Особенности адаптации разных форм сосны обыкновенной в условиях длительного избыточного увлажнения почв

УДК

581.5:58.087

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-2-30-44

Аннотация

Внутрипопуляционная изменчивость биохимических признаков и камбиального роста отражает адаптационную способность деревьев сосны в разных условиях произрастания. В неблагоприятных условиях среды у них наблюдается генетически детерминированный процесс активации защитных систем. Структурно-функциональная перестройка ассимиляционного аппарата в связи с сезонным развитием обеспечивает повышение устойчивости деревьев и прохождение онтогенеза при воздействии стрессовых факторов в пределах нормы реакции. Целью исследований является изучение адаптационной способности сосны (Pinus sylvestris L.), различающейся формой апофиза семенных чешуй, в условиях длительного избыточного увлажнения почв северной тайги. Исследования проводили в кустарничково-сфагновых сосняках на болотных верховых торфяных почвах в устье р. Северная Двина. На пробных площадях выделяли деревья с элементарными вариациями (формами) апофиза семенных чешуй. Для определения биохимических признаков у 10 деревьев каждой из форм сосны, выделенных по типу апофиза, в разные календарные периоды (с мая по декабрь 2016 г.) отбирали образцы хвои 1, 2 и 3-летнего возраста. Спектрофотометрическим методом в хвое устанавливали содержание свободного пролина, водорастворимых белков, аскорбиновой кислоты. У 52 деревьев каждой из выделенных форм на высоте 1,3 м отбирали керны древесины и определяли ширину годичного слоя. Наряду с абсолютной величиной радиального прироста рассчитывали относительные дендрохронологические показатели. Метеорологические показатели на объектах исследований (температуру воздуха и количество осадков) определяли по данным метеостанции «Архангельск». В результате проведенных исследований выявлены сходство и различия деревьев неодинаковых форм в сезонной динамике содержания стрессовых метаболитов в хвое разного возраста в связи с метеорологическими факторами и фенологическими фазами развития вегетативных органов сосны в устье Северной Двины. Показано, что деревьям с «плоской» формой апофиза свойственно более интенсивное накопление в конце октября аскорбиновой кислоты и пролина в 2-летней хвое. Это свидетельствует о большей активации их защитных реакций перед перезимовкой по сравнению с деревьями с «выпуклой» формой апофиза. Установлены закономерности изменчивости камбиального роста деревьев разных форм во временных рядах. Выявлено, что деревья с плоской формой апофиза испытывают более сильное воздействие дезадаптирующих (стрессовых) факторов внешней среды.

Финансирование: Исследования выполнены в рамках государственного задания ФИЦ комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова УрО РАН (проект № 0409-2019-0039; № ГР АААА -А18-118011690221-0).

Сведения об авторах

С.Н. Тарханов, д-р биол. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: ABG-7237-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9037-8995
Е.А. Пинаевская, канд. биол. наук, науч. сотр.; ResearcherID: ABB-6293-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1877-1412
Ю.Е. Аганина, аспирант; ResearcherID:ABB-6305-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6069-8979
Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика
Н.П. Лавёрова УрО РАН , наб. Северной Двины, д. 23, г. Архангельск, Россия, 163000;
e-mail: tarkse@yandex.ru, aviatorov8@mail.ru, julja-a30@rambler.ru

Ключевые слова

сосна обыкновенная, форма апофиза семенных чешуй, биохимические показатели, радиальный прирост, адаптация, длительное избыточное увлажнение почвы

Для цитирования

Тарханов С.Н., Пинаевская Е.А., Аганина Ю.Е. Особенности адаптации разных форм сосны обыкновенной в условиях длительного избыточного увлажнения почв // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 2. С. 30–44. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-30-44

Литература

1. Абатурова М.П. Исследование элементарных морфологических признаков ели обыкновенной // Научные основы селекции хвойных древесных пород. М.: Наука, 1978. С. 87–98. [Abaturova M.P. Study of Primary Morphological Traits of Norway Spruce. Research Basis of Selection of Coniferous Woody Species. Moscow, Nauka Publ., 1978, pp. 87–98].

2. Арефьев С.П. Оценка устойчивости кедровых лесов Западно-Сибирской равнины // Экология. 1997. № 3. С. 175–183. [Aref’ev S.P. Assessment of the Stability of the Siberian Stone Pine Forests in the Western Siberian Plain. Ekologiya [Russian Journal of Ecology], 1997, no. 3, pp. 175–183].

3. Битвинскас Т.Т. Дендроклиматические исследования. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 172 с. [Bitvinskas T.T. Dendroclimatic Studies. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1974. 172 p.].

4. Большой практикум «Биохимия». Лабораторные работы / сост. М.Г. Кусакина, В.И. Суворов, А.А. Чудинова. Пермь: Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2012. 148 с. [Large Workshop “Biochemistry”. Laboratory Classes. Content by M.G. Kusakina, V.I. Suvorov, A.A. Chudinova. Perm, PSU Publ., 2012. 148 p.].

5. Бухарина И.Л., Кузьмин П.А., Шарифуллина А.М. Содержание низкомолекулярных органических соединений в листьях деревьев при техногенных нагрузках // Лесоведение. 2014. № 2. С. 20–26. [Bukharina I.L., Kuz’min P.A., Sharifullina A.M. Organic Low Molecular Weight Compounds Contents of Tree Leaves under Technogenic Press. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 2014, no. 2, pp. 20–26].

6. Ваганов Е.А., Терсков И.А. Анализ роста дерева по структуре годичных колец. Новосибирск: Наука, 1977. 93 с. [Vaganov E.A., Terskov I.A. Analysis of Tree Growth by the Structure of Tree Rings. Novosibirsk, Nauka Publ., 1977. 93 p.].

7. Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Мазепа В.С. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике. Новосибирск: Наука, 1996. 246 с. [Vaganov E.A., Shiyatov S.G., Mazepa V.S. Dendroclimatic Studies in Ural-Siberian Subarctic. Novosibirsk, Nauka Publ., 1996. 246 p.].

8. Видякин А.И. Фены лесных древесных растений: выделение, масштабирование и использование в популяционных исследованиях (на примере Pinus sylvestris L.) // Экология. 2001. № 3. С. 197–202. [Vidyakin A.I. Phenes of Woody Plants: Identification, Scaling and Use in Population Studies (an Example of Pinus sylvestris L.). Ekologiya [Russian Journal of Ecology], 2001, no. 3, pp. 197–202]. DOI: 10.1023/A:1011310111062

9. Воскресенская О.Л., Алябышева Е.А., Половникова М.Г. Большой практикум по биоэкологии. Ч. 1. Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2006. 108 с. [Voskresenskaya O.L., Alyabysheva E.A., Polovnikova M.G. Large Workshop on Bioecology. Part 1. Yoshkar-Ola, MarSU Publ., 2006. 108 p.].

10. ГОСТ 16128–70. Площади пробные лесоустроительные. Методы закладки. М.: Изд-во стандартов, 1971. 23 с. [State Standard. GOST 16128–70. Forest Management Trial Areas. Methods of Laying out. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1971. 23 p.].

11. Калугина О.В., Михайлова Т.А., Шергина О.В. Биохимическая адаптация сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) к техногенному загрязнению // Сиб. экол. журн. 2018. Т. 25, № 1. С. 98–110. [Kalugina O.V., Mikhailova T.A., Shergina O.V. Biochemical Adaptation of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) to Technogenic Pollution. Sibirskiy Ekologicheskiy Zhurnal [Contemporary Problems of Ecology], 2018, vol. 25, no. 1, pp. 98–110]. DOI: 10.15372/SEJ20180109

12. Мамаев С.А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений (на примере семейства Pinaceae на Урале). М.: Наука, 1972. 284 с. [Mamayev S.A. Types of Intraspecific Variability of Woody Plants (on the Example of the Pinaceae Family in the Urals). Moscow, Nauka Publ., 1972. 284 p.].

13. Молотков П.И., Патлай И.Н., Давыдова Н.И. и др. Селекция лесных пород. М.: Лесн. пром-сть, 1982. 224 с. [Molotkov P.I., Patlay I.N., Davydova N.I. et al. Breeding of Forest Species. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1982. 224 p.].

14. Правдин Л.Ф. Сосна обыкновенная. Изменчивость, внутривидовая систематика и селекция. М.: Наука, 1964. 192 с. [Pravdin L.F. Scots Pine. Variability, Intraspecific Systematics and Breeding. Moscow, Nauka Publ., 1964. 192 p.].

15. Судачкова Н.Е. Метаболизм хвойных и формирование древесины. Новосибирск: Наука, 1977. 222 с. [Sudachkova N.E. Metabolism of Conifers and Wood Formation. Novosibirsk, Nauka Publ., 1977. 222 p.].

16. Судачкова Н.Е., Милютина И.Л., Романова Л.И. Биохимическая адаптация хвойных к стрессовым условиям Сибири. Новосибирск: Гео, 2012. 178 с. [Sudachkova N.E., Milyutina I.L., Romanova L.I. Biochemical Adaptation of Conifers to the Stressful Conditions of Siberia. Novosibirsk, Geo Publ., 2012. 178 p.].

