Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Параметры энтоморезистентности древесных растений являются важнейшим компонентом их устойчивости к насекомым-филлофагам в условиях постоянного возрастания уровня и масштабов антропогенного воздействия. Поэтому изучение механизмов и факторов энтоморезистентности служит одним из важнейших направлений исследований во взаимоотношениях в системе: «дерево – насекомые» [1–3]. Параметры энтоморезистентности детерминируются сложной многофакторной системой [4–6]. Она дифференцируется на физическую и химическую защиту. К первой относится значительная жесткость листовой пластинки, наличие трихом, шипиков и эпикутикулярных восков на поверхности листьев растения [7]. Ко второй – содержание в листьях первичных и вторичных метаболитов [4, 5, 8]. Протективными свойствами против насекомых-филлофагов обладают аллелохимики из всех классов вторичных метаболитов: терпеноиды, фенолы, алкалоиды. У лиственных древесных растений наибольшее значение в энтоморезистентности имеют фенольные соединения [4, 5]. Многие из них обладают антифидантными свойствами, или токсичностью. Фактор дефолиации инициирует быстрое возрастание индуцированной энтоморезистентности (быстрой и замедленной). Этот механизм препятствует сильной повторной дефолиации древостоев. Известно, что береза повислая имеет низкий уровень конститутивной энтоморезистентности, но высокий уровень энтомотолерантности [6]. На содержание фенольных соединений большое влияние оказывает комплекс абиотических и биотических факторов. Так, воздействие фактора абиотического стресса (засухи) снижает содержание фенольных соединений в листьях березы, ивы [9, 10]. Имеются и другие данные, которые показали, что воздействие засухи сопровождается возрастанием содержания фенолгликозидов у тополя черного (Populus nigra) [11]. Ранее показано, что фенолгликозиды выполняют важную роль в защите листьев от насекомых-филлофагов [12]. Они являются пищевыми детеррентами [13].

Цель исследования: учитывая важную роль фенолгликозидов в энтоморезистентности древесных растений целью исследований было изучение влияния фактора дефолиации на ежегодную динамику содержания в листьях березы повислой группы фенолгликозидов и влияние на них климатических факторов.

Материалы и методы исследования

Район очагов массового размножения непарного шелкопряда (Lymantria dispar L.) находится в березовых лесах Каменск-Уральского р-на Свердловской обл. Пробные площади располагались в березняках вблизи пос. «Покровское» (район очагов массового размножения непарного шелкопряда), контрольные – вблизи пос. Храмцовское, где фактор дефолиации полностью отсутствовал. Как показали исследования, в припоселковых березовых лесах средний уровень антропогенной трансформации высок (4 стадия) [1]. Основной источник антропогенного воздействия: рекреационная и пастбищная дигрессия. Уровень техногенного загрязнения, в основном, не превышает ПДК [14]. Сбор листьев березы повислой для хроматографического анализа проводился в затухших очагах массового размножения непарного шелкопряда на пробных площадях с 70 %-ной дефолиацией крон в 2009 г. и за границей очагов, где отсутствовала дефолиация в сходных лесорастительных условиях. Взятие каждой пробы осуществлялось от нескольких деревьев. Первое взятие проб проводилось в 2012 г., затем ежегодно до 2017 г. При этом ежегодно пробы отбирались с одних и тех же деревьев, в одно и то же время (10 июня). Сразу после отбора проб собранные листья березы высушивали при комнатной температуре, затем размалывали. Навеску размолотых листьев (2 г) помещали в емкость с 50 мл этанола. Экстракцию фенольных соединений из листьев березы проводили в водяной бане с обратным холодильником 96 % этиловым спиртом в течение 30 мин при кипении раствора. После этого суспензию центрифугировали при 10000 g в течение 10 мин и пропускали через шприцевой фильтр [0,45 мкм]. Хроматографический анализ проводили на жидкостном хроматографе Shimadzu LC-20 со спектрофотометрическим УФ-детектором. Объем пробы – 20 мкл. Детектирование элюента осуществляли одновременно на двух полосах поглощения: [λ360/λ254] нм на хроматографической колонке PerfectSil Target ODS-3 5 мкм с обращенной фазой, размерами 250×4,6 мм. Градиентное элюирование проводилось, в диапазоне 10–50 % со скоростью 1 мл в мин при температуре 40 °С. Элюент А – ацетонитрил – 0,05 М фосфатный буферный раствор (рН = 3,0); элюент В – ацетонитрил – вода (9:1). Продолжительность хроматографического анализа составляла 50 мин. Из них от 0 до 30 мин проводилось градиентное элюирование в диапазоне 10–50 %, затем в течение 20 мин при концентрации 50 %. Для идентификации фенольных соединений использовались вещества-свидетели фирмы: Fluka, Sigma, Aldrich. Для идентификации хроматографических фракций использовался общепринятый метод на основе идентификации соединений по tR (время удерживания) и спектральное отношение параметров абсорбции [λ360/λ254] нм. Хроматографию каждой пробы проводили в трех повторностях. Затем рассчитывали среднее значение. Климатические условия изучали методом анализа гидротермических коэффициентов (ГТК) Селянинова. Статистическую достоверность полученных результатов определяли с помощью Т-критерия Стьюдента.

