Ботанический журнал, 2021, T. 106, № 11, стр. 1072-1084

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в течение вегетации 2018 г. (29 мая, 18 июля, 11 октября) в подзоне средней тайги Республики Коми. Климат в районе исследований умеренно-континентальный, безморозный период по среднемноголетним данным длится 180–190 дней, из них 140–150 дней характеризуются средней суточной температурой воздуха выше 5°С (период вегетации), переход температуры воздуха через 5°С весной отмечается в первой декаде мая, осенью – после 21 сентября (Atlas, 1997). В год исследований весна была затяжная, а лето – позднее, с жаркой погодой в третьей декаде июня и июле, умеренно-теплой в августе. Поздние весенние заморозки были отмечены 2 июня (–0.5°С), ранние осенние – 21 сентября (–0.5°С).

Объектами были 10–12-летние деревья Pinus sylvestris L. высотой 110–130 см, произрастающие на 10-летней вырубке сосняка черничного влажного после сплошнолесосечной рубки древостоя (61°35' с.ш., 51°02' в.д.) (Osipov, 2019). Для изучения морфологических параметров хвои в июле 2018 г. также срезали побеги с 75–95-летних деревьев P. sylvestris, произрастающих в сосняке черничном влажном (62°16' с.ш., 50°41' в.д.) на территории Ляльского лесобиологического стационара. Для исследований ультраструктуры клеток мезофилла отбирали образцы однолетней хвои с пяти, а для изучения динамики пигментов – с десяти растущих на вырубке деревьев сосны в течение вегетации. Такая биологическая повторность считается достаточной для достоверной характеристики биохимического состава хвои (Helmisaari, 1992). Побеги срезали с середины кроны с южной стороны дерева. Для электронно-микроскопических исследований фрагменты из средней трети хвои фиксировали в течение 4.5 ч в 2.5%-ном глутаральдегиде, приготовленном на фосфатном буфере с рН 7.4. Постфиксацию проводили в 1%-ном водном растворе OsO₄ в течение 4 ч. После дегидратации в сериях растворов этилового спирта и ацетона образцы заключали в смолу Эпон-812 (FLUKA). Ультратонкие срезы были получены на ультрамикротоме PowerTome PC (Boeckeler Instruments, США). Наблюдения и съемку проводили на трансмиссионном электронном микроскопе Tesla BS 500 (Tesla, Чехословакия). Временные препараты продольных и поперечных срезов хвои для анатомических исследований просматривали под микроскопом Axiovert 200 M (Carl Zeiss, Германия). Фотосъемку объектов выполняли цифровой камерой AxioCam ERc 5s (Carl Zeiss, Германия), морфометрические измерения – при помощи программы ZEN 2011 (Carl Zeiss, Германия).

Количественный анализ фотосинтетических пигментов проводили спектрофотометрически на приборе UV-1800 (Shimadzu, Япония) в ацетоновой вытяжке по оптической плотности при длинах волн 662 и 644 нм (хлорофиллы) и 470 нм (каротиноиды) с поправками в максимумах поглощения (Maslova et al., 1986). Содержание хлорофилла в светособирающем комплексе (ССК) оценивали по соотношению хлорофиллов а и b (Lichtethaler, 1987).

Измерения СО₂-газообмена хвои проводили на интактных побегах сосны в июле. Фотосинтетическую способность оценивали по поглощению СО₂, измеренной инфракрасным (ИК) газоанализатором Li COR-6400 (Li COR, США) при  максимальной интенсивности радиации 1800 мкмоль/м² с ФАР, температуре 20°С и влажности 70%. Темновое дыхание измеряли по выделению СО₂ ИК-газоанализатором в темноте при 20°С, влажности воздуха 70%, естественной концентрации СО₂ в воздухе. Объект экспонировали в контролируемой камере 6400–22L (Li COR, США) до установления постоянной скорости СО₂-газообмена. Продолжительность экспозиции объекта составляла 10–15 мин. При расчете интенсивности газообмена на единицу площади хвои использовали метод, предложенный Ю.Л. Цельникер (Tselniker, 1982).

