Физиолого-биохимическая характеристика растений Aconitum septentrionale в сообществах Южного Тимана

Aconitum septentrionale Koelle (аконит высокий) – многолетнее высокотравное растение с крупными пальчато-рассеченными листьями и синими цветками [7]. Вид широко распространен в таежной зоне европейского Северо-Востока, встречается в лесах, на опушках, лугах. Подземные и надземные части растений содержат большое разнообразие алкалоидов. Исследования фитоценотической приуроченности и некоторых характеристик аконита в подзоне средней тайги на территории Республики Коми показали его перспективность как ресурсного вида [4]. Однако для рационального использования ресурсов данного вида важно не только оценить запасы сырья и содержание целевого продукта, необходимо более полное знание об эколого-биологических и физиологических свойствах растений.

Цель работы: выявить вариабельность физиолого-биохимических     характеристик растений аконита высокого в ценопопуляциях Южного Тимана.

Материал и методы. Исследования проводили в первой половине июля 2009 г. на территории ботанического заказника «Сойвин-ский» (Южный Тиман). Район исследований относится к Атлантико-Арктической области умеренного климатического пояса и характеризуется избыточно влажным умеренноконтинентальным климатом с продолжительной

зимой, коротким и сравнительно теплым летом [1]. Среднегодовая температура составляет – 1,5^оС, средняя температура самого теплого месяца – июля около +15^оС. Сумма осадков за вегетационный период варьирует от 315 до 365 мм. По данным Коми республиканского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды последняя декада июня и первая декада июля 2009 г. были прохладней обычного (на 4^оС). Осадков выпало вдвое больше нормы. В целом же погодные условия вегетационного периода существенно не отличались от средних многолетних значений. Для района исследований характерны деградированные перегнойно-карбонатные, перегнойноскелетные почвы, формирующиеся на вершинах и склонах гряд и холмов. Пятнами встречаются дерново-карбонатные и дерновые щебенчатые почвы, приуроченные к выходам на поверхность известняков и других плотных пород [2]. Растения аконита отбирали в двух типичных для данного района ценопопуляциях (ЦП), локализованных на левом берегу р. Сой-ва. По сведениям, приведенным в работе [3], ЦП1 характеризуется как сероольшанник аконитовый. Древесный ярус сформирован Alnus incana, с примесью Picea obovata и Betula pu-bescens. Травяно-кустарничковый ярус густой, высота основной массы травостоя 0,9-1,2 м. Преобладают A . septentrionale , Filipendula ulmaria , Thalictrum minus . ЦП2 описана как ельник крупнотравно-злаковый. Древесный ярус представлен Picea obovata , Betula pubescens , единично Pinus sylvestris . Травянокустарничковый ярус густой, преобладают Milium effusum , A. septentrionale , Aegopodium podagraria .

О ростовой функции растений судили по накоплению и распределению сырой и сухой массы. В каждой популяции отбирали по 10-15 растений, разделяли на органы, фиксировали сухим жаром при температуре 105оС, затем высушивали при температуре 70оС и взвешивали. Морфометрические показатели листьев рассчитывали, исходя из их массы и площади. Фотосинтетические пигменты экстрагировали из листьев кипящим 100% ацетоном и определяли спектрофотометрически при длинах волн 662, 644 нм (хлорофиллы) и 470 нм (каротиноиды). О фотосинтетической активности листьев судили по показателям СО2-газообмена, измеренным при помощи ИК-газоанализатора LI-7000 (LICOR, США) при температуре +20оС в диапазоне ФАР от 0 до 1500 мкмоль/м2с. Элементный анализ осуществляли с применением метода оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе «SPECTRO CIROS - CCD». Определения содержания азота проводили с помощью элементного CHNS-O анализатора «EA-111». Растворимые углеводы определяли методом нормально-фазовой ВЭЖХ. Газометрические измерения проводили в 6-10-кратной биологической повторности. Для аналитических определений использовали не менее трех независимых проб. Результаты обрабатывали с помощью стандартных статистических методов и компьютерных программ. В таблицах и на рисунке представлены средние арифметические величины показателей со стандартной ошибкой.

Результаты и их обсуждение. Эколого-ценотические условия оказали существенное влияние на накопление и распределение биомассы по органам растения. Общая сухая биомасса растения ЦП1 была почти в 4 раза больше по сравнению с растениями из ЦП2 (табл. 1). По данным [3] количество взрослых особей составляло в среднем 1,2 и 2,2 растений на м² в ельнике и сероольшаннике соответственно. Хотя растения ЦП1 накапливали втрое больше подземной биомассы, чем растения ЦП2, доля корней и корневищ в общей биомассе составляла менее 25%. У растений ЦП2 этот показатель был в почти в 1,5 раза выше. Известно, что растения аконита накапливают алкалоиды не только в подземной части, но и во всех надземных органах, особенно листьях [4]. На долю листьев приходится около 30% биомассы растений. Листья аконита сильно оводнены, содержание сухих веществ в них составляет 13-15%. Существенная часть надземной биомассы растений приходится на стебли и черешки листьев. Массовая доля стеблей была в 1,5 раза выше у растений, обитающих в ЦП1, тогда как по доле листьев в биомассе растения из ЦП1 и ЦП2 достоверно не отличались. На соцветия приходилось 1% общей биомассы.

