Особенности биохимической адаптации сосудистых растений верховых болот в условиях Среднего Приобья

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 ºС, почвы на глубине 30 см — 12—14 ºС; 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 uliginоsum L.), береза карликовая ( Betula nana L.), пушица влагалищная ( Eriophorum vaginatum L.), осока шаровидная ( Сarex globularis L.), осока пузырчатая ( Сarex 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 ºС и досушивали при 75 ºС 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:

Х = 0,28∙V∙(Y1T1 – Y2T2)/(A∙P), где Х — 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 Н 2 SO 4 и 4% NaOH , на приборе КФК-2 (Россия) [13].

Растворимые сахара экстрагировали из растительного материала 80% этанолом двукратно при 40 ºС. После центрифугирования раствор использовали для определения суммы растворимых сахаров (фруктозы, сахарозы и глюкозы), остаток подвергали кислотному гидролизу (3% соляной кислотой) для отделения неструктурных полисахаридов. Количественное 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 ºС 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 ºС, досушивали до воздушно-сухого состояния (температура 75 ºС) и измельчали. Сухие, измельченные образцы отбирали методом средней пробы до веса 0,01 г, и сжигали в муфельной печи при температуре 400—500 ºС 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 × 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 ºС и улавливанием продуктов их сгорания, в которых измеряли выделившийся СО 2 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 NO 3^- (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 NO 3^- 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).

—♦— общий азот —■— органический азот —нитратный азот

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 ▲ растворимые сахара

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			Т.уз.			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 (Fe ³⁺ ); 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/N	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
Mn — 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
Fe — 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
Pb — свинец, мг/кг	11,14±2,37	12±2	14,71±1,68	12,36±2,68	14±1,63	11,89±2,13
Ni — никель, мг/кг	27,24±1,79	27±2,16	24,14±3,44	25,36±3,15	24±3,56	27±1,41
Zn — 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
Cr — 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.