Статистическую обработку полученных данных проводили на персональном компьютере с использованием программ “Excel” и “Statistica”. Значимость отличий исследуемых показателей проверяли с помощью критерия Стьюдента. В таблицах даны среднеарифметические значения и их стандартные ошибки. Для структурных параметров клеток и органелл n ≥ 25, для физиолого-биохимических n = 3–6.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфология и анатомия хвои. В год исследований длина однолетней хвои молодых сосен, произрастающих на вырубке сосняка черничного влажного, в среднем составляла 42.2 ± 1.9 мм, а площадь поперечного сечения – 0.85 ± 0.01 мм². В литературе имеются сведения (Apple et al., 2002), что морфологические и анатомические признаки хвои молодых деревьев могут отличаться от старовозрастных. Так показано, что в условиях гор (368–500 м над у.м.) хвоя 450-летних деревьев Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco была несколько короче, но с большей площадью поперечного сечения, чем хвоя с молодых 10–40-летних деревьев, посаженных на месте рубок. В хвое с возрастом дерева увеличивался парциальный объем нефотосинтетических (центральный цилиндр, эпидерма+гиподерма, астросклереиды) и уменьшался парциальный объем ассимилирующих тканей (мезофилл) и объем смоляных ходов (Apple et al., 2002). Согласно нашим данным в год исследований длина однолетней хвои сосны на вырубке на 15% (p <0.05) уступала по своей длине хвое с 75–95-летних деревьев, произрастающих в сосняке черничном влажном. Площадь поперечного сечения хвои и доля фотосинтезирующих клеток на срезе не отличались от зрелых деревьев в древостое. В листовом аппарате молодых деревьев закладывается 3–8 смоляных ходов со средним диаметром 74 ± 3 мкм, а у 75–95-летних деревьев – 8–14 со средним диаметром 60 ± 2 мкм. Смоляные ходы, окруженные клетками обкладки, в хвое зрелых деревьев занимали на 30% больше объема, чем у молодых.

В поперечном сечении хвоя P. sylvestris – полукруг или полуовал (рис. 1, 1). В однолетней хвое 10–12-летних деревьев парциальный объем эпидермы и гиподермы в сумме составляет около 16%, мезофилла и эндодермы – чуть более 50%, смоляных ходов с клетками обкладки – 7.6%, центрального цилиндра (в том числе два проводящих пучка, межпучковая склеренхима и трансфузионная ткань) – 24%. На поперечном срезе мезофилл складчатый, межклетники слабо выражены (рис. 1, 2). На продольном срезе клетки между гиподермой и эндодермой расположены “цепочками” (рис. 1, 3, 4), межклеточное пространство занимает в ассимилирующей паренхиме около 20%.

Рис. 1.

Однолетняя хвоя подроста Pinus sylvestris на поперечном (1, 2) и продольном (3 – май; 4 – июль) срезах. En – эндодерма, Ep – эпидерма, Hp – гиподерма, IS – межклетник, Ms – мезофилл, N – ядро, Ph – флоэма, RC – смоляной ход, Sc – склеренхима, St – устьице, T – танин, Xl – ксилема, * – хлоропласт с крахмалом. Масштабные линейки, мкм: 1 – 100; 2 – 50; 3 – 20; 4 – 20.

Fig. 1. One-year-old needles of young Pinus sylvestris on transverse (1, 2) and longitudinal (3 – May; 4 – July) sections. En – endoderm, Ep – epidermis, Hp – hypodermis, IS – intercellular space, Ms – mesophyll, N – nucleus, Ph – phloem, RC – resin canal, Sc – sclerenchyma, St – stoma, T – tannin, Xl – xylem, * – chloroplast with starch. Scale bars, μm: 1 – 100; 2 – 50; 3 – 20; 4 – 20.

