Экология, 2022, № 3, стр. 161-170

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Район. Сбор растений или образцов их корневых систем выполнен вблизи г. Гомель (Восточная Европа, Республика Беларусь, 52°22′59″–52°29′28″ с.ш., 30°55′11″–30°59′43″ в.д.). Климат умеренно континентальный, средняя температура самого холодного месяца (январь) –4.4°C, самого теплого месяца (июль) +20.5°C. Среднегодовая температура +8.3°C. Годовая сумма температур выше +10°C равна 2650°C. Период со среднесуточными температурами выше 0°C длится 263 дня. Количество осадков 635 мм/год (годовой максимум осадков приходится на июнь–июль). Коэффициент увлажнения 1.1. По климатическим показателям территория относится к суббореальным гумидным ландшафтам. Зональная растительность представлена сосновыми, широколиственными, широколиственно-сосновыми, коренными мелколиственными лесами, а также пойменными лугами и болотами. Местообитания и растительные сообщества района длительно и интенсивно преобразовываются под влиянием хозяйственной деятельности человека. Большинство естественных местообитаний антропогенно трансформированы, а растительные сообщества представляют собой разные этапы естественного восстановления.

В районе исследований инвазионные процессы идут активно [21, 22]. Доли чужеродных видов составляют до 15–40% общих флористических списков в разных типах нелесных ландшафтов и до 2–30% – в лесных. Активнее всего в естественные сообщества внедряются Erigeron canadensis, Oenothera biennis и Acer negundo. Также активны Amaranthus retroflexus, Robinia pseudoacacia, Galinsoga parviflora, Oxalis stricta, Erigeron annuus, Echinocystis lobata, Solidago canadensis.

Местообитания. Сбор чужеродных и аборигенных растений выполнен в начале августа 2014 г. в 6 местообитаниях: в 2 мало нарушенных местообитаниях представлены зональные лесные сообщества, в 4 – травяные сообщества, разное время восстанавливающиеся после нарушений:

1. Лес 1; древесный ярус – Betula pendula, Populus tremula, Pinus sylvestris (возраст 30–40 лет); напочвенный покров – Calamagrostis epigejos, Melampyrum sylvaticum, Solidago virgaurea, Pteridium aquilinum; почвы дерново-слабоподзолистые супесчаные.

2. Лес 2; древесный ярус – P. sylvestris (возраст 50–60 лет); напочвенный покров – Pleurozium schreberi, Festuca ovina, M. sylvaticum, C. epigejos, Helichrysum arenarium, S. virgaurea; почвы дерново-слабоподзолистые песчаные.

3. Просека, зарастающая 10–15 лет; подрост B. pendula, P. sylvestris; напочвенный покров – C. epigejos, Artemisia alba, Berteroa incana, Echium vulgare, O. biennis, F. ovina, E. canadensis, Poa pratensis, Achillea millefolium; почвы песчаные нарушенные.

4. Залежь после пашни, зарастающая около 15 лет; подрост A. negundo, B. pendula; напочвенный покров – Tanacetum vulgare, Artemisia vulgaris, Cirsium arvense, A. millefolium, Dactylis glomerata, C. epigejos, Elymus repens, Bromus inermis; почвы дерново-палевоподзолистые суглинистые.

5. Склон карьера по добыче песка, зарастающий 12 лет; подрост древесных – P. sylvestris, Salix sp.; напочвенный покров – C. epigejos, O. biennis, E. canadensis, H. arenarium, Corynephorus canescens, Solidago canadensis; грунт песчаный, уплотненный.

6. Песчаный отвал, зарастающий около 5 лет; напочвенный покров – C. canescens, Bromus tectorum, Equisetum arvense, E. canadensis, H. arenarium; грунт песчаный, рыхлый.

По признакам силы и давности нарушений и доминирующим жизненным формам растений местообитания естественно объединяются в две группы: 1) со следами сильных нарушений и доминированием травянистых растений – местообитания № 5 и 6; 2) мало нарушенные или продолжительно восстанавливающиеся сообщества с наличием или доминированием древесных растений – местообитания № 1–4.

