УДК 544.47

ИЗУЧЕНИЕ МОРФОЛОГИИ ЭКТОМИКОРИЗНОГО СИМБИОЗА ПОДРОСТА PINUS SIBIRICA DU TOUR В ПОДЗОНЕ ЮЖНОЙ ТАЙГИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ

 

A STUDY OF MORPHOLOGY OF ECTOMYCORRHIZAL SYMBIOSIS IN PINUS SIBIRICA DU TOUR IN TOMSK REGION SOUTH TAIGA

 

Карбышева К.С., Вайшля О.Б., Кудашова Н.Н., Гашков С.И.

(Томский государственный университет, г.Томск, РФ)

Karbysheva K.S., Vaishlya O.B., Kudashova N.N., Gashkov S.I.

(Tomsk State University, Tomsk, Russia)

 

Явление микосимбиотрофизма  хвойных пород деревьев лесоболотного комплекса  Западно-Сибирской равнины практически не изучено.  Цель исследования - изучение морфологии и экологической роли эктомикоризы  сеянцев сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour). Сбор образцов проходил в четырех  различных по эколого-лесоводственными условиям лесных биотопах.  Анализ полученных данных подтвердил необходимость облигатного мутуализма хвойных и базидиомицетов в условиях дефицита минерального питания.

 

The mycotrophy of the edificator coniferous trees of the West Siberian Plain swamp-and-forest complex are not  studied. The authors aimed at studying the morphology and ecological role of ectomycorrhizae in Pinus sibirica Du Tour seedlings. The sampling took place in four forest biotopes with different environmental conditions. The analysis of the data confirmed the necessity of the conifers and basidiomycetes obligate mutualism in case of mineral nutrition  deficiency.

 

Ключевые слова: эктомикориза, Pinus sibirica, сеянцы, грибы, симбиоз

Key words:  ectomycorrhizae, Pinus sibirica, seedlings, roots, fungi, symbiosis

 

Томская область, в которой проводилось исследование, находится в интереснейшем регионе планеты – на Западно-Сибирской равнине, расположенной на одноименной тектонической плите. Слабая дренированность территории, ее обводненность и заболоченность обусловлены расположением территории на высотах до 100 м над уровнем моря. Активное протекание болотообразовательных процессов способствует распространению лесных фитоценозов по возвышенностям и долинам рек. Основным типом лесов являются темнохвойные с преобладанием ели, пихты и сосны сибирской. Протяженность с севера на юг на 1200 км объясняет изменение климатических условий и соответствующую смену лесообразующих древесных пород, вследствие чего традиционно выделяют северо-таежную, средне-таежную и южно-таежную зоны сибирского лесоболотного комплекса.

Основным деревом-эдификатором южной тайги является Pinus sibirica Du Tour. Проблема воспроизводства сосны сибирской является одной из самых неоднозначных и обсуждаемых, однако большинство экспертов сходятся во мнении, что процесс естественного восстановления кедра малоэффективный и требует применения лесовосстановительных практик. Поскольку известна обязательная микотрофность хвойных, и перспективным признан способ выращивания саженцев хвойных с закрытой корневой системой с интегрированными растительно-микробными ассоциациями, становятся актуальны исследования эктомикориз в природных лесных экосистемах.

Эколого-физиологические особенности микосимбиотрофизма на территории северо-западной части России и Восточного Урала подробно описаны в работах И.А. Селиванова, В.Н. Шубина, Д. В. Веселкина, Т.А. Творожниковой, однако микотрофность хвойных в условиях западно-сибирских лесных ценозов практически не изучена. Систематическое изучение биоразнообразия эктомикоризообразующих макромицетов Томской области началось в Томском государственном университете в 2004 году. Проводятся работы по сбору образцов, их идентификации, введению в чистую культуру и определению физиологических и биохимических характеристик грибов.

Целью данного исследования являлось изучение морфологии микотрофности  сеянцев сосны сибирской (Pinus sibirica, Du Tour) в равнинных лесах южной тайги Западной Сибири.

Объектами исследования стали четыре лесных биотопа, удаленных друг от друга, отличающихся высотностью над уровнем моря и типом тайги, а также характеризующихся разными эколого-лесоводственными условиями: окрестность деревни Киреевск, лесопарк Академгородка, окрестность села Тимирязево, припоселковый кедрач п. Лоскутово.  Наиболее высокая степень нарушенности лесных территорий наблюдалась в районе Академгородка (чернозем) и Лоскутовского припоселкового кедрача (дерново-подзолистая серая лесная почва). Именно с превышением допустимой антропогенной нагрузки связывают существующие проблемы с естественным возобновлением кедра в Лоскутово, где подрост практически отсутствует.  Соответственно, в Тимирязево (серая лесная почва) и в Киреевске (песчаные почвы) антропогенная нагрузка была относительно ниже.

