Засуха является одним из главных экологических стрессов, ограничивающих продуктивность растений [1]. Растения страдают от засухи, когда у них нет доступа к достаточному количеству воды для установления баланса между поглощением и потерей воды [2]. Растительные организмы используют различные адаптации для преодоления водного дефицита и выживания. Они делятся на две категории: предотвращение засухи и устойчивость к засухе – и зависят от интенсивности, продолжительности и вида стресса, а также способности растения адаптироваться на молекулярном, биохимическом и физиологическом уровнях [3]. При воздействии засухи снижается скорость фотосинтеза, что приводит к меньшей ассимиляции органического вещества для роста и урожайности. Растения могут частично защитить себя при мягком стрессе от засухи путем накопления осмолитов. Накопление биологических пигментов может быть частью сигнала стресса, влияющего на адаптивные реакции [4].
Флавоноиды представляют собой группу многофункциональных растительных вторичных метаболитов, которые играют ключевую роль в защите растений от ультрафиолетового излучения, патогенных микроорганизмов и абиотических стрессов [5].
Часть биохимической адаптации включает в себя изменение типа или количества флавоноидных соединений, а также изменение их транспорта и закономерности распределения в растительных тканях / органах [6]. Они определяют цвет плодов и семян, а также отвечают за аллелопатию, симбиоз растительных бактерий и контролируют рост и развитие растений через торможение транспорта ауксина. Кроме того, защитная задача флавоноидов в растениях связана с их антиоксидантной активностью. Гидроксильные группы флавоноидов, как доноры электронов или водорода, инициируют удаление свободных радикалов. Клетки высшего растения содержат не только основные органические вещества, такие как углеводы, белки, жиры или нуклеиновые кислоты, но также и широкий спектр других молекул с фенольной химической структурой. Доказано, что некоторые из их функций в растениях связаны с адаптацией к вредному УФ-излучению, взаимодействию растений и травоядных животных или химической защитой от вредителей и патогенов [3, 4, 7].
Актуально изучение накопления и динамики содержания биологических пигментов в клетках растительных организмов как части агроэкологического мониторинга устойчивости и адаптивных реакций растений.
Цель исследования: изучить влияние факторов среды (освещенность – нижняя, средняя и верхняя части кроны; воздействие климатических стресс-факторов – засуха, интенсивность света) на накопление биологически активных веществ – флавоноидов, хлорофиллов, антоцианов у различных форм Zizyphus jujuba (мелко-, средне- и крупноплодных).
Материалы и методы исследования
Объектами исследований являлись листья 10-летних растительных организмов кустарника Zizyphus jujuba (крупноплодных – «Та-ян-цзао», «Южанин»; среднеплодных – «Дружба», «Финик»; мелкоплодных форм – «Сочинский», «Темрюкский»), произрастающих на каштановых почвах (Волгоградская область, коллекции ФНЦ агроэкологии РАН). Годы исследований: 2018 (с засушливым летним периодом) и 2019 (более благоприятный в гидрологическом отношении). Изучен пигментный комплекс листьев растений двух представительных участков (г. Волгоград – шесть сортов и г. Камышин – растения мелкоплодной формы) [8].
Измерения проводились с июня по август в течение 2018 и 2019 гг. устройством DUALEX SCIENTIFIC + (рис. 1).
Рис. 1. Процесс измерения содержания биологически активных веществ в листьях Zizyphus jujuba
Для измерений биологических пигментов (хлорофилл a + b, флавоноиды, антоцианы) в полевых условиях с помощью переносного прибора (DUALEX SCIENTIFIC +) отмечались маркером прикрепленные листья в верхней, средней и нижней частях кроны. Для измерения УФ-поглощения эпидермисом зажим прибора размещали на участках листа без крупных боковых и центральной жилок. Измерения проводились в каждом ярусе на 10 листьях каждого растения в 10-кратной повторности. Диаметр измеряемой поверхности 5 мм. Измерения проводились каждую декаду месяца (в полуденные часы). Температура ( °С) и влажность воздуха ( %) фиксировались с помощью Hygrometer testo 608-H1.
Принцип работы прибора Dualex: измерение оптической абсорбции УФ-лучей при определении количества флавоноидов; при измерении содержания хлорофилла – пропускание в двух длинах инфракрасного излучения.
Статистическая обработка данных осуществлялась при помощи программных пакетов Excel MS Office-2010 и Statistica 10.
Результаты исследования и их обсуждение
Под влиянием высокой температуры ксероморфность растений повышается как важный показатель адаптации к засушливым условиям [4, 7]. Это согласуется с анализом содержания биологически активных веществ флавоноидов, хлорофиллов и антоцианов (табл. 1).
