27

НАУКА ЗА ГОРАТА, КН. 1-2, 2011FOREST SCIENCE, No 1-2, 2011

съдържание на ФОтОсинтетиЧни Пигменти, ОБЩ Белтък и сВОБОден ПрОлин В асимилаЦиОнния

аПарат на ПОПулаЦии От ОБикнОВен кестен (CASTANEA SATIVA MILL.)

Катя Велинова, Мария ГлушковаИнститут за гората – СофияБългарска академия на науките

абстракт: Проучването е свързано с определяне състоянието на пигментния фонд, съдържанието на общ разтворим белтък и степента на пролинова акумулация в асимилационния апарат на четири популации от обикновен кестен (Castanea sativa Mill.) от района на Южна България за оценка на тяхната физиологична активност и приспособимост към конкретните условия на месторастене. Три от експеримен-талните опитни площи са заложени в кестенови насаждения, разпространени по северните склонове на Беласица (ДГС Петрич), а четвъртата - в Северозападен Пирин, в района на с. Брежани (ДГС Симитли).

Проследените параметри, пряко свързани с физиологичния статус на попула-циите показват, че Самуилово450 се отличава като най-жизнена и физиологично ак-тивна, което предполага и по-голяма устойчивост и приспособимост към условията на средата. Установените високи нива на свободен пролин за популация Петрич700, я определят като по-уязвима към неблагоприятните условия на средата.

ключови думи: Castanea sativa Mill., хлорофили, каротеноиди, общ белтък, сво-боден пролин

Обикновеният кестен е вид с важно екологично, стопанско и социално значение. Той е бързорастящ, високопродуктивен и има ценна дървесина, която се характеризира с много добри технически показатели. Плодовете му са със специфичен хранителен състав и вкусови качества, поради което в много страни от Европа и Азия съществуват дългогодишни традиции в отглеждането и култивирането му. Видът е приоритетен обект за генетично съхранение в рамките на Европейската програма за горски генетични ресурси – EUFORGEN (Fernandez-Lopez, Alia, 2003), което подчертава неговото международно значение.

През последните няколко десетилетия не само у нас, но и в редица европейски страни, и в страните от Кавказкия регион, се наблюдава непрекъснато влошаване на фитосанитарното състояние, засилваща се деградация и постепенно стесняване ареала на вида. Една от причините за това състояние, наред с изменението на климата

28

и промените в земеползването, е и големият дял на престарелите насаждения, като резултат от неправилното им стопанисване (Gambi, Amorini, 1978; Cabannes, Rolland, 1982; Bacchetta, 1984). Сред основните причини се посочват още и разпространението на силно патогенните Cryphonectria parasitica и Phytophtora sp., водещи до намаляване размера на популациите и обедняване на генетичния фонд в много европейски страни.

Отрицателното въздействие на климатичните промени върху нормалното функциониране на кестеновите екосистеми е по-силно изразено в долния лесорастителен пояс, обхващащ и зоната на неговото разпространение. На такива месторастения обикновеният кестен е силно уязвим и расте в условия на неблагоприятен температурен режим, воден дефицит и др. отрицателни фактори, което е предпоставка за хронично отслабване на дърветата и нападение от различни гъбни и насекомни вредители (Раев, Роснев, 2003). Тенденцията към намаляване на растителните ресурси на Castanea sativа Mill. у нас непрекъснато се засилва, като някои находища са застрашени от изчезване, ако не се вземат спешни мерки за тяхното запазване, разширяване и генетично подобряване (Захов, Роснев, 1982; Велков, 1986; Глушкова, 2004).

Известно е, че неблагоприятните фактори на околната среда пречат на растенията да реализират генетичния си потенциал (Xiong, Zhu, 2002). Поради това изучаването на физиологията и биохимията на стреса при растенията е интерес за много изследователи и същевременно има голямо практическо значение за реализацията на максимални добиви.

