2026 г., № 2 Раздел: Популяционная экология УДК: 581.1:632:582.475
Состояние фотосинтетического аппарата и уровень окислительного стресса хвои Abies sibirica L. на разных стадиях усыхания деревьев, поражённых уссурийским полиграфом (Polygraphus proximus Blandford) в лесных насаждениях Пермского края
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук
Массовое усыхание пихты (Abies sibirica L.) в таёжной зоне России спровоцировано инвазионным стволовым вредителем – уссурийским полиграфом (Polygraphus proximus). Ранняя диагностика очагов поражения требует разработки экспресс-методов дистанционного зондирования и новых вегетационных индексов, чувствительных к изменению физиолого-биохимических параметров хвои. Исследования проводили на 15 участках хвойно-широколиственных лесов Пермского края. Выделены следующие категории санитарного состояния деревьев пихты (КСС): здоровое (I), ослабленное (II), сильно ослабленное (III), усыхающее (IV), среди категории погибших деревьев исследовали свежий (V) и старый сухостой (VI). Изучали состояние фотосинтетического аппарата хвои по содержанию пигментов и показателям индуцированной флуоресценции хлорофилла, а также уровень окислительного стресса – по концентрации H2O2 и продуктов перекисного окисления липидов. В хвое деревьев первых трёх КСС с увеличением степени их усыхания параметры флуоресценции хлорофилла, отражающие эффективность использования световой энергии (Fv/Fm, ΦPSII, ETR), проявляли тенденцию к снижению на фоне стабильного содержания фотосинтетических пигментов и их соотношений. При этом коэффициент нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла (NPQ) и концентрация прооксидантов незначительно, но повышались, что указывало на мобилизацию защитных механизмов. Заметные повреждения фотосинтетического аппарата, характеризующиеся деградацией хлорофиллов, ослаблением фотосинтетической активности и усилением окислительных реакций, зафиксированы в хвое уже усыхающих деревьев (КСС IV). У хвои погибших деревьев (V–VI) содержание пигментов резко снижалось, фотосинтез прекращался, а уровень прооксидантов заметно падал, что свидетельствовало о прекращении жизненных процессов. Намечены перспективы применения параметров состояния фотосинтетического аппарата и прооксидантного статуса хвои пихты для создания моделей дистанционного мониторинга на основе спектральных характеристик отражения крон.
1. Chebakova N.M., Bazhina E.V., Parfenova E.I., Senashova V.A. In search of an X factor: A review of publications on the issue of dark-needled forest decline/dieback in Northern Eurasia // Russ. Meteorol. Hydrol. 2022. V. 47. P. 405–417. doi: 10.3103/S1068373922050090
2. Kharuk V.I., Im S.T., Petrov I.A., Dvinskaya M.L., Shushpanov A.S., Golyukov A.S. Climate-driven conifer mortality in Siberia // Global Ecology and Biogeography. 2021. V. 30. No. 2. P. 543–556. doi: 10.1111/geb.13243
3. Krivets S.A., Kerchev I.A., Bisirova E.M., Volkova E.S., Astapenko S.A., Efremenko A.A., Kosilov A.Yu., Kudryavtsev P.P., Kuznetzova Yu.P., Ponomarev V.I., Potapkin A.B., Taraskin E.G., Titova V.V., Shilonosov A.O., Baranchikov Yu.N. Overview of the current secondary range of the four-eyed fir bark beetle (Polygraphus proximus Blandford) in the Russian Federation // Russian Journal of Biological Invasions. 2024. V. 17. No. 1. P. 49–69 (in Russian). doi: 10.35885/1996-1499-17-1-49-69
