Anatomical, morphological and biochemical characteristics of pinus sylvestris l. On the talc-magnezite deposit damps

Nadezhda V. Chukina; Чукина Надежда В.; Natalia V. Lukina; Лукина Наталия В.; Elena I. Filimonova; Филимонова Елена И.; Margarita A. Glazyrina; Глазырина Маргарита А.; Anton P. Uchaev; Учаев Антон П.

doi:10.36906/2311-4444/25-1/04

Анатомо-морфологические и биохимические характеристики pinus sylvestris l. На отвалах месторождения тальк-магнезита

Авторы: Чукина Н.В.¹, Лукина Н.В.¹, Филимонова Е.И.¹, Глазырина М.А.¹, Учаев А.П.¹
Учреждения:
1. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Выпуск: № 1 (2025)
Страницы: 46-55
Раздел: Экология растений
URL: https://vestnik.nvsu.ru/2311-1402/article/view/643266
DOI: https://doi.org/10.36906/2311-4444/25-1/04
ID: 643266

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Целью исследований было изучение анатомо-морфологических и биохимических характеристик Pinus sylvestris L., произрастающей на отвалах Шабровского месторождения тальк-магнезита и в естественном местообитании (Средний Урал) и выявление влияния на них свойств субстрата. Анатомо-морфологические параметры хвои изучали на поперечных срезах с использованием системы обработки изображений «SIAMS Mesoplant». Содержание низкомолекулярных антиоксидантов, а также уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ) в хвое исследовали стандартными спектрофотометрическими методами. Показано, что у P. sylvestris в техногенных условиях происходило уменьшение высоты, годичного прироста, диаметра ствола деревьев, а также длины хвои. В хвое P. sylvestris отмечено уменьшение площади поперечного сечения, центрального цилиндра, мезофилла, числа смоляных ходов. Выявлено, что в хвое P. sylvestris в условиях отвалов происходило усиление накопления продуктов ПОЛ, свободного пролина, фенольных соединений и в том числе флавоноидов, а также уменьшение накопления азота и фосфора по сравнению с контрольными растениями из естественного лесного фитоценоза. Показано, что на анатомо-морфологические параметры P. sylvestris большое влияние оказывали такие свойства субстратов, как содержание углерода, гигровлаги и рН. Увеличение синтеза в хвое пролина, фенолов, флавоноидов и продуктов ПОЛ было связано с пониженными значениями гигроскопической влаги в субстратах отвалов.

Ключевые слова

сосна обыкновенная, анатомо-морфологическое строение, адаптивные реакции, антиоксиданты, промышленные отвалы

Полный текст

Введение.

Добыча полезных ископаемых приводит к катастрофическим изменениям экосистем и сопровождается разрушением литологической основы, уничтожением почвенного и растительного покровов [15]. Глубинные горные породы, вынесенные на дневную поверхность, имеют низкий актуальный уровень плодородия, что связанно с незначительным содержанием в них элементов минерального питания, особенно азота [21], неблагоприятные значения рН (избыточная щелочность или кислотность), наличие засоления, высокое количество доступных для растений форм тяжёлых металлов, чрезмерную плотность укладки пород и низкую влагоемкость [4]. Восстановление подобных территорий происходит крайне медленно. Однако некоторые виды растений способны заселять нарушенные местообитания и успешно адаптироваться к условиям произрастания.

Одним из таких видов является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L., семейство Pinaceae Lindl.) – основная лесообразующая порода на Урале. Как вид-пионер, требовательный к свету, он может колонизировать нарушенные участки [8].

Техногенное загрязнение окружающей среды несомненно негативно влияет на состояние растений и вынуждает их «включать» различные защитно-адаптационные механизмы для выживания в стрессовых условиях. Изучению механизмов устойчивости P. sylvestris к неблагоприятным условиям техногенных местообитаний посвящено много работ [12; 13; и др.]. Известно, что хвойные растения очень чувствительны к условиям произрастания, поэтому структурно-функциональные характеристики P. sylvestris могут служить информативными показателями, отражающими состояние растений в условиях загрязнения и степень адаптации к ним. Однако работы, включающие комплексную оценку анатомо-морфологических и биохимических параметров P. sylvestris на промышленных отвалах, немногочисленны [7; 19].