Сбор образцов, определение формирования микоризы, корневых волосков и темных септированных эндофитов. Собирали образцы максимального числа видов, указываемых для района как чужеродные [22]. Дополнительно использовали сведения о составе чужеродных растений географически близкой Брянской области Российской Федерации [23]. Названия видов приведены по [24]. Образцы каждого вида растений отбирали только в каком-либо одном местообитании, но в каждом местообитании собирали и чужеродные, и аборигенные растения. У каждого вида случайно отбирали и гербаризировали по 5 особей или по 5 образцов корневых систем при невозможности препарировать корневую систему полностью. В каждом образце (у каждой особи) на 15 фрагментах тонких корней последнего и предпоследнего порядков длиной по 1 см определяли микоризную колонизацию. Фрагменты отбирали из корневой системы случайно. Корни подвергали мацерации на водяной бане в KOH 30–60 мин и окрашивали анилиновым синим [25]. На давленных препаратах при увеличении ×200 регистрировали гифы, арбускулы и везикулы грибов АМ. Их присутствие определяли в 5 полях зрения микроскопа на каждом сантиметровом фрагменте корня.

Таким образом, всего было 75 полей зрения для особи и 375 для каждого вида. Характеристики развития AM – интенсивность формирования или доля полей зрения с соответствующими структурами от общего числа полей зрения: а) арбускул (Ar%); б) везикул (Ve%); в) всех структур AM (AM%). В целом результаты учета AM по методике [25] близки с результатами широко используемого метода учета развития AM [26], что специально показано в работе [27]. В тех же полях зрения, в которых определяли интенсивность микоризы, измеряли интенсивность формирования корневых волосков (RH%) и мицелия темных септированных эндофитов (DSE%).

Анализ данных. Степень натурализации растений определяли по [22, 23]: 19 чужеродных и 25 аборигенных видов. Дополнительно как возможные причины изменчивости развития AM анализировали свойства видов и местообитаний: таксономический статус, длительность онтогенеза, степень нарушенности местообитаний. Таксономический статус характеризовали принадлежностью к семейству. Из 44 проанализированных видов 21 был из сем. Asteraceae, 4 – из сем. Poaceae, 3 – из сем. Apiaceae, 12 видов – из семейств, в которых проанализировано по 1–2 вида. Длительность онтогенеза характеризовали двумя градациями: а) 14 малолетних (однолетних, одно-двулетних или двулетних); б) 30 многолетних растений. Степень нарушенности местообитаний характеризовали двумя градациями: а) 32 вида из местообитаний со слабыми и умеренными нарушениями; б) 12 видов из сильно нарушенных местообитаний.

Чтобы оценить, какие факторы сильнее влияли на формирование разных структур в корнях, использовали скорректированный информационный критерий Акаике (AICc) [28] с суммированием AICc-весов моделей (W) в отношении отдельных переменных (ΣW). Значения ΣW интерпретировали как вероятность того, что переменная обладает наибольшей объясняющей ценностью из исследованного набора. Различия признаков между группами видов оценивали с помощью ANOVA с последующим расчетом теста Тьюки для сравнения средних. Использование ANOVA было обосновано, поскольку условия его применимости в большинстве случаев выполнялись. Учетная единица в статистическом анализе – среднее значение признака у одного вида растения. При расчете AICc и в ANOVA использованы значения признаков после арксинус-преобразования, но на рисунках и в тексте использованы нетрансформированные значения. Расчеты выполнены в пакете STATISTICA 8.0 (StatSoft Inc., USA, 1984–2007). При усреднении значений через символ ± приведена стандартная ошибка (SE).

РЕЗУЛЬТАТЫ

На наличие AM исследовали особи 55 видов растений, однако далее анализируются оценки, относящиеся только к 44 видам, у которых зарегистрированы арбускулы (табл. 1). Немикоризными, т.е. не имеющими арбускул и по нашим оценкам, и не указываемые как микоризные в литературе [7, 27], были: Amaranthus retroflexus, Carex spicata, C. hirta, C. nigra, Chenopodium album, Corispermum marschallii, Equisetum arvense, Parthenocissus quinquefolia. Три чужеродных вида (Lupinus polyphyllus, Portulaca oleracea и Robinia pseudoacacia) по нашим данным имели гифы и везикулы, но не имели арбускул. Несмотря на то, что эти виды указаны в сводках как микоризные [7, 27], в работе они рассматриваются как немикоризные.

