Анатомо-морфологические и биохимические показатели разновозрастной хвои Pinus sibirica Du Tour (Средний Урал)

Чукина Н.В., Лукина Н.В., Филимонова Е.И., Глазырина М.А. Анатомо-морфологические и биохимические показатели разновозрастной хвои Pinus sibirica Du Tour (Средний Урал) // Вестник Нижневартовского государственного университета. 2025. № 4(72). С. 4-15.

Введение. Сосна кедровая сибирская или кедр сибирский ( Pinus sibiriсa Du Tour, Pinaсeae Lindl.) – является одним из наиболее характерных деревьев центральной части хвойной зоны в Западно-Сибирской низменности [17], широко распространена на территории Урала, Алтайского края и северо-востока европейской части Российской Федерации [6], а также на территории Казахстана и Монголии. В других местах земного шара это растение в естественном состоянии не произрастает [1; 16]. В пределах Урала и прилегающих равнинных областей нижняя граница ареала P. sibiriсa проходит немного севернее г. Екатеринбурга, а южная на Приполярном Урале [12].

P. sibiriсa – редкий пример сочетания в одном древесном растении устойчивости к условиям среды и долговечности, декоративных и оздоровительных свойств, вследствие чего имеет большое хозяйственное значение. Важное достоинство P. sibiriсa – его смола или живица, которая используется для получения таких ценных продуктов, как кедровый бальзам, иммерсионное масло, скипидар, канифоль [1; 5; 6; 16]. Кедровые орехи являются важным пищевым, кормовым и лекарственным ресурсом [6]. Хвоя P. sibiriсa – источник большого количества биологически активных веществ, которые успешно применяются в парфюмерии и медицине. Она богата эфирными маслами, микроэлементами, содержит β-каротин, аскорбиновую кислоту, витамины группы B и др. [16]. Содержание

биологически активных веществ в хвое голосеменных растений во многом зависит, как от продолжительности жизни хвои, так и от ее анатомо-морфологических параметров [10; 15]. Процессы старения хвои голосеменных в отличие от листопадных и вечнозеленых двудольных растений варьируют от 1 года у Larix sibiriсa Ledeb., 3–6 лет, а в субальпийском поясе до 4–12 лет у P. sibiriсa , и до 12–15 лет у Picea obovata Ledeb. [4; 6]. Показано, что на анатомо-морфологические и физиолого-биохимические параметры хвои большое влияние оказывают экологические факторы и погодно-климатические условия, такие как температура, влажность воздуха, уровень инсоляции и др. [2; 10; 15]. Отмечено, что в процессе возрастного развития хвои P. sibiriсa прослеживаются изменения ее анатомоморфологических структур [14], активности пигментного комплекса [11; 14], содержания вторичных метаболитов [8], витаминов (например, витамина С), эфирных масел. В то же время данные по их накоплению в хвое разного возраста противоречивы. Однако работы, включающие комплексную оценку анатомо-морфологических и биохимических параметров разновозрастной хвои P. sibiriсa , произрастающей в естественных лесных фитоценозах на границе подзон южной и средней тайги на Среднем Урале не проводились, что и определило актуальность настоящего исследования. Выбор территории был связан с тем, что подзоны средней и южной тайги на Урале характеризуются хорошими условиями для жизнедеятельности хвойных пород. Здесь формируются насаждения с участием P. sibiriсa IV, реже V классов бонитета.

Цель работы – изучение анатомо-морфологических и биохимических характеристик разновозрастной хвои Pinus sibiriсa Du Tour в естественном местообитании на Среднем Урале.

Объекты и методы исследования. Исследования проводили в июле 2022 г. в естественном лесном фитоценозе, расположенном в 17 км от г. Нижняя Тура (58°40'05"N 60°00'14"E).

Район исследований находится в таежной зоне, на границе подзон южной и средней тайги. Климат района умеренно-континентальный, по теплообеспеченности характеризуется как прохладный, по влагообеспеченности – как влажный. Среднегодовая температура воздуха +0,7°С, среднеиюльская +17,7°С, среднеянварская -16,7°С. При среднем годовом количестве осадков 673 мм за теплый период (апрель-октябрь) выпадает 489 мм. Почвенный покров Туринского округа представлен подзолистыми почвами, среди которых встречаются небольшие островки болотных. Округ расположен в таежной зоне, на переходе средней тайги в южную. Здесь преобладают хвойные леса ( P. obovata , Abies sibirica Ledeb., P. sibiriсa , Pinus sylvestris L.) с мелколиственными ( Betula sp.) породами. Подлесок редкий, бедный по составу ( Sorbus aucuparia subsp. sibirica (Hedl.) Krylov, Juniperus sp., Rosa sp.) [20].

