Особенности мезоструктуры, пигментного и липидного состава представителей сем. Onagraceae

Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии.

2018. - Т. 27, № 1. - С. 179-184.

УДК 581.192+582.962 DOI: 10.24411/2073-1035-2018-10006

ОСОБЕННОСТИ МЕЗОСТРУКТУРЫ, ПИГМЕНТНОГО И ЛИПИДНОГО СОСТАВА ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ СЕМ. ONAGRACEAE

© 2018 Е.С. Богданова1, О.А. Розенцвет1, В.Н. Нестеров1, С.Н. Зубова2

1Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти

Поступила 12.05.2017

Исследованы особенности мезоструктуры, пигментного и липидного состава представителей родов Oenothera и Epilobium сем. Onagraceae. Высокие значения фотосинтетических пигментов, гликолипидов и жирных кислот отмечали в листьях растений E. adenocaulon и E. hirsutum. Результаты кластерного анализа показали, что мезострукту-ра фотосинтетического аппарата определяется видовыми особенностями, а биохимические показатели имеют межвидовое сходство.

Ключевые слова: Epilobium, Oenothera, липиды, мезоструктура, пигменты.

Bogdanova E.S., Rozentsvet O.A., Nesterov V.N., Zubova S.N.' The features of mesostructure, pigment and lipid composition of representatives of the family Onagraceae. - The particular qualities of the mesostructure, pigment and lipid composition of representatives of the genus Oenothera and Epilobium of the Onagraceae family have been studied. High values of photosynthetic pigments, glycolipids and fatty acids were noted in the leaves of E. adenocaulon and E. hirsutum plants. The results of cluster analysis showed that specific features determine the mesostructure of the photosynthetic apparatus, and biochemical indicators have an interspecific similarity. Key words: Epilobium, Oenothera, lipids, mesostructure, pigments.

1. ВВЕДЕНИЕ

1 Семейство Onagraceae (кипрейные или ослинниковые) включает около 25 родов и до 700 видов растений. Как правило, это многолетние травы, реже кустарники и небольшие деревья. Многие виды этого семейства относятся к адвентивной флоре (Асминг, 2007).

Изучению адвентивной флоры в последнее время уделяется большое внимание. Считают, что чужеродные растения чутко реагируют на трансформацию экосистем и приобретают селективные преимущества по сравнению со

1 Богданова Елена Сергеевна, кандидат биологических наук, cornales@mail.ru; Розенцвет

Ольга Анатольевна, доктор биологических наук, olgarozen55@mail.ru; Нестеров Виктор Николаевич, кандидат биологических наук. nesvik1@mail.ru; Зубова Светлана Николаевна, аспирант, svelana.zubova2010@yandex.ru

многими аборигенными видами. Это позволяет им в пределах нового ареала резко повысить свою численность и успешно захватить новые территории. Внедрение адвентивных видов в растительные сообщества снижает биоразнообразие, в результате обедняется их видовой состав и упрощается структура (Ямалов и др., 2013). Управление этими негативными процессами в сообществах является на сегодняшний день актуальной проблемой науки о растительности. Для этого необходимы знания, как об экологии адвентивного вида, так и о его структурно-функциональных особенностях (Broz et а1., 2007). Следует отметить, что работ подобного рода, посвященных адвентивным растениям, крайне мало ^Ыкоу et 2006).

Цель настоящей работы состояла в исследовании особенностей мезоструктуры, пигментного и липидного состава растений сем. Ona-graceae. В задачу исследования входило также

выявление возможной взаимосвязи между ме-зоструктурными параметрами фотосинтетического аппарата и биохимическими характеристиками растений в зависимости от их эколого-ценотической приуроченности и генетического статуса вида.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объектов исследования были выбраны растения Oenothera biennis L. (ослинник двулетний или энотера двулетняя), Oenothera villosa Thunb. (энотера мохнатая), Chamaene-rion angustifolium (L.) Scop. (иван-чай узколистный), Epilobium adenocaulon Hausskn. (кипрей железистостебельный), Epilobium hirsutum L. (кипрей волосистый). Растения отбирали на территории Сызранской и Ульяновской обл., в первой половине дня в середине июля 2016 г. Для анализов пигментов и липидов использовали листья 15-20 растений. Из усредненной массы составляли три биологические пробы по 0,5-2 г сырой массы. Далее растительный материал фиксировали в жидком азоте при температуре -80°С.