Цель работы – изучение анатомо-морфологических и биохимических характеристик Pinus sylvestris L. в естественных и трансформированных местообитаниях Среднего Урала (отвалы после добычи тальк-магнезита) и оценка влияния свойств субстрата на морфофизиологические параметры.

Объекты и методы исследования.

Исследования проводились в июле 2022 и 2023 гг. Объектами исследования являлись насаждения P. sylvestris на отвалах Шабровского месторождения тальк-магнезита, расположенного в 27 км к югу от г. Екатеринбурга в подзоне южной тайги (56° 37′ 45″ с.ш. 60° 35′ 59″ в.д.).

Климат района континентальный. Лето тёплое, среднемесячная температура воздуха в июле +17°. Зима холодная, длится с ноября по март, среднемесячная температура воздуха в январе -15,9°. Среднегодовая температура воздуха +1°. Среднегодовое количество осадков 577 мм (по данным метеостанции г. Сысерти) [18].

Отвалы платообразные террасированные, высотой до 30 м и площадью около 1 км² сложены пустыми и вскрышными породами, оставшимися после разработки месторождения открытым карьерным способом. Возраст отвалов варьирует от 55 до 70 лет.

Породы, складируемые в отвалы, сильнокаменистые (каменистость 50–90%), обеспеченность азотом и доступными фосфатами очень низкая, обменным калием – средняя и высокая. В породах повышенное содержание Mn, Cr, Cu, Mo, Co, Ni, Pb и др. [9].

Исследования показали, что на отвалах Шабровского тальк-магнезитового месторождения формируются лесные фитоценозы с доминированием P. sylvestris и Betula pendula Roth. В подлеске встречались Salix caprea L., Salix myrsinifolia Salisb., Sorbus aucuparia L., общее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса от 1 до 50% [17].

Модельные деревья P. sylvestris отбирали на 4-х опытных площадках (далее – ОП), размерами 10х10 м каждая. Три из них (ОП1 – ОП3) заложены на участках отвалов с разной степенью каменистости, одна (ОП4) – на борту карьера «Старая линза». Контрольная площадка (далее – КП) была заложена в естественном лесном фитоценозе, расположенном рядом с пос. Белоречка в 65 км от Екатеринбурга (57°20ʹ14.50ʺ с. ш. 60°1ʹ51.21ʺ в. д.).

Для исследования на каждой ОП и КП у 10 модельных деревьев (возраст 18–20 лет) измеряли высоту, годичный прирост ствола (длину годичных побегов), диаметр (толщину) ствола на высоте 1,3 м, а также собирали полностью сформированную двухлетнюю хвою с южной стороны кроны. Для изучения анатомических показателей хвою фиксировали в 70% растворе этилового спирта. На замораживающем микротоме МЗ-2 изготавливали поперечные срезы хвои и помещали их в глицерин. Измерения анатомических параметров хвои (площадь поперечного сечения, центрального цилиндра и мезофилла, толщина эпидермы и гиподермы, число и диаметр смоляных ходов) (n=30) проводили с использованием светового микроскопа и специализированной системы анализа изображений «SIAMS Mesoplant» («СИАМС», г. Екатеринбург).

Для изучения биохимических показателей использовали свежесобранную хвою. Определение интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ) проводили по реакции с тиобарбитуровой кислотой согласно методике [29], свободного пролина – по реакции водной вытяжки хвои с ациднингидриновым реактивом после кипячения [3]. Для анализа содержания фенольных соединений и флавоноидов использовали этанольный экстракт хвои (200 мг в 10 мл 70% этилового спирта, 24 часа экстракция при комнатной температуре, в темноте). Содержание фенолов в хвое определяли по реакции с реактивом Фолина-Чокальтеу, расчёт производили по галловой кислоте, содержание флавоноидов – по реакции с AlCl₃, в пересчете на рутин, согласно методикам [23; 27].

Содержание общего азота определяли с использованием реактива Несслера, общего фосфора – с молибдатом аммония в серной кислоте спектрофотометрическим методом [2] после мокрого озоления навески сухой измельченной хвои смесью концентрированных кислот H₂SO₄ и HClO₄ (в соотношении 10:1).

Определение биохимических параметров проводили в 4-кратной биологической и 5 аналитических повторностях. Результаты представлены в расчете на сухой вес (с.в.) хвои.

