ЭПИФИТЫ В КАЧЕСТВЕ ЭДИФИКАТОРОВ: ОППОРТУНИЗМ ИЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА "СДЕРЖЕК И ПРОТИВОВЕСОВ" В КРОНАХ ТРОПИЧЕСКИХ ЛЕСОВ?НИР

EPIPHITES AS EDIFICATORS: OPPORTUNISM OR ECOLOGICAL SYSTEM OF "CHECKS AND BALANCES" IN TROPICAL FOREST CROWNS?

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. ЭПИФИТЫ В КАЧЕСТВЕ ЭДИФИКАТОРОВ: ОППОРТУНИЗМ ИЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА "СДЕРЖЕК И ПРОТИВОВЕСОВ" В КРОНАХ ТРОПИЧЕСКИХ ЛЕСОВ?
Результаты этапа: В рамках реализации Гипотезы 1 мы исследовали образцы ранее собранные в наших экспедициях. С каждого эпифита собирали несколько взрослых полностью развитых листьев вместе с листьями форофитов, на которых они росли и верхний слой минеральной почвы. Листья, собранные с одного растения, были смешаны, поэтому один образец представлял собой одно растение. Мы собрали также полупаразитов из семейств Viscaceae и Loranthaceae, которые получают азот преимущественно из форофита (Schulze, Enhleringer, 1984; Tennakoon et al., 2011). Представители этих групп широко распространены в открытых саванноподобных лесах острова Фу-Куок, где они были собраны нами. Кроме того, мы исследовали несосудистые эпифиты (мохообразные и лишайники), где они преобладали. Пробы сушили сразу после отбора при температуре 60-70°С. Высушенные образцы измельчали в мельнице Retsch MM 200 и заворачивали в оловянную фольгу. Масса навески растительного материала составляла около 1500 мкг, почвы – до 3000 мкг. Изотопный состав N и C измеряли с помощью элементарного анализатора Thermo Flash 1112 и изотопного масс-спектрометра Thermo Delta V Plus в Центре совместного использования Института им. А.Н. Северцова, Москва. Изотопный состав C выражали в промилле относительно международного стандарта (атмосферный азот и VPDB соответственно): δX(‰) = [(Rвыборка/Rстандарт) − 1] × 1000, где R — отношение более тяжелого изотопа к более легкому изотопу. Пробы анализировали с использованием эталонного газа, откалиброванного по эталонным материалам МАГАТЭ USGS 40 и USGS 41 (глутаминовая кислота). Дрейф корректировали с использованием внутренних лабораторных стандартов (казеин, люцерна). Стандартные отклонения значений δ13C эталонных материалов (n=8) составляли <0,2‰. Наряду с изотопным анализом углерода во всех образцах определяли изотопное и валовое содержание азота, валовое содержание углерода (в массовых %), а также массовое соотношение C/N. Применяемые статистические подходы Для того, чтобы выявить общие закономерности в δ13С в листьях эпифитов, все виды были сгруппированы по разным признакам: 1) Экобиоморфа (отражающая жизненные формы и набор биоморфологических черт): аккумулятивные, суккулентные, мирмекофильные, полупаразиты, хищные, гемиэпифиты, криптогамные (мхи и лишайники); 2) Таксономическая группа: орхидные, ароидные, лорантовые, омелы, прочие двудольные, папоротники, мхи и лишайники; 3) Синузия (ярусная локализация- важна по отношение к свету): гелиофиты, среднествольные эпифиты и сциофиты. В этот анализ были включены только автотрофные растения. Так как все группы в разных сообществах были представлены разным числом образцов, иногда небольшим, то для статистического анализа использовали перестановочные тесты. Отдельно сравнивали δ13С группы между сообществами, и отдельно сравнивали δ13С между группами внутри одного сообщества. Если группа была представлена только в двух сообществах, или в сообществе присутствовало только две группы видов, проводили перестановочный тест Фишера-Питмана для двух выборок с аппроксимацией Монте-Карло (approximative Fisher-Pitman permutation test). Если групп было больше двух, то использовали тест Фишера-Питмана для нескольких выборок, а затем проводили попарные множественные сравнения, чтобы выявить, какие именно группы отличаются. Анализ проводили в пакетах coin и rcompanion (Hothorn et al. 2008; Mangiafico 