Невыясненная роль эпифитных лишайников в цикле углерода лесных экосистем Сибири

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-24-00167

НазваниеНевыясненная роль эпифитных лишайников в цикле углерода лесных экосистем Сибири

Руководитель Масягина Оксана Викторовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН) , Красноярский край

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-107 - Экология биосистем

Ключевые слова лишайники-эпифиты, лиственница, многолетняя мерзлота, Арктика, парниковые газы, СО2, метан, криптогамные пленки, обмен веществ, углерод, бореальный, биопленки, изменение климата, Сибирь, лесные экосистемы, Cyanobacteria

Код ГРНТИ34.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Эпифитные лишайники (ЭЛ), являясь разновидностью криптогамного покрова, играют важнейшую роль в лесных экосистемах в силу своего широкого распространения и древней эволюции. Помимо экосистемных функций (например, ЭЛ способствуют сохранению биоразнообразия, выступая в качестве субстрата и среды обитания, а также участвуют в круговороте веществ и воды) ЭЛ могут вносить важный вклад в круговорот углерода (C), поскольку они доминируют на 8% земной поверхности. ЭЛ широко распространены в лесных экосистемах Сибири, в том числе в мерзлотных лиственничниках (биомасса ЭЛ в них оценивается в 492-3200 кг/га), уязвимость к изменению климата которых уже подтверждена. Проект направлен на изучение роли ЭЛ, населяющих различные древесные виды, в цикле C лесных экосистем Сибири в/вне области распространения многолетней мерзлоты. Предполагается, что ЭЛ могут оказывать двоякое влияние на цикл C экосистем. Во-первых, через обмен парниковых газов СО2 и СН4, поскольку ЭЛ, будучи комплексными мета-организмами, состоят из фотосинтетических ассоциаций зеленых водорослей и/или цианобактерий, гетеротрофной грибной ткани, и бактериального микробиома (включая археи), известных своей способностью, помимо СО2, выделять парниковый газ CH4. Во-вторых, через обмен фотосинтатами с аффилированным деревом. Вышеизложенное может оказать существенное влияние на оценки цикла С в условиях современных климатических изменений. В рамках проекта эти две гипотезы будут изучены следующим образом: (1) способность ЭЛ генерировать CH4 будет исследована при помощи инкубационного метода с добавлением 13C-меченого субстрата (13CO2), (2) процессы переноса C будут исследованы на примере парных образцов веточек лиственницы и ассоциированных с ними ЭЛ, меченных 13С в ходе экспериментов по обогащению 13СО2 крон взрослых деревьев лиственницы и отобранных в течение 3 вегетационных сезонов. Анализ изотопного состава С (δ13C) позволит обнаружить и количественно оценить предполагаемый перенос фотоассимилятов между деревьями-хозяевами и ЭЛ. Кроме того, проект существенно улучшит профессиональные компетенции, навыки и научные коммуникации соискателей. Актуальность. Современные механистические модели цикла С не отражают вклад ЭЛ в цикл С в силу его слабой изученности. Следовательно, понимание неоднозначной роли ЭЛ, входящих в состав криптогамного покрова древесных растений, в цикле С (эмиссии CO2 и возможные эмиссии метана (CH4)) в мерзлотных и немерзлотных экосистемах Сибири поможет уточнить прогнозные оценки влияния климатических изменений на лесные экосистемы. Кроме того, данный проект отвечает современным вызовам и соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, а именно может быть использован при разработке и дополнении Стратегии низкоуглеродного развития России как важная часть «карбоновых полигонов» для оценки способности лесов РФ секвестрировать С. Новизна. В ходе реализации первой части проекта будет впервые оценена способность бореальных ЭЛ продуцировать СН4. Скорость эмиссии CH4 будет определяться для разных видов ЭЛ в ходе инкубационных экспериментов при различной дневной/ночной температуре окружающей среды с внесением меченного 13СО2 в качестве субстрата для ЭЛ. Во второй части проекта будут получены новые данные по переносу С между деревьями лиственницы и ЭЛ, произрастающих в условиях чувствительной к климатическим изменениям мерзлотной и немерзлотной зоны Сибири. Это будет достигнуто при помощи новаторского аналитического подхода для изучения ЭЛ — анализа δ13C и содержания C% в ЭЛ и парных им веточек, полученных в результате внесения метки 13CO2 в кроны взрослых деревьев лиственницы. Результатом исследования станет понимание того, как осуществляется взаимный перенос С между деревьев и ЭЛ, в каких масштабах, какова сезонность и временное варьирование этого процесса (в течение 3 лет) в районе исследования. Кроме того, данный проект имеет большой потенциал в прояснении роли ЭЛ в механизмах адаптации древесных растений к изменению климата.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Масягина О.В., Евграфова С.Ю., Сиделева Е.В., Ситникова М.В., Ковалева Н.М., Меняйло О.В., Матвиенко А.И. Изучение эпифитных лишайников: области исследования, охват, перспективы. X Съезд общества физиологов растений России и Всероссийская научная конференция с международным участием «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов. Уфа: УИБ УФИЦ РАН, Уфа: УИБ УФИЦ РАН, 2023, 422с. C. 241 (год публикации - 2023)
10.31163/978-5-6047532-1-7