На каждой ОП и в контроле для исследований отбирали образцы грунта с глубины 0–20 см. Общий органический углерод (С) определяли по методу Тюрина, рН анализировали потенциометрически. Обменный Са и Mg устанавливали титрованием [1]. Значения удельной электропроводности, общее содержание солей измеряли в водной суспензии «субстрат: вода» (1:2,5; вес/объем) с помощью портативного многопараметрического анализатора HI98129 Combo (Hanna Instruments GmbH, Австрия).

Обработку полученных данных проводили с использованием стандартного пакета программ Microsoft Excel 2019 и STATISTICA 10. Достоверность различий оценивали с помощью непараметрического критерия Манна-Уитни при уровне значимости p < 0,05.

Результаты исследования и обсуждение. Исследования показали, что субстраты отвалов Шабровского месторождения тальк-магнезита (ОП1 – ОП4) характеризовались нейтральной и слабокислой реакцией среды, более низким содержанием элементов минерального питания растений и гигроскопической влаги по сравнению с КП (табл. 1).

Таблица 1

Агрохимические показатели субстратов исследуемых участков на отвалах Шабровского тальк-магнезитового месторождения и в контрольном местообитании

№ ОП	рН _Н2О	Общий органический углерод, %	Гигро-влага, %	Содержание, г/100 г субстрата		Электропро-водность, мСи/см	Общее содержание солей, мг/л
№ ОП	рН _Н2О	Общий органический углерод, %	Гигро-влага, %	Са	Mg	Электропро-водность, мСи/см	Общее содержание солей, мг/л
ОП1	6,8–7,0	0,68	0,75	0,068	0,031	0,203	102
ОП2	6,8–7,0	2,39	1,94	0,052	0,022	0,325	162
ОП3	6,7–7,1	1,45	1,15	0,078	0,048	0,150	75
ОП4	6,3–6,8	2,78	3,11	0,104	0,066	0,223	101
КП	6,2–6,3	4,3	11,40	0,429	0,034	0,163	81

По показателю удельной электропроводности (значения менее 2 мСи/см) и общему содержанию солей все исследованные субстраты можно отнести к слабозасоленным [10].

Сравнение морфологических параметров P. sylvestris, произрастающей на отвалах и в естественном лесу показало, что высота 18–20-летних особей на всех ОП варьировала от 1,73 до 4,25 м, а на КП – в среднем составляла 5,60 м (табл. 2).

Таблица 2

Анатомо-морфологические показатели P. sylvestris, произрастающей на отвалах Шабровского тальк-магнезитового месторождения и в контрольном местообитании

Параметры	ОП1	ОП2	ОП3	ОП4	КП
Морфологические показатели
Высота ствола, м	3,20±0,24b	1,73±0,35a	1,96±0,18a	4,25±0,21c	5,60±0,13d
Диаметр ствола, см	1,80±0,25c	0,90±0,10a	1,32±0,15b	9,0±0,25d	12,87±0,51e
Прирост ствола, см	13,60±0,70a	8,43±2,36a	9,78±0,56a	17,10±1,10b	28,01±0,95c
Длина хвои, см	3,74±0,04a	4,73±0,11b	4,40±0,06b	5,54±0,04c	6,59±0,058d
Анатомические показатели хвои
Площадь поперечного сечения хвои, мм²	0,49±0,01a	0,41±0,01b	0,60±0,02c	0,89±0,02d	1,10±0,013e
Площадь центрального цилиндра, мм²	0,12±0,003b	0,10±0,003a	0,15±0,001c	0,24±0,001d	0,27±0,002e
S_ц.ц/S_п.сеч, %	25,54±0,34a	25,10±0,39a	25,67±0,48a	27,20±0,30b	25,77±0,28a
Площадь мезофилла, мм²	0,28±0,01a	0,25±0,01b	0,36±0,01c	0,55±0,01d	0,74±0,01e
Толщина эпидермы, мкм	16,05±0,25b	13,49±0,28a	15,84±0,34bc	15,25±0,25c	19,32±0,24d
Толщина гиподермы, мкм	10,41±0,14b	9,71±0,11a	10,77±0,20b	10,42±0,18b	12,56±0,21c
Число смоляных ходов, шт.	6,48±0,19b	3,68±0,21a	6,19±0,21b	7,1±0,18c	9,9±0,17d
Диаметр смоляных ходов, мкм	41,82±0,60b	35,52±0,83a	46,84±0,64c	44,93±0,75c	47,19±0,69c

Примечание. Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 30). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между участками при p < 0,05.

