resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2024-29-1-108-120resar-346Research ArticleБиологические науки. ЭкологияBiological sciences. EcologyАдаптация кустарничков к условиям арктических тундр Западного ШпицбергенаAdaptation of dwarf shrubs to Arctic tundra conditions in West Svalbardhttps://orcid.org/0000-0001-8342-1764ШмаковаН. Ю.ShmakovaN. Yu.

Шмакова Наталья Юрьевна, доктор биологических наук, главный научный сотрудник

ResearcherID: 97378, Scopus Author ID: 57191981695

г. Кировск

Shmakova Natalia Yurjevna, Dr. Sci. (Biol.), Chief Researcher

ResearcherID: 97378, Scopus Author ID: 57191981695

Kirovsk

shmanatalya@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0658-6845МарковскаяЕ. Ф.MarkovskayaE. F.

Марковская Евгения Федоровна, доктор биологических наук, профессор

Scopus Author ID: 6603350545

г. Петрозаводск

Markovskaya Evgenia Fedorovna, Dr. Sci. (Biol.), Professor

Scopus Author ID: 6603350545

Petrozavodsk

volev10@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6655-5197МорозоваК. В.MorozovaK. V.

Морозова Кира Владимировна, кандидат биологических наук, доцент

Scopus Author ID: 56906831100

г. Петрозаводск

Morozova Kira Vladimirovna, Cand. Sci. (Biol.), Associate Professor

Scopus Author ID: 56906831100

Petrozavodsk

mkv25@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6310-3846ЕрмолаеваО. В.ErmolaevaO. V.

Ермолаева Ольга Владимировна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

ResearcherID: 1016999

г. Кировск

Ermolaeva Olga Vladimirovna, Cand. Sci. (Biol.), Senior Researcher

ResearcherID: 1016999

Kirovsk

olia.ermolik@yandex.ruПолярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина Кольского научного центра РАНРоссияPolar-Alpine Botanical Garden-Institute, Kola Sciense CentreRussian FederationПетрозаводский государственный университетРоссияPetrozavodsk State UniversityRussian Federation202429032024291108120Copyright © Шмакова Н.Ю., Марковская Е.Ф., Морозова К.В., Ермолаева О.В., 20242024Шмакова Н.Ю., Марковская Е.Ф., Морозова К.В., Ермолаева О.В.Shmakova N.Y., Markovskaya E.F., Morozova K.V., Ermolaeva O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/346

Устойчивость биоты арктических территорий в условиях изменения климата и увеличения антропогенной нагрузки определяется адаптивным потенциалом отдельных видов. Цель работы – оценка адаптивного потенциала кустарничков (Betula nana, Vaccinium uliginosum, Salix polaris) флоры Западного Шпицбергена на основании морфолого-анатомического исследования и анализа жирных кислот (ЖК) суммарных липидов листьев. Показано, что все исследованные виды имеют сходные характеристики анатомии листа: мелколиственность, дорсовентральное строение с четкой дифференцировкой на палисадный и губчатый мезофилл, что обеспечивает их существование в Арктике. Для S. polaris характерны высокие значения объема устьичного аппарата, амфистоматичный тип листа, высокий коэффициент палисадности, большой объем механической ткани листа и высокое содержание ненасыщенных жирных кислот (ННЖК). Эти особенности в условиях Западного Шпицбергена обеспечивают высокую функциональную активность, прохождение всех этапов онтогенеза и широкое распространение вида. В отличие от S. polaris, для B. nana и V. uliginosum характерны уменьшение площади листа, снижение коэффициента палисадности, гипостоматический тип листа, что в сочетании с увеличением разнообразия «второстепенных» ННЖК, а также отсутствием генеративного развития может свидетельствовать о более высоком для них уровне экстремальности условий. Эти особенности могут быть причиной их ограниченной представленности в экотопах Западного Шпицбергена. Показано, что более высокий адаптивный потенциал S. рolaris способен обеспечить большую его устойчивость в условиях изменения среды обитания в отличие от B. nana и V. uliginosum. Все исследованные виды могут быть использованы как маркерные для мониторинга состояния среды в условиях высокой Арктики.