Результаты исследования и их обсуждение

Как показали результаты хроматографического анализа, через 3 года после дефолиации древостоев березы повислой содержание фенолгликозида арбутина было наиболее высоким за весь период наблюдений (табл. 1).

Оно было выше, чем в контрольных древостоях, на 34,4 %. По нашему мнению, это обусловлено последним годом функционирования механизма замедленной энтоморезистентности. По данным ряда авторов этот период продолжается в течение 3 лет после дефолиации крон деревьев [5]. При этом следует учесть, что в течение всего сезона вегетации наблюдалась полная засуха в течение мая – августа (табл. 2). Это единственный год за весь период наблюдений, когда содержание арбутина в ранее дефолиированных насаждениях было выше, чем в контрольных. В остальные годы содержание арбутина в контрольных древостоях всегда заметно превышало их содержание в дефолиированных насаждениях. В 2013 г. произошло резкое снижение содержания арбутина и в контрольных, и в ранее дефолиированных березняках. Это происходило на фоне засухи (табл. 2). Различия в содержании арбутина в контрольных и дефолиированных насаждениях были статистически недостоверны. В следующем, 2014 г., содержание арбутина вновь значительно возрастает на фоне локальной майской засухи (ГТК = 0,41) и остальных летних месяцев с высокими ГТК (табл. 2). При этом содержание арбутина в листьях ранее дефолиированных древостоев было на 25,9 % ниже, чем в контрольных (табл. 1). В 2015 г., на фоне ГТК мая выше нормы и июня – в норме (табл. 2), содержание всех фенолгликозидов возросло. Вновь содержание арбутина оказалось в контрольных насаждениях выше на 26,47 %, по сравнению с дефолиированными ранее древостоями (табл. 1). В 2016 г. различия оказались выражены еще значительнее. Содержание арбутина в дефолиированных насаждениях было на 144,56 % ниже, чем в контрольных. Климатические условия весенне-летнего сезона в этом году характеризовались полной засухой. В этой ситуации наиболее логичным объяснением столь значительных различий может быть выявленная нами ранее разная реакция контрольных и дефолиируемых древостоев на засуху [6]. В 2017 г. на фоне ГТК выше нормы содержание арбутина в листьях березы в обоих вариантах вновь заметно возрастает. При этом содержание его в контроле почти в два раза выше, чем в ранее дефолиируемых насаждениях.