Факторы, влияющие на интенсивность формирования корневых структур. На основе анализа значений AICc-весов можно заключить, что для оптимального по соотношению качество/сложность объяснения изменчивости развития АМ достаточно учитывать два фактора: степень натурализации вида растения и степень нарушенности местообитаний (табл. 2). Другие факторы – таксономический статус и длительность онтогенеза – не внесли заметного вклада в объяснение изменчивости характеристик развития микоризы. Интенсивность формирования корневых волосков лучше всего объяснялась степенью натурализации вида растения. Самая большая сумма AICc-весов в отношении мицелия темных септированных эндофитов была у предиктора “длительность онтогенеза вида”. Для всех изученных признаков таксономический статус не был оптимальным предиктором.

Таким образом, для анализа характеристик развития AM и корневых волосков следует использовать сочетание двух легко экологически интерпретируемых предикторов – степень натурализации вида растения и степень нарушенности местообитаний.

Арбускулярная микориза. Двухфакторный дисперсионный анализ с факторами “степень натурализации” и “степень нарушенности местообитаний” (табл. 3) показал, что в зависимости от степени натурализации вида значимо изменяются значения Ar% и AM%. Характеристики развития микоризы значимо изменяются в зависимости от степени нарушенности местообитаний. Отсутствие значимого взаимодействия факторов указывает на аддитивность, т.е. на простое суммирование, но не взаимную модификацию эффектов, связанных со степенью натурализации видов и степенью нарушенности местообитаний.

Интенсивность колонизации структурами арбускулярной микоризы была несколько выше у растений, собранных в сильно нарушенных местообитаниях с несомкнутыми сообществами, по сравнению с мало и средне нарушенными местообитаниями (рис. 1). Средняя интенсивность формирования арбускул в мало и средне нарушенных местообитаниях составляла 38 ± 5%, в сильно нарушенных – 44 ± 8%. Соответствующие средние значения для везикул – 26 ± 4 и 43 ± 7%; всех грибных структур – 59 ± 5 и 68 ± 8%. С использованием критерия Тьюки, рассчитанного в двухфакторном ANOVA, значимость различий в зависимости от нарушенности местообитаний подтвердилась только для везикул (P = 0.0282).

Рис. 1.

Интенсивность формирования арбускул (а), везикул (б) и всех микоризных структур (в) в корнях аборигенных и чужеродных растений в мало, средне (⚪) и сильно (⚫) нарушенных местообитаниях (размахи – SE).

Интенсивность формирования всех структур арбускулярной микоризы у чужеродных видов была ниже, чем у аборигенных. Соответствующие средние значения для чужеродных и аборигенных видов составляли: интенсивности формирования арбускул – 28 ± 6 и 48 ± 5%; везикул – 28 ± 6 и 33 ± 4%; всех структур – 52 ± 7 и 68 ± 5%. Эти различия, хотя и небольшие, в отношении двух признаков подтверждены с помощью критерия Тьюки, рассчитанном в двухфакторном ANOVA: арбускулы – P = 0.0104; все структуры – P = 0.0423. Таким образом, интенсивность формирования арбускул сильнее, чем прочих микоризных структур, связана со степенью натурализации вида в местной флоре.

Чтобы оценить надежность заключения об особенностях формирования АМ у аборигенных и чужеродных растений, дополнительно к двухфакторному ANOVA провели анализ с учетом, во-первых, меньшего, во-вторых, большего числа факторов. В однофакторных ANOVA различия между аборигенными и чужеродными растениями проявились только по интенсивности формирования арбускул (F_(1;42) = 6.64; P = 0.0135). В трехфакторном ANOVA с факторами “степень натурализации”, “степень нарушенности местообитаний” и “длительность онтогенеза” различия между аборигенными и чужеродными растениями проявились также только по интенсивности формирования арбускул (см. табл. 3). Пониженная колонизация всеми структурами АМ и повышенная интенсивность формирования корневых волосков у чужеродных растений в трехфакторных ANOVA статистически не подтвердились.

