Изменчивость содержания фотосинтетических пигментов хвои у сосны с разной формой апофиза семенных чешуй в условиях постоянного избыточного увлажнения

Исследование выполнено при поддержке Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова РАН в рамках государственного задания (проект № 0409-2015-0141).

Внутрипопуляционный полиморфизм определяет успех существования и воспроизводства популяции в условиях изменяющейся среды. Известно [2, 3], что популяции сосны обыкно-

венной отличаются высоким уровнем биохимического полиморфизма. Выделяются деревья с пониженным и повышенным содержанием хлорофилла. Однако сведения по внутрипопу-ляционной изменчивости биохимических признаков сосны фрагментарны [2, 4, 5, 6, 7]. Наиболее надежными морфологическими маркерами наследственных форм у хвойных являются цвет мужских и женских стробилов, семян, форма семенных чешуй, шишек и некоторые другие признаки генеративных органов. Они считаются относительно стабильными признаками, характеризующимися низким уровнем экологической и географической изменчивости, стабильными во всех метамерах кроны деревьев и во времени [2, 8, 9, 10]. Считается [11, 12], что в этих случаях признак независим от внешних условий в процессе онтогенеза и его развитие определяется преимущественно генотипом особи. Работы по изучению изменчивости содержания фотосинтетических пигментов у форм сосны, различающихся типом апофиза семенных че-шуй шишек единичны [13], что свидетельствует о необходимости проведения дальнейших исследований в этом направлении.

На Севере растения произрастают при недостатке тепла, резких суточных и сезонных перепадах температуры, своеобразном световом режиме. В этих условиях фотосинтетическая система испытывает дополнительное напряжение, что не может не сказаться и на пигментном аппарате [14]. Во влажных местообитаниях, где корневые системы растений периодически затоплены поверхностными водами с низким содержанием кислорода, они имеют значительно меньше пластидных пигментов и более низкую физиологическую активность, чем в лесорастительных условиях с более дренированными почвами [15].

Целью работы является изучение изменчивости содержания фотосинтетических пигментов хвои разного возраста у форм сосны, различающихся типом апофиза семенных чешуй, в условиях постоянного избыточного увлажнения почв северной тайги.

