Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Исследование эколого-физиологических особенностей большого числа видов флоры Арктики дает возможность рассмотреть структурно-функциональное разнообразие и оценить спектр возможных путей адаптации растений к экстремальным условиям среды. Небольшие размеры локальной флоры Западного Шпицбергена (около 120 видов), составляющих около 70 % флоры высших растений всего Свабарда, создают уникальные условия для этого направления исследования. Азотный обмен привлекает внимание исследователей, как ведущий в процессах развития, роста и адаптации растений Арктики, отличающихся высоким содержанием азота. Это показано О.А. Семихатовой [15] на 22 видах из 14 семейств растениях о-ва Врангель и рядом других исследователей на единичных видах из разных районов Севера [5; 17; 21]. Эта тема становится все более актуальной в связи с потеплением климата [19; 20], которое может активизировать азотный обмен и соответственно повлиять на состояние растительных сообществ. Однако многие составляющие азотного обмена остаются слабо изученными, причем в качестве объектов исследования используется ограниченное число видов, что не позволяет делать более общих заключений.

Цель исследования – определение содержания общего азота у высших споровых и сосудистых растений видов флоры Западного Шпицбергена и выяснение роли ионообменных групп клеточной стенки листа в жизнедеятельности арктических видов.

Материалы и методы исследования

Работа выполнена в зоне арктических тундр на Западном Шпицбергене в 2010–2013 гг. По данным метеорологической обсерватории Баренцбург среднегодовое значение суммарной солнечной радиации составляет 2214 МДж/м2, средняя продолжительность солнечного сияния составляет 886 часов. На широте Баренцбурга с 19 апреля по 24 августа полярный день, с 28 октября до 15 февраля полярная ночь. Среднегодовая температура самого теплого месяца июля – 8 °С. Наиболее холодный месяц – февраль с температурой – 18 °С. В среднем в год выпадает 563 мм осадков, которые в основном приходятся на январь-февраль. Территория находится в зоне вечной мерзлоты, глубина летнего оттаивания 98–190 см в зависимости от характера растительного покрова [8].

Климатические особенности обусловливают короткий вегетационный период (40–70 дней), продолжительность которого определяется временем схода снега в локальных местообитаниях. В естественной флоре архипелага Шпицберген 164 вида сосудистых растений, более 75 % из них встречено в сообществах зоны внутренних фьордов [31] . Выбор объектов исследования определялся их находкой в различных растительных сообществах в плакорной части территории. Географический анализ исследуемых видов проведен по [13]. Содержание общего азота было определено у 62 видов высших сосудистых растений, что составляет около 40 % видов флоры Шпицбергена.

Пробы для анализа отбирали в самый теплый период вегетации (10–25 июля), когда наблюдается цветение большинства видов. Хорошо развитые листья без признаков повреждения отбирали с 5–10 растений в 3–4 кратной биологической повторности. Содержание общего азота определяли по методу Кьельдаля [1], рассчитывали в % абсолютно сухого вещества. Латинские названия сосудистых растений приведены по [30]. Определения видов высших сосудистых растений проведены сотрудником ПАБСИ В.А. Костиной.

Для определение состава и количества ионообменных групп в клеточных стенках листа использовали метод потенциометрического титрования [3], количество групп оценивали по значению сорбционной емкости (S, мкмоль/г сух. массы клет. ст.) [11; 16].

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание общего азота у 62 видов высших сосудистых и высших споровых растений на Западном Шпицбергене варьируется в диапазоне 1,0–4,7 % абс. сух. в. или 10–47 мг/г, среднее содержание общего азота у видов сосудистых растений Западного Шпицбергена составляет 2,4 % абс. сух. в., что сходно со злаковыми сообществами умеренной зоны, но ниже полевых культур и хлебных злаков (табл. 1) и хорошо согласуется с данными, полученными на растениях о. Врангель (Арктика) [15].