Корневые волоски. Двухфакторный дисперсионный анализ (см. табл. 3) показал, что значения RH% значимо изменяются в зависимости от натурализации вида, но не в зависимости от нарушенности местообитаний. Интенсивность формирования корневых волосков у чужеродных видов составляла 43 ± 6%, у аборигенных – 32 ± 4% (рис. 2); у малолетних трав – 38 ± 7% и многолетних растений – 36 ± 4% , и эти различия незначимы.

Рис. 2.

Интенсивность формирования корневых волосков в корнях аборигенных и чужеродных растений в мало, средне (⚪) и сильно (⚫) нарушенных местообитаниях (размахи – SE).

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты анализа представленного массива оценок позволяют наиболее надежно заключить, что у микоризных чужеродных растений Белорусского Полесья арбускулы формируются в корнях реже, чем у аборигенных растений. Мы тщательно отобрали для включения в анализ только такие виды, у которых непосредственно наблюдали арбускулы. Поэтому наши результаты характеризуют фактически обилие или количество арбускул в корнях только микоризных растений и не затрагивают такой аспект, как оценка соотношения микоризных и немикоризных видов во фракции чужеродных в регионе Белорусского Полесья. Заключение о пониженной интенсивности образования арбускул у чужеродных растений надежно в том смысле, что оно не является следствием погрешностей, связанных с различием между аборигенными и чужеродными растениями по таксономической принадлежности, типу онтогенеза или степени нарушенности местообитаний. Вывод о пониженном обилии арбускул воспроизвелся в статистических сравнениях разного дизайна.

Арбускулы – наиболее типичные или определяющие структуры арбускулярной микоризы. Их наличие свидетельствует о полноценном формировании симбиоза [29], поэтому пониженную интенсивность заложения арбускул у чужеродных растений можно обоснованно интерпретировать как свидетельство общей пониженной успешности образования и функционирования АМ, несмотря даже на то, что пониженная колонизация всеми структурами арбускулярных грибов у чужеродных растений статистически подтвердилась не очень надежно. Вывод о пониженной успешности образования AM у чужеродных растений по сравнению с аборигенными согласуется с одной частью опубликованных оценок [12–15], но не согласуется с другой [10, 11, 13, 14, 16, 17, 30, 31]. Наш результат поддерживает представление о существовании широкого диапазона способности чужеродных растений к микоризообразованию во вторичных ареалах. Наиболее вероятным механизмом установленных особенностей кажется приспособленность аборигенных и чужеродных растений к взаимодействию с разными видами грибов [11]. Это объяснение справедливо, в частности, для пары видов, включенных в массив, обсуждаемый в настоящей работе, – чужеродного Solidago canadensis и местного S. virgaurea [32].

В отличие от исследований, выполненных на единичных модельных видах [16, 30, 31], мы обнаружили большой разброс оценок общей колонизации АМ у разных видов чужеродных растений: например, диапазон значений общей колонизации – от 3 до 96%, интенсивности формирования арбускул – от 0.4 до 79%. При таком большом варьировании общие заключения могут сильно зависеть от критериев формирования списка исследуемых видов. Поэтому мы специально оценили факторы, которые могли сказаться на развитии микоризы и строении корней, помимо степени натурализации.

Интенсивность колонизации АМ в нашем массиве оценок не продемонстрировала какой-либо связи с таксономическим положением растений, хотя такая связь прослеживается на уровне крупных таксономических подразделений [7]. По-видимому, этот результат можно объяснить в том числе и тем, что в списке изученных видов только сем. Asteraceae представлено значительным числом, а представители остальных семейств фактически единичны.