В тази връзка изследванията върху физиологичния статус на популации Castanea sativa Mill. биха обогатили информацията относно техните потенциални възможности за приспособяване към променящите се условия на средата. Те ще подпомогнат избора на подходящи генотипове при създаване на кестенови култури, с оглед приспособяване на горите към климатичните промени.

Настоящото изследване е насочено към определяне състоянието на пигментния фонд, съдържанието на общ разтворим белтък и степента на пролинова акумулация в асимилационния апарат на популации от обикновен кестен (Castanea sativa Mill.) за оценка на тяхната физиологична активност и приспособимост към конкретните условия на месторастене.

ОБекти и метОди

В проучването са включени четири популации от обикновен кестен (Castanea sativa Mill.) на територията на Южна България.

29

Три от експерименталните опитни площи са заложени в кестенови насаждения, разпространени по северните склонове на Беласица (ДГС Петрич) - Беласица550, Петрич700 и Самуилово450. Освен тях е заложена една опитна площ в Северозападен Пирин, в района на с. Брежани (ДГС Симитли) - Брежани600.

Изследвани са дървета в репродуктивна зрелост - на възраст от 60 до 80 г., когато основните морфологични, екологични и биологични особености на вида са добре диференцирани. Изборът на експерименталните площи е съобразен с поставените цели на изследването, както и с изискването за представителност по отношение разнообразието на надморски височини, условия на месторастене и начин на стопанисване на насажденията.

Анализирани са физиологично зрели листа, в трикратна повторяемост.

Изследвани са следните физиолого-биохимични параметри:Листни пигменти - хлорофил а, хлорофил в и каротеноиди, които са

един от основните критерии за оценка на функционалната активност на фотосинтетичния апарат на растенията. Съдържанието им е определено в 80% ацетонов извлек (Арнон, 1949). Изчисленията са направени по Мас Kinney (1941) и Гавриленко и др. (1975);

Общ разтворим белтък – определен по метода на Bradford et al. (1976);

Степен на пролинова акумулация – увеличава се при наличието на различни видове абиотичен стрес и играе важна роля в растителното приспособяване. Определена е по метода на Bates et al. (1973).

реЗултати и ОБсъждане

Фотосинтетични пигментиСъдържанието на хлорофил а във фотосинтетичния апарат

на изследваните индивиди от обикновен кестен се изменя от 1.349±0.006 до 2.839±0.003 mg g-1. Съдържанието на хлорофил в варира в границите от 0.204±0.002 до 0.860±0.006 mg g-1. Най-високи среднопопулационни стойности на фотосинтетичните пигменти са установени за индивидите от популация Самуилово450, а най-ниски нива са регистрирани при популация Петрич700 (фиг. 1 А и 1 В).

Съотношението хлорофил а/хлорофил в е най-ниско при индивидите от популация Самуилово450 и най-високо при тези от Петрич700 (фиг. 2 А). Установените стойности корелират с получените от Gomes-Laranjoa et al. (2006) за три кестенови култивара, които показват че температурният режим по време на вегетационния сезон оказва значително влияние върху това съотношение, като се увеличава

30

от 2.99 до 3.95 в периода юни-септември. Значително по-високи са получените в настоящото изследване стойности за индивидите от популации Беласица550 и Петрич700, което вероятно се дължи на специфичния светлинен режим в естествените кестенови насаждения у нас, в сравнение с условията на плантациите за плодопроизводство, при които традиционно се отглеждат култиварите.

Получените резултати потвърждават и установеното от Гетко (1989), че за разлика от хлорофил в, при хлорофил а лабилната форма преобладава значително над здравосвързаната, което предполага и неговото по-лесно разрушаване под действието на неблагоприятни фактори на средата.