Объект исследований – Pinus sibiriсa . Это пластический вид, отличается устойчивостью к морозу и малотребовательностью к теплу. При достаточной атмосферной и почвенной влажности произрастает почти на всех типах грунта, но предпочитает хорошо дренированные, плодородные почвы, содержащие в своем составе известь. Вид теневыносливый, но плохо переносящий сильное затенение в зрелом возрасте [1; 5; 6].

Модельные деревья P. sibiriсa отбирали в естественном лесном массиве с преобладанием P. obovata , A. sibiriсa , с участием P. sibiriсa , L. sibiriсa , Betula pubescens Ehrh., сомкнутость крон 0,7–0,8. Травяно-кустарничковый ярус разрежен, пятнами встречались Vaccinium vitis-idaea L., Orthilia seсunda (L.) House, Pyrola rotundifolia L., Сalamagrostis arundinaсea (L.) Roth и др. [24]. Площадь обследованной территории составляет 300 м².

Для оценки влияния возраста хвои на исследуемые показатели была собрана хвоя 2, 3 и 4-го года с 5 деревьев 30–35-летнего возраста с южной экспозиции. Длину хвои измеряли на свежесобранной хвое, для чего хвоинки (30 шт) выкладывали на миллиметровую бумагу и фотографировали. Далее на фотографиях проводили измерения длины (с точностью до сотых миллиметра) с использованием специализированной системы анализа изображений SIAMS MesoPlant («СИАМС», г. Екатеринбург). Для изучения анатомического строения хвою (n=30) фиксировали в 70% растворе этилового спирта. Поперечные срезы получали при помощи замораживающего микротома МЗ-2 и помещали в глицерин. Измерение анатомических показателей, таких как площадь поперечного сечения среза хвои, толщину эпидермы, гиподермы и энтодермы, площадь смоляных ходов, проводили с использованием светового микроскопа и специализированной системы анализа изображений SIAMS MesoPlant.

Для определения содержания фотосинтетических пигментов навеску хвои (50 мг) гомогенизировали в 80% ацетоне. Измерения ацетоновых вытяжек пигментов проводили спектрофотометрическим методом при длинах волн 470, 624, 647 и 663 нм на приборе APEL (PD-303UV) (Австрия) и рассчитывали по стандартной методике H.K. Liсhtenthaler [27].

Определение содержания низкомолекулярных антиоксидантов и уровня перекисного окисления липидов (ПОЛ) проводили на образцах хвои, предварительно фиксированных в жидком азоте. Анализ биохимических показателей проводили в 4-кратной биологической и 5 аналитических повторностях. Количество продуктов ПОЛ определяли по реакции малонового диальдегида (МДА) с тиобарбитуровой кислотой (ТБК). Измерение оптической плотности проводили при длинах волн 532 и 600 нм [29]. Содержание свободного пролина определяли спектрофотометрически по модифицированной методике [7] с использованием ациднингидринового реактива. Оптическую плотность окрашенного комплекса измеряли на спектрофотометре при длине волны 520 нм.

Оценку концентрации фенолов, флавоноидов проводили с использованием экстракта мелкоизмельченной хвои после суточного (24 часа) настаивания в 80% этаноле. Измерение и расчет содержания общего количества фенолов в образцах проводили по галловой кислоте с использованием реактива Фолина-Чокалтеу согласно методике [28]. Количество флавоноидов рассчитывали по рутину, с использованием хлорида алюминия, согласно методике [23]. Для определения содержания аскорбиновой кислоты использовали методику E.J. Hewitt [26]. Навеску хвои растирали в смеси HPO 3 и Na 3 PO 4 (в соотношении 3:2). Дальнейшие измерения экстрактов проводили спектрофотометрически при длине волны 265 нм. Расчет всех биохимических показателей проводили на сухой вес хвои (с.в.).

Оценку содержания низкомолекулярных антиоксидантов в хвое проводили в 5-кратной биологической повторности (на усредненной пробе хвои) и 3–5 аналитических повторностях. Полученные данные обрабатывали статистически с использованием стандартного пакета программ Microsoft Excel и StatSoft STATISTICA 12. Достоверность различий полученных результатов проводили по непараметрическому критерию Манна– Уитни (при p < 0,05). В таблицах 1, 2 и на рисунке 1 представлены средние значения и их стандартные ошибки.

Результаты исследования и их обсуждение. Исследования показали, что длина разновозрастной хвои P. sibiriсa варьирует от 88,83±1,44 мм (4-летняя хвоя) до 99,75±1,62 мм (3-летняя) (табл. 1). Известно, что морфологические параметры хвои голосеменных во многом зависят от комплекса экологических факторов [10; 14; 18]. Большое влияние на длину хвои оказывают погодные условия как во время заложения почек, так и в период ее роста [14]. Погодные условия (общее количество осадков и суммы среднесуточных температур в вегетационный период) существенно варьировали, о чем свидетельствуют различные значения гидротермического коэффициента Селянинова (ГТК) в районе исследований (2019 г. – ГТК = 1,5; 2021 г. – ГТК = 0,7) [3].

