Влияние условий северной тайги на содержание свободных аминокислот группы глутаминовой кислоты в тканях корней сосны обыкновенной и лиственницы сибирской

Основные лесообразующие виды хвойных на территории Средней Сибири – лиственница сибирская и сосна обыкновенная – имеют протяженные в меридиональном направлении ареалы и характеризуются снижением продуктивности и низкой интенсивностью формирования древесины по мере приближения к северным широтам. При круглосуточном освещении в период вегетации в подзоне северной тайги создаются благоприятные условия для фотосинтеза, и дефицит фотоассимилятов углеводной природы не может выступать в качестве фактора, лимитирующего продуктивность, тем не менее в этой зоне доминируют низкобони-тетные насаждения обоих этих видов. Один из наиболее существенных лимитирующих рост факторов на севере – низкая температура почвы, часто сопровождаемая корневой гипоксией.

Как было нами показано ранее, стрессовые воздействия существенно влияют на морфологические характеристики деревьев, изменяя размеры побегов, хвои, ширину годичного кольца древесины и размеры составляющих его элементов [1]. Морфологические изменения сопровождаются формированием стрессового метаболизма, обнаруживаемого по изменению концентраций обычных или появлению новых метаболитов. К стрессовым метаболитам наряду с низкомолекулярными углеводами и полиаминами относятся свободные аминокислоты, активно участвующие в метаболизме азота [2]. Важную роль играют производные глутаминовой кислоты, включающие протеиногенные (использующиеся в синтезе белка) и непротеиногенные (выполняющие резервные, сигнальные и др. функции). К протеиногенным относятся глутаминовая кислота, глутамин, пролин, оксипролин, аргинин, к непротеиногенным – γ-аминомасляная кислота, орнитин и цитруллин. Накопление отдельных аминокислот в тканях растений в ответ на неблагоприятные условия среды поставило вопрос о возможности использования этих соединений для биохимической индикации состояния растений [3].

Цель работы . Выявление адаптивных изменений состава свободных аминокислот, входящих в группу глутаминовой кислоты в тканях корней сосны обыкновенной (вечнозеленого вида) и лиственницы сибирской (листопадного вида) в условиях холодных почв северной тайги.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования были деревья сосны обыкновенной (Pi-nus sylvestris L.) и лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) в возрасте 27-40 лет из разных частей ареала вдоль р. Енисей. Подзона северной тайги представлена насаждениями в районе пос. Туруханск (65 ° с.ш.), на южной границе таежной зоны объектами исследования были молодняки вблизи г. Красноярска (56 ° с.ш.). В начале вегетации в период интенсивной камбиальной деятельности и в конце вегетационного периода после окончания сезона активного роста с 10 деревьев отбирали образцы наружного (луб I) и внутреннего слоя вторичного луба (луб II) и камбиальную зону скелетных корней. Наружный слой вторичного луба сосны представляет собой зону, насыщенную паренхимными элементами и смоловместилищами, внутренний – проводящую часть. Камбиальная зона – это слой клеток, включающий как камбиальные инициали, так и растягивающиеся клетки вторичной ксилемы. Растительный материал фиксировали 80 %-м этанолом. В образцах проводили определение содержания свободных аминокислот на аминокислотном анализаторе ААА-339.

Результаты и обсуждение. В северных насаждениях по сравнению с южными отмечены сниженные ростовые параметры деревьев обоих видов – прирост в высоту и по диаметру меньше примерно вдвое как у сосны, так и у лиственницы (табл. 1).

Таблица 1 Морфометрические характеристики деревьев сосны обыкновенной и лиственницы сибирской в разных таёжных подзонах

Параметр	Сосна обыкновенная		Лиственница сибирская
	Южная тайга	Северная тайга	Северная тайга	Южная тайга
Возраст, лет	27	40	42	27
Высота, м	12,1±0,5	9,1±0,2	8,6±1,7	12,1±1,4
Диаметр корневой шейки, см	15,7±0,7	13,0±0,2	13,9±0,7	15,5±1,8
Прирост в высоту, см	44,8±1,9	22,8±0,5	20,5±4,0	44,9±5,2
Прирост по диаметру, мм	5,2±0,3	2,9±0,5	2,7±0,2	5,1±0,7

Холодные почвы северных местообитаний, отодвигая начало периода активного роста, неминуемо оказывают влияние и на метаболические процессы, особенно в подземной части растений. Содержание и состав одной из основных групп азотсодержащих соединений – свободных аминокислот группы глутаминовой кислоты в тканях корней – являются важной характеристикой уровня и направленности метаболизма в целом.