Объектами исследований являются северотаёжные сосняки кустарничково-сфагновые на верховых болотных почвах в низовье Северной Двины. В сосняках кустарничково-сфагновых торф – сфагновый или пушице-сфагновый, низкой степени разложения. Торф имеет сильнокислую реакцию среды (рН солевой суспензии 2,6-3,2), высокую обменную и гидролитическую кислотность, очень низкую степень насыщенности основаниями (11-14 %). Содержание зольных элементов в верхнем торфе составляет 2-4 %. Торф верхних горизонтов характеризуется низкой объёмной массой, высокой полевой влажностью, близкой к полной влагоёмкости (90-94 %).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для определения биохимических признаков у форм сосны, выделенных по типу апофиза семенных чешуй (f. gibba Christ – «выпуклый», f. plana Christ – «плоский», согласно методике Л.Ф.Правдина (1964) [1], в 2016 году отбирали образцы хвои у 10 деревьев каждой формы. Учитывая сезонную изменчивость этих признаков, отбор образцов производили на одних и тех же деревьях в начале роста побегов (конец мая), в периоды активного (конец июня) и завершения (середина июля) линейного роста побегов, в период окончания вегетации (конец сентября), перед перезимовкой (конец октября) и в зимний период (середина декабря). В лабораторных условиях спектрофотометрическим методом (на спектрофотометре NanoDrop 2000C) у разных форм сосны в хвое определяли содержание фотосинтетических пигментов [16]. Долю хлорофиллов в ССК рассчитывали по формуле [17, 18]. Уровни изменчивости признаков оценивали по эмпирической шкале С.А Мамаева (1972) [2]. При сравнении одноимённых признаков и свойств использовали критерий F-Фишера и t-Стъюдента [19]. Дисперсионный анализ проводили с использованием пакета лицензионных программ Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание и состав фотосинтетического пигментного комплекса являются показателями основного метаболизма, от которого зависит устойчивость растений к факторам внешней среды. Их динамика определяется генетическими свойствами и экологическими факторами. Ранее установлено [20], что уровни индивидуальной и эндогенной изменчивости содержания фотосинтетических пигментов в однолетней хвое деревьев сосны разных форм колеблются от низкого ( C.V. < 12 %) до высокого ( C.V . > 20 %). Деревья могут сильно отличаться по показателям концентрации пигментов из-за различного диапазона нормы реакции на воздействие стрессовых факторов. Уровни индивидуальной изменчивости этих показателей у форм, выделенных по типу апофиза, соответствуют этим придержкам. Причем у обеих форм они довольно близки, хотя и различаются в разные календарные периоды ( C.V. = 17-33 %) [13]. По данным наблюдений 2016 года, индивидуальная вариабельность параметров содержания фотосинтетических пигментов в хвое одно-, двух- и трехлетнего возраста чаще соответствует среднему ( C.V. = 13-20 %) и повышенному ( C.V. = 21-30 %) уровням (рис. 1). В хвое разного возраста и, особенно в различные календарные периоды, величина коэффициента вариации показателей пигментного комплекса (как у абсолютных, так и относительных) может различаться у обеих форм. Это соответствует полученным ранее данным по вариабельности содержания фотосинтетических пигментов в однолетней хвое [13]. Более изменчивым в хвое разного возраста является концентрация хлорофилла b (в основном высокий и очень высокий уровни, C.V. > 30 %), что соответствует полученным ранее данным по содержанию хлорофилла b в однолетней хвое у краснопыльниковой и желтопыльниковой форм [21]. В весенне-летний сезон можно отметить тенденцию повышения этого показателя у формы с «плоским» типом апофиза, по сравнению

Рис. 1. Индивидуальная изменчивость содержания фотосинтетических пигментов (коэффициент вариации, %) в хвое разного возраста у форм сосны с разным типом апофиза семенных чешуй На рис. 1 - 4: Х a , Х Ь - содержание хлорофиллов а и Ь соответственно, мг - г^-1 воздушно сухой массы хвои; К - содержание каротиноидов, мг - г^-1 воздушно сухой массы хвои; II. 05 ... II. 12 - декада, месяц

с формой с «выпуклым» типом, а перед перезимовкой и зимой их коэффициенты индивидуальной вариации довольно схожи.

Менее вариабельным у обеих форм является концентрация в хвое разного возраста хлорофилла a , суммы хлорофиллов, каротиноидов и общего содержания фотосинтетических пигментов, чаще соответствующая среднему и повышенному уровням ( C.V = 13-30 %). В различные календарные периоды величина коэффициента вариации этих показателей может существенно различаться при критических значениях F на принятых уровнях значимости (рис. 1). В хвое разного возраста величина коэффициента вариации концентрации хлорофиллов и каротиноидов, их общего содержания в выборках деревьев с разной формой апофиза достоверно не различается ( F <  F _{0 05}). Это может объясняться индивидуальной реакцией деревьев в процессе онтогенеза на действие внешних условий (сезонных изменений, климатических, почвенно-гидрологических и других факторов).

Уровень индивидуальной изменчивости относительных показателей содержания хлорофилла a и хлорофилла Ь , хлорофиллов и каротиноидов, доли хлорофиллов локализованных в светособирающем пигментом комплексе (ССК) чаще средний и повышенный ( C.V = 1330 %) (рис. 2). Причем величина коэффициента вариации этих показателей может существенно различаться не только в разные календарные периоды, но и у хвои разного возраста ( F >  F _0,05). Это может наблюдаться в выборках деревьев обеих форм. Между выборками деревьев разных форм также могут наблюдаться достоверные различия по величине коэффициента вариации показателей фотосинтетического комплекса хвои разного возраста ( F >  F _{0 05}), однако только в сезон активной вегетации, исключая календарные периоды перед перезимовкой и зимний сезон (конец октября - декабрь). Это может быть обусловлено различной реакцией деревьев с «выпуклой» и «плоской» формой апофиза на сезонные изменения фак-

