Статьи 2024 г.
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН
пр. Академический, 10/3, Томск, 634055 Российская Федерация
E-mail: pearldiver@yandex.ru, eazhuk@yandex.ru, obender65@mail.ru
Реферат
УДК 582.475.4:58.02+575.167(571.16)
Горошкевич С. Н., Жук Е. Н., Бендер О. Г. Исследование эколого-географической дифференциации кедра сибирского на экспериментальных объектах научного стационара «Кедр» ИМКЭС СО РАН // Сибирский лесной журнал. 2024. № 3. С. 54–66.
DOI: 10.15372/SJFS20240306
EDN: …
© Горошкевич С. Н., Жук Е. Н., Бендер О. Г., 2024
В 30-летнем клоновом архиве на научном стационаре «Кедр» Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН изучена фенология, продуктивность, интенсивность газообмена и устойчивость к биотическим факторам у климатических экотипов кедра сибирского с широтного (от лесотундры Западной Сибири до низкогорий Западного Саяна) и долготного (от Урала до Северного Прибайкалья) профилей. Установлено, что для кедра сибирского характерен высокий уровень наследственно обусловленной эколого-географической дифференциации по продуктивности и устойчивости к биотическим факторам (вредителям и болезням) при выращивании вегетативного потомства на юге лесной зоны. Главным фактором различий между экотипами является теплообеспеченность вегетационного периода в местах их происхождения. С севера на юг она увеличивается значительно сильнее, чем с востока на запад. Поэтому различия между широтными экотипами значительно больше, чем между долготными. Интенсивность дыхания в большей степени, чем интенсивность фотосинтеза, зависит от климата, в котором сформировалась данная популяция. У экотипов из холодных местообитаний значительно выше наследственно обусловленные затраты на дыхание. Это является важным фактором снижения их продуктивности в более теплом климате. Будучи ослаблены дисбалансом между фотосинтезом и дыханием, они подвергаются повреждению вредителями и болезнями, что становится важным фактором дальнейшего снижения продуктивности. В условиях глобального потепления экотипы из более теплого климата не уступают местному экотипу по устойчивости и превосходят его по продуктивности. Поэтому их рекомендуется активно использовать в селекционной работе.
Текст статьи
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (REFERENCES)
Авров Ф. Д. Рост привоев лиственницы различного географического происхождения В кн.: Географические культуры и плантации хвойных в Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1977. С. 124–153 [Avrov F. D. Rost privoev listvennitsy razlichnogo geograficheskogo proiskhozhdeniya (Growth of larch grafts of various geographical origin) In: Geograficheskie kul’tury i plantatsii khvoynykh v Sibiri (Geographical crops and plantations of conifers in Siberia). Novosibirsk: Nauka. Sib. otd-nie (Science. Sib. Br.), 1977. P. 124–153 (in Russian)].
Авров Ф. Д. Экология и селекция лиственницы // Проблемы региональной экологии. Вып. 7. Томск: Спектр, 1996. 213 с. [Avrov F. D. Ekologiya i selektsiya listvennitsy (Ecology and breeding of larch) // Problemy regional’noy ekologii (Problems of regional ecology). Iss. 7. Tomsk: Spektr, 1996. 213 p. (in Russian)].
Алексеев В. А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. № 4. С. 51–57 [Alekseev V. A. Diagnostika zhiznennogo sostoyaniya derev’ev i drevostoev (Diagnostics of the vital status of trees and tree stands) // Lesovedenie (For. Sci.). 1989. N. 4. P. 51–57 (in Russian with English abstract)].
Бендер О. Г., Горошкевич С. Н. Газообмен и содержание фотосинтетических пигментов у широтных экотипов кедра сибирского в опыте ex situ // Сиб. лесн. журн. 2020. № 5. С. 28–36 [Bender O. G., Goroshkevich S. N. Gazoobmen i soderzhanie fotosinteticheskih pigmentov u shirotnykh ekotipov kedra sibirskogo v opyte ex situ (Gas exchange and the content of photosynthetic pigments in latitudinal ecotypes of Siberian stone pine in ex situ experiment) // Sib. lesn. zhurn. (Sib. J. For. Sci.). 2020. N. 5. P. 28–36 (in Russian with English abstract and references)].