В то же время интенсивность образования арбускул, везикул и всех структур АМ, вероятно, регулируется экологически, так как зависит от нарушенности местообитаний. По нашим данным, больше микоризы формируется у растений в сильно нарушенных местообитаниях по сравнению с мало нарушенными. Это, возможно, объясняется тем, что почвы нарушенных местообитаний могут быть бедны ресурсами, и инвестиции в АМ необходимы для выживания растений, как это показано для сообществ на песчаных почвах [15]. Кроме того, следует учитывать, что в нашем случае мало нарушенные местообитания – это преимущественно затененные участки с выраженным доминированием древесных растений, а сильно нарушенные – исключительно нелесные открытые участки.

Таким образом, возможно, что обилие микоризы в корнях связано с градиентом освещенности: много микоризы образуется при хорошем освещении и меньше – в условиях затенения. Важно, что микориза активнее формировалась в нарушенных местообитаниях и у аборигенных, и у чужеродных растений. Учет фактора “местообитание” позволил разделить общую дисперсию характеристик микоризообразования на компоненты. Хотя различия, сопряженные со степенью нарушенности местообитаний, были небольшие, их учет оказался необходимым для выявления эффектов, связанных со степенью натурализации видов.

Вывод о повышенной интенсивности развития корневых волосков у чужеродных растений статистически не столь надежен, как вывод о пониженной успешности микоризообразования. Однако можно предположить, что обе реакции – это части общего тренда, который феноменологически описывается так, что чужеродные растения более приспособлены к автономному осуществлению почвенного питания по сравнению с аборигенными. Это подтверждает отрицательная корреляция между интенсивностью колонизации AM и интенсивностью развития корневых волосков (рис. 3). Такая корреляция статистически значима у чужеродных растений (r = –0.51; n = 19; P = 0.0249), но не у аборигенных (r = –0.03; n = 25; P = 0.8951).

Рис. 3.

Связь интенсивностей колонизации AM (AM%) и формирования корневых волосков (RH%) у аборигенных (⚪; штриховая линия) и чужеродных (⚫; сплошная линия) растений.

Следовательно, наши данные можно интерпретировать как подтверждение альтернативного проявления двух приспособлений для осуществления почвенного питания – автономного (корневые волоски) и симбиотического (микориза). У части чужеродных растений поглощение ресурсов возможно с помощью активного образования корневых волосков, и необходимость в задействовании симбиотического приспособления минимальна. Похожий альтернативный характер формирования микоризы и корневых волосков ранее наблюдался у растений литорали Белого моря [33] и травянистых растений, росших на почве из зарослей инвазивного Acer negundo [34]. Это подтверждает возможный неслучайный характер сопряженности между обилием у чужеродных растений АМ и корневых волосков. Вместе с тем очевидно, что низкая статистическая поддержка связи между переменными и отсутствие предположений о механизмах, обеспечивающих эту связь, придает приведенным рассуждениям гипотетический характер. Для строгого обоснования сопряженности между интенсивностью образования корневых волосков и микоризы необходимы специальные исследования.

По нашим данным, у чужеродных растений не обнаружены особенности колонизации темными септированными эндофитами, хотя известно, что их развитие зависит от вида растения и содержания органического вещества в почве [35].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

У арбускулярно микоризных чужеродных растений Белорусского Полесья арбускулы в корнях развиты менее интенсивно, чем у аборигенных. Этот вывод не является следствием погрешностей, связанных с различием между аборигенными и чужеродными растениями по таксономической принадлежности, типу онтогенеза или степени нарушенности местообитаний. Различия между аборигенными и чужеродными растениями наиболее заметно проявились по формированию арбускул, а не везикул или гиф арбускулярных грибов в корнях. Это позволяет считать, что у чужеродных растений арбускулярная микориза функционирует менее эффективно, чем у аборигенных. Таким образом, наши результаты свидетельствуют о потенциальной меньшей зависимости чужеродных растений от взаимодействия с сообществами местных микоризных грибов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 14-04-90019_Бел-а – полевые исследования; проект № 20-54-00024_Бел-а – анализ данных) и в рамках темы госзадания Института экологии растений и животных УрО РАН.

Авторы выражают благодарность М.А. Конопленко, участвовавшему в сборе полевых материалов.

Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов.