Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Морфолого-анатомические и биохимические особенности семян дальневосточных деревянистых растений

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Морфолого-анатомические и биохимические особенности семян дальневосточных деревянистых растений"

На правах рукописи

ОРЕХОВА ТАТЬЯНА ПАВЛОВНА

МОРФОЛОГО-АНАТОМИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СЕМЯН ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ ДЕРЕВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ

Специальность 03.00 .05 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владивосток - 1998

Работа выполнена в лаборатории лесоведения Биолого-почвенного института ДВО РАН

Научные руководители :

доктор биологических наук Т.А. Комарова кандидат биологических наук В.П. Холодова

Официальные оппоненты : доктор биологических паук В.П. Селедец

кандидат биологических наук Т.Г. Буч

Ведущая организация : Ботанический сад-институт ДВО РАН Защита состоится : £5 июня 1998 года

на заседании диссертационного совета Д 003.97.01 по присуждению ученой степени доктора биологических наук при Биолого- почвенном институте ДВО РАН по специальности 03.0005 - ботаника по адресу: 690022 , Владивосток, проспект 100 - летия Владивостока, ) 59, Биолого-почвенный институт ДВО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ДВО РАН

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу : 690022, Владивосток, Биолого-почвенный институт ДВО РАН , ученому секретарю диссертационного совета . Е mail: forest@ibss.marme.su ; Fax : 4232 310-193

Автореферат разослан /J мая 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета к.б.н

Баркалов В.Ю.

Актуальность темы: Сохранение биологического разнообразия - одна из важнейших научных и практических задач. На Дальнем Востоке произрастает 4164 вида сосудистых растений, в том числе 480 видов деревьев, кустарников и лиан (Недолужко, 1995; Харкевич, 1997). Дальневосточные леса являются уникальными по своему видовому составу и структуре, однако в настоящее время они нарушены в результате нерационального использования. Пожары и интенсивные лесозаготовительные работы привели к значительному сокращению площадей лесов с участием сосны кедровой корейской (Ршиэ кога1епз15 Я^еЬоМ. е! Хисс.). Главные рубки этой ценной древесной породы запрещены, но под угрозой исчезновения по-прежнему остаются другие ценные деревянистые растения. По мнению С.С.Харкевича и Н.Н.Качуры (1981), среди представителей арборифлоры дальневосточных лесов в охране нуждаются 21 вид деревьев, 37 видов кустарников и 10 видов лиан, многие из которых являются редкими и реликтовыми. Авторы указывают на более высокую опасность исчезновения деревянистых растений по сравнению с травянистыми. На большей части территории Приморья эти растения испытывают значительный антропогенный пресс. Для сохранения популяций ценных видов необходимо не только способствовать их возобновлению в природных условиях, но и использовать для этого самые современные методы (культура тканей, консервация пыльцы, меристем, создание генных банков семян). При этом, необходимо сохранить и генофонд основных лесообразующих пород, а также совершенствовать способы производственного хранения семян. Необходимые для проведения этой работы сведения по морфологии и анатомии семян, об условиях их хранения и прорастания имеются лишь для небольшого числа деревянистых видов (Богданова, Грушвицкий, 1963; Богданова, 1974; Буч, 1983; Ворошилова, 1985; Воронкова с соавт., 1995; Иванова, 1967, 1980; Колотова, Николаева, 1981; Комарова, 1986; Кречетова с соавт., 1972; Орехова, 1993, 1996; Пшенникова, Смирнова, 1986; Усов, 1994 и др.). Для большинства дальневосточных растений отсутствуют сведения по оптимальным режимам хранения и длительности сохранения жизнеспособности семян, степени сформированности их зародыша, составу основных запасных веществ, недостаточно освещены и вопросы морфолого-анатомического строения семян. Без решения этих вопросов невозможна научная организация лесного семеноводства на современных селекционно-генетических принципах, а также выполнение задач по сохранению биоразнообразия деревянистых растений.

Цель и задачи исследования: Цель настоящей работы - изучить морфологические, анатомические и биохимические особенности семян основных лесообразующих пород и редких дальневосточных деревянистых растений и использовать полученные сведения при разработке способов долговременного хранения семян. Для осуществления этой цели были поставлены следующие задачи: 1) изучить морфологическое и анатомическое строение семян; 2) определить основные запасные вещества и их количественное соотношение; 3) провести сравнительный анализ белковых

спектров семян 8 видов хвойных растений; 4) определить изменения в составе запасных веществ в семенах сосны кедровой корейской при различных способах лабораторного и производственного хранения; 5) определить оптимальные условия для долговременного хранения семян сосны кедровой корейской; 6) установить криорезистентность семян нескольких видов и оценить перспективность применения криоконсервации семян для рассмотренной группы растений.

Научная новизна: Для 34 видов дальневосточных деревянистых растений (включая 9 видов, внесенных в Красную книгу России) установлены морфологические, анатомические и биохимические особенности семян. Впервые проведен сравнительный анализ белкового комплекса семян 8 видов хвойных растений с целью уточнения их филогенетического возраста и родства. Выявлено значительное (от 30 до 72%) накопление жиров семенами 20 видов деревянистых растений. Установлена криорезистентность семян 9 видов и определены условия для длительного сохранения жизнеспособности семян сосны кедровой корейской .

Практическое значение: Сведения о морфологических и биохимических особенностях семян дальневосточных деревянистых растений будут использованы при разработке современных методов их хранения. Большое количество жиров, обнаруженное в семенах 20 видов растений, может служить основанием для их культивирования. Разработаны рекомендации для организации длительного хранения семян сосны кедровой корейской в производственных условиях.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы докладывались на заседаниях отдела леса БПИ ДВО РАН, были представлены на региональной научной конференции в г. Хабаровске (1989), региональной конференции по изучению флоры Дальнего Востока в г. Уссурийске (1991), международном симпозиуме по изучению растительных сообществ и охране природы в г. Берне (Швейцария, 1994) и международной конференции «Кедрово-широколиственные леса Дальнего Востока» в г. Хабаровске (1996).

Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 10 работ, три работы находятся в печати.

Структура и объем диссертации : Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, рекомендаций и списка литературы (367 названий, в том числе 78 на иностранных языках). Материал изложен на 167 страницах машинописного текста, включая 9 таблиц и 21 рисунок.

Автор выражает благодарность научным руководителям д.б.н. Т.А.Комаровой и к.б.н В.П.Холодовой, а также коллегам, оказавшим содействие в проведении экспериментальных работ: С.С.Чаяновой, С.Г.Яшиной, д.б.н. В.Л.Тихоновой, директору Надеждинского лесопитомника В.И. Воробьевой и директору Арсеньевского лесопитомника С.Г. Гаркуше.

Глава 1. Материалы и методы исследований

Материалом для исследования служили семена 34 видов дальневосточных деревьев, кустарников и лиан, принадлежащих к 18 семействам и 27 родам, представленных основными лесообразутощими породами ( Abies holophylla, Pinus koraiensis, Picea ajanensis, Quercus mongolica и др.); а также ценными и редкими видами (Armeniaca mandshurica, Aristolochia manshuriensis, Kalopanax septemlobus, Oplopanax elatus, Pinus densiflora, Quercus dentata, Taxus cuspidata, Magnolia obovata, Microbiota decussata ).

Сбор семян проводили в Надеждинском, Партизанском, Хасанском, Уссурийском, Чугуевском и Шкотовском районах Приморского края, в пригородных лесах г.Владивостока, г.Артема и на территории дендрария Ботанического сада-института ДВО РАН с августа по октябрь в течение 11 лет (1985-1996 гг.). Работы осуществлялись согласно ГОСТ 13056.1-67, отбирали семена со средневозрастных генеративных особей, отличающихся наибольшей семенной продуктивностью. Семена 3-х видов (Taxus cuspidata, Larix kurilensis, Magnolia obovata) были любезно предоставлены нам для исследования сотрудниками Сахалинской ДОС.

Морфологическое и анатомическое строение плодов и семян изучали согласно общепринятым методикам (Артюшенко, 1988, 1990; Левина, 1987; Сравнительная анатомия семян..., 1993), используя микроскоп МБС-10. Жизнеспособность семян устанавливали тетразольным методом (Международные правила..., 1984) и путем проращивания в лабораторных условиях при 25°С в чашках Петри. Содержание влаги в семенах определяли термовесовым методом при 105°С, обезвоживание семян проводили с помощью силикагеля марки КСК. Определение количества основных запасных веществ в семенах проведено следующими методами: жиры извлекали кипящим петролейным эфиром по А.И. Ермакову с соавт. (1972); количество водо-спирторастворимых Сахаров и крахмала (после гидролиза ферментом амилоглюкозидазой) находили по М. Дюбуа с соавт. (Dubois et all., 1951). Количество белкового азота определяли по методикам Б.П. Плешкова (1968) и К.Е. Гинзбурга (1963), пересчет содержания белкового азота на белок проведено по коэффициенту 6,25 (Техника биохимического исследования..., 1986). Для количественного и качественного исследования белков семян хвойных растений были получены три фракции: I - легкорастворимые белки выделяли 0,1 % фосфатным буфером (рН=7,2); II - умереннорастворимые в 10 % NaCl; III - труднорастворимые, извлечены буфером, содержащим 0,065 М трис HCl рН= 6,8; 2 % ДДС- Na; 2,5 % 2 - меркаптоэтанол. Концентрацию белка во фракциях находили по О. Лоури (Lowry, 1951), электрофорез белков осуществляли по методике В. Лаэммли (Laemmli, 1970 ) в полиакриламидном геле на приборе LKB 2127 (Швеция ). В качестве стандарта использовали набор

маркеров (14,4 - 94 кД) фирмы «Parmacia». Определение молекулярной массы белков велось по К. Веберу и М. Осборну (Weber, Osborn, 1969).

Эксперименты по хранению семян проводили в производственных, лабораторных и природных условиях. Анализировали семена, хранившиеся в типовом складе Надеждинского лесопитомника, в промерзающей траншее по методике В.Ф. Воробьева (1987), в специализированном семенохранилище с рефрижераторным охлаждением Арсеньевского лесхоза; а также исследовали семена, прошедшие ускоренную стратификацию по методике Н.В. Кречетовой и В.И. Штейниковой (1974). В лабораторных условиях семена хранили в стеклянных банках с негерметичной пробкой и в запаянных стеклянных сосудах. Оба варианта помещали в бытовой холодильник и холодильную камеру (от 0° до -10°С). Эксперимент по хранению семян в гумусовом горизонте почвы широколиственно-кедрового леса на территории Верхнеуссурийского стационара проведен по методу Т.А. Работнова (1981). Опыты по изучению криорезистентности семян проводили совместно с сотрудницей Института фотосинтеза и почвоведения (г.Пущино) С.Г Яшиной и в Институте физиологии растений (г.Москва). Семена помещали в пластиковые контейнеры и опускали в сосуды Дюара с жидким азотом (быстрое замораживание) или замораживали до -70°С, а затем помещали в азот (медленное замораживание). Размораживание семян проводили на воздухе в обычных условиях. Срок хранения семян от нескольких месяцев до 1 года.

Глава 2. Литературный обзор классификаций плодов и семян

Разнообразие по величине, форме семян и плодов обусловило появление в разное время множества различных классификаций (Артюшенко, 1988, 1990; Грудзинская, 1968; Грушвицкий, 1961; Имс, 1964; Каден, 1965, 1964; Каден, Кирпичников, 1966; Левина, 1967, 1968; Тахтаджян, 1968, 1980; Stopp, 1950; 1946). В данной главе приводится анализ основных классификаций плодов и семян.

