Влияние биомассы эпифитных лишайников на прорастание семян злаковых культур

ВЛИЯНИЕ

на прорастание

семян

Резюме. Исследовано влияние измельченной биомассы эпифитных листоватых и кустистых лишайников на прорастание семян и первичный рост овса посевного, ячменя обыкновенного, ржи посевной, пшеницы мягкой, тритикале и кукурузы сахарной. Показан ингибирующий эффект Evemia prunastri по отношению к данным процессам у всех указанных злаков. Биомасса Ramalina pollinaria оказывает слабое стимулирующее действие на прорастание кукурузы и пшеницы, но угнетает первичный рост этих культур. Hypogymnia physodes снижает энергию прорастания овса, тритикале и пшеницы и повышает ее у ржи и ячменя. Выявлен эффект стимуляции лишайником Xanthoria parietina первичного роста овса, ячменя и ржи.

Ключевые слова: эпифитныелишайники, биомасса, злаковые культуры, прорастание семян, первичный рост, стимуляция роста.

Лишаиники как организмы и как источник ценных веществ известны на протяжении последних двух-трех тысячелетии истории человечества. В работах Теофраста (371-286 до н.э.) уже приводится научное описание некоторых видов, в том числе применяемых для получения красок. Библейскую манну, спасшую от голода Моисея и его соплеменников во время скитаний после Исхода из Египта, часто трактуют как слоевища аэро-фитных лишайников. Средневековые наставления по медицине указывают на лекарственное использование таких организмов, которые тогда считали растениями. Их исследование и идентификация веществ, называемых сейчас лишайниковыми, начались только с середины XIX в. Многочисленные обзоры [1-3], фундаментальные издания [4-8], вышедшие

Ольга

Храмченкова,

доцент кафедры

ботаники

и физиологии

растений

Гомельского

государственного

университета

им. Ф. Скорины,

кандидат

биологических наук, доцент

за последние 20 лет, свидетельствуют, что в настоящее время лишайники - наиболее изучаемые и вместе с тем одни из наименее изученных организмов на планете.

Самые ранние сведения о биохимических свойствах лишайников относятся к 1866 г., когда финский естествоиспытатель, профессор ботаники Хельсинкского университета В. Нюландер впервые использовал простые реактивы КОН и Са(С10)2 для обнаружения таких веществ путем проведения точечных реакций на слоевищах. Сегодня известно более 1 тыс. вторичных метаболитов лишайников, идентифицированы неспецифические компоненты первичного метаболизма, встречающиеся также в тканях высших растений, талломах водорослей, мицелии свободноживущих грибов.

Вторичные лишайниковые метаболиты относятся к различным классам соединений: алифатическим кислотам, сложным эфирам и их производным; поликетидным производным ароматических соединений; ди- и тритер-пенам, стероидам, терпенохинонам и др. [9]. Их свойства, пути биосинтеза и возможности применения активно исследуются во многих лабораториях мира. Подавляющее большинство этих веществ нерастворимо в воде, поэтому их практическому использованию предшествует прямое или последовательное извлечение из слоевищ органическими растворителями различной полярности.

Вместе с тем ряд работ посвящен водорастворимым веществам, извлекаемым из лишайников как в довольно жестких,

щм *

Hypogymnia physodes (L.) Nyl. 1 1 Evernia prunastri (L.) Ach.

1 f

Xanthoria parietina (L.) Th. Fr.

так и в сравнительно мягких условиях. К их числу относятся фенольные соединения. Для лишайников Peltigera aphthosa, Solorina crocea, Cetraria islandica, Flavocetraria nivalis, Cladonia uncialis и Cladonia arbuscula показано присутствие 7-12 фенольных соединений аналогичного качественного состава у видов одного и того же порядка. Большая часть водорастворимых фенолов представлена фенилпропанои-дами [10]. В условиях умеренного подщелачива-ния водного раствора из слоевищ извлекается лихенан [11].

Одно из направлений практического использования лишайников - разработка протравителей семян и стимуляторов роста сельскохозяйственных растений [12, 13]. Регуляторы роста вызывают соответствующие эффекты в малых дозах, обладают такими характеристиками, как экологическая безопасность, нетоксичность и нефитотоксичность.

