Массовое усыхание темнохвойных лесов юга Сибири: мониторинг, причины и механизмы, фундаментальные основы их сохранения

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 23-26-00052

НазваниеМассовое усыхание темнохвойных лесов юга Сибири: мониторинг, причины и механизмы, фундаментальные основы их сохранения

Руководитель Павлов Игорь Николаевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" , Красноярский край

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

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-101 - Лесное хозяйство

Ключевые слова Массовое усыхание лесов, микробиом, биологические инвазии, изменение климата, корневые патогены, эпифитотия, эндофиты, биопрепараты

Код ГРНТИ34.35.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Леса в последние десятилетия подвергаются беспрецедентному давлению со стороны интенсивно меняющейся среды обитания (антропогенное воздействие, климатические аномалии и пр.), о чем свидетельствуют возрастающие масштабы усыхания. За последние три столетия площадь лесов в мире сократилась на 40 % (Shvidenko et al., 2005). Масштабы и последующие экономические и экологические издержки нашествий вредителей и болезней увеличились в последние десятилетия, поскольку мировая торговля способствовала распространению инвазивных видов (Hulme, 2009; Turner, 2010; Sikes et al., 2018). По данным Государственного лесного реестра Российской Федерации темнохвойные леса преобладают на площади почти 130 млн. га (ГЛР, 2021). При этом в течение 2003-2017 гг. усыхание темнохвойных лесов составляло 100-420 тыс. га в год (Bartalev et al., 2020). Массовое повреждение пихтовых древостоев (Abies sibirica) в результате комплексного биотического воздействия на территории Красноярского края к 2018 г. достигло площади 541,4 тыс. га (Павлов и др., 2020). Установлена определяющая роль фитопатогенных грибов Armillaria mellea s. l. и Heterobasidion annosum s. l. при совместном воздействии с короедом Polygraphus proximus Blandford. Деревья, пораженные корневыми патогенами, являются центрами усыхания, от которых распространяется патологический отпад, в том числе за счет воздействия P. proximus и его фитопатогенных микоассоциантов. Впервые на территории центральной Сибири нами выявлено новое, быстро распространяющееся заболевание Abies sibirica, вызываемое грибами рода Corinectria — возбудителей язвенных заболеваний хвойных пород, являющееся одной из причин массового ослабления и усыхания пихтовых лесов (Pavlov et al., 2020). Научная новизна заключается в том, что в темнохвойных лесах, наиболее чувствительных к биотическому воздействию в условиях глобальных изменений среды обитания будет выполнен комплекс исследований включающий: анализ пространственных и временных закономерностей массового усыхания темнохвойных лесов на основе анализа картографических материалов с применением ГИС-технологий в сочетании с мониторингом климата, техногенного загрязнения; исследование распространения и вредоносности основных видов лесных вредителей и болезней (в т.ч. инвазивных); исследование наиболее агрессивных возбудителей болезней Picea abies, P. оbovata, Abies sibirica, Pinus sibirica (молекулярно-генетическая идентификация, профиль метаболома, ферментативная активность, SEM – микроскопия), в том числе инвазивных видов грибов, патогенных для древесных растений; исследование механизма взаимодействия комплекса болезней и вредителей и поиск триггера, запускающего процесс усыхания; исследование функционально-таксономических особенностей микробиоты (в т.ч. ризосферы), усыхающих в результате интенсивного биотического воздействия, с использованием методов метагеномного анализа. Детальный анализ биоразнообразия микробиома с учетом некультивируемых в лабораторных условиях микроорганизмов; изучение природных биофунгицидов в очагах массового усыхания с целью разработки биологических средств защиты леса (антагонисты и сверхпаразиты); исследование биологических и биотехнологических особенностей природных антагонистов, микопаразитов, энтомопатогенов и эндофитов, выделенных в очагах массового биотического поражения. Разработка технологии получения и применения биологических препаратов (инсектициды, фунгициды, стимуляторы роста) для контроля наиболее опасных вредителей и возбудителей болезней; исследование популяционной структуры грибов, патогенных для темнохвойных лесов; их адаптационных механизмов, биотических связей, вредоносности, опасности возникновения эпифитотии; исследование биоразнообразия и жизненных стратегий микроорганизмов-эндофитов основных темнохвойных пород; исследование устойчивости видов и внутривидовых таксонов древесных растений к воздействию болезней для их использования при лесовосстановлении.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Литовка Ю.А., Шнайдер П. В., Леоненко А. А., Патрушева М. М., Тимофеев А. А., Фомина Н. В., Павлов И. Н. Гетерогенность сибирских популяций фузариоидных грибов по фитопатогенным свойствам ВЕСТНИК КрасГАУ, № 10, с. 62-69 (год публикации - 2023)
10.36718/1819-4036-2023-10-62-69

