Особенности биохимической адаптации сосудистых растений верховых болот в условиях среднего Приобья

Н.А.Иванова

— кандидат биологических наук, профессор кафедры экологии и естествознания,

Э.Р.Юмагулова

— кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры экологии и естествознания, Нижневартовский государтственный гуманитарный университет

ОСОБЕННОСТИ БИОХИМИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ СОСУДИСТЫХ РАСТЕНИЙ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ

АННОТАЦИЯ. Изучены особенности биохимической композиции листьев сосудистых растений верховых болот и их жизненных форм. Показано, что наблюдается видовая специфичность в накоплении углерода, азота, растворимых и структурных сахаров, органических форм азота. Жизненные формы растений также отличались по химическому составу листьев. Отношение количества углерода к азоту достоверно отличалось у растений разных жизненных форм и видов.

The author has studied main features of the leaves biochemical composition and life-forms of high bogs vascular plants. The species specifity is observed in carbon, nitrogen, mono- and polysaccharides accumulation. Life-forms of the plants differ in their leaves chemical composition. The ratio of carbon to nitrogen is significantly different for various life-forms and types.

Характерной чертой Западно-Сибирской равнины является чрезвычайно высокая заболоченность, достигающая 30—75% от всей площади, большая часть болот приходится на долю сфагновых [2, 12].

Болота — неотъемлемая часть ландшафта таежной зоны Западно-Сибирской равнины. Они играют большую роль в природе, имеют научное, хозяйственное и экологическое значение. Болота, в том числе и верховые, — уникальные экосистемы биосферы постоянного стока атмосферного углерода, накапливаемого в виде торфа, обладающие одним из главных углеродных пулов в биосфере [3, 5, 9, 12].

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по особенностям функционирования растительных сообществ болот [1, 2, 7, 11, 23, 25, 26, 27].

Рост и развитие растений верховых болот, формирование их эколого-физиологических, биохимических особенностей происходит в неблагоприятных условиях обитания: обилие влаги, ее застойность или слабая проточность, недостаток кислорода в почве (1%), низкая теплопроводность, бедность торфа элементами минерального питания, повышенная кислотность, постоянное нарастание сфагновой дернины и торфа [4, 23, 25].

Важное место в системе адаптации растений к совокупности действующих факторов, в том числе стрессовых, принадлежит биохимическим механизмам адаптации [8, 10, 21, 28].

Биохимический механизм адаптации — это особенность метаболизма растений, которая снижает вероятность повреждения растений в условиях произрастания и обеспечивает оптимальную жизнеспособность, создание высокой биологической продуктивности и воспроизведение потомства.

Растения с разными биохимическими типами адаптации имеют разный химический состав: содержание липидов, лигнина, органических азотсодержащих компонентов, целлюлозы, гемицеллюлозы, неструктурных углеводов, органических кислот и минеральных веществ.

Большое значение в адаптации к факторам внешней среды у растений имеет соотношение в листьях количества углерода и азота, которое характеризует направленность синтеза углеводных и азотсодержащих органических соединений [8, 21, 30].

Биохимическая направленность синтеза отдельных органических соединений определяется генотипической особенностью организма и его фенотипической изменчивостью.

Для сосудистых растений верховых болот биохимические механизмы адаптации к факторам внешней среды практически не изучены.

Объекты и методы исследований. Исследования проводили в 2001—2006 гг., в период активной вегетации болотных растений на территории Нижневартовского района (конец июня, июль), в 20 км от п.Высокого. Описание сообщества верхового болота сделано по стандартной методике [17, 24]. Все определения вели в солнечную погоду. Средняя температура воздуха составляла 26—28 °С, почвы на глубине 30 см — 12—14 °С; рН болотной воды — 3,7.

Сообщество верхового болота представлено сосново-кустарничково-сфагновой ассоциацией. Рельеф выположенный, грядово-мочажинный. Почвы торфяно-глеевые, с торфяным слоем до 1—2 м.