Содержание фотосинтетических пигментов определяли на спектрофотометре «ПромЭко-Лаб ПЭ_3000 УФ» (Россия) в ацетоновой вытяжке. При длинах волн 662 и 644 нм определяли содержание хлорофилла (Хл а, б), 470 нм - содержание каротиноидов (Кар) (Maslova et al., 1986).

Липиды экстрагировали смесью хлороформа и метанола (1:2) с одновременным механическим разрушением тканей. Разделение липидов осуществляли методом тонкослойной хроматографии (Кейтс, 1985). Количество фосфолипи-дов (ФЛ) определяли по содержанию неорганического фосфора, гликолипидов (ГЛ) и нейтральных липидов (НЛ) - денситометриче-ски «Денскан-04» (Ленхром, Россия). Хромато-граммы анализировали в режиме параболической аппроксимации по градуировочным зависимостям, используя моногалактозилдиацилг-лицерин (МГДГ) и трипальмитат в качестве стандартов (Гребенкина и др., 2012; Розенцвет и др., 2013).

Для определения мезоструктуры фотосинтетического аппарата растений, из средней части листьев вырезали высечки и фиксировали в 90% спирте, хранили при температуре -20°С. Мезоструктуру фотосинтетического аппарата определяли согласно методики (Мокроносов, Борзенкова, 1978). Подсчет количества клеток в единице площади листа проводили в камере Горяева, подсчет количества хлоропластов в клетках мезофилла проводили на давленых

препаратах согласно методу (Борзенкова, Храмцова, 2006).

Метанолиз жирных кислот

- 2 мл/мин.

Статистическую обработку результатов анализов проводили с использованием программ Statistica 6.0 for Windows, Microsoft Excel 2007.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящей работе исследованные растения представлены двумя родами - Oenothera и Epilobium. Растения рода Oenothera - O. biennis

- произрастают по сухим разбитым пескам, вырубкам, обочинам песчаных дорог, боровым полянам. Распространению вида O. villosa способствовало разведение в садах. Сегодня этот вид можно встретить вдоль автомобильных дорог, на песчаных отмелях в долинах крупных рек, иногда также пойменные луга и заросли кустарников. Изредка произрастает на опушках сухих сосновых лесов. Внедряется во вторичные местообитания, но практически не проникает в нетронутые лесные или луговые сообщества. Являясь пионерным растением техногенных экотопов, вид закрепляет почву и, вероятно, уменьшает интенсивность эрозионного процесса (Черная Книга..., 2016). Оба вида данного рода являются двулетними травянистыми ксеромефитами, с одинаковым ареалом распространения (североамериканский) и генетическим статусом. Эти адвентивные виды относятся к сорным растениям.

Род Epilobium в нашей работе представлен травянистыми многолетниками. Растения C. angustifolium произрастают преимущественно на вырубках, прогалинах в хвойных и смешанных лесах, вблизи канав, на осушенных торфяниках, вдоль железнодорожных насыпей. Растения E. adenocaulon распространены в сообществах открытого типа, на илистых грунтах по берегам водоемов, на болотах, на полянах вдоль троп и лесных дорог, где уничтожен травяной покров. Встречаются также на различных вторичных, антропогенных местообитаниях: у дорог, канав, на железнодорожных откосах, чаще всего можно встретить в сообществах открытого типа, на илистых грунтах по берегам водоемов и в лесах (Скворцов, 1995; Скворцов,

1996). Растения Е. hirsutum произрастают по берегам болот, рек.