The stability of the biota in the Arctic regions under climate change and increasing anthropogenic burdens is influenced by the adaptive potential of its representatives. This study aimed to assess the adaptive potential of dwarf shrubs (Betula nana, Vaccinium uliginosum, and Salix polaris) in the flora of West Svalbard on the basis of their morphological and anatomical features and total leaf lipid fatty acid content. All species have similar leaf anatomy characteristics: small leaves, dorsoventral structure with clear differentiation into palisade and spongy mesophyll, which ensures their growth in the Arctic. However, S. polaris is characterized by high volumes of the stomatal apparatus, an amphistomatic type of leaf, a high palisade coefficient, a large volume of mechanical leaf tissue, and a high content of unsaturated fatty acids (UFA). These features provide high functional activity, passage through all stages of ontogenesis, and a wide distribution of the species in West Svalbard. In contrast to S. polaris, B. nana and V. uliginosum are characterized by a decrease in leaf area, a decrease in the palisade coefficient, and a hypostomatic leaf type, which, combined with an increase in the diversity of “secondary” UFA, as well as the lack of generative development, may indicate a higher level pressure of extreme conditions for the species. Thus, these features may explain their limited representation in the ecotopes of West Svalbard. In contrast to B. nana and V. uliginosum, the higher adaptive potential of S. polaris ensures its greater stability in conditions of changing habitat. All studied dwarf shrub species can be used as markers for monitoring the environment in the high Arctic.