4. Zhilа S.V., Furyaev I.V., Kovaleva N.M. Assessment of stocks of forest combustible materials in fir stands, damaged by the four-eyed fir bark beetle in Krasnoyarsk Krai // Sibirskij Lesnoj Zurnal (Sib. J. For. Sci.). 2023. No. 6. P. 76–84 (in Russian). doi: 10.15372/ SJFS20230608
5. Saltsevich Yu.V., Buryak L.V., Golovina A.N., Kukavskaya E.A. Assessment of the state of forest disturbed by fires, logging, and insects in the foothills of the Eastern Sayan Mountains // Sibirskij Lesnoj Zurnal (Sib. J. For. Sci.). 2023. No. 6. P. 63–75 (in Russian). doi: 10.15372/ SJFS20230607
6. Ivаnchinа L.A., Rotermel’ Е.Е., Bol’shakov Е.G., Shilonosov A.O. The influence of the type of forest on the resistance of fir stands in the southern taiga subzone of Perm Krai to colonization by the four-eyed fir bark beetle // Geographical Bulletin. 2025. No. 2 (73). P. 130–140 (in Russian). doi: 10.17072/2079-7877-2025-2-130-140
7. Kerchev I.A. Ecology of four-eyed fir bark beetle Polygraphus proximus Blandford (Coleoptera; Curculionidae, Scolytinae) in the west Siberian region of invasion // Russ. J. Biol. Invasions. 2014. V. 5. P. 176–185. doi: 10.1134/S2075111714030072
8. Ecke S., Dempewolf J., Frey J., Schwaller A., Endres E., Klemmt H-J., Tiede D., Seifert T. UAV-based forest health monitoring: A systematic review // Remote Sens. 2022. V. 14. Article No. 3205. doi: 10.3390/rs14133205
9. Peguero-Pina J.J., Camarero J.J., Abadía A., Martín E., González-Cascón R., Morales F., Gil-Pelegrín E. Physiological performance of silver-fir (Abies alba Mill.) populations under contrasting climates near the southwestern distribution limit of the species // Flora. 2007. V. 202. P. 226–236. doi: 10.1016/j.flora.2006.06.004
10. D’Odorico P., Schönbeck L., Vitali V., Meusburger K., Schaub M., Ginzler C., Zweifel R., Velasco V.M.E., Gisler J., Gessler A., Ensminger I. Drone-based physiological index reveals long-term acclimation and drought stress responses in trees // Plant Cell Environ. 2021. V. 44. No. 11. P. 3552–3570. doi: 10.1111/pce.14177
11. Trubin A., Kozhoridze G., Zabihi K., Modlinger R., Singh V.V., Surový P., Jakuš R. Detection of susceptible Norway spruce to bark beetle attack using PlanetScope multispectral imagery // Front. For. Glob. Change. 2023. V. 6. Article No. 1130721. doi: 10.3389/ffgc.2023.1130721
12. Richardson A.D., Berlyn G.P., Gregoire T.G. Spectral reflectance of Picea rubens (Pinaceae) and Abies balsamea (Pinaceae) needles along an elevational gradient, Mt. Moosilauke, New Hampshire, USA // Am. J. Bot. 2001. V. 88. No. 4. P. 667–676. doi: 10.2307/2657067
13. Zhang Y., Luan Q., Jiang J., Li Y. Prediction and utilization of malondialdehyde in exotic pine under drought stress using near-infrared spectroscopy // Front. Plant Sci. 2021. V. 12. Article No. 735275. doi: 10.3389/ fpls.2021.735275
14. Foyer C.H., Noctor G. Redox sensing and signalling associated with reactive oxygen in chloroplasts, peroxisomes and mitochondria // Physiologia Plantarum. 2003. V. 119. No. 3. P. 355–364. doi: 10.1034/j.13993054.2003.00223.x
15. Golovko T.K., Silina E.V., Lashmanova E.A., Kozlovskaya A.V. Reactive oxygen species and antioxidants in living systems: An integrative review // Theoretical and Applied Ecology. 2022. No. 1. P. 17–26 (in Russian). doi: 10.25750/1995-4301-2022-1-017-026
