Теоретическая и прикладная экология1995-43012618-840610.25750/1995-4301-2026-1-056-064OtherСезонные изменения флуоресценции хлорофилла для оценки стрессоустойчивости сосны сибирской на верхнем пределе распространенияSeasonal changes in chlorophyll fluorescence to assess the stress tolerance of Siberian pines at treelineПахарьковаН. В.PakharkovaN. V.nina.pakharkova@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0377-3263ГеттеИ. Г.GetteI. G.https://orcid.org/0000-0001-7372-1499ГаевскийН. А.GaevskyN. A.https://orcid.org/0000-0002-3747-9858РудиковскаяЕ. Г.RudikovskayaE. G.https://orcid.org/0000-0001-5709-2370РудиковскийА. В.RudikovskiiA. V.https://orcid.org/0000-0001-8567-0318МасенцоваИ. В.MasentsovaI. V.https://orcid.org/0009-0000-4038-6583КалабинаА. А.KalabinaA. A.https://orcid.org/0009-0000-3563-2460ГавриковВ. Л.GavrikovV. L.https://orcid.org/0000-0002-7816-0536Siberian Federal University (Krasnoyarsk, Russia)Сибирский федеральный университет (Красноярск, Россия)Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (Irkutsk, Russia)Сибирский институт физиологии и биохимии растений (Иркутск, Россия)2503202615664http://www.envjournal.ru/ari/v2026/v1/26106.pdf

Из-за изменения климата границы ареалов многих растений смещаются как в широтном, так и в высотном направлениях, в частности, граница лесов в горах смещается вверх. На склоне хребта Ергаки (Западный Саян) была заложена трансекта с четырьмя пробными площадями, пересекающая верхнюю границу леса при переходе от горно-таёжного к гольцово-тундровому поясу. Выявлено, что растения сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour) используют различные стратегии выживания при распространении выше границы леса, что проявляется в изменении формы кроны со стволовой на стланниковую, а также в сезонных изменениях пигментного комплекса и параметров флуоресценции хлорофилла хвои. Во всех местообитаниях P. sibirica важным параметром для прогнозирования увеличения массы хвои, которое, в свою очередь, обеспечивает продуктивность всего растения, является максимальная скорость нециклического переноса электронов в летнее время. Весной и осенью (при переходе от состояния зимнего покоя к вегетации и обратно) в пигментном комплексе хвои уменьшается соотношение хлорофиллов и каротиноидов от лесных к горно-тундровым фитоценозам. Экземпляры сосны сибирской, растущие выше границы леса и имеющие механизмы рассеивания избыточной световой энергии путём светоиндуцированного нефотохимического тушения, имеют явное преимущество в наборе массы хвои перед другими растениями с тех же пробных площадей. Для деревьев с пробных площадей, расположенных в лесных фитоценозах, высокая доля нефотохимического тушения является скорее помехой. Рассмотренные параметры флуоресценции хлорофилла могут быть использованы для выявления особей P. sibirica, устойчивых к условиям обитания выше границы леса, и их последующего использования в селекции для увеличения площади лесных массивов в условиях изменения климата.

Due to climate change, the boundaries of the ranges of many plants are shifting both in latitudinal and altitudinal directions. In particular, the forest boundary shifts upward in the mountains. A transect with four sampling plots was laid on the slope of the Ergaki Ridge (Western Sayan), crossing the treeline (upper border) of the forest as it transits from the mountain taiga to the rocky-tundra belt. It has been revealed that Siberian pine (Pinus sibirica Du Tour) plants use various survival strategies when spreading above the treeline, which manifests itself in a change in the shape of the crown form from stem-like to krummholz, as well as seasonal changes in the pigment complex and parameters of chlorophyll fluorescence in needles. In all habitats of P. sibirica, an important parameter for predicting an increase in the needle weight, which, in turn, ensures the productivity of the entire plant, is the maximum rate of non-cyclic electron transfer in the summer. In spring and autumn (in the course of transition from winter dormancy to vegetation and back), the ratio of chlorophylls and carotenoids from forest to mountain-tundra communities decreases in the pigment complex of needles. Siberian pine specimens growing above the treeline and having mechanisms for dissipating excess light energy by light-induced non-photochemical fluorescence quenching have a clear advantage in gaining needle weight over other plants from the same sample plots. For trees from sample plots located in forest environment, a high proportion of nonphotochemical fluorescence quenching is rather a disadvantage. The considered parameters of chlorophyll fluorescence can be used to identify P. sibirica individuals resistant to habitat conditions above the treeline and their subsequent use in breeding to increase the area of woodlands under climate change.