2. Литовка Ю. А., Чен Х., Ли В., Павлов И. Н. Molecular and morphological characteristics of Fusarium spp. associated with woody plants in Russia Contemporary Problems of Ecology, No. 4, pp. 547–563 (год публикации - 2023)
10.1134/S1995425523040066

3. Литовка Ю. А. , Познухова С. С., Фомина Н. В., Тимофеев А. А., Павлов И. Н. First report of Diplodia sapinea P. Karst. on Pinus sylvestris L. in central Siberia Pleiades Publishing, Ltd., Contemporary Problems of Ecology, 2024, Vol. 17, No. 6, pp. 907–917 (год публикации - 2024)
10.1134/S1995425524700653

4. Антипова Т.В., Желифонова В.П., Баскунов Б.П., Литовка Ю.А., Патрушева М.М., Кешелава В.Б., Михайлов Е.С., Чистяков И.Н., Павлов И.Н. Formation of Biologically Active Compounds by Siberian Cordyceps militaris (L.) Fr. Strains Microbiology, Microbiology, 2024, Vol. 93, No. 6, pp. 837–846. (год публикации - 2024)
10.1134/S0026261724605748

5. Литовка Ю.А., Тимофеев А.А., Павлов И.Н. Усыхание темнохвойных насаждений в старейшем дендрарии Юга Сибири в результате патогенного воздействия двух видов корневой губки Сибирский лесной журнал (год публикации - 2025)