Доля глутаминового семейства (глутаминовая кислота, глутамин, ГАМК, пролин, оксипролин, аргинин, орнитин, цитруллин) в общем пуле свободных аминокислот составляет у сосны 62–81%, у лиственницы 45– 78%, при этом в северных местообитаниях этот показатель, как правило, ниже как весной, так и осенью во всех тканях корней обоих исследованных видов (рис.). Исключением являются ткани запасающего луба у сосны, где в оба срока отмечено его превышение. В корнях сосны из северной и южной тайги различия в доле аминокислот глутаминовой группы не превышают 13%, а у лиственницы доходят до 33%.

Доля аминокислот группы глутаминовой кислоты в общем пуле свободных аминокислот в тканях корней сосны обыкновенной (А) и лиственницы сибирской (Б) из разных таёжных зон, %

Состав свободных аминокислот в тканях корней внутри глутаминовой группы довольно существенно зависит от вида, типа ткани, периода вегетации.

У сосны ГАМК является основной аминокислотой в группе в камбии, где ее доля составляет 76–92%, в лубе она сильно варьирует от 6 до 79%, причем наименьшие значения наблюдаются в северотаежной подзоне осенью, наибольшие – в южной весной (табл. 2).

Доля пролина – низкая в камбии (1,4–3,3%), более заметная в запасающем лубе (21–36%), в проводящем четкое различие по сезону – низкое содержание весной (2–5%) и гораздо более существенное к осени (27–54%). Оксипролин обнаруживается только в лубе осенью у сосны обоих местообитаний, при этом совместная доля пролина и оксипролина в группе глутаминовой кислоты достигает внушительных значений в тканях луба – почти 70% в запасающем и 63% в проводящем.

Глутаминовая кислота имеет в тканях луба северной сосны повышенную долю по сравнению с деревьями из южной тайги, в прикамбиальной зоне различия носят скорее сезонный характер – наблюдается снижение доли с весны до осени. Содержание глутамина во всех вариантах не превышает 3%, цитруллина – 3.6%, доля орнитина еще ниже – максимально 2.1%.

Таблица 2

Состав свободных аминокислот в глутаминовой группе в тканях корней сосны обыкновенной из разных таёжных зон, %

Местообитание, ткань	Северная тайга			Южная тайга
	Камбий	Луб II	Луб I	Камбий	Луб II	Луб I
Аминокислота	Начало вегетации
Глутаминовая кислота	2,4	46,6	44,4	3,7	8,3	22,7
Глутамин	1,1	2,7	2,1	0,2	0,5	2,3
Пролин	1,4	1,8	35,8	1,7	5,1	20,9
Цитруллин	1,1	0,6	1,4	0,2	0,7	1,6
γ-аминомасляная кислота	91,6	47,4	15,8	92,4	79,3	50,3
Орнитин	0,5	0,3	0,2	0,9	0,8	0,7
Аргинин	1,9	0,5	0,4	1,0	5,4	1,6
Оксипролин	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
	Конец вегетации
Глутаминовая кислота	17,3	49,3	47,4	8,1	22,6	9,2
Глутамин	1,9	1,7	1,0	1,6	1,4	1,6
Пролин	2,6	27,8	28,0	3,3	54,6	35,1
Цитруллин	0,0	3,6	2,5	0,0	1,4	0,0
γ-аминомасляная кислота	75,9	6,8	6,4	83,2	10,7	17,6
Орнитин	0,7	0,5	0,5	1,5	1,0	2,1
Аргинин	1,7	0,2	0,0	2,4	0,0	0,0
Оксипролин	0,0	10,1	14,1	0,0	8,3	34,4

Доля аргинина осенью во всех тканях корня не более 2,4%, причем в лубе обнаруживаются лишь следовые количества, весной только в проводящем лубе содержание этой аминокислоты достигает 5,4%, в остальных вариантах не превышая 2%.

Доля протеиногенных в камбии корней меньше четверти от всей глутаминовой группы, весной – меньше 7%, т.е. подавляющее большинство представлено непротеиногенными аминокислотами. В тканях луба корней доля непротеиногенных аминокислот колеблется от 9 до 19% в весенний период и от 17 до 80% осенью, причем наблюдается тенденция к пониженному их содержанию у деревьев из северных насаждений.