Выкопку сеянцев Pinus sibirica проводили в июле-августе, с комом земли глубиной 20-25 см. Образцы хранили в фольге при температуре плюс 4 градуса по Цельсию.  Возраст образцов определяли с помощью LINTAB Tree-ring measurement station.  Корневую систему осторожно отмывали водой, разрезали на фрагменты длиной 3-4 см, помещали в воду в чашки Петри, затем просматривали под лупой, эктомикоризные окончания фиксировали в 70% этиловом спирте. Затем определяли морфотип эктомикориз (DEEMY: An Information System for Characterization and DEtermination of EctoMYcorrhizae), проводили фотодокументирование, измерение макропризнаков, сбор материала для ДНК-анализа грибного симбионта (рис. 1). Индекс микоризации рассчитывали как отношение количества эктомикориз к общему количеству поглощающих корней, микоризованных и немикоризованных. Эктомикоризы отличали от поглощающих корней по форме и цвету, по наличию поверхностных гифальных структур.

В литературе есть мнение, что для изучения микропризнаков эктомикориз возраст сеянцев значения не имеет, поэтому для исследования была взята возрастная группа от 5 до 15 лет, зачастую не сильно отличающаяся по высоте растений. В каждом исследованном районе анализировали строение различных морфотипов эктомикориз не менее 35-40 сеянцев.

Срезы микориз получали на замораживающем микротоме «МЗ-2», просматривали на микроскопе «Zeiss Axiostar plus» с видеокамерой «LCL – 217 HS Digital». Определяли такие показатели, как диаметр корня, толщина грибного чехла и диаметр микоризы, площадь клеточной стенки, мицелия и периметр, площадь поперечного сечения корня и площадь микоризного чехла с помощью программы «Siams Mesoplant» (США) (рис. 2).

Рисунок 1 – Эктомикориза на корнях Pinus sibirica

Рисунок 2 – Поперечный срез эктомикоризы Pinus sibirica

 

Статистическая обработка полученных результатов проводилась с помощью программы Microsoft Office Excel с надстройками пакета анализа данных. Были изучены средние арифметические из 20-25 измерений. Во всех случаях достоверность полученного материала рассчитывали по t-критерию Стьюдента.

В ходе исследования было выявлено, что максимальные показатели длины стебля, длины хвои и корня, количества эктомикориз зафиксированы в лесопарке «Академический», а минимальные – в Киреевском лесничестве. Общая длина поглощающих корней максимальна в Темерчинском лесничестве, минимальна в Киреевском лесничестве.

Сравнительный анализ данных показал, что наиболее изменчивыми признаками являются общая длина поглощающих корней и длина главного корня. Устойчивым оказался такой параметр, как количество эктомикориз, а практически постоянным – показатель «Индекс микоризации». Максимальное количество эктомикориз было обнаружено на корнях сеянцев, собранных в Академгородке, при этом значение индекса микоризации и общая длина поглощающих корней в этом районе также оставались на высоком уровне. Можно сказать, что такие признаки как длина стебля, длина хвои, длина главного корня и общая длина поглощающих корней не влияют на значение индекса микоризации и не должны учитываться в дальнейших исследованиях.

Максимальная степень микотрофности, оцененная по индексу микоризации, обнаружена для сеянцев Лоскутовского припоселкового кедрача (1,31). Данный показатель для сеянцев лесопарка «Академический» составляет 0,90; для Темерчинского лесничества – 0,66, а для Лесничества «Киреевское» - 0,62. Повышенный более чем в два раза показатель микотрофности (по сравнению с изученными) в Лоскутово, судя по всему, не случаен, поскольку развитию эктомикоризы способствуют неблагоприятные условия произрастания деревьев.

Полученные результаты укладываются в концепцию симбиотрофизма как эволюционно более древнего способа получения минерального питания растениями, образовавшегося в условиях ранних олиготрофных почв.  Значительная часть современных высших сосудистых растений не выработала способность к самостоятельному корневому питанию и продолжает покрывать дефицит питательных элементов посредством взаимодействия с грибным симбионтом. Принимая во внимание факт, что ведущая роль в данном процессе принадлежит растению-хозяину, можно заключить, что именно условия внешней среды определяют запрос растения на необходимость и экологическую значимость микотрофного способа питания.

Список использованных источников

1.    Tedersoo L., Smith M.E. Ectomycorrhizal Fungal Lineages: Detection of Four New Groups and Notes on Consistent Recognition of Ectomycorrhizal Taxa in High-Throughput Sequencing Studies // Biogeography of Mycorrhizal Symbiosis /Ecological Studies. 2017. Vol. 230.  P. 125-142.

2.    Вайшля О.Б. и др. Микотрофность подроста Pinus sibirica du Tour в подзоне южной тайги Томской области // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.  2012.  Том 14. №1(8).  C. 1963-1967.

3.    Веселкин Д.В. Размеры эктомикоризных окончаний Picea obovata Ledeb., Abies sibirica Ledeb., Pinus sylvestris L. и отношение симбионтов в них. Видовые особенности // Хвойные бореальной зоны. 2013.  XXI, № 1.  C.66-72.

4.    Vaishlya O. et. al. First list of macromycetes forming ectomycorrhizas in cedar and pine forests of Tomsk region of West Siberia // International Journal of Environmental Studies, 2017. 74:5, 752-770. DOI: 10.1080/00207233.2017.1294422

 

Исследование поддержано грантом РФФИ № 15-29-02588

«Биота микоризообразующих макромицетов сосняков и кедровников Томской области и их экосистемная роль»