257

Пероксидаза

бензидинспецифичная 82. 152 248

Каталаза 9 15 420

ИУК-оксвдаза 134 183 220

Инвертаза 174 110* 214

Амилаза 304 161 254

р-глюкозидаза 73 108* 200

Фосфатаза 92* 352 463

Алкогольдегидрогеназа 25 24 43

Малатдегидрогеназа 131 235 376

Фенилаланин-аммиак-лиаза 19 90 104*

Примечание. * - различия недостоверны.

Основные экспериментальные данные были получены Еа этих климатипах в географических культурах, что дало возможность вычленить генотипическую компоненту адаптации за счет исключения для естественных насаждений различий в эдафическом фоне и погодных Еариаций и для географических культур - различий в дифференцированной фенотипической адаптации, возникшей при интродукции популяций.

Опытные географические культуры сосны якутского и алтайского происховдения резко отличаются по морфологическим показателям (Табл. г).

Одновозрэстные насаждения сосны в естественных местообитаниях и в географических культурах имеют сходные величины морфологических параметров у деревьев алтайского климатипа. Можно лишь отметить, что в естественных насаждениях значения этих ла*-раметров для стволовой части несколько выше, в для фотосинтези-

Таблица 2.

Биометрические характеристики соснн обыкновенной якутского и алтайского климатипов из географических культур и естественных местообитаний

Параметр Географические Естественные

культуры местообитания..

якутский алтайский якутский алтайский

климатип климатип климатип климатип

Возраст, лет 23 23 24 20

Высота, м 7,2+0,7 13,5±0,6 9,8+0,6 14,1+0,8

Диаметр (11=1,3м), см 8,Э±0,5 15,3±0,4 10,0+0,4 16,0±0,5

Длина однолетних тер-

минальных побегоЕ, см 7,6±0,6 Ю,7±0,5 9,2+0,8 10,3±0,4

Длина однолетней хвои,мм 30,8+0,8 50,4±0,6 37, 4±0,9 45,9±0,7

Масса 1 однолетней хво-

инки, мг 18,5±0,3 43,9±0,4 26,0+0,3 38,7±0,3

рувдих органов ниже по сравнению с географическими культурами. В то же время абсолютно все биометрические характеристики у якутской сосны из географических культур ниже, чем у сосны, растущей в естественных природных условиях. Этот факт свидетельствует о глубине адаптивных перестроек метаболизма, необходимых для существования сосны на северной границе ее ареала, но значительно осложняющих ее интродукцию в районы с более благоприятным климатом.

С целью изучения соотношения общей активности инвертазы и малатдегидрогеназы в разное время года было предпринято изучение сезонной динамики этих ферментов в хвое географических культур сосны якутского и алтайского происхождения. Результаты показывают, что не существует принципиальных различий в годичной динамике ферментативной активности у сосны алтайского и якутского происхождения как для инвертазы, так и для малатдегидрогеназы (Рис. 1). Соотношения уровней общей активности обоих ферментов у сосны якутского и алтайского климатипов в течение года не постоянны,

2520-

115-хЮ" ^ 5-1

л

Ни

■два

I II III Ш и III ип иш IX X XI XII Месяци

Пэлатд егидрогеназа

i ii ш

и

XI XII

и1 ии иш IX Месяцы

Е?уГ*3 северный климатип И-Ч-Й омиыЯ клинатил

Рис. 1. Годичная динамика активности ферментов хвои сосны различного происхождения

более того, если актишость инвертазы е однолетней хвое сосны северного климатипа выше по сравнению с южным, то для МДГ этот феномен' полностью отсутствует.

Выявленные различия в соотношении уровней общей активности инвертазы и малатдегидрогеназы хвои сосны северного и южного происхождения в разные сезоны года позволяют сделать еьшод о практической невозможности использования этих показателей в качестве одной'из характеристик клшатипа. Если в случав кратковременного воздействия гипотермии зафиксирована отчетливая ответная реакция - увеличенная активность инвертазы и МДГ, которая может рассматриваться как достаточно надежный биодиагностическкй признак адзптации растений сосны к низкотемпературному стрессу, то развитие длительной адаптации к низким температурам окружакь щей среды, особенно в корнеобитаемом слое почвы, не сопроааэда-ется стабильным изменением активности ферментов у сосны северно-

го происхождения.