Наиболее полная классификация плодов и семян, а также способов их распространения разработана Р.Е .Левиной (1987). Морфологическая эволюция нашла отражение в классификациях семян по типам их внутреннего строения (Цингер, 1958; Смирнова, 1964, 1965; Martin, 1946; Davis, 1966; John, Ambergaokar, 1984).

Изучению механизмов покоя семян и попытке его классифицировать посвящено значительное число публикаций отечественных и зарубежных авторов (Николаева, 1967; 1977; 1985; Николаева, Далецкая, 1963; 1964; Николаева с соавт.., 1985 ; Попцов, 1966, 1971, 1976; Полевой с соавт., 1990; Поздова, Разумова, 1995; Barton, 1961, 1965а, 1965b; Croker, 1950; Ohkuta et all., 1963 Roberts, 1964; Thomas, 1977; Vegis, 1964, 1965; Villers, 1972; Wareing, 1965;

Wareing, Sanders, 1971). Классификация типов покоя семян, разработанная М.Г. Николаевой (1977, 1985), получила широкое признание, поскольку в ней кроме причин покоя семян указаны и условия его нарушения.

В начале века А. Юарт (1908) разработал классификацию семян по продолжительности сохранения ими жизнеспособности, поделив их на микро-, мезо- и макробиотики. Позднее, деление семян на ортодоксальные и рекальцитратные было предложено Э. Робертсом (1973). Современная классификация семян древесных видов по продолжительности сохранения жизнеспособности при хранении предложена Ф. Боннером (1990).

Деление семян на масличные, белковые и крахмалистые отражает их классификация по типам основных запасных веществ (Лир с соавт.1974; Крокер, Бартон, 1955).

Таким образом, проведенный нами литературный обзор показал, что современные классификации плодов и семян разработаны на основе их морфологических, анатомических и биохимических различий и характеризуют семена как сложную биологическую систему.

Глава 3. Морфолого-анатомнческие особенности семян деревянистых растений

Морфолого-анатомическое строение семян в процессе эволюции претерпело большие изменения, поэтому семена каждого вида имеют свои специфические особенности (Тахтаджян, 1966;.Кречетович, 1952; Boesewinkel, Bouman, 1984). Знание этих особенностей помогает правильно определить условия хранения и режим их предпосевной подготовки . В главе приведены морфолого-анатомические описания плодов и семян 34 видов деревянистых растений, которые сопровождаются оригинальными рисунками и анатомическими разрезами семян. Характеристика семян некоторых видов деревянистых растений дана в таблице 1.

Разнообразие плодов исследованных видов включает 15 типов, в том числе: тип плода шишка - 7 видов; сочная костянка - 5 видов; костянка - 4 вида; орех - 2 вида и т.д. Твердые семенные покровы, препятствующие прорастанию и способствующие сохранению семян, имеют 10 видов деревянистых растений.

Изучение анатомического строения семян позволило установить разную степень недоразвитости зародыша (фаза проэмбрио, торпедо и др.), характерную для 15 видов из семейств Actinidiaceae, Araliaceae, Aristolochiaceae, Viagnoliaceae. Недоразвитость зародыша семени может быть обусловлена различными факторами. Например, Д. Хатчинсон (1951) считает наличие юлоразвитого зародыша и мощного эндосперма характерным признаком для эастений, произрастающих в местах с влажным климатом. С точки зрения ряда шторой (Грушвицкий, 1961а; Тахтаджян, 1970; и др.), недоразвитость

Характеристика семян деревянистых растений флоры Российского Дальнего Востока

Виды Средняя масса 1000 семян, г Размеры семени в мм Степень развития зародыша Тип запасных веществ Период сохранения жизнеспО' собности, лет Средний % пустых семян (1985- 1995) г.г. Тип покоя семян

длина ширина

Pinus densiflora 17,6 3,0-4,0 2,0-3,1 развитый масличный до 3 пет 11,2 (-) ;-в

Pinus koraiensis 610 17,0-20,0 10,0-14,2 недоразвит масличный 2 - 3 года 15 А -Б-В

Picea ajanensis 2,5 2,5-3,1 1,1 - 1,5 развитый масличный 2 - 3 года 9.7 (-): В

Taxus cuspidata 57,5 9,0-12,0 8,0-10,1 недифферен масличный 2 - 3 года 2,1 А -Б-В

Armeniaca mandshurica 910 14,0-20,0 12,0-15,0 развитый масличный . 2 года 4,3 А - В

Kalopanax septemlobus 8,4 4,3-7,0 2,2-4,1 недоразвит масличный 1 год 37,2 А -Б-В

Magnolia obovata 465 0,8-1,0 0,5 - 0,6 недоразвит масличный менее 1 года БВ-Б

Aralia elata 0,8 2,5-3,0 0,8-1,0 недоразвит смешанный 2 года 51,1 Б-В

Aristolochia manshuriensis 28,7 6,9-9,3 6,7 - 9,0 недоразвит смешанный 1 - 2 года 23 А - Б

Oplopanax elatus 8,8 4,7-4,9 3,0-3,5 недоразвит смешанный 1 - 2 года 50 Б-В

Prinsepia sinensis 300 11,5 -12,1 6,8 - 7,0 развитый смешанный 2 года 3,1 А - В

Microbiota decussata 7,5 2,5-3,0 2,2 - 2,4 развитый смешанный 1 - 2 года А-Б

Viburnum burejaeticum 31,5 8,3-9,0 4,2-5,0 недифферен. крахмалистый 2 года 5,3 А -Б-В

Quercus dentata 2300 12-20,1 11-16,02 развитый крахмалистый менее 1 года 3,5 (-)

зародыша это - признак примитивного развития семени. По их мнению, наличие большого количества видов, имеющих семена такого типа, объясняется близостью Дальнего Востока к центру видообразования в Юго-Восточной Азии.