Таблица 1. Накопление и распределение биомассы по органам у растений аконита высокого

Цено-популяция	Листья	Стебли	Черешки	Соцветия	Подземная часть	Целое растение
сырая масса, г/				растение
ЦП1	87	93	63	3	61	307
ЦП2	23	24	22	1	21	91
сухая масса, г/растение
ЦП1	13,.6	13,2	6,6	0,5	10,1	44,0
ЦП2	3,2	2,2	2,0	0,1	3,6	11,3
сухая масса, % от целого растения
ЦП1	30,9	30,0	15,0	1,1	23,0	100
ЦП2	28,3	19,5	17,7	0,9	33,6	100

Обозначения: ЦП1 и ЦП2 - ценопопуляции аконита высокого соответственно в сероольшаннике аконитовом и ельнике крупно-травном злаковом. Стандартная ошибка средних величин не превышает 30%.

Растения аконита в разных ЦП отличались по основным показателям листовой поверхности (табл. 2). В ЦП1 они формировали листовую поверхность большей площади. Листья отличались более высокой удельной поверхностной плотностью (УПП). Согласно представлениям о световой адаптации, УПП листьев является параметром наиболее чувствительным к условиям произрастания. Изменения этого показателя в зависимости от поступления ФАР обеспечивает максимальный КПД газообмена листьев [6]. Судя по величине УППЛ условия освещенности растений в ЦП отличались, растения ЦП2 получали меньше света. При этом величина отношения массы листьев к массе растения, характеризующая долю биомассы растения, активно участвующую в фотосинтезе, мало зависела от местообитания растений (табл. 2).

Таблица 2 . Показатели листовой поверхности ценопопуляций аконита высокого

Показатели	ЦП1	ЦП2
Площадь листьев, дм2/растение	28,9±5,0*	11,8±1,5
Удельная поверхностная плотность листьев, г/дм2	0,47±0,04*	0,27±0,03
Отношение площади листьев к массе растения, дм2/г	0,66	1,04
Отношение массы листьев к массе растения, г/г	0,31	0,28

Обозначения: как в табл. 1. * различия между ЦП1 и ЦП2 существенны при Р≤0,05.

Адаптация фотосинтетического аппарата растений к недостатку света проявлялась также на уровне пигментного комплекса. В расчете на единицу сухой массы листья растений, произрастающих в ЦП2, накапливали на 30% больше хлорофиллов, чем растения в ЦП1 (табл. 3). Однако разница практически нивелировалась при пересчете данных на единицу площади листьев, так как величина УППЛ у растений ЦП1 была в 1,5 раза больше по сравнению с ЦП2. Такие же закономерности были выявлены и при анализе фонда желтых пигментов. Величина соотношения хлорофиллов и каротиноидов в пигментном комплексе растений из разных ЦП составляла около 5, что характерно для большинства видов бореальной флоры.

Таблица 3. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях аконита высокого

Ценопопу-ляция	Хлорофиллы		Каротиноиды	Хл/кар
	а+б        \	а/б
мг/г сухой массы
ЦП1	8,48 ± 1,01	2,96 ± 0,11	1,80 ± 0,20	4,71 ± 0,14
ЦП2	13,00 ± 1,75	2,81 ± 0,47	2,42 ± 0,26	5,36 ± 0,17
Мг/дм2
ЦП1	2,93±0,25	2,97±0,06	0,62±0,05	4,71 ± 0,14
ЦП2	2,47±0,30	2,79±0,24	0,46±0,06	5,36 ± 0,17

Обозначения: как в табл. 1.

Анализ содержания и состава растворимых сахаров (табл. 4) показал, что концентрация глюкозы в сухой биомассе листьев аконита существенно выше, чем фруктозы. Среди дисахаров преобладала сахароза. По сумме растворимых сахаров в расчете на единицу биомассы листьев растения из ЦП1 вдвое превосходили растения из ЦП2. Различия сохранялись и при пересчете концентрации сахаров на единицу площади листьев. У большинства видов растений умеренной зоны транспортной формой углеводов служит сахароза. Количество сахарозы в листьях растений ЦП1 было в 1,5 раза выше, чем в ЦП2. Эти различия проявлялись сильнее, если концентрацию сахарозы относили к единице площади листьев.

Таблица 4. Содержание растворимых сахаров в листьях аконита высокого

Сахара	ЦП1		ЦП2
	мг/г сухой массы	мг/дм2	мг/г сухой массы	мг/дм2
фруктоза	6,89±2,87	3,2±0,3	2,47±0,40	0,7±0,1
глюкоза	63,92±6,16	30,1±2,8	15,16±1,60	4,1±0,4
моносахара	*70,81±6,80	*33,3±3,2	17,63±1,65	4,8±0,42
сахароза	61,02±2,38	28,7±3,0	42,01±2,45	11,4±1,5
мальтоза	7,27±0,80	3,4±0,3	13,03±1,60	3,5±0,4
дисахара	**68,29±2,51	*32,1±2,1	55,04±2,92	14,9±0,8
сумма сахаров	*139,10±7,24	*65,4±3,4	72,67±3,36	26,3±1,2

Обозначения: как в табл. 1. * различия между ЦП1 и ЦП2 существенны при Р≤0.01, при ** Р≤0.05.