2. Матвиенко А.И., Евграфова С.Ю., Сиделева Е.В., Ситникова М.В., Ковалева Н.М., Меняйло О.В., Масягина О.В. Потоки метана и диоксида углерода с поверхности эпифитных лишайников: инкубационные эксперименты. X Съезд общества физиологов растений России и Всероссийская научная конференция с международным участием «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов. Уфа: УИБ УФИЦ РАН, Уфа: УИБ УФИЦ РАН, 2023, 422с. C. 242 (год публикации - 2023)
10.31163/978-5-6047532-1-7

3. Матвиенко А.И., Евграфова С.Ю., Ковалева Н.М., Сиделева Е.В., Ситникова М.В., Меняйло О.В., Масягина О.В. Greenhouse Gas Fluxes from the Epiphytic Lichens: Incubation Experiments Forests, 15, 1, 107 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/f15010107

4. Матвиенко А.И., Евграфова С.Ю., Ковалева Н.М., Децура А.Е., Порфирьева Е.В., Меняйло О.В., Масягина О.В. Влияние влажности таллома эпифитного лишайника рода Evernia на потоки парниковых газов (СО2 и СН4) с его поверхности: инкубационный эксперимент в условиях освещения. Современные проблемы физиологии, биохимии и биотехнологии растений: тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора С.Ю. Веселова (г. Уфа, 17 – 18 октября 2024 г.) / отв. ред. В.О. Цветков. [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024., Современные проблемы физиологии, биохимии и биотехнологии растений: тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора С.Ю. Веселова (г. Уфа, 17 – 18 октября 2024 г.) / отв. ред. В.О. Цветков. [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024. – С. 54. (год публикации - 2024)

5. Масягина О.В., Евграфова С.Ю., Ковалева Н.М., Детсура А.Е., Порфирьева Е.В., Меняйло О.В., Матвиенко А.И. The Hydration-Dependent Dynamics of Greenhouse Gas Fluxes of Epiphytic Lichens in the Permafrost-Affected Region Forests, 15, 11, 1962 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/f15111962