Недоразвитость зародыша, присущая почти половине исследованных видов, по нашему мнению, с одной стороны является реликтовым признаком у одних растений, с другой стороны - может рассматриваться как результат их приспособления к муссонному климату.

Семена 11 видов имеют высокий (свыше 40) процент пустосемянности. Поскольку эти виды являются древними теплолюбивыми представителями семейств Araliaceae, Schisandraceae, Rutaceae, то, вероятно, в современных условиях произрастания они не способны образовывать'полноценные семена в большом количестве.

Особенности анатомо-морфологического строения семян деревянистых растений обусловливают и соответствующие им типы покоя. Семена только 7 видов не имеют периода покоя, остальные виды имеют сложный экзогенный и эндогенный покой семян. Для семян с недоразвитым зародышем, как правило, характерны морфологический (Б) и морфо-физиологический покой (Б-В ), а также все его подтипы по классификации М.Г. Николаевой (1982).

Глава 4. Биохимический состав запасных веществ семян

Биохимический состав семян, как известно, определяет их гигроскопические свойства, критическую влажность, длительность сохранения ими жизнеспособности, а также может характеризовать эволюционную продвинутость растений (Благовещенский, Александрова, 1974; Мамонов с соавт., 1986 ). Для установления этих важных характеристик, нами проведено изучение биохимического состава семян деревянистых растений. Запасные вещества в семенах представлены обычно малоподвижными высокомолекулярными соединениями, поэтому, нами было определено содержание Сахаров, крахмала, белка и жиров, а также вычислено их количественное соотношение (табл.2).

4.1. Запасные жиры семян

Растительные жиры и масла являются самыми энергоемкими соединениями, этим и объясняется преобладание данных соединений в семенах большинства растений (Лир с соавт., 1974 ).

Наибольшее содержание запасных жиров (до 72,3%) имели Pinus koraiensis. Значительное количество данных соединений (от 50 до 65 %) содержали семена Taxus cuspidata u Abies holophylla и следующих лиственных древесных пород: Armeniaca manshurica, Kalopanax septemlobus, Micromeies alnifolia, Phellodendron amurense, Magnolia obovata и др. Жиры выступали в качестве преобладающих запасных соединений в семенах ряда

Соотношение фракций основных запасных веществ в семенах деревянистых растений (в % )

Виды Белки Углеводы (сахара + крахмал) Жиры

Abies holophylla 19 10 67

Larix kurilensis 29 44 25

Picea ajanensis 36 9 55

Picea koraiensis 30 6 63

Pinus denslflora 24 32 43

Pinus koraiensis 10 6 82

Taxus cuspidata 35 2 61

Armeniaca mandshurica 21 13 65

Kalopanax septemlobus 22 7 70

Micromeies alnifolia 19 5 74

Phellodendron amurense 16 10 72

Quercus dentata 20 70 9

Quercus mongolica 22 74 2

Rhamnus davurica 36 25 39

Magnolia obovata 23 5 71

Pyrus ussuriensis 43 25 32

Juglaas mandshurica 15 17 68

Aristolochia manshuriensis 14 28 38

Berberis amurensis 34 50 15

Corylus mandshurica 16 14 69

Eleutherococcus sentocosus 23 10 66

Eleutherococcus sessiliflorus 28 9 62

Euonymus sacrosancta 34 25 40

Prinsepia sinensis 39 26 34

Schisandra chinensis 31 10 57

Microbiota decussata 29 14 56

Viburnum burejaeticum 30 61 9

Viburnum sargentii 29 62 9

Vitis amurensis 40 33 26

кустарников и деревянистых лиан: Celastrus orbiculata, С. flagellaris, Corylus manshurica, Eleutherococcus senticosus, E. sessiliflorus, Euonymus sacrosancta и др. Полученные данные позволяют сделать заключение, что в семенах 20 изученных видов жиры являются основными запасными соединениями.

4.2. Содержание углеводов в семенах

Сахара накапливаются во всех семенах, однако к моменту созревания количество их падает, так как они интенсивно используются на синтез других соединений. Сведения о содержании Сахаров в семенах деревянистых растений немногочисленны, тем не менее, известно, что состав и их количество у разных видов неодинаково (Овчаров ,1976).

Семена хвойных деревьев, как установлено нами, содержали сахара в количестве от 0,8 до 7,8 %. Минимальное количество Сахаров обнаружено в семенах Taxus cuspidata. В семенах лиственных древесных пород количество Сахаров варьировало в пределах от 1,4 до 9,3 %. Семена Armeniaca manshurica, Quercus dentata, Q. mongolica, Rhanmus davurica и Pyrus ussuriensís имели свыше 5% Сахаров.

Нами установлено присутствие большого количества Сахаров (от 17,5 до 29,3 % ) в семенах Aristolochia manshuriensis, Larix kurilensis, Microbiota decussata и Oplopanax elatus. Полагаем, что это является результатом недозрелости семян у данных .видов. Следует отметить, что в природе эти редкие виды обычно не образуют семенного возобновления и размножаются преимущественно вегетативным путем (Куренцова, 1968 а; Самойлова, 1980; Журавлев, Коляда, 1996).

Крахмал является одним из основных запасных углеводов семян. Семена, содержащие свыше 30% запасного крахмала, имели следующие виды: Quercus dentata, Q. mongolica, Viburnum sargentii, V. burejaeticum, Berberís amurensis; они отнесены нами к крахмалистому типу. Установлено, что семена с недоразвитым зародышем (Taxus cuspidata, Pinus koraiensis, Schisandra chinensis, Eleutherococcus senticosus, E. sessiliflorus, Kalopanax septemlobus) не содержали крахмала или он обнаружен в незначительном количестве. Полученные нами данные подтверждают мнение И.В. Грушвицкого (1952) и И.А. Ивановой (1971, 1978) о минимальном содержании крахмала в семенах такого типа.