2022) Для того, чтобы выявить связи между δ13С в листьях эпифитов и другими признаками их листьев – общим содержание углерода, азота, соотношением C:N и δ15N, были рассчитаны непараметрические коэффициенты корреляции Спирмена, так как распределение признаков отличалось от нормального. Коэффициенты были рассчитаны как для всего набора данных, так и для данных по группам – экобиоморфам, таксономическим группам и синузиям. Чтобы наглядно представить признаки эпифитов, была проведена ординация по методу главных компонент (PCA, Principal Component Analysis) в пакете vegan (Oksanen et al. 2020). Данные по признакам были шкалированы. Для сравнения средних значений δ13С в листьях эпифитов и их форофитов по сообществам был проведен Approximative General Independence Test, где учитывали пары форофит – эпифит. Если один форофит был заселен несколькими эпифитами, то это растение было включено в анализ соответствующее число раз. Для того чтобы выявить связь содержания δ13С в листьях эпифитов с параметрами форофитов, были построены модели множественной регрессии со смешанным эффектом в пакете nlme (Pinheiro et al. 2021). Предикторами (fixed effects) в исходной модели были δ13С, δ15N, процентное содержание углерода и азота, а также соотношение C:N в листьях форофитов. В качестве случайного эффекта (random effect) был идентификатор форофита, так как с одного и того же дерева могло быть собрано от одного до 13 образцов (разных видов) эпифитов. Лучшую модель выбирали по информационному критерию Акаике (AIC) в процессе автоматической пошаговой регрессии. Итоговые модели проверяли на нормальное распределение остатков по графикам квантиль-квантильного распределения. Коэффициент детерминации для моделей со смешанным эффектом рассчитывали с помощью функции "r.squaredGLMM" в пакете MuMIn (Bartoń 2022) по алгоритму Nakagava и Schielzeth (2013). Для того чтобы приблизить распределение к нормальному, зависимая переменная – δ13С – была трансформирована путем прибавления константы (абсолютного минимального значения δ13С плюс единица), чтобы избежать отрицательных значений, и последующего вычисления натурального логарифма. Этот анализ был проведен для всех эпифитов (427 образцов с 137 форофитов), а также по отдельности для разных групп, выделенных по разным признакам и их сочетаниям. Группы выделяли на основе экобиоморфы, принадлежности к высотной синузии и таксономического положения. Всего было отмечено 10 сочетаний экобиоморфа-синузия: аккумулятивные эпифиты – гелиофиты (142 образца), среднествольные аккумулятивные эпифиты (38 образцов), аккумулятивные эпифиты – сциофиты (19), среднествольные хищные растения (9), криптогамные среднествольные эпифиты (38), гемиэпифиты – гелиофиты (11), паразиты (36), мирмекофильные гелиофиты (15), суккулентные гелиофиты (85) и суккулентные сциофиты (34). Для выявления связи содержания δ13С в листьях отдельных видов эпифитов с параметрами форофитов были построены модели множественной регрессии. Для анализа были выбраны виды, представленные более чем 10 образцами: Dischidia nummularia, Hoya sp., Loranthus sp., Pyrrosia adnascens, Pyrrosia longifolia. В исходную модель включали такие признаки форофита, как содержание δ13С, δ15N, процентное содержание углерода и азота и соотношение C:N. В процессе автоматической пошаговой регрессии из моделей удаляли незначимые факторы. Полученные модели проверяли на нормальное распределение остатков и фактор инфляции дисперсии. Из анализа был исключен один образец Loranthus sp. и два образца Pyrrosia adnascens, у которых значение δ13С оказалось существенно выше остальных (менее отрицательное) и соответствовало САМ-типу метаболизма. В рамках реализации Гипотезы 2 мы изучали химизм гуминовых веществ подвешенных почв, ассоциированных с эпифитами, а так же их микроморфологию. Спектры ЯМР 13С твердого тела сыпучих органических веществ и твердых порошков гуминовых кислот измеряли на ЯМР-спектрометре Bruker Avance 500 в роторе из ZrO2 диаметром 3,2 мм. Скорость вращения под магическим углом во всех случаях составляла 20 кГц, а частота нутации кросс-поляризации составляла u1/2p 1/4 62,5 кГц. Задержка повторения и количество сканирований составляли 3 с. Гуминовые кислоты (ГК) экстрагировались из каждого образца в соответствии с опубликованным протоколом IHSS http://humic-substances.org/isolation-of-ihss-samples/, доступ 1 марта. 