Интродукция лекарственных растений является одним из направлений ботанико-фармакогностических исследований. Организация и функционирование растительных сообществ при интродукции обусловлены разнообразными типами взаимодействия их компонентов, в частности корневыми выделениями, которые могут оказывать воздействие на другие виды в естественных и агрофитоценозах [8; 9]. Снижение видового разнообразия, прежде всего, связано с влиянием деятельности человека. Однако некоторые растительные виды исчезают вследствие естественного отбора, включая механизмы взаимодействия растений, такие как конкуренция и аллелопатия. В ходе эволюции конкуренция и аллелопатия играют важную роль в регулировании видового разнообразия растительных сообществ [7; 10]. Активные соединения могут выделяться корнями растений, поступать с опадом листьев и побегов в почву. Некоторые из этих соединений способны негативно воздействовать на всхожесть семян, замедлять рост проростков, оказывать повреждающее действие на корни и побеги, обусловливая даже их гибель [4].
Растения в процессе жизнедеятельности выделяют в среду химические соединения. В частности, выявлено, что аллелопатические взаимодействия высших растений в значительной степени определяются физико-химическими свойствами почвенного субстрата и активностью его микрофлоры [8]. Вещества аллелопатической природы при растворении в почве могут оказывать существенное влияние как на само растение, так и на другие соседствующие организмы [1]. При этом отмечен сложный характер взаимодействия, который может быть односторонним или обоюдным, положительным или отрицательным, или изменяться в процессе вегетации [2].
Цель исследования - аллелопатическая активность почвы опытного участка «ГТС» - филиала ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН под многолетними интродукционными насаждениями Heracleum sosnowskyi и Heracleum moellendorffii.
Материалы и методы. Исследования проводили в течение вегетационных периодов 2015-2017 гг. на опытном участке лаборатории лекарственных растений. Для эксперимента брали почву под растениями H. sosnowskyi, произрастающими на одном месте более 20 лет, и H. moellendorffii, произрастающими 5 лет (рис. 1, 2). Сроки отбора почвенных образцов приурочили к фазе плодоношения растений H. sosnowskyi и H. moellendorffii (конец июля). Отбор производили в ясную погоду, влажность почвы была близка к гигроскопической, тип почвы бурая подзолистая. На опытном участке выбирались, в фазе плодоношения генеративные растения-доноры H. sosnowskyi и H. moellendorffii. В пределах границ участка, в качестве контроля использовали почву под залежью. Пробы почв отбирали из пахотного слоя глубиной 0-20 см на расстоянии 0,5 проекции надземной части растения-донора. Для определения аллелопатической активности применяли метод биотестирования по ингибированию роста проростка. Для тестирования, в качестве объекта, использовали семена огурца сорт «Восток», предварительно дезинфицируемые стандартным методом. Семена тест-объекта проращивались в чашках Петри на почвенных субстратах H. sosnowskyi, H. moellendorffii и контроля (слой 1,0-1,5 см толщиной). Основное внимание обращалось на фазу прорастания семян и формирование проростков, поскольку наибольшая чувствительность растений к колинам проявляется на начальных фазах онтогенеза [5]. Брали в расчет следующие параметры посевных качеств семян: длина семядоли проростка, длина стебля проростка, длина корня проростка. В соответствии с ГОСТ 12088-84с на 5-е сутки исследования определяли энергию прорастания, на 7-е сутки – всхожесть семян. На 10-е сутки учитывали силу начального роста методом морфологической оценки проростков. С контрольными и опытными проростками проводили биометрические исследования. Длину корней и проростков выражали в процентах к длине контрольных, которые принимали за 100%.
Рис. 1. Посадки H. sosnowskyi на опытном участке
Рис. 2. Посадки H. moellendorffii на опытном участке
По средним данным исследуемых органов проростка (семядоля, стебель, корень) рассчитывали индекс аллелопатической активности (фитотоксичности) почвы (I) [3; 6].
I=(Lk – Lo):Lk,
где Lk – морфометрический показатель проростка тест-объекта в контроле,
Lo – морфометрический показатель проростка тест-объекта в опыте.
Статистическую обработку полученных данных проводили методом описательной статистики с вычислением средней арифметической и ее средней ошибки.
Результаты исследования и обсуждение
Прорастание семян является одним из самых важных и сложных этапов в онтогенезе растений. Этот период характеризуется особенно интенсивным обменом веществ, в результате которого запасные вещества превращаются в соединения, используемые проростком на новообразование тканей. В нормально прорастающем семени течение биохимических реакций строго координировано [5].
В ходе эксперимента, в условиях почвы под H. sosnowskyi и H. moellendorffii, прослеживалось снижение энергии прорастания семян тест-объекта на 90,7% и 38,3% соответственно по сравнению с контролем. Всхожесть семян тест-объекта в условиях почвы H. sosnowskyi отставала от контроля на 87,3, а в условиях почвы H. moellendorffii на 26,7%. Сила роста семян тест-объекта в почве под H. sosnowskyi снизилась на 75,3%, а под H. moellendorffii снижение силы роста проявилось слабее - на 12,7% в сравнении с контролем (табл. 1).