17. Табаленкова Г.Н., Малышев Р.В., Кузиванова О.А., Атоян М.С. Сезонные изменения содержания растворимых белков и свободных аминокислот в почках некоторых древесных растений // Растительные ресурсы. 2019. Т. 55, № 1. С. 113–121. [Tabalenkova G.N., Malyshev R.V., Kuzivanova O.A., Atojan M.S. Seasonal Changes in Soluble Protein and Free Amino Acid Content in Buds of Some Woody Plants. Rastitelnye Resursy, 2019, vol. 55, no. 1, pp. 113–121]. DOI: 10.1134/S0033994619010126

18. Тарханов С.Н., Аганина Ю.Е., Пахов А.С. Сезонная изменчивость биохимических показателей и поврежденность разных форм сосны обыкновенной в условиях постоянного избыточного увлажнения почв северной тайги // Лесн. вестн. Forestry Bulletin. 2018. Т. 22, № 1. С. 5–12. [Tarkhanov S.N., Aganina Yu.E., Pakhov A.S. Seasonal Variability of Biochemical Characteristics and a Defect in the Needless of Different Forms of Pinus sylvestris under Stress Conditions in the Northern Taiga. Lesnoy Vestnik [Forestry Bulletin], 2018, vol. 22, no. 1, pp. 5–12]. DOI: 10.18698/2542-1468-2018-1-5-12

19. Тарханов С.Н., Пинаевская Е.А., Аганина Ю.Е. Адаптивные реакции морфологических форм сосны (Pinus sylvestris L.) в стрессовых условиях северной тайги (на примере Северо-Двинского бассейна) // Сиб. экол. журн. 2018. Т. 25, № 4. С. 425–437. [Tarkhanov S.N., Pinaevskaya E.A., Aganina Y.E. Adaptive Responses of Morphological Forms of Pine (Pinus sylvestris L.) under Stressful Conditions of the Northern Taiga (in the Northern Dvina Basin). Sibirskiy Ekologicheskiy Zhurnal [Contemporary Problems of Ecology], 2018, vol. 25, no. 4, pp. 425–437]. DOI: 10.15372/SEJ20180404

20. Тарханов С.Н., Пинаевская Е.А., Аншукова Ю.Е. Морфоструктурные особенности и изменчивость биохимических признаков форм Pinus sylvestris (Pineceae) в условиях избыточного увлажнения почв северной тайги // Растительные ресурсы. 2014. Т. 50, № 4. С. 567–578. [Tarkhanov S.N., Pinaevskay E.A., Anshukova Yu.E. Morpho-Structural Features and Variability of Biochemical Characters of Pinus sylvestris (Pineceae) Variants under Overwetting of Soils in the Northern Taiga. Rastitelnye Resursy, 2014, vol. 50, no. 4, pp. 567–578].

21. Чупахина Г.Н., Масленников П.В. Адаптация растений к нефтяному стрессу // Экология. 2004. № 5. С. 330–335. [Chupakhina G.N., Maslennikov P.V. Plant Adaptation to Oil Stress. Ekologiya [Russian Journal of Ecology], 2004, no. 5, pp. 330–335]. DOI: 10.1023/B:RUSE.0000040681.75339.59

22. Шиятов С.Г. Дендрохронология верхней границы леса на Урале. М.: Наука, 1986. 137 с. [Shiyatov S.G. Dendrochronology of the Upper Forest Boundary in the Ural. Moscow, Nauka Publ., 1986. 137 p.].

23. Шиятов С.Г., Ваганов Е.А., Кирдянов А.В., Круглов В.Б., Мазепа В.С., Наурзбаев М.М., Хантемиров Р.М. Методы дендрохронологии. Ч. 1. Основы дендрохронологии. Сбор и получение древесно-кольцевой информации. Красноярск: Краснояр. гос. ун-т, 2000. 80 с. [Shiyatov S.G., Vaganov E.A., Kirdyanov A.V., Kruglov V.B., Mazepa V.S., Naurzbayev M.M., Khantemirov R.M. Methods of Dendrochronology. Part 1. The Basics of Dendrochronology. Collection and Obtaining of Tree-Ring Information. Krasnoyarsk, KSU Publ., 2000. 80 p.].

24. Щекалев Р.В., Тарханов С.Н. Радиальный прирост сосны обыкновенной при аэротехногенном загрязнении в бассейне Северной Двины // Лесоведение. 2007. № 2. С. 45–50. [Shchekalev R.V., Tarkhanov S.N. The Radial Increment of Pinus sylvestris under Aerotechnogenic Pollution in the Severnaya Dvina River Basin. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 2007, no. 2, pp. 45–50].

25. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid Determination of Free Proline for Water-Stress Studies. Plant and Soil, 1973, vol. 39, iss. 1, pp. 205–207. DOI: 10.1007/BF00018060

26. Cook E., Briffa K., Shiyatov S., Mazepa V., Jones P.D. Data Analysis. Methods of Dendrochronology. Ed. by E.R. Cook, L.A. Kairiukstis. Dordrecht, Springer, 1990, pp. 97–162. DOI: 10.1007/978-94-015-7879-0_3

27. Cook E.R. A Time Series Analysis Approach to Tree Ring Standardization. Thesis, PhD in Watershed Management. Tucson, University of Arizona, 1985. 171 p. Available at: https://ltrr.arizona.edu/sites/ltrr.arizona.edu/files/bibliodocs/CookER-Dissertation.pdf (accessed 13.12.19).

28. Crawford R.M.M., Baines M.A. Tolerance of Anoxia and the Metabolism of Ethanol in Tree Roots. New Phytologist, 1977, vol. 79, iss. 3, pp. 519–526. DOI: 10.1111/j.1469-8137.1977.tb02236.x

29. Ferguson C.W. A 7104-Year Annual Tree-Ring Chronology for Bristlecone Pine, Pinus Aristata, from the White Mountains, California. Tree-Ring Bulletin, 1969, vol. 29, no. 3-4, pp. 3–29.

30. Fritts H.C. Tree Rings and Climate. London, Academic Press. 1976. 567 p.

31. Hejnowicz A., Tomaszewski M. Growth Regulators and Wood Formation in Pinus Silvestris. Physiologia Plantarum, 1969, vol. 22, iss. 5, pp. 984–992. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1969.tb07456.x

32. Huang B., Johnson J.W. Root Respiration and Carbohydrate Status of Two Wheat Genotypes in Response to Hypoxia. Annals of Botany, 1995, vol. 75, iss. 4, pp. 427–432. DOI: 10.1006/anbo.1995.1041

33. Kontunen-Soppela S. Dehydrins in Scots Pine Tissues: Responses to Annual Rhythm, Low Temperature and Nitrogen. Doctoral Dissertation. Oulu, University of Oulu, 2001. 44 p. Available at: http://jultika.oulu.fi/files/isbn9514259114.pdf (accessed 13.12.19).

34. Krasensky J., Jonak C. Drought, Salt, and Temperature Stress-Induced Metabolic Rearrangements and Regulatory Networks. Journal of Experimental Botany, 2012, vol. 63, iss. 4, pp. 1593–1608. DOI: 10.1093/jxb/err460

35. Moffatt B., Ewart V., Eastman A. Cold Comfort: Plant Antifreeze Proteins. Physiologia Plantarum, 2006, vol. 126, iss. 1, pp. 5–16. DOI: 10.1111/j.1399-3054.2006.00618.x

36. Mohr H., Schopfer P. Plant Physiology. Berlin, Springer, 1995. 629 p. DOI: 10.1007/978-3-642-97570-7

37. Oliviusson P., Salaj J., Hakman I. Expression Pattern of Transcripts Encoding Water Channel-Like Proteins in Norway Spruce (Picea abies). Plant Molecular Biology, 2001, vol. 46, iss. 3, pp. 289–299. DOI: 10.1023/A:1010611605142

38. Roohi A., Nazish B., Nabgha-e-Amen, Maleeha M., Waseem S. A Critical Review on Halophytes: Salt Tolerant Plants. Journal of Medicinal Plants Research, 2011, vol. 5 (33), pp. 7108–7118. DOI: 10.5897/JMPRx11.009

39. Sicher R.C., Barnaby J.Y. Impact of Carbon Dioxide Enrichment on the Responses of Maize Leaf Transcripts and Metabolites to Water Stress. Physiologia Plantarum, 2012, vol. 144, iss. 3, pp. 238–253. DOI: 10.1111/j.1399-3054.2011.01555.x

40. Szabados L., Savouré A. Proline: A Multifunctional Amino Acid. Trends in Plant Science, 2010, vol. 15, iss. 2, pp. 89–97. DOI: 10.1016/j.tplants.2009.11.009

41. Tang Z.C., Kozlowski T.T. Ethylene Production and Morphological Adaptation of Woody Plants to Flooding. Canadian Journal of Botany, 1984, vol. 62, no. 8, pp. 1659–1664. DOI: 10.1139/b84-223