Гродницкая И. Д., Кузнецова Г. В. Заболевания Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour в географических культурах и лесных питомниках Красноярского края и Хакасии // Хвойные бореальной зоны. 2012. Т. 27. № 3–4. С. 55–60 [Grodnitskaya I. D., Kuznetsova G. V. Zabolevaniya Pinus sylvestris L. i Pinus sibirica Du Tour v geograficheskih kul’turakh i lesnykh pitomnikakh Krasnoyarskogo kraya i Khakasii (Diseases of Pinus sylvestris L. and Pinus sibirica Du Tour in geographical crops and forest nurseries of Krasnoyarsk Krai and Khakassia) // Khvoynye boreal’noy zony (Coniferous of the Boreal Zone). 2012. V. 27. N. 3–4. P. 55–60 (in Russian with English abstract)].
Жук Е. А., Горошкевич С.Н. Факторы внутривидовой дифференциации кедра сибирского вдоль широтного и высотного профилей // Хвойные бореальной зоны. 2012. Т. 27. № 3–4. С. 61–66 [Zhuk E. A., Goroshkevich S. N. Faktory vnutrividovoy differentsiatsii kedra sibirskogo vdol’ shirotnogo i vysotnogo profiley (Factors of intraspecific differentiation of Siberian stone pine along latitudinal and altitudinal profiles) // Khvoynye boreal’noy zony (Coniferous of the Boreal Zone). 2012. V. 27. N. 3–4. P. 61–66 (in Russian with English abstract)].
Ирошников А. И. Географические культуры хвойных в Сибири В кн.: Географические культуры и плантации хвойных в Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1977. С. 3–110 [Iroshnikov A. I. Geograficheskie kul’tury khvoynykh v Sibiri (Geographical crops of conifers in Siberia) In: Geograficheskie kul’tury i plantatsii khvoynykh v Sibiri (Geographical crops and plantations of conifers in Siberia). Novosibirsk: Nauka. Sib. otd-nie (Science. Sib. Br.), 1977. P. 3–110 (in Russian)].
Кривец С. А., Керчев И. А., Бисирова Э. М., Волкова Е. С., Мельник М. А., Смирнов Н. А., Пац Е. Н. Вспышка массового размножения и оценка риска распространения союзного короеда в кедровых лесах Томской области // Лесоведение. 2023. № 2. С. 116–131 [Krivets S. A., Kerchev I. A., Bisirova E. M., Volkova E. S., Melnik M. A., Smirnov N. A., Pats E. N. Vspyshka massovogo razmnozheniya i otsenka riska rasprostraneniya soyuznogo koroeda v kedrovykh lesakh Tomskoy oblasti (Outbreak of mass reproduction and risk assessment of the spread of the small spruce bark beetle in the Siberian stone pine of Tomsk Oblast) // Lesovedenie (For. Sci.). 2023. N. 2. P. 116–131 (in Russian with English abstract and references)].
Кривец С. А., Коровинская Е.Н. Экология сибирского кедрового хермеса в селекционных культурах кедра сибирского в Томской области // Изв. СПбЛТА. 2009. № 187. С. 159–167 [Krivets S. A., Korovinskaya E. N. Ekologiya sibirskogo kedrovogo khermesa v selektsionnykh kul’turakh kedra sibirskogo v Tomskoy oblasti (Ecology of Pineus cembrae in the selection crops of Siberian stone pine in Tomsk Oblast) // Izv. SPbLTA (Proc. St. Petersburg For. Engineering Acad.). 2009. N. 187. P. 159–167 (in Russian with English abstract)].
Кузнецова Г. В. Опыт создания клоновой плантации кедровых сосен в Красноярской лесостепи // Хвойные бореальной зоны. 2007а. Т. 24. № 2–3. С. 217–224 [Kuznetsova G. V. Opyt sozdaniya klonovoy plantatsii kedrovykh sosen v Krasnoyarskoy lesostepi (The experience of creating a clone plantation of stone pines in Krasnoyarsk forest-steppe) // Khvoynye boreal’noy zony (Coniferous of the Boreal Zone). 2007a. V. 24. N. 2–3. P. 217–224 (in Russian with English abstract)].