Отмечен достаточно высокий уровень индивидуальной изменчивости общей активности ферментов, коээфициент вариации этого показателя составляет около 10% для инвертазы, достигая у МДГ 35%.

Для оценки ситуации, которая может иметь место при одномоментном определении уровня активности фермента у сосны нескольких различающихся климатипов, была изучена активность инвертазы в хвое 13 климатипов из географических культур сосны, произрастающих е естественных условиях на территории от 48 до 64° с.ш. и от 26 до 130° в.д. Зафиксировано отсутствие закономерностей в изменении этого показателя при рассмотрении как всех исследованных популяций, так и их отдельных групп. Для близких по температурно-климатическим условиям произрастания алтайской и минусинской популяций сосны отмечено более чем двукратное различие в уровне активности фермента, а у контрастных ростовской и читинской популяций наблюдаются практически равные значения ин-вертазной активности.

Глава 4. ИЗМЕНЕНИЕ. КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРМЕНТОВ СОСНЫ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АДАПТАЦИИ

Проведено сравнительное изучение кинетических свойств - оптимума рН, термостабильности, температурного коэффициента реакции, энергии активации и сродстЕа к субстрату ферментов инвертазы и малатдегидрогеназы хвои сосны северного и южного происхождения.

Выявлена идентичность реакции ферментов хвои сосны якутского и алтайского климатипов на изменение величины рН при практическом отсутствии в.шяния температуры на оптимум рН. Термостабильность инвертазы и малатдегидрогеназы у якутской сосны заметно ниже 'по сравнению с алтайской, отмечена большая подверженность МДГ тепловой денатурации (Рис. 2).

Показано, что при определении температурного, коэффициента и энергии активации ферментов в высокотемпературном интервале (1835° для инвертазы и 20-35° для малатдегидрогеназы) их величины мало отличаются у сосны северного и южного климатипов (Табл. з и 4, значения температурных коэффициентов для сравнимости резуль-

е- 50

Я

Инэертаза

"20 30 40 50 60 Температура, ° С

10 20 Время, мим

Палатдегидоогеназа

30 40 50 60 Температура, о С - алтайский климатил

Л00

Палатпегидрогеназа

10 20 Время, мим ■ягсцтский климатип

Рис. 2. Термостабильность ферментов хвои сосны различного происхождения после прогревания при разной температуре (А) и разного по длительности прогревания при 55°С (Б)

татов пересчитаны на величину 010).

В низкотемпературном интервале (7-18° для инвертазы и 5-20° для малатдегидрогеназы) при концентрациях субстрата, близких или превосходящих насыщающие (20 ммоль для инвертазы и 0,3 ммоль для МДГ), различия также слабые, но с уменьшением концентраций субстрата и приближением их к физиологическим значениям отмечены резкий рост величин температурных коэффициентов катализируемых ферментами реакций у сосны алтайской популяции и падение - у сосны якутской популяции.

Общий характер изменения температурного коэффициента инвер-тазной реакции у сосны из природной л интродуцированной популяций свидетельствует о генетической детерминированности этого адаптивного признака, а отмеченные различия - о фенотипической адаптации, развившейся при интродукции.

Таблица з.

Температурные коэффициенты инвертазы хвои сосны северного (А) и южного (Б) происхождения при различных температурах и концентрациях субстрата

Концентрация субстрата, ммоль Интервал температур 7-1бс Интервал температур 18-35°

Географические культуры Естественные насавдения Географические культуры Естественные насаждения

А Б А Б А Б А Б

1.5 21 1.4 2,9 2,1 2,4 1,8 3,6 2,7 2,6 1.4 1.3 1.5 1,3 1,7 1,2 1.4 1,3

Таблица 4.

