Влияние холодового стресса в ризосфере на рост, формирование древесины и активность антиоксидантных ферментов сосны обыкновенной

ВЛИЯНИЕ ХОЛОДОВОГО СТРЕССА В РИЗОСФЕРЕ НА РОСТ, ФОРМИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТ-НЫХ ФЕРМЕНТОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

Милютина И.Л., Судачкова Н.Е., Романова Л.И.

The growth and morphogenesis of needles, shoots, elements of annual ring of stem wood and antioxidant enzymes activity in the needles, inner bark of stem and roots of 10-years-old self-sown Pinus sylvestris in Central Siberia in the field experiment imitating the permafrost influence were investigated.

В естественных условиях произрастания процессы роста древесных растений, определяющие уровень их продуктивности, лимитируются экологическими факторами, пороговые значения которых создают стрессовые ситуации, негативно влияющие на эти процессы. Для сосны обыкновенной в Сибири на северной границе ареала наиболее актуально действие холодового стресса. Воздействие холода отрицательно сказывается на продуктивности древостоев и способности резервировать углерод в составе древесины, замедляя процесс ксилогенеза (Судачкова и др., 2005, 2007). Большинство биотических и абиотических стрессов сопровождается развитием так называемого окислительного стресса, в результате которого образуются активные окислительные соединения - перекисные радикалы, представляющие угрозу для клеток (Blokhina et al, 2003). Для оценки степени влияния холодового фактора на ростовые процессы и состояние защитной анти-оксидантной системы было проведено сравнительное исследование роста и морфогенеза хвои, побегов, элементов годичного кольца древесины ствола и активности антиоксидантных ферментов супероксиддисмутазы, пероксидазы и ка-талазы в хвое, лубе ствола и корней 10-летнего самосева Pinus sylvestris в Центральной Сибири в естественных условиях и в опыте, имитирующем влияние вечной мерзлоты.

В опыте наблюдения проводились на двух участках на вырубке (опытном и контрольном), каждый площадью 5х5 м с количеством самосева 50-60 шт. В середине апреля снег на опытном участке был тщательно утрамбован, засыпан 30 см слоем опилок, покрыт полиэтиленовой пленкой с отверстиями для деревьев и поверх пленки насыпан слой снега толщиной 30 см и слой опилок толщиной 20 см. В результате оттаивание почвы было задержано на 2,5 месяца.

В течение вегетационного периода с контрольного и опытного участков 4 раза отбирали по 5 деревьев, а в последний срок - 10. Фиксировали биометрические характеристики деревьев. Анатомические исследования проводили в конце вегетационного периода на стволовых высечках вблизи корневой шейки. Активность ферментов определяли в средних образцах хвои, луба ствола и корней.

Задержка оттаивания корнеобитаемого слоя почвы на 2,5 месяца оказала большое воздействие на биометрические показатели опытных деревьев: длина побегов уменьшилась в 3-4 раза, хвои - в 2 раза. (Табл .1).

Таблица 1 - Биометрические показатели самосева сосны обыкновенной и влияние на них холодового стресса

Показатели Контроль Опыт

Возраст, лет 10.7+0.3 10.0+ 0.4

Высота, см 141+6 137+6

Диаметр корневой шейки, см 2.7+0.2 2.3+0.2

Длина центрального побега, см 44.7+2.0 12.0+2.0***

Длина бокового побега, см 26.4+0.7 7.5+0.6***

Длина хвои, см 5.7+0.2 2.9+0.1***

Примечание: уровень значимости различий * - 0,05, ** - 0,01, *** - 0,001.

Кроме уменьшения длины побегов и хвои, отмечено уменьшение годичного прироста по диаметру у деревьев сосны, испытавших влияние холодового стресса (Табл. 2). У этих дереьев годичное кольцо древесины сформировано полностью, поздняя древесина хорошо выражена, число трахеид в радиальном ряду годичного кольца составляет 67% от контроля, размеры трахеид снижаются для ранней и поздней древесины до 65 и 84 % от контроля соответственно, толщина клеточной стенки ранних трахеид в стволе достигает 72%, поздних не отличается от контроля.

Таблица 2 - Влияние холодового стресса на морфогенез и развитие годич-

ного кольца древесины самосева сосны обыкновенной

Вариант Количество трахеид в Диаметр трахеид, мкм Толщина клеточных

радиальном ряду стенок трахеид, мкм

Всего Поздних Ранних Поздних Ранних Поздних

Контроль 112 ± 6 26 ± 1 33.9 ± 0.7 28.6 ± 0.8 2.51 ± 0.3 3.46 ± 0.21

Опыт 55+2 17 + 1 28.5 + 1.5 24.3 + 0.9 1.82 + 0.21 3.39 + 0.32

Помимо изменения линейных размеров побегов и хвои и количества клеток в годичном кольце вторичной ксилемы отмечаются разнообразные изменения формы охвоения побегов, что, по-видимому, объясняется нарушением нормальной координации роста стели побега и хвои под влиянием холодового стресса.

В стволе влияние охлаждения проявляется сильнее, чем в побеге текущего года, в наиболее угнетенных растениях процесс дифференцировки трахеид не закончен и поздняя древесина не выражена.

Как было показано ранее, холодовой стресс в ризосфере оказывает также влияние на интенсивность метаболических процессов сосны через изменение уровня активности ферментов (Любарская и др., 1979).

Понижение температуры ризосферы самосева сосны обыкновенной наряду с изменением морфогенеза побегов текущего года и редукцией годичного кольца древесины вызвало изменение активности антиоксидантных ферментов. Была изучена активность основных ферментных систем, входящих в антиоксидантную систему защиты растений, обеспечивающих перехват и нейтрализацию кислородсодержащих свободных радикалов, - супероксиддисмутазы (СОД), пероксида-зы и каталазы. СОД, являясь ферментом первого уровня защиты, переводит высоко реакционный окислитель супероксид-ион в вещество с меньшей окисли-

тельной способностью - перекись водорода, детоксикация которого в основном осуществляется каталазой и пероксидазой.

В первую половину вегетационного периода активность СОД как в контрольном, так и в опытном варианте минимальна, что в условиях холодового стресса может привести к накоплению супероксид-анионов кислорода, т. е. усилению окислительного стресса. После оттаивания почвы активность фермента возрастает, особенно в корнях опытных деревьев. Корни, находясь в зоне непосредственного действия стресса, проявляют наиболее выразительную реакцию на стресс (Рис.). В этот же период обнаруживается довольно высокий уровень активности каталазы в опытном варианте, в то же время активность пероксидазы снижается. Максимальная активность пероксидазы отмечена при оттаивании почвы, что, возможно объясняется многофункциональностью этого фермента. Таким образом, за ликвидацию последствий окислительного стресса, по-видимому, в большей мере ответственна каталаза. В целом, очевидно, что под влиянием холодового стресса происходит сдвиг естественной динамики активности антиоксидантных ферментов на более поздние сроки и в ряде случаев снижение активности антиоксидантных ферментов.

ментов в лубе корней

В целом, понижение температуры ризосферы самосева сосны обыкновенной, имитирующее влияние вечной мерзлоты, вызывает изменение морфогенеза побегов текущего года: и уменьшение длины годичного побега и хвои, негативно влияет на процесс ксилогенеза, вызывая редукцию годичного кольца древесины: наиболее сильно изменяется количество трахеид в радиальном ряду годичного кольца, в меньшей степени подвержены воздействию холодового стресса диаметр трахеид и толщина клеточной стенки.

Наряду с ослаблением ростовых процессов отмечен сдвиг естественной динамики активности антиоксидантных ферментов в надземной части растений и особенно в корнях на более поздние сроки. По-видимому, холодовой стресс стимулирует образование активных форм кислорода, вызывающих окислительный стресс. В ликвидации последствий окислительного стресса активную роль выполняет сопряженная пара антиоксидантных ферментов супероксиддисмутаза-каталаза.

Литература

1. Судачкова Н.Е., Милютина И.Л., Романова Л.И., Семенова Г.П.Влияние низкой температуры почвы на морфогенез вегетативных органов Pinus sylvestris (Pinaceae) // Бот. журн.-2005.- Т.90, № 9 .-С.1436-1444.

2. Судачкова Н.Е., Милютина И.Л., Романова Л.И. Природные стрессы и их воздействие на ксилогенез сосны обыкновенной в условиях Сибири // Лесоведение. 2007. N 6. С. 101-106

3. O. Blokhina, E. Virolainen, K.V. Fagerstedt. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivative stress: a review // Annals of Botany, 2003, 91: 179-194

4. Т. Г. Любарская, Н. Е Судачкова, И. Н. Елагин, Роль экологических факторов в метаболизме хвойных, Красноярск, ИЛиД, 1979, 55-63.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 07-04-00199) и ККФН-РФФИ (грант 07-04-96816).