Таблица 2

Гидротермические коэффициенты весенне-летнего периода в Каменск-Уральском районеСвердловской обл. в 2010–2017 гг. ((□) – засуха)

Полученные нами результаты позволяют предполагать, что арбутин может быть и компонентом конститутивной резистентности, и компонентом индуцированной резистентности. Соответственно, в межвспышечный период в высокорезистентных березовых древостоях его содержание заметно выше, чем в дефолиированных, с низкой энтоморезистентностью.

Анализ типа, уровня и характера реакции другого фенолгликозида: салидрозида демонстрирует определенные особенности. В 2012 г. это достоверное отсутствие позитивной реакции на фактор дефолиации и, соответственно, возрастание содержания этого соединения в контрольных насаждениях на 50,49 %, по сравнению с ранее дефолиированными березняками (табл. 1). На этом основании можно предполагать, что через 3 года после 70 %-ной дефолиации реакция замедленной энтоморезистентности у салидрозида отсутствовала на фоне полной весенне-летней засухи в 2012 г. В 2013 г. содержание этого соединения вновь было выше в контрольных насаждениях (без дефолиации) на 23,76 % (табл. 1). Это происходило на фоне ГТК мая выше нормы и засушливых условий в июне (табл. 2). В следующем, 2014 г. это различие также сохранялось. Содержание салидрозида в контрольных березняках было выше на 23,72 %, по сравнению с контролем. В 2015 г. содержание салидрозида оказалось выше в контроле на 21,05 %. В 2016 г. различия в содержании салидрозида были статистически недостоверны. Это происходило на фоне полной весенне-летней засухи (табл. 2). В 2017 г. на фоне близкого к норме ГТК мая и значительно превышающего норму ГТК июня абсолютные параметры содержания салидрозида значительно возросли, по сравнению с предыдущим годом, у контрольных березняков более, чем в 2 раза, у ранее дефолиированных – почти в два раза. При этом, различия в содержании салидрозида составляли 9,6 %, т.е. – незначительную величину. Таким образом в целом большую часть периода наблюдений преобладание содержания салидрозида в контрольных насаждениях сохраняется, но уровень дифференциации по абсолютной величине был несколько ниже, чем у арбутина.

У салицина в 2012 г. уровень различий в содержании был очень значительным (почти двукратным) в сторону доминирования содержания в листьях ранее дефолиированных насаждений (табл. 1) на фоне умеренной засухи в мае и июне (табл. 2). Таким образом, через 3 года после дефолиации у салицина в листьях березы повислой регистрируется очень активная реакция вследствие замедленной энтоморезистентности. В 2013 г. на фоне ГТК мая выше нормы и засушливых условий в июне (табл. 2), реакция изменяется в противоположном направлении. Содержание салицина в контрольных древостоях становится выше (на 48,23 %), по сравнению с ранее дефолиированными древостоями (табл. 1). Такой же тип и характер реакции сохраняется и в 2014 г. на фоне интенсивной майской засухи и резкого превышения нормы ГТК в июне (табл. 2). В 2015 г. на фоне ГТК выше нормы содержание салицина было на 19,36 % больше, по сравнению с контролем. В 2016 г. на фоне полной весенне-летней засухи, с ГТК мая: 0,33, июня: 0.71 (табл. 2), различия в содержании салицина сохраняются (табл. 1). Наблюдается преобладание этого соединения в контрольных насаждениях, но различия были не очень значительны (на 11,55 %).

Заключение

Как показали результаты исследований, у двух из трех проанализированных фенолгликозидов продолжительность реакции замедленной индуцированной энтоморезистентности составляет 3 года после воздействия фактора дефолиации. Это арбутин и салицин. У салидрозида на 3 год этой реакции не выявлено. Также удалось установить, что климатические условия весенне-летного периода оказывают значительное влияние на абсолютное содержание изученных фенолгликозидов. Оно заметно возрастает в условиях высоких уровней ГТК, значительно превышающих норму. Выявлено также заметное ингибирование активности фенолгликозидов при воздействии фактора абиотического стресса (весенне-летней засухи).