Объектами исследования были следующие сосудистые растения верхового болота: подбел восколистный (Аndromeda polifolia L), мирт болотный (Chamaedaphne calyculata (L.) Moench), клюква болотная (Oxycoccus palustris Pers.), багульник болотный (Ledum palu-stre L.), голубика (Vaccinium uliginasum L.), береза карликовая (Betula nana L.), пушица влагалищная (Eriophorum vaginatum L.), осока шаровидная (Carex globularis L.), осока пузырчатая (Carex vesicaria L.), морошка (Rubus chamaemorus L.), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) и сосна сибирская (Pinus sibirica Rupr. Mayer), — которые относятся к разным жизненным формам: вечнозеленым кустарничкам брусничного типа, вечнозеленым кустарничкам эрикоидного типа, летнезеленым листопадным кустарничкам, травам с длинными узкими складчатыми или свернутыми листьями, травам с широкими толстыми жестковатыми листьями и деревьям.

Листья кустарничков для исследования отбирали со среднего яруса, деревьев — из средней части кроны с южной стороны. В среднем возраст деревьев составлял 17—20 лет. Возраст деревьев определяли на основе анатомических и морфологических признаков по методикам А.А.Корчагина [19].

Для биохимического анализа брали листья, завершившие свой рост. Среднюю пробу листьев с 10—15 растений фиксировали при 125 °С и досушивали при 75 °С в термостате.

Содержание общего азота определяли методом Къельдаля [13]. Навеска сухого вещества составляла 0,3 г. Серную кислоту (плотностью 1,84 г/мл) добавляли из расчета 3 мл на 0,1 г сухого материала.

Для расчета общего азота в растительном материале использовали формулу:

X = 0,28 V (Y1T1 - Y2T2)/(A-P),

где X — содержание азота в сухом веществе, мг/г; Y1 — количество 0,02 н. серной кислоты, помещенной в приемную колбу, мл; Y2 — количество 0,02 н. гидроксида натрия, израсходованного на титрование, мл; T1, T2, — поправочные коэффициенты к титру кислоты и щелочи соответственно; 0,28 — количество азота (мг), которое связывается в виде сульфата аммония 1 мл 0,02 н. серной кислотой; А — объем исследуемого раствора, взятого для отгонки, мл; Р — навеска растительного материала, взятого для сжигания, г; V — объем раствора в мерной колбе (после озоления), мл [13].

Нитратный азот определяли в водном экстракте (30 мин на водяной бане) с добавлением 5% раствора салициловой кислоты в H2SO4 и 4% NaOH, на приборе КФК-2 (Россия) [13].

Растворимые сахара экстрагировали из растительного материала 80% этанолом двукратно при 40 °С. После центрифугирования раствор использовали для определения суммы растворимых сахаров (фруктозы, сахарозы и глюкозы), остаток подвергали кислотному гидролизу (3% соляной кислотой) для отделения неструктурных полисахаридов. Количе -ственное определение растворимых сахаров и неструктурных полисахаридов проводили методами тонкослойной хроматографии и колориметрическим методом с антроном КФК-2 (Россия) [29].

Массу золы определяли после сжигания навески растительного материала в муфельной печи при 550 °С в течение 8 часов.

Зольные элементы определяли атомно-адсорбционным методом анализа [14]. Пробо-подготовку для проведения анализа осуществляли по стандартной методике. Образцы растительной массы фиксировали при 125 °С, досушивали до воздушно-сухого состояния (температура 75 °С) и измельчали. Сухие, измельченные образцы отбирали методом средней пробы до веса 0,01 г, и сжигали в муфельной печи при температуре 400—500 °С в течение 90 мин. После сжигания тигли с золой охлаждали и взвешивали. К полученным образцам приливали 4 мл азотной кислоты (2 моль/л) и 2 мл соляной кислоты (1:1) и проводили разложение в автоклаве XF100, используя микроволновую печь Multiave 3000 фирмы Anton Paar. Разложение вели, изменяя мощность разложения от 800 Ватт в течение 5 мин до 1000 Ватт в течение 15 мин, на завершающей стадии 60 Ватт в течение 20 мин. Мощность контролировали с помощью ИК датчика ротора. Полученные в результате разложения пробы исследовали на приборе Aanalist 700 фирмы Perkin Elmer.

