Физиология смолообразования и смоловыделения при подсочке

Выстилающие клетки смоляных ходов как место синтеза живицы в стволе дерева

Смолообразование у хвойных деревьев – довольно сложный процесс. Хотя исследование секреторных систем имеет почти трехсотлетнюю историю, многие процессы смолообразования до настоящего времени окончательно не установлены.

В этой связи весьма важными не только для теории, но и для практики подсочного производства являются ответы на следующие вопросы:

– где и в каких клетках происходит синтез смолистых веществ?

– из каких веществ и какими путями идет синтез живицы?

– каков механизм истечения и восстановления запасов живицы, извлеченных при подсочке?

На ранних стадиях изучения физиологии смолообразования считали, что живица образуется в хвое, откуда она, по предположению, перетекала в смолоносную систему древесины. Однако позже было доказано, что это не так.

Во-первых, смолоносная система хвои со смолоносной системой древесины ствола и ветвей не соединяется.

Во-вторых, живица хвои качественно отличается от живицы древесины ствола и ветвей:

– эфирное масло хвои сосны обыкновенной обладает правым вращением, а терпентин стеблей и корней – левым;

– углеводороды масла хвои имеют более низкую температуру кипения (157—161,5°С), чем углеводороды живицы древесины (162,5—168°С).

– в масле хвои содержится сесквитерпен кадинен, а в терпентине древесины он отсутствует.

Все это говорит о том, что хвоя не может быть непосредственным источником живицы смоляных ходов ствола. Хвою можно лишь рассматривать как поставщика продуктов ассимиляции, которыми снабжаются органы дерева – ствол и ветви, и из которых синтезируются различные органические продукты, в том числе смолистые вещества. Эта связь обнаруживается, например, в изменении выхода живицы в зависимости от степени развития кроны.

Как показали исследования, живица смоляных ходов древесины местного происхождения, т.е. она синтезируется выстилающими (выделительными) клетками эпителия и затем выталкивается в канал смоляного хода.

Последние данные, полученные с использованием электронной микроскопии, показали, что:

1) ультраструктура активно секретирующих клеток эпителия сходна у разных хвойных и резко отличается от той, которая имеется унесекреторных клеток сопровождающей паренхимы;

2) структура эпителиальных клеток существенно меняется на протяжении их жизни и после прекращения секреторной деятельности они начинают выполнять запасающую функцию, свойственную обычной паренхиме.

Особенности строения активно секретирующих клеток эпителия заключается в следующем:

– густая цитоплазма;

– очень мало вакуолей, они мелкие;

– сильно развита сеть эндоплазматического ретикулюма (мембран), лишенного прикрепленных к нему рибосом; мембраны образуют сеть ламелл и цистерн (трубчатые структуры), которые концентрируются у стенки клетки, обращенной к каналу смоляного хода;

– много пластид – лейкопластов; они лишены тилакоидов и окружены чехлом из мембран ретикулюма (для приема синтезирующихся терпенов);

– много митохондрий, поскольку процесс синтеза терпенов и выделение их из клеток требует существенных затрат метаболической энергии;

– оболочка клеток, обращенная к смоляному ходу, тонкая (0,2-0,4 нм), микрофибриллы разрыхлены, противоположная оболочка клеток толстая (1,5 нм), микрофибриллы расположены плотно и параллельно друг другу (рис. 3.1).

Синтез терпенов в выделительных клетках происходит в основном на наружных мембранах оболочек пластид, а так же на мембранах эндоплазматического ретикулюма, митохондрий и ядра.

Продолжительность высокой секреторной активности клеток эпителия ограничивается периодом их роста. У сосны обыкновенной она составляет 8-20 дней. Затем утрачиваются структуры, связанные с синтезом терпенов: снижается количество лейкопластов и митохондрий, резко уменьшается число мембранных структур эндоплазматического ретикулюма. Количество синтезируемых терпенов резко снижается. Этот процесс завершается к осени. Эпителий постепенно утрачивает выделительную способность, и клетки начинают выполнять запасающие функции, накапливая в значительном количестве жиры.

Данные о динамике ультраструктуры выделительных клеток меняют представление о ходе смолообразования. То есть, секреция живицы осуществляется не всеми выделительными клетками заболони, как считалось раньше, а только клетками последнего годичного слоя в период их формирования и роста.

Нанесения подновок приводит к вскрытию каналов смоляных ходов, снижению давления в них, что является, как полагают, сигналом к регенерации секреторных структур эпителия и ведет к возобновлению процесса смолообразования в клетках заболонной части ствола. Это объясняет тот факт, что в начале сезона подсочки смолообразование ниже, чем в последующее время. С этой точки зрения становится понятным благоприятное влияние на смолообразование приема с нанесением предварительных подновок (за 2-3 недели до начала подсочки).