Съдържанието на каротеноиди в листата на обикновения кестен в проучваните популации варира в границите от 0.041±0.002 до 0.083±0.001 mg g-1. Установените резултати за съотношението зелени/жълти пигменти (хлорофил а+в/каротеноиди) показват, че с най-висока стойност се отличава популация Брежани600, а с най-ниска - Петрич700 (фиг. 2 В). По-ниската стойност на съотношението зелени/жълти пигменти се свързва с повишаване на защитата срещу фотоокисление на хлорофила (Koyama, 1991; Demming - Adams, Adams, 1996; Gilmore et al., 1998; Gilmore, Govindjee, 1999). Според тези автори предотвратяване разрушаването на хлорофилните молекули под действието на активни кислородни форми, чието количество се увеличава в клетките при неблагоприятни въздействия, е една от най-важните функции на каротеноидите в ксантофиловия цикъл.

2,8300 2,6740

1,62151,3809

1 2 3 4

0,84760,7162

0,36640,2434

1 2 3 4

1 (A) 1 (B)

Фиг. 1. Съдържание на хлорофил а – 1 (A) и хлорофил в – 1 (B) (mg g-1 FW) в листа от популации: 1- Самуилово450; 2 – Брежани700; 3 – Беласица550

и 4 – Петрич700Fig. 1. Content of Chlorophyll a – 1 (A) and Chlorophyll b – 1 (B) (mg g-1 FW) in the leaves of populations: 1 – Samuilovo450; 2 – Brezhani700; 3 – Belacitsa550

and 4 – Petrich700

31

Белтъчно съдържаниеПолучените експериментални данни за съдържанието на общ

разтворим белтък в изследваните популации очертават същата тенденция, каквато бе установена при листните пигменти. С най-високи стойности сред изследваните популации се отличават индивидите от Самуилово450, а с най-ниски – от Петрич700 (фиг. 3 А). По-голямото количество на фотосинтетични пигменти би могло да се свърже с по-интензивна белтъчна синтеза, произвеждаща необходимите ензими и структурни белтъци за пигментния синтез.

Подобни резултати са получили и McCarthy, Meredith (1988) за белтъчното съдържание на различни култивари на Castanea dentata Marsh., както и Sacchetti, Pinavaia (2005), за няколко различни екотипа на Castanea sativa Mill. в Италия. Получените стойности обаче, са по-високи от тези, посочени от Lauteri et al., (1997) за различни произходи на обикновения кестен, изпитвани в няколко провиниенчни опитни култури в условията на Северна и Средна Италия. От друга страна, следва да се има предвид и съществуващото при растенията т. нар. „метаболитно приспособяване“, което се задейства при стресови въздействия.

Пролинов статусОт резултатите, представени на фиг. 3 В се вижда, че с най-

високи нива на свободен пролин в листата се отличава популация Петрич700, а с най-ниски – индивидите от популация Самуилово450.

Редица изследователи приемат, че съдържанието на свободен

3,343,73

4,43

5,67

1 2 3 4

43,92 45,08

27,5

13,02

1 2 3 4

2 (A) 2 (B)

Фиг. 2. Съотношение на хлорофил а/b – 2 (A) и хлорофил/каротеноиди – 2 (B) в листа от популации: 1- Самуилово450; 2 – Брежани700; 3 – Беласица550

и 4 – Петрич700Fig. 2. Ratio of Chlorophyll a/b – 2 (A) and Chlorophyll/Carotenoids – 2 (B) in the leaves of populations:1 – Samuilovo450; 2 – Brezhani700; 3 – Belacitsa550

and 4 – Petrich700

32

пролин характеризира физиологичното състояние на растителните организми (Палфи и др., 1973; Шевякова, 1983; Бирюкова, 1986; Найденова, Велинова, 2001; 2003; 2005; Mapelli et al., 2001; velinova et al., 2008; 2010 и др.) и при оптимални условия на растеж свободният пролин в клетките на растенията е в незначителни количества. Според други автори (Dashek, Erickson, 1981) натрупването му е защитна реакция на растенията при преодоляване на неблагоприятни условия на растеж. Според Fahmy et al. (1990) натрупването на пролин в свободно състояние е свързано с преждевеременното стареене на листата и забавянето на хлорофилния синтез.

