Азот в белках прорастающих семян лиственниц Гмелина и сибирской

Основными лесообразующими породами Средней и Восточной Сибири являются лиственницы Гмелина, Каяндера и сибирская. Сформированные ими леса занимают огромную территорию от бассейна Нижней Тунгуски на западе до бассейна Колымы на востоке, и от южной границы республики Тыва до предела распространения лесной растительности в Субарктике.

Насаждения этих видов служат объектом промышленной эксплуатации и одновременно в условиях сплошного распространения многолетней мерзлоты они выполняют важные водоохранные, почвозащитные и климаторегулирующие функции (Абаимов, Коропачинский, 1984).

Под воздействием дестабилизирующих природных и антропогенных факторов происходит постепенное истощение генетических ресурсов леса, снижение их устойчивости и продуктивности. Поэтому изучение проблемы адаптации растительного организма к различным факторам имеет огромное практическое значение, так как позволяет судить о возможных путях селекции и акклиматизации растений (Севрова, 1963; Титов, Таланова, 2003).

Кроме того, подобные исследования имеют не только специальное, но и общее биологическое значение, когда речь идет о раскрытии закономерностей более устойчивого воспроизводства растений и формирования у них специфических особенностей обмена и структуры, более соответствующих новым условиям произрастания.

Исследования в этом направлении проводились, в основном, на культурных растениях (Воронова, 1963; Васильева и др., 1964; Галачалова, Кунгурцева, 1965; Кунгурцева, 1966; Николаева, Воробьева, 1978; Молодкин, 1987; Стрибуль и др., 1995; и др.), которые являются удобными объектами исследования из-за легкости их размножения, короткого жизненного цикла и важного хозяйственного значения, по сравнению с дикорастущими видами. Но нельзя забывать об экологической, экономической и эстетической роли хвойных лесов в жизни человека и биосферы в целом.

Одной из основных задач современного лесоводства является сохранение бореальных лесов, возобновление которых лимитируется как неблагоприятными факторами среды, так и посевными качествами семян, связанными с содержанием в них запасных веществ и интенсивностью их использования в процессе прорастания. Содержание азота в семенах хвойных относительно небольшое, но его роль, особенно в форме белковых соединений, очень велика. Запасные белки — это необходимый материал для биосинтеза жизненно важных соединений, не только обеспечивающий прорастание семян, но и существенно повышающий устойчивость проростков к внешним факторам.

Особый интерес в проблеме устойчивости растительных организмов к действию экстремальных факторов среды, представляет изучение азотного обмена хвойных северных популяций, таких, как лиственница Гмелина. Известно, что ее ареал занимает самое северное положение по сравнению с другими хвойными растениями, а границы произрастания лиственницы Гмелина совпадают с границами распространения многолетней мерзлоты (Абаимов, Коропачинский, 1984). Северные районы произрастания лиственницы Гмелина — Центральная Эвенкия и п/о Таймыр (массив Ары-Мас) — характеризуются низкими температурами почвы в течение всей вегетации, неглубоким проникновением положительных температур и малой их продолжительностью (Прокушкин и др., 2002). Однако лиственничные леса, имея здесь огромный дефицит биологически-активных температур, обладают высокой терморезистентностью и представляют собой довольно устойчивые экологические системы. Поэтому выяснение механизмов адаптации лиственницы на биохимическом уровне к экстремальным температурам — крайне необходимо, как в целях диагностики толерантности древесных, так и возможного её регулирования.

В настоящее время достаточно широко изучено влияние различных экологических факторов на содержание отдельных форм азота в вегетативных органах хвойных. Однако, особенности содержания азота в семенах, его трансформация при прорастании в зависимости от экологических условий и его роль в устойчивости к неблагоприятным факторам, в частности, к гипотермии — исследованы недостаточно. Поэтому необходимо тщательное изучение специфичности этих процессов у лиственниц, как главных лесообразующих пород Сибири.

Цель исследований — изучить содержание азота в семенах лиственницы Гмелина и лиственницы сибирской, ели сибирской и сосны обыкновенной и их посевные качества в зависимости от климатических факторов и выяснить влияние различных температур проращивания на фракционный состав белкового азота в семенах лиственниц.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1) Определить содержание отдельных фракций белка в семенах лиственниц Гмелина и сибирской, в зависимости от региона их произрастания;

2) Выяснить влияние температуры субстрата на фракционный состав белкового азота в прорастающих семенах разных климатипов лиственниц Гмелина и сибирской;

3) Проследить связь между интенсивностью дыхания семян изучаемых лиственниц и качественным составом белкового азота при прорастании семян;

4) Оценить посевные качества семян изучаемых хвойных видов Средней и Восточной Сибири в зависимости от содержания в них общего и белкового азота.

Научная новизна: Впервые изучено влияние лесорастительных условий древостоев на содержание общего и белкового азота в семенах хвойных пород. Выявлено изменение фракционного состава белкового азота в процессе прорастания семян лиственницы Гмелина и лиственницы сибирской в зависимости от температуры. Полученные результаты способствуют пониманию на физиолого-биохимическом уровне особенностей адаптации проростков хвойных растений к гипотермии.

Практическое значение: Полученные данные об особенностях ответных реакций прорастающих семян разных видов лиственницы к гипотермии могут использоваться для диагностики устойчивости растений к неблагоприятным температурным условиям при интродукции хвойных видов. Кроме того, сведения о влиянии климатических особенностей региона произрастания на посевные качества семян и содержание азота в них могут использоваться в лесокультурной практике для отбора семян при выращивании высококачественного посевного материала в питомниках. На защиту выносятся следующие положения:

• Содержание общего и белкового азота в семенах лиственниц Гмелина и сибирской, ели сибирской и их посевные качества зависят от температурных условий региона в период созревания семян;

• Изменение содержания альбуминов, проламинов и нерастворимой фракции белка в семенах лиственницы, прорастающих при контрастной температуре, отражает степень их адаптации к экстремальным температурным условиям региона;

• При оптимальной температуре дыхание прорастающих семян рассматриваемых лиственниц коррелирует с содержанием в них альбуминов и глобулиновв то время как при контрастной температуре — с содержанием проламинов и нерастворимого белка. Апробация работы: Результаты проведенных исследований были представлены на следующих конференциях:

1. «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири», конференция молодых ученых ИЛ СО РАН — Красноярск, 2003.

2. «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий», Международная научная школа-конференция студентов и молодых ученыхАбакан, ХГУ, 2003.

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

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

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

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

7. «Биоразнообразие природных и антропогенных экосистем», III Молодежный научный семинар — Екатеринбург, 2004.

По теме диссертации опубликовано 7 работ и 1 находится в печати.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, 4 приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц, 33 рисунка. Библиография — 249 наименование, в том числе 51 на английском языке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Лесные экосистемы Крайнего Севера, сформировавшиеся в области сплошного распространения многолетней мерзлоты, представляют собой уникальный пример адаптации растений к экстремальным температурным условиям произрастания. Приспособление хвойных видов к олиготрофности, низким температурам почвы и короткому вегетационному периоду отражается не только в анатомо-морфологических особенностях отдельных органов и тканей, но, в большей степени, в изменениях их метаболизма, что проявляется уже на начальных этапах прорастания семян.

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

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