Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Фракционный состав белков и посевные качества семян пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) в разных эколого-фитоценотических условиях

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Фракционный состав белков и посевные качества семян пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) в разных эколого-фитоценотических условиях"

На правах рукописи

ЕРМОЛЕНКО Валерия Витальевна

ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ И ПОСЕВНЫЕ КАЧЕСТВА СЕМЯН ПИХТЫ СИБИРСКОЙ (ABIES SIBIRICA LEDEB.) В РАЗНЫХ ЭКОЛОГО-ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

03.02.08 — Экология (биология) 06.03.02 - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

7 АВГ 2014

Красноярск-2014

005551556

005551556

Работа выполнена в лаборатории лесоведения и почвоведения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук и на кафедре лесоводства Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Сибирского государственного технологического университета.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Прокушкии Станислав Григорьевич; кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Ерохина Зоя Валерьяновна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Бобкова Капитолина Степановна

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, главный научный сотрудник отдела

лесобиологических проблем севера

кандидат биологических наук Осколков Владимир Александрович Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории биоиндикации экосистем

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный

исследовательский Томский

государственный университет»

Защита состоится «30» сентября 2014 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.056.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук (ИЛ СО РАН) по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/28. Тел./факс(391) 243-36-86, e-mail: institute forest@ksc.krasn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://forest.akadem.ru Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН

Автореферат разослан Л УЫ&^Ц 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор

Е.Н. Муратова

Уважаемые коллеги!

В связи с вступлением в силу «Положения о порядке присуждения ученых степеней» просим Вас отзывы на автореферат направлять не позднее 15 дней до дня защиты диссертации, т.к они должны быть размещены в сети «Интернет» не позднее 10 дней до дня защиты диссертации.

В отзыве необходимо указать фамилию, имя, отчество, почтовый адрес, телефон (при наличии), адрес электронной почты (при наличии), наименование организации, работником которой Вы являетесь и должность в этой организации.

Отзыв на автореферат может быть направлен в диссертационный совет, на бумажном носителе или в электронной форме при условии использования электронной подписи.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пихта сибирская (Abies sibirica Ledeb.) - одна из основных лесообразующих пород Сибири. Являясь объектом широкой промышленной эксплуатации, она выполняет важные водоохранные, почвозащитные, климаторегулирующие, а также санитарно-гигиенические функции. В настоящее время под воздействием деструктивных природных и антропогенных факторов происходит постепенное истощение генетических ресурсов пихтовых лесов, снижение их возобновления и устойчивости к неблагоприятным факторам среды (Белова, Бажина, 2007). Восстановление лесов в значительной степени обусловлено посевными качествами семян, которые, в свою очередь, зависят от эколого-фитоценотических факторов среды, оказывающих существенное влияние на их формирование и физиологическое состояние (Kamra, 1980; Титов, Таланова, Акимова, 2003).

Семена древесных растений, даже одного вида, созревающие в разных климатических условиях, различаются как по содержанию запасных веществ, так и по соотношению отдельных их групп - белков, жиров, углеводов, влияющих на их посевные качества. При этом существенная роль среди этих соединений принадлежит белковой фракции азота, содержание которой в семенах хвойных относительно невелико (Овчаров, 1969). Запасные белки семян - это материал, необходимый для биосинтеза жизненно важных соединений, обеспечивающих их прорастание. Кроме того, содержание азота имеет первостепенное значение в повышении устойчивости проростков к неблагоприятным факторам среды (Алехина, Клюйкова, 1988; Лазарева, 2007; Бондаревич, 2009).

Имеющиеся работы касаются в основном изучения азотного обмена у культурных растений (Николаева, Воробьев, 1978; Измайлов, 1986; Карасев и др., 1991; Нарлева, 1991; Гумилевская и др., 1993; Новожилова, Арефьев, 1993; Котова, Обручева, 1996; Садилова, 2007; Масягина, 2009 и др.). Гораздо меньше публикаций по азотному обмену у хвойных, посвященных в основном изучению содержания разных форм азота в вегетативных органах растений (Гире и др., 1982; Прокушкин, 1982; Судачкова и др., 2000; Чернобровкина, 2001; Алаудинова, 2002, 2003, 2006,2010).

Особенности же азотного обмена в семенах пихты сибирской, как и других лесообразующих пород, изучены меньше (Садилова, 2005; Прокушкин, Абаимов, Прокушкин, 2008; Масягина, Прокушкин, Садилова 2009). Между тем, подобные исследования могли бы не только расширить наши представления о физиологии и биохимии семян, но и выявить пути адаптации хвойных растений к неблагоприятным антропогенным и экологическим условиям в период их прорастания, а также понять причины потери их всхожести. В связи с этим необходимо более глубокое изучение роли азота и его отдельных фракций в физиологических процессах, происходящих в семенах пихты.

з

Цель исследований: изучить фракционный состав белков и посевные качества семян пихты сибирской в эколого-фитоценотических условиях разных лесорастительных зон, типов леса, структуры древостоев по степени роста и развития отдельных деревьев и морфоструктуры их крон.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1) Оценить посевные качества семян пихты сибирской в зависимости от эколого-фитоценотических условий.

2) Выявить содержание отдельных фракций белков в жизнеспособных семенах пихты в разных эколого-фитоценотических условиях и их роль в посевных качествах семян.