Таблица 1

Анатомо-морфологические показатели разновозрастной хвои P. sibirica в условиях Среднего Урала

Параметры	Возраст хвои
	2 года	3 года	4 года
Длина хвои, мм	92,21±1,73a	99,75±1,62b	88,83±1,44a
Площадь поперечного сечения хвои, *104 мкм2	55,61±0,89b	53,83±1,53b	47,31±1,10a
Площадь мезофилла, *104 мкм2	38,58±0,58b	37,67±1,05b	33,53±0,89a
Площадь центрального цилиндра, *104 мкм2	11,12±0,19b	9,70±0,23ab	8,21±0,12a
Толщина энтодермы . , мкм	33,20±0,70a	36,56±0,61b	37,26±0,46b
Площадь смоляных ходов, мкм2	274,51±4,70a	287,91±5,97b	265,48±4,72a
Толщина эпидермы, мкм	13,82±0,24а	14,48±0,22a	13,56±0,23а
Толщина гиподермы, мкм	10,59±0,18а	11,72±0,20a	11,11±0,18a

Примечание: разные буквы (a, b, c) в столбцах (Хср. ± m) указывают на достоверные различия по каждому показателю между хвоей разного возраста, одинаковые буквы – на отсутствие различий при уровне значимости p ˂ 0,05.

Анализ анатомического строения разновозрастной хвои P. sibiriсa показал, что по мере увеличения возраста хвои происходит незначительное уменьшение площади ее поперечного сечения, площади мезофилла и центрального цилиндра. По большинству показателей различия 4- и 2-летней хвои P. sibiriсa статистически значимы. Снижение площади поперечного сечения хвои и площади мезофилла, в среднем, составило 17,5%, площади центрального цилиндра – 35,4%. Максимальная площадь смолоносной системы отмечена для хвои 3-го года. При этом толщина покровных тканей хвои в процессе возрастного развития практически не изменяется (табл. 1).

Описанные выше тенденции согласуются с литературными данными [9; 14] и объясняются началом процесса старения листового аппарата, который нередко сопровождается редукцией общей ассимилирующей поверхности хвои, начиная с 4-летнего возраста.

Анализ содержания фотосинтетических пигментов в хвое P. sibirica в процессе возрастного развития хвои показал относительную стабильность пула антенных пигментов.

При этом наблюдалось небольшое снижение концентрации хлорофилла a (на 16%) у 4-летней хвои по сравнению с 2-летней, что привело к закономерному снижению концентрации зеленых пигментов в хвое и уменьшению соотношения хлорофилла а к сумме антенных пигментов (Хл a /Хл b +каротиноиды) на 10% и 16%, соответственно (табл. 2). Согласно литературным данным, максимальное содержание хлорофиллов в хвое P. sibirica отмечено для хвои 2-го и 3-го года жизни, что согласуется с полученными нами данными [2].

Таблица 2

Содержание пигментов в разновозрастной хвое P. sibirica в условиях Среднего Урала

Показатели	Возраст хвои
	2 года	3 года	4 года
Хл a , мг/г с.в.	1,12±0,04b	0,99±0,02b	0,94±0,03а
Хл b , мг/г с.в.	0,42±0,05a	0,47±0,01a	0,44±0,02a
Хл a+b , мг/г с.в.	1,54±0,01b	1,46±0,02ab	1,38±0,05a
Каротиноиды, мг/г с.в.	0,44±0,03a	0,44±0,02a	0,44±0,02a
Хл a+b / каротиноиды	3,58±0,4a	3,36±0,11a	3,17±0,09a
Хл a /Хл b	2,35±0,11a	2,12±0,09а	2,13±0,06а
Хл a / Хл b +каротиноиды	1,33±0,12b	1,10±0,04ab	1,07±0,02a

Примечание: разные буквы (a, b, c) в столбцах (Хср. ± m) указывают на достоверные различия по каждому показателю между хвоей разного возраста, одинаковые буквы – на отсутствие различий при уровне значимости p ˂ 0,05.

Соотношение форм хлорофиллов (Хл a /Хл b ) характеризует потенциальную фотосинтетическую активность листового аппарата и в норме находится в диапазоне 2–3. В литературе отмечено относительное постоянство соотношения форм хлорофилла в хвое P. sibirica в процессе ее возрастного развития, что соотносится с полученными нами данными [11; 13; 14]. При этом отмечается, что в процессе старения хвои у P. sibirica повышается содержание каротиноидов [11; 14]. Наши исследования показали отсутствие достоверных отличий по показателю содержания в хвое каротиноидов и хлорофилла b.

Уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ) – индикаторная реакция повреждения клеточных мембран. Усиление процессов ПОЛ является одним из основных неспецифических механизмов защиты от повреждающего действия активных форм кислорода (АФК) в условиях окислительного стресса [22]. Сравнительный анализ уровня перекисного окисления липидов в разновозрастной хвое P. sibirica показал их достоверное увеличение по мере старения хвои. Так интенсивность ПОЛ в хвое 3-го и 4-го года, по сравнению с 2-летней, увеличилась в 1,9 и 2,1 раза соответственно (рис. 1, а). Данная тенденция говорит об усилении процессов накопления продуктов окисления липидов в хвое P. sibirica в процессе ее возрастного развития, что также было отмечено в литературе [11; 14].

Следствием усиления процесса ПОЛ в растениях является активация и интенсификация системы антиоксидантной защиты, которая предотвращает и устраняет последствия окислительного стресса. Одним из компонентов этой системы являются неферментативные низкомолекулярные соединения. В клетках растений низкомолекулярные антиоксиданты представлены очень широко. Большую и разнообразную группу представляют фенольные соединения, к числу которых относятся и

флавоноиды. Как правило, накопление фенольных соединений в растениях служит индикатором низкотемпературного стресса, дефицита воды и минерального питания. Флавоноиды – биологически активные соединения фенольной природы, которые играют важную роль в окислительно-восстановительных реакциях, защищают растительные ткани от избыточной солнечной радиации. Аккумуляция свободного пролина считается типичным ответом растения на воздействие различных негативных факторов окружающей среды [25]. Аскорбиновая кислота – витамин, который в клетках растений непосредственно вступает в реакции со свободно радикальными частицами, инактивируя их, и таким образом, снижает разрушительные последствия окислительного стресса [21].

□ ПОЛ, ТБК нМ/г с.в.

I Пролин, мкг/г с.в.

б)

□ Фенольные соединения, мг/г с.в.

Рис. 1. Интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ) и содержание пролина (а), аскорбиновой кислоты и фенольных соединений (б) в разновозрастной хвое P. sibirica в условиях Среднего Урала

На рисунке 1 представлены результаты анализа содержания низкомолекулярных антиоксидантов в разновозрастной хвое P. sibirica. Установлено, что общее содержание фенольных соединений к 4-му году жизни хвои увеличивается в 1,5 раза. Вероятно, повышенное накопление фенольных соединений связано с усилением с возрастом хвои процессов ПОЛ, отмеченным выше. В то же время максимальное содержание флавоноидов наблюдается в 2-летней хвое (3,15±0,14 мг/г с.в.). К 3-му году жизни хвои концентрация флавоноидов снижается на 15% (2,75±0,15 мг/г с.в.), к 4-му уже на 30% (2,42±0,15 мг/г с.в.).

Повышенное содержание флавоноидов в молодой хвое может положительно влиять на фотосинтетическую деятельность, защищая пигментный комплекс от избыточной инсоляции.

В процессе возрастного развития хвои также наблюдается увеличение содержания свободного пролина (рис. 1). В 3-летней хвое по сравнению с 2-летней – на 29%, в 4-летней по сравнению с 2-летней – на 76,5%. По-видимому, такая динамика изменения данного показателя может быть связана со снижением обводненности хвои и, как следствие, усыханием ее в процессе старения.

Максимальное содержание витамина C выявлено в 2-летней хвое (14,25±1,64 мг/г с.в.), что в 1,4 раза выше, чем в 3 и 4-летней хвое P. sibirica (рис. 1), что согласуется с литературными данными, в которых отмечено увеличение накопления аскорбиновой кислоты в молодой хвое [19].

Таким образом, однонаправленных изменений в накоплении низкомолекулярных антиоксидантов в процессе возрастного развития хвои P. sibirica не отмечено.

Заключение. Исследование разновозрастной хвои P. sibirica , произрастающей на Среднем Урале, показало, что с увеличением возраста хвои наблюдалось уменьшение таких анатомо-морфологических показателей, как площадь поперечного сечения хвои, площади мезофилла и центрального цилиндра.

При этом молодая (2-летняя) хвоя характеризовалась высокой фотосинтетической активностью, т.к. содержала максимальное количество фотосинтетических пигментов, а также аскорбиновой кислоты. В более зрелой (4-летней) хвое усиливались процессы оксидации липидов, о чем свидетельствовало увеличение концентрации продуктов ПОЛ, и, как следствие, активизировалась система антиоксидантной защиты, что проявлялось в увеличении содержания фенольных соединений и свободного пролина.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения государственного задания УрФУ FEUZ-2023-0019.