Лесоведение, 2019, № 6, стр. 524-532

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Объектами исследования являлись сосна обыкновенная (Pinus sylvйstris) и сосна скрученная (Pinus contorta Dougl.).

Сосна обыкновенная – широко распространённый вид рода Сосна сем. Сосновые (Pinaceae). В естественных условиях произрастает в Европе и Азии, приспособлена к различным температурным условиям. Отличается светолюбием, хорошо возобновляется на лесосеках и гарях, широко используется в лесокультурной практике во всех климатических зонах.

Сосна скрученная – вид рода Сосна сем. Сосновые (Pinaceae). Естественный ареал сосны скрученной находится на западе Северной Америки, простираясь от Аляски на севере (64° с. ш.) до Калифорнии на юге (30° с. ш.), на востоке доходит до Скалистых гор (Элайс, 2014).

Экспериментальные культуры были заложены в 2007 г. на площади 1.1 га в Сыктывкарском лесничестве, в условиях средней тайги. Климат района исследований умеренно-континентальный, с холодной и продолжительной зимой. Частое вторжение арктических масс воздуха сопровождается резкими похолоданиями, при которых его температура может опускаться до минус 30–40°C. Сумма биологически активных температур (более 10°С) – 1300–1400°С. Начало безморозного периода со средней суточной температурой выше 0°C наступает в середине апреля, переход через 5°С наблюдается в начале мая. Весенние заморозки заканчиваются в первой декаде июня. Первые осенние заморозки наблюдаются в конце августа–начале сентября. Существенные колебания в сроках наступления первого и последнего заморозка обусловливают значительную изменчивость длины безморозного периода, который составляет в зависимости от года от 62 до 135 дней при средней его продолжительности 102 дня (Климат Сыктывкара, 1986).

Для получения сеянцев сосны скрученной были использованы семена сосен шведских лесосеменных плантаций. В отличие от умеренно-континентального климата Республики Коми, климатические условия Швеции мягче, температура воздуха в январе колеблется в пределах минус 12–16°C, в июле составляет около 12°C (Сайт Шведского института метеорологии и гидрологии).

В эксперименте использовали трехлетние сеянцы сосны обыкновенной, выращенные из семян, собранных в естественных насаждениях Республики Коми. Схема опыта на обоих участках – рядовые делянки, расположенные рендомизированно в 4-кратной повторности (Гутий, Федорков, 2016).

Физиолого-биохимические исследования проводили в 2016–2017 гг. Верхушечные почки стеблей и хвою текущего года жизни отбирали с 10 деревьев каждого вида в июле, сентябре, декабре и феврале на высоте 1.5–2 м. Для изучения температурной зависимости роста побегов использовали метод, предложенный L.D. Hansen с соавторами (1994), связывающий скорость роста с дыханием и тепловыделением. Для этого в начале апреля с 10 деревьев отбирали верхушечные почки сосен. Метаболическое тепловыделение и дыхание целых почек и хвои определяли на изотермическом калориметре Биотест-2 (Россия) при температуре 5°С. При использовании модели Л.Д. Хансена интенсивность дыхания (Rco₂) определяли по тепловому эффекту реакции выделяемого образцом СО₂ с 0.4 молярным раствором NаОН. Для этого в контейнер с образцом помещали капсулу со щелочью. Калориметрические измерения проводили на свежих образцах в 4–7 биологических повторностях. Риск повреждения низкими отрицательными температурами оценивали методом дифференциальной сканирующей калориметрии на калориметре DSC–60 (Shimadzu, Япония), определяли температуру замерзания воды, оводненность и долю замерзающей воды. Образцы (целые почки) массой 10–50 мг помещали в алюминиевый контейнер объемом 0.1 см³ и охлаждали со скоростью 1°С мин^–1 от 5 до минус 30°С. Температуру кристаллизации воды определяли по началу пика фазового перехода. После измерений материал высушивали при 105°С до постоянной массы. Оводненность оценивали по разности сырой и сухой массы объекта. Количество воды, претерпевшей фазовый переход, определяли по формуле:

где q – тепловой эффект при нуклеации воды, Дж; 335 – удельная теплота льдообразования для пресной воды, Дж кг^–1.