ультраструктура активно секретирующих клеток эпителия смоляного хода сосны

Рис. 3.1. Особенности ультраструктуры активно секретирующих клеток эпителия смоляного хода сосны

я – ядро; аэр – система мембран агранулярного эндоплазматического ретикулюма; р – свободные рибосомы (не прикрепленные к мембранам ретикулюма); п – пластида, лишенная тилакоидов и окруженная чехлом из мембран ретикулюма; м – митохондрии; д – диктиосомы; пп – периплазматическое пространство; кс – клеточная оболочка, граничащая с каналом смоляного хода; ксх – канал смоляного хода; т – терпены (заштрихованы)

Современная теория биосинтеза терпенов и смоляных кислот

Синтез секреторных терпеноидов (производные терпенов) включает множество реакций, каждая из которых катализируется особым ферментом. Процесс этот весьма сложен и еще не изучен во всех деталях. До недавнего времени о синтезе терпенов и смоляных кислот существовали лишь недостаточно аргументированные гипотезы, часто выражавшие весьма противоречивые точки зрения. Наибольшее признание получила углеводная гипотеза Эйлера, связывающая образование терпенов с промежуточными продуктами спиртового брожения (через пировиноградную кислоту). В свете современных знаний эта теория частично подтвердилась. Немецкий исследователь Чирх считал, что синтез терпенов происходит из белков через аминокислоты. Эта теория так же частично подтвердилась, поскольку мевалоновая кислота,– важный промежуточный продукт в цикле образования терпенов – в ряде случаев может синтезироваться из аминокислоты лейцина. В. В. Вильямс связывал образование терпенов с продуктами распада хлорофилла (эта теория не подтвердилась).

И только в 1968 г благодаря использованию изотопного, хроматографического, радиоавтографического и других современных методов исследований американскому ученому Боннеру удалось расшифровать синтез терпенов при изучении синтеза каучука у Бразильской гевеи.

Исходным веществом (субстратом) в биосинтезе терпенов является уксусная кислота и ацетилкофермент А (ацетил-КоА), которые через ряд последовательных реакций превращаются в мевалоновую кислоту, а затем в геранилпирофосфат.

В общих чертах биосинтез терпенов можно представить следующей схемой. В процессе фотосинтеза при участии хлорофилла с использованием энергии солнечных лучей происходит взаимодействие диоксида углерода и воды. Энергия солнечных лучей используется для фотохимических реакций, в результате диоксид углерода через ряд промежуточных реакций восстанавливается до углеводов. Из углеводов синтезируется крахмал – полисахарид, играющий роль запасного вещества. Участвуя в процессах окисления, он превращается в конечный продукт гликолиза – пировиноградную кислоту, которая является главным промежуточным продуктом в обмене веществ всего растения. В результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты образуется уксусная кислота, которая служит поставщиком ацетильных групп и исходным субстратом для образования ряда жизненно важных соединений, в том числе и терпенов. Окислительное декарбоксилирование осуществляется с участием кофермента А (КоА) и никотинамидадениндинуклеотида (НАД).

Ацетил-КоА, образующийся из пировиноградной кислоты, не может быть использован для синтеза терпенов, поскольку он образуется во внутреннем компартменте митохондрий и включается в цикл Кребса. Взаимодействуя со щавелеуксусной кислотой, он образует лимонную кислоту, которая может преодолевать внутреннюю мембрану митохондрийи, и, попадая в цитоплазму клетки, распадается с образованием ацетил-КоА. Этот, локализованный вне митохондрий ацетил-КоА, используется для синтеза терпенов. Путем его конденсации, а затем восстановления получается мевалоновая кислота. Из нее в процессе фосфорилирования, конденсации, изомеризации образуется геранилпирофосфат, а затем терпеноиды. Сокращенная схема биосинтеза терпенов приведена на рис. 3.2.

Процесс образования смоляных кислот сложнее, чем терпенов, и менее изучен. Полагают, что в этом процессе принимают участие сахара и жиры, преобразующиеся в смоляные кислоты через альдегидоподобное вещество С10Н16О по уравнению:

2С10Н16О + О = С20Н30О2 + Н2О

Биологическая роль живицы в растении до конца не выяснена. Однако большинство исследователей полагают, что смолистые вещества – конечный продукт обмена веществ – играют защитную роль.

Она заключается в предохранении обнаженных срезов тканей дерева от высыхания и растрескивания, от проникновения в них грибов, бактерий, насекомых. Живица как бы «заживляет» раны, отсюда, вероятно, и произошло ее название. Вместе с тем считается, что монотерпены могут участвовать в обмене веществ, как источники энергии при отсутствии других энергетических ресурсов. В определенных условиях они могут служить предшественниками при синтезе физиологически активных соединений – каротиноидов, фитостиролов, гормонов и др.