Температурные коэффициенты малятдегидрогеназы хвои соси разного происхождения при различных температурах и концентрация: субстрата

Концен- Интервал температур 5-20° Интервал температур 20-35°

трация

субст- Северный ВКНЫЙ Северный Южный

рата, климатип климатип климатип климатип

мкмэль

10 1.2 2,8 1,7 1,6

120 1.6 1,8 1,8 1,5

Наиболее значительные изменения температурных коэффициентов инвертазной и малатдегидрогеназной реакций наблюдаются у северного и какого климатипов сосны в интервале температур +5-1о°.

Индивидуальная изменчивость температурного коэффициента существенно ниже по сравнению с общей активностью ферментов (коэффициент вариации составляет лишь 356 против ю£ для инвертазы г Ъ% против 35« для МДГ).

Плтлог>оил ттфа оо тттгпгпт'Э Фа»/ггта поФттгтА-пл V а огУтТ'щ | таифо г^чз'п» 'ои-

тативной реакции достаточно стабильна в течение всего вегетационного сезона и практически не зависит от фазы фенологического состояния дерева.

Полученные результаты позволяют рекомендовать для характеристики степени устойчивости популяции сосны к низкой температуре использование температурного коэффициента реакции или энергии активации фермента в случае определения активности фермента при физиологических концентрациях субстрата (гюя от насыцакцих) и температуре +5-1о°.

Показано, что характер зависимости константы Михаэллса от температуры различен у ферментов сосны северного и южного происхождения (Табл.5).

Таблица 5-

Константы Михаэлиса ферментов хеои сосны различного происхождения при разной температуре

Температура Кт инвертазы, ммоль Ки МДГ, ккмоль

СеЕерный климатип Юзный климатип Северный климатип Южный климатип

1 2 1 2

низкая средняя высокая з,о±о,1 6,7±0,4 10,7±0,2 3,6±0,1 8,7±0,3 б,9±0.1 4,5±0,1 з,а±о,1 4,7±0,1 5,6±0,4 4,2±0,0 5,1±0,1 40,5±3,3 83,1±7,2* Э3,7±3,9* 115,5±б,7 37,810,3* 36,9±2,7*

Примечание. 1 - географические культуры, 2 - естественные насаждения. * - разлитая недостоверны.

Для инвертазы минимальные значения Кт наблюдаются у якутской сосны при 7°, у алтайской - при 18°. Абсолютно мини-малыше значения Кт зафиксированы у сосны северного происхождения при низкой температуре, абсолютно максимальные - у того же климатипа при белее высокой температуре. Отмечена идентичность изменения Ки с ростом температуры у алтайской сосны в географических культурах и естественных насаждениях, в то время как у якутской сосны выявлено несоответствие направления изменения Кг?.

фермента в интродуцированной популяции по сравнению с природной, что вместе со значительным сдвигом графика зависимости о10 от концентрации субстрата является свидетельством серьезных нарушений метаболизма, возникающих при интродукции северной сосны.

Для МДГ показана практическая температуронезависимость величины Кт при средних и высоких температурах у обоих климатипов сосны (хотя по абсолютному значению они выше у якутской сосны), при низкой температуре наблюдается снижение Кт у сосны северного климатипа и увеличение - у юного климатша.

Таким образом, общим способом адаптации ферментных систем к гипотермии является минимизация величины Кт ферментов у сосны северного происхождения при низкой температуре.

Межпопуляционная изменчивость кинетических характеристик инвертазы высока, но в отличие от общей активности фермента наблюдаются определенные закономерности. Отмечено явное снижение величин>: температурного коэффициента реакции и термостабильности инвертазы у популяции сосны в направлении с запада на восток и с юга на север, но лишь в случае расположения районов происхождения популяций вдоль параллели или меридиана (с колебаниями ' в пределах 1-3°) (Табл. 6).