Pinus sibiricaверхняя граница лесафлуоресценцияхлорофиллкаротиноидыPinus sibiricatreelinefluorescencechlorophyllcarotenoidsThis research was funded by Russian Science Foundation to the research project: “Intrapopulation variability of ecophysiological features of Siberian pine (Pinus sibirica Du Tour) trees under climate change”, grant number 23-24-00251.1. Lyu L., Suvanto S., Nöjd P., Henttonen H.M., Mäkinen H., Zhang Q.B. Tree growth and its climate signal along latitudinal and altitudinal gradients: comparison of tree rings between Finland and the Tibetan Plateau // Biogeosciences. 2017. V. 14. P. 3083–3095. doi: 10.5194/bg-14-3083-20172. Klinge M., Dulamsuren C., Erasmi S., Karger D.N., Hauck M. Climate effects on vegetation vitality at the treeline of boreal forests of Mongolia // Biogeosciences. 2018. V. 15. P. 1319–1333. doi: 10.5194/bg-15-1319-20183. Kruse S., Gerdes A., Kath N.J., Epp L.S., Stoof-Leichsenring K.R., Pestryakova L.A., Herzschuh U. Dispersal distances and migration rates at the arctic treeline in Siberia – a genetic and simulation-based study // Biogeosciences. 2019. V. 16. No. 6. P. 1211–1224. doi: 10.5194/bg-16-1211-20194. Kharuk V.I., Im S.T., Petrov I.A. Alpine ecotone in the Siberian Mountains: vegetation response to warming // J. Mt. Sci. 2021. V. 18. P. 3099–3108. doi: 10.1007/s11629-021-6876-25. Grigoriev A.A., Shalaumova Yu.V., Vyukhin S.O., Balakin D.S., Kukarskikh V.V., Vyukhina A.A., Camarero J.J., Moiseev P.A. Upward treeline shifts in two regions of Subarctic Russia are governed by summer thermal and winter snow conditions // Forests. 2022. V. 13. Article No. 174. doi: 10.3390/f130201746. Moiseev P.A., Hagedor F., Balakin D.S., Bubnov M.O., Devi N.M., Kukarskih V.V., Mazepa V.S., Viyukhin S.O., Viyukhina A.A., Grigoriev A.A. Stand biomass at treeline ecotone in Russian Subarctic Mountains is primarily related to species composition but its dynamics driven by improvement of climatic conditions // Forests. 2022 V. 13. Article No. 254. doi: 10.3390/f130202547. Petrov I.A., Shushpanov A.S., Golyukov A.S., Dvinskaya M.L., Kharuk V.I. Dynamics of tree and shrub vegetation in the Eastern Sayan Mountain Tundra // Russ. J. Ecol. 2021. V. 52. P. 399–405. doi: 10.1134/S10674136210501188. Kharuk V.I., Im S.T., Dvinskaya M.L. Forest-tundra ecotone response to climate change in the Western Sayan Mountains, Siberia // Scand. J. For. Res. 2010. V. 25. No. 3. P. 224–233. doi: 10.1080/028275810037669599. Petrov I.A., Kharuk V.I., Dvinskaya M.L., Im S.T. Reaction of coniferous trees in the Kuznetsk Alatau alpine forest-tundra ecotone to climate change // Contemp. Probl. Ecol. 2015. V. 8. P. 423–430. doi: 10.1134/S199542551504013710. Pakharkova N., Borisova I., Sharafutdinov R., Gavrikov V. Photosynthetic pigments in Siberian pine and fir under climate warming and shift of the timberline // Forests. 2020. V. 11. Article No. 63. doi: 10.3390/f1101006311. Tantsyrev N.V., Shobairi S.O.R., Usoltsev V.A., Sun L., Zhang H., Li C., He J., Hemmati Roudbari S., Asghari Beirami B., Ayombekov Q. Geographical peculiarities of Pinus sibirica Du Tour natural regeneration as related to its seed crops // Curr. World Environ. 2024. V. 19 No. 1. P. 109–123. doi: 10.12944/CWE.19.1.412. Velisevich S.N., Bender O.G., Goroshkevich S.N The influence of scion donor tree age on the growth and morphogenesis of Siberian stone pine grafts // New Forests. 2020. V. 52. P. 473–491. doi: 10.1007/s11056-020-09805-213. Furbank R.T., Tester M. Phenomics – technologies to relieve the phenotyping bottleneck // Trends Plant Sci. 2011. V. 16. No. 12. P. 635–644. doi: 10.1016/j.tplants.2011.09.00514. Demidchik V.V., Shashko A.Y., Bandarenka U.Y., Smolikova G.N., Przhevalskaya D.A., Charnysh M.A., Pozhvanov G.A., Barkosvkyi A.V., Smolich I.I., Sokolik A.I., Yu M., Medvedev S.S. Plant phenomics: fundamental bases, software and hardware platforms, and machine learning // Russ. J. Plant Physiol. 