Растения рода ЕрИоЫит различаются по отношению экологической группе, ареалу происхождения и генетическому статусу. Так, по режиму увлажнения С. а^ши/оИит является мезофитом, Е. аёвпоеаи1оп - гигромезофитом, а Е. hirsutum - гигрофитом. Растения представляют три разных ареала распространения: голарктический бореально-неморальный, североамериканский, Европейско-западноазиатский плюро-зональный, соответственно. По генетическому статусу С. angustifolium и Е. hirsutum являются аборигенными видами, а Е. adenocaulon - адвентивным. Все исследованные виды существенно различались по содержанию влаги в надземной части растений. Оводненность листьев растений варьировала в интервале 65,680,2% от сырой массы. У ксеромезофитов, гиг-ромезофитов и гигрофитов, произраставших в более влажных условиях, содержание влаги было примерно равным (72,8-77,1%). Меньше

влаги содержали листья мезофитного растения C. angustifolium (65,6%).

Данные мезоструктурного анализа показали, что растений O. biennis имели самое большое число клеток в расчете на единицу площади листа (табл. 1). Объем и площадь поверхности клеток палисадной ткани у растения рода Oenothera были более чем 2 раза выше, чем у растений рода Epilobium. При этом число хло-ропластов и их объем в растениях разных родов также различались, но в меньшей степени - не более 30% (27,2-32,5 и 20,0-24,1 тыс. мкм3). Наиболее существенные различия между растениями отмечены по числу хлоропластов на единицу площади листа. Так у растений O. biennis данный показатель был в 8-10 раз больше по сравнению с другими видами. Это способствовало большему клеточному объему хлоропласта (КОХ), а также большим значениям индекса мембран клеток и индекса мембран хло-ропластов.

Таблица1

Параметры мезоструктуры листьев растений родов Epilobium и Oenothera

Параметры O. biennis O. villosa C. angustifolium E. hirsutum E. adenocau-lon

Число клеток в единице площади (Б) листа тыс. 2 см 980,8±8,9 121,6±7,8 160,0±2,6 166,6±4,8 345,5±4,5

Объем клетки П) тыс. 3 мкм 14,3±0,3 13,7±1,7 8,9±0,9 4,1±2,0 6,2±1,2

Площадь поверхности клетки П тыс. мкм2 3,6±0,6 3,5±0,3 2,8±0,2 1,5±0,5 1,9±0,9

Число ХЛ в клетке тыс. 2 см 31,4±1,4 35,8±1,8 26,1±1,6 23,5±1,5 26,1±1,6

Объем ХЛ тыс. мкм3 27,2±3,0 32,5±2,0 24,1±2,1 23,2±3,2 20,0±4,2

Площадь поверхности ХЛ тыс. мкм2 45,2±4,5 50,0±2,0 41,2±6,0 39,7±3,5 48,0±3,6

Число ХЛ в единице Б 2 листа млн см 30,8±3,0 4,4±3,1 4,2±0,2 3,9±0,9 9,0±1,2

КОХ П, мкм3 455,4±20,0 382,7±4,8 341,0±5,0 174,5±1,7 237,5±3,7

Индекс мембран клеток П см2/см2 35,3±3,0 4,3±1,3 4,5±0,5 2,5±0,5 6,6±1,2

Индекс мембран ХЛ П см2/см2 13,9±2,0 2,2±1,0 1,7±0,7 1,6±0,6 4,3±2,9

Примечание: П - палисадная ткань; ХЛ - хлоропласты; N - число хлоропластов; 8 - площадь листа; КОХ - клеточный объем хлоропласта.

Известно, что размеры клеток мезофилла, включая палисадную и губчатую ткани, имеют важное значение для интенсивности физиологических процессов листа, поскольку они определяют поверхностно-объемное отношение мезофилла, плотность упаковки тканей, величину межклеточных воздушных пространств и другие параметры важные для диффузии газов и

распределения света внутри листа (Иванова, 2012). В частности, у древесных растений наблюдаются мелкие размеры клеток, обуславливающих более плотную упаковку мезофилла, меньший объем воздухоносных межклетников (Pyankov, et я1., 1999). Для травянистых растений той же экологической группы (мезофиты), что и древесные растения, характерны большие

размеры клеток мезофилла, что позволяет им повысить скорость роста листа растяжением клеток. Травянистые растений сем. Onagracea характеризуются индивидуальными особенностями мезоструктуры, что, по-видимому, связано со специализацией видов по эколого-ценотическому и генетическому статусу.

