DOI: 10.15393/j2.art.2019.5022
УДК 630
Статья
Обогащение древесной зелени сосны обыкновенной Ь-аргинином путём оптимизации азотно-борного питания
Робонен Елена Вильямовна
научный сотрудник, Институт леса Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск (Российская Федерация), er51@bk.ru
Чернобровкина Надежда Петровна
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, Институт леса Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск (Российская Федерация), chernobr@krc.karelia.ru
Зайцева Мария Игоревна
кандидат технических наук, доцент, Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск (Российская Федерация), 2003bk@bk.ru
Получена: 24 декабря 2019 /Принята: 30 декабря 2019 / Опубликована: 14 января 2020
Аннотация: Предложено рассматривать хвойные как источник получения богатого L-аргинином растительного сырья. Отмечается способность хвойных накапливать значительное количество L-аргинина в органах и тканях при высоком уровне азотного питания и разбалансированности общего фона других элементов минерального питания. Бор влияет на активность ферментов азотного обмена, стимулирует поступление азота в хвойное растение и накопление L-аргинина в его тканях. Оптимизация технологии получения обогащённой L-аргинином древесной зелени хвойных требует выявления диапазонов эффективных доз внесения азотно-борных подкормок. Эксперимент, проведённый в 15-летнем молодняке сосны обыкновенной, произрастающем на песчаной почве с низким уровнем минерального питания, показал дозу борной кислоты 3 г • м-2 как наиболее эффективную из испытанных на фоне внесения азота в форме аммиачной селитры в дозе 150 г • м-2 по д. в. Полученную информацию предлагается использовать при построении цепочек лесохозяйственных мероприятий для повышения их рентабельности путём получения дополнительного продукта — древесной зелени с модифицированным биохимическим составом.
http://rt.petrsu.ru
DOI: 10.15393/j2.art.2019.5022 Article
Enrichment of common pine green mass with L-arginine by optimizing nitrogen-boron nutrition
Elena V. Robonen
Researcher Forest Research Institute of Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences, Petrozavodsk (Russian Federation) er51@bk.ru
Nadezhda P. Chenobrovkina
Doctor of biological Sciences, leading researcher, Forest Research Institute of Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences, Petrozavodsk (Russian Federation) er51@bk.ru
Maria I. Zaitseva
PhD in engineering, associate Professor, Petrozavodsk State University, Petrozavodsk (Russian Federation) 2003bk@bk.ru
Received: 24 December 2019 /Accepted: 30 December 2019/Published: 14 January 2020
Abstract: Conifers may be considered as a source of plant materials rich in L-arginine. Conifers are noted with the ability to accumulate a significant amount of L-arginine in organs and tissues with a high level of nitrogen nutrition and an imbalance in the general background of other elements of mineral nutrition. Boron affects the activity of nitrogen metabolism enzymes, stimulates the flow of nitrogen into the coniferous plant and the accumulation of L-arginine in its tissues. Optimization of the technology to obtain coniferous green mass enriched with L-arginine requires the identification of ranges of effective doses of nitrogen-boron top dressing. An experiment carried out in a 15-year-old pine stand, growing on sandy soil with a low level of mineral nutrition, showed the most effective dose of boric acid 3 g • m-2 tested against the background of the addition of nitrogen in the form of ammonium nitrate at a dose of 150 g • m-2 by active substance. The obtained information might be used to construct chains of forestry measures to increase their profitability by obtaining an additional product - green mass of a modified biochemical composition.
http://rt.petrsu.ru
При изыскании новых сырьевых источников биологически активных веществ рассматривается возможность разработки способов целенаправленного изменения биохимического состава и фармакологических свойств растительного сырья. Экстрактивные вещества из растительного сырья широко применяются в фармацевтической, химической промышленности, сельском хозяйстве. Для северо-запада России особый интерес представляет использование древесной зелени хвойных как огромного неиспользуемого биоресурса. Биотехнология повышения уровня L-аргинина в древесной зелени хвойных пород и получения из неё хвойных препаратов — хвойной муки и водного хвойного экстракта предлагается как один из способов глубокой переработки отходов лесного комплекса [1—8].
Предложено рассматривать хвойные как возможный источник получения богатого L-аргинином растительного сырья [1]. Отмечается способность хвойных накапливать значительное количество L-аргинина в органах и тканях при высоком уровне азотного питания и разбалансированности общего фона других элементов минерального питания [9— 12]. Бор влияет на активность ферментов азотного обмена, стимулирует поступление азота в хвойное растение и накопление L-аргинина в его тканях [1—3]. Эти положения явились теоретической основой разрабатываемой технологии обогащения L-аргинином древесной зелени хвойных.