6. Масягина О.В., Евграфова С.Ю., Ковалева Н.М., Децура А.Е., Порфирьева Е.В., Меняйло О.В., Матвиенко А.И. Потоки парниковых газов (СО2 и СН4) с поверхности наиболее распространенных эпифитных лишайников криолитозоны Средней Сибири Современные проблемы физиологии, биохимии и биотехнологии растений: тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора С.Ю. Веселова (г. Уфа, 17 – 18 октября 2024 г.) / отв. ред. В.О. Цветков. [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024., Современные проблемы физиологии, биохимии и биотехнологии растений: тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора С.Ю. Веселова (г. Уфа, 17 – 18 октября 2024 г.) / отв. ред. В.О. Цветков. [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024. – С. 54. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках работ 2-го года реализации проекта, в июне 2024 г., в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород, в лиственничниках на Эвенкийском ОЭП (ИЛ СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН) в п. Тура (Центральная Эвенкия) было заложено 5 пробных площадей (А, Б, В, Г, Д), определены модельные деревья, собраны образцы эпифитных лишайников (ЭЛ) для инкубационных экспериментов по оценке метаногенной/метанотрофной активности лишайников-эпифитов. В результате проведения 2-х инкубационных экспериментов в условиях контролируемого фотопериода и при разных температурных режимах получены временные ряды данных потоков СО2 и СН4, и их изотопии (δ13С). В одном инкубационном эксперименте изучены особенности потоков парниковых газов (ПГ) у двух наиболее распространенных в зоне исследований видов ЭЛ (Evernia mesomorpha и Bryoria simplicior). Другой инкубационный эксперимент был направлен на изучение влияния влажности таллома ЭЛ на потоки ПГ у вида Evernia mesomorpha. В ходе обоих инкубационных экспериментов ЭЛ преимущественно выделяли ПГ (включая метан), причем характер динамики потоков ПГ был видоспецифичен. Так, Bryoria simplicior, в основном, демонстрировала фотоассимиляцию CO2, в то время как Evernia mesomorpha продуцировала CO2 на свету. Хотя в целом влияния экспозиции ветви по сторонам света на потоки ПГ обнаружено не было, внутри видов ЭЛ (например, у Bryoria simplicior) было выявлено влияние экспозиции ветви на потоки СО2. Что касается потоков CH4, ни один из факторов не оказал существенного влияния на их интенсивность. В течение 2-часовой инкубации на свету оба вида, независимо от экспозиции ветвей, выделяли CH4 со средними значениями около 0.6 нг C-CH4 г−1 ч−1, хотя диапазон потоков CH4 находился в пределах значений от −0.15 до 1.8 нг C-CH4 г−1 ч−1. Выявлено усиление отрицательной корреляции между потоками CO2 и CH4 к 3-му дню инкубации у обоих видов ЭЛ. Отмечено, что эта отрицательная корреляция выше для ЭЛ, на ветвях лиственницы южной и западной экспозиции, по сравнению с ЭЛ ветвей северной и восточной стороны. В инкубационном эксперименте по оценке влияния влажности таллома на потоки ПГ было показано, что Evernia mesomorpha преимущественно выделяла исследуемые ПГ в диапазоне влажности таллома от самого низкого (50%) до высокого (400%). Тест Крускала-Уоллиса показал значительное влияние влажности таллома лишайника на потоки CO2. Повышение влажности таллома ускоряло выделение СО2 ЭЛ и замедляло фотоассимиляцию СО2. Показано, что при гидратации до 400% у Evernia mesomorpha отсутствовал процесс фотоассимиляции CO2 после 2 часов инкубации при освещении. Тест ранговых сумм Крускала-Уоллиса не выявил существенного влияния различной влажности таллома ЭЛ на потоки CH4. Эмиссия CH4 наблюдалась при всех уровнях влажности таллома. В то же время, эмиссия CO2 находилась в противофазе с эмиссией CH4; это явление было особенно выражено при 400%. Фотоассимиляция CO2 и выделение CH4 прямо коррелировали при более низком уровне влажности таллома (50%-200%), при этом самые высокие уровни выделения CH4 и фотоассимиляции CO2 наблюдались при самой низкой влажности таллома (50%). Исследованные ЭЛ демонстрировали изотопный состав δ13C около -26‰. CO2 в пробах воздуха, отобранных после 2-часовой инкубации ЭЛ при освещении, был обогащен 13C. Диаграммы Килинга указывают на изменение источника 13C в CO2 в образцах воздуха, отобранных после 2 часов инкубации Evernia mesomorpha, собранных с южных и западных ветвей лиственницы при освещении, а именно от -25‰ до ок. -5‰. В то время как у лишайников, отобранных с ветвей северной и восточной экспозиций после 2-часовой инкубации, изменений в источнике 13C не наблюдалось. Воздух, отобранный из сосудов с образцами после 2 часов инкубации ЭЛ, был обеднен в отношении 13C (от -57‰ до -70‰) в CH4. Это подтверждает доминирующий процесс эмиссии CH4 в течение 2-часовой инкубации ЭЛ при освещении. Изучение транспорта С между деревом-хозяином и лишайниками-эпифитами проводили на образцах, полученных в результате эксперимента по внесению 13СО2 в кроны лиственниц (п. Тура, Красноярский край) в 2013-2014 гг. в ходе реализации проекта РФФИ № 13-04-00659 “Сравнительный анализ поглощения и распределения углерода в тканях листопадных и вечнозеленых хвойных пород Сибири”. Образцы ЭЛ были отобраны дополнительно, их исследование не входило в задачи выполнения работ по вышеозначенному проекту. В ходе работ 2-го года настоящих исследований, на изотопном масс-спектрометре Isoprime 100 (фирмы Isoprime) и элементном анализаторе Vario Isotope Cube (фирмы Elementar) был выполнен анализ метки δ13С в образцах веточек и ЭЛ, пробоподготовка которых проводилась в течение 1-го года реализации проекта. Результаты проведенных исследований указывают на то, что имеет место перенос 13С из ветвей в населяющие их лишайники. Полученные предварительные результаты могут иметь существенное значение при оценке экосистемного цикла С мерзлотных местообитаний, что требует дальнейшего изучения данной проблемы, включая другие типы экосистем. Наши исследования показали, что экспозиция ветвей, заселенных лишайниками, а также влажность слоевища ЭЛ определяют величину и направленность потоков CO2 и CH4 с поверхности лишайников. Предварительно можно сказать, что из-за более низких скоростей эмиссии углерода с поверхности эпифитных лишайников в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород, их вклад в выбросы ПГ в этом регионе ожидается меньшим, чем в немерзлотной зоне Средней Сибири. Следует отметить, что представленные данные по потокам ПГ были получены в контролируемой среде и, скорее всего, не будут отражать реальные величины в естественных условиях. Поэтому для полного понимания функции ЭЛ в цикле C необходимы дополнительные исследования. Кроме того, крайне важно изучить влияние колебаний экологических факторов, в том числе чувствительных к текущим климатическим изменениям, на различные виды ЭЛ, принимая во внимание выявленные различия в потоках ПГ эпифитными лишайниками в немерзлотных и мерзлотных местообитаниях. В 2024 году, по результатам 1-го и 2-го года исследований опубликованы две статьи Q1 в журнале Forests (MDPI). Результаты инкубационных экспериментов (отчетный период 2024 года) представлены на IV Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора С.Ю. Веселова “Современные проблемы физиологии, биохимии и биотехнологии растений” проходящей в г. Уфа 17–18 октября 2024 г., где было сделано два устных доклада. Материалы конференции опубликованы в сборнике материалов: Современные проблемы физиологии, биохимии и биотехнологии растений: тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора С.Ю. Веселова (г. Уфа, 17 – 18 октября 2024 г.) / отв. ред. В.О. Цветков. [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024. – 87 с.). https://www.elibrary.ru/item.asp?id=75061861&selid=75061942 EDN: BMFCYS; EDN: CGMNUKУНиТ, 2024. – 87 с.).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Данные наших исследований могут быть использованы для уточнения климатических моделей, поскольку нами показано, что эпифитные лишайники являются значимым компонентом баланса парниковых газов (СН4, СО2).