3) Сравнить фракционный состав белков в жизне- и нежизнеспособных семенах пихты и оценить их роль при потере жизнеспособности.

Научная новизна. Впервые изучено влияние лесорастительных условий, типов леса на содержание фракционного состава белков в семенах пихты сибирской, а также закономерности их распределения в зависимости от роста и развития дерева и расположения семян в генеративном ярусе кроны. Установлена достоверная связь между содержанием в семенах отдельных фракций азота и их всхожестью. Выявлены изменения фракционного состава белков в семенах при потере их жизнеспособности, которые могут служить основой определения качеств семян на физиолого-биохимическом уровне.

Защищаемые положения:

1. В составе рассматриваемых белков жизнеспособных семян пихты доминируют труднорастворимые, альбумины и фракция глобулинов.

2. В семенах пихты из средней тайги преобладает белковый азот основными растворимыми формами которого являются альбумины, в то время как в семенах из южной тайги - глобулины.

3. Содержание растворимых фракций белков в нежизнеспособных семенах пихты из отдельных частей генеративного яруса кроны существенно ниже, чем в жизнеспособных.

4. Посевные качества семян пихты в значительной степени зависят от фракционного состава белков.

Практическая значимость. Одной из актуальных задач лесного хозяйства в настоящее время является успешное возобновление хвойных пород за счет повышения посевных качеств семян. Поэтому выяснение физиологических процессов, характеризующих их качества, является одним из наиболее перспективных направлений, так как от содержания азотистых соединений, скорости трансформации и использования в метаболических процессах в значительной степени зависит успешность прорастания семян в естественных условиях. Полученные данные позволяют судить об участии отдельных фракций белков в улучшении посевных качеств семян и сохранении их жизнеспособности.

Обоснованность и достоверность результатов исследований

подтверждается достаточным по объему фактическим материалом, собранным на основе апробированных методик и обработанным с использованием современных математических методов и прикладной программы MS Excel.

Апробация работы. Материалы исследований были представлены на Всероссийской научно-практической конференции студентов и учащихся «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2008); Межрегиональной научно-практической конференции студентов и учащихся «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 2010); на конференциях молодых ученых «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири» (Красноярск, 2012,2013).

Личный вклад автора. Автором лично осуществлены сбор, подготовка образцов, лабораторные исследования, а также последующий анализ полученных данных и написание работы.

Благодарности. Автор искренне благодарит научных руководителей: д.б.н., проф., в.н.с. С.Г. Прокушкина и к.с/х.н., доц. З.В. Ерохину за неоценимую помощь в работе над диссертацией и ее организацию, к.б.н. О.Н. Зубареву за ценные советы методического плана, а также к.б.н. O.A. Зырянову и к.б.н. JI.H. Каверзину за творческое сотрудничество в ходе выполнения работы.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 научных работах, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства науки и образования Российской Федерации.

Структура и объе.м диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и приложения. Список использованной литературы включает 190 наименований, из них 27 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 24 рисунками, включает 5 таблиц и 5 приложений. Общий объем составляет 116 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Одной из актуальных задач лесного хозяйства в настоящее время является сохранение и повышение посевных качеств семян хозяйственно ценных хвойных пород, что вызвано периодичностью семеношения многих из них (Некрасова, Рябинков, 1978; Пентелькина, 2001). Большое количество пустых семян в урожаях и их низкие посевные качества, а также относительно быстрая потеря их жизнеспособности особенно характерны для пихты сибирской (Савченко, 1965; Некрасова, Рябинков, 1978; Кокорин, 2004; Белова, Бажина, 2007). Вместе с тем качество семян, как и интенсивность развития растения в период гетеротрофного питания, определяются темпами мобилизации запасных веществ, среди которых азотистым соединениям принадлежит особая роль. От их содержания, скорости трансформации и использования в метаболических процессах, в значительной степени, зависит успешность прорастания и

дальнейший рост проростков в экстремальных условиях среды. В литературе имеются сведения о том, что семена с более высоким содержанием белков имеют повышенную всхожесть (Прянишников, 1956; Durzan, Chalupa, 1968; Николаева, 1982; Bewley, 1997; Пентелькина, 2001; Gifford и др., 2002; Садилова, 2005; Бондаревич, 2009). Что требует более глубокого изучения роли белковых соединений при прорастании семян пихты.

Одной из биохимических причин потери всхожести семян является снижение содержания белкового азота и изменение его фракционного состава в них (Овчаров, 1969; Николаева, 1986; Николаева и др., 1999). Многие исследователи также отмечают взаимосвязь содержания азота и отдельных его форм с устойчивостью хвойных к экстремальным условиям при прорастании (Данович и др., 1982; Bewley, Black, 1982; Новожилова, Семихов, 1985; Кретович, 1987; Roberts, 1988; Пахомова, 1992; Thomashow, 1999; Короткий и др., 2002; Масягина и др., 2009; Прокушкин и др., 2009). Роль и функции отдельных фракций белков в физиолого-биохимических процессах, происходящих в семенах, приведены в основных главах диссертации и согласуются с данными, полученными ранее для семян лиственниц Гмелина и сибирской, а также других растений (Садилова, 2005; Лазарева, 2007; Бондаревич, 2009).

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе рассматривается фракционный состав белков и посевные качества семян пихты сибирской в разных эколого-фитоценотических условиях, сформировавшихся в пихтовых биогеоценозах, обусловленных лесорастительными зонами, типами леса, структурой древостоев по степени роста и развития отдельных деревьев и морфоструктурой их крон.

Объектами исследований были семена пихты сибирской, сбор которых проводился в пихтовых фитоценозах различных лесорастительных зон Красноярского края: в средней тайге — Енисейское лесничество (59°с.ш. и 92° в.д.); южной тайге - Таежинское (57° с.ш. и 90° в.д.) и Козульское лесничества (56° с.ш. и 92° в.д.). Указанные районы резко отличаются целым комплексом экологических условий и соответственно сроками вегетации (Атлас Красноярского края и республики Хакасия, 1994; Лесной фонд, 2008), (рис.1).

Методика определения посевных качеств семян пихты сибирской. Для исследования посевных качеств семян (массы, энергии прорастания, лабораторной и потенциальной всхожести) были взяты семена пихты сибирской Козульского лесничества с двух пробных площадей (1111 3 и 1111 4), расположенных на юго-восточном и северном склонах (табл. 1). Первая пробная площадь находится в зеленомошно-папоротниково-крупнотравном пихтаче, вторая — в крупнотравно-папоротниковом (табл.1). Сбор образцов шишек проводился в конце августа 2010 г.

Для сбора семян было отобрано по 3 дерева с I по V классы роста и развития (всего 15 деревьев с каждой пробной площади) в Козульском

лесничестве и по 3 дерева I и IV классов роста в Енисейском и Таежинском лесничествах.

Рис. 1. Карта-схема мест отбора семян пихты

сибирской в

отдельных лесорастительных зонах

Красноярского края:

Енисейское — средняя тайга;

Таежинское - южная тайга;

Козульское лесничество — южная тайга

(южная граница зоны)

Известно, что структура кроны пихты сформирована тремя видами побегов: женскими (расположенными в верхней ее части с протяженностью 0.5-2.1 м), мужскими (средняя часть) и вегетативными (Третьякова, Бажина, 1995; Бажина, 2005; Третьякова и др., 2008). Поэтому для выявления влияния эколого-фитоценотических условий, обуславливающих изменения в фракционном составе белков семян и их посевных качеств женский генеративный ярус был условно разделен еще на три части, которые в дальнейшем будут приниматься за верхнюю, среднюю и нижнюю части генеративного яруса крон. Исключениями являются семена с деревьев V класса роста, так как морфологическое состояние женского яруса и всей кроны в целом у таких деревьев не позволяет получить достаточное количество семян для анализов с каждой части.

В опытах использовались только полнозернистые семена, определяемые путем их замачивания на 2 часа. Среди общего количества полнозернистых семян поврежденных выявлено в среднем для верхней части генеративного яруса кроны в Енисейском лесничестве 4 %, в Таежинском - 7 %, в Козульском - 6 %. Полнозернистые семена, способные прорастать сразу после их сбора в дальнейшем называем жизнеспособными, а потерявшие всхожесть через год -нежизнеспособными. При определении посевных качеств семена с деревьев одного класса роста (по 3 экземпляра с каждого) были объединены в один образец по их положению в генеративном ярусе кроны (верх, середина, низ).

Таблица 1 — Таксационная характеристика объектов исследований

5: й е Х^икгеристика древостоя Характеристика модельных деревьев

С I % § я О) ы о с; о С Тип леса I 1 состав всврасг, лег н м ц см 1 полнота западна 1га, десхм3 класс дерева по Крафту н м Ц см

Енисейское лесничество

ш * го 7Г13Б 120 22 24 Ш 0.7 29 I 26 24

1 1 со (X 1-0 1~ РЭ 18 IV 20 22

Таежинское лесничесгао

С-5 * с I 24 24

2 18 6П2Е1К1Б 110 21 28 Ш 0.7 23 IV 18 20

Козульское лесничество

I 26 28

сц 2 Г—1 п 26 26

3 и 2 8.7 6П1СЗБ 110 22 28 ш 0.7 24 га 22 26

го IV 20 22

V 18 20

I 26 26

6 * ( п 24 24

4 18 7П1К2Б 120 22 26 ш 0.5 22 га 22 24

IV 18 22

V 18 20

* БГБРЗМ - багульниково-бруснично-зеленомошный; РТЗМ - разнотравно-зеленомошный; ЗМПКР - зеленомошно-папоротниково-крупно травный; КРПК -крупнотравно-папоротниковый.

Кроме того, в Козульском лесничестве для выявления посевных качеств семян в зависимости от их положения в шишке они были отобраны с условно разных ее участков - верхней, средней и основания шишки. Полученные образцы семян в зависимости от вариантов исследований были взвешены в пятикратной повторности по 1 ООО шт. в каждом варианте.

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) в термостате при температуре + 24 °С, которая является оптимальной для прорастания семян хвойных (Короткий и др., 2002). Проращивание семян производили в чашках

Петри на увлажненных фильтрах, по 100 семян в каждом варианте в 5 биологических повторностях. Для дезинфекции от микрофлоры семена предварительно замачивали в 0.1 % растворе КМп04 в течение 2 часов, а чашки Петри и фильтры стерилизовали. Оценка посевных качеств семян в образцах производилась подсчетом количества проросших семян через 7, 14 и 21 сутки проращивания, после чего вычислялся процент проросших семян.