42. Topa M.A., McLeod K.W. Responses of Pinus Clausa, Pinus Serotina and Pinus Taeda Seedlings to Anaerobic Solution Culture. I. Changes in Growth and Root Morphology. Physiologia Plantarum, 1986, vol. 68, iss. 3, pp. 523–539. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1986.tb03392.x

43. Tripepi R.R., Mitchell C.A. Stem Hypoxia and Root Respiration of Flooded Maple and Birch Seedlings. Physiologia Plantarum, 1984, vol. 60, iss. 4, pp. 567–571. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1984.tb04929.x

44. Uggla C., Mellerowicz E.J., Sundberg B. Indole-3-Acetic Acid Controls Cambial Growth in Scots Pine by Positional Signaling. Plant Physiology, 1998, vol. 117, iss. 1, pp. 113–121. DOI: 10.1104/pp.117.1.113

45. Verhoeven A. Sustained Energy Dissipation in Winter Evergreens. New Phytologist, 2014, vol. 201, iss. 1, pp. 57–65. DOI: 10.1111/nph.12466

46. Volger H.G., Heber U. Cryoprotective Leaf Proteins. Biochimica et Biophysica Acta, 1975, vol. 412, iss. 2, pp. 335–349.

Ссылка на английскую версию:

Features of Adaptation of Different Forms of Scots Pine under Conditions of Prolonged Excessive Soil Moistening

FEATURES OF ADAPTATION OF DIFFERENT FORMS OF SCOTS PINE UNDER CONDITIONS OF PROLONGED EXCESSIVE SOIL MOISTENING

Sergei N. Tarkhanov, Doctor of Biology; Senior Research Scientist;
ResearcherID: ABG-7237-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9037-8995
Ekaterina A. Pinaevskaya, Candidate of Biology, Research Scientist; ResearcherID: ABB-6293-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1877-1412
Yuliya E. Aganina, Postgraduate Student; ResearcherID: ABB-6305-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6069-8979
N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 23, Arkhangelsk, 163000, Russian Federation; е-mail: tarkse@yandex.ru, aviatorov8@mail.ru, julja-a30@rambler.ru

Abstract. Intrapopulation variability of biochemical traits and cambial growth shows the adaptive ability of pine trees in different growth conditions. There is a genetically determined process of activation of defense systems in pine trees under unfavorable environmental conditions. Structural and functional rearrangement of the assimilating apparatus due to seasonal development ensures increased tree resilience and the passage of ontogenesis under the influence of stress factors within the reaction norm. This work aims at the study of adaptive ability of Pinus sylvestris L., which differs in the apophysis form of seed scales under conditions of prolonged excessive soil moistening in northern taiga. Studies were carried out in shrubby-sphagnum pine forests on boggy upland peat soils in the mouth of the Northern Dvina River. Trees with primary apophysis variations (forms) of seed scales were identified on the sample plots. Samples of 1, 2 and 3-year-old needles were taken in order to determine biochemical traits in 10 trees of each pine form isolated by type of apophysis, in different calendar periods (from May to December, 2016). The content of free proline, water-soluble proteins, and ascorbic acid was determined in the needles by the spectrophotometric method. Wood cores were sampled from 52 trees at a height of 1.3 m and width of the annual layer was determined in each selected form. Relative dendrochronological parameters were calculated along with the absolute value of radial growth. Meteorological parameters at the study sites (air temperature and precipitation) were determined from data of the Arkhangelsk Weather Station. The studies show the similarities and differences of trees of various forms in the seasonal dynamics of stress metabolites content in needles of different ages in relation to meteorological factors and phenological phases of pine vegetative organs in the Northern Dvina mouth. Trees with flat form of apophysis inherent more intensive accumulation of activation of their protective reactions before overwintering compared to trees with convex form of apophysis. Patterns of variability in cambial growth of trees of different forms in time series were found. It was observed that trees with flat form of apophysis are more strongly affected by maladaptive (stressful) environmental factors.
For citation: Tarkhanov S.N., Pinaevskaya E.A., Aganina Yu.E. Features of Adaptation of Different Forms of Scots Pine under Conditions of Prolonged Excessive Soil Moistening. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 2, pp. 30–44. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-30-44
Funding: These studies were performed as part of the state assignment of the N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (project No. 0409-2019-0039, state registration No. АААА -А18-118011690221-0).

Keywords: Scots pine, apophysis form of seed scales, biochemical parameters, radial growth, adaptation, prolonged excessive soil moistening.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
The authors declare that there is no conflict of interest
Поступила 13.12.19 / Received on December 13, 2019