The study of primary productivity of lichenized epigeic fungi in the pine forests of the Kostroma Region

Cover Page

Abstract


Thalli of epigeic lichenized fungi of the genus Cladonia P. Browne are sources of high biological activity substances with a proven pharmaceutical potential. It’s necessary to study characteristics of the accumulation of biomass by thalli, as well as conditions affecting the accumulation of secondary metabolites by lesions. For the first time, studies of the primary productivity and concentrations of secondary metabolites in lichens of the genus Cladonia in pine forests in the center of the European part of Russia are presented on the example of the Kostroma Region. The primary productivity of bushy lichens of the genus Cladonia in the pine forests of the Kostroma Region is in the range of 16,05–34,72 g/m² per year for C. arbuscula and 14,70–28,18 g/m² per year for C. rangiferina. The weight gain of the living part of the subset is in direct proportion to the intensity of sunlight: the optimum for C. arbuscula is 4100–6100 lx (0,0250 g/year), for C. rangiferina it is 3800–5800 lx (0,0407 g/year). The influence of abiotic factors (biotope humidity and sunlight intensity) on the parameters of primary productivity and the accumulation of secondary metabolites by thalli was revealed. The influence of biotic factors is manifested on the projective cover of species. The highest values of the projective cover, 85,67% (C. arbuscula) and 61% (C. rangiferina), are confined to well-illuminated biotopes with rarefied sunlight (thin sphagnum pine forest, sphagnum-heather pine forest slope). The maximum amount of acetone extract of secondary metabolites per weight of air-dry raw material of lichenized fungi of the genus Cladonia was isolated from well-illuminated areas of pine forests at 5800–7400 lx (11,541 and 15,916 mg/g q.s. of C. rangiferina and C. arbuscula raw materials, respectively). The increased humidity of the biotope and shading conditions slow down the accumulation of secondary metabolites in the subsets.


Full Text

Введение

Лихенизированные грибы как организмы, обусловленные сложным взаимодействием мико- и фотобионта, являются источником ценных биологически активных веществ, выполняющих роль вторичных метаболитов в талломах лишайников [1, с. 748; 2, с. 173; 3, с. 116]. Так, эпигейные лихенизированные грибы рода Cladonia P. Browne представляют собой ценный ресурс, обладающий фармацевтическим потенциалом ввиду наличия в их талломах ряда вторичных метаболитов [4, с. 377; 5, с. 57; 6, с. 449].

В современной фармацевтике начаты исследования по разработке хемоферментактивного синтеза форм усниновой кислоты и её соединений, но основным её источником является природное сырье: талломы лихенизированных грибов [3, с. 115]. Наиболее часто для экстракции данного соединения используются подеции кладонии лесной (Cladonia arbuscula (Wallr.) Flot.), кладонии оленьей (Cladonia rangiferina (L.) F.H. Wigg.) ввиду высокой распространенности данных видов, содержания усниновой кислоты и других вторичных метаболитов в талломах в количестве от 1,5 до 8% от массы воздушно-сухого сырья [7, с. 76; 8, с. 15]. В ряде исследований выявлена корреляция между накоплением усниновой кислоты в талломах и условиями произрастания лишайниковых сообществ [7, с. 76; 9, с. 87].

В связи с активной эксплуатацией эпигейных лихенизированных грибов рода Cladonia как возобновляемого ресурса для получения усниновой кислоты необходимо исследование особенностей роста и первичной продуктивности данных объектов, а также выявление зависимости этих показателей от условий места произрастания, в частности, условий освещения [8, с. 15; 9, с. 87].

На данный момент большая часть исследований по вышеобозначенному вопросу посвящена напочвенным лишайникам восточной части России: Западная Сибирь и Полярный Урал, Прибайкалье, Дальний Восток, а также Республика Карелия [10, с. 344; 11, с. 43; 12, с. 56; 13, с. 34]. Отмечена тенденция зависимости первичной продуктивности лишайниковых синузий от условий среды: зональной и фитоценотической приуроченности [14, с. 690]. В зарубежной литературе описан опыт исследования линейной скорости роста и биомассы талломов рода Cladonia в условиях верховых болот южной части Финляндии, Шотландии, Аляски и Канады [8, с. 15; 15, с. 237; 16, с. 431; 17, с. 1199]. Практически не исследованным остается вопрос накопления вторичных метаболитов в талломах эпигейных лишайников в аспекте взаимодействия с экологическими факторами [18, с. 477; 19, с. 401; 20, с. 27].