Ультраструктура клеток мезофилла. Тонкая структура клеток мезофилла однолетней хвои в третьей декаде мая свидетельствовала о ее высокой функциональной активности. В эти сроки было отмечено максимальное за весь период наблюдения число органелл на продольных срезах клеток мезофилла (табл. 1). Хлоропласты располагались преимущественно вдоль клеточной стенки (рис. 1, 3, рис. 2, 1). Содержание крахмала в хлоропластах было максимальным за весь период наблюдений (табл. 1), поэтому большинство пластид было неправильной формы (рис. 2, 2). В хлоропластах также просматривались крупные и мелкие пластоглобулы средней электронной плотности (рис. 2, 3). Система фотосинтетических мембран была хорошо развита, однако еще встречались сдвоенные тилакоиды (16% от общего количества гран), наличие которых в сформированной хвое характерно, в том числе, для зимней организации ассимиляционного аппарата (Ladanova, Tuzhilkina, 1992; Koteyeva, 2002; Zagirova, 2003a). Профили митохондрий в этот период были от округлых до сильно вытянутых, заполнены кристами. На срезах ассимилирующих клеток было отмечено до 6 профилей аппарата Гольджи. В цитоплазме клеток мезофилла хвойных встречаются липидные глобулы, число и размер которых варьируют, в том числе, в зависимости от сезона (Ladanova, Tuzhilkina, 1992; Koteyeva, 2002; Zagirova, 2003a; Kivimäenpää et al., 2014). В начале периода вегетации в клетках мезофилла подроста сосны липидсодержащие включения выявлялись не в каждой клетке (табл. 1): электронно-плотные липидные глобулы небольших размеров до 0.7 мкм² – очень редко, вдоль клеточной стенки; менее электронно-плотные запасающие глобулы со средней площадью 10.7 ± 1.3 мкм² – чаще, в толще цитоплазмы. Как центральные, так и мелкие вакуоли были заполнены осмиофильным материалом (рис. 1, 3, рис. 2, 1), в мезофилле хвойных определяемым как танинсодержащее вещество (Atlas, 1972; Soikkeli, 1980; Kivimäenpää et all., 2014). В целом, площадь сечения хлоропласта без крахмала, количественные характеристики тилакоидной системы и число пластоглобул в них были близки к показателям, приведенным для пластид мезофилла хвои первого года жизни генеративных деревьев сосны в зимний период (Zagirova, 1999). Отличия заключались в большем, по сравнению с зимним периодом, числе хлоропластов и наличии в них крупных зерен крахмала. То есть после зимнего покоя в однолетней хвое молодых деревьев сначала увеличивается число пластид, а потом начинает нарастать система фотосинтетических мембран.

Рис. 2.

Клетки мезофилла на продольном срезе однолетней хвои подроста Pinus sylvestris в мае. Ch – хлоропласт, CW – клеточная оболочка, IS – межклетник, M – митохондрия, S – крахмал, T – танин, V – вакуоль. Масштабные линейки, мкм: 1 – 1.0; 2 – 2.0; 3 – 0.5.

Fig. 2. Mesophyll cells on the longitudinal section of one-year-old needle of young Pinus sylvestris in May. Ch – chloroplast, CW – cell wall, IS – intercellular space, M – mitochondrion, S – starch, T – tannin, V – vacuole. Scale bars, μm: 1 – 1.0; 2 – 2.0; 3 – 0.5.

Во второй декаде июля в клетках мезофилла однолетней хвои содержалось среднее число органелл за период наблюдений. Содержание крахмала в пластидах снижалось (табл. 1). Встречались сдвоенные по длинной оси хлоропласты (рис. 3, 1, 2). Комплекс фотосинтетических мембран продолжал развиваться, в этот срок суммарное число гранальных тилакоидов на единицу площади сечения хлоропласта без крахмала (насыщенность хлоропласта фотосинтетическими мембранами) было максимальным и составляло 39.8 против 18.7 весной и 20.0 осенью. Пластоглобулы были преимущественно крупные, в том же количестве, что и весной (табл. 1). Снижалось число и среднее значение площади сечения митохондрий в клетках (табл. 1). В центральных вакуолях по-прежнему накапливались танинсодержащие включения, но в меньшем количестве (рис. 1, 4, рис. 3, 1). Также в цитоплазме встречались (до 6 на срез клетки) небольшие (1.1 ± 0.4 мкм²) вакуоли с электронно-плотными глобулами внутри (рис. 3, 3, 4). Липидсодержащие запасающие глобулы со средней электронной плотностью часто сливались по несколько в одну очень крупную (табл. 1), а мелкие электронно-плотные практически не встречались. Аппарат Гольджи на срезах клеток мезофилла отмечался реже, чем весной. В этот период число пластид на срезе клетки и суммарное число тилакоидов в хлоропласте были не ниже, чем в августе в клетках мезофилла хвои 80‒100-летних деревьев сосны (Zagirova, 2001).