Рис. 2. Индивидуальная изменчивость относительных показателей содержания хлорофиллов и каротиноидов (коэффициент вариации, %) в хвое разного возраста у форм сосны с разным типом апофиза семенных чешуй

На рис. 2 и 4: ССК – доля хлорофиллов светособирающего комплекса

торов внешней среды и фенологических фаз развития (рис. 1, рис. 2).

В начале роста побегов в длину (в середине мая) наблюдается более высокий уровень индивидуальной изменчивости концентрации в однолетней хвое хлорофилла a в выборках деревьев сосны с «выпуклой» формой апофиза семенных чешуй ( C.V. = 19 %) по сравнению с сосной с «плоской» формой апофиза ( C.V . = 12 %; F = 3,33; F _0,05 = 3,30) и суммарного содержания фотосинтетических пигментов ( C.V. = 20 % и C.V. = 12 %, соответственно; F = 3,43; F _0,05 = 3,30). Различия деревьев сосны с «выпуклой» формой апофиза между собой по этим показателям в начале роста имеют более выраженный характер, нежели у сосны с «плоской» формой апофиза. В периоды активного роста (конец июня) и его завершения (середина июля) индивидуальная вариабельность содержания хлорофиллов, их относительных количеств, соотношения хлорофиллов и каротиноидов, доли общего фонда пигментов, локализованных в ССК, напротив, больше в выборке деревьев с «плоской» формой апофиза ( F = 3,5-74,1; p < 0,05). Перед перезимовкой и в зимний период значимых различий между рассматриваемыми формами в уровнях индивидуальной изменчивости не наблюдается. По-видимому, это связано со снижением фотосинтетической способности деревьев этих форм в эти периоды, что нивелирует их индивидуальные различия.

По данным наблюдений 2016 года, выявлено общее сходство в характере сезонной динамики содержания фотосинтетических пигментов хвои одно-, двух-, и трехлетнего возраста у форм сосны с «выпуклым» и «плоским» типом апофиза семенных чешуй (рис. 3).

В связи с теплой и достаточно сухой осенью 2016 года (таблица) продолжительность летнего максимума накопления пигментов растягивается на сентябрь, несколько снижаясь только в начале зимы. Различия в концентрации хлорофиллов a и b , каротиноидов и общего содержания фотосинтетических пигментов (независимо от возраста хвои) между маем и другими месяцами у обеих форм сосны в большинстве случаев достоверны на принятых уровнях значимости t -критерия. Концентрация каротиноидов в разновозрастной хвое разных форм сосны достоверно увеличивается с мая по октябрь ( t -критерий, p < 0,05). С наступлением холодов в зимний период хлорофилл подвергается интенсивному разрушению. При очень низких температурах в зимний период распад хлорофилла хвойных превышает его синтез. По нашим данным перед перезимовкой хлорофилл b разрушается более интенсивно по сравнению с хлорофиллом a . Между выборками деревьев разных форм, различающихся типом формирования апофиза семенных чешуй, не обнаружено достоверных различий ( t <  t _0,05) за весь период наблюдений (май – декабрь 2^, 016 года) в коли-

Рис. 3. Сезонная динамика содержания фотосинтетических пигментов (среднее значение с ошибкой) в хвое разного возраста у форм сосны с разным типом апофиза семенных чешуй

честве и соотношении пигментов фотосинтетического комплекса хвои разного возраста, что свидетельствует об общем характере их пигмен-тообразования.