Исследования показали, что в условиях отвалов происходило статистически значимое снижение морфометрических параметров: уменьшение годичного прироста (в 1,6–3,3 раза), диаметра ствола деревьев (в 1,4–14,3 раза), а также длины хвои (в 1,2–1,5 раза) по сравнению с деревьями из естественного лесного фитоценоза, что является ответной реакцией растений на стресс [5] (табл. 2).

Корреляционный анализ выявил высокое влияние агрохимического состава субстратов, а именно: содержания С, гигровлаги и рН на высоту ствола (r = 0,69; r = 0,83; r = -0,85 соответственно), его диаметр (r = 0,85; r = 0,88; r = -0,93), прирост (r = 0,85; r = 0,88; r = -0,89) и на длину хвои (r = 0,98; r = 0,91; r = – 0,84).

Известно, что структура листа в целом, и отдельных его тканей очень пластична и обнаруживает большую зависимость от экологических условий и в наибольшей степени – от уровня водоснабжения и освещения [14].

Анализ анатомического строения хвои P. sylvestris показал, что на ОП по сравнению с КП наблюдалось статистически значимое уменьшение таких показателей, как площадь поперечного сечения хвои, центрального цилиндра, ассимиляционных тканей (мезофилла), толщины эпидермы и гиподермы. Число смоляных ходов в хвое с отвала было меньше, чем в контроле, но статистически значимых различий диаметра смоляных ходов не было выявлено (табл. 2). Самым стабильным из изученных анатомических характеристик хвои являлся показатель отношения площади центрального цилиндра к площади поперечного среза (S_ц.ц/S_п.сеч.). На всех исследованных участках данный показатель варьировал незначительно, в пределах от 25,1% до 27,2%. Это свидетельствует об оптимальном соотношении между проводящей системой хвои P. sylvestris и ассимиляционными тканями.

Полученные результаты согласуются с литературными данными. Многие авторы также отмечают уменьшение анатомо-морфологических характеристик хвои P. sylvestris в неблагоприятных условиях среды [7; 24].

Корреляционный анализ показал высокое влияние агрохимического состава субстратов, а именно: содержания С, гигровлаги и рН на площадь поперечного сечения хвои (r = 0,81; r = 0,93; r = -0,97), центрального цилиндра (r = 0,79; r = 0,88; r = -0,81) и мезофилла (r = 0,84; r = 0,89; r = -0,95).

Воздействие стрессовых факторов на растения нередко приводит к увеличению содержания в клетках продукта ПОЛ – малонового диальдегида (МДА), в связи с чем концентрация данного метаболита может служить индикатором уровня окислительного стресса, который испытывают растения в условиях техногенного загрязнения [26].

Согласно полученным результатам, на всех ОП в хвое исследованных особей P. sylvestris было зарегистрировано увеличение содержания МДА по сравнению с КП, что свидетельствует о наличии окислительного стресса, и отмечается в работах многих авторов [11; 16]. Для борьбы с негативными последствиями окислительного стресса, развивающегося в условиях высоких техногенных нагрузок, в растениях функционирует система антиоксидантной защиты, одним из важных звеньев которой являются низкомолекулярные антиоксиданты, такие как фенолы, в том числе флавоноиды, пролин и др. Данные соединения имеют различные механизмы действия и могут как непосредственно препятствовать развитию окислительного стресса, инактивируя образующиеся активные формы кислорода, так и участвовать в устранении его последствий, например, способствуя репарации поврежденных макромолекул [22].

Установлено, что в хвое растений P. sylvestris, произрастающих на ОП наблюдалось значительное (в среднем в 2,4 раза) увеличение содержания свободного пролина по сравнению с растениями с КП (табл. 3). При воздействии неблагоприятных факторов, таких, например, как высокие концентрации тяжёлых металлов в субстрате, обычно наблюдается увеличение содержания свободного пролина, что можно рассматривать как защитно-приспособительную реакцию к условиям среды [6; 25].

Общее содержание фенольных соединений в хвое P. sylvestris, произрастающей на участках отвала Шабровского месторождения, также увеличивалось по сравнению с контролем в 1,5 раза (табл. 3). Отмечено существенное (в 2,1–2,8 раза) увеличение концентрация флавоноидов в хвое деревьев, произрастающих на отвалах.