2022). Вкратце, образцы почвы обрабатывали 0,1 М NaOH (массовое соотношение почва/раствор 1:10) в атмосфере газообразного азота. После 24-часового встряхивания щелочной супернатант отделяли от остатков почвы центрифугированием при 1516×g в течение 20 минут, а затем подкисляли до pH 1. с 6 М HCl для осаждения ГК. Супернатант, содержащий фульвокислоты, отделяли от осадка центрифугированием при 1516×g в течение 15 мин. Затем ГК растворяли в 0,1 М NaOH и встряхивали в течение четырех часов в атмосфере азота, прежде чем суспендировать. твердые вещества удаляли центрифугированием. Полученный супернатант снова подкисляли 6 М HCl до pH 1 и ГК снова выделяли центрифугированием и деминерализованы встряхиванием в течение ночи в смеси 0,1 М HCl/0,3 М HF (соотношение почва/раствор 1:1). Далее образцы неоднократно промывали деионизированной водой до достижения рН 3 и затем, наконец, их сублимировали. Данные были скорректированы на содержание воды и золы. Элементный состав ГК представляет собой процентное содержание элементов С, Н, N и О. Для графического анализа элементного состава мы использовали диаграмму Ван Кревелена [19], используя соотношения H/C-O/C для определения направления процессов трансформации различных органических соединений в природных условиях. Исправлен элементный состав по весу влаги и зольности. Содержание кислорода рассчитывали по разнице массы целых проб и весовых концентраций C, N, H и золы. Определение проводили с использованием элементного анализатора (EA3028-HT Euro Vector, Pravia PV, Италия). Содержание кислорода определяли по разнице соотношений. Гравиметрические концентрации приведены для содержания C, H, O и N. C/N, H/C, O/C и H/C рассчитывали из мольных долей содержания C, H, O и N гравиметрически. H/C (mod) – число замещенных атомов водорода в ГК; H/C (мод.) = H/C + 2(О/С) × 0,67; индекс W – степень окисления молекул. Стандартное отклонение ± 0,05 использовалось для содержания C, H и N. Тонкие срезы (0,03 мм) для микроморфологических исследований готовили с помощью обычного шлифовального круга и мелкой (0,8–1,6 мкм) абразивной пасты из микромонолитов почв, отобранных в ходе нескольких полевых кампаний. Образцы сушили на воздухе, а затем насыщали. с эпоксидной смолой. Срезы исследовали с помощью оптических поляризационных микроскопов Leica DM750P (СПбГУ). Извлечение животных-педобионтов из субстратов подвешенных почв проводили двумя методами – гептановой флотацией и экстракцией на эклекторах Берлезе- Тульгрена (последний показал существенно большую эффективность). В рамках частичной реализации гипотезы 3 мы изучали содержание P, К, Ca, Mg, в тканях эпифитов, форофитов и почвах мест их произрастания было определено путем сжигания пробы в муфельной печи в фарфоровом тигле при температуре 500–600°С. Фосфор был определен по методу Лоури и Лопеса в модификации В.Н. Скулачева, основанной на превращении фосфорно-молибденового комплекса в «синь» под действием аскорбиновой кислоты. Мы получили значения в % сухого вещества P, K, Ca, Mg, Na для 89 форофитов из 3 нац. парков Южного Вьетнама (Бидуп, Фу-Куок, Катьен). Значения подвижного фосфора (в пересчете на Р2О5, мг/кг) и подвижного калия (в пересчете на К2О, мг/кг) для 89 образцов почв на которых эти форофиты произрастали. И наконец мы получили значения в % сухого вещества P, K для 341 образца эпифитов, собранных с данных форофитов. Таким образом, мы сделали лабораторный анализ более 50% запланированного материала, однако при неравнозначной выборке анализируемых элементов из-за того, что не на все хватило денег. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ: В рамках реализации Гипотезы 1 мы обнаружили, что наиболее широко были представлены две группы эпифитов: аккумулятивные, которые встречались во всех сообществах, и суккулентные, отмеченные во всех трех равнинных и среднегорном сообществе. Значения δ13С в листьях суккулентов были выше (менее отрицательные), чем у аккумулятивных эпифитов. В высокогорных сообществах – моховом лесу и сосняке – δ13С аккумулятивных эпифитов была значимо ниже, чем в равнинных сообществах. У суккулентов самые низкие значения δ13С оказались в мелалеуковой саванне. Интересно, что в среднегорном высокоствольном лесу δ13С аккумулятивных эпифитов имела тенденцию к понижению, а суккулентных – к повышению по сравнению с равнинными сообществами. Полупаразиты были представлены в двух сообществах: сухой саванне и мелалеуковой саванне, где не отличались друг от друга по δ13С (p=0.692). Среди таксономических групп эпифитов широко были представлены орхидные, папоротники и двудольные (исключая хищные и полупаразитные растения). Для папоротников в равнинных сообществах были характерны менее отрицательные значения δ13С, чем в горных лесах. По δ13С орхидных выделялось две группы сообществ: мангры, сухая саванна и высокоствольный лес с менее отрицательными значениями, и мелалеуковая саванна, моховый лес и сосняк с более отрицательными значениями, и где орхидные были представлены аккумулятивными эпифитами. δ13С в среднествольных эпифитах не различалась между сообществами. У гелиофитов в равнинных сообществах наблюдались высокие (менее отрицательные) значения δ13С, которые значимо отличались от таковых у среднествольных эпифитов. При увеличении высоты над уровнем моря они значимо уменьшались в ряду высокоствольный лес – моховый и сосновый лес, и в последних двух сообществах уже не отличались от среднествольных эпифитов. Сциофиты были представлены только в двух сообществах – высокоствольном и моховом лесах (в сухой саванне к этой группе относился только один образец), и в первом сообществе δ13С были менее отрицательные, а во втором – более отрицательные, чем в других группах. Характер связи между δ13С и другими признаками эпифитов различался в разных группах. Так, общая тенденция уменьшения δ13С в листьях с высоким содержанием углерода не проявлялась на уровне экобиоморф, но была справедлива для синузии гелиофитов и для таксономических групп орхидных и прочих двудольных. Отрицательная связь с содержанием азота, отмеченная для всех образцов, была выражена для всех автотрофных растений из всех синузий, однако у полупаразитов (и лорантовых как отдельной таксономической группы) δ13С была положительно скоррелирована с содержанием азота. Общая отрицательная связь с δ15N на уровне большинства групп не сохранялась и поддерживалась только в синузии среднествольных эпифитов и в группе прочих двудольных. Две первые оси наибольшего варьирования объясняли 70,0% дисперсии параметров содержания азота и углерода в листьях эпифитов. Первая ось была отрицательно скоррелирована с содержанием азота, а вторая – с содержанием углерода. Во всех сообществах, за исключением мохового леса, δ13С в листьях эпифитов была значимо выше (менее отрицательная), чем в листьях форофитов. В целом, δ13С у эпифитов в горных сообществах (сосняке и моховом лесу) была более отрицательной п сравнению с другими сообществами за счет отсутствия суккулентов. δ13С в листьях всех эпифитов оказалось отрицательно связана с процентным содержанием углерода и δ15N в листьях форофита. Эти признаки объясняли 12,4% варьирования зависимой переменной. Однако при рассмотрении отдельных групп эпифитов оказалось, что связи возможны с другими признаками. Для аккумулятивных эпифитов – сциофитов показана положительная связь δ13С с процентным содержанием азота в форофите, тогда как для других синузий и группы аккумулятивных эпифитов в целом никаких значимых предикторов не отмечено. Из признаков форофитов в модели, объясняющие δ13С в листьях населяющих их эпифитов, чаще всего включались δ15N и процентное содержание углерода. У Pyrrosia adnascens эти два показателя совместно объясняли 49,3% варьирования δ13С. Однако, у разных видов эти зависимости имели разное направление. Так, δ13С у Dischidia nummularia и Loranthus sp. было отрицательно связано δ15N форофита, а у P. adnascens и P. longifolia эта связь была положительной. Также у первых двух видов связь с процентным содержанием углерода в форофите была отрицательной, у P. adnascens – положительной, а у P. longifolia отсутствовала. На основе полученных результатов опубликована статья Eskov AK, Elumeeva TG, Leonov VD, Tsurikov SM, Viktorova VA, Prilepsky NG, Abakumov EV. (2023) The Carbon Isotope Composition of Epiphytes Depends Not Only on Their Layers, Life Forms, and Taxonomical Groups but Also on the Carbon and Nitrogen Indicators of Host Trees. Plants.; 12(19):3500. https://doi.org/10.3390/plants12193500 В рамках реализации Гипотезы 2 мы обнаружили, что все исследованные подвешенные почвы характеризуются кислыми или очень кислыми значениями рН, измеренными в водных взвесях. Это может быть связано с низким содержанием золы и основных элементов в подстилке, характерным для тропического леса, сравнимым с олиготрофными наземными экосистемами подзолов умеренного пояса. Следует подчеркнуть, что низкое содержание катионов оснований будет влиять на низкую скорость стабилизации органического вещества почвы в подвешенных почвах. Микроморфологическое изучение подвешенных почв показало что происходит некоторая трансформация органических остатков, особенно на участках слияния органических частиц. Часть частиц демонстрирует диффузионно-проникающую трансформацию с одновременным разложением органического вещества. Многие органические частицы демонстрируют потемнение цвета, предположительно занимался первичной гумификацией органического вещества. Таким образом, во всех изученных взвешенных почвах наблюдается механическое разрушение органического материала и начальная гумификация, локализующаяся преимущественно на краях растительных остатков. Данные элементного анализа и состав органических веществ и гуминовых веществ показало, что целом гуминовые кислоты содержат больше азота и водорода, но меньше кислорода и углерода. При сравнении наборов органических предшественников с группой ГК очевидно, что различия значимы для C (F=8,95 , p˂ 0,0006), H (F=8,90, p˂ 0,0006), N (F=292,70 , р˂ 0,0001) и О (F=7,50, р˂ 0,002). Это можно интерпретировать как результат глубокой трансформации органического вещества при гумификации. Это весьма важно для понимания того факта, что гумификация возникает во взвешенных почвах и может рассматриваться как универсальный процесс. Группа гуминовых веществ более однородна по сравнению с исходным органическим веществом обоих наборов образцов. При этом исходное органическое вещество характеризуется широким диапазоном атомных соотношений, что вполне логично, поскольку гумификация приводит к отбору термодинамически стабильных молекул, в ходе этого процесса гомогенизируется их элементный состав. Методом CP/MAS 13C ЯМР спектроскопии идентифицирован набор структурных фрагментов: карбоксильные группы (-COOR), карбонильные фрагменты (-C = O), CH3-, CH2-, CH- алифатические виды углерода, -C-OR спиртов. , эфиры и углеводы, а также фенольные углеродные группы ( Ar -OH), хиноновые ( Ar =O) и ароматические ( Ar- ) группы, что свидетельствует о высокой гетерогенности и сложности исходных органических веществ и выделенных из различных исходных органических веществ. Присутствие указанных структурных фрагментов как в интитальном органическом веществе, так и в гуминовых кислотах свидетельствует о единстве структурного состава всего органического вещества эпифитных взвешенных почв. Методом 13С-ЯМР-спектроскопии в исходных органических материалах и ГК идентифицированы шесть химических групп органического вещества: неполярные алкильные (0–46 м.