У лиственницы сибирской свои особенности – не наблюдается тотального преобладания какой-либо аминокислоты в составе аминокислот глутаминовой группы. Если у сосны содержание ГАМК может превышать 90%-й уровень, то у лиственницы максимальная доля – 65% (табл. 3).

Таблица 3

Состав свободных аминокислот в глутаминовой группе в тканях корней лиственницы сибирской из разных таёжных зон, %

Местообитание, ткань	Северная тайга			Южная тайга
	Камбий	Луб II	Луб I	Камбий	Луб II	Луб I
Аминокислота	Начало вегетации
Глутаминовая кислота	8,7	13,7	32,3	23,6	30,9	18,9
Глутамин	3,2	2,1	4,6	1,0	0,0	2,6
Пролин	11,9	14,2	17,9	4,0	1,9	4,6
Цитруллин	16,3	9,3	6,6	7,6	3,3	12,1
γ-аминомасляная кислота	13,3	32,0	28,9	48,2	35,4	46,0
Орнитин	3,0	0,5	2,4	1,1	0,5	1,8
Аргинин	21,9	24,1	7,3	7,5	28,0	13,9
Оксипролин	22,0	4,2	0,0	7,2	0,0	0,0
	Конец вегетации
Глутаминовая кислота	14,4	37,9	59,9	9,7	50,0	42,3
Глутамин	1,2	2,0	2,6	0,5	1,6	2,3
Пролин	4,2	5,1	4,8	4,2	1,6	3,9
Цитруллин	5,1	9,4	5,6	2,4	4,2	11,8
γ-аминомасляная кислота	65,7	41,1	24,6	59,8	23,7	26,2
Орнитин	0,4	0,8	0,3	0,5	0,3	0,5
Аргинин	4,6	3,6	2,1	22,7	18,5	13,0
Оксипролин	4,5	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0

У ГАМК отмечена наибольшая доля весной в камбии – 60–66%, в тканях луба она варьирует от 23 до 46%.

Пролин составляет максимальную часть в составе глутаминовой группы в тканях корней северной сосны в начале вегетации (12–18%), в остальных вариантах его доля значительно ниже – не более 5,1%. Оксипролин обнаруживается только в прикамбиальной зоне и в проводящем лубе в весеннее время у северной лиственницы. Совместная доля пролина и оксипролина в этот период у деревьев северного местообитания достигает 33% в тканях камбия и 18% в тканях луба.

Глутаминовая кислота осенью слабо представлена в составе своей группы в тканях камбия (9–14%) и более значимо в тканях луба (38–60%), весной ее доля в тканях корней лиственницы из южной тайги близка по значениям (19–31%), у северных деревьев разброс значений больше – от 8,7 до 32 %. Наибольшая доля глутамина обнаруживается в тканях корней лиственницы северного местообитания (2,1–4,6%), у остальных вариантов 2,6% – максимальное значение.

Доля орнитина осенью минимальна – 0,3–0,8%, весной достигая 3% у северной и 1,8% у южной лиственницы. Доля цитруллина значительно выше по сравнению с сосной, максимум 16,3% (при диапазоне варьирования 2,4–16,3%) против 3,6% (в диапазоне 0–3,6%), отмеченных у сосны.

Содержание аргинина в глутаминовой группе минимально осенью (2,1–4,6%), в остальных вариантах его доля варьирует от 7 до 28%, у сосны при этом только в одном варианте зафиксирована доля в 5,4%, в остальных ее значения не превышают 2,4%.

В отличие от сосны, доля непротеиногенных аминокислот в группе глутаминовой кислоты ниже и достигает максимального значения также в камбиальной зоне корней, но варьирует в этой ткани лишь от 32 до 71%. При этом в тканях луба корней колебания этого показателя значительно меньше по сравнению с сосной (28-60%) и не достигают минимальных значений, отмеченных для сосны.

В целом для обоих видов – и вечнозеленой сосны, и листопадной лиственницы – отмечено в большинстве случаев пониженное содержание свободных аминокислот глутаминовой группы в тканях корней у деревьев северных местообитаний, это может свидетельствовать о включении других метаболических путей переноса и депонирования аминогрупп в условиях пониженных температур. Содержание непротеиногенных аминокислот в пуле свободных аминокислот глутаминовой группы носит ярко выраженный видо- и тканеспецифичный характер и сильно зависит от периода вегетации, что не противоречит предполагаемой функции непротеиногенных аминокислот как стрессовых метаболитов и депонентов освобождающихся в процессе метаболизма аминогрупп [4].