4.3. Запасные белки семян деревянистых растений

Белки являются одними из важных запасных соединений семян. Причем, семян с высоким содержанием белка среди древесных растений достаточно много, но они практически мало используются (Earle, Jones, 1961; Овчаров, 1976). Содержание белка, по нашим исследованиям, в семенах деревянистых растений в зависимости от вида растений варьирует от 10,7 до 34,4%. Запасные белки в количестве от 20 до 34,4 % обнаружены нами в семенах 19

видов деревянистых растений: Aristolochia manshuriensis, Berberís amurensis, Pirus ussiiriensis, Rhamnus davurica и др. Таким образом, полученные результаты указывают на то, что запасные белки наряду с жирами являются главными запасными соединениями семян большинства исследованных нами растений.

4.4. Белки семян дальневосточных хвойных растений

Количественный и качественный анализ белков семян проведен нами на примере 8 видов хвойных растений. Установлено, что по содержанию белков виды значительно различаются: наименьшее количество (9,6 %) обнаружено в семенах Pinus koraiensis, а максимальное (34,4 %) - в семенах Taxus cuspidata.

Белки семян дальневосточных хвойных растений имеют различный фракционный состав (см. рис.). Причем, семена Pinus densiflora содержали наибольшее количество труднорастворимых белков (87%), что может характеризовать данный вид как филогенетически древний. Семена Abies holophylla, напротив, имели значительное количество (76%) легкорастворимых белков, что подтверждает палеоботанические сведения о молодости этого вида (Miller, 1983).

На основе сравнительного анализа белковых спектров семян хвойных растений сделано предположение о существовании филогенетически старых белков в семенах представителей семейства Pinaceae. По нашим данным таковыми, вероятно, являются следующие компоненты: во фракции легкорастворимых белков полипептиды с мол. массой 42, 25, 26 и 14 килодальтон (кД ); во фракции умеренно растворимых белков - компоненты 43, 23 и 16 кД ; в труднорастворимой фракции 43 и 14 кД (табл.3). Родство тиссовых и сосновых, установленное ранее рядом авторов (Chaw et all., 1993), вероятно, можно подтвердить и наличием общих полипептидных компонентов, обнаруженных нами в легкорасгворимой фракции белков (17-42 кД), компонентов в умереннорастворимой фракции (16-43 кД), а также в труднорастворимой фракции (14-43 кД).

Для реликтовых хвойных растений (Taxus cuspidata, Microbiota decussata, Pinus koraiensis), которые, как мы предполагаем, развивались по медленно эволюционирующему (брадителическому) пути эволюции (Simpson, 1948), характерен специфический белковый комплекс. Малокомпонентность белковых спектров семян характерна для Taxus cuspidata u Microbiota decussata.

Полученные сведения о биохимическом составе семян позволили разделить виды на типы по преобладанию основных запасных веществ: масличный (20 видов), крахмалистый (5 видов) и смешанный (9 видов), т.е. большинство видов имеют семена масличного типа. К последним относятся семена как хвойных, так и некоторых лиственных древесных пород, кустарников и лиан. Типично крахмалистые семена имеют представители рода Quercus, Viburnum, а также Berberís amurensis.

I

■8 эо

В легкорастворимые белки Ш умереннорастворимье белки И труднорастворимые белки

4 5

виды растений

Рис. Относительная величина белковых фракций семян (в % от общего содержания белка в семени)

1 - Ртиэ кога1еп51з ;

2 - Ртиэ (ЗегеШога ;

3 - Рюеа а}апеп51э ;

4 - Рюеа когаюгтаэ ;

5 - АЫеэ ИокфИуПа ;

6 - 1_апх кигЛепэй;

7 - Тахиэ cusp¡data ;

8 - МюгоЬЫа decussata .

Характеристика белков семян дальневосточных хвойных растений

Виды Молею/ля рная масса, кД

94 • бт) во J 50) 43) 42) 40 j 39 j 361 37) 36] 35) 34 j 33) 32 31)30)29! 28)27) 26)25)24) 23)22)21) 18117) 161 14

J фракция -легкорастворимые белки

Pinus koraiensi3 Pinus densiflora Picea ajanensis Picea koraiensis Abies holophylla larix kmlenso Taxus cusptdata * ♦ 4 + 4 4 4 4 4 4

+ + 4- 4 4 4 + ♦ + 4 4 4 ♦

♦ 4 4

♦ * 4 4

с + ♦ 4 4

+ 4- 4 4

с ♦ 4

Microbiota decussa ta с 4 + + 4 4 4

II фракция - умереннорастворимые белки

Pinus koraiensis Pinus densiflora Picea ajanensis Picea koraiensis Abms holophylla Larix kunlQnais Taxus cuspidata Microbiota ♦ 4 4 4 ♦ 4 4 ♦ 4 4

4 + 4 4 4

+ ♦ 4 4

+ 4 + ♦ + * 4

4 4 4

+ + 4 + 4 + +

+ 4 4

+ 4 + + 4

decussata III фракция - труднорастворимые белки

Pinus koraiensis Pinus densiflora Picea ajanensis Picea koraiensis Abies holophylla Larix kurilensis Taxus cuspidata + + 4 4 + 4 4

4 + 4 4 4 + 4- 4 4 4 4

+ + + ♦ 4 4 4

+ ♦ + 4 4

+

с + + + 4 ♦

с 4

Microbiota decussata с

Примечание. + наличие пята на элекгрофореграмме; с - следы полипегтгида

К смешанному (белково-углеводному) типу отнесены семена, содержащие наименьшее количество запасных жиров, а преобладающими соединениями в них являются белки и углеводы : Aristolohia manshuriensis, Larix kurilensis, Microbiota decussata, Pyrus amurensis, Vitis amurensis и др.