д.), N-алкил/ метоксильные (46–60 м.д.), О-алкил и аномерные углеродные соединения (60 м.д.). –110 ppm), ароматические соединения (110–160 ppm), карбоксилы, эфиры, амиды (160–185 ppm) и хиноны (185–200 ppm). В целом ключевым отличием ГК от исходных органических веществ является повышенное содержание ароматических видов углерода и более высокое соотношение арильных соединений к алифатическим. Это первый признак процессов гумификации, которые проявляются не только в «нормальных» наземных минеральных почвах, но и в подвешенных почвах тропических экосистем. Полученные данные подтверждают ранее опубликованные данные о начальной гумификации в подвешенных почвах. Степень ароматичности варьировала от 40 до 50 % в гуминовых acdis и от 12 до 31 % в исходном органическом веществе. Таким образом, происходит непрерывная трансформация органического вещества почвы, и образование гуминовых кислот является последней точкой этого процесса. Доля суммы алифатических групп в гуминовых кислотах была ниже (50-60 %), чем в исходных органических веществах (69-88 %). Это свидетельствует о снижении алифатической части органического вещества в процессе взвешенного почвообразования и гумификации. В хиноновых группах наблюдается существенное снижение содержания гуминовых кислот. То же самое можно сказать и об О-алкильных и аномерных углеродных соединениях. Напротив, в гуминовых кислотах по сравнению с исходным органическим веществом увеличилась группа неполярного алкила (0–46 м.д.). Кроме того, указанные различия очевидны по форме спектров ЯМР 13-С, здесь наблюдается сдвиг от доминирования алифатического максимума в случае объемного исходного органического вещества к ароматической части в гуминовых материалах, выделенных из взвешенных почв. На основе полученных результатов нами опубликована статья Abakumov E, Eskov A. (2023) Organic Matter Structural Composition of Vascular Epiphytic Suspended Soils of South Vietnam. Applied Sciences.; 13(7):4473. https://doi.org/10.3390/app13074473 В рамках реализации гипотезы 2 нами осуществлен анализ мезофауны подвешенных почв, произведено их первичное таксономическое определение. Согласно полученным на данный момент предварительным результатам изучения почвенной мезофауны подвешенных почв, формируемых корнями эпифитов, данный субстрат представляет собой важную среду обитания во влажном тропическом лесу. Нами была изучена мезофауна четырех вертикальных ярусов подвешенных почв (пронумерованных снизу вверх). Подвешенные почвы, формируемые сообществом эпифитов в нижней части ствола, по-видимому предоставляют своим обитателям условия, сходные с обычными почвами. В пользу этого свидетельствует близкая численность педобионтов в почве, отобранной под форофитом (377.6±81.3экз/дм3) и в подвешенной почве яруса эпифитов 1 (338.6±60.5экз/дм3). В подвешенных почвах ярусов эпифитов 2, 3 и 4 происходит сокращение плотности населения педобионтов: 236.6±152.2, 172±26.9, 97.6±31.6экз/дм3, соответственно. В настоящее время по этим данным готовиться статья. В рамках реализации Гипотезы 3 необходимо окончание лабораторных исследований всей выборки данных (включающих 5 национальных парков Южного Индокитая) для осуществления статистической обработки и осмысления главных тенденций, чем мы в настоящее время и занимаемся
2 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. ЭПИФИТЫ В КАЧЕСТВЕ ЭДИФИКАТОРОВ: ОППОРТУНИЗМ ИЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА "СДЕРЖЕК И ПРОТИВОВЕСОВ" В КРОНАХ ТРОПИЧЕСКИХ ЛЕСОВ?
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".