Физиологическую активность хвои определяли по интенсивности СО₂-газообмена на газоанализаторе Li-сor 7000 (США). Измерение проводили на срезанных побегах текущего года в лабораторных условиях. В сентябре определение интенсивности фотосинтеза проводили при температуре 20°С и 900 мкмоль м^–2 фотосинтетически активной радиации (ФАР) с без предварительной адаптации хвои. В апреле определения проводили после суточной адаптации хвои при температуре 20°С. Для определения зависимости интенсивности СО₂-газообмена хвои от инсоляции освещенность изменяли от 700 до 1500 мкмоль м^–2.

Содержание фотосинтетических пигментов определяли в ацетоновой вытяжке на спектрофотометре UV-1700 (Shimadzu, Япония) при длинах волн: 662 и 644 нм – хлорофиллы, 470 нм – каротиноиды. Растворимые углеводы определяли в лиофильно-высушенном материале по (Софронова и др., 1978), общий азот, углерод, водород и кислород с помощью элементного CHNS-O – анализатора “EA-111”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования, ранее проведенные в условиях региона, показали, что величина годичного прироста в высоту и темп роста верхушечного побега у сосны скрученной были достоверно выше по сравнению с сосной обыкновенной. Высота сосны обыкновенной в возрасте 5 лет составляла в среднем 47 см, сосны скрученной – 57 см (Федорков, Туркин, 2010; Гутий, Федорков, 2016). Было отмечено, что растения сосны обыкновенной начинали рост весной позднее и заканчивали осенью раньше, чем растения сосны скрученной.

Сравнение линейных размеров текущих побегов показало, что их длина в июле у сосны обыкновенной составляет 175.3 ± 2.1 мм, что на 13% меньше, чем у сосны скрученной. К концу вегетационного периода, в сентябре, длина побегов сосны скрученной увеличилась, в то время как у сосны обыкновенной рост побегов в длину не наблюдался (табл. 1). Сырая масса 50 хвоинок сосны обыкновенной и сосны скрученной в июле составляла 2.25 ± 0.2 и 3.3 ± 0.2 г сухой массы, в сентябре – 0.9 ± 0.05 и 1.3 ± 0.09 г, соответственно.

Степень развития ассимилирующей поверхности является важным фактором биологической продуктивности древесных растений. В июле длина хвои сосны обыкновенной в среднем на 20% меньше, чем длина хвои сосны скрученной. По сравнению с июлем в сентябре, еще до наступления отрицательных температур, длина хвои сосны обыкновенной практически не изменилась, а сосны скрученной достоверно увеличилась, т.е. рост текущего побега и хвои в длину у сосны обыкновенной заканчивался в июле, что соответствует данным других авторов (Загирова, 1999; Бенькова, Шашкин, 2003). Полученные данные свидетельствуют, что прекращение или продолжение роста хвои у сосен не связано с температурным режимом, а генетически обусловлено и является видовым признаком.

Состояние зимнего покоя – это период интенсивной деятельности меристемы и у вечнозеленых, и у листопадных растений (Туманов, 1979). В это время в вегетативных почках закладываются зачатки листьев, происходит накопление предшественников нуклеиновых кислот, идет определенная дифференциация клеточных структур. Продолжительность периода покоя у разных деревьев и кустарников различна. Среди голосеменных наиболее ранние сроки перехода в состояние покоя, большая глубина покоя и более поздний выход из этого состояния отмечены у сосны обыкновенной (Пахарькова и др., 2013). В июле размер терминальных почек у сосны обыкновенной был вдвое меньше, чем у сосны скрученной (табл. 1). Длина почек к середине декабря и далее к февралю достоверно увеличивалась у обоих видов сосен и наиболее интенсивно – у сосны скрученной. В феврале длина почек сосны скрученной значительно (в 3.6 раза) превосходила длину почек сосны обыкновенной. Следовательно, скорость формирования меристем в почках сосны скрученной шла интенсивнее, чем у сосны обыкновенной. Выявленное превосходство сосны скрученной по длине побегов, хвои и почек вероятнее всего, связанно с генетическими особенностями вида.