16. Garmash E.V., Velegzhaninov I.O., Grabelnych O.I., Borovik O.A., Silina E.V., Voinikov V.K., Golovko T.K. Expression profiles of genes for mitochondrial respiratory energy-dissipating systems and antioxidant enzymes in wheat leaves during de-etiolation // J. Plant Physiol. 2017. V. 215. P. 110–121. doi: 10.1016/j.jplph.2017.05.023
17. Shelyakin M.A., Silina E.V., Golovko T.K. Age and adaptive changes in pro-/antioxidant metabolism indicators and respiration of the winter-green herbaceous plant Ajuga reptans L. in natural conditions of the taiga zone // Russ. J. Plant Physiol. 2024. V. 71. Article No. 31. doi: 10.1134/S1021443724604397
18. Gechev T.S., Van Breusegem F., Stone J.M., Denev I., Laoli C. Reactive oxygen species as signals that modulate plant stress responses and programmed cell death // BioEssays. 2006. V. 28. No. 11. P. 1091–1101. doi: 10.1002/bies.20493
19. Mubarakshina M.M., Ivanov B.N., Naydov I.A., Hillier W., Badger M.R., Krieger-Liszkay A. Production and diffusion of chloroplastic H2O2 and its implication to signalling // J. Exp. Bot. 2010. V. 61. No. 13. P. 3577–3587. doi: 10.1093/jxb/erq171
20. Safonova A., Tabik S., Alcaraz-Segura D., Rubtsov A., Maglinets Yu., Herrera F. Detection of fir trees (Abies sibirica) damaged by the bark beetle in unmanned aerial vehicle images with deep learning // Remote Sens. 2019. V. 11. Article. 643. doi: 10.3390/ rs11060643
21. Volkova E.S., Kerchev I.A., Krivets S.A., Melnik M.A. Experience of mapping invasions by forest alien pest insects in Western Siberia using GIS tools // Geography and Natural Resources. 2023. V. 44. No. S5. P. 146–153 (in Russian). doi: 10.15372/GIPR20230518
22. Ivanchina L.A., Shilonosov L.A., Shikhov A.N. Estimation of drying out of dark coniferous forests caused by the spread of the four-eyed fir bark beetle in Perm Krai based on satellite and field observations // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2025. V. 22. No. 3. P. 149–160 (in Russian). doi: 10.21046/2070-7401-2025-22-3-149-160
23. Goltsev V.N., Kalaji H.M., Paunov M., Bąba W., Horaczek T., Mojski J., Kociel H., Allakhverdiev S.I. Variable chlorophyll fluorescence and its use for assessing physiological condition of plant photosynthetic apparatus // Russ. J. Plant Physiol. 2016. V. 63. P. 869–893. doi: 10.1134/S1021443716050058
24. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes // Methods in Enzymology / Eds. S.P. Colowick, N.O. Kaplan. San Diego: Academic Press, 1987. P. 350–382. doi: 10.1016/0076-6879(87)48036-1
25. Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts: I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation // Arch. Biochem. Biophys. 1968. V. 125. No. 1. P. 189–198. doi: 10.1016/00039861(68)90654-1
26. Bellincampi D., Dipierro N., Salvi G., Cervone F., De Lorenzo G. Extracellular H2O2 induced by oligogalacturonides is not involved in the inhibition of the auxinregulated rolB gene expression in tobacco leaf explants // Plant Physiol. 2000. V. 122. No. 4. P. 1379–1386. doi: 10.1104/pp.122.4.1379
27. Golovko T.K., Yatsko Ya.N., Dymova O.V. Seasonal changes in the state of the photosynthetic apparatus of three boreal coniferous species in the middle taiga subzone of the European Northeast // Hvojnye boreal’noj zony. 2013. V. 31. No. 1–2. P. 73–78 (in Russian).