Овес посевной

Ячмень обыкновенный

Рожь посевная

Пшеница мягкая

Тритикале

Кукуруза сахарная

£ 4

S 3 § 2

1

о

*

и -1

<v

i"2 Нз

то -4 ^

и -5

Рис. 1. Слоевища лишайников на типичных субстратах

Рис. 2. Влияние лишайников на посевные качества семян зерновых на третьи -седьмые сутки опыта

^^ H. physodes E. prunastri R. pollinaria X. parietina

4

6

Рис. 3. Влияние биомассы Еуегша ргипазМ на длину корней (КК - контроль; КО - опыт) и высоту сеянцев (СК - контроль; СО - опыт) злаковых культур на пятый, шестой и седьмой дни роста

5-й день

6-й день

7-й день

Овес

Ячмень

Рожь

йи в m

КК КО СК СО

КК КО СК СО

КК КО СК СО

Пшеница

Тритикале

Кукуруза

КК КО СК

СО

14 12 1G

ï S б 4 2

m

КК КО СК СО

15

16 14 12

ï 1G

5

6 4 G

КК КО СК СО

С 2002 г. нами ведутся исследования лихе-нобиоты Гомельского региона. Описана встречаемость ряда видов в г. Гомеле и окрестностях. Для сосновой формации региона (более 60% всех лесов) анализ лишайников выполнен по всем типам леса и группам возрастов. В результате установлены виды, характеризующиеся градациями «обычные», «часто встречающиеся», «редкие» и «единично встречающиеся». Для гипогимнии вздутой (Hypogymnia physodes) оценен ресурсный запас в масштабах Гомельского лесхоза [14, 15].

Целью данной работы было изучение влияния биомассы некоторых видов лишайников на прорастание семян злаковых культур. Для этого мы выбрали четыре вида листоватых и кустистых лишайников с хорошо описанным составом вторичных метаболитов (рис. 1) [16].

Гипогимния вздутая - Hypogymnia physodes (L.) Nyl. (Syn. Parmelia physodes (L.) Ach.) -распространенный полиморфный вид листоватых лишайников семейства Parmeliaceae порядка Lecanorales класса Lecanoromycetes отдела Ascomycota. Поселяется преимущественно на стволах и сучьях лиственных и хвойных пород, реже на обработанной древесине и каменистом субстрате, иногда на почве [17]. Содержит атранорин, хлоратрано-рин, физодовую, физодаловую, 3-гидроксифи-зодовую, 2'-О-метилфизодовую и протоцетра-ровую кислоты [18].

Эверния сливовая - Evernia prunastri (L.) Ach.- распространенный вид кустистых лишайников семейства Parmeliaceae порядка Lecanorales класса Lecanoromycetes отдела

Ascomycota. Встречается на деревьях хвойных и лиственных пород, на мертвой древесине, реже - на камнях. В составе преобладают атранорин, усниновая и эверновая кислоты [17, 19, 20].

Рамалина опыленная - Ramalina pollinaria (Westr.) Ach. - распространенный вид кустистых лишайников семейства Ramalinaceae порядка Lecanorales класса Lecanoromycetes отдела Ascomycota. Произрастает на стволах и сучьях деревьев преимущественно лиственных пород, содержит эверновую и усниновую кислоты [S, 6, 8, 17, 20].

Ксантория настенная - Xanthoria parietina (L.) №. Fr. - распространенный вид листоватых лишайников семейства Teloschistaceae порядка Teloschistales класса Lecanoromycetes отдела Ascomycota. Обитает на стволах деревьев различных пород, гниющей древесине, каменистом субстрате. Выявлены антрахиноны, в том числе париетин [S, 7, 9, 17].

Биомассу лишайников отбирали в г. Гомеле и пригородных лесах, основываясь на результатах исследования частоты встречаемости видов. Слоевища отделяли от субстрата, высушивали до воздушно-сухого состояния, измельчали. Объектами изучения являлись злаковые культуры: овес посевной (Avena sativa L.), ячмень обыкновенный (Hordeum vulgare L.), рожь посевная (Secale cereale L.), пшеница мягкая (Triticum aestivum L.), тритикале (xTriticosecale Wittm. & A. Camus) и кукуруза сахарная (Zea mays subsp. mays L.). Их семена проращивали в пластиковых контейнерах при температуре 23±2 °C и переменном

1G

14

1S

9

S

5

4

3

2

G

освещении в соответствии с [21] на фильтровальной бумаге. В опытных вариантах под ее верхний слой вносили измельченную биомассу слоевищ (мульчу) испытуемых видов лишайников из расчета 0,01 г/см2. Семена раскладывали поверх бумаги, для увлажнения использовали смесь Кнопа, разведенную водой в соотношении 1:10. В соответствии со сроками прорастания семян изучаемых культур [20] энергию прорастания определяли на третьи - четвертые сутки опыта, всхожесть - на седьмые; на пятые, шестые и седьмые - измеряли длину зародышевых корешков и суммарную длину колеоп-тиля и первичного листа. Данные обрабатывали с использованием стандартного программного продукта «Статистика 7.0».

В результате установлено: измельченная биомасса лишайников влияет на прорастание зерновых на ранних стадиях онтогенеза (рис. 2). Из представленных данных видно, что присутствие H. physodes на 9,1-10,0% снижает энергию прорастания овса посевного и тритикале, на 4,1% - пшеницы, а у ржи и ячменя повышает ее на 3,0-8,1%. В последующие дни учета всхожесть семян овса посевного и тритикале росла и превысила контрольные значения на 1,2-1,8%, тогда как для ржи посевной и ячменя обыкновенного эти параметры снижались. На седьмые сутки эксперимента сокращение всхожести семян на 6,3% зафиксировано для ячменя обыкновенного, в то время как остальные культуры показали всхожесть, на 1,4-2,1% превышающую контрольную. По-видимому, вымываемые из лишайника в раствор вещества являются сильнодействующими, и их постоянное присутствие в зоне прорастания семян злаковых нежелательно.

Измельченная биомасса E. prunastri оказала угнетающее влияние на прорастание семян ячменя обыкновенного и тритикале, чья всхожесть на седьмые сутки эксперимента была на 6,9-7,9% ниже контрольной. Несколько меньше - на 3,2-4,3% - были энергия прорастания и всхожесть семян овса посевного, ржи посевной и пшеницы мягкой. Слабый стимулирующий эффект (3,0-3,2%) обнаружен для кукурузы сахарной.

Мульча лишайника R. poUmaria сильно подавляла прорастание семян овса посевного и ячменя обыкновенного, чья энергия прорастания оказалась на 10,9-16,2% ниже контрольной, а всхожесть - ниже на 3,7-20,8%. Слабый стимулирующий эффект (2,1-2,8%) был показан для кукурузы сахарной и пшеницы мягкой.

Г-10 -20

Влияние мульчи лишайника X. parietina проявилось в снижении энергии прорастания (на 7,1-11,9%) у семян ячменя обыкновенного и тритикале и в стимулирующем действии на прорастание семян ржи посевной и пшеницы мягкой. На седьмые сутки эксперимента всхожесть семян ячменя обыкновенного и тритикале была на 7,7-10,9% ниже контрольной, для остальных культур она отличалась от контроля на 1,2-1,3%. Таким образом, можно говорить о стимуляции прорастания семян ячменя обыкновенного, ржи посевной, пшеницы мягкой и кукурузы сахарной измельченной биомассой Hypogymnia physodes, Ramalina poШnaria и Xanthoriaparietina. Показано также ингиби-рующее влияние биомассы этих лишайников и Everniaprunastri на прорастание овса посевного и тритикале.

При анализе воздействия лишайников на рост первичных органов злаковых культур были обнаружены эффекты стимуляции и угнетения. Так, мульча Evernia prunastri подавляла рост корней и проростков всех изучаемых растений (рис. 3). Угнетение роста корней достигало для овса посевного 35,9^60,2%; для ячменя обыкновенного - 10,5^51,5%; ржи посевной -11,1^34,1%; пшеницы мягкой - 14,9^15,2%; тритикале - 13,6^14,0%; кукурузы сахарной -12,2^19,9%. Угнетение проростков было максимальным для ржи посевной (32,6^37,2%) и кукурузы сахарной (30,0^52,7%).

Биомасса лишайника Ramalina poШnaria в большинстве вариантов опытов также оказывала угнетающее действие на рост злаковых культур. На седьмые сутки эксперимента отставание роста у овса посевного составляло до 57,8% для корней и 14,3% для проростков; у ржи посевной - 27,1% и 25,9% соответственно; у кукурузы сахарной - 21,8% и 49,6% соответственно.

Следовательно, измельченная биомасса Everniaprunastri и Ramalina poШnaria в наибольшей степени подавляет рост проростков овса посевного, ржи посевной и кукурузы сахарной.

Рис. 4. Динамика стимулирующего влияния биомассы лишайника ХапЛопа рапейпа на первичный рост злаковых культур на пятый, шестой и седьмой дни роста

Овес - корни ^^ Овес - проростки

Ячмень - корни

Ячмень - проростки

Рожь - корни

Рожь - проростки

Пшеница - корни ^^ Пшеница - проростки

Мульча лишайника Hypogymnia physod.es оказывала как угнетающее, так и стимулирующее действие на первичный рост злаковых. В частности, зафиксировано угнетение роста овса посевного и пшеницы мягкой, достигшее к седьмым суткам опыта 1,5+9,4% для корней и 18,3+36,3% для проростков. Вместе с тем выявлена стимуляция роста корней ячменя обыкновенного, тритикале и кукурузы сахарной, составившая 13,8+16,3% по сравнению с контролем. Следует отметить, что у названных культур отмечено отставание роста проростков на 5,7+17,4%.

Биомасса лишайника ХапЛопа рапеЫпа угнетала первичный рост тритикале и кукурузы сахарной: на 9,3+22,8% - корней и на 3,6+12,6% -проростков. Для других изучаемых культур обнаружен эффект стимуляции роста, изменявшийся с течением времени (рис. 4).

Стимуляция первичного роста злаковых культур, выращиваемых в присутствии биомассы лишайника ХапЛопа рапеЫпа, в наибольшей степени проявилась в опытах с ячменем обыкновенным. Общая длина растений на 35,0-37,7% превышала контрольные значения, причем ростостимулирующий эффект снижался до 12,2%. В случае с овсом посевным стимуляция нарастала с 10,1 до 22,3%. Влияние биомассы X. рапеЫпа на первичный рост ржи посевной проявилось в 6,8-9,2-процентной стимуляции, не изменившейся за время эксперимента. Пшеница мягкая практически не реагировала на присутствие данного лишайника в среде выращивания.

Таким образом, в ходе исследования воздействия измельченной биомассы эпифитных листоватых и кустистых лишайников на прорастание семян и первичный рост злаковых установлено: Буеттаprunastri ингибирует прорастание семян и первичный рост овса посевного, ячменя обыкновенного, ржи посевной, пшеницы мягкой, тритикале и кукурузы

The influence of crushed biomass of epiphytic foliose and bushy lichen on seed germination and initial growth of cereal crops. The inhibitory effect of the lichen Evernia prunastri on seed germination and initial growth of oats, barley, rye, wheat, triticale and corn was shown. Ramalina pollinaria biomass has a weak stimulating effect on the germination of corn and wheat, but inhibits their initial growth. Hypogymnia physodes reduces energy sprouting oats, triticale and wheat; and increases its energy of rye and barley. The effect of primary growth stimulation of oat, barley and rye lichen Xanthoria parietina was found.

сахарной; ЯатаНпароШпапа слабо стимулирует прорастание кукурузы сахарной и пшеницы мягкой, но угнетает первичный рост этих культур; Hypogymnia physodes снижает энергию прорастания овса посевного, тритикале и пшеницы мягкой и повышает ее у ржи посевной и ячменя обыкновенного; ХаШЫпа parietina стимулирует первичный рост овса, ячменя и ржи. Полученные данные свидетельствуют, что измельченную биомассу Hypogymnia physodes, Буетта prunastri, ЯатаНпа pollinaria и ХаШЫпаparietina целесообразно применять для замачивания семян - это позволит снизить ингибирующее влияние лишайниковых веществ на начальном этапе роста злаковых культур. СЗ

Статья поступила в редакцию 08.08.2016 г.

http://innosfera.by/2017/05/lichen

ЛИТЕРАТУРА

1. Boustiel J. Lichens - a promising source of bioactive secondary metabolites / J. Boustiel, M. Grube // Plant Genetic Resources. 2005. Vol. 3, N2. P. 273-287.

2. Kosanic' M. Lichen as possible sources of antioxidants / M. Kosanic, B. Rankovic// Pak. J. Pharm. Sci. 2011. Vol. 24. P. 165-170.

3. Shrestha G. Lichens: a promising source of antibiotic and anticancer drugs / G. Shrestha, L.L.S. Clair // Phytochem. Rev. 2013. Vol. 12. P. 229-244.

4. AhmadjianV. The Lichen Symbiosis.- New York: John Wiley and Sons, Inc., 1993.

5. Huneck S. Identification of lichen substances / S. Huneck, I. Yoshimura.- Springer, Berlin, 1996.

6. Orange A. Microchemical methods for the identification of lichens / A. Orange, P.W. James, F.J. White.- London: British Lichen Society, 2001.

7. The Lichens of Great Britain and Ireland. 2nd ed. / Eds.: C.W. Smith [et al.].-London: British Lichen Society, 2009.

8. Rankovic B. Lichen Secondary Metabolites: Bioactive Properties and Pharmaceutical Potential / B. Rankovic (ed.) - Springer, Heidelberg,

9. Nash III T.H. Lichen biology / T.H. Nash II

10. Zagoskina N.V. Water Soluble Phenolic Compounds in Lichens / N.V. Zagoskina [et al.] // Microbiology. 2013. Vol. 82, N4. P. 445-452.

11. Способ получения лихенина из лишайника: пат. Р 20.04.1999.

2015.

(ed.).- Cambridge University Press, 1999.

I №2129159, МПК С12Р 19/02, опубл.

12. Егорычева М.Т. Новые ростостимулирующие препараты на яровой пшенице в лесостепи Западной Сибири / М.Т. Егорычева, Н.Г. Власенко // Современные агротехнологии - 2012'1: тез. докл. междунар.интернет-конф.- Борки; Великий Новгород, 1 октября - 1 декабря 2012 г. / НовНИИСХ; редкол.: Н.Н. Семчук (науч. ред., сост., пер.), Н.М. Андрианов и др.-Борки; Великий Новгород, 2012. С. 24.

13. Егорычева М.Т. «Биоклад» - эффективный протравитель семян яровой пшеницы / М.Т. Егорычева, Н.Г. Власенко, М.П. Половинка, Н.Ф. Салахутдинов // Химия в интересах устойчивого развития. 2010, №18. С. 729-733.

14. Храмченкова О.М. Оценка запаса лишайника Hypogymnia physodes (L.) Nyl. в сосновых лесах юго-востока Беларуси / О.М. Храмченкова, А.Г. Цуриков, М.С. Лазарева // Экологический вестник. 2015, №2(32). С. 95-100.

15. Храмченкова О.М. Биомасса лишайника Hypogymnia physodes в сырых и мокрых типах сосновых лесов юго-востока Беларуси / О.М. Храмченкова, А.Г. Цуриков // Проблемы лесоведения и лесоводства: сб.н.т. ИЛ НАН Беларуси. Вып. 75.- Гомель, 2015. С. 508-516.

16. Цуриков А.Г. Листоватые и кустистые городские лишайники: атлас-определитель / А.Г. Цуриков, О.М. Храмченкова.- Гомель, 2009.

17. Горбач Н.В. Лишайники Белоруссии. Определитель / Н.В. Горбач.- Минск, 1973.

18. Molnar K. Depsides and depsidones in populations of the lichen Hypogymnia physodes and its genetic diversity / K. Molnar, E. Farkas // Ann. Bot. Fennici. 2011. Vol. 48. P. 473-482.

19. Evernia prunastri and Pseudoevernia furfuraceae lichens and their major metabolites as antioxidant, antimicrobial and anticancer agents / M. Kosanic [et al.] // Food Chem. Toxicol. 2013. Vol. 53. P. 112-118.

20. Мучник Е.Э. Учебный определитель лишайников Средней России: учебно-методическое пособие / Е.Э. Мучник, И.Д. Инсарова, М.В. Казакова.- Рязань, 2011.

21. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. Госкомитет СССР по стандартам.- М., 1985.