Анализ пигментного фонда показал, что содержание зеленых и желтых пигментов варьировало в широких пределах (2,9-13,1 для хло-рофиллов и 0,8-2,6 для каротиноидов мг/г в расчете на сухую массу) (рис. 1). В листьях растений рода Oenothera суммарное содержа-12

10

8

б

4

2

ние пигментов было меньше по сравнению с растениями рода ЕрИоЬшт в 2 и более раз, несмотря на то, что их клетки были более объемными, содержали больше хлоропластов. Содержание пигментов менялось в ряду ксероме-зофиты < мезофиты < гигромезофиты < гигрофиты, что дает основание предположить зависимость содержания пигментов от экологического статуса растений, связанного с режимом увлажнения. Однако различий между аборигенными и адвентивными растениями по данному показателю не выявлено.

ахл а ПХл Ъ Ш Кар

lb

il

iMl

Па

О. biennis

О. villosa

С.

angustifolium

Е. hirsutum

Е.

adeno cation

Рис. 1. Содержание хлорофиллов и каротиноидов в листьях растений родов Epilobium и Oenothera

Рис. 2. Содержание суммарных и индивидуальных липидов в листьях растений родов Epilobium и Oenothera

Соединения липидной природы и их надмолекулярным клеточным образованиям - биологическим мембранам - отводят важнейшую роль в функционировании основных клеточных биохимических механизмов. Данные механизмы определяют и регулируют физическое состояние клетки, ее взаимодействие, как с соседними клетками, так и внешней средой (Rozentsvet et al., 2016).

Среди суммарных липидов доля полярных липидов, отвечающих структуру мембран -гликолипидов (ГЛ) и фосфолипидов (ФЛ), составляет 25,4-62,1% и 7,6-12,7% от суммы ли-пидов, соответственно. Наибольшее количество полярных липидов отмечено в растениях E. ad-enocaulon (Рис. 2 А). Кроме указанных липи-дов, в состав мембран входят компоненты, относящиеся к стериновой группе. Общее содержание стеринов варьировало от 1,3 до 3,1 мг/г сухой массы, что составляло от суммы мембранных липидов не более 5%.

Внутренние мембраны хлоропластов растений содержат моногалактозилдиацилглицерин (МГДГ), дигалактозилдиацилглицерин (ДГДГ) и сульфохиновозилдиацилглицерин (СХДГ).

Кроме указанных липидов, в состав мембран хлоропластов, входит единственный ФЛ фос-фатидилглицерин (ФГ). Для всех исследованных видов обнаружено классическое соотношение компонентов ГЛ. Так в листьях растений относительное содержание МГДГ составляло около 50-60 %, ДГДГ - 30-40%, а СХДГ 5-12% от суммы ГЛ (Dormann, Benning 2002; Sakurai et al., 2007) (Рис. 2 Б). Вклад ФГ в пул ГЛ составлял не более 5% от суммы ГЛ. Сравнивая данные между родами можно видеть, что листья растений рода Epilobium, а именно E. hir-sutum и E. adenocaulon, содержали в 1,5-2,0 раза больше ГЛ, чем растения рода Oenothera. Можно также отметить четкую корреляцию между содержанием липидов в мембранах хло-ропластов и содержанием фотосинтетических пигментов (r=0,9 при P < 0.04). Содержание и тех и других компонентов увеличивается в ряду ксеромезофиты - мезофиты -гигромезофиты -гигрофиты. В качественном составе липидов, представленных фосфатидилхолином (ФХ), фосфатидилэтаноламином (ФЭ), фосфатидилг-лицерином (ФГ), фосфатидилинозитом (ФИ) и

отвечающих за структуру непластидных мембран, также не выявлено каких-либо особенностей в исследованных видах. В количественном отношении показано большее содержание ФХ у растений E. adenocaulon (Рис. 2 В).

