Генотипическая обусловленность пигментного состава хвои плюсовых деревьев ели европейской
Опубликована Янв. 1, 2019
Последнее обновление статьи Сен. 18, 2022
Изучен пигментный состав 1- и 2-летней хвои плюсовых деревьев (ортетов) ели европейской из состава архива клонов № 3 Государственного бюджетного учреждения Нижегородской области «Семеновский спецсемлесхоз». где они представлены привитыми растениями (клонами или раметами). Цель исследований - выявление факта наличия генотипически обусловленной специфики плюсовых деревьев ели европейской по составу пигментов, участвующих в фотосинтезе, и установление масштабов ее проявления в 1- и 2-летней хвое. Все учетные растения имели одинаковые площади питания и схемы размещения, получали единый перечень лесоводственных и агротехнических уходов. Отбор образцов хвои проведен одновременно с учетом ее возраста и принадлежности к ортетам и раметам. Анализируемые показатели: содержание хлорофилла а. хлорофилла Ь. каротиноидов, их суммарное количество, соотношение между ними. В эксперименте использован спектрофотометрический анализ как наиболее эффективный способ количественного выявления важнейших пластидных пигментов. Экстракционный агент - 96 %-й этанол. Максимумы поглощения при количественной фиксации оптической плотности вытяжек соответствовали следующим длинам волн: 663 нм - для хлорофилла а; 645 нм - для хлорофилла Ь; 440 нм - для недифференцированных каротиноидов. Для статистической обработки привлечен одно- и двухфакторный дисперсионный анализ. Установлены заметные различия пигментного состава листового аппарата плюсовых деревьев ели европейской при выращивании на выровненном экофоне. Однофакторный дисперсионный анализ подтвердил их существенность для 1- и 2-летней хвои по всем задействованным в опыте признакам. Влияние специфики генотипов плюсовых деревьев, эффект которого признается в качестве коэффициента наследуемости в широком смысле, достаточно велико и достоверно по всем рассматриваемым признакам. Раздельное влияние специфики генотипов плюсовых деревьев и различий в возрасте их хвои на формирование фенотипической изменчивости зафиксировано в двухфакторном дисперсионном анализе. Влияние возраста хвои на формирование различий в содержании отдельных пигментов и их групп достоверно, но невелико и в целом составило от 7.10±0.16 % (содержание каротиноидов) до 9.40±0.15 % (суммарное содержание хлорофилла). Доля дисперсии, связанной со спецификой генотипов плюсовых деревьев, в большинстве случаев значительна: до 48.87 %. Взаимодействие организованных факторов чаще вызывает достоверный эффект, однако доля этого организованного фактора в структуре общей фенотипической дисперсии практически
никогда не преобладает. Наличие остаточной дисперсии обусловлено неизбежной пестротой экологического фона.
Ключевые слова
Ель европейская, генотипическая обусловленность, каротиноиды, хлорофилл b, пигментный состав, плюсовые деревья, архив клонов, хлорофилл a, хвоя
Одним из главных условий устойчивого развития отечественного лесного хозяйства является наличие эффективно функционирующей постоянной лесосеменной базы [7]. В качестве ключевого аспекта ее формирования в России и в других государствах рассматриваются плюсовые деревья основных лесообразующих пород [3, 14, 15, 26, 34]. В их числе ель европейская по праву занимает лидирующие позиции [14, 15, 22]. Обладая хозяйственно важными признаками в сочетании с выраженной устойчивостью и экологической пластичностью, она выступает предметом многочисленных и разноплановых исследований отечественных [4, 5, 8, 13, 16] и зарубежных [22, 25, 40] ученых. Немалая часть этих работ посвящена всестороннему изучению листового аппарата.