График зависимости анализируемых кинетических свойств фермента от среднегодовой температуры региона естественного произрастания популяции обнаруживает разрыв между европейскими и сибирскими популяциями, обусловленный, несомненно, высокой степенью континентальности климата в Сибири. Полученные данные могут служить дополнительным аргументом в пользу выделения сибирского подвида сосны обыкновенной - Р. во.1уе51;г1в взр. Б1Ь1г1са Ш>., описанной Л.Ф.Правдшым (1964).

Величина температурного коэффициента реакции и термоста-билъности фермента популяции сосны тесно коррелирует с суммой эффективных температур естественного местообитания, связь практически линейная с коэффициентом детерминации 0,98-0,99.

Таким образом, определяющим климатическим параметром в оценке степени адаптации популяции сосны к низкой температуре является сумма активных температур района ее происхождения.

Таблица 6.

Значения температурного коэффициента■ферментативной реакции в диапазоне температур 5-10° и термостабильности ынвертазы хвои популяций сосны различного происхсэдения

Популяция ., ... Широта — Долгота Средне- Сумма °5 Термо-

° с.ш. 0 в.д. годовая темпе- стабшгь-

темпера- ратур ность *

тура, °С >10°

Якутская 62 129 -10,2 1330 1,23' 26

Читинская 53 119 -5,5 1360 1,44 26

Иркутская 52 104 -2,4 1500 1,51 29

Нижнеенисейская 60 90 -3,4 1370 1,48 26

Енисейская 58 92 -1,9 1570 1,69 31

Минусинская 53 91 -0,2 1980 2,06 44

Алтайская 51 80 0,8 2160 2,44 50

Архангельская 64 38 2,2 1560 1,69 31

Ленинградская ба 32 3,1 1680 1,92 36

Эстонская 59 26 4,1 1900 2,03 40

Брянская 53 34 5,2 2250 2,63 54

Воронежская 52 39 5,4 2450 2,75 58

Ростовская 48 41 7,1 3250 3,65 76

Примечание. ♦ - активность фермента после предварительного прогревания при 55° С, % к исходной

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биохимическая адаптация сосны обыкновенной к неблагоприятным факторам среды, в том числе к низкой температуре, при относительно непродолжительном стрессовом воздействии может осуществляться на ферментативном уровне неспецифическим образом -путем изменения активности ферментов. Длительная гонотипическая адаптация популяции сопровождается развитием специфической ответной реакции - модификации физико-химических свойств ферментов, отражающейся в направленном изменении их кинетических характеристик. Генетическая обусловленность приобретенных адапткв-

ш признаков и выраженные акклиматизационные эффекты позволяют вычленить генотипическую и фенотипическую компоненты адаптации.

Наличие у кинетических характеристик ферментов свойств видового признака дает основание для их использования не только для оценки степени приспособленности популяции к низким температурам, но и в интродукционной, генетической,' таксономической работе. Результаты исследования физиолого-биохимических механизмов адаптации сосны к температурно-климатическим условиям среды существенно расширяют пути и методы изучения экологии вида.

В целом, полученные результаты могут стать важным компонентом теоретического обоснования внутривидовой дифференциации сосны обыкновенной-и других лесообразующих пород. С точки зрения лесохозяйственной практики это может ■ найти отражение в более точном лесосеменном районировании, в научно обоснованном подходе к работам по лесной селекции и семеноводству и интродукции растений в различных районах их ареалоЕ. В конечном итоге проведенные исследования направлены на решение теоретических и методических вопросов повышения продуктивности лесов;

ВЫЗОДЫ

1. Кратковременный низкотемпературный стресс е ризосфере сеянцеЕ сосны вызывает однонаправленные изменения активности ин-вертазы, амилазы, ИУК-оксидазы, малатдегидрогеназы и алкогольде-гидрогеназы во всех тканях и органах. Уровень активности этих ферментов может быть использован для диагностики стрессового состояния при гипотермии ювенильяых растений сосны.

2. Не выявлена корреляция общей ферментативной активности с температурно-климатическими условиями места естественного произрастания популяции сосны. Соотношение общей активности ферментов инвертазы и малатдегидрогеназы в хвое сосны различного происхождения не остается неизменным е течение года.