Подобное соотношение свидетельствует о том, что содержание азота при продвижении в высокие широты в естественных растительных сообществах увеличивается [32]. Среди исследованных нами видов около 27 % (17 видов) имеют высокое содержание азота (больше 3 % абс. сух. веса), около 43 % (27 видов) имеют средние значения – от 2 до 2,9 % абс. сух. в и 30 % (18 видов) имеют низкие значения – от 1 до 2 % абс. сух. в. В каждой группе видов были проанализированы географические элементы флоры (табл. 2). Этот анализ показал (табл. 2), что в группе с высоким содержанием азота оказался наибольший процент арктических и арктоальпийских видов. В группе со средним содержанием азота наибольшее число видов арктоальпийских и несколько ниже почти арктических и среди растений с низким содержанием азота более высокий процент почти арктических и несколько ниже арктоальпийских видов. Следует отметить один феномен, заключающийся в том, что процент арктоальпийских видов одинаков во всех группах с разным содержанием азота. В целом оказалось, что именно арктические виды (арктические, почти арктические и арктоальпийские) составляют группы видов с высоким и средним содержанием азота.

Таблица 1

Содержание азота в различных типах растительности биомов Земли (по Schulze et al., 2000)

Таблица 2

Число географических элементов флоры (в %) в группах видов с разным содержанием азота

Примечание. А – арктический; ПА – почти арктический, АА – арктоальпийский; АБ – арктобореальный, ГАМ – гипоарктомонтанный; МА – метаарктический; ГА – гипоарктический элемент флоры.

Связи между величинами содержания общего азота и приуроченностью к определенному семейству или географическому элементу показали, что в двух семействах Caryophyllaceae и Poaceae исследованные виды имеют наиболее широкие диапазоны содержания общего азота (1,1–3,4 %) и (1,7–3,3 %) соответственно. В семействе Lycopodiaceae (высшие споровые растения), а также у высших сосудистых в семействах Ericaceae, Empetraceae, Juncaceae отмечены виды только с низкими значениями содержания азота; в семействах Betulaceae, Rosaceae, Polemoniaceae отмечены виды только со средними значениями содержания азота и в семействах Papaveraceae, Boraginaceae, Scrophulariaceae, где представительность составляет по одному виду – с высоким содержанием азота. Это показало определенную связь содержания азота и семейственную принадлежность вида: в более древних семействах превалируют виды с низкими и средними значениями, а в более продвинутых – с более высоким содержанием азота. В группу видов с максимальными значениями содержания азота вошли арктический вид Pedicularis dasyantha (4,6 %) (сем. Scrofulaceae) и арктоальпийский вид Oxyria digyna (4,7 %) (сем. Polygonaceae), и более близкие к ним по содержанию азота оказались арктобореальный вид Mertensia maritime (3,9 %) (сем. Boraginaceae) и два арктических вида Ranunculis sulfureus (3,7 %) (сем. Ranunculaceae) и Cochlearia groenlandica (3.7 %) (сем. Brassicaceae). Кроме того, в этой группе оказались виды из разных семейств и характеризующиеся разным широтным и долготным распространением: Equisetum arvense, Salix reticulata, Bistorta vivipara, Honсkenya peploides, Papaver dahlianum, Braya purpurescens, Arnica angustifolia, Eriophorum scheuchzeri, Carex subspataceae, C.lachenalii, Puccinellia capillaris. В группу со средним содержанием азота (2–2,9 %) вошли кустарнички и травянистые многолетники из разных семейств, и также виды, имеющие разные долготные и широтные ареалы (Salix polaris, Betula nana, Dryas octopetala, Potentilla hyparctica, Polemonium boreale, Cerastium arcticum, C.alpinum, C.regelii, Ranunculus pigmeae, Cardamine nymanii, Draba alpine, Saxifraga rivularis, S.hirculus, S.nivalis, S.foliolosa, S.hieracifolia, Taraxacum arcticum, Erigeron humilis, Petasites frigidus, Carex ursinа, C.glareosa, Poa arctica, P.alpina, Puccinellia phryganodes, Deschampsia alpina, Alopecurus borealis). В группу видов с самыми низкими значениями содержания азота вошли: вечнозеленое растение из группы почти арктических видов – Hupersia arctica (1 %) (сем. Lycopodiaceae) ; три вида исследованных кустарничков – почти арктический вид Harrimanella hypnoides (1,2 %), мегаарктический вид Cassiope tetragona (1,2 %) (сем. Ericaceae) и гипоарктический вид Empetrum hermaphroditum (1,1 %) (сем. Empetraceae); два подушковидных растения – арктоальпийский вид Silena acaulis (1,2 %) и почти арктический вид Arenaria pseudogrigida (1,1 %) (сем. Caryophyllaceae). Все эти виды из примитивных менее продвинутых семейств. Благодаря большому числу исследованных видов флоры Западного Шпицберегена удалось выявить некоторые связи между видами с разным содержанием азота и их приуроченностью к определенному семейству, жизненной форме, географическому элементу, что ранее не было показано на исследованных видах о. Врангель [15]. Отмечена тенденция, что большинство видов из примитивных древних семейств, которые занимают ведущее положение в арктических сообществах и характеризуются активным морфогенезом, более высокой пластичностью и широким спектром адаптаций, имеют низкое или среднее значение содержания азота.