Кузнецова Г. В. Изучение изменчивости у климатипов кедра сибирского на юге Красноярского края // Хвойные бореальной зоны. 2007б. Т. 24. № 4–5. С. 423–426 [Kuznetsova G. V. Izuchenie izmenchivosti u klimatipov kedra sibirskogo na yuge Krasnoyarskogo kraya (Study of variability of Siberian stone pine climatic types in the south of Krasnoyarsk Krai) // Khvoynye boreal’noy zony (Coniferous of the Boreal Zone). 2007b. V. 24. N. 4–5. P. 423–426 (in Russian with English abstract)].
Малкина И. С. Газообмен и образование ассимилятов в разновозрастной хвое сосны обыкновенной // Лесоведение. 1984. № 6. С. 29–33 [Malkina I. S. Gazoobmen i obrazovanie assimilyatov v raznovozrastnoy khvoe sosny obyknovennoy (Gas exchange and the formation of assimilates in the Scotch pine needle of different ages) // Lesovedenie (For. Sci.). 1984. N. 6. P. 29–33 (in Russian with English abstract)].
Николаева М. А., Варенцова Е. Ю., Межина К. М. Оценка сохранности и состояния Pinus sibirica Du Tour в географических культурах Ленинградской области // Хвойные бореальной зоны. 2022. Т. 40. № 5. C. 381–387 [Nikolaeva M. A., Varentsova E. Yu., Mezhina K. M. Otsenka sokhrannosti i sostoyaniya Pinus sibirica Du Tour v geograficheskikh kul’turakh Leningradskoy oblasti (Assessment of the preservation and health status of Pinus sibirica Du Tour in geographical crops of Leningrad Oblast) // Khvoynye boreal’noy zony (Coniferous of the Boreal Zone). 2022. V. 40. N. 5. P. 381–387 (in Russian with English abstract)].
Петрова Е. А., Горошкевич С. Н., Белоконь М. М., Белоконь Ю. С., Политов Д. В. Генетическое разнообразие кедра сибирского, Pinus sibirica Du Tour: распределение вдоль широтного и долготного профилей // Генетика. 2014. Т. 50. № 5. С. 538–553 [Petrova E. A., Goroshkevich S. N., Belokon’ M. M., Belokon’ Yu. S., Politov D. V. Geneticheskoe raznoobrazie kedra sibirskogo Pinus sibirica Du Tour: raspredelenie vdol’ shirotnogo i dolgotnogo profiley (Distribution of the genetic diversity of the Siberian stone pine, Pinus sibirica Du Tour, along the latitudinal and longitudinal profiles) // Genetika (Genetics). 2014. V. 50. N. 5. P. 538–553 (in Russian with English abstract)].
Тихонова И. В., Корец М. А. Изменчивость метеорологических условий произрастания хвойных пород в Средней Сибири с 1960 г. // Лесоведение. 2021. № 2. С. 173–186. [Tikhonova I. V., Korets M. A. Izmenchivost’ meteorologicheskikh usloviy proizrastaniya khvoynykh porod v Sredney Sibiri s 1960 g. (Variability of meteorological conditions of conifers growth in Central Siberia since 1960) // Lesovedenie (For. Sci.). 2021. N. 2. P. 173–186 (in Russian with English abstract and references)].
Федорков А. Л. Лесосеменное районирование сосны обыкновенной на севере Европы // Сиб. лесн. журн. 2020. № 2. С. 63–68 [Fedorkov A. L. Lesosemennoe rayonirovanie sosny obyknovennoy na severe Evropy (Forest-seed zoning of Scots pine in the north of Europe) // Sib. lesn. zhurn. (Sib. J. For. Sci.). 2020. N. 2. P. 63–68 (in Russian with English abstract and references)].
Aitken S. N., Whitlock M. C. Assisted gene flow to facilitate local adaptation to climate change // Ann. Rev. Ecol. Evol. System. 2013. V. 44. P. 367–388.