Методика определения общего, белкового азота и его фракционного состава в семенах пихты сибирской. Исследования по установлению содержания общего, белкового азота и отдельных его фракций были проведены в жизне- и нежизнеспособных семенах пихты по общепринятой в биохимии и физиологии растений методике (Ермаков и др., 1972; Починок, 1976). Для чего производилась экстракция белкового азота соответствующими растворами: 1 -водорастворимые белки (альбумины); 2 - солерастворимые белки (глобулины); 3 - спирторастворимые белки (проламины); 4 - щелочерастворимые белки (глютелины); 5 - нерастворимая фракция белков (труднорастворимые). На основании содержания отдельных форм азота в этих фракциях оценивали общее количество белков в образцах.

Все анализы проводились в 4-х биологических и 4-х химических повторностях. Полученные данные обрабатывались в соответствии с методами вариационной статистики с использованием современных математических методов и прикладной программы MS Excel. Достоверность результатов оценивалась по критерию Стьюдента с уровнем значимости Р = 0.05.

ГЛАВА 3. ПОСЕВНЫЕ КАЧЕСТВА СЕМЯН ПИХТЫ СИБИРСКОЙ В РАЗНЫХ ЭКОЛОГО-ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Влияние эколого-фитоценотических условий на посевные качества семян. Для исследования посевных качеств семян пихты производился их сбор на двух пробных площадях Козульского лесничества. Показано, что масса семян сильно варьировала в зависимости от местоположения и класса роста и развития дерева (рис. 2). Так, на юго-восточном склоне (ПП 3) у деревьев I класса роста в верхней части генеративного яруса кроны масса семян составляет 11.63±0.9 г, а у деревьев V класса - почти в 3 раза меньше -3.99±0.35 г. Что касается ПП 4, расположенной на северном склоне, то здесь масса семян ниже, чем на ПП 3 и у деревьев I класса роста в верхней части она составляет 11.5±0.11 г, а у деревьев V класса - 3.96±0.19 г (рис. 2).

Максимальное значение энергии прорастания отмечено также у семян с деревьев первого класса роста: 27.4 % - ПП 3, 23 % - ПП 4 (рис. 3). Минимальное число проросших семян (энергии прорастания) на обеих пробных площадях показано у деревьев V класса роста. Максимальные показатели лабораторной всхожести выявлены у семян деревьев I класса роста и составили 37.6 % на ПП 3, и 27.4 % на ПП 4. Подобными оказались данные, полученные и для потенциальной всхожести семян (рис. 3).

ППЗ ПП4

Класс роста деревьев по Крафту

Рис. 2. Масса семян пихты сибирской в зависимости от класса роста дерева на ГШ 3 и ПП 4, г: 1 - верхняя, 2 - средняя, 3 - нижняя часть генеративного яруса кроны

ПП 3

ПП 4

Класс роста деревьев по Крафту

Рис.3. Посевные качества семян пихты сибирской в среднем по генеративному ярусу кроны на ПП 3 и ПП 4: 1 - энергия прорастания, 2 -лабораторная всхожесть, 3 - потенциальная всхожесть семян, %.

Выявлено, что энергия прорастания, лабораторная и потенциальная всхожесть семян у деревьев разного класса роста на ПП 3 зависит от их расположения в генеративной сфере кроны и в шишке. Так, максимальное значение лабораторной всхожести отмечено в верхней части генеративного яруса у семян с деревьев I класса роста составляя 44.2 %, IV класса - 21 % (рис.4). В то время как в шишках более высокими посевными качествами обладают семена, расположенные в средней их части из верхнего яруса кроны, достигая 48.5 %.

I II III IV V

Класс роста деревьев по Крафту

Рис. 4. Всхожесть семян пихты у деревьев разного класса по Крафту (А — верх, Б — середина, В — низ генеративного яруса кроны; 1 — энергия прорастания, 2 -лабораторная, 3 - потенциальная всхожесть, %)

Таким образом, семена пихты сибирской из разных частей генеративного яруса кроны существенно отличаются по посевным качествам, что указывают на правомерность их выделения.

ГЛАВА 4. ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ В ЖИЗНЕСПОСОБНЫХ СЕМЕНАХ ПИХТЫ СИБИРСКОЙ

Содержание общего и белкового азота у жизнеспособных семян пихты.

Исследования по содержанию общего и белкового азота в семенах пихты проводили в разных экологических условиях: средней тайге (Енисейское) и южной тайге (Таежинское, Козульское лесничества).

Установлено, что содержание общего и белкового азота в семенах пихты существенно варьирует в зависимости от экологических условий и составляет 10.2-19 мг/г а.с.в. для общего и 9.9-13.8 мг/г а.с.в. - для белкового азота. При этом максимальное значение общего азота отмечено у семян, собранных в Таежинском лесничестве, расположенном в южной тайге (рис. 5). Также в семенах из данного лесничества установлена значительная разница между содержанием общего и белкового азота, что служит показателем высокого содержания в них небелковой фракции. Что касается общего количества азота, то различие в указанных показателях между частями генеративного яруса кроны достоверно, тогда как между отдельными деревьями - нет.