Получените резултати в настоящото проучване се доближават до установените от Thrasyvoulou, Manikis (1995) за растящи при условията на Северна Гърция кестенови дървета. Освен това те потвърждават доказаната от Schautz et al. (1966) и Тянкова (1970) корелация, свързана с измененията в съдържанието на хлорофила и пролина, при което по-високото съдържание на пролин се обяснява с намаляване съдържанието на хлорофил в листата. Популация Петрич700 е с най-ниско съдържание на листни пигменти и най-високо на свободен пролин.

Нашите експериментални данни са в подкрепа и на изводите за съществуването на връзка между увеличеното количество свободен пролин и деградацията на белтъците (Reggiani et al., 1988). В случая, популация Петрич700 се характеризира с най-ниско съдържание на общ протеин и най-високо съдържание на свободен пролин.

35,611

29,81625,873

20,577

1 2 3 4

3,896

6,8436,04

7,232

1 2 3 4

3 (A) 3 (B)

Фиг. 3. Съдържание на общ разтворим белтък (mg g-1 FW) – 3 (A) и свободен пролин (µg g-1 FW) – 3 (B) в листа от популации: 1-Самуилово450; 2 – Брежани700;

3 – Беласица550 и 4 – Петрич700Fig. 3. Content of Total Soluble Protein (mg g-1 FW) – 3 (A) and Free Proline (µg g-1

FW) – 3 (B) in the leaves of populations: 1 – Samuilovo450; 2 – Brezhani700; 3 – Belacitsa550 and 4 – Petrich700

33

ЗаклЮЧение

Резултатите от настоящото проучване дават представа за физиологичния облик и метаболитното състояние на популации от обикновен кестен (Castanea sativa Mill.) от района на Южна България.

Установено е, че с най-високо съдържание на фотосинтетични пигменти и на общ разтворим белтък, и съответно с най-ниски нива на свободен пролин се характеризира популация Самуилово450. За индивидите от популация Петрич700 са установени най-високи нива на свободен пролин, и най-ниско съдържание на листни пигменти и общ разтворим белтък. Резултатите от изследванията потвърждават наличието на отрицателна корелация между съдържанието на хлорофила и пролина, както и съществуването на връзка между количеството на свободен пролин и процесите на деградация на белтъците в клетките на растенията.

Според получените резултати за съотношението зелени/жълти пигменти (хлорофил а+в/каротеноиди), с най-ниска стойност се отличава популация Брежани600, а с най-висока – популация Петрич700. По-ниската стойност на това съотношение се свързва с повишаване на защитата срещу фотоокисление на хлорофила, което се наблюдава при неблагоприятни външни въздействия.

Проследените параметри, пряко свързани с физиологичния статус показват, че в сравнение с останалите изследвани популации Самуилово450 се разграничава като най-жизнена и физиологично активна, което предполага и по-голяма устойчивост и приспособимост. Установените високи нива на свободен пролин за популация Петрич700, я определят като по-уязвима към неблагоприятните условия на средата, в сравнение с останалите.

Получените резултати могат да намерят приложение в залесителната дейност при избор на подходящи месторастения за създаване на кестенови култури, с оглед устойчивото стопанисване на горите и тяхното успешно приспособяване към променящите се климатични условия.

литература

Бирюкова, З. П. 1986. Свободный пролин как показатель физиологического состояние сосны обикновенный. Физиология растений, 33, 5, 1027-1030.

Велков, Д. 1986. Състояние и възможности за запазване на генетичните ресурси от обикновен кестен (Castanea sativa Mill.) в Западния дял на Стара планина. На-ционална конференция по екологични и генетични проблеми от замърсяване на околната среда, ІІ, 9-13 юни, Враца, 423-426.

34

Гавриленко, В., М. Ладыгина, Л. Хандобина. 1975. Большой практикум физиологии растений, М.

Глушкова, М. 2004. Генетични ресурси от обикновен кестен (Castanea sativa Mill.) в България. Наука за гората, 4, 13-25.