Таблица 1
Влияние почвы под H. sosnowskyi и H. moellendorffii на энергию прорастания, всхожесть семян и рост тест-объекта, %
|
Показатели |
Почва, отобранная под |
||
|
залежь (контроль) |
H. sosnowskyi |
H. moellendorffii |
|
|
Энергия прорастания (5-е сутки) |
100 |
9,3 |
61,3 |
|
Всхожесть семян (7-е сутки) |
100 |
12,7 |
73,3 |
|
Сила роста (10-е сутки) |
100 |
24,7 |
87,3 |
Полученные данные эксперимента свидетельствуют о наличии специфической формы биотических связей в почве под генеративными растениями-донорами H. sosnowskyi и H. moellendorffii, которые выражаются в воздействии физиологически активных фитолинов. Это подтверждается выраженным фитотоксическим эффектом почв из-под H. sosnowskyi, который значительно снизил посевные качества семян тест-объекта. Та же тенденция отмечена при изучении влияния почвы под H. sosnowskyi на ранние ростовые показатели тест-объекта, а именно на длину корешков и проростков.
Посевные качества семян тест-объекта в условиях почвы H. moellendorffii по сравнению с H. sosnowskyi имели незначительное ингибирующие действие к контролю.
В большей степени восприимчивы к воздействию фитолинов, находящихся в образце почвы H. sosnowskyi, оказались стебель и проросток тест-объекта. Общая длина проростка отставала от показателей контроля на 52,37%, а стеблевой рост на 49,49% соответственно. При росте семядолей тестируемого объекта наблюдалась меньшая сенсибилизация к воздействию почвы из-под H. sosnowskyi, длина которых отставала от контроля на 17,30%. Ростовые процессы корня тест-объекта, в результате подавляющего влияния фитолинов, снижались и составляли 37,04% от общей длины контрольного варианта.
Исходя из показателей индекса фитотоксичности, изменение которого колебалось в широких пределах, в условиях почвы интродукционного вида H. sosnowskyi можно утверждать о наличии выраженной аллелопатической активности.
В эксперименте определили присутствие в почве из-под H. sosnowskyi аллелопатически агрессивных веществ, что подтверждается угнетающим действием на тест-объект при прорастании семян и в процессе дальнейшего развития проростков (табл. 2, рис. 3).
Рис. 3. Индекс аллелопатической активности почв H. sosnowskyi и H. moellendorffii для органов проростков тест-культуры
Таблица 2
Морфометрические показатели проростков тест-объекта (М±m)
|
Почва |
Длина, мм |
|||
|
Семядоли |
Стебель |
Корень |
Проросток |
|
|
Контроль |
10,00±0,80 |
120,37±1,09 |
33,69±0,80 |
162,43±1,37 |
|
H. sosnowskyi |
8,27±0,76* |
60,80±1,04* |
21,21±1,10* |
77,37±1,06* |
|
H. moellendorffii |
10,10±0,82 |
146,93±0,99* |
30,69±1,37 |
150,28±0,91* |
*Разница с контролем статистически значима.
При анализе индекса фитотоксичности для проростка тест-объекта в условиях почвенных образцов из-под H. moellendorffii эффект угнетения был менее выражен, чем у почвенных образцов H. sosnowskyi (рис. 3).
В почвах из-под H. moellendorffii характер воздействия фитолинов, выделяемых растениями-донорами, имел разнонаправленный характер на тест-объект. В начале роста тест-объекта в почве под H. moellendorffii средняя длина семядоли и стебля превышала контрольные значения на 1% и 22% соответственно (табл. 2, рис. 3). Дальнейшие наблюдения показали, что в условиях, создаваемых H. moellendorffii, средняя длина корня и проростка в меньшей степени отставали от контроля по сравнению с условиями, создаваемыми H. sosnowskyi, что составило 8,90%, 7,48% соответственно. Таким образом, тест-объект проявил относительную толерантность к фитолинам H. moellendorffii.
Исследование влияния почвенных условий H. sosnowskyi на ранних этапах онтогенеза семян тест-объекта показало, что происходит торможение и угнетение ростового развития тест-объекта. Эффект действия фитолинов на растения очень динамичен и зависит от многих биологических и экологических факторов, в частности, аллелопатическое взаимодействие высших растений в значительной степени определяется физико-химическими свойствами почвенного субстрата и активностью его микрофлоры. По этим причинам выявить биохимическую связь растений в полевых условиях весьма затруднительно.
Следовательно, аллелопатически активные вещества H. sosnowskyi оказывают выраженное токсическое действие на все органы тест-объекта, тогда как фитолины, выделяемые в почву H. moellendorffii, стимулируют развитие стебля тест-объекта.
Выводы
Почвенные образцы из-под H. sosnowskyi проявляли выраженную аллелопатическую активность.
Содержащиеся в почве H. sosnowskyi физиологически активные фитолины оказывают выраженный фитотоксический эффект, снижая посевные качества семян и начальный рост корешков и проростков тест-объекта.
Фитолины в почве из-под H. moellendorffii по сравнению с H. sosnowskyi проявляли относительную толерантность и не оказали выраженного влияния на семена тест-объекта, а при росте стебля наблюдалось его стимулирование.