Элементный состав растений видоспецифичен и отражает условия почвенного питания растений. Как видно из данных табл. 5, наиболее обогащены минеральными элементами ассимилирующие органы – листья. В них выше, чем других частях растений, концентрация азота, фосфора и особенно кальция. Содержание калия больше в органах, осуществляющих транспортные функции. Сравнение данных показало, что органы аконита, произрастающего в ельнике, накапливали больше калия и фосфора, тогда как различия в содержании азота и других элементов между растениями ЦП1 и ЦП2 были слабо выражены. Концентрация микроэлементов в разных частях растений была неодинаковой. В большинстве случаев их содержание в органах подземной части растений было выше, чем в листьях. Следует отметить, что корни и корневища концентрировали в значительных количествах натрий, железо, марганец, цинк и медь. Что касается влияния эколого-ценотических условий на накопление определенных микроэлементов, то эффекты были разнонаправленными. Так, содержание натрия, марганца и меди было выше в биомассе органов растений ЦП2 по сравнению с ЦП1. В то же время листья растений ЦП1 накапливали больше цинка и железа, чем листья растений ЦП2.

Таблица 5. Содержание основных минеральных элементов в биомассе аконита высокого, мг/г сухой массы

Часть растения	N 1	K 1	P 1	Ca 1	Mg	Fe
ЦП 1
листья	38,0±4,0	12±0,5	2,8±0,9	26±8,0	8,5±2,5	0,9±0,2
черешки	16,6±2,4	21±8,0	1,9±0,6	8,7±2,6	6,8±2,0	0,2±0,07
стебли	14,6±2,2	13±5,0	1,8±0,5	4,8±1,4	2,6±0,8	0,1±0,03
подземная часть	22,0±3,0	9±3,0	2,3±0,7	8,4±2,5	3,3±1,0	0,4±0,10
ЦП 2
листья	35,0±4,0	34±13	6,1±1,8	21±1,6	5,4±1,6	0,2±0,04
черешки	12,9±1,9	48±19	5,7±1,7	6,0±1,8	3,4±1,0	0,1±0,02
стебли	15,0±2,0	42±17	5,4±1,6	4,7±1,4	3,2±1,0	0,2±0,04
подземная часть	24,0±3,0	17±7	11±3,0	7,2±2,2	5,3±1,6	1,8±0,5

Обозначения: как в табл. 1.

Продуктивность и устойчивость растений в значительной степени зависят от того, насколько успешно растения реализуют функцию фотосинтеза. Наши данные показывают, что скорость фотосинтеза сильно зависит от освещенности (рис. 1). Поглощение СО2 линейно возрастало с повышением ФАР в области от 0 до 100-120 мкмоль/м2с. При освещенности свыше 300-400 мкмоль/м2с происходит насыщение фотосинтеза светом. В области низкой освещенности (на линейном участке световой кривой) различия в скорости фотосинтеза листьев растений ЦП1 и ЦП2 незначительны. В области светового насыщения скорость фотосинтеза единицы массы листьев растений обоих ЦП составляла около 15 мг СО2/(г ч). Фотосинтетическая активность листьев растений, произрастающих в сероольша-нике, выше по сравнению с листьями растений, обитающих в ельнике. Повышение фотосинтетической мощности листьев ЦП1 обусловлено их более высокой УППЛ (табл. 2). По нашим подсчетам при умеренной ФАР (около 500 мкмоль/м2с или 125 Вт/м2) одно растение аконита в ЦП2 за час может ассимилировать до 50 мг СО2, что эквивалентно образованию 70 мг глюкозы. За это же время растение аконита ЦП1 способно ассимилировать почти в 4 раза больше СО2. Данным фактом в значительной степени объясняются различия в продуктивности растений ЦП1 и ЦП2 (табл. 1). С этим также связана и разница в содержании сахаров в листьях (табл. 4).

Рис. 1. Световая зависимость фотосинтеза листьев растений Aconitum septentrionale , обитающих в сероольшаннике аконитовом (1) и ельнике крупнотравно-злаковом (2) на Южном Тиммане

Выводы: эколого-ценотические условия оказывают существенное влияние на физиолого-биохимические характеристики и продукционный процесс растений. Установлена положительная связь между фотосинтетической активностью, удельной поверхностной плотностью листьев и накоплением биомассы растениями аконита высокого, обитающими в разных сообществах на Южном Тимане.

Работа выполнена в рамках проекта «Состояние ресурсов полезных растений европейского северо-востока России: мониторинг и разработка биотехнологических подходов по рациональному использованию и воспроизводству» и Программы Отделения биологических наук РАН «Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга». Исследования поддержаны грантом УрО РАН (№ 09-Т-4-1002)