Таблица 3

Биохимические показатели хвои P. sylvestris, произрастающей на отвалах Шабровского тальк-магнезитового месторождения и в контрольном местообитании

Показатели	ОП1	ОП2	ОП3	ОП4	КП
ПОЛ, нМ МДА /г с.в.	285,37±5,13c	368,41±5,95e	320,76±4,04d	248,46±0,95b	135,49±4,79a
Пролин, мг/г с.в.	347,31±11,18c	480,82±11,30d	375,85±7,12c	168,66±6,16b	144,08±2,42a
Фенолы, мг/г с.в.	16,48±0,37b	19,06±0,32c	18,63±0,25c	23,37±0,37d	12,80±0,37a
Флавоноиды, мг/г с.в.	5,09±0,12b	5,29±0,18b	6,16±0,30c	6,67±0,53c	2,38±0,14a
Азот, %	0,97±0,02b	1,09±0,01c	0,93±0,01a	1,27±0,05d	1,60±0,03e
Фосфор, %	0,04±0,001a	0,05±0,002b	0,05±0,001b	0,04±0,003a	0,19±0,01c

Примечание. Представлены средние арифметические значения ± SE (n = 20). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия между участками при p < 0,05.

Известно, что на содержание азота в хвое P. sylvestris большое влияние оказывает обеспеченность почвы доступными формами элементов минерального питания, а также климатические условия и степень освещенности [20; 28].

Исследования показали, что в хвое особей P. sylvestris, произрастающих в условиях отвалов, происходило уменьшение содержания общего азота и фосфора по сравнению с растениями из ненарушенного местообитания: в 1,4 и 4,2 раза соответственно (табл. 3).

Корреляционный анализ выявил статистически значимое влияние содержания С, Са, гигровлаги, и величины рН на количество N (r = 0,94; r = 0,90; r = 0,95; r = -0,98) и Р (r =0,80; r = 0,99; r = 0,97; r = -0,92) в хвое P. sylvestris, а также продемонстрировал зависимость содержания в хвое пролина, фенолов, флавоноидов и продуктов ПОЛ от количества гигровлаги в субстрате (r = -0,70; r = -0,62; r = -0,85; r = -0,88).

Дискриминантный анализ, проведённый с использованием таких биохимических параметров хвои, как уровень ПОЛ, содержание общего азота и фосфора, а также общих фенольных соединений, флавоноидов и пролина, отделил КП от ОП1–ОП4 по дискриминантным функциям 1 и 2 (рис. 1). Корректность отнесения в группы составляла: КП–100 %, ОП1–67 %, ОП2–78 %, ОП3–100 %, ОП4–58%.

Рис. 1. Дискриминантный анализ изученных ценопопуляций P. sylvestris по биохимическим показателям хвои (Wilks Lambda = 0,0096275, F=27,260, при p < 0,0000)

Заключение.

Неблагоприятные условия промышленных отвалов, связанные прежде всего с низким уровнем плодородия и влагоемкости субстратов, а также высокой каменистостью и повышенными концентрациями ряда тяжёлых металлов, вызывали у Pinus sylvestris существенное снижение показателей высоты и диаметра ствола деревьев, величины годичного прироста и длины хвои. Ответная реакция ассимиляционного аппарата P. sylvestris на стрессовые условия заключалась в уменьшении таких анатомо-морфологических показателей хвои, как площадь поперечного сечения, центрального цилиндра и мезофилла, число смоляных ходов. В условиях высоких техногенных нагрузок в хвое P. sylvestris происходило уменьшение накопления азота и фосфора по сравнению с контрольными растениями из естественного лесного сообщества. Отмечено также усиление накопления в хвое продуктов перекисного окисления липидов, что вызывало активацию системы антиоксидантной защиты, а именно усиление накопления свободного пролина, фенольных соединений и в том числе флавоноидов. Показано, что на анатомо-морфологические параметры P. sylvestris большое влияние оказывали такие свойства субстратов, как содержание общего органического углерода, гигровлаги и рН. Содержание в хвое низкомолекулярных антиоксидантов зависело от количества гигровлаги в субстрате отвалов. Выявленные анатомо-морфологические и биохимические изменения P. sylvestris являются защитно-приспособительной реакцией на стресс и способствуют адаптации вида к антропогенно нарушенным местообитаниям.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения государственного задания УрФУ FEUZ-2023-0019.