Градуировку прибора проводили в соответствии с рекомендациями, изложенными в МИ 2345-95 «ГСИ. Характеристики градуировочных средств измерений состава и свойств веществ и материалов. Методы выполнения измерений с использованием стандартных образцов». Содержание элементов в представленных образцах рассчитывали по следующей формуле:

С = S х Vpr / Mnav,

где S — показания прибора; Mnav — навеска пробы исследуемого образца, г; Vpr — объем анализируемого раствора, мл.

Углерод определяли сжиганием проб растительного материала в струе кислорода в трубчатой печи при температуре 850 °С и улавливанием продуктов их сгорания, в которых измеряли выделившийся СО2 по его поглощению гидроксидом калия [22].

Статистическая обработка данных проведена с использованием пакета прикладных программ Statistica 11.5; Excel 2005 из пакета Microsoft Office XP. Для оценки различий между разными группами видов использовали критерии Стьюдента и Манна-Уитни [15].

Результаты исследований. Соотношение синтеза азотсодержащих продуктов и углеводов является одним из факторов, регулирующих рост растений [18]. Изменения в содержании углеводных и белковых продуктов у растений в разных экологических условиях и у разных систематических групп показаны на большом экспериментальном материале [6, 20, 21].

Концентрация азота в листьях болотных растений изменялась от 18,7 мг/г у пушицы влагалищной до 40,37 мг/г у сосны сибирской, и у большинства видов составляла 22—33 мг/г (рис. 1). Содержание неорганической формы азота в виде иона NO3" (нитратный азот) в листьях растений менялось от 2,57 мг/г у пушицы влагалищной до 7,87 мг/г у сосны сибирской. У 64% видов растений содержание NO3" в листьях составляло от 2,89 до 5,5 мг/г. Накопление органического азота варьировало от 16,13 мг/г у пушицы влагалищной до 35,24 мг/г у березы карликовой и в среднем в 5 раз превышало содержание неорганической формы азота (нитратного азота).

Содержание углерода изменялось от 446,77 мг/г (морошка приземистая) до 510,37 мг/г (сосна сибирская), т.е. всего в 1,1 раза в пределах всей изученной группы растений верхового болота (рис. 2).

т

о

з

а

2 й р

о

X

е

и

н

а

*

р

е

ч

о

с

л X

а

с

[-

виды растений

Рис. 1. Особенности содержания различных форм азота в листьях растений верхового болота:

1 — сосна сибирская, 2 — сосна обыкновенная, 3 — мирт болотный, 4 — клюква болотная,

5 — подбел многолистный, 6 — пушица влагалищная, 7 — осока шаровидная, 8 — береза карликовая, 9 — голубика, 10 — багульник болотный, 11 — морошка приземистая

углерод

• неструк. полисахариды —а— растворимые сахара

р

о

-е

х

ы

н

и

д

о

р

е

л

г

си 8

на

р

е

д

о

с

виды растений

Рис. 2. Особенности содержания углерода и различных форм сахаров в листьях растений верхового болота:

1 — сосна сибирская, 2 — сосна обыкновенная, 3 — мирт болотный, 4 — клюква болотная,

5 — подбел многолистный, 6 — пушица влагалищная, 7 — осока шаровидная, 8 — береза карликовая, 9 — голубика, 10 — багульник болотный, 11 — морошка приземистая

Минимальное содержание растворимых сахаров обнаружено у мирта болотного (66,53 мг/г), максимальное — у деревьев сосны сибирской (117,67 мг/г) и сосны обыкновенной (117 мг/г). Минимум неструктурных полисахаридов мы наблюдали у березы карликовой (98,1 мг/г), максимум — у осоки шаровидной (129,13 мг/г). До 55% изученных видов растений содержали от 92,8 до 109,13 мг/г, большинство видов (64%) — от 108 до 120 мг/г.

Общее содержание азота и углерода в листьях растений варьировало значительно больше, чем содержание углеводов.