Andersson G. B., Persson T., Fedorkov A., Mullin T. J. Longitudinal differences in Scots pine shoot elongation // Silva Fenn. 2018. V. 52. Iss. 5. Article 10040.
Atkin O. K., Tjoelker M. G. Thermal acclimation and the dynamic response of plant respiration to temperature // Trends Plant Sci. 2003. V. 8. Iss. 7. P. 343–351.
Basler D., Korner C. Photoperiod sensitivity of bud burst in 14 temperate forest tree species // Agr. For. Meteorol. 2012. V. 165. P. 73–81.
Bossdorf O., Prati D., Auge H., Schmid B. Reduced competitive ability in an invasive plant // Ecol. Lett. 2004. V. 7. Iss. 4. P. 346–353.
Cannell M. C. R., Thompson S., Lines R. Heights of provenances and progenies of Pinus contorta in Britain correlated with seedling phenology and the duration of bud development // Silvae Gen. 1981. V. 30. Iss. 6. P. 166–173.
Chapin F. S., Matson P. A., Mooney H. A. Carbon inputs to ecosystems In: Principles of terrestrial ecosystem ecology. Springer Verlag, 2002. Р. 123–156.
Chen Z., Grossfurthner L., Loxterman J. L., Masingale J., Richardson B. A., Seaborn T., Smith B., Waits L. P., Narum S. R. Applying genomics in assisted migration under climate change: Framework, empirical applications, and case studies // Evol. Appl. 2022. V. 15. Iss. 1. P. 3–21.
Chi Y., Xu M., Shen R., Yang Q., Huang B., Wan S. Acclimation of foliar respiration and photosynthesis in response to experimental warming in a temperate steppe in Northern China // PLoS ONE. 2013. V. 8. Iss. 2. Article e56482.
Crous K. Y., Quentin A. G., Lin Y. S., Medlyn B. E., Williams D. G., Barton C. V. M., Ellsworth D. S. Photosynthesis of temperate Eucalyptus globulus trees outside their native range has limited adjustment to elevated CO2 and climate warming // Global Change Biol. 2013. V. 19. Iss. 12. P. 3790–3807.
Evans P. M., Newton A. C., Cantarello E., Martin P., Sanderson N., Jones D. L. Thresholds of biodiversity and ecosystem function in a forest ecosystem undergoing dieback // Sci. Rep. 2017. V. 7. N. 1. Article 6775.
Gross C. L., Fatemi M., Simpson I. H. Seed provenance for changing climates: early growth traits of nonlocal seed are better adapted to future climatic scenarios, but not to current field conditions // Restor. Ecol. 2017. V. 25. Iss. 4. P. 577–586.
Hamilton J. A., El Kayal W., Hart A. T., Runcie D. E., Arango-Velez A., Cooke J. E. The joint influence of photoperiod and temperature during growth cessation and development of dormancy in white spruce (Picea glauca) // Tree Physiol. 2016. V. 36. Iss. 11. P. 1432–1448.
Hannerz M. Genetic and seasonal variation in hardiness and growth rhythm in boreal and temperate conifers: A review and annotated bibliography. Rep. N. 2. Skogforsk, 1998. 140 p.
Hanninen H. Effects of climatic change on trees from cool and temperate regions: an ecophysiological approach to modelling of bud burst phenology // Can. J. Bot. 1995. V. 73. N. 2. P. 183–199.
Hereford J. A quantitative survey of local adaptation and fitness trade-offs // The American Naturalist. 2009. V. 173. Iss. 5. P. 579–588.
Johnson R., Stritch L., Olwell P., Lambert S., Horning M. E., Cronn R. What are the best seed sources for ecosystem restoration on BLM and USFS lands? // Native Plants J. 2010. V. 11. Iss. 2. P. 117–131.
Jones T. A. When local isn't best // Evol. Appl. 2013. V. 6. Iss. 7. P. 1109–1118.