Пигментный состав хвои вполне справедливо относят к важнейшим биологическим характеристикам древесных видов, связанным с режимом фотосинтеза, продуктивностью и адаптивностью [12]. Обоснованно признается его защитная роль: присутствие хлорофилла и каротиноидов усиливает резистентность растений [10, 37]. Динамику пигментного состава считают адаптивной реакцией хвойных, в том числе и ели европейской, на условия освещенности [20, 35, 36, 38, 39, 41]. Известно, что в направлении с юга на север в географическом масштабе более устойчивы растения с повышенной пигментацией листового аппарата [10]. Обнаружив преобладание сильно пигментированных форм в центрах формообразования, Н И. Вавилов рассматривал это явление как защитную реакцию растений на действие мутагенных факторов [6]. Сдвиги в содержании хлорофилла а, хлорофилла Ъ, их суммарном количестве и концентрации каротиноидов являются реакцией на изменение концентрации углекислого газа в атмосфере [28, 33]. Известна зависимость содержания зеленых пигментов хвои от температуры почвы и других почвенных характеристик [40]. Сообщается о фотопериодической реакции, которая выражается в изменении содержания пигментов [40], реакции на содержание озона [23], на загрязнение [27]. Вместе с тем у псевдотсуги Мензиса существенных изменений в концентрации пигментов под влиянием ультрафиолетовых лучей не отмечено [19]. Пигментный состав хвои в значительной мере контролируется генотипом и является в значительной степени наследуемым показателем [2, 3], что подтверждается испытаниями потомств от контролируемых скрещиваний [33] и генетическими исследованиями [32]. Другие специалисты [14], напротив, считают, что степень генотипической детерминации признаков пигментного состава хвойных невысока. Отсутствие единого мнения о наследственной специфике указанных признаков и свойств у древесных растений служит достаточным основанием для продолжения работ в указанном направлении, в частности в отношении ели европейской.
Цель исследований - выявление факта наличия генотипически обусловленной специфики плюсовых деревьев ели европейской по составу пигментов, участвующих в фотосинтезе, и установление масштабов ее проявления в 1- и 2-летней хвое.
Объектами исследований выступали плюсовые деревья ели европейской, выделенные в естественных насаждениях Нижегородской области согласно действовавшим на момент отбора инструкциям и нормативам. Они входили в состав природных популяций данного вида, типичных для лесорастительного района хвойно-широколиственных (смешанных) лесов европейской части Российской Федерации. Их вегетативные репродукции зарезервированы в архиве клонов № 3 Государственного бюджетного учреждения Нижегородской области «Семеновский спецсемлесхоз». Возраст привитых растений одинаков и согласно паспорту архива клонов составляет 34 года. Все клоны (раметы) каждого из изученных плюсовых деревьев (ортетов) в пределах указанного архива были размещены по единой посадочной схеме с одинаковой площадью питания. Режим содержания архива предполагал общий комплекс агротехнических и лесоводственных мероприятий, прочие условия произрастания также были идентичными. Следует учитывать, что существующий регламент создания и содержания таких объектов единого генетике- селекционного комплекса направлен на механическое выравнивание поверхности участка, отводимого под них, на сглаживание расхождений в его локальных почвенных характеристиках. Такой организационный подход не создавал ни одному учетному дереву преимуществ в доступе к ресурсам роста и развития и обеспечивал принцип единственного логического различия. Возраст хвои выступал одним из организованных факторов дисперсионного анализа. В соответствии с этим все остальные эффекты, связанные с возможным возникновением временной изменчивости, нивелировались или исключались полностью. Это достигалось одновременным выполнением отбора биологических образцов для анализа и одинаковыми сроками проведения всех его этапов. Формирование выборочных совокупностей и включение в их состав первичных единиц выборки выполнены в общепринятом порядке [9, 11]. Реализованы полевой стационарный и лабораторный опыты. Их организационная схема позволила сформировать двухфакторные равномерные и пропорциональные дисперсионные комплексы, в которых каждый ортет был представлен 3 раметами. С периферии среднего яруса хорошо освещенного участка из кроны срезали по 5 ветвей, из средней части которых отделяли хвою для последующей экстракции пигментов. В итоге по каждому признаку получено 315 первичных единиц выборки. Поскольку присутствие хлорофилла и каротиноидов в хвое коррелирует с устойчивостью растений к лимитирующим факторам среды [1, 12, 37], проведение анализов установлено на декабрь 2016 г.