3. Ферменты северной популяции сосны характеризуются пониженной термостабильностью, сниженной энергией активации при низких температурах и физиологических концентрациях субстрата и повышенным сродством к субстрату при низких температурах. Для южной сосны отмечена обратная тенденция. Выявленные особенности адаптации ферментных систем к низкой температуре генетически де-

терминированы и сохраняются при интродукции.

4. Интродукция якутской сосна в район Красноярска сопровождается более существенными акклиматизационными модификациями ферментных систем по сравнению с интродукцией алтайской сосны.

5. Индивидуальная изменчивость температурных коэффициентов каталкз1фуешх инвертазой и малатдепщрогеназой реакций в несколько раз ниже по сравнению с обзей активностью Ферментов. Величина температурного коэффициента фермента мало подеержена вариабельности в течение вегетационного периода.

6. Показана тесная корреляционная сеязь между значениями температурного коэффициента и термостабильностк инвертазы и ста-мой эффективных температур района естественного произрастания популяции сосны.

7. В отличие от общей ферментативной активности кинетические свойства ферментов могут слукить биоиндакацпснным признаком, характеризующим степень приспособленности популяции сосны к низкотемпературному фактору.

Список работ, опубликозанннх по теме диссертации

л. Температурная и субстратная зависимость инвертазы хвои сосны обыкновенной различного географического происхождения // Тез. докл. Всесоюзн. кснф. "Устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды и продуктивность". - Иркутск, 1984. - С. 72 (в соавторстве с Н.Е.Судачковой, В.Л.Черепнкным).

г. Изменение кинетических свойств малатдегидрогеназы сосны при адаптации к северу // Тез. докл. II Всэсоюзн. симпозиума ••Биологические проблемы Севера". - Якутск, 1986. - С. 161.

3. Адаптивные свойства инвертазы сосны // Физиология роста и питания хвойных. -Красноярск: Изд-во Ин-та леса и древесины,' 1956. - С. 126-131.

4. Адаптивные изменения кинетических характеристик малатде-тадрогенэзы сосны // Операт. информ. матер. - Иркутск, 1988. -С. 92-93.

5. Опыт биохимической оценки адаптивных возможностей сосны южной Сиблри // Сосна обыкновенная в Юаней Снб:фи. - Красноярск:

Изд-ео Ин-та леса и древесины, 1988. - С. 128-134.

6. Изменчивость кинетических свойств инвертазы сосны различного географического происхождения при низкотемпературной адаптации // Тез. докл. 3 Всесоюзн. кокф. "Проблемы" физиологии и биохимии древесных растений". - Петрозаводск, 1989. - С. 81-82.

7. Активность ферментов в тканях сосны обыкновенной под действием водного, анаэробного и низкотемпературного стрессов // Матер. II съезда ВОФР. - М., 1990. - С. 88 (в соавторстве с Н.Е.СудачкоЕой, Г.П.Семеновой, Н.Н.Кожевниковой).

8. Влияние экологических стрессоЕ на состав метаболитов в сеянцах сосны обыкновенной // Лесоведение. - 1990. - N 4. - С. 49-57 (в соавторстве с Н.Е.Судачковой, Н.Н.Кожевниковой, Г.П.Се-мешЕОй).

9. Физиология сосны обыкновенной. - Новосибирск: Наука, 1990. - 248 с. (в соавторстве с Н.Е.Судачковой, Г.И.Гире, С.Г.Прокушкиным и др.).

•10. Низкотемпературная адаптация ферментои хвои сосны обыкновенной различного происхождения // Экологическая физиология хвойных. Тез. докл. Межд. симп. - Красноярск, 1991. - С. 93-94.

11. Реакция ферментов сеянцев сосны на действие природных стрессов // Лесоведение. - 1993. - к 2. - С. 46-52 (в соавторстве с Н.Е.Судачковой, Н.Н.Кожевниковой. Г.П.Семеновой).