Joshi J., Schmid B., Caldeira M. C., Dimitrakopoulos P. G., Good J., Harris R., Hector A., Huss-Danell K., Jumpponen A., Minns A., Pereira J. S., Prinz A., Scherer-Lorenzen M., Siamantziouras A.-S. D., Terry A. C., Troumbis A. Y., Lawton J. H. Local adaptation enhances performance of common plant species // Ecol. Lett. 2001. V. 4. Iss. 6. P. 536–544.
Kagawa A., Sugimoto A., Maximov T. C. Seasonal course of translocation, storage and remobilization of 13C pulse-labeled photoassimilate in naturally growing Larix gmelinii saplings // New Phytol. 2006. V. 171. Iss. 4. P. 793–803.
Klapste J., Jaquish B., Porth I. Building resiliency in conifer forests: Interior spruce crosses among weevil resistant and susceptible parents produce hybrids appropriate for multi-trait selection // PLOS ONE. 2022. V. 18. N. 10. Article e0293160.
Klisz M., Chakraborty D., Cvjetkoviс B., Grabner M., Lintunen A., Mayer K., George J-P., Rossi S. Functional traits of boreal species and adaptation to local conditions In: Boreal forests in the face of climate change: Sustainable management / M. M. Girona, H. Morin, S. Gauthier, & Y. Bergeron (Eds.). V. 74. Springer Cham, 2023. P. 323–355.
Krankina O. N., Dixon R. K., Kirilenko A. P., Kobak K. I. Global climate change adaptation: examples from Russian boreal forests // Climatic Change. 1997. V. 36. N. 1. P. 197–216.
Lesser M. R., Parker W. H. Genetic variation in Picea glauca for growth and phenological traits from provenance tests in Ontario // Silvae Gen. 2004. V. 53. N. 4. P. 141–148.
Liang J., Xia J., Liu L., Wan S. Global patterns of the responses of leaf-level photosynthesis and respiration in terrestrial plants to experimental warming // J. Plant Ecol. 2013. V. 6. Iss. 6. P. 437–447.
Lowry D. B. Ecotypes and the controversy over stages in the formation of new species // Biol. J. Linnean Soc. 2012. V. 106. Iss. 2. P. 241–257.
McLane S. C., Aitken S. N. Whitebark pine (Pinus albicaulis) assisted migration potential: testing establishment north of the species range // Ecol. Appl. 2012. V. 22. Iss. 1. P. 142–153.
Montwé D., Isaac-Renton M., Hamann A., Spiecker H. Cold adaptation recorded in tree rings highlights risks associated with climate change and assisted migration // Nat. Comm. 2018. V. 9. N. 1. Article 1574.
Morgenstern E. K. Geographic variation in forest trees. Genetic basis and application of knowledge in silviculture. Vancouver: Univ. British Columbia Press, 1996. 214 p.
Mutke S., Gordo J., Climent J., Gil L. Shoot growth and phenology modelling of grafted Stone pine (Pinus pinea L.) in Inner Spain // Ann. For. Sci. 2003. V. 60. Iss. 6. Р. 527–537.
Oleksyn J., Modrzynski J., Tjoelker M. G., Zytkowiak R., Reich P. B., Karolewski P. Growth and physiology of Picea abies populations from elevational transects: common garden evidence for altitudinal ecotypes and cold adaptation // Funct. Ecol. 1998. V. 12. Iss. 4. P. 573–590.
Partanen J., Koski V., Hanninen H. Effects of photoperiod and temperature on the timing of bud burst in Norway spruce (Picea abies) // Tree Physiol. 1998. V. 18. Iss. 12. P. 811–816.
Partanen J., Leinonen I., Repo T. Effect of accumulated duration of the light period on bud burst in Norway spruce (Picea abies) of varying ages // Silva Fenn. 2001. V. 35. N. 1. Article 608.
Petrova E. A., Goroshkevich S. N., Belokon M. M. Belokon Yu. S., Politov D. V. Distribution of the genetic diversity of the Siberian stone pine, Pinus sibirica Du Tour, along the latitudinal and longitudinal profiles // Rus. J. Genet. 2014. V. 50. Iss. 5. P. 467–482 (Original Rus. text © E. A. Petrova, S. N. Goroshkevich, M. M. Belokon, Yu. S. Belokon, D. V. Politov, 2014, publ. in Genetika. 2014. V. 50. N. 5. P. 538–553).