Изменения соотношений пигментов – важные и чувствительные показатели физиологического состояния направленности адаптивных реакций растений в стрессовых условиях [14]. Средняя величина отношения содержания хлорофилла a к хлорофиллу b в выборках деревьев колеблется по месяцам (с мая по декабрь) от 2,3 до 3,1 (форма с «плоским» типом апофиза) и от 2,3 до 3,4 (форма с «выпуклым» типом апофиза) (рис. 4).

Известно [22], что водный стресс (в том числе и в случае насыщения почвы водой вокруг корней растений) наиболее сильно действует на светособирающий хлорофилл a/b -белковый комплекс. Ранее было установлено [20], что в сосняках сфагновой группы адаптация фотосинтезирующего аппарата деревьев сосны к воздействию внешних факторов происходит через увеличение емкости ССК. Показано [23], что увеличение величины соотношения хлорофиллов a и b свидетельствует о негативном влиянии внешней среды на ССК хлоропластов хвои. По нашим данным, доля хлорофиллов, локализованных в ССК, в среднем по месяцам

Метеорологические показатели в районе исследования (2016 г.)

Месяц	Среднемесячная температура воздуха, оС	Количество осадков, мм
Апрель	3,8	29,1
Май	11,5	22,2
Июнь	13,8	50,2
Июль	19,2	118,7
Август	16,1	85,1
Сентябрь	9,0	41,1
Октябрь	3,0	21,7
Ноябрь	-7,5	28,6
Декабрь	-7,2	59

(с мая по декабрь) составляет 50–60 % (сосна с «выпуклой» формой апофиза) и 53–65 % (сосна с «плоской» формой апофиза). Эта амплитуда связана с адаптацией фотосинтетического аппарата разных форм сосны к световым условиям в высоких широтах [24, 21].

Учитывая достоверные различия (t > t0,05) относительных величин концентрации хлорофилла a к хлорофиллу b в мае и сентябре, мае и октябре, можно отметить более выраженную адаптивную реакцию у сосны с «выпуклым» типом апофиза, чем у сосны с «плоским» типом апофиза на воздействие стрессовых факторов в условиях постоянного избыточного увлажнения почв. Изменение величины отношения концентрации хлорофиллов a и b к содержанию каротиноидов рассматривается как приспособительная реакция ССК фотосинтетических пигментов на условия среды. У обеих форм сосны четко выражен летний максимум этого показателя в хвое разного возраста с понижением весной, осенью и, особенно перед перезимовкой и зимой (на принятых уровнях значимости t– критерия). Достоверных различий относительных показателей содержания хлорофилла a и b, суммы хлорофиллов и каротиноидов в хвое разного возраста у деревьев обеих форм не выявлено. Можно отметить некоторую тенденцию к уменьшению доли хлорофиллов в ССК в условиях длинного светового дня (середина мая) по сравнению с самым коротким днем (середина декабря) у обеих форм сосны. Кроме того, у сосны с «выпуклой» формой апофиза подобная тенденция наблюдается и в весенний период по сравнению с осенним. Это связано с адаптацией фотосинтетического аппарата деревьев к световым условиям в высоких широтах. Достоверных различий между формами сосны по доле хлоро-

Рис. 4. Сезонная динамика относительных показателей хлорофиллов и каротиноидов (среднее значение с ошибкой) в хвое разного возраста у форм сосны с разным типом апофиза семенных чешуй

филлов в ССК не наблюдается ( t –критерий, р > 0,05). Таким образом, адаптивные реакции деревьев обеих форм сосны на действие факторов внешней среды в условиях постоянного избыточного увлажнения схожи.