Немаловажное значение для адаптации интродуцентов в новых условиях произрастания имеет соответствие их метаболической активности условиям произрастания. Фотосинтез находится в центре энергетического и конструктивного обмена и тесно связан со всеми физиологическими функциями и продуктивностью растений. Для сравнительной характеристики способности хвои сосны скрученной и сосны обыкновенной ассимилировать углекислый газ были определены скорости видимого фотосинтеза, дыхания и зависимость СО₂-газообмена от освещенности. Результаты исследований показали, что в начале сентября скорость видимого поглощения СО₂ (при интенсивности светового потока 900 мкмоль м^–2 с^–1) хвои сосны обыкновенной составляла 95.4 ± 2.5 мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1 и была в двое выше, чем у сосны скрученной (48.6 ± 8.1 мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1). Однако, площадь ассимиляционной поверхности (хвои) и число живых ветвей первого порядка у сосны скрученной на 20 и 25% больше, чем у сосны обыкновенной (Феклистов, Бирюков, 2005, 2006), что, возможно, позволяет интродуценту за вегетационный период синтезировать больше органической массы. Полученные нами данные по интенсивности фотосинтеза хвои близки к величинам, приводимым ранее для сосен (Загирова, 1999; Суворова, 2009; Титов и др., 2012). Ранней весной (апрель) интенсивность видимого фотосинтеза у обоих видов была низкой 16–20 мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1, фотосинтез практически равнялся дыханию.

Сосны – растения светолюбивые. Исследования показали, что с увеличением освещенности интенсивность фотосинтеза хвои повышается. В апреле при увеличении освещенности от 700 до 1500 мкмоль/м-² скорость фотосинтеза повышалась в среднем в 1.5 раза и составляла и у сосны обыкновенной 28 ± 1.8 мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1 (17.5 мкмоль СО₂ дм^–2 ч^–1), сосны скрученной 25 ± 2.9 мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1 (15.6 мкмоль СО₂ дм^–2 ч^–1).

Интенсивность дыхания хвои в сентябре была 13.6 ± 1.8 и 20.4 ±4.7мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1 у сосны скрученной и сосны обыкновенной, соответственно. Доля темнового дыхания в СО₂-газообмене в этот период у обоих видов составляла около 20%. В середине весны нами отмечен отрицательный газообмен. В целом интенсивность темнового дыхания хвои сосны скрученной увеличивалась от 13.6 ± 1.8 в сентябре до 21.3 ± ± 0.9 мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1 в апреле, у сосны обыкновенной интенсивность дыхания хвои изменялась незначительно и составляла 20.4 ± 4.7 и 23.6 ± 2.2 мкмоль СО₂ г^–1 сухой массы ч^–1 в сентябре и апреле соответственно. Повышение интенсивности темнового дыхания хвои у сосны скрученной в апреле вероятно связано с возрастанием дыхательных затрат на репарационные процессы и более ранним по сравнению с сосной обыкновенной возобновлением ростовых процессов.