Rehfeldt G. E. Genetic differentiation among populations of Pinus ponderosa from Upper Colorado river basin // Bot. Gazet. 1990. V. 151. N. 1. P. 125–137.
Rehfeldt G. E., Leites L .P., Bradley St Clair J., Jaquish B. C., Sáenz-Romero C., López-Upton J., Joyce D. G. Comparative genetic responses to climate in the varieties of Pinus ponderosa and Pseudotsuga menziesii: clines in growth potential // For. Ecol. Manag. 2014. V. 324. P. 138–146.
Reich P. B, Oleksyn J., Tjoelker M. G. Needle respiration and nitrogen concentration in Scots pine populations from a broad latitudinal range: a common garden test with field-grown trees // Funct. Ecol. 1996. V. 10. N. 6. P. 768–776.
Richardson A. D., Hollinger D. Y., Dail D. B., Lee J. T., Munger J. W., O’Keefe J. Influence of spring phenology on seasonal and annual carbon balance in two contrasting New England forests // Tree Physiol. 2009. V. 29. Iss. 3. P. 321–331.
Saxe H., Cannell M. G. R., Johnsen O., Ryan M. G., Vourlitis G. Tree and forest functioning in response to global warming // New Phytol. 2001. V. 149. Iss. 3. P. 369–399.
Schwalm C., Ek A. R. Climate change and site: relevant mechanisms and modelling techniques // For. Ecol. Manag. 2001. V. 150. Iss. 3. Р. 241–257.
Schwinning S., Lortie C. J., Esque T. C., DeFalco L. A. What common-garden experiments tell us about climate responses in plants // J. Ecol. 2022. V. 110. Iss. 5. P. 986–996.
Skulason B., Hansen O. K., Nielsen U. B. Provenance variation in phenology and frost tolerance in Subalpine fir (Abies lasiocarpa) planted in Denmark and Iceland // Forests. 2018. V. 9. Iss. 1. Article 17.
Svystun T., Lundstromer J., Berlin M., Westin J., Jönsson A. M. Model analysis of temperature impact on the Norway spruce provenance specific bud burst and associated risk of frost damage // For. Ecol. Manag. 2021. V. 493. Iss. 6. Article 119252.
Teskey R. O., Will R. E. Acclimation of loblolly pine (Pinus taeda) seedlings to high temperatures // Tree Physiol. 1999. V. 19. Iss. 8. P. 519–525.
Tjoelker M. G, Oleksyn J, Reich P. B., Zytkowiak R. Coupling of respiration, nitrogen, and sugars underlies convergent temperature acclimation in Pinus banksiana across wide-ranging sites and populations // Global Change Biol. 2008. V. 14. Iss. 4. P. 782–797.
Way D. A., Oren R. Differential responses to changes in growth temperature between trees from different functional groups and biomes: a review and synthesis of data // Tree Physiol. 2010. V. 30. Iss. 6. P. 669–688.
Wuhlisch G. von, Krusche D., Muhs H. J. Variation in temperature sum requirement for flushing of beech provenances // Silvae Genet. 1995. V. 44. N. 5–6. P. 343–346.
Ying C. C., Yanchuk A. D. The development of British Columbia's tree seed transfer guidelines: purpose, concept, methodology, and implementation // For. Ecol. Manag. 2006. V. 227. Iss. 1–2. P. 1–13.
Zhang X. W., Wang J. R., Ji M. F., Milne R. I., Wang M. H. , Jian Q., Liu J. Q., Shi S., Yang S.-L., Zhao C.-M. Higher thermal acclimation potential of respiration but not photosynthesis in two alpine Picea taxa in contrast to two lowland congeners // PLoS ONE. 2015. V. 10. N. 4. Article e0123248.
Zhuk E. Shoot structure variation in latitudinal and longitudinal ecotypes of Pinus sibirica in common garden experiment // Forestist. 2020. V. 70. N. 2. P. 160–165.