Современная схема биосинтеза терпенов

Современная схема биосинтеза терпенов

Рис. 3.2. Современная схема биосинтеза терпенов

Механизм и продолжительность истечения живицы при подсочке

Механизм выделения живицы при подсочке в настоящее время изучен не достаточно. Наиболее признанной является теория Мюнха-Иванова, которая объясняет, как выделяется живица из клеток выстилающего эпителия в канал смоляного хода и проходит по нему к подсочному поранению. При этом происходит взаимодействие трех сил: осмотического давления (Р), гидростатического давления, или тургорного (Т) и секреторного давления (S). Под секреторным давлением понимают силу, которая возникает в клетках выстилающего эпителия и продвигает (выталкивает) живицу в канал смоляного хода. Источником энергии, для секреторного давления является электроосмос. Он возникает в результате разницы потенциалов внутри клетки и канала смоляного хода.

Процесс смоловыделения из клеток выстилающего эпителия в канал смоляного хода можно условно поделить на 4 этапа:

1. Смоляной ход свободен от живицы. Выделительные клетки полностью наполнены водой. В этом случае секреторное давление S = 0, осмотическое давление Р минимально, тургорное давление Т максимально. Р – Т = 0.

2. Начало образования живицы в выделительных клетках. Она под воздействием секреторного давления выдавливается в канал смоляного хода, окруженого мертвыми клетками и трахеидами, которые не могут деформироваться и расширяться. Увеличение объема смоляного канала происходит за счет того, что живица, поступающая в него, давит на живые выделительные клетки, они теряют воду и сжимаются. В канале возникает так называемое смоляное давление, равное по значению секреторному, но противоположно направленное. То есть, S возрастает, тургорное давление Т падает, осмотическое давление Р так же возрастает (клетка теряет воду, увеличивается концентрация клеточного сока). Тургорное давление суммируется с секреторным (смоляным) и превышает осмотическое давление. Возникает следующее соотношение сил: S + Т > Р.

3. Процесс выделения живицы в канал смоляного хода продолжается и проходит через стадию, когда соотношение действующих сил имеет вид: S > Р. Смоляное давление S превышает осмотическое, тургорное давление Т = 0.

4. Канал полностью заполнен живицей. Смоляное давление S достигает максимума. Выделительные клетки сдавлены в наибольшей степени, они лишены значительного количества воды, поэтому осмотическое давление Р также максимально и уравновешивает смоляное. S = Р.

Смоляное давление в канале достигает величины 0,5–2 МПа (5–20 атм.). Удерживаться оно может очень долгое время, при условии, что канал не вскрыт. Просмоления окружающей канал древесины при этом не происходит, поскольку этому препятствует задняя толстая базальная стенка выделительных клеток и слой мертвых клеток вокруг смоляного канала.

Что же происходит при вскрытии смоляного канала при подсочке? В результате нанесения подновки в канале смоляного хода возникает резкий перепад давления – от 2 до 0,1 МПа (от 20 до 1 атм.). Под влиянием разности давления живица начинает перетекать по каналу в сторону меньшего давления и выделяться на поверхности среза. Поскольку живица является вязкой жидкостью, при ее движении по каналу хода возникает сопротивление. Когда падающее давление сравняется с силой сопротивления движения живицы, выделение живицы прекращается. Кроме того выделению живицы способствуют выделительные клетки, которые с уменьшением давления в канале смоляного хода увеличивают свой объем, интенсивно поглощая воду за счет осмотических сил. Они интенсивно выдавливают живицу на поверхность подсочного ранения.

Таким образом, процесс смоловыделения при подсочке обусловлен двумя взаимодействующими силами: смоляного давления в канале хода и выдавливанием живицы из канала за счет осмотических сил, которые приводят к увеличению в объеме выделительных клеток. Последнее обстоятельство позволяет сделать заключение о том (это доказано специальными экспериментами и практикой подсочного производства), что процесс смоловыделения при подсочке может нормально происходить лишь при достаточном водоснабжении дерева.

Причины прекращения смоловыделения

После вскрытия канала смоляного хода подсочным ранением смоловыделение продолжается в зависимости от физиологического состояния дерева и ряда других внутренних и внешних причин от нескольких часов до 3 суток. Около 90% живицы выделяется в первые 24 часа после нанесения подновки. На продолжительность и интенсивность смоловыделения влияют сезонность и погодные условия вегетационного сезона. Весной и осенью смоловыделение продолжается 3-5 дней, летом – 1-2 дня.

Полное прекращение смоловыделения обусловлено несколькими одновременно действующими факторами.

1. Падение смоляного давления в канале смоляного хода после его вскрытия.

2. При уменьшении перепада давления и частичном опорожнении смоляных ходов от живицы выделительные клетки, имеющие высокий осмотический потенциал, усиленно поглощают воду, разбухают и перекрывают просвет смоляного канала.

3. Усиленное испарение скипидара при выделении живицы, особенно в жаркую погоду, приводит к образованию на поверхности среза пробки закристаллизовавшейся живицы.

Новообразование живицы при подсочке, динамика этого процесса

Опытным и расчетным путем установлено, что в 1м3 древесины сосны (что примерно соответствует среднему дереву сосны в спелом возрасте) в вертикальных смоляных ходах содержится примерно 3,5 кг живицы. Еще примерно 0,5 кг живицы находится в горизонтальных смоляных ходах, т.е. всего порядка 4,0 кг. При подсочке можно извлечь примерно 1,7 кг (следует отбросить живицу, содержащуюся в ядровой части ствола, в ветвях и корнях, которая не может быть получена). Однако на практике за сезон с одного дерева получают 2,0-2,5 кг смолы. Чем это можно объяснить?

Как уже отмечалось выше, вскрытие смоляных каналов подсочными ранениями вызывает не только истечение живицы, но и резкую перестройку ультраструктуры эпителиальных клеток, что приводит к новообразованию живицы. Причем процесс этот идет медленнее, чем опорожнение смоляных ходов. Полное восстановление первоначального запаса живицы после извлечения его подсочкой происходит в течение 8-10 дней. Мюнх установил, что в нормальных условиях скорость образования живицы в смоляных ходах подчиняется убывающей геометрической прогрессии. В первый день образуется 33% общего количества живицы, а в каждый последующие – 2/3 количества, образовавшегося в предыдущий день.

То есть накопление живицы будет идти следующим образом:

дни от начала смолообразования      1   2   3   4 ……..10

накопление живицы, % от максим. 33 56 70 80 100

Как видно, накопление живицы идет более интенсивно в первые дни и если наносить подновки часто, например каждый день, то можно за 10 дней получит 300% выхода живицы. Если ранения наносить 1 раз в 10 дней, когда смоляные ходы полностью восстановят живицу, то получаем 100% выхода живицы. Однако, в практике подсочки ни тот, ни другой варианты не могут быть применены. В первом случае, при частом нанесении подновок, повышенный расход питательных веществ не может долго поддерживаться растением на достаточно высоком уровне, и неизбежно наступит момент, когда усиленный расход метаболитов уже не компенсируется их образованием. Тогда происходит так называемое утомление дерева, которое выражается сначала в уменьшении, а затем и полном прекращении смоловыделения. Во втором случае нет необходимости ждать 10 дней, что бы полностью восстановилась живица, если за 4 дня ее уже будет 80% от максимума. Очевидно, что в этом случае будет наблюдаться недобор живицы при ее заготовке. Поэтому при обычной подсочке паузу вздымки – время между нанесением очередной подновки – принимают 2-5 дней.

Зона подтекания живицы к ранениям при подсочке

Ранее считалось, что живица к ранениям подтекает только в вертикальном направлении и на значительном расстоянии. Это аргументировалось наличием системы сообщающихся вертикальных и горизонтальных смоляных ходов и тем, что при подсочке незаполненные и частично заполненные смоляные ходы встречаются по всей высоте ствола до кроны. Однако более углубленные исследования показали, что такие смоляные ходы имеются и у сосен, которые никогда не подсачивались. Кроме того, если бы подтекание живицы было только в вертикальном направлении, то, логически рассуждая, никакого увеличения выхода живицы при двухъярусной подсочке, когда карры располагаются друг над другом, не может быть. Однако при двухъярусной подсочке наоборот наблюдается увеличение выхода живицы по с равнению с обычной подсочкой на 22-26%.

Идет ли подтекание живицы к ранению с боков, т.е. в тангентальном направлении? Простой опыт, поставленный в лесу с нанесением трех полукарр на одной высоте, позволил ответить на этот вопрос. Если бы такое подтекание живицы наблюдалось, то выход смолы с ранения, расположенного в центре был бы наименьшим, я с краев – наибольшим. Однако такой зависимости выявлено не было. Значит, в тангентальном направлении живица к ранению не подтекает.

Так же нет подтекания живицы к месту вскрытия смоляного хода из ядровой древесины. В этой области выделительные клетки отмирают, живца растекается по трахеидам, просмоляет их, и сообщение между ходами прерывается.

Установлено, что к ранениям живица подтекает:

– в вертикальном направлении: сверху на 0,5 м и снизу на такое же расстояние;

– с боков на ширину карры;

– по радиусу на толщину заболони.

Другими словами, зона подтекания живицы к ранению имеет вид призмы, высота которой составляет 1 метр (по 0,5 м сверху и снизу), ширина равна ширине карры, а толщина – толщине заболони ствола.