Глава 5. Храненне семян деревянистых растений

В главе приведены сведения об изменении в составе основных запасных веществ семян (жиров, белков, Сахаров и крахмала), а также влиянии основных факторов (влажность семян, температура и доступ кислорода) на изменение их жизнеспособности при разных сроках (от нескольких месяцев до 10 лет) и способах их хранения. Особое внимание уделено изучению способов хранения семян сосны кедровой корейской - основного лесообразователя и главной лесокультурной породы Приморского края.

5.1. Хранение семян сосны кедровой корейской

Установлено, что количество влаги в семенах сосны кедровой корейской является одним из определяющих факторов при хранении. Эксперименты по открытому хранению семян позволили установить, что семена этого вида, обладая высокой гигроскопичностью семенной кожуры, поглощают влагу в летнее время из воздуха. После хранения в течение полутора лет в типовом складе, качество семян понизилось до III класса (табл.4). При этом произошли значительные изменения в составе основных запасных веществ: количество жиров уменьшается на 14 %, запасных белков и крахмала сократилось в 2 раза.

В семенах, хранившихся траншейным способом (Воробьев, 1987), излишек влаги привел к частичному окислению жиров и незначительному уменьшению Сахаров и крахмала, по сравнению с семенами прошедшими ускоренную стратификацию (табл.4). Хотя, данный способ хранения семян сосны кедровой корейской и привлекает своей относительной дешевизной и сокращением сроков на предпосевную подготовку, по нашему мнению, потери семян при таком способе хранения могут быть весьма велики. Как показали биохимические исследования, после такого способа хранения, качество семян значительно ниже, по сравнению с ускоренной стратификацией.

Обеспечить высокую сохранность семян возможно путем уменьшения доступа к ним кислорода (Роберте, 1978; Мамонов с соавт., 1986). Опыт по хранению семян в негерметичной таре и в запаянных стеклянных сосудах подтвердил это утверждение и для семян сосны кедровой корейской. Уменьшение количества запасных веществ происходит в семенах при негерметичном их хранении, в герметичной таре эти процессы протекали значительно медленнее. Количество запасных жиров в семенах при герметичном их хранении сократилось на 10,2 %, а при негерметичном - более

Таблица 4.

Содержание запасных веществ в семенах сосны кедровой корейской при различных условиях хранения и стратификации

в % на сухую массу

Условия хранения, срок, способ стратификации Класс качества Содержание воды в % от свежей массы Жиры Белки Сахара Крахмал

Свежесобранные семена I 14,2 ±0,5 69,7± 0,5 14,2 + 0,3 7,1+0,2 1,31+0,1

Хранение в нерегулируемых условиях Надеиздинского лесопитомника, 6 месяцев II 8,7 + 0,7 68,5 + 0,6 8,5 + 0,2 8,3 + 0,1 0,72 + 0,02

Хранение в нерегулируемых условиях Надеждинского лесопитомника, 1,5 года III 3,5 ± 0,3 63,2 + 0,7 4,5 + 0,1 9,0 + 0,4 0,68 ±0,01

Хранение в типовом складе с контролируемыми условиями Арсеньевского лесхоза, 3 года II 8,2 + 0,2 53,1 + 0,2 9,21+ 0,1 8,01+ 0,2 1,26 + 0,15

Ускоренная стратификация * J-II 40,1+ 0,7 56,5 + 0,3 7,01+0,3 11,37+0,3 0,36 + 0,02

Хранение и стратификация ** II-III 45,4 + 0,6 44,0 + 0,5 5,9 + 0,3 10,47+ 0,5 0,25 ±0,05

Примечание : * - методика Н.В.Кречетовой и др.,1974 ** - хранение по методике В.Ф.Воробьева,1987

чем на 20%. Жизнеспособность семян, хранившихся 10 лет в негерметичной таре, уменьшилась на 32 %, в то время как при герметичном сократилась только на 22 % (табл.5). Следует отметить, что при биохимическом анализе семян потерявших жизнеспособность, отмечено уменьшение извлекаемое™ окисленных липидов, однако четко видна разница между различными вариантами хранения семян.

Регуляция таких факторов как влажность, температура и кислород не оберегают полностью семена от старения. Это подтверждено ухудшением жизнеспособности и сокращением количества запасных веществ в семенах даже при их герметичном хранения при низких температурах (табл.5). Нами установлено, что при всех способах хранения семян происходит уменьшение содержания в семенах запасных жиров и белков, при этом незначительно меняется количество Сахаров и крахмала ( табл. 5).

Таким образом, показано, что ни один способ хранения семян сосны кедровой корейской в производственных условиях не позволяет сохранить их в течение длительного периода с высокой жизнеспособностью. Наиболее перспективным способом, по нашему мнению, может быть только герметичное хранение семян сосны кедровой корейской с влажностью не выше 5-6% при температуре от 0° до -10°С.

5.2. Храпение семян в лабораторных и природных условиях

В процессе изучения хранения семян в лабораторных условиях, установлено, что их жизнеспособность зависит от состава запасных веществ, а также от строения семенной оболочки. Например, семена масличного типа, имеющие тонкие семенные покровы (Celastrus orbiculata, С. flagellaris), за период хранения в течение года понизили жизнеспособность до 36 %, а семена Picea ajanensis - до 58%. Семена Pinus densiflora, отличающиеся более плотной семенной оболочкой, даже после трехлетнего хранения сохранили жизнеспособность до 75%. Масличные семена с твердой семенной оболочкой (Pinus koraiensis, Taxus cuspidata, Juglans mandshurica) сохраняли жизнеспособность в обычных условиях только 2-3 года. Хранение же семян Picea ajanensis и Larix kurilensis в герметичных сосудах позволило продлить их период жизнеспособности: после 8 лет хранения семена этих видов имели всхожесть от 60 до 70 %. Высокой жизнеспособностью отличались после 6 лет хранения в лаборатории только семена Maackia amurensis (45%).