Самое высокое содержание белкового азота отмечено в семенах пихты как у деревьев I, так и у IV классов Крафта из средней тайги (Енисейское лесничество). Здесь отмечена и самая большая вариабельность этого показателя. У пихты из более южных районов произрастания (Таежинское и Козульское лесничества) найдено сравнительно низкое содержание белкового азота у семян с подобных деревьев. При этом различия в его содержании между I и IV классами незначительны.

Таким образом, содержание белкового азота у семян пихты из средней тайги выше, чем в юной тайге. При этом во всех случаях его содержание в семенах деревьев I класса роста более высокое, чем у IV.

При изучении содержания белкового азота в семенах из разных частей генеративного яруса кроны установлено, что независимо от класса роста дерева семена, собранные из верхней части обладают максимальным содержанием белкового азота, составляющим 9.5 мг/г а.с.в. (рис. 6). В семенах из средней и нижней частей количество азота значительно ниже (5.4 мг/г а.с.в.) и различия в его содержании всегда достоверны.

Рис.5. Содержание общего и белкового азота в семенах из верхней части генеративного яруса кроны у деревьев I и IV классов роста Енисейского, Таежинского и

Козульского лесничеств, мг/г а.с.в., 1 - общий, 2 -белковый азот

Енисейское

Вероятно, вышеотмеченное, связано в первую очередь с различным углеводным, азотным, фосфорным и гормональным метаболизмом, выявленным многими исследователями для отдельных органов этих частей крон (Судачкова, 1976; Прокушкин, 1982).

Кроме того, верхняя часть генеративной сферы кроны обладает более высокой аттрагирующей способностью, вызывающей интенсивное поступление в нее воды, элементов питания и биологически активных веществ (Новицкая, 1980; Николаева, 1982; Чернобровкина, 2001).

о

0 Ю га

г 8

1 6 Ф

I 4

(О £

а & 2

з

Рис. 6. Содержание белкового азота в семенах из разных частей генеративного яруса кроны деревьев пихты в Козульском лесничестве, мг/г а.с.в., I и IV - классы роста дерева; 1- верхняя, 2 - средняя, 3 - нижняя часть

12 3

Положение семян в кроне дерева

Фракционный состав белков в жизнеспособных семенах пихты.

Фракции белкового азота в зависимости от их расположения в кроне и интенсивности роста дерева были изучены в семенах пихты из Козульского лесничества. Показано, что в семенах из всех частей генеративной сферы преобладает труднорастворимая фракция белкового азота, которая составляет от 1.3±0.08 до 3.7±0.14 мг/г а.с.в. (рис 7).

В С

Класс роста деревьев по Крафту

Рис. 7. Содержание отдельных фракций белкового азота в семенах пихты сибирской Козульского лесничества из верхней (В), средней (С) и нижней (Н) частей генеративного яруса крон деревьев I и IV классов роста и развития, мг/г а.с.в.; 1 - водорастворимая, 2 - солерастворимая, 3 - спирторастворимая, 4 — щелочерастворимая, 5 - труднорастворимая фракции

Затем, по мере убывания, следуют глобулины и альбумины, достигая в семенах из верхней генеративной части крон деревьев I класса 2.3±0.08 и 1.7±0.07 мг/г а.с.в., в средней части 1.4±0.02 и 1.7±0.07 мг/г а.с.в. соответственно (рис. 7). Так как альбумины отвечают за каталитическую активность, глобулины - помимо этого, являются основными запасными

белками, а нерастворимая фракция азота входит в состав клеточных структур, то, выявленный качественный состав фракций азота в семенах из разных частей генеративной сферы может служить индикатором их посевных качеств (Садилова, 2005; Лазарева, 2007).

Изучение распределения фракций белкового азота в семенах в целом по всей генеративной сфере деревьев I и IV класса роста и развития показало, что семена с деревьев I класса, по сравнению с угнетенными, отличаются большим содержанием труднорастворимой фракции, которое составляет 39.8 для I и 31.6 % от белкового азота для угнетенных.

При изучении фракций белкового азота в семенах пихты из разных лесорастительных зон отмечено, что независимо от местопроизрастания преобладающей фракцией является труднорастворимая (рис. 8). Подобные сведения по преобладанию этой фракций азота выявлены и для семян лиственниц Гмелина и сибирской (Масягина О.В. и др. 2009).

У семян из самого северного из рассматриваемых местоположений пихты (Енисейское лесничество) выявлены различия в распределении фракций белков относительно класса роста дерева (рис. 8).

Рис. 8. Содержание отдельных фракций белкового азота в семенах пихты из верхней части генеративного яруса крон деревьев I и IV классов роста Енисейского, Таежинского и Козульского лесничеств, %; 1-5 см. рис. 7

В частности, в семенах деревьев I класса роста наблюдается преобладание труднорастворимой фракции, составляющей 55 % от общего содержания белков. Затем, по степени убывания следуют водо- (19 %), соле- (9 %) и щелочерастворимая фракция (9 %). В семенах с деревьев IV класса отмечено несколько иное распределение по их количеству: труднорастворимая - 31.4, затем следует солерастворимая - 20, щелочерастворимая — 20, водорастворимая - 13 и спирторастворимая - 14 %. Что касается Таежинского и Козульского лесничеств, то здесь, независимо от роста и развития деревьев, наблюдается однотипное распределение белков по фракциям (рис. 8).