Состояние фотосинтетического аппарата, играющего важнейшую роль в обеспечении биологической продуктивности растений, является хорошим индикатором, жизнеспособности растений при смене фенологической фазы развития дерева (Цельникер и др., 1993). Изучение пигментного комплекса хвои позволяет судить об адаптационных возможностях хвойных пород к условиям произрастания. Как правило, общее содержание пигментов в завершивший рост хвои характеризуется относительным постоянством, но может изменяться в зависимости от условий произрастания (Тужилкина, 2012). Согласно полученным данным содержание зеленых пигментов в хвое текущего года обоих видов в летнее время было сравнительно невысоким (табл. 2). Соотношение хлорофиллов а : б равное 2.6–2.9 указывает на приспособленность фотосинтетического аппарата сосен к затенению. К концу вегетационного периода (сентябрь) в хвое отмечалось значимое увеличение содержания зеленых и желтых пигментов. Отчетливый максимум накопления пигментов в хвое ели сибирской и сосны обыкновенной осенью отмечали другие авторы (Титов и др., 2012; Тужилкина, 2012). С наступлением отрицательных температур наблюдалась деструкция хлорофиллов и каротиноидов. Содержание хлорофиллов в хвое сосны скрученной и сосны обыкновенной в декабре составляло 40 и 58%, каротиноидов – 69 и 88% от их содержания в сентябре соответственно. Следовательно, деградация пигментного комплекса в хвое сосны скрученной шла быстрее. Было показано, что в зимний период хлорофилл агрегировался со специфичными липептидами, что служило приспособительной реакцией на действие отрицательных температур и позволяло сохранить пул хлорофиллов для восстановления фотосинтеза весной (Ottander et.al., 1995; Бухов, 2004). Согласно нашим данным, в апреле содержание хлорофиллов, по сравнению с зимним периодом, увеличилось в 3.8 и 1.7 раз у сосны скрученной и сосны обыкновенной, соответственно. Наблюдаемое весеннее повышение содержания зеленых пигментов в хвое отражает начало возобновления синтетических процессов. Следует отметить, значительное увеличение в апреле содержания в хвое каротиноидов. Известно, что фотосинтетический аппарат вечнозеленых хвойных обладает комплексной системой защитных механизмов, которые помогают избегать фотоингибирования в условиях отрицательной температуры. Одной из важных составляющих этой комплексной системы являются каротиноиды, которые стабилизируют мембраны хлоропластов (Маслова и др., 2009). В наших условиях, максимальное содержание каротиноидов в хвое отмечалось в апреле, что связано с высокой инсоляцией, наблюдаемой в этот период, и защитной функцией каротиноидов фотосинтетического аппарата от фотодинамической деструкции.

Необходимо отметить, что содержание в хвое у исследуемых видов сосен таких органогенных элементов как азот, углерод, водород и кислород в сезонной динамике изменялось не существенно. Содержание азота в хвое варьировало в пределах 11–15, углерода 480–500, водорода 68–72, кислорода 390–420 мг г^–1 сухой массы.

Углеводы являются основными продуктами фотосинтеза и субстратами для дыхания растений. Как криопротекторы, они во многом обуславливают устойчивость растений к низким температурам и другим неблагоприятным условиям существования. Анализ данных показал, что в летний (июль) период хвоя текущего года сосны обыкновенной и сосны скрученной мало отличалась по сумме сахаров и соотношению моно/дисахара (табл. 3). В осенний период (сентябрь) в хвое обоих видов наблюдалась тенденция к их накоплению. Причем, у сосны обыкновенной доля низкомолекулярных моносахаров, одних из основных криопротекторов, почти на 30% больше. В апреле, отмечается максимальный уровень растворимых углеводов, достоверно более высокий у сосны обыкновенной. С возобновлением ростовых процессов (май) наблюдалось значительное их снижение, связанное с интенсивным ростом побегов.

Известно, что морозостойкость зимующих растений основана на внеклеточном образовании льда. При этом ткани, оставаясь переохлажденными, сохраняют воду в незамерзшем состоянии. От содержания внутриклеточной воды зависит сохранение жизнеспособности растений при отрицательных температурах. Результаты измерения температуры фазового перехода вода-лед в хвое сосны обыкновенной показали снижение температуры замерзания воды от минус 12 в июле до минус 16°С в феврале. Температура замерзания воды в хвое сосны скрученной была выше, составляла около минус 13°С и изменялась незначительно (табл. 4).

Побег будущего года у хвойных растений формируется в почках возобновления до наступления периода зимнего покоя. Определение температуры замерзания воды в почках, показало ее снижение в осенне-зимний период у сосны скрученной от минус 10 до минус 13.5°С (табл. 4). В почках сосны обыкновенной в июле и феврале вода замерзала при температуре около минус 14–минус 15°С. Следует отметить, что в диапазоне от 0 до минус 15°С кристаллизуется вода, которая, как правило, является свободной и находится в межклетниках (Миронов и др., 2001). Таким образом, температуры льдообразования в хвое и почках обоих видов сосен максимально сближены в зимний период и значительно расходятся в период активной вегетации.

Важным фактором, обеспечивающим морозоустойчивость растений является постепенное снижение оводненности тканей. Оценка оводненности хвои сосны обыкновенной показала ее постепенное уменьшение с 66% в июне до 56% в феврале. Тенденция к уменьшению оводненности тканей хвои в зимний период отмечена и у сосны скрученной, однако весной оводненность хвои у этого вида была достоверно выше, составляла около 60% (табл. 5), что может свидетельствовать о более раннем выходе растений из состояния покоя.