В России производство подавляющей части лекарственных средств в настоящее время характеризуется сырьевой импортозависимостью [13]. К импортозависимым по сырью относятся и аргинин-содержащие препараты. Для оптимизации технологии получения обогащённой L-аргинином древесной зелени хвойных требуется выявление диапазонов эффективных доз внесения азотно-борных подкормок.
Целью работы было выявление диапазона эффективных доз бора при фиксированном фоне азотного питания для накопления L-аргинина в хвое сосны обыкновенной.
Исследования проводили в условиях южной Карелии, в 15-летнем молодняке сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) естественного возобновления, сформировавшемся на месте песчаного карьера. Почва участков песчаная, напочвенный покров редкий, представлен преимущественно вереском (Callüna vulgaris).
На пробной площади были заложены 7 опытных и 1 контрольный участки. На опытных участках в первой декаде июня в почву вносили азот и бор по вариантам эксперимента (см. таблицу). Азот вносили в виде сухой аммиачной селитры в одной дозе — 150 г • м-2 по действующему веществу (д. в.), бор — в виде водного раствора борной кислоты. Дозы
http://rt.petrsu.ru
борной кислоты в диапазоне от 0 до 100 г • м-2 (0—23 г • м-2 по д. в.) рассчитывали с равным шагом по логарифмической шкале. Аммиачную селитру и борную кислоту равномерно распределяли по каждому участку. На контрольном участке азот и бор в почву не вносили.
Таблица. Схема внесения азота в виде сухой аммиачной селитры и бора в виде водного раствора борной кислоты на опытных участках в 15-летнем молодняке сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)
Вносимый элемент № варианта
-2 Азот, г • м 0 150 150 150 150 150 150 150
-2 Бор, г • м 0 0,00 0,02 0,07 0,23 0,69 6,9 23,0
Образцы растительного материала для анализа отбирали в середине сентября этого же года, в ясный солнечный день, в полуденное время (с 13:00 до 14:00 м. в.) с третьей мутовки от вершины дерева, с юго-западной стороны кроны. Секатором отделяли охвоенные побеги текущего и прошлого годов отдельно, до анализа растительный материал хранили в морозильной камере при температуре -70 °С. Для одного анализа использовали 200 мг растительного материала. Экстракцию аминокислот из хвои проводили горячей водой (60 °С) [19]. Содержание Ь-аргинина в однолетней и двулетней хвое определяли в трёхкратной повторности методом цветной реакции Сакагучи; кроме того, в однолетней хвое — на автоматическом аминокислотном анализаторе ААА-339 («Микротехна», Чехия), результаты сопоставляли.
Исследования выполнены на научном оборудовании Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра «Карельский научный центр Российской академии наук».
Результаты анализа, полученные методом цветной реакции Сакагучи, были сопоставимы с результатами, полученными на автоматическом аминокислотном анализаторе. Содержание Ь-аргинина в однолетней и двулетней хвое 15-летних деревьев сосны обыкновенной, удобренных в начале июня азотом в виде аммиачной селитры в дозе 150 г • м-2 по д. в. без внесения бора, составляло 61,3 и 55,7 мкмоль • г абсолютно сухого вещества (а. с. в.), что многократно превосходило контрольный вариант — около 0,2—0,5 мкмоль • га. с. в. (см. рисунок). При увеличении дозы бора от 0,02 до 0,23 г • м-2 содержание Ь-аргинина незначительно повышалось в однолетней хвое и практически не изменялось в двулетней.
Resources and Technology 16 (4): 119-127, 2019 ISSN 2307-0048
http://rt.petrsu.ru
При дозе бора 0,69 г • м- наблюдали резкое увеличение содержания Ь-аргинина как в однолетней хвое — до 345,4 мкмоль • га. с. в., так и двулетней — до 157,2 мкмоль • г а. с. в. При дальнейшем увеличении дозы внесения бора содержание Ь-аргинина в хвое понижалось, но по-прежнему значительно превосходило контрольный вариант. Полученные результаты позволяют считать, что при данном уровне азота выявлен диапазон наиболее эффективных доз бора для получения древесной зелени сосны обыкновенной, обогащённой Ь-аргинином. Дальнейшее увеличение доз бора не эффективно для достижения поставленной цели. Более того, на участке с максимальной дозой бора наблюдали появление хвои красно-бурого цвета, что характерно для избыточных доз бора. Таким образом, можно считать, что верхняя граница диапазона толерантности в эксперименте охвачена, дальнейшее увеличение дозы может привести к угнетению роста в связи с сокращением фотоассимилирующего аппарата.