Захов, С., Б. Роснев. 1982. Болести и вредители в кестеновите насаждения в земите на горския фонд и мерки за борба срещу тях. Сборник „Проблеми на обикновения кестен в НРБ“, С., 18-26.

Найденова, Цв., К. Велинова. 2001. Върху някои физиолого-биохимични изменения в иг-лолистата на фиданки от бял бор (Pinus sylvestris L.) и черен бор (Pinus nigra Arn.) при условия на почвено засушаване. В: Сб. Трета Балканска научна конференция „Проучване, опазване и използване на горските ресурси“, ІІ, 311-319.

Найденова, Цв., К. Велинова. 2003. Върху някои физиолого-биохимични изменения в листата на фиданки от летен дъб (Quercus pedunculata Ehrh.) и червен дъб (Quer-cus rubra L.) при условия на почвено засушаване. В: Сб. Научни доклади от меж-дународна научна конференция „50 години Лесотехнически университет“, секция Екология и опазване на околната среда, 86-89.

Найденова, Цв., К. Велинова. 2005. Съдържание на пигменти и свободен пролин в аси-милационния апарат на видове от род Quercus. Наука за гората, 1, 3-14.

Палфи, Г., М. Бито, Ж. Палфи. 1973. Свободный пролин и водный дефицит растител-ных тканей. Физиология растений, 20, 2, 233.

Раев Ив., Б. Роснев. 2003. Въздействие на засушаването върху естествените горски екосистеми. В: Засушаването в България съвременен аналог за климатични про-мени. Българска академия на науките, С., 95-110.

Тянкова, Л. 1970. Влияние на засушаването върху съдържанието на свободния пролин и захарите в хлорофилни и безхлорофилни растения. Физиология на растенията, І, 159-167.

Шевякова, Н. И. 1983. Метаболизм и физиологическая роль пролина при водном и солевом стрессе. Физиология растений, 30, 4, 768.

Arnon, D. 1949. Copper enzymes in isolated chloroplast. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol., 24, 1-15.

Bacchetta R. 1984. Le châtaignier a bois et la mise en valeur des tailis de chataignier. Bulletin CEMAGREF, BI 322, p. 75-98.

Bates, L., R. Waldren, I. Teare. 1973. Rapid determination of free praline for water-stress studies (Short communication). Plant and Soil, 39, 205-207.

Bradford, M. M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem., 72: 248-254.

Cabannes, B., M. Rolland. 1982. Enquetes sur les possibilities d’amelioration des taillis de châtaignier en Languedoc-Roussillon. Internal Report, Montpellier, 20.

Dashek, W., S. Erickson. 1981. Isolation assay, biosynthesis, metabolism uptake and transloca-tion and function of praline in plant cell and tissues. Botanical Rewiew, 47 (3), 350-385.

Demming-Adams, B., W. W. Adams. 1996. Xanthophyll cycle and light stress in nature: uniform response to excess direct sunlight among higher plant species. – Planta, 198, 460-470.

Fahmy, G., A. Hegazy, H. Hassan. 1990. Phenology, pigment content and diurnal change of praline in green and senescing leaves of three Zygophyllum species. Flora, 184, 423-436.

Fernandez-Lopez, J., R. Alia. 2003. Technical Guidelines for genetic conservation and use for chestnut (Castanea sativa). IPGRI, Rome, Italy, 1-6.

Gambi, G., E. Amorini. 1978. Il trattamento del Castagno e la produzione di legname da lavoro dal ceduo. In: ‘Il castagno nella regione padano-alpina’, Milano, 19-25.

Gilmore, A. M., v. P. Shinkarev, T. L. Hazlett, Govindjee. 1998. Quantative analysis of the effects of intrathylakoid pH and xanthophyll cycle pigments on chlorophyll a fluorescence

35

lifetime distributions and intensity in thylakoids. Biochemistry, 37, 13 582-13 593.Gilmore, A. M., Govindjee. 1999. How higher plant respond to excess light: energy dissipation

in photosystem II. In: Singhal, G. S. G. Renger, S. K. Sopory, K. D. Irrgang, Govindjee (Eds.) Concepts in photobiology: photosynthesis and photomorphogenesis. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 513-518.