Достоверные различия по содержанию общего азота, углерода, неструктурных полисахаридов и растворимых сахаров отмечены: у багульника болотного с клюквой болотной, пушицей влагалищной, миртом и сосной обыкновенной (р<0,05; р<0,01; р<0,001); у березы карликовой с сосной сибирской, осокой шаровидной, сосной обыкновенной (р<0,01; р<0,001); у мирта болотного с сосной обыкновенной, морошкой приземистой, осокой шаровидной (р<0,001); у пушицы влагалищной с осокой шаровидной, сосной сибирской (р<0,01; р<0,001).

Содержание зольных элементов в листьях растений было невелико и варьировало от

1,29% у сосны обыкновенной до 7,29% у осоки шаровидной.

У большинства видов по данному показателю отмечены достоверные различия (р<0,05; р<0,001).

Известно, что листья растений в среднем содержат от 3 до 15% золы [21]. На основе этого мы делаем заключение о низком содержании зольных элементов в листьях болотных растений, что, вероятно, связано с бедностью торфа элементами минерального питания (табл. 1).

Таблица 1

Зольность листьев растений верховых болот

А К. С.о. М.б. К.б. П.м. П.в. О.ш. О.п. Б.н. Г. Б.б. М.п.

2,29 1,29 3,29 3,29 3,29 3,29 7,29 5,29 3,29 3,29 3,29 5,29

Б ВКБ ВКЭ ЛЗК Туз. Т.ш. Дер.

2,29 1,29 3,29 3,29 3,29 3,29

А — зольность листьев разных видов растений: С.с. — сосна сибирская, С.о. — Сосна обыкновенная, М.б. — мирт болотный, К. б. — клюква болотная, П.м. — подбел многолистный, П.в. — пушица влагалищная, О.ш. — осока шаровидная, О. п. — осока пузырчатая, Б.н. — береза карликовая, Г. — голубика, Б. б. — багульник болотный, М.п. — морошка приземистая

Б — зольность листьев растений разных жизненных форм: ВКБ — вечнозеленые кустарнички брусничного типа; ВКЭ — вечнозеленые кустарнички эрикоидного типа; ЛЗК — летнезеленые листопадные кустарнички; Т.уз. — травы с узкими свернутыми или складчатыми листьями; Т.ш. — травы с широкими толстыми жестковатыми листьями; Дер. — деревья.

Из изученных видов самую высокую концентрацию зольных элементов имели осоки заячья и пузырчатая.

Количество отдельных микроэлементов в листьях варьировало в широких пределах — от 8,67 мг/кг (свинец) в листьях мирта болотного до 8959 мг/кг (железо) в листьях осоки шаровидной. У всех видов растений отмечено высокое содержание ионов железа (Ре3); его содержание составило у сосны обыкновенной до 8959 мг/кг, у осоки шаровидной — 7578 мг/кг.

Листья растений верховых болот характеризуются высоким накоплением марганца и железа. Содержание марганца варьировало от 179 у сосны обыкновенной до 244 мг/кг у сосны сибирской. Количество железа составляло от 7578 мг/кг до 8958,71 мг/кг, его содержание мало изменялось у отдельных видов. Это обусловлено, вероятно, высоким

природным содержанием вышеуказанных элементов в болотной воде и торфе, являющихся питательным субстратом для растений.

Растения разных жизненных форм также имели различия по химическим показателям (табл. 2).

Таблица 2

Биохимический и микроэлементный состав листьев растений разных ЖФ

Показатель ВКБ ВКЭ ЛЗК Т.уз. Т.ш. Дер.