□ Однолетняя хвоя
□ Двулетняя хвоя
B 0 0,00 0,02 0,07 0,23 0,69 6,90 23,00
N 0 N 150 Доза азота (N) и бора (B), г*м-2,
Рисунок. Содержание Ь-аргинина в однолетней и двулетней хвое сосны обыкновенной в зависимости от дозы внесения в почву борной кислоты при низком (К 0) и высоком (К 150) уровне азотного питания
Доза борной кислоты 3 г • м-2 (0.69 г • м-2 по д. в.) оказалась наиболее эффективной из испытанных для накопления Ь-аргинина в хвое. Проделанную работу следует считать первым этапом оптимизации технологии по дозам бора. В дальнейшем имеет смысл испытать более дробно дозы в диапазоне от 0,23 до 6,9 г • м-2. Полученную информацию предлагается использовать при построении цепочек лесохозяйственных мероприятий,
http://rt.petrsu.ru
повышающих их рентабельность путём получения дополнительного продукта — древесной зелени с модифицированным биохимическим составом.
Древесную зелень, обогащённую Ь-аргинином, предлагается заготавливать при проведении таких видов уходов в молодняках, как осветления, прочистки, обрезка живых ветвей и внесение удобрений. Однако для этого предлагается изменить последовательность мероприятий и проводить внесение удобрений до рубок, в отличие от традиционной схемы. Построение такой последовательности позволит в процессе проведения этих затратных мероприятий получать ценное сырьё — хвою, обогащённую Ь-аргинином. Доза внесения азота, используемая в эксперименте, находится в пределах диапазона наиболее используемых при проведении уходов в сосняках, произрастающих на бедных азотом почвах. В условиях Фенноскандии дефицитным для роста хвойных растений, наряду с азотом, является бор [4]. По потребности в боре виды растений сильно различаются, что отражается в его оптимальных концентрациях в тканях листьев [14]. Дефицит бора является широко распространённой в мире проблемой, особенно на песчаных и щелочных почвах [15]. Области, где обнаружены почвы с низким содержанием бора, кроме Северной Европы, включают Южную и Юго-Восточную Азию, Восточную Австралию и Новую Зеландию, Африку, Северную и Южную Америку [16]. У корней недостаток бора ингибировал удлинение в точках роста, а в наиболее экстремальных случаях вызывал некроз этих тканей. Вследствие гибели клеток снижался рост корней, особенно боковых [17], [18]. Дефицит бора приводил к задержке роста надземных органов [19], [20]. У многих древесных растений при длительном дефиците бора наблюдали снижение качества древесины [15]. Бор наиболее часто является дефицитным микроэлементом в хвойных лесах [21], [22]. Оптимизация борного питания, наряду с азотным, перспективна при интенсификации процесса выращивания леса.
Предложено рассматривать хвойные как источник получения богатого Ь-аргинином растительного сырья Древесную зелень, обогащённую Ь-аргинином, предлагается заготавливать при проведении таких видов уходов в молодняках, как осветления, прочистки, обрезка живых ветвей и внесение удобрений. Для этого предлагается проводить внесение удобрений до рубок, в отличие от традиционной схемы. Наиболее эффективной для накопления Ь-аргинина в хвое, из испытанных на фоне внесения азота в форме аммиачной селитры в дозе 150 г • м-2по д. в., оказалась доза борной кислоты 3 г • м-2. Содержания Ь-аргинина достигало 345,4 и 157,2 мкмоль • г а. с. в. в однолетней и двулетней хвое соответственно. Оптимизация борного питания, наряду с азотным, перспективна при интенсификации процесса выращивания леса.
http://rt.petrsu.ru
Финансовое обеспечение исследований осуществлялось из средств федерального
бюджета на выполнение государственного задания КарНЦ РАН (Институт леса КарНЦ РАН).
Список литературы
http://rt.petrsu.ru
References
http://rt.petrsu.ru
© Робонен Е. В., Чернобровкина Н. П., Зайцева М. И., 2019