Рис. 3.

Клетки мезофилла на продольном срезе однолетней хвои подроста Pinus sylvestris в июле. Ch – хлоропласт, CW – клеточная оболочка, IS – межклетник, M – митохондрия, S – крахмал, SG – запасающая глобула, T – танин, V – вакуоль, * – сдвоенные хлоропласты. Стрелки указывают на вакуоли с электронно-плотными глобулами. Масштабные линейки, мкм: 1 – 2.0; 2 – 1.0; 3 – 1.0; 4 – 0.4.

Fig. 3. Mesophyll cells on the longitudinal section of one-year-old needle of young Pinus sylvestris in July. Ch – chloroplast, CW – cell wall, IS – intercellular space, M – mitochondrion, S – starch, SG – storage globule, T – tannin, V – vacuole, * – doubled chloroplasts. Arrows indicate vacuoles with electron-dense globules. Scale bars, μm: 1 – 2.0; 2 – 1.0; 3 – 1.0; 4 – 0.4.

Одним из важнейших эндогенных факторов, влияющих на структурно-функциональные параметры однолетней хвои, является рост побегов текущего года (Zagirova, 2003). Выявлено, что начало роста P. sylvestris весной обусловлено суммой среднесуточных температур выше +5°C, а прекращение роста – совместным действием фотопериода и температуры (Andersson Gull et al., 2018). На 2.5-летних саженцах P. sylvestris было показано (Lippu, 1998), что накопленные в конце предыдущего периода вегетации фотоассимиляты использовались во время роста молодых побегов лишь незначительно. Проведенные на 20-летних деревьях сосны эксперименты показали (Ericsson, 1978), что во время роста в побеги текущего года поступают ассимиляты, синтезируемые одно- и двухлетней хвоей. Отмечается (Malkina, 1984), что их потребление в растущей хвое сохраняется, пока она не достигнет 50% от окончательных размеров. Экспортировать продукты фотосинтеза хвоя сосны текущего года начинает в середине июля (Ericsson, 1978), когда скорость фотосинтеза в ней сопоставима с таковой у хвои старшего возраста. Это происходит примерно через 4 недели после того, как впервые в молодой хвое измеряется положительный нетто-фотосинтез. Чем лучше питание и водный режим, тем быстрее это происходит (Ericsson, 1978). Активный отток ассимилятов в растущие органы из однолетней хвои и, соответственно, повышенная потребность в функциональных единицах в клетках-донорах не могут не отразиться на их структуре. Согласно нашим наблюдениям 29 мая вегетативные побеги текущего года еще находились на стадии внутрипочечного роста. Именно в этот период в однолетней хвое наблюдалось максимальное количество органелл в клетке и крахмала в хлоропластах. Повышенной численностью пластид компенсировалась не до конца перестроившаяся после зимнего периода система фотосинтетических мембран. 18 июля хвоя на побегах текущего года уже достигла 70% от конечной длины и 100% по площади сечения. В этот период, число митохондрий и хлоропластов было еще достаточно высоко, а насыщенность последних фотосинтетическими мембранами максимально (табл. 2) в изученные нами сроки. По мере роста молодой хвои снижалось содержание крахмала в хлоропластах. На 80–100-летних деревьях пихты Abies sibirica Ledeb. было показано (Zagirova, 2003a), что ростовые процессы молодых побегов не отражались на динамике гранальной структуры хлоропластов и их числа в мезофилле хвои старшего возраста, однако вызывали снижение содержания крахмала в них.

В середине октября были отмечены изменения в структуре клетки, свидетельствующие об активной подготовке молодых деревьев к сезону с отрицательными температурами. Число пластид в клетках мезофилла статистически значимо (p < 0.001) сокращалось в сравнении с началом и серединой вегетационного периода (табл. 1). Уменьшение (p < 0.001) числа хлоропластов в однолетней хвое подроста с приближением осени было подтверждено и на поперечных срезах хвои. Так, 29 мая их число на срезе клетки мезофилла в среднем составляло 31.1 ± 0.9, 18 июля – 25.2 ± ± 1.0, 11 октября – 15.6 ± 0.9 при средней площади сечения клеток 2744 ± 74.3 мкм², 2536 ± 173.9 мкм², 2425 ± 94.6 мкм² соответственно. В хвое с разных деревьев изменения проходили несинхронно (рис. 4). В ассимилирующих клетках можно было наблюдать разные стадии изменения структуры при подготовке к периоду с отрицательными температурами. Встречалось несколько групп структурных признаков клеток и промежуточные между ними варианты. К первой группе относилась структура мезофилла, схожая с июльской: достаточное количество крахмала и хорошо развитая гранальная система (до 4-х тилакоидов в гране) в хлоропластах, расположенных вдоль клеточной стенки (рис. 4, 1). В таких клетках еще встречались сдвоенные пластиды и характерные для июля вакуоли с электронно-плотными глобулами внутри (рис. 4, 2), а электронно-плотные липидные глобулы в цитоплазме выявлялись редко. Ко второй группе относились клетки с хлоропластами обычной формы, чаще без крахмала, с пластоглобулами и большим количеством гран по 2–3 тилакоида. В клетках появлялись небольшие липидные глобулы (рис. 4, 3). К третьей группе относились клетки, в которых пластиды зачастую располагались почти перпендикулярно относительно клеточной оболочки, т.е. было отмечено начало их сезонного перемещения. У некоторых хлоропластов соотношение длинной и короткой осей достигало 14 (рис. 4, 4). Еще встречались мелкие зерна крахмала в отдельных хлоропластах, однако около 80% пластид не содержали крахмала совсем. В цитоплазме отмечено накопление большого количества мелких липидных глобул (рис. 4 , 5; табл. 1). В таблицах приведены средние значения для описываемого срока, и в целом они демонстрируют, что система фотосинтетических мембран при переходе к периоду физиологического покоя отчасти деградирует, число гран уменьшается на 20% по сравнению с летним периодом, а 24% из оставшихся содержат по 2 тилакоида. Сокращение числа хлоропластов сопровождается накоплением в цитоплазме ассимиляционной паренхимы значительного (до 100 на срез клетки) числа небольших липидных глобул, преимущественно вдоль клеточных стенок. Несинхронные изменения, наблюдаемые в ультраструктуре клеток мезофилла, помимо индивидуальной изменчивости, вероятнее всего связаны с разными микроклиматическими условиями места произрастания отдельных деревьев, сложившихся в фитоценозе после рубки древостоя.

Рис. 4.

Клетки мезофилла на продольном срезе однолетней хвои подроста Pinus sylvestris в октябре. Ch – хлоропласт, CW – клеточная оболочка, IS – межклетник, M – митохондрия, N – ядро, S – крахмал, SG –запасающая глобула, T – танин, V – вакуоль, * – сдвоенные хлоропласты. Тонкие стрелки указывают на вакуоли с электронно-плотными глобулами, толстые стрелки – на липидные глобулы. Масштабные линейки, мкм: 1 – 1.0; 2 – 1.0; 3 – 1.0; 4 – 0.5; 5 – 2.0.

Fig. 4. Mesophyll cells on the longitudinal section of one-year-old needle of young Pinus sylvestris in October. Ch – chloroplast, CW – cell wall, IS – intercellular space, M – mitochondrion, N – nucleus, S – starch, SG – storage globule, T – tannin, V – vacuole, * – doubled chloroplasts. Thin arrows indicate vacuoles with electron-dense globules and thick arrows show lipid globules. Scale bars, μm: 1 – 1.0; 2 – 1.0; 3 – 1.0; 4 – 0.5; 5 – 2.0.