Salix polarisBetula nanaVaccinium uliginosum ssp. microphyllumанатомияжирнокислотный состав листьевадаптацииЗападный ШпицбергенSalix polarisBetula nanaVaccinium uliginosum ssp. microphyllumleaf anatomyfatty acidsadaptationWest Svalbard IslandРабота выполнена в рамках государственного задания ПАБСИ КНЦ РАН «Растительнопочвенные ресурсы, совершенствование методов управления охраняемыми природными территориями в условиях климатических изменений и антропогенного воздействия и оптимизации среды обитания человека на архипелаге Шпицберген» (№ 0189-2019-0025; № гос. регистрации 1021032422551-2-1.6.11).This study was conducted within the framework of the state assignment for the Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences “Plant and soil resources, improvement of methods of management of protected natural territories under conditions of climatic changes and anthropogenic impact and optimization of human habitat in the Svalbard archipelago” (No. 0189-2019-0025; Registration No. 1021032422551-2-1.6.11).ReferencesЧернов Ю.И. Экология и биогеография. М.: Товарищество научных изданий КМК; 2008. 580 с.Chernov Yu.I. Ecology and biogeography. Moscow: KMK; 2008. 580 p. (In Russ.)Крутиков А.В., Смирнова О.О., Бочарова Л.К. Стратегия развития российской Арктики. Итоги и перспективы. Арктика и Север. 2020;(40):254–269. https://doi.org/10.37482/issn2221-2698.2020.40.254.Krutikov A.V., Smirnova O.O., Bocharova L.K. Strategy for the development of the Russian Arctic. Results and prospects. Arktika i Sever [Arctic and North]. 2020;(40):254–269. (In Russ.). https://doi.org/10.37482/issn2221-2698.2020.40.254.Rǿnning O.I. The Flora of Svalbard. Oslo: Norsk Polarinstitutt; 1996. 184 p.Rǿnning O.I. The Flora of Svalbard. Oslo: Norsk Polarinstitutt; 1996. 184 p.Тихомиров Б.А. Очерки по биологии растений Арктики. М.; Л.: Изд-во АН СССР; 1963. 153 с.Tikhomirov B.A. Essays on the Arctic plant biology. Moscow-Leningrad: USSR Academy of Sciences Publishing House; 1963. 153 p. (In Russ.)Матвеева Н.В. Зональность в растительном покрове Арктики. СПб.: Изд-во Ботанического института им. В. Л. Комарова; 1998. 218 с.Matveeva N.V. Zoning in the vegetation cover of the Arctic. St. Petersburg: Komarov Botanical Institute Publishing House; 1998. 218 p. (In Russ.)Марковская Е.Ф., Шмакова Н.Ю. Растения и лишайники Западного Шпицбергена: экология, физиология. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ; 2017. 270 с.Markovskaya E.F., Shmakova N.Yu. Plants and lichens of Western Spitsbergen: ecology, physiology. Petrozavodsk: Petrozavodsk State University Publishing House; 2017. 270 p. (In Russ.)Марковская Е.Ф., Розенцвет О.А., Шмакова Н.Ю. и др. Участие липидов в адаптации высших сосудистых растений к условиям Западного Шпицбергена. Журнал общей биологии. 2021;82(6):419–430. https://doi.org/10.31857/S0044459621060063Markovskaya E.F., Rozentzvet O.A., Shmakova N.Yu., et al. Involvement of lipids into adaptations of higher vascular plants to the conditions of West Spitsbergen. Zhurnal Obshchei biologii. 2021;82(6):419–430. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0044459621060063.Нохсоров В.В., Дударева Л.В., Петров К.А. Состав и содержание липидов и их жирных кислот в хвое Pinus sylvestris и Picea obovata Ledeb. при их закаливании к низкой температуре в условиях криолитозоны Якутии. Физиология растений. 2019;66(4):286– 294. https://doi.org/10.1134/S0015330319040109.Nokhsorov V.V., Dudareva L.V., Petrov K.A. Composition and content of lipids and their fatty acids in the needles of Pinus sylvestris and Picea obovata Ledeb. during their quenching to low temperature in the cryolithoon of Yakutia. Plant Physiology. 2019;66(4):286–294. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0015330319040109.Zhang M., Barg R., Yin M., et al. Modulated fatty acid desaturation via overexpression of two distinct x-3 desaturases differentially alters tolerance to various abiotic stresses in transgenic tobacco cells and plants. The Plant Journal. 2005;44(3):361–371. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2005.02536.xZhang M., Barg R., Yin M., et al. Modulated fatty acid desaturation via overexpression of two distinct x-3 desaturases differentially alters tolerance to various abiotic stresses in transgenic tobacco cells and plants. The Plant Journal. 2005;44(3):361–371. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2005.02536.xZheng G., Tian B., Zhang F., et al. Plant adaptation to frequent alterations between high and low temperatures: remodeling of membrane lipids and maintenance of unsaturation levels. Plant Cell Environ. 2011;34(9):1431–1442. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2011.02341.xZheng G., Tian B., Zhang F., et al. Plant adaptation to frequent alterations between high and low temperatures: remodeling of membrane lipids and maintenance of unsaturation levels. Plant Cell Environ. 2011;34(9):1431–1442. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2011.02341.xSchmid K.M., Ohlrogge J.B. Lipid metabolism in plants. In: Vance D.E., Vance J.E. (eds.) Biochemistry of lipids, lipoproteins and membranes. Amsterdam: Elsevier; 2002:93–126. http://dx.doi.org/10.1016/S0167-7306(02)36006-XSchmid K.M., Ohlrogge J.B. Lipid metabolism in plants. In: Vance D.E., Vance J.E. (eds.) Biochemistry of lipids, lipoproteins and membranes. Amsterdam: Elsevier; 2002:93–126. http://dx.doi.org/10.1016/S0167-7306(02)36006-XNiemela P.S., Hyvonen M.T., Vattulainen I. Atom-scale molecular interactions in lipid raft mixtures. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 2009;1788(1):122–135. https://doi.org/10.1016/j.bbamem. 2008.08.018Niemela P.S., Hyvonen M.T., Vattulainen I. Atom-scale molecular interactions in lipid raft mixtures. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 2009;1788(1):122–135. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2008.08.018Quinn P.J., Wolf C. The liquid-ordered phase in membranes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bio-membranes. 2009;1788(1):33–46. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2008.08.005Quinn P.J., Wolf C. The liquid-ordered phase in membranes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bio-membranes. 2009;1788(1):33–46. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2008.08.005Жуков А.В. Жирные кислоты с очень длинной цепью в составе мембранных липидов растений. Физиология растений. 