2020. V. 67. No. 3. P. 397–412. doi: 10.1134/S102144372003006115. Rolfe S.A., Scholes J.D. Chlorophyll fluorescence imaging of plant-pathogen interactions // Protoplasma. 2010. V. 247. P. 163–175. doi: 10.1007/s00709-010-0203-z16. Dutta S., Cruz J.A., Jiao Y., Chen J., Kramer D.M., Osteryoung K.W. Non-invasive, whole-plant imaging of chloroplast movement and chlorophyll fluorescence reveals photosynthetic phenotypes independent of chloroplast photorelocation defects in chloroplast division mutants // Plant J. 2015. V. 84. No. 2. P. 428–442. doi: 10.1111/tpj.1300917. Kalaji H.M., Jajoo A., Oukarroum A., Brestic M., Zivcak M., Samborska I.A., Cetner M.D., Łukasik I., Goltsev V., Ladle R.J. Chlorophyll a fluorescence as a tool to monitor physiological status of plants under abiotic stress conditions // Acta Physiol. Plant. 2016. V. 38. Article No. 102. doi: 10.1007/s11738-016-2113-y18. Smolikova G., Kreslavski V., Shiroglazova O., Bilova T., Sharova E., Frolov A., Medvedev S. Photochemical activity changes accompanying the embryogenesis of pea (Pisum sativum) with yellow and green cotyle-dons // Funct. Plant Biol. 2018. V. 45. No. 2. P. 228–235. doi: 10.1071/FP1637919. Pakharkova N.V., Gaevsky N.A., Gette I.G. Parameters of Pinus sibirica photosynthetic apparatus for phenotyping trees in the high-altitude zone of the Western Sayan // J. Sib. Fed. Univ. Biol. 2024. V. 17. No. 2. P. 119–133 (in Russian).20. WALZ – High Quality Instrumentation for Plant Sciences [Internet resource] http://www.walz.com (Accessed: 15.11.2024).21. Rudikovskii A.V., Stolbicova A.V., Rudikovskaya E.G., Dudareva L.V. Role of phytohormones in the formation of dwarf and tall Siberian crabapple (Malus bаccata L. Borkh.) // Zemdirbyste. 2019. V. 106. No. 2. P. 167–172. doi: 10.13080/z-a.2019.106.02222. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes // Methods in Enzymology / Eds. S.P. Colowick, N.O. Kaplan. San Diego: Academic Press, 1987. P. 350–382. doi: 10.1016/0076-6879(87)48036-123. Küpper H., Seibert S., Parameswaran A. Fast, sensitive, and inexpensive alternative to analytical pigment HPLC: quantification of chlorophylls and carotenoids in crude extracts by fitting with Gauss peak spectra // Anal. Chem. 2007. V. 79. No. 20. P. 7611–7627. doi: 10.1021/ac070236m24. Rudikovskaya Е.G., Dudareva L.V., Shishparenok А.A., Osipova S.V., Stavitskaya Z.O., Rudikovskii А.V. Peculiarities of accumulation of photoprotective compounds by fruit of Siberian crabapple, Malus domestica Borkh. and their hybrids growing in conditions of Eastern Siberia // Sci. Hortic. 2019. V. 253. P. 303–308. doi: 10.1016/j.scienta.2019.04.03425. Robakowski P. Susceptibility to low-temperature photoinhibition in three conifers differing in successional status // Tree Physiol. 2005. V. 25. No. 9. P. 1151–1160. doi: 10.1093/treephys/25.9.115126. Tuzhilkina V.V. Photosynthetic activity of coniferous undergrowth in connection with industrial logging // Theoretical and Applied Ecology. 2024. No. 2. P. 22–28 (in Russian). doi: 10.25750/1995-4301-2024-2-022-02827. Öquist G., Huner N.P.A. Photosynthesis of overwintering evergreen plants // Annu. Rev. Plant Biol. 2003. V. 54. P. 329–355. doi: 10.1146/annurev.arplant.54.072402.11574128. Ruban A.V. Evolution under the sun: optimizing light harvesting in photosynthesis // J. Exp. Bot. 2015. V. 66. No. 1. P. 7–23. doi: 10.1093/jxb/eru40029. Pospíšil P. Mechanisms of non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching in higher plants // Photosynthetica. 1997. V. 34. P. 343–355. doi: 10.1023/A:100680383236630. Maslova T.G., Markovskaya E.F., Slemnev N.N. Functions of carotenoids in leaves of higher plants (review) // Biol. Bull. Rev. 2021. V. 11. No. 5. P. 476–487. doi: 10.1134/S2079086421050078