Так, в Таежинском, после труднорастворимой (51 %) преобладают соле-(20 %) и спирторастворимая (11 %) фракции. У семян из самого южного из представленных лесничеств - Козульского, также после труднорастворимой фракции (39 %) преобладают соле- и спирторастворимая, составляя 24 и 10 % от общего содержания белкового азота соответственно (рис. 8).

Все выше отмеченные различия в составе отдельных фракций азота можно объяснить тем, что семенам из северных регионов, по сравнению с остальными, для успешного прорастания и дальнейшего роста необходимо большее количество водорастворимых белков, в основном выполняющих функцию катализатора. Так, в семенах деревьев I класса роста из средней тайги альбумины доминируют вслед за труднорастворимой фракцией. Поэтому, уменьшение количества альбуминов в семенах деревьев IV класса роста является одним из физиологических показателей, указывающих на их пониженную всхожесть.

Оценка достоверности различий содержания отдельных фракций азота в семенах пихты, показала, что различия в содержании белкового, соле- и труднорастворимой фракций азота как между отдельными частями генеративной сферы кроны, так и между деревьями — достоверны. По содержанию водорастворимой фракции различия достоверны лишь между деревьями разного класса роста. Что касается содержания общего количества азота, то различие между частями крон также достоверно, а между отдельными деревьями - нет.

Роль отдельных форм азота в посевных качествах семян. Для

выявления зависимости посевных качеств семян от содержания в них белкового азота и отдельных его фракций были использованы семена из Козульского лесничества.

Выявлена положительная зависимость между содержанием в семенах белкового азота и их лабораторной всхожестью, составляющая г = 0.88 с величиной достоверности аппроксимации Я2 = 0.77, что характерно как для деревьев I так и для IV класса роста по Крафту (рис. 9). Выявленное, согласуется с ранее полученными данными для семян лиственниц Гмелина и сибирской и указывает на непосредственную роль содержания белкового азота в прорастании семян (Садилова, 2005).

Корреляции между посевными качествами семян и содержанием в них отдельных фракций белкового азота представлена на рис. 10. Самая высокая положительная зависимость установлена между лабораторной всхожестью и водорастворимой фракцией (г = 0.97) которая, как считают исследователи, выполняет функцию катализатора, отвечает за физиологическую активность семян и играет защитную роль в стабилизации протоплазмы при адаптации к экстремальным условиям среды (Новожилова и др., 1999; Лазарева, 2007; Прокушкин и др., 2008).

Также выявлена зависимость между всхожестью семян и содержанием трудно- и солерастворимой фракциями, которая составила 0.93 и 0.76 соответственно (рис. 10). Большое содержание труднорастворимой фракции

азота в семенах пихты из данного местоположения и очень высокая корреляция ее со всхожестью вполне закономерна, так как нерастворимые белки играют роль в повышении энергетической эффективности дыхания клетки, а также входят в состав клеточных структур (Пахомова, 1995; Садилова, 2005). Кроме того, эта фракция регулирует транспорт ионов в клетку (Судачкова, Семенова, 1971).

а ю

50

г зо

;20

: ю

(Г = 0,0623

□ белковый азот • общий азот

Рис. 9. Зависимость лабораторной всхожести семян от содержания в них общего и белкового азота

6 7 8 Э 10 11 12

Содержание общего и белкового азота, мг/га.с.в.

Рис. 10. Зависимость лабораторной всхожести семян от содержания в них отдельных фракций белкового азота

Содержание отдельных фракций белкового азота, мг/га.с.в.

Выявленная корреляция между количеством солерастворимой фракции и всхожестью семян также закономерна. Глобулины в семенах растений являются в основном запасными белками, отличающимися по ряду признаков: они тканеспецифичны, синтезируются позднее других белков, дольше накапливаются и в первую очередь расходуются при прорастании семян (Чиркова, 2002; Лазарева, 2007).

Зависимость между содержанием спирто- и щелочерастворимой фракциями азота в семенах и их всхожестью оказались незначительными (0.010.27), что также согласуется с данными, полученными для семян лиственниц Гмелина и сибирской (Садилова, 2005). Вместе с тем, накопление проламинов

Я2 = 0,87

А солерастворимая О водорастворимая о труднорастворимая

(проламин, зеатин, гордеин) важно для прорастания семян ввиду их способности к быстрому гидролизу и поддержанию осмотического давления клетки. Эта группа белков определяет устойчивость семян злаков к засухе и заморозкам. По этой причине в неблагоприятных условиях семена с высоким содержанием проламинов лучше прорастают и активнее накапливают биомассу. (Бондаревич, 2009). Что касается щелочерастворимых белков, то глютелины играют важную роль в устойчивости растительной протоплазмы к действию неблагоприятных факторов и их содержание, как правило, выше у зимостойких и холодоустойчивых растений, чем у восприимчивых к холоду (Садилова, 2005). Низкую корреляцию всхожести семян с содержанием спирто-и щелочерастворимой фракциями можно рассматривать как физиологическую особенность семян пихты.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА БЕЛКОВ НЕЖИЗНЕСПОСОБНЫХ И ЖИЗНЕСПОСОБНЫХ СЕМЯН ПИХТЫ

СИБИРСКОЙ

Содержание общего, белкового азота и отдельных фракций белков в нежизнеспособных семенах пихты. Исследования по содержанию общего и белкового азота были проведены в полнозернистых семенах пихты, потерявших свою всхожесть через год после их сбора в Козульском лесничестве и принятых нами как нежизнеспособные. Результаты исследований показали, что содержание общего и белкового азота в семенах пихты в зависимости от эколого-фитоценотических условий составляет от 5 до 10.1 - для общего и от 4.5 до 9 мг/г а.с.в. - для белкового азота (рис. 11). При этом в обоих случаях максимальное содержание выявлено в семенах из верхней части генеративной сферы деревьев I класса роста. В то время как у семян деревьев IV класса роста отмечено резкое снижение белкового азота, до 37 % от общего.