Из литературы известно, что имеется связь содержания азота и интенсивностью дыхания, причем она сильнее выражена у арктоальпийских растений, чем у бореальных [24;33;14]. Эту связь можно рассматривать для такого показателя как содержание азота в качестве функциональной характеристики. Анализ отдельных органов у травянистых растений показал, что у Oxyria digyna содержание азота в листьях составило 47 % абс. сух. в., соцветия – 31 % абс. сух. в., а семян – 26 % абс. сух. в.; у Cochlearia groenlandica в листьях – 37 % абс. сух. в., в побегах – 24 % абс. сух. в., соцветия с зелеными семенами – 29 % абс. сух. в. Содержание азота во всех органах оказалось очень высоким. Исследование у кустарничков показало, что в растениях Betula nana содержание азота в листьях – 30 % абс. сух. в., а в стеблях – 11 % абс. сух. в.; у Salix polaris содержание азота в листьях – 26 % абс. сух. в., в побегах – 26 % абс. сух. в., корнях – 11 % абс. сух. в. Таким образом, наибольшее содержание азота отмечается в листовом аппарате растений, что может свидетельствовать об активном транспорте поглощенного азота в наземные органы и листа как основной метаболической системы азотного обмена у арктического растения. В качестве основной транспортной системы может рассматриваться только система апопласта, активность которой, по-видимому, не зависит от величины температуры в более широком, по сравнению симпластическим путем, диапазоне температур [4]. Этот анализ показал, что содержание азота зависит от органа растения, от его состояния и более высокие значения содержания азота были получены в ассимилирующих наземных органах и в более функционально активных – зеленых листьях. В целом, снижение содержания общего азота в побегах и корнях может достигать по сравнению с листьями до 30–60 %, причем сильнее это выражено в кустарничках, чем в травянистых многолетниках.

Часть растений Шпицбергена в разные периоды вегетации могут изменять зеленую окраску на красную, что часто связано с резким понижением суточных температур и приводит к снижению содержания хлорофиллов [23] и общего азота. Так у Saxifraga cespitosa в зеленых листьях содержание общего азота выше (1,6 % абс. сух. в.), чем в красных (1,1 % абс. сух. в. ); а у S. oppositifolia зеленые и красные листья содержат почти одинаковое количество азота, соответственно: 1,6 % абс. сух. в., и 1,5 % абс. сух. в. азота; у Oxyria digyna содержание азота в зеленых листьях – 4,7 % абс. сух. в. а в красных оно снижается до 2,7 % абс. сух. в. Изменение окраски листьев в условиях Арктики связывают с синтезом защитных веществ, среди которых ведущая роль отводится флавоноидам, которые и выявляются в условиях стресса [34]. В литературе есть предположение, что синтез этих веществ у растений Арктики конститутивный [30], но при снижении содержания зеленых пигментов они становятся видны визуально. Снижение содержания хлорофиллов и азота, увеличение содержания группы фенольных соединений может свидетельствовать об их функциональных связях в функции защиты, что требует самостоятельного исследования.