Общий азот, мг/г 23,56±5,35 38,1±7,88 33,17±10,32 22,77±5,21 32,77±0,63 30,28±10,4 8

Нитратный азот, мг/г 4,3±1,31 6,37±2,61 3,81±1,19 4,56±2,78 3,63±0,77 5,48±2,48

Органический азот, мг/г 19,26±5,21 31,73±7,45 29,36±10,44 18,21±2,82 29,13±0,68 24,87±7,93

Углерод, мг/г 502,02±10,4 489,57±7,37 467,37±19,5 465,67±10,2 446,77±11,6 491,43±20

С/К 22,86±6,17 13,48±3,17 16,26±6,69 21,52±4,85 13,63±0,6 18,02±5,59

Неструк. полисахариды, мг/г 110,28±12,5 123,93±3,33 105,25±8,58 115,12±17,1 117,57± 11,4 113,88±6,12

Растворимые сахара, мг/г 93,24±22,78 105,77±6,89 105,95±10,2 100,97±9,33 93±18,28 117,33±0,65

Мп — марганец, мг/кг 215,9±18,23 218,71±29,7 228,71±9,14 206,86±22,1 199,29±0,95 211,5±33,75

Бе — железо, мг/кг 8303,57±41 6 8421,71±50 1 8130±648,5 8 8728,71±37 9 7897,71±35 6 7786,5±216

РЬ — свинец, мг/кг 11,14±2,37 12±2 14,71±1,68 12,36±2,68 14±1,63 11,89±2,13

N1 — никель, мг/кг 27,24±1,79 27±2,16 24,14±3,44 25,36±3,15 24±3,56 27±1,41

2п — цинк, мг/кг 46,9±10,66 48,71±3,2 35,79±7,8 42,71±1,38 53,71±5,47 51,5±8,91

Сг — хром, мг/кг 50,67±3,75 51,29±6,52 57,14±1,75 55,86±4,8 52±2,16 53±5,36

Примечание: ВКБ — вечнозеленые кустарнички брусничного типа, ВКЭ — вечнозеленые кустарнички эрикоидного типа; ЛЗК — летнезеленые листопадные кустарнички; Т.уз. — травы с узкими свернутыми или складчатыми листьями; Т.ш. — травы с широкими толстыми жестковатыми листьями; Дер. — деревья.

Высокие показатели содержания общего азота — 38,1 мг/г, углерода — 489,57 мг/г, неструктурных полисахаридов — 123,93 мг/г и растворимых сахаров — 105,77 мг/г отмечены у вечнозеленых кустарничков эрикоидного типа. Вечнозеленые кустарнички брусничного типа имели низкие показатели общего азота — 23,56 мг/г, неструктурных полисахаридов — 110,28 мг/г и растворимых сахаров — 93,24 мг/г, но высокое содержание углерода — 502,02 мг/г.

Травы с узкими свернутыми и складчатыми листьями отличались низкими значениями общего азота — 22,77 мг/г, углерода — 465,67 мг/г, неструктурных полисахаридов — 115,12 мг/г и высоким содержанием растворимых сахаров — 100,97 мг/г.

Летнезеленые листопадные кустарнички имели высокие значения общего азота — 33,17 мг/г, растворимых сахаров — 105,95 мг/г и низкие показатели углерода — 468 мг/г, неструктурных полисахаридов — 105,25 мг/г.

У трав с широкими толстыми жестковатыми листьями высокое содержание общего азота — 32,77 мг/г и неструктурных полисахаридов — 117,57 мг/г; невысокие показатели углерода — 446,77 мг/г и растворимых сахаров — 93 мг/г.

У деревьев высокие показатели общего азота — 30,28 мг/г, углерода — 491,43 мг/г, растворимых сахаров — 117,33 мг/г и невысокие значения неструктурных полисахаридов — 113,88 мг/г.

По зольности показатели у разных жизненных форм варьировали от 1,79% до 5,29% (табл. 2). У 67% изученных групп жизненных форм растений зольность не превышала 3,29%.

Для растений разных жизненных форм так же, как и для отдельных видов, наблюдалось повышенное содержание железа и марганца среди зольных элементов (табл. 2).

По содержанию микроэлементов достоверных различий не отмечено только у вечнозеленых кустарничков эрикоидного типа с вечнозелеными кустарничками брусничного типа и травами с широкими толстыми жестковатыми листьями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Богдановская-Гиенэф И. Д. Закономерности формирования сфагновых болот верхового типа. Л., 1969.