Результаты дисперсионного анализа подтверждают достоверность сезонных изменений содержания фотосинтетических пигментов, относительной величины хлорофиллов и каротиноидов в хвое одно-, двух- и трехлетнего возраста ( F = 2,40-63,93; F _0,05 = 2,39 (однофакторный анализ) и F _0,05 = 2,98 (двухфакторный анализ)). В начале роста побегов (в середине мая) установлены достоверные различия одно-, двух- и трехлетней хвои по содержанию фотосинтетических пигментов в выборке деревьев с «плоской» формой апофиза семенных чешуй ( t = 3,03-4,45; t _0,05 = 2,26). Это подтверждается результатами двухфакторного дисперсионного анализа ( F = 5,047,88; F _0,05 = 3,17). В вегетационный и зимний сезоны методом двухфакторного дисперсионного анализа доказано влияние фактора «возраст хвои» на изменчивость содержания каротиноидов. В хвое однолетнего возраста весной существенно меньше концентрация хлорофилла a , суммы хлорофиллов a и b по сравнению с двух-, трехлетней хвоей. В выборке деревьев с «выпуклой» формой в период активного роста побегов (конец июня) и завершения роста (середина июля) в однолетней хвое существенно меньше содержание каротиноидов по сравнению с хвоей старшего возраста ( t = 2,28-3,27; t _0,05 = 2,26). Достоверность различий по содержанию каротиноидов в хвое разного возраста у обеих форм в связи с сезонной изменчивостью подтверждается результатами двухфакторного дисперсионного анализа ( F = 8,10-8,89; p < 0,001), а также общего содержания фотосинтетических пигментов у формы с «выпуклым» типом апофиза ( F = 3,89; p < 0,05).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях постоянного избыточного увлажнения почвы северной тайги индивидуальная изменчивость содержания хлорофиллов a и b и каротиноидов, их относительных величин и ССК в хвое разного возраста чаще соответствует среднему (C.V. = 13-20 %) и повышенному (C.V. = 21-30 %) уровням. В хвое одно-, двух-, трехлетнего возраста в различные календарные периоды коэффициенты вариации показателей пигментного комплекса у форм сосны могут различаться. В период активной вегетации между выборками деревьев сосны с «выпуклой» и «плоской» формой апофиза семенных чешуй могут наблюдаться значительные различия в уровнях индивидуальной вариабельности в содержании хлорофиллов a и b, каротиноидов и их отно- сительных величин в пигментном комплексе. Различия деревьев сосны с «выпуклой» формой апофиза между собой по этим показателям в начале роста имеют более выраженный характер по содержанию в однолетней хвое хлорофилла а и общего содержания фотосинтетических пигментов (C.V. = 19-20 %), чем у сосны с «плоской» формой апофиза (C.V. = 12 %). Это может быть вызвано различиями в широте нормы реакции деревьев этих форм на сезонные изменения факторов внешней среды и фенологических фаз развития. Выявлено общее сходство в характере сезонной динамики концентрации фотосинтетических пигментов хвои одно-, двух-, трехлетнего возраста и разных форм сосны. Адаптивные реакции деревьев разных форм на действие внешних факторов в условиях постоянного избыточного увлажнения почвы схожи. Это указывает на общий характер их пигментообразова-ния. Вместе с тем в начале роста побегов у сосны с «плоской» формой апофиза семенных чешуй в хвое двух-, трехлетнего возраста наблюдается более интенсивное накопление хлорофиллов по сравнению с однолетней хвоей. У сосны с «выпуклой» формой апофиза содержание каротиноидов в однолетней хвое в период роста побегов меньше по сравнению с хвоей старших возрастов. Формирование пигментного фонда связано со сроками прохождения фенологических фаз развития у деревьев разных форм. Можно отметить более выраженную адаптивную реакцию у сосны с «выпуклым» типом апофиза, чем у сосны с «плоским» типом апофиза на воздействие стрессовых факторов в условиях постоянного избыточного увлажнения почв, учитывая существенные различия относительных величин концентрации хлорофилла a к хлорофиллу b в весенний и осенний периоды. Наблюдается тенденция к уменьшению доли хлорофиллов в ССК в условиях длинного светового дня (середина мая) по сравнению с самым коротким днем (в середине декабря) у обеих форм сосны. Это связано с адаптацией фотосинтетического аппарата деревьев к световым условиям в высоких широтах.