Influence of soil moisture level on metabolism of non-structural carbohydrates in Quercus robur leaves

Abstract

Long-term increases in average temperature and intensification of droughts of the Earth’s climate system have a negative impact on forest ecosystems and can lead to a decrease in their area and deterioration of the living conditions of their components. In the conditions of the Ukrainian Steppe an important environmental, antierosive, water-protective and soil-protective role belongs to the ravine forests. The most valuable component of the ravine forests is presented by natural populations of common oak (Quercus robur L.), which are able to tolerate the arid climate typical of the steppe region. But with global warming, the endurance of this breed is changing. It is believed that a significant role in plant adaptation to drought and high temperatures may belong to non-structural carbohydrates. Therefore, it is important to study changes in the concentration of these substances in the leaves of this leading breed under the action of adverse hydrothermal conditions. The article analyzes the content and dynamics of soluble sugars (glucose, fructose, sucrose) and starch in the leaves of Quercus robur L. under different forest growth conditions of the ravine forest (hygromesophilic (CL2-3), mesoxerophilic (CL1) and xerophilic) (CL0). The research was conducted in the forest of Viyskove terrain (Steppe zone of Ukraine) in the thalweg and at different levels of the slope of the southern exhibit. Content of glucose, fructose, sugar and starch in Quercus robur leaves was determined. It was found that when exposed to high temperatures and increasing water stress during the vegetation period in xerophilic (CL0-1) and mesoxerophilic (CL1) forest growth conditions, the concentration of both glucose and sucrose in the leaves of Q. robur increases and it becomes much higher than in conditions of more optimal water supply. At the same time, the disaccharide content increases more significantly than that of monosaccharide. The greatest amount of these sugars is observed in the driest months (July, August), when conditions for providing plants with water are the most stressful. When water stress grows the increase in concentration of glucose and sucrose is correlated with reduction of starch content. It has been found that the concentration of fructose in Q. robur leaves in droughty conditions of growing compared to more favorable conditions of moisturizing. In September, there is a decline in the content of all forms of non-structural carbohydrates in the leaves of plants of all variants compared to the previous month, especially in conditions of adverse water supply. Therefore, forest growth conditions do not affect the nature of the dynamics of soluble sugars and starch in the leaves of Q. robur, however, they change their quantitative indicators. Based on the protective function of sugars under the action of stressors on plants, we can assume that in conditions of significant lack of moisture in the soil their accumulation in the leaves in areas with mesoxerophilic and xerophilic hygrotopes plays an important role in increasing Q. robur drought resistance. Довгострокове підвищення середньої температури та посилення посух кліматичної системи Землі негативно впливає на лісові екосистеми і може призвести до зменшення їх площ і погіршення життєвого стану їх компонентів. В умовах Степу України важлива середовищетвірна, протиерозійна, водоохоронна та ґрунтозахисна роль належить байрачним лісам. Найціннішим компонентом байрачних лісів є природні популяції дуба звичайного (Quercus robur L.), що здатні переносити посушливий клімат властивий степовому регіону. Але за умов глобального потепління клімату витривалість цієї породи змінюється. Вважається, що суттєва роль в адаптації рослин до посухи та високих температур може належати неструктурним вуглеводам. Тому, актуальним є вивчення змін концентрації даних речовин в листках цієї провідної породи за дії несприятливих гідротермічних умов. В статті проаналізовано вміст та динаміка розчинних цукрів (глюкози, фруктози, сахарози) та крохмалю в листках Quercus robur L. за різних лісорослинних умов байрачного лісу (гігромезофільних(СГ2-3), мезоксерофільних (СГ1) та ксерофільних (СГ0-1)). Дослідження проводилися в лісі урочища Військове (Степова зона України) в тальвегу та різних рівнях схилу південної експозиції. В листках Quercus robur визначали вміст глюкози, фруктози, сахарози та крохмалю. Встановлено, що при дії на рослини високих температур та наростанні водного стресу протягом вегетації в ксерофільних (СГ0-1) і мезоксерофільних (СГ1) лісорослинних умовах концентрація як глюкози, так і сахарози в листках Q. robur збільшується і вона стає значно вищою, ніж в умовах більш оптимального водозабезпечення. При цьому, вміст дисахариду зростає суттєвіше, ніж моносахариду. Найбільша кількість цих цукрів спостерігається в найпосушливіші місяці (липні, серпні), коли складаються найнапружені умови забезпечення рослин водою. При наростанні водного стресу збільшення концентрації глюкози і сахарози корелює зі зменшенням вмісту крохмалю. Виявлено, що концентрація фруктози в листках Q. robur у посушливих умовах зростання зменшується порівняно з більш сприятливими умовами зволоження. У вересні спостерігається падіння вмісту всіх форм неструктурних вуглеводів у листках рослин всіх варіантів порівняно з попереднім місяцем, особливо в умовах несприятливого водозабезпечення. Отже, лісорослинні умови не впливають на характер динаміки розчинних цукрів і крохмалю в листках Q. robur, проте, вони змінюють їх кількісні показники. Виходячи із захисної функції цукрів за дії на рослини стресових чинників, можна вважати, що в умовах значної нестачі вологи в грунті їх накопичення в листках на ділянках з мезоксерофільним і ксерофільним типом гігротопів відіграє важливу роль у підвищенні стійкості Q. robur до посухи.