Опыты по хранению семян сосны кедровой корейской в подстилке кедрово-широколиственного леса на Верхнеуссурийском стационаре подтвердили мнение Т.А. Комаровой (1986) о консервирующей роли почвы в сохранении жизнеспособных семян деревянистых растений. Семена, хранившиеся в почве 12 месяцев, остались жизнеспособными, а 14 % их проросло, образовав в темноте, как и свойственно всем хвойным, зеленые семядольные листья. Период прорастания семян в полевой лаборатории был

Таблица 5.

Биохимические изменения в семенах сосны кедровой корейской при различных условиях и сроках хранения

Срок хранения, год Варианты * Жизнеспособность семян, % Содержание воды в % от свежей массы в % на сухую массу

Жиры Белки Сахара Крахмал

Свежесобранные семена 93,2 + 0,7 12,3 + 0,4 68,7 + 1,2 12,5 + 0,4 11.8 + 0,2 1,6 + 0,02

1 1 II 80,2 + 0,5 87,0 + 0,4 8,5 + 0,4 6,2 + 0,3 64,3 + 0,7 66,8 + 0,4 11,5 + 0,4 11,7 + 0,3 10,3 + 0,2 11,7 + 0,3 1.5 + 0,1 1.6 + 0,1

3 1 II 72,3 + 0,8 85,2 + 0.7 8,5 + 0,2 6,2 + 0,2 54,2 + 0,2 65,6 + 0,3 11,4 + 0,1 11,6 + 0,2 10,9 + 0,1 11,7 + 0,2 1,37 + 0,02 1,6 + 0,1

5 1 II 70,1+ 0,6 82,3 + 0,9 8,8 + 0,4 6,1+0,3 53,4 ±0,4 64,81 0,4 11.2 + 0,1 11,4 + 0,3 11,3 + 0,4 11,7 + 0,1 1,2 + 0,07 1,6 + 0,1

7 1 II 65.4 + 0,8 76.5 + 0,6 9,0 + 0,5 6,0 + 0,3 48,7 + 0,7 64,1 + 0,4 10,0 + 0,4 11,2 + 0,1 11,4 + 0,3 11,6 + 0,2 1,2 + 0,1 1,5 + 0,03

10 1 II 61,3 + 0,6 71,2 + 0,5 8,8 + 0,6 6,1+ 0,7 47,2 + 0,3 63,1 + 0,2 9,2 + 0,2 11,1+0,2 11.4 ±0,4 11.5 + 0,3 1,2 + 0,02 1.5 + 0,07

Примечание : * I - семена хранились в негерметичной таре II - семена хранились в герметичных сосудах

растянут на 1,5 года, при этом первоначально проросло такое же количество семян. Длительный период прорастания обусловлен наличием естественной гетерогенности семян и является стратегией данной древесной породы, обеспечивающей ее возобновление.

5. 3. Криохранеиие семян

В результате экспериментов по определению криорезистентности семян 9 видов показано, что семена успешно переносили как медленный, так и быстрый режим замораживания. Потеря жизнеспособности семенами хвойных пород, относящихся к масличному типу (Pinus koraiensis, Pinus densiflora, Picea ajanensis, Picea koraiensis), в режиме медленного замораживания составила в среднем от 20,3 до 24,4 %. При быстрой криоконсервации этот показатель увеличился в два раза, что указывает на отрицательное влияние быстрого замораживания и отогрева на жизнеспособность семян. Семена белково-углеводного типа (Larix kurilensis, Prinsepia sinensis) уменьшили жизнеспособность после криоконсервации двумя способами только на 9,8 -27,2%. Мелкосемяннные виды (Rhododendron mucronulatum, Rh. schlippenbachii, Rh.sichotense) успешно перенесли криохранение с минимальной (до 10%) потерей жизнеспособности даже в режиме быстрого криоконсервирования. Не обнаружено изменений в белковых спектрах семян сосны кедровой корейской после криохранения.

Рекомендации

1. При существующей материальной базе лесхозов Приморского края, наиболее перспективным в ближайшее время способом производственного хранения может стать герметичное хранение семян сосны кедровой корейской с влажностью 5-6 % при температурах от 0°С до -10°С. Применение герметичного хранения семян с низкой влажностью позволит продлить срок хранения семян даже в хранилищах, не имеющих рефрижераторного охлаждения.

2 .Масличные семена деревянистых растений хорошо обезвоживаются (до влажности 5-6 %) с помощью сшшкагелей и могут успешно подвергаться криоконсервации. Особое внимание следует уделять разработке режима деконсервации семян с хрупкой семенной оболочкой. Перспективным в ближайшее время, по нашему мнению, является применение режима быстрого замораживания семян всех редких видов рода Rhododendron. При отборе видов, сохранение геномов которых планируется осуществлять в виде банка семян, следует учитывать наличие большого процента пустосемянности и недоразвитости семян.

3. Семена масличного типа 20 видов, особенно являющиеся лекарственными растениями, следует рекомендовать для качественного изучения и последующего культивирования с целью получения растительных масел.

Выводы

1. Среди изученных 34 видов дальневосточных деревянистых растений твердые семенные оболочки, препятствующие прорастанию семян, присутствуют у 10 видов: Armeniaca mandshurica, Corylus mandshurica, Microbiota decussata, Pinus koraiensis, Prinsepia sinensis, Juglans mandshurica, Taxus cuspidata, Viburnum burejaeticum, V. sargentii, Vitis amurensis.

2. Недоразвитость зародыша характерна для 15 видов: Actinidia kolomicta, Aralia elata, Aristolochia manshuriensis, Eleutherococcus senticosus, E. sessiliflorus, Oplopanax elatus, Pinus koraiensis, Schisandra chinensis, Taxus cuspidata, Magnolia obovata, Microbiota decussata, Viburnum burejaeticum, V. sargentii, Vitis amurensis. Полагаем, что у одних видов (семейства Araliaceae, Magnoliaceae) недоразвитость зародыша является реликтовым признаком, для других - ее можно рассматривать как результат приспособления к муссонному климату Дальнего Востока.