Содержание отдельных фракций азота в семенах из разных частей генеративной сферы деревьев I и IV классов роста Козульского лесничества представлено на рис. 12. В целом отмечено, что преобладающей в семенах, утративших способность к прорастанию, также является труднорастворимая фракция белков, достигая 37 % от общего содержания.

При этом содержание глютелинов в семенах из верхней части генеративной сферы незначительно, но несколько увеличивается в средней и нижней ее частях (рис. 12). Отмечено также равномерное снижение по изучаемой части кроны количества альбуминов и глобулинов, то есть в семенах деревьев I класса в нижней части содержание этих форм азота минимально. В то время как содержание проламинов и труднорастворимой фракции по генеративной сфере дерева изменяется неравномерно. Для нежизнеспособных семян с угнетенных деревьев характерно снижение содержания всех форм азота по генеративной сфере кроны (рис. 12).

Рис. 11. Содержание общего (1) и белкового (2) азота в нежизнеспособных семенах пихты из различных частей

генеративного яруса кроны деревьев I и IV классов роста, мг/г а.с.в.; В, С, Н см. рис. 7

Положение семян в кроне и класс роста деревьев по Крафту

ю

9 8 7 6 5 4 3 2 1 О

Положение семян в кроне и класс роста деревьев по Крафту

Рис. 12. Содержание отдельных фракций белкового азота в нежизнеспособных семенах пихты из различных частей генеративного яруса кроны деревьев I и IV классов роста, мг/г а.с.в., 1—5 см. рис. 7

Полученные данные согласуются с результатами проведенных ранее исследований Н.И. Мамонова и др. (1986), в которых отмечено, что в семенах пихты сибирской с увеличением срока их хранения происходит уменьшение суммарного содержания Сахаров и азотистых соединений.

Выявлено, что основными растворимыми белками у нежизнеспособных семян пихты являются глобулины (от 1.1 до 2.3 мг/г а.с.в.), затем следуют альбумины (от 0.8 до 1.3 мг/г а.с.в.), причем их максимальное содержание,

также, как и в жизнеспособных, выше у семян из верхней части генеративной сферы крон деревьев I класса роста (рис. 12).

Сравнение содержания белков жизнеспособных и нежизнеспособных семян пихты. При сопоставлении содержания общего и белкового азота в жизне- и нежизнеспособных семенах выявлено, что в верхней части генеративной сферы кроны деревьев I и IV классов роста различия в их содержании несущественны, и практически не отличается от результатов, полученных для физиологически активных семян (рис. 13). В тоже время в семенах из средней и нижней частей генеративного яруса крон указанных деревьев наблюдаются значительные различия в их содержании и составляют для семян деревьев I класса роста 30.5 для общего и 24 % для белкового азота, а для IV - 26.2 и 17.5 % соответственно для этих фракций. Снижение общего и белкового азота в семенах с этих частей генеративного яруса, вероятно, связано с резким уменьшением растворимых форм белкового азота, в первую очередь, с их распадом до аминокислот и аммиачного азота, последний, в свою очередь, выделяется в результате эмиссии аммиака в среду.

Для выявления причин потери жизнеспособности семян, кроме определения общего и белкового азота, проведен анализ изменений фракционного состава белкового азота (рис. 14, 15). Сравнение содержания отдельных форм азота показало, что в жизне- и нежизнеспособных семенах у деревьев I класса роста максимальные различия отмечены в содержании труднорастворимой фракции: незначительно в верхней, 42.2 - в нижней и 53.4 % - в средней части генеративной сферы деревьев. В нежизнеспособных семенах выявлено снижение альбуминов, достигающее 28 % от их содержания в жизнеспособных, а также фракции глобулинов, которая является доминирующей растворимой фракцией в жизнеспособных семенах данного местопроизрастания пихты - незначительно в верхней и средней частях и 30.5 % - в нижней части (рис. 14).

в с+н

12 т . 12 Т

Рис. 13. Содержание общего и белкового азота в жизнеспособных (+) и нежизнеспособных (-) семенах из различных частей генеративного яруса кроны деревьев I и IV классов роста и развития, мг/г а.с.в.

При изучении содержания отдельных фракций белкового азота в семенах из верхней части угнетенных деревьев отмечено, что в нежизнеспособных семенах по сравнению с жизнеспособными происходит снижение содержания всех фракций азота от 4.5 до 24.6 %, причем различия, выходящие за пределы ошибки опыта, отмечены, только в щелочерастворимой фракции (рис. 15). В то время как в семенах из средней и нижней частей генеративной сферы таких деревьев снижение происходит и в содержании водорастворимой фракции, составляя 23.4 и 24.2 % соответственно.