Согласно (Ladanova, Tuzhilkina, 1992) подготовка к зиме в клетках мезофилла хвои текущего года Picea obovata Ledeb. начинается еще в период активной вегетации (конец июля–август). Как и у подроста сосны, это связано с постепенным снижением в хлоропластах числа гран и тилакоидов в гране, уменьшением объемов крахмала в хлоропластах. В сентябре в хвое ели крахмал практически исчезает, пластиды сильно вытянуты, начинается их перемещение к центральной части клетки (Ladanova, Tuzhilkina, 1992). Перемещение хлоропластов из летнего положения, когда они распределены вдоль клеточной стенки, в зимнее, когда они локализованы в одной из частей клетки, связывают не только с формированием морозоустойчивости, но и с фотозащитной реакцией, и наблюдают в период холодовой акклиматизации хвойных в умеренном поясе (Ovsyannikov, Koteyeva, 2020). Согласно (Koteyeva, 2002) в клетках мезофилла P. sylvestris в условиях Ленинградской области (зона умеренного климата, переходного от океанического к континентальному) структурные перестройки начинаются в октябре и сопровождаются группированием хлоропластов и других органелл в складках, образованных выростами клеточной оболочки. Также есть мнение, что сезонное перемещение хлоропластов (агглютинация) в клетках мезофилла происходит от клеточной периферии к ядерной оболочке и связано с коллапсом эндоплазматической сети при снижении экспорта фотосинтатов и прекращении фотосинтеза зимой, а концентрирование пластид вокруг ядра – универсальное следствие отсутствия фотосинтеза, независимое от таксономической специфики объекта (Gamaley, 2015).

Увеличение парциального объема осмиофильных глобул в цитоплазме мезофилла ели отмечено (Ladanova, Tuzhilkina, 1992) уже во второй декаде августа, и оно продолжается до ноября месяца. Увеличение накопления липидов в цитоплазме клеток мезофилла показано также для хвои текущего года трехлетних сеянцев ели в процессе их адаптации к холоду (Kivimäenpää et all., 2014) и зрелых деревьев сосны (Soikkeli, 1980) и пихты (Zagirova, 2003a). Таким образом, накопление липидсодержащих глобул в конце периода вегетации (август–ноябрь) и присутствие их в зимний период – общее явление для хвои разных пород деревьев на разных этапах развития в условиях таежной зоны. Оно отмечено как минимум для хвои первого и второго года жизни. В мае липидные глобулы в однолетней хвое подроста сосны, как было показано выше (табл. 1), встречались крайне редко. Исчезновение липидных глобул с началом активного роста молодых побегов отмечено в перезимовавшей хвое пихты (Zagirova, 2003a). Автор предполагает, что сезонная динамика числа и размеров липидных глобул может быть связана с изменением дыхательных путей в клетках мезофилла хвои.