Сравнение общих исследованных видов Западного Шпицбергена и Кольского полуострова (Дальние Зеленцы) показали либо сходное (Puccinellia capillaris, P. phryganodes), либо более высокое значение содержания общего азота у растений Шпицбергена (Equisetum arvense, Stellaria humifusa, Honkenya peploides, Cochlearia groenlandica, Mertensia maritima, Carex subspathacea) [22]. Сопоставление общих видов (Oxyria digyna, Bistorta vivipara, Polemonium boreale, Ranunculus sulphureus, Saxifraga hirculus) для Западного Шпицбергена и о. Врангеля [15] показало, что у более северных растений (Шпицберген) содержание азота выше.

Высокое содержание азота и небольшая биомасса северных растений; отсутствие связи между содержанием азота (белка) и интенсивностью дыхания [15; 25; 29] ставит вопрос о путях поступления азота в организм и его участия в жизни растений в условиях Арктики. Большая часть наших исследований проведена на растениях, произрастающих в пределах плакорной части долины, почвы которой сформировались на суглинистых породах с богатым минералогическим и химическим составом [12]. По данным почвенного анализа оказалось, что содержание гумуса в дерновом горизонте достигает 3–11 %, с глубиной уменьшается, но в самом нижнем слое, в почвообразующей породе (на глубине 30–40 см), за счет стока, содержится 3–3,7 % гумуса [12]. Полученные результаты показали, что все растения Западного Шпицбергена имеют высокие значения содержания общего азота, что связано, прежде всего, с произрастанием этих видов в основном в пределах дернового горизонта. В работе Семихатовой О.А. с соавторами [15] на растениях о. Врангель было показано, что растения Севера имеют высокие скорости поглощения азота в условиях Арктики. Этот же феномен подтверждает и Ingestad T., который считает, что только в природе биологическое производство азота посредством деятельности микроорганизмов более значимо согласовано с потребностями растений, что и позволяет растениям накапливать азот даже на бедных этим элементом почвах [7]. Растения в Арктике поглощает азот в разных формах: в виде аммиачного и нитратного ионов, а так же и органический азот, поступающий в результате рециклизации, что связано с процессом локального почвообразования [2]. Интенсивность этого процесса в длительной годичной динамике в большей степени определяется отмершей, но медленно разлагающейся массой растительного организма, количество которой по нашим данным (Saxifraga cespitosa, Bistorta vivipara, Minuartia biflora и др.) в каждый последующий период вегетации увеличивается и к весне может составлять от 50 % до 70 % живой массы организма. Этот пул органического азота и может быть существенным источником азота для роста и развития растительного организма. Высокое содержание азота в растениях Арктики свидетельствует о том, что в природе поступление и усвоение питательных веществ тесно сопряжены. В работе Семихатовой О.А., выполненной на растениях о. Врангель, был сделан вывод, что повышенное содержание белка в листьях растений Севера не является фактором, определяющим интенсивность дыхания отдельных видов. Однако повышение интенсивности дыхания и содержание азота в клетках имеют общую причину – необходимость увеличения энергетических затрат на поддержание структуры и метаболизма в условиях холода [15]. Полученные нами данные также поддерживают высказанную этими авторами гипотезу. Увеличение содержания азота обеспечивает как конститутивные, так и индуцибельные составляющие процесса адаптации [9], к суровым условиям Арктики, которые включают синтез специфических белков, синтез гетерогенных нуклеаторов, полиаминов и другие синтетические реакции, в которых принимают большое участие азотные соединения, ферментативные и белковые перестройки [27; 26]. Часть этих синтезов связана со структурными перестройками, а часть с метаболическими составляющими, которые позволяют функционально подстраивать растение к постоянно изменяющимся климатическим условиям в условиях высоких широт. Кроме того, в листьях арктических растений концентрация митохондрий в клетках выше, чем у тех же видов или близких видов из умеренных или тропических широт [28]. Однако, как показали наши исследования, высокое содержание азота у 70 % изученных видов и высокая интенсивность дыхания, которые отмечаются в литературе [15] не дают преимущества этим видам в накоплении биомассы, что связано с другими более важными энергетическими и метаболическими затратами.