Физические свойства мембран в большой степени определяются уровнем ненасыщенности ЖК. Среди ЖК исследованных растений было идентифицировано 14 компонентов (табл. 2). Как и предполагалось, на долю кислот с длиной углеводородной цепи 16 и 18 атомов углерода приходилось 90-98% от суммы ЖК. В составе насыщенных ЖК преобладает пальмитиновая кислота С 16:0. В листьях исследованных растений ее содержание составляло от 15,7 до 20,6% от суммы ЖК. Среди ненасыщенных ЖК доминирует линоленовая кислота (С 18:3п3), за ней следуют линолевая и олеиновая кислоты (С 18:2п6 и С 18:1п9). Содержание С 18:3п3 у растений E. hirsutum и E. adenocaulon было выше ~на 30%, по сравнению с другми видами. Индекс ненасыщенности (ИН) ЖК варьировал в интервале значений 1,8-2,3 и был больше у растений E. hirsutum и E. adenocaulon.

Таблица 2

Жирнокислотный состав листьев растений родов Epilobium и Oenothera

Кислоты O. biennis O. villosa C. angustifolium E. hirsutum E. adenocaulon

С 14:0 1,8±0,8 1,4±0,2 2,9±0,4 1,1±0,2 1,1±0,1

С 16:0 18,9±0,9 18,3±0,1 20,6±0,3 15,9±0,5 15,7±0,1

С16:1 2,3±0,3 2,9±0,6 1,7±0,4 2,9±0,5 2,6±0,4

С18:0 2,1±0,1 2,4±0,2 2,5±0,2 2,6±0,3 2,0±0,2

С 18:1n9 2,4±0,3 1,7±0,4 3,1±0,1 1,1±0,1 1,2±0,1

С 18:2n6 19,0±0,2 16,6±0,3 12,9±0,5 7,9±0,5 6,7±0,5

С 18:3n3 51,8±0,4 54,7±0,4 51,6±0,3 65,7±0,4 69,7±0,4

С 20:0 0,9±0,3 0,8±0,4 2,5±0,2 1,5±0,2 1,0±0,1

Другие кислоты 0,4±0,2 0,6±0,2 1,9±0,6 0,3±0,1 0,5±0,1

Индекс ненасыщенности 1,9 2,0 1,8 2,2 2,3

С. angustifolhm Е. kimitum

Е. adenocaulon

О. villosa

О. biennis

Рис. 3. Степень родства биохимических признаков растений родов Epilobium и Oenothera по данным кластерного анализа

Следует отметить, что Е. adenocaidon может превосходит по численности многие другие виды, заселяющие пионерные местообитания -Tussilago farfara, Chamaenerion angustifolium и Epilobium montanum (Myerscough, Whitehead, 1966) благодаря способности прорастать при низких (10°С) температурах, низком уровне освещения, а также в засушливых условиях. Не исключено, что эти свойства обеспечиваются большей эффективностью фотосинтеза за счет большего содержания фотосинтетических пигментов, локализованных в мембранах хлоро-пластов, а также более гибкими мембранами, обеспечивающими большую мобильность функциональных комплексов фотосинтетического аппарата за счет большей ненасыщенности ЖК.

Кроме измерения структурных и биохимических параметров, была предпринята попытка установить взаимосвязь между исследованными биохимическими параметрами и генетическим статусом видов (рис. 3). Это позволяет оценить экологический потенциал растений, способность адаптироваться в разнообразных условиях.

Для кластерного анализа были использованы все измеренные биохимические показатели, такие как содержание зеленных и желтых пигментов, а также содержание отдельных компонентов мембранных и запасных липидов. По данным рис. 3 можно видеть, что наибольшей геометрической близостью характеризовались растения рода Oenothera, в листьях которых было отмечено наименьшее содержание пигментов и липидов. Близость результатов между

данными видами связана с одинаковом эколого-ценотической приуроченностью, к тому же оба вида относятся к адвентивным растениям. В следующем кластере объединены растения видов E. hirsutum и E. adenocaulon, несмотря на то, что они имеют разный генетический статус. На дендрограмме положение вида C. angustifo-lium находится между кластерами растений Oenothera и Epilobium.