Анализ образцов хвои позволил определить долю воды, которая переходила в кристаллическое состояние. По нашим данным, осенью при равной оводненности доля замерзшей воды в хвое сосны скрученной была меньше, что может быть связано с более высоким содержанием в ней растворимых углеводов, способных снижать точку замерзания растворов. Отсутствие изменений в доле замерзшей воды в хвое сосны скрученной на фоне возрастающей оводненности тканей весной, по-видимому, обусловлено синтезом дополнительного количества углеводов, сдерживающих нуклеацию льда (табл. 3). У сосны обыкновенной в зимний период параллельно со снижением общей оводненности уменьшалась доля замерзшей воды.

Как и в хвое, в почках содержание воды в период покоя было ниже. Оводненность почек у сосны обыкновенной летом составляла 57%, в феврале не превышала 48%. Весной содержание воды в почках возрастало до 60%, возможно, в результате притока воды из оттаявших побегов. В тканях почек сосны скрученной значимых изменений оводненности не выявлено, почки этого вида содержали около 50–56% воды. Считается, что достаточная для успешной перезимовки криорезистентность достигается при содержании в тканях воды около 50% (Миронов и др., 2001). Следовательно, зачаточные побеги обоих видов сосен хорошо адаптированы к действию низких отрицательных температур в зимний период. Оценка доли замерзшей воды в почках не выявила значимых различий между видами в летний, осенний и зимний периоды.

При изучении биологических объектов в зависимости от целей используются различные методы и подходы. Одним из таких методов является калориметрия. Калориметрия как метод изучения тепловых процессов позволяет определять такие характеристики веществ, как теплоемкость, теплопроводность, внутреннюю энергию, энтропии и энтальпии. Использование калориметрии в сочетании с математической моделью связывающей тепловыделение, дыхание и рост, предложенной L.D. Hansen с соавторами 1994 г. позволило сопоставить хвою и почки изучаемых нами видов сосен по скорости запасания энергии на рост. Проведенные в апреле калориметрические измерения метаболической активности показали, что при повышении температуры весной до положительных значений 5°С хвоя обоих видов сосны проявляла одинаковую физиологическую активность, интенсивность запасания энергии на рост была невысокой около 3 мкВт мг^–1 сухой массы. Более значительные различия по интенсивность запасания энергии, были выявлены у почек изучаемых видов. Прогревание почек в апреле до 5°С вызывало активацию процессов запасания энергии только у сосны скрученной (2.8 мкВт мг^–1 сухой массы), почки сосны обыкновенной находились в неактивном состоянии (–0.3 мкВт мг^–1 сухой массы). По нашему мнению, способность сосны скрученной к быстрому возобновлению метаболических процессов весной позволяет получить существенное превосходство в реализации стратегии роста и развития вида.

Заключение. Сравнительное изучение физиолого-биохимических параметров двух видов сосен показало, что в условиях культуры средней тайги сосна скрученная превосходит сосну обыкновенную по площади ассимилирующей поверхности и размерам терминального побега. Значительная ассимилирующая поверхность и продолжительный период роста хвои компенсируют низкий уровень фотосинтетической активности сосны скрученной. В зимний период при низкотемпературной адаптации меристематические ткани почек и хвои обоих видов имеют одинаковый уровень обезвоживания. При этом в них остаётся более 40% незамерзающей воды, что обеспечивает возможность протекание биохимических процессов. В апреле хвоя сосны скрученной характеризуется достоверно большей оводненостью и меньшей долей замерзшей воды, что свидетельствует о более раннем выходе растений из состояния покоя. Установлено, что температуры фазового перехода “вода–лед” в хвое и почках обоих видов сосен максимально сближены в зимний период, но значительно расходятся в период начала активной вегетации. Способность почек сосны скрученной к активному отрастанию при низких положительных температурах ранней весной и более продолжительный вегетационный период создают существенное преимущество этого вида перед сосной обыкновенной по скорости прироста. Морфобиологические показатели сосны скрученной соответствуют климатическим условиям региона, что создает возможность использовать данный вид для создания искусственных насаждений.