6. Литовка Ю. А., Тимофеев А. А., Патрушева М. М., Леоненко А. А., Шнайдер П. В., Фомина Н. В., Шестаков К. К., Павлов И. Н. Биологический контроль корневых гнилей, вызываемых грибами рода Armillaria ВЕСТНИК КрасГАУ, ВЕСТНИК КрасГАУ, 12, 24-35 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате проведенных исследований в насаждениях Picea оbovata, Abies sibirica и Pinus sibirica юга Сибири установлено, что наибольшую опасность для них представляют грибы, наиболее агрессивные возбудителей болезней: четыре вида рода Armillaria: A. borealis, A. cepistipes, A. gallica; A. sinapina; три вида рода Heterobasidion: H. parviporum, H. abietinum и H. annosum s.s.; два новых вида Corinectria spp. (X и Y). Pestalotiopsis abietis встречается единично. Из грибов рода Diplodia нами обнаружен высокопатогенный вид Diplodia sapinea (Fr.) P. Karst. только на Pinus sylvestris. Выполнена молекулярно-генетическая идентификация по широкому спектру праймеров (ITS, TEF, GPD, TUB2, RPB2). Построены филогенетические деревья на основе метода максимального правдоподобия для всех изученных грибов. Микроскопия фитопатогенных грибов (Armillaria mellea s. l., Heterobasidion annosum s. l., Corinectria spp., Pestalotiopsis abietis, Diplodia sapinea) выполнена методами светопольной микроскопии (Nikon Eclipse Сi, Япония) в микрокамерах и сканирующей электронной микроскопии SEM (Hitachi SU3500, Япония). Подробно исследован профиль метаболома некоторых наиболее вредоносных фитопатогенных грибов (Armillaria spp., Heterobasidion spp, Corinectria spp. (X и Y). Исследована ферментативная активность фитопатогенных грибов (пероксидазная, целлюлазная, протеолитическая, амилолитическая, фенолоксидазная). Выявлено, что наиболее информативным и стабильным показателем, коррелирующим с уровнем фитопатогенности исследованных грибов, является активность пероксидазы. Для понимания механизма взаимодействия комплекса болезней и вредителей P. оbovata, Abies sibirica, Pinus sibirica представлена феноменологическая модель сложного многофакторного процесса усыхания в различных биогеоценозах. Массовому усыханию A. sibirica предшествовало сочетание нескольких факторов: старение пихтовых древостоев; формирование оптимального сочетания климатических параметров, способствующих ослаблению древесных растений и возрастанию агрессивности корневых, стволовых и листовых фитопатогенов; антропогенная деятельность, что в итоге и благоприятствовало нарастанию численности Polygraphus proximus на ослабленных деревьях. В качестве триггера, запускающий процесс усыхания, по результатам многофакторного дисперсионного анализа в различных биогеоценозах установлена значимая роль осадков и температуры в течение вегетационного периода. В целом, установлена определяющая роль корневых патогенов Armillaria spp. и Heterobasidion spp в усыхании пихтово-елово-кедровых лесов не только при их совместном воздействии с Polygraphus proximus, но и при его отсутствии. Среди сопутствующих возбудителей болезней выделяется масштабами поражения аскомицетовый стволовой патоген Corinectria spp. Гриб вызывает усыхание ветвей, поражение ствола и способствует значительному ослаблению деревьев. Вызываемые им смоляные потеки часто путают с последствиями атаки P. proximus. Морфологические, молекулярно-генетические, исследования показали, что выделенные чистые культуры грибов представляют собой два ранее неизвестных вида, предварительные названные X и Y. Оба вида патогенны в отношении Picea оbovata, Abies sibirica и Pinus sibirica;наиболее чувствительна A. sibirica. Вид Corinectria sp. X показал более высокую фитопатогенность при искусственной инокуляции. Выполнены скрининг и молекулярно-генетическая идентификация; исследованы морфологические и биотехнологические особенности природных биофунгицидов, выделенных из очагов массового усыхания P. оbovata, A. sibirica, P. sibirica с целью разработки биологических средств защиты леса. Коллекция наиболее перспективных микроорганизмов включает бактерии – Bacillus subtilis (5 штаммов), B. licheniformis (3), Bacillus flexus (2); Pseudomonas lini (2); P. gessardii (2), P. pseudoalcaligenes (3); P. alcaliphila (5); P. protegens (2); Lentzea flaviverrucosa (2), Streptomyces lateritius (3), S. aureus (2), Promicromonospora alba (2); грибы – Trichoderma asperellum (5), T. atroviride (2), T. polysporum (2), Phlebiopsis gigantea (4), Ganoderma lucidum (5), G. tsugae (2); Bjerkandera adusta (2), Hypholoma capnoides (Asterophora lycoperdoides) (1), Fomitopsis pinicola (7); эндофитные грибы Thyronectria cucurbitula (4), Paraphaeosphaeria neglecta (2) и Epicoccum nigrum (7). Наиболее перспективным антагонистом для Armillaria sp. и Heterobasidion sp. является Phlebiopsis gigantea (антифунгальная активность до 77 %); для Corinectria sp. – эндофитный гриб Thyronectria cucurbitula (антифунгальная активность до 47 %). В результате исследования в контролируемых условиях установлена положительная корреляция ростовых параметров чистых культур A. borealis, A. cepistipes, A. gallica; A. sinapina; H. parviporum, H. abietinum и H. annosum s.s. с температурой (в пределах оптимума произрастания). Для A. borealis с увеличением температуры (в пределах оптимума) характерно более интенсивное ризоморфообразование. При со-культивировании A. borealis с Trichoderma asperellum на сусловом агаре и растительном субстрате с увеличением температуры антифунгальная активность снижалась. Исследованы оптимальные возможности твердофазного (отходы лесопереработки сибирских пород хвойных, скорлупа кедрового ореха), глубинного (биореактор BIORUS BI B10-30SJ, 30 л), поверхностного и гетерофазного (термостатируемый орбитальный шейкер BLBIO–OS–2012) культивирования грибов, перспективных для биоконтроля Armillaria spp., Heterobasidion spp., Corinectria spp. (Х, Y), а также P. proximus. Получены опытные партии различных форм биопрепаратов (сыпучие, жидкие, пастообразные, порошковые); исследованы их активность в серии экспериментов in vitro, а также сохранение жизнеспособности и эффективности в течение 12 мес. Для бактериальных продуцентов осуществлен подбор оптимальных сред и условий культивирования в биореакторе Biosan RTS-1C с опцией контроля роста микроорганизмов в режиме реального времени. Для грибов Corinectria spp. «Х» и «Y» не характерно наличие гиповирулентных штаммов. Все 40 штаммов были фитопатогенными при искусственной инокуляции наиболее чувствительной A. sibirica. Перспективным методом ограничения численности P. proximus является использование биоинсектицидов на основе вирулентных аборигенных штаммов Beauveria bassiana, сохраняющих высокую энтомопатогенную активность при пониженных температурах. Из 39 штаммов, выделенных из P. proximus, Ips amitinus, а также из почвы усыхающих древостоев с применением метода «ловчих насекомых» на основе гусениц Galleria mellonella, по результатам скрининга отобрано 4 наиболее перспективных изолята. Многоступенчатый скрининг включал: высокую вирулентность в отношении тест-насекомых, высокие ростовые параметры при пониженных температурах (для северных темнохвойных лесов), устойчивость к действию растительных фунгицидов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта заключается в высоком потенциале отобранных штаммов грибов, бактерий, как основа фунгицидных и инсектицидных биопрепаратов, а также технологиях их культивирования.