Наблюдаются сортовые различия в накоплении биологически активных веществ. Наибольшее накопление БАВ у листьев крупноплодных сортов, что очевидно связано с тем, что их листья более мясистые и сочные, характеризуются большей массой, толщиной и объемом (хлорофилл: 23,22–29,48 мг/см2; флавоноиды: 1,57–1,73 мг/см2; антоцианы: 0,10–0,16 мг/см2). Листья растений мелкоплодных форм кожистые с большим количеством жилок характеризуются меньшим содержанием пигментов (хлорофилл: 13,99–24,80 мг/см2; флавоноиды: 1,79–1,96 мг/см2; антоцианы: 0,14–0,21 мг/см2).
Водный стресс подавляет фотосинтез, воздействуя на компоненты хлорофилла. Содержание хлорофилла связано с водоудерживающей способностью листьев древесных растений. Меньше хлорофилла накапливалось под влиянием тепла и света в засушливый летний период 2018 г. 2019 год был благоприятен в гидрологическом отношении, характеризовался частыми обильными осадками на территории Нижнего Поволжья, в этот период зафиксировано максимальное содержание хлорофилла у крупноплодных сортов (27,15–29,48 мг/см2).
Таблица 1
Концентрации некоторых пигментов в тканях листьев сортов унаби (путем измерения содержания хлорофилла (Chl), флавоноидов (Flav), антоцианов (Anth) в листьях) DUALEX SCIENTIFIC +
|
Сорт |
Содержание, мг/см2 |
|||||
|
2018 |
2019 |
|||||
|
хлорофилл a + b |
флавоноиды |
антоцианы |
хлорофилл a + b |
флавоноиды |
антоцианы |
|
|
«Та-ян-цзао» |
24,54 ± 1,09 24,00–25,79 |
1,73 ± 0,08 1,64–1,78 |
0,16 ± 0,010 0,15–0,17 |
29,48 ± 1,13 28,70–30,79 |
1,66 ± 0,17 1,54–1,85 |
0,10 ± 0,018 0,08–0,12 |
|
«Южанин» |
23,22 ± 1,13 22,27–24,18 |
1,69 ± 0,08 1,64–1,78 |
0,16 ± 0,009 0,15–0,16 |
27,15 ± 1,08 25,98–28,11 |
1,57 ± 0,21 1,33–1,71 |
0,10 ± 0,018 0,10–0,03 |
|
«Дружба» |
20,73 ± 0,66 20,15–21,44 |
1,76 ± 0,14 1,63–1,90 |
0,17 ± 0,022 0,15–0,20 |
26,90 ± 1,95 24,50–28,85 |
1,72 ± 0,01 1,71–1,72 |
0,13 ± 0,004 0,12–0,13 |
|
«Финик» |
19,83 ± 3,40 17,15–23,66 |
1,76 ± 0,09 1,66–1,84 |
0,17 ± 0,028 0,15–0,20 |
26,09 ± 2,34 24,42–28,78 |
1,70 ± 0,04 1,68–1,76 |
0,13 ± 0,022 0,10–0,14 |
|
«Сочинский» |
16,15 ± 1,77 14,33–17,86 |
1,96 ± 0,13 1,81–2,04 |
0,21 ± 0,004 0,21–0,22 |
24,80 ± 2,77 21,83–27,32 |
1,96 ± 0,13 1,57–0,21 |
0,15 ± 0,005 0,14–0,15 |
|
«Темрюкский» |
13,99 ± 1,79 12,54–15,99 |
1,84 ± 0,04 1,80–1,89 |
0,18 ± 0,015 0,17–0,19 |
21,89 ± 3,05 18,41–24,10 |
1,79 ± 0,01 1,77–1,80 |
0,14 ± 0,003 0,13–0,15 |
|
Температура воздуха, °С |
33,84–36,26 |
31,02–31,92 |
||||
|
Влажность воздуха, % |
25–34 |
46–49 |
||||
Примечание. *В числителе – среднее значение и стандартное отклонение значений; в знаменателе – минимальное и максимальное значения.
Флавоноиды и антоцианы поглощают избыточную солнечную радиацию, последние способны также выполнять роль осморегулятора клеток при водном стрессе. В ответ на засушливые условия, интенсивность света и дефицит воды листья мелкоплодных сортов интенсивнее накапливали и синтезировали флавоноиды и антоцианы, что подтверждает лучшее приспособление данных сортов к неблагоприятным условиям среды.
Исследование содержания хлорофилла выявило различия в содержании вертикального профиля кроны – содержание хлорофилла увеличивается сверху вниз в пределах кроны. Содержание антоцианов и флавоноидов, как показали наши результаты, находится в обратной зависимости от концентрации хлорофилла. Это связано с уменьшением освещенности. Листья верхней части кроны на однолетних зеленых побегах текущего года содержат больше хлорофилла и флавоноидов в сравнении с многолетними побегами, что типично для интенсивно растущих вегетативных органов (табл. 2; рис. 2).
Сравнение содержания биологически активных веществ в листьях мелкоплодной формы Zizyphus jujuba выявило, что наблюдается тенденция снижения накопления пигментов при продвижении субтропических растений в более северные условия произрастания. Этот факт объясняется снижением разрушающего действия солнечной радиации и воздействия водного стресса (рис. 3).