Определение содержания пигментов, участвующих в фотосинтезе, реализовано традиционными методами в ходе камерального этапа исследований [17, 18, 29-31, 40, 42]. Вполне результативным и достаточно точным методом исследования пигментного состава листового аппарата признан спектрофотометрический анализ [17, 18, 21, 24, 31, 42]. С его помощью удается оценить концентрацию пигментов по оптической плотности вытяжки из измельченной хвои в оптически чистом ацетоне или в 96 %-м этаноле. В работе был задействован электроспектрофотометр Grating 722, при этом максимумы поглощения при количественной фиксации оптической плотности вытяжек соответствовали следующим длинам волн: 663 нм - для хлорофилла щ 645 нм - для хлорофилла ö; 440 нм - для недифференцированных каротиноидов. Известно, что положение максимума поглощения в спектральном анализе сдвигается в ту или иную сторону при использовании разных экстрагентов [17, 18, 21, 31, 42]. Это учитывалось в эксперименте. Содержание анализируемых пигментов
рассчитывали по уравнениям Ветштейна и Хольма [17, 42], при этом для нахождения концентрации, выраженной в миллиграммах на грамм, по каждой навеске определяли содержание абсолютно сухого вещества. В построении алгоритмов для указанных расчетов учитывали известные методические приемы [28-31]. Анализировали содержание и соотношения хлорофилла а, хлорофилла Ъ, каротиноидов, их доли и суммарное количество. Работу строили на платформе комплексности многопараметрических исследований [2, 3], целесообразность которых общепризнана [28-31, 40]. Первичную лесоводствен- ную информацию обрабатывали с использованием известных статистических схем [9, 11].
Установлены заметные различия пигментного состава листового аппарата плюсовых деревьев ели европейской при выращивании на выровненном экофоне. Одно факторный дисперсионный анализ подтвердил их существенность для 1- и 2-летней хвои по всем задействованным в опыте признакам (табл. 1).
Для хвои всех возрастов опытные значения критерия Фишера (табл. 1) преодолели критический порог как на 5-, так и на 1-процентном уровне значимости. В большой мере это обусловлено достаточным числом первичных единиц выборки, введенных в каждый дисперсионный комплекс. Влияние специфики генотипов плюсовых деревьев, эффект которой рассматривается как коэффициент наследуемости в широком смысле, по всем анализируемым показателям достоверно и достаточно велико. В частности, для 1-летней хвои в вычислениях по алгоритму Плохинского содержание хлорофилла а составило 60,36±2,70 %, для хлорофилла b оно было еще выше - 66,32±2,29 %. Максимум (68,21±2,16 %) достигнут для отношения содержания хлорофилла b к содержанию каротиноидов. Расчетный метод Сне декора адекватно показал близкие по значениям итоги вычислений.
Для 2-летней хвои указанный эффект оказался несколько ниже, но вполне сопоставим по значениям: по содержанию хлорофилла-п - 55,72±3,01 %, хлорофилла-0 - 48,42±3,51 %. Достаточно высокие результаты в этом случае отмечены для суммарного содержания хлорофилла (55,63±3,02 %) и общей суммы пигментов (54,44±3,10 %). Вместе с тем оценки наследственной обусловленности наличия каротиноидов в 2-летней хвое были ниже, чем в 1-летней хвое. Снизились результаты и других признаков. Критерии существенности различий (НСРо5 и Dos) определяют уровень, достигнув которого, разница между средними значениями характеристик плюсовых деревьев признается существенной, т. е. обусловленной преимущественно их наследственными особенностями.
Существенность различий плюсовых деревьев ели европейской по пигментному составу, подтвержденная для 1- и 2-летней хвои, определила возможность выявления эффекта индивидуального влияния каждого из организованных факторов на общую фенотипическую дисперсию. В частности учтено влияние различий между самими плюсовыми деревьями и различий в возрасте их хвои отдельно по каждому из этих факторов (табл. 2).