Таблица 3

Содержание ионообменных групп в клеточной стенке листа растений Арктики

Примечания. *карбоксильные группы полигалактуроновой кислоты;

**карбоксильные группы гидроксикоричных кислот.

Так, северные растения имеют в качестве основной транспортной системы апопласт – систему клеточных стенок [4]. Проведенные нами исследования состава и количества ионогенных групп в клеточных стенках листьев на 4 арктических видах (Betula nana, Dryas octopetala, Salix polaris, Cassiopa tetragona) [18] показало, что эти виды имеют сходные типы ионообменных групп (аминогруппы, карбоксильные и фенольные ОН-группы) с растениями тундровой зоны, но их особенностью является увеличение в 2–3 раза количества ионообменных групп каждого типа. Что касается белковой составляющей, то она в клеточной стенке представлена аминогруппами. Сравнение видов показало, что наибольшее количество аминогрупп (до 1200 мкмоль на г сух.массы клет.ст.) отмечено у Betula nana – спорадически встречающегося вида Западного Шпицбергена, для остальных видов этот показатель значительно ниже и для Cassiopa tetragona – широко распространенного вида на кальценосных почвах, он составляет 400 мкмоль на г сух.массы  клет. ст. Эти данные хорошо согласуются и с результатами определения общего азота (с высоким содержанием у Betula nana (2,9 % абс. сух. в.) и минимальным (1,2 % абс. сух. в.) у Cassiopa tetragona). Инообменные аминогруппы водят в состав структурных белков и ферментов клеточной стенки, содержание которых может достигать 15 % от массы клеток [6], а в случае с арктическими растениями может иметь и больший процент. Анализ соотношений всех типов групп в клеточной стенке листа показал, что у всех видов наибольший процент приходится на карбоксильные группы гироксикоричных кислот (от 28 % у Cassiopa tetragonа до 54 % у Salix polaris ) и фенольные ОН – группы (от 18 % у Salix polaris до 35 % у Dryas octopetala), которые в основном входят в состав соединений фенольной природы. Эта группа вторичных метаболитов, содержание которых так же выше в 5–7 раз у растений Шпицбергена [10], по сравнению с растениями более низких широт, выполняют защитную и метаболическую функции. Полученные в настоящей работе данные, а также данные литературы свидетельствуют о том, что растения Арктики имеют высокую физиологическую активность, которая поддерживается специальной защитной системой не только внутри клеток, но и в межклеточном пространстве – апопласте, обеспечивая активное функционирование основных метаболических и энергетических систем растительной клетки. Таким образом, высокий уровень азотных и фенольных соединений, на поглощение и синтез которых тратится основная часть энергии, образующейся в результате дыхания, поддерживает структурную и метаболическую составляющие жизнедеятельности арктических растений. Большое количество ионообменных групп в клеточной стенке листа арктических растений свидетельствует о высокой сорбционной емкости системы апопласта, поддержание которой также предполагает большие энергетические затраты, что связано с ее существенным вкладом в адаптацию растений к суровым условиям Арктики.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Минобрнауки России (проект № 6.724.2014/к).

Чернобровкина Н.П., д.б.н., доцент, ведущий научный сотрудник Лаборатории лесных биотехнологий Института леса Кар НЦ РАН, ФГБУН «Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук», г. Петрозаводск;

Сазонова Т.А., д.б.н., доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии и цитологии древесных растений Института леса КарНЦ РАН, ФГБУН «Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук», г. Петрозаводск.

Работа поступила в редакцию 05.12.2014.