Gomes-Laranjoa, J., F. Peixotob, W. Harro, Wong Fong Sangc, J. Torres-Pereira. 2006. Study of the temperature effect in three chestnut (Castanea sativa Mill.) cultivars’ behaviour. J. of Plant Physiology, 163, 945-955

Koyama, Y. 1991. Structure and function of carotenoids in photosynthetic system. J. Photo-chem. Photobiol., 9, 265-280.

Lauteri, M., A. Scartazza, M. C. Guido, E. Brugnoli. 1997. Genetic variation in photosynthetic capacity, carbon isotope discrimination and mesophyll conductance in provenances of Castanea sativa adapted to different environments. Functional Ecology, 11, 675-683.

McCarthy, M. A., Meredith, F.I. 1988. Nutrient data on chestnuts consumed in the United States. Econ. Bot., 42 (1), 29-36.

Mackinney, G. 1941. Absortion of Light by Chlorophyll Solutions. Journal of Biol. Chem., 140, 315-322.

Mapelli, S., I. Brambilla, A. Bertani. 2001. Osmotic adaptation and praline in drought stressed Robinia pseudoacacia clones. In: Third Balkan Scientific Conference Proceedings, Іv, 253-260.

Sacchetti, G., Pinavaia, G.G. 2005. Compositional characteristics of some chestnut biotypes of Emiliano-Romagnolo Apennine. Acta Horticulturae, 693, 241-245.

Schantz, R., J. Salaun, H . Duranton. 1966. Acad. Sci., Paris, 262, 1246.Thrasyvoulou, A., J. Manikis. 1995. Some physicochemical and microscopic characteristics of

Greek unifloral honeys. Apidology, 26, 441-452.velinova, K., Ts. Naydenova, A. Dakov. 2008. Contents of pigments, total protein and free

proline in the assimilating apparatus of 12-year-old European provenances of European beech (Fagus sylvatica L.). Silva Balcanica, 9 (1), 59-66.

velinova, K., Ts. Naydenova, A. Dakov. 2010. Contents of carbohydrates in the assimilating apparatus of 12-year-old European provenances of European beech (Fagus sylvatica L.). Silva Balcanica, 11(1), 27-32.

Xiong, L., J. K. Zhu, 2002. Molecular and genetic aspects of plant responses to osmotic stress. Plant, Cell & Environment, 25, 2, 131-139.

36

CONTENT OF PHOTOSYNTHETIC PIGMENTS, TOTAL PROTEIN AND FREE PROLINE IN THE ASSIMILATION

APPARATUS OF EUROPEAN CHESTNUT (CASTANEA SATIVA MILL.) POPULATIONS

K. Velinova, m. GlushkovaForest Research Institute - Sofia Bulgarian Academy of Sciences

(SUMMARY)

In this investigation, the status of pigment fund, the content of total soluble protein and the degree of proline accumulation in assimilation apparatus of European chestnut (Castanea sativa Mill.) populations from South Bulgaria was studied, in order to assess their physiological activity and adaptive ability to specific habitat conditions. Three experimental plots were established in chestnut populations in Belasitsa Mt. - Belasitsa550, Petrich700 and Samuilovo450 and one sample plot - in Northern Pirin Mt., near the village of Brezhani - Brezhani600.

The studied parameters, closely related to physiological status of chestnut, showed that Samuilovo450 is the most viable and physiologically active population, which suggests higher resistance and adaptability to environmental conditions. High level of free proline, founded out for Petrich700, defined this population as more vulnerable to unfavourable environmental conditions, in comparison with other studied chestnut populations.

Key words: Castanea sativa Mill., chlorophyll, carotenoids, total protein, free proline