Пигменты, фотосинтез, дыхание. Исследования пигментной системы у подроста Pinus sylvestris на вырубке показали, что общий фонд фотосинтетических пигментов изменяется в течение вегетации. Однако в отличие от 90-летней сосны, произрастающей в черничных фитоценозах, у 10‑летнего подроста на вырубке сезонный ритм накопления хлорофилла несколько иной и характерен для взрослых деревьев заболоченных сосновых сообществ (Tuzhilkina, 2012). Весной при переувлажнении почвы в условиях вырубки сосняка черничного влажного хвоя содержала наименьшее количество зеленых пигментов (табл. 3). В летний период при наиболее благоприятной влажности почвы в хвое накапливалось наибольшее количество пигментов, которое сопровождалось развитием тилакоидной системы хлоропластов. Максимальное количество хлорофиллов в хвое ели и сосны в середине периода вегетации отмечалось ранее для взрослых деревьев как нами (Ladanova, Tuzhilkina, 1992; Tuzhilkina, 2012), так и другими исследователями (Ottander et al, 1995; Sofronova et al., 2016). Поздней осенью с наступлением холодной и дождливой погоды и перестройкой пластидного аппарата концентрация хлорофилла в хвое у подроста сосны снижалась на 14% по сравнению с летом. Уменьшение фонда пигментов обусловлено как неблагоприятными погодными условиями, так и, очевидно, уменьшением прочности связи пигментов с белковым комплексом в хлоропластах, которое ранее наблюдалось нами в хвое 90-летних деревьев, произрастающих в сосновых фитоценозах (Tuzhilkina, 1985). Величина соотношения хлорофиллов a и b снизилась с 4.1 до 2.8, что обусловлено торможением биосинтеза хлорофилла а, связанного с двумя фотосистемами. Доля хлорофиллов, локализованных в светособирающем комплексе фотосистем, составляла менее 50% от общего фонда зеленых пигментов, увеличиваясь к осени до 58%. Для однолетней хвои подроста прослеживается устойчивая положительная связь количества зеленых пигментов в течение вегетации с изменениями суммарного числа фотосинтетических мембран в гранах на срез хлоропласта (r = 0.99). Содержание желтых пигментов также подвержено колебаниям в сезонном цикле. В отличие от хлорофиллов, летом отмечается наименьшее их количество. Весной и осенью содержание каротиноидов выше на 22%. Величина соотношения хлорофиллов к каротиноидам в эти периоды в 1.5 раза ниже по сравнению с летом, что свидетельствует об увеличении в пигментном аппарате сосны относительного содержания желтых пигментов, играющих протекторную роль ассимиляционного аппарата от фотодинамического разрушения в условиях низких температур и избыточной инсоляции (Ottander et al, 1995; Yatsko et al., 2009).

Одной из важнейших характеристик фотосинтетического аппарата являются ассимиляционные числа (АЧ). Расчет АЧ показал, что фотосинтетическая активность единицы хлорофилла однолетней хвои у подроста сосны на вырубке составляет 5.40 мг СО₂/мг хлорофилла в час, что почти вдвое выше работоспособности хлорофилла, полученной нами для 90-летней сосны в древостое.

Измерения углекислотного газообмена P. sylvestris показали, что летом хвоя способна поглощать СО₂ с высокой интенсивностью до 5.73 ± ± 0.50 мкмоль СО₂/м² с. Дыхательная способность ее при 20°С составляет 0.37 ± 0.01 мкмоль СО₂/м² с. Ассимиляционный аппарат сосны в оптимальных для роста условиях характеризуется низким соотношением фотосинтеза и дыхания, которое составило лишь 7.0% от максимальной скорости поглощения СО₂, что свидетельствует о незначительных энергетических затратах, необходимых для роста хвои.

Таким образом, установлено, что фотосинтетический аппарат P. sylvestris, возобновившейся после рубки древостоя, имеет развитый пластидный аппарат и структуры, обеспечивающие активный газообмен. Хвоя характеризуется содержанием достаточного фонда пигментов (хлорофиллов 1.55–1.80, каротиноидов – 0.38–0.49 мг/г сухой массы) в течение вегетации, что дает возможность древесному растению поглощать СО₂ с весны до осени. Адаптация пигментной системы к факторам среды в этот период сопровождается изменениями соотношений ее компонентов. Величина ассимиляционного числа у подроста сосны указывает на высокую фотосинтетическую активность единицы хлорофилла. Установлена положительная корреляция между количеством зеленых пигментов и числом фотосинтетических мембран на срез хлоропласта (r = 0.99), которые имеют хорошо выраженную сезонную динамику: нарастание с весны до середины лета и уменьшение к концу вегетации. Адаптация хвои к низким температурам сопровождается снижением содержания крахмала в пластидах, смещением пластид от клеточной стенки вглубь цитоплазмы, в которой накапливается значительное количество липидных глобул. В целом, в ультраструктуре однолетней хвои на протяжении периода вегетации отмечены характерные для хвойных бореальной зоны изменения. Особенностью однолетней хвои молодого, активно растущего дерева P. sylvestris на вырубке является значительное увеличение числа пластид в период роста побегов текущего года, являющихся мощными акцепторами питательных веществ.