2018;65(6):418–437. https://doi.org/10.1134/S0015330318050184Zhukov A.V. Fatty acids with a very long chain in the composition of plant membrane lipids. Plant Physiology. 2018;65(6):418–437. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0015330318050184.Тисленко Д.И., Иванов Б.В. Долгопериодная изменчивость температуры атлантических вод во фьордах острова Западный Шпицберген в период первого (1920–1940 гг.) и современного потепления в Арктике. Проблемы Арктики и Антарктики. 2015; 104(2):93–101.Tislenko D.I., Ivanov B.V. Lond-term variability of Atlantic waters temperature in the Fjords of Spitsbergen conditions of modern warming. Problemy Arktiki i Subarktiki. 2015;104(2):93–101. (In Russ.)Королева Н.Е., Константинова Н.А., Белкина О.А. и др. Флора и растительность побережья залива Гренфьорд (архипелаг Шпицберген). Апатиты: Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина; 2008. 111 с.Koroleva N.E., Konstantinova N.A., Belkina O.A., et al. Flora and vegetation of Grønfjord area (Spitsbergen archipelago). Apatity: Polar-Alpine Botanical Garden-Institute Publishing House; 2008. 111 p. (In Russ.)Секретарева Н.А. Сосудистые растения Российской Арктики и сопредельных территорий. М.: Товарищество научных изданий КМК; 2004. 129 с.Sekretareva N.A. Vascular plants of the Russian Arctic and adjacent territories. Moscow: KMK; 2004. 129 p. (In Russ.)Vascular plants in Svalbard. The flora of Svalbard; 2020 [This page was last edited on 14 July 2023]. Доступно: https://www.svalbardflora.no/oldsite/ Second edition.Vascular plants in Svalbard. The flora of Svalbard; 2020 [This page was last edited on 14 July 2023]. Доступно: https://www.svalbardflora.no/oldsite/ Second edition.Шуляковская Т.А., Ильинова М.К., Карелина Т.В. Липидный состав тканей ствола Betula pendula и B. pendula var. carelica (Betulaceae). Растительные ресурсы. 2014;50(1):94–104.Shulyakovskaya T.A., Il’inova M.K., Karelina T.V. The lipid composition of the trunk tissues of Betula pendula and B. pendula var. carelica (Betulaceae). Rastitelnye resursy. 2014;50(1):94–104. (In Russ.)Алаудинова Е.В., Миронов П.В. Липиды меристем лесообразующих хвойных пород центральной Сибири в условиях низкотемпературной адаптации. 2. Особенности метаболизма жирных кислот фосфолипидов меристем Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L. и Pinus sylvestris L. Химия растительного сырья. 2009;(2):71–76.Alaudinova E.V., Mironov P.V. Lipids of meristems of forest-forming conifers of Central Siberia in conditions of low-temperature adaptation. 2. Features of metabolism of fatty acids of phospholipids of meristems Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L. and Pinus sylvestris L. Khimija rastitel’nogo syr’ja. 2009;(2):71–76. (In Russ.)Мокроносов А.Т., Борзенкова Р.А. Методика количественной оценки структуры функциональной активности фотосинтезирующих тканей и органов. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1978;61(3):119–133.Mokronosov A.T., Borzenkova R.A. Method of quantitative estimate of the structure and functional activity of photosynthetic tissues and organs. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 1978;61(3):119–133. (In Russ.)Борзенкова Р.А., Храмцова Е.В. Определение мезоструктурных характеристик фотосинтетического аппарата растений. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та; 2006. 14 с.Borzenkova R.A., Hramtsova E.V. Determination of mesostructural characteristics of the photosynthetic apparatus of plants. Ekaterinburg: Ural University Publishing House; 2006. 14 p. (In Russ.)Иванова Л.А. Адаптивные признаки структуры листа растений разных экологических групп. Экология. 2014;(2):109–118. https://doi.org/10.7868/S0367059714020024Ivanova L.A. Adaptive signs of leaf structure of plants of different ecological groups. Russian Journal of Ecology. 2014;(2):109–118. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S0367059714020024.Loll B., Kern J., Saenger W., et al. Lipids in photosystem II: Interactions with protein and cofactors. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 2007; (1767):509–519. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2006.12.009Loll B., Kern J., Saenger W., et al. Lipids in photosystem II: Interactions with protein and cofactors. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 2007; (1767):509–519. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2006.12.009Laskay G., Lehoczki E. Correlation between linolenic-acid deficiency in chloroplast membrane lipids and decreasing photosynthetic activity in barley. Biochimica et Biophysica Acta (BBA). 1986;849(1):77–84. https://doi.org/10.1016/0005-2728(86)90098-8Laskay G., Lehoczki E. Correlation between linolenic-acid deficiency in chloroplast membrane lipids and decreasing photosynthetic activity in barley. Biochimica et Biophysica Acta (BBA). 1986;849(1):77–84. https://doi.org/10.1016/0005-2728(86)90098-8Rotondi A., Rossi F., Asunis C., Cesaraccio C. Leaf xeromorphic adaptations of some plants of a coastal Mediterranean macchia ecosystem. Journal of Mediterranean Ecology. 2003;3(4):25–35.Rotondi A., Rossi F., Asunis C., Cesaraccio C. Leaf xeromorphic adaptations of some plants of a coastal Mediterranean macchia ecosystem. Journal of Mediterranean Ecology. 2003;3(4):25–35.Гамалей Ю.В. Транспортная система сосудистых растений. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та; 2004. 421 с.Gamaley Ju.V. Transport system of vascular plants. St. Petersburg: St. Petersburg University Publishing House; 2004. 421 p. (In Russ.)Марковская Е.Ф., Шмакова Н.Ю., Теребова Е.Н. Содержание общего азота и особенности клеточной стенки некоторых видов флоры Западного Шпицбергена. Фундаментальные исследования. 2014;(12): 124–130.Markovskaya E.F., Shmakova N.Yu., Terebova E.N. The content of total nitrogen and the features of the cell wall of some species of flora of Western Svalbard. Fundamental research. 2014;(12):124–130. (In Russ.)Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот. М.: Научный мир; 2014. 370 с.Los’ D.A. Fatty acid desaturases. Moscow: Scientific world; 2014. 370 p. (In Russ.)Alsos I.G., Eidesen P.B., Ehrich D., et al. Frequent long-distance plant colonization in the changing Arctic. Science. 2007;316(5831):1606–1609. https://doi.org/10.1126/science.1139178Alsos I.G., Eidesen P.B., Ehrich D., et al. Frequent long-distance plant colonization in the changing Arctic. Science. 2007;316(5831):1606–1609. https://doi.org/10.1126/science.1139178

The authors declare that there are no conflicts of interest present.