Полученные данные согласуются с данными других авторов [3, 4, 6]. В сухих условиях (Волгоградская область) под действием высокой температуры происходит разрушение хлоропластов, синтез хлорофилла а и b прерывается и прочность связи изменяется.
Таблица 2
Изменение концентрации пигментов в листьях сортов Zizyphus jujubа в пределах кроны (июль)
|
часть кроны |
Содержание, мг/см2 |
|||||
|
2018 |
2019 |
|||||
|
хлорофилл a + b |
флавоноиды |
антоцианы |
хлорофилл a + b |
флавоноиды |
антоцианы |
|
|
верхняя |
23,18 ± 5,33 18,82–29,12 |
1,51 ± 0,11 1,38–1,58 |
0,21 ± 0,002 0,20–0,21 |
25,49 ± 4,18 20,67–28,23 |
1,89 ± 0,03 1,86–1,92 |
0,12 ± 0,004 0,11–0,13 |
|
средняя |
26,60 ± 0,96 25,74–27,64 |
1,31 ± 0,06 1,25–1,37 |
0,16 ± 0,011 0,15–0,17 |
28,29 ± 1,53 26,62–29,64 |
1,75 ± 0,08 1,66–1,81 |
0,09 ± 0,014 0,08–0,10 |
|
нижняя |
27,26 ± 1,95 26,62–28,12 |
1,59 ± 0,05 1,42–1,71 |
0,14 ± 0,024 0,13–0,15 |
30,65 ± 0,568 28,72–31,32 |
1,78 ± 0,114 1,67–1,85 |
0,09 ± 0,020 0,08–0,10 |
Рис. 2. Зависимость содержания биологически активных веществ в листьях мелкоплодной формы Zizyphus jujuba Mill. от условий освещенности (Камышин, 2018)
2018 г. 2019 г.
Рис. 3. Сравнение содержания (мг/см2) биологически активных веществ в листьях мелкоплодной формы Zizyphus jujuba
Заключение
Выявлено, что в ответ на засушливые условия, интенсивность света и дефицит воды листья засухоустойчивых растительных организмов интенсивнее накапливали и синтезировали флавоноиды и антоцианы, что подтверждает лучшее приспособление данных сортов к неблагоприятным условиям среды. Использование устройства DUALEX SCIENTIFIC + для сбора данных на месте позволяет быстро количественно определять хлорофилл а и b, каротиноиды и антоцианы в растениях. Многие из функций флавоноидов в листе могут быть исследованы с помощью Dualex: защита от ультрафиолетового излучения; защита от атаки патогенов; защита от травоядных (насекомых или позвоночных животных); защита от окислительного стресса, удаление свободных радикалов; хелатирование металлов; устойчивость к засухе. С помощью Dualex можно оценить физиологическое состояние растений, которое влияет на содержание флавоноидов в листе.
Содержание пигментов в листьях изученных древесных растений Zizyphus jujuba различно. На него оказывают влияние летние засухи, освещенность в пределах кроны, климатические факторы места произрастания. Выявлено наибольшее накопление БАВ у листьев крупноплодных сортов (хлорофилл: 23,22–29,48 мг/см2; флавоноиды: 1,79–1,96 мг/см2; антоцианы: 0,14–0,21 мг/см2). Листья растений мелкоплодных форм кожистые с большим количеством жилок, характеризуются меньшим содержанием пигментов (хлорофилл: 13,99–24,80 мг/см2; флавоноиды: 1,57–1,73 мг/см2; антоцианы: 0,10–0,16 мг/см2). В благоприятные в гидрологическом отношении годы (2019) содержание хлорофилла меньше, а флавоноидов и антоцианов больше, чем в засушливый период (2018), что обуславливает механизмы адаптации растений к стрессовым факторам недостатка воды. Исследование содержания хлорофилла выявило различия по вертикальному профилю кроны – содержание хлорофилла увеличивается сверху вниз в пределах кроны. Установлено, что содержание антоцианов и флавоноидов находится в обратной зависимости от концентрации хлорофилла. Наблюдается тенденция снижения накопления пигментов при продвижении субтропических растений в более северные условия произрастания.
Флавоноиды и антоцианы накапливаются в растениях в ответ на дефицит воды. Результаты исследования предполагают, что реакции на стресс от засухи являются динамическими, а интенсивность и продолжительность стресса может играть ключевую роль в накоплении листьями флавоноидов и антоцианов в ответ на различные уровни дефицита воды.
Таким образом, в дополнение к экофизиологическим исследованиям, Dualex может найти применение в сельском и лесном хозяйстве, садоводстве, при защите от вредителей, анализе светообеспеченности, выборе лекарственных растений, независимо от условий проведения эксперимента. Изменение содержания биологических пигментов в листьях древесных растений при стрессовых воздействиях является одним из критериев подбора и мобилизации ассортимента для обогащения деградированных территорий.
Исследования выполнены по теме Государственного задания № 0713-2019-0004 ФНЦ агроэкологии РАН.