3. Высокий процент пустосемянности (свыше 40%) имеют 11 видов: Aralia elata, Aristolochia manshuriensis, Eleutherococcus senticosus, E. sessiliflorus, Oplopanax elatus, Schisandra chinensis, Phellodendron amurense, Kalopanax septemlobus, Microbiota decussata, Micromiles alnifolia, Larix kurilensis. Вероятно, эти виды, являющиеся потомками древних теплолюбивых растений, не способны в современных условиях произрастания образовывать большое количество полноценных семян.

4. Не имеют периода покоя семена 7 видов (Abies holophylla, Picea ajanensis, Р. koraiensis, Pinus densiflora, Quercus dentata, Q. mongolica, Larix kurilensis); для остальных 27 видов характерен сложный комбинированный покой, преодоление которого обеспечивает длительная предпосевная подготовка.

5. По количеству основных запасных веществ семена изученных видов разделены на следующие типы: к масличному типу семян отнесены семена 20 видов; к смешанному (белково-углеводному) типу - 9 видов (Actinidia kolomicta, Aristolochia manshuriensis, Oplopanax elatus, Prinsepia sinensis, Pyrus ussuriensis, Rhamnus davurica, Larix kurilensis, Microbiota decussata, Vitis amurensis); к крахмалистому типу - 5 видов (Berberis amurensis, Quercus entata, Q. mongolica, Viburnum burejaeticum, V. sargentii).

6. Деревянистые растения Aristolochia manshuriensis, Larix kurilensis, Microbiota decussata, Oplopanax elatus образуют обычно недозрелые семена, на что указывает, обнаруженное в них значительное (от 17,5 до 29,3 %) количество Сахаров.

7. Характеристика белкового комплекса и содержание белка в семенах дальневосточных хвойных растений (за исключением реликтовых видов) могут служить биохимическими критериями определения относительного филогенетического возраста в отдельных родах.

8. Присутствие значительного количества труднорастворимых белков в семенах Pinus densiflora (87%), может свидетельствовать о древности его происхождения, а наличие в семенах Abies holophylla наибольшего содержания легкорастворимых белков (76 %), характеризует этот вид как самый филогенетически молодой из рассмотренной группы хвойных растений и это подтверждается палеоботаническими исследованиями (Miller, 1983).

9. Для реликтовых хвойных растений (Taxus cuspidata, Microbiota decussata, Pinus koraiensis), которые мы предполагаем, развивались по медленно эволюционирующему (брадителическому) пути эволюции (Simpson, 1948), характерен специфический белковый комплекс. Малокомпонентность белковых спектров у Taxus cuspidata u Microbiota decussata, вероятно, является признаком их древнего происхождения.

10. Наличие общих полипептидных компонентов на спектрах белков семян Taxus cuspidata и представителей Pinaceae, по-видимому, подтверждает гипотезу ряда авторов (Chaw et all.,1993) о филогенетическом родстве тиссовых и сосновых. Общие белковые компоненты, обнаруженные в семенах всех видов Pinaceae, вероятно, представляют собой филогенетически старые белки, характерные для этого семейства.

11. Ни один из изученных способов хранения семян кедра корейского в производственных условиях не позволяет сохранить их с высокой жизнеспособностью на длительный период.

12. Криорезистентность семян дальневосточных видов деревянистых растений зависит от их размеров, строения семенной оболочки, типа запасных веществ, исходной влажности и способа их замораживания и отогрева.

По материалам диссертации опубликовано:

1. Орехова Т.П. Содержание запасных веществ и качество семян дальневосточных хвойных пород. Тез. докл. регион, науч. конф. Хабаровск, 1989, С.94-95.

2. Орехова Т.П. Изменения запасных веществ в семенах кедра корейского при разных способах хранения. // Теоретическая и прикладная карпология. Кишинев: Штиинца, 1989, С.291-292.

3. Орехова Т.П. К вопросу о запасных веществах в семенах дальневосточных хвойных растений. // Тез. регион.конф. по изучен, флоры Дальнего Востока, Уссурийск: изд-во УГПИ, 1991, С.59-60.

4.Орехова Т.П. О запасных белках семян дальневосточных хвойных растений. Тез.докл. III Всероссийского съезда физиологов растений. Санкт-Петербург, 1993, Т.4, С.391.

5.Орехова Т.П. К вопросу о биохимическом составе семян дальневосточных древесных растений. // Сб. научн. трудов (VII Арсеньевские чтения), Уссурийск: изд- во УШИ, 1993, С. 108-109.

6.0rekhova Т.Р. Cryoconservation of the seeds of Far eastern woody species. Abst. Symp.on Community Ecology and Conserv. Biol., Bern, Switzerland, aug.14-18, 1994.

7. Orekhova T. About storage lipids contained in seeds of woody plants. Collection of Abstr. XVIII Pacific. Scien. Congress. Population, Resources and Environment, Beijing, China, 1995.

8.Орехова Т.П. Создание генного банка семян - один из путей сохранения биоразнообразия дальневосточных деревянистых растений. // Матер. XIV рабоч. совещ. Консервация генет. ресурсов, Пущино, 1996, С. 130 -132.

9.Орехова Т.П. Условия длительного хранения семян кедра корейского // Матер, междунар. конф. Кедрово-широколиственные леса Дальнего Востока. Хабаровск, 1996, С.92 (англ. С.216 ).

Ю.Орехова Т.П. Сравнительный анализ белкового комплекса семян дальневосточных хвойных растений для оценки их родства и филогенетического возраста. // Физиология растений, 1998, Т. 45, № 2, С. 338 -345.