Полученные данные позволяют заключить, что параметры мезоструктуры определяются видовыми особенностями, в то время как биохимические показатели имеют определенное межвидовое сходство. На основании измеренных показателей растений сем. Onagraceae, каких-либо особенностей, характеризующих растения как представителей адвентивной или аборигенной флоры, не выявлено.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Асминг С.В. Морфолого-биологические особенности и экология видов рода Epilobium L. // Вестн. ОГУ. 2007. № 10. С. 128-134.

Борзенкова Р.А., Храмцова Е.В. Определение мезоструктурных характеристик фотосинтетического аппарата растений. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та. 2006. 25 с.

Гребенкина Т.М., Нестеров В.Н., Розенцвет

0.А., Богданова Е.С. Изменение состава липидов и пигментов Plantago media (Plantaginaceae) в течение светлого времени суток // Растит. ресурсы. 2012. Вып. 4. С. 565-578.

Кейтс М. Техника липидологии. М.: Мир, 1975. 323 с.

Мокроносов А.Т., Борзенкова Р.А. Методика количественной оценки и функциональной активности фотосинтезирующих тканей и органов // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции ВНИИ растениеводства. Л., 1978. Т. 61, вып. 3. С. 119.

Розенцвет О.А., ГоловкоТ.К., Богданова

Е.С. и др. Модификация пула полярных липидов листьев при адаптации растений Plantago media L. к световому режиму в природных условиях // Изв. РАН. Сер. Биол. 2013. № 2. С. 1-9.

Скворцов А.К. К систематике и номенклатуре адвентивных видов рода Epilobium (Onagraceae) во флоре России // Бюл. МОИП, 1995. Т. 100, вып.

1. С. 74-78.

Скворцов А.К. Сем. Onagraceae Juss. -Ослинниковые, Кипрейные // Флора Восточной Европы. Т. 9. СПб.: Мир и семья-95, 1996. С. 299316.

Черная Книга флоры Сибири. Новосибирск: изд-во «Гео», 2016. С. 284-291.

Ямалов С.М., Баянов А.В., Голованов Я.М.

Адвентивный компонент степных и луговых со-

обществ Южного Урала // Вестн. ОГУ. 2013. № 5. С. 153-157.

Broz A.K., Broeckling C.D., He J. et al. A first step in understanding an invasive weed through its genes: an EST analysis of invasive Centaurea maculosa // BMC Plant Biology. 2007. V. 7. P. 25.

Dormann P., Benning C. Galactolipids rule in seed plants // Trends Plant Science. 2002. V. 7. P. 112-8.

Maslova T.G., Popova I.A., Popova O.F. Critical appraisal of the spectrophotometry method of quantifying carotenoids // Russian Journal of Plant Physiology. 1986. V. 33. P. 615-619

Myerscough P.J., Whitehead F.H. Comparative biology of Tussilago farfara L., Chamaenerion an-gustifolium (L.) Scop., Epilobium montanum L.and Epilobium adenocaulon Hausskn // New Phytologist. 1966. V. 65. P. 192-210.

Pyankov V.I., Kondratchuk A.V., Shipley B. Leaf structure and specific leaf mass: the alpine desert plants of the Eastern Pamirs, Tadjikistan // New Phytologist. 1999. V. 143. P. 131-142.

Rozentsvet O., Grebenkina T, Nesterov V., Bogdanova E. Seasonal dynamic of morpho-physiological properties and the lipid composition of Plantago media (Plantaginaceae) in the Middle Volga region // Plant Physiolgy and Biochemistry. 2016. V. 104. P. 92-98.

Sakurai I., Mizusawa N., Wada H., Sato N. Digalactosyldiacylglycerol is required for stabilization of the oxygen-evolving complex in photosystem II. // Plant Physiology. 2007. V. 145. P. 1361-1370.

Shikov A.N., Pozharitskaya O.L., Makarov V.G., Wagner H., Verpoorte R., Heinrich M. Medicinal plants of the Russian pharmacopoeia; their history and applications // Journal Ethnopharmacolo-gy. 2014. V. 154. P. 48-536.