28. Dymova O.V., Golovko T.K. Plant pigments: Biological, ecological, and evolutionary aspects (an overview) // Journal of General Biology. 2025. V. 86. No. 5. P. 361–380 (in Russian). doi: 10.31857/S0044459625050047
29. Latowski D., Dymova O., Maslova T., Strzałka K. The xanthophylls cycle and its physiological functions // Photosynthetic pigments: chemical structure, biological function and ecology / Eds. T.K. Golovko, E.I. Gruszecki, M.N.V. Prasad, K. Strzałka. Syktyvkar: Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2014. P. 183–206 (in Russian).
30. Masaitis G., Mozgeris G., Augustaitis A. Spectral reflectance properties of healthy and stressed coniferous trees // iForest. 2013. V. 6. No. 1. P. 30–36. doi: 10.3832/ ifor0709-006
31. Pakharkova N.V., Gaevsky N.A., Gette I.G. Parameters of Pinus sibirica photosynthetic apparatus for phenotyping trees in the high-altitude zone of the western Sayan // J. Sib. Fed. Univ. Biol. 2024. V. 17. No. 2. P. 119–133 (in Russian).
32. Ganthaler A., Bauer H., Gruber A., Mayr M., Oberhuber W., Mayr S. Effects of the needle bladder rust (Chrysomyxa rhododendri) on Norway spruce: implications for subalpine forests // Eur. J. Forest Res. 2014. V. 133. P. 201–211. doi: 10.1007/s10342-013-0770-6
33. Pakharkova N.V., Kisteeva M.O. Changes in photosynthetic activity of Siberian fir needles upon infection by ophiostomatoid fungi – associates of the four-eyed fir bark beetle // Monitoring sostoyaniya prirodnyh kompleksov i mnogoletnie issledovaniya na osobo ohranyaemyh prirodnyh territoriyah. 2019. No. 3. P. 84–88 (in Russian).
34. Perks M.P., Monaghan S., O’Reilly C., Osborne B., Mitchell D.T. Chlorophyll fluorescence characteristics, performance and survival of freshly lifted and cold stored Douglas fir seedlings // Ann. For. Sci. 2001. V. 58. P. 225–235. doi: 10.1051/forest:2001122
35. Gil-Pelegrín E., Peguero-Pina J.J., SanchoKnapik D., Arrechea E., Camarero J.J. How warmer and drier conditions drive forest dieback and tree death: A review and conceptual model for silver fir // Plants. 2025. V. 14. Article No. 3308. doi: 10.3390/plants14213308
36. Ruban A.V., Johnson M.P., Duffy C.D.P. The photoprotective molecular switch in the photosystem II antenna // Biochim. Biophys. Acta. 2012. V. 1817. No. 1. P. 167–181. doi: 10.1016/j.bbabio.2011.04.007
37. Pliūra A., Bajerkevičienė G., Labokas J., Lygis V., Jankauskienė J., Suchockas V., Verbylaitė R. The effects of different combinations of simulated climate change-related stressors on juveniles of seven forest tree species grown as mono-species and mixed cultures // Baltic Forestry. 2020. V. 26. No. 1. Article No. 326. doi: 10.46490/BF326
38. Felicijan M., Novak M., Krasevec N., Urbanek Krajnc A. Antioxidant defences of Norway spruce bark against bark beetles and its associated blue-stain fungus // Agricultura. 2015. V. 12. No. 1–2. P. 9–18. doi: 10.1515/agricultura-2016-0002
39. Netherer S., Kandasamy D., Jirosová A., Kalinová B., Schebeck M., Schlyter F. Interactions among Norway spruce, the bark beetle Ips typographus and its fungal symbionts in times of drought // Journal of Pest Science. 2021. V. 94. P. 591–614. doi: 10.1007/s10340-021-01341-y
Сведения о финансировании:
Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ 24-76-10057 «Исследование по оперативному автоматизированному выявлению усыханий елово-пихтовых древостоев с применением геоинформационных технологий».
ISSN 1995-4301
Выбор параметров просмотра