2. Валеева Э.И., Моковченко Д.В. Роль водно-болотных угодий в устойчивом развитии севера Западной Сибири. Тюмень, 2001.

3. Вомперский С.Э. Биосферное значение болот в углеродном цикле // Природа. 1994. № 7. С. 44—50.

4. Денисенков В.П. Основы болотоведения. СПб., 2000.

5. Ефремова Т.Т., Ефремов С.П., Мелентьева Н.В. Запасы и содержание соединений углерода в болотных экосистемах России // Почвоведение. 1997. № 12. С. 1470—1477.

6. Ефремов С.П., Ефремова Т.Т., Мелентьева Н.В. Запасы соединений углерода в экосистемах болот // Углерод в экосистемах лесов и болот России / Под. ред. В.А.Алексеева и Р.А.Бердси. Красноярск, 1994. С. 128—139.

7. Журавлева Е.Н., Ипатов В.С. Взаимоотношения видов растений в заболоченных сосновых лесах северо-запада России // Ботанический журнал. 2005. Т. 90. № 5. С. 702—712.

8. Иванов Л.А. Морфологические и биохимические особенности бореальной зоны с разными типами адаптивных стратегий: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Томск, 2001.

9. Инишева Л.И., Головацкая Е. А. Элементы углеродного баланса олиготрофных болот // Экология. 2002. № 4. С. 261—266.

10. Куриленко В.В., Осмоловская Н.Г. Эколого-биогеохимическая роль макрофитов в водных экосистемах урбанизированных территорий (на примере малых водоемов Санкт-Петербурга) // Экология. 2006. № 3. С. 163—167.

11. Лапшина Е.Д. Флора болот юго-востока Западной Сибири. Томск, 2003.

12. Лисс О. Л. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение. Тула, 2001.

13. Медведев С.С. Практикум по минеральному питанию и водному обмену растений: Учеб. пособие. СПб., 1996.

14. Методика выполнения изменений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии ПДН Ф 16.1:2.2.22-98. М., 1998.

15. Наследов А.Д. Компьютерный анализ данных в психологии и социальных науках. СПб., 2005.

16. Нифонтова М.Г., Маковский В.И. Содержание радионуклидов в торфяной залежи низинных болот // Экология. 1995. № 6. С. 448—454.

17. Нешатаев Ю.Н. Методы анализа геоботанических материалов. Л., 1987.

18. Полевой В.В. Физиология растений. М., 1989.

19. Полевая геоботаника / Под ред. Е.М.Лавренко, А.А.Корчагина. М.; Л., 1960. Т. 2.

20. Пьянков В.И., Иванов Л.А. Структура биомассы у растений бореальной зоны с разными типами экологических стратегий // Экология. 2000. № 1. С. 3—10.

21. Пьянков В.И., Иванов Л. А., Ламберс Х. Характеристика химического состава листьев растений бореальной зоны с разными типами экологических стратегий // Экология. 2001. № 4. С. 243—251.

22. Посыпайко В.И. Химические методы анализа: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. М., 1989.

23. Пьявченко Н.И. Об изучении болотных биогеоценозов // Основные принципы изучения болотных биогеоценозов. Л., 1972. С. 5—14.

24. Раменский Л.Г. Избранные работы. М., 1971.

25. Смагин В.А., Боч М. С. Флора и растительность болот европейского севера России (в пределах таежной зоны) // Ботанический журнал. 2001. Т. 86. № 6. С. 40—55.

26. Смагин В. А. О сукцессиях при образовании и развитии болот на месте малых озер (Ленинградская область) // Ботанический журнал. 2003. Т. 88. № 1. С. 76—87.

27. Телицын В. Л. Болота Восточного Зауралья: геоэкологические основы оптимизации природопользования. Новосибирск, 2002.

2S. Усманов И.Ю., Раманкулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений: Учебник. М., 2001.

29. Филиппович Ю.Б. Практикум по общей биохимии. М., 19S2.

30. Grime J.P., Hodson J.G., Hunt R. Comparative plant ecology: a functional approach to common British species. L., 19SS.