Практически во всех случаях учета организованные факторы генерируют дисперсию, уровень проявления которой соответствует существенным различиям между элементами дисперсионного комплекса. Опытные критерии Фишера оказались значительно больше соответствующих нормативных значений на 5-процентном уровне значимости. Исключением явились оценки по разновозрастной хвое для отношений содержания хлорофилла а к содержанию каротиноидов и содержания хлорофилла Ъ к содержанию каротиноидов. Это указывает на индифферентность баланса различных форм хлорофилла и каротинодов в отношении увеличения возраста хвои. Выраженная хронографическая стабильность указанных характеристик плюсовых деревьев при достаточно высокой их генотипической обусловленности (22,48^2,64 % и 30,59±2,36 % соответственно) позволяет признать значительную информативность и большое идентификационное значение соотношений между двумя формами хлорофилла и каротиноидами. В соответствии с этим указанные признаки можно рекомендовать к использованию для оценки (при определении) специфичности плюсовых деревьев в процессе селекционной инвентаризации объектов постоянной лесосеменной базы и единого генетикоселекционного комплекса, а также при выработке рекомендаций по их включению в состав лесосеменных плантаций.
Влияние возраста хвои на формирование различий в содержании отдельных пигментов и их групп (табл. 2) достоверно, но невелико и в целом составило от 7,10±0,16 % (содержание каротиноидов) до 9,40±0,15 % (суммарное содержание двух форм хлорофилла). Оценки мало различаются, и наибольшая из них превосходит наименьшую в 1,32 раза, при том что общий размах значений в вариантах с подтвержденной существенностью различий оценивается соотношением 124,27. Изменение с возрастом доли содержания в хвое хлорофилла а более заметно по сравнению с другими характеристиками пигментного состава. В частности, влияние фактора «возраст хвои» достигает
74,56±0,04 % и может быть связано с ощутимым повышением содержания данного пигмента в 2-летней хвое. Отчетливо выражена реакция на увеличение возраста хвои в содержании хлорофилла Ь : 27,75±0,12 %.
Влияние различий между плюсовыми деревьями на общий фон изменчивости анализируемых характеристик пигментного состава их листового аппарата занимает значительную часть в большинстве случаев. Величина этого эффекта составляет от 23,62±2,60 % (содержание каротиноидов) до 48,87±1,74 % (содержание хлорофилла а) и 48,59±1,75 % (сумма пигментов), что зафиксировано в отношении содержания отдельных пигментов и их суммарного количества. Характеристики соотношения исследуемых пластидных пигментов в большей мере связаны с наследственной спецификой ортетов и меньше зависят от возраста хвои. Вместе с тем наследственная обусловленность различий между плюсовыми деревьями в этом случае выражена в несколько меньшей степени, чем для оценок содержания пигментов.
Взаимодействие организованных факторов чаще вызывает достоверный эффект, однако доля этого организованного фактора в структуре общей фенотипической дисперсии практически никогда не преобладает. Остаточная дисперсия, наличие которой, как правило, связывают с пестротой параметров среды на объектах постоянной лесосеменной базы и единого генетике- селекционного комплекса, к которым относится исследованный архив клонов, имеет неоднозначные оценки. При этом в ряде рассматриваемых признаков она доминирует, что зафиксировано в отношении содержания хлорофилла-п к содержанию каротиноидов (62,97 %) и содержания каротиноидов к суммарному содержанию хлорофилла (60,10 %). В целом указанные результаты вполне адекватны сведениям, полученным в процессе однофакторного дисперсионного анализа как по 1-летней, так и по 2-летней хвое.
Плюсовые деревья ели европейской существенно различаются по широкому спектру показателей пигментного состава 1- и 2-летней хвои. Степень наследственной обусловленности проявлений разных признаков неодинакова. Оценки содержания хлорофилла а, хлорофилла Ъ и их суммарного количества, содержания каротиноидов и общей суммы пигментов тесно связаны с генотипом исследованных клонов. Показатели соотношения между пластидными пигментами в целом имеют меньшую степень генотипической обусловленности по сравнению с количественными оценками их содержания. Оценки отношения хлорофилла а и хлорофилла Ъ к содержанию каротиноидов весьма стабильны в онтогенетическом плане, что свидетельствует об их большом идентификационном значении и указывает на целесообразность применения при ревизии чистоты ассортиментного состава лесосеменных плантаций и архивов клонов.