В

н

о 4,5 и

го 4

3,5

г з

го

Б 2,5

СП

го 2 Ш

X 1,5 X

го !

& 0,5 сС

О 0

и

I 1,5

I 1

и

§0,5

и

Фракции белкового азота

Рис. 14. Содержание отдельных фракций белкового азота в жизнеспособных (+) и нежизнеспособных (—) семенах из различных частей генеративного яруса кроны деревьев I класса роста, мг/г а.с.в., 1-5 см. рис. 7

В

с+н

4,5 « 4

и

™ 3,5

Т 3

5" 2,5

1 2

£ 1,5 56

1

01 1 СС

5 0,5

о

Фракции белкового азота

Рис. 15. Содержание отдельных фракций белкового азота в жизнеспособных (+) и нежизнеспособных (-) семенах из различных частей генеративного яруса крон деревьев IV класса роста, мг/г а.с.в., 1-5 см. рис. 7

Оценка достоверности различий в содержании отдельных фракций азота в жизне- и нежизнеспособных семенах пихты показала, что в семенах с верхней части генеративного яруса крон деревьев I класса роста и развития различия достоверны лишь для водо- и щелочерастворимой фракций. Это связано в основном с уменьшением содержания альбуминов, которое и приводит к потере всхожести семян (г = 0.97). Различия в содержании отдельных форм белкового азота между этими семенами в средней и нижней частях достоверны для всех фракций, кроме общего азота и глютелинов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Причина низких посевных качеств, быстрой потери жизнеспособности семян пихты сибирской и способы их повышения в настоящее время важны в теоретическом и практическом аспектах и вызывают интерес многих исследователей.

На основании наших данных установлены определенные закономерности зависимости посевных качеств от экого-фитоценотических особенностей, которые могут быть использованы в практических целях при сборе семян. Кроме того, в работе также показана роль отдельных фракций белков при их прорастании. При этом на потерю жизнеспособности семян пихты, наряду с изменением фракционного состава белкового азота, влияют и другие, не рассматриваемые в данной работе, физиологические процессы.

ВЫВОДЫ

1. Отмечена существенная зависимость посевных качеств семян пихты сибирской (массы, всхожести и динамики прорастания) от эколого-фитоценотических условий и их высокие показатели наблюдаются в лучше прогреваемых типах леса, у деревьев I и II классов роста, в верхней части генеративного яруса кроны, средней части шишки и с высоким содержанием азота в семенах.

2. В жизнеспособных семенах пихты из средней тайги, по сравнению с более южными районами, отмечено максимальное содержание белкового азота, основными фракциями которого являются труднорастворимая и альбумины. В семенах из южной тайги преобладает труднорастворимая фракция и глобулины.

3. Выявлены достоверные различия в содержании общего, белкового азота и отдельных фракций белков в семенах в зависимости от: местопроизрастания пихты, степени роста деревьев, расположения семян в генеративном ярусе кроны и их жизнеспособности.

4. Наиболее высокая связь всхожести семян отмечена с содержанием альбуминов (г = 0.97), затем по мере убывания, с труднорастворимой фракцией (г = 0.93), общим белковым азотом (г = 0.88) и глобулинами (г = 0.76).

Выявленная закономерность указывает на участие этих фракций азота в

процессе прорастания.

5 В нежизнеспособных семенах основными растворимыми белками также остаются глобулины и альбумины, при этом содержание альбуминов во всех частях генеративного яруса кроны существенно ниже, чем в жизнеспособных.

6 Различия между содержанием всех рассматриваемых форм азота в жизне- и нежизнеспособных семенах из средней и нижней частей генеративного яруса кроны практически всегда достоверны. В то время как в семенах из верхней ее части они достоверны лишь для фракции альбуминов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

1 Ермоленко В.В. Качества семян пихты сибирской в зависимости от экологических условий. / В.В. Ермоленко С.Г. Прокушкин, З.В. Ерохина // Хвойные бореальной зоны. - № 3-4. - 2011. - С. 220-223.

2. Ермоленко В.В. Посевные качества и содержание азота в семенах отдельных деревьев пихты сибирской / В.В. Ермоленко, С.Г. Прокушкин, Зубарева О.Н. , З.В. Ерохина // Сибирский экологический журнал. - №2. -

2013.-С. 309-3014.

3. Ерохина З.В. Лесовозобновление в пихтачах разнотравно-зеленомошных и перспектива их воспроизводства на вырубках за счёт сохранения подроста / 3 В Ерохина, A.M. Савченко, A.M. Попов, В.В. Ермоленко // Хвойные бореальной зоны. - Красноярск: СибГТУ. - № 3-4. - 2013. - С.31-38.

Другие публикации по теме диссертации

4. Ермоленко В.В. Влияние низовых пожаров на возобновление пихты сибирской в условиях Козульского лесничества / В.В. Ермоленко, З.В. Ерохина // Сборник статей по материалам научно-практической конференции студентов и учащихся: Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы. - Красноярск: СибГТУ, 2010. -Т1.-С. 68-69.

5. Ермоленко В.В. Содержание отдельных фракций азота в семенах пихты сибирской и их посевные качества / В.В. Ермоленко // ИЛ СО РАН: сборник по материалам 13 конференции молодых ученых. Красноярск, 2012.-С. 9-11.

УОП ИЛ СО РАН, Заказ №34, тираж 100 экз.