В связи с возрастанием интереса производителей фармацевтической продукции к лихенизированным грибам как лекарственному сырью, а также фрагментарностью данных об их продукционной активности на территории России, мы ставим целью изучение первичной продуктивности эпигейных лишайников рода Cladonia P. Browne как источника вторичных метаболитов в условиях сосновых лесов Костромской области.

Материал и методы

Исследование первичной продуктивности лихенизированных грибов рода Cladonia проводилось на территории сосновых лесов Красносельского и Сусанинского районов Костромской области. Согласно региональному делению Российской Федерации, принятому в «Списке лихенофлоры России», Костромская область расположена в центральной части Европейской России [21, с. 15]. В качестве модельных объектов нами были использованы Cladonia arbuscula (Wallr.) Flot. и Cladonia rangiferina (L.) F.H. Wigg., представленные наибольшим обилием в районах исследования. Cladonia – род кустистых лихенизированных грибов семейства Cladoniaceae порядка Lecanorales класса Lecanoromycetes отдела Ascomycota [22, с. 53].

Исследования проводились в течение вегетативных сезонов 2018–2020 гг. в средневозрастных сосняках. С целью выявления влияния места произрастания и растительного сообщества на продуктивность лихенизированных грибов были исследованы следующие фитоценозы с различными условиями освещения и влажности: склон разреженного сосняка сфагново-верескового, пологий участок разреженного сосняка сфагново-верескового, разреженный сосняк сфагновый с включением подроста ели обыкновенной, экотон подроста ели с березняком, разреженный сосняк моховый по краю лесной тропы, ельник-березняк сфагновый на границе заболачивания, разреженный сосняк-беломошник сфагновый. Колебания интенсивности солнечного света на местах исследования составляли от 2800 до 7400 лк в ясный безоблачный день. На указанных выше местах исследования в трехкратной повторности были заложены лихенологические площадки размерами 1 × 1 м², внутри которых было определено проективное покрытие лишайников рода Cladonia, а также взяты образцы подециев (не менее 100 единиц с каждого участка исследования) для дальнейшего исследования продуктивности талломов и концентрации в них вторичных метаболитов.

Размерные характеристики подециев были исследованы при максимальном их насыщении влагой, масса – в воздушно-сухом состоянии. Первичную продуктивность талломов вычисляли в соответствии с методикой, описанной у С.Ю. Абдульмановой [14, с. 689].

С целью определения концентрации вторичных метаболитов нами был получен ацетоновый экстракт подециев, поскольку наиболее ценным в фармацевтике веществом талломов является усниновая кислота, хорошо растворимая в кипящем ацетоне [22, с. 54].

Результаты исследований и их обсуждение

Одним из показателей, влияющих на величину первичной продуктивности, является масса живой части подециев. Сравнение массы живой части подеция на участках соснового леса с различной интенсивностью освещения позволило выявить соответствие данных параметров. Наибольшая масса живой части подеция C. arbuscula наблюдается при интенсивности солнечного света 4100–5800 лк и составляет 0,0542–0,0551 г, максимальная масса подеция C. rangiferina отмечена при интенсивности света 4100–6700 лк и составляет 0,0577–0,0741 г. Данные участки исследования приурочены к хорошо прогреваемым склонам и обеспечены разреженным естественным затенением за счет включений подроста ели обыкновенной.

Длина колен подециев рассматриваемых видов в сосняках Костромской области варьирует от 5,38 до 8,33 мм в различных условиях произрастания. При этом для C. rangiferina характерна бόльшая длина между коленами, чем для C. arbuscula (7,4 и 6,4 мм соответственно). Наблюдается зависимость данного показателя от фитоценотической приуроченности произрастания видов. Так, наиболее выраженный интеркалярный рост подециев выявлен в участках с избыточным увлажнением: это участки соснового леса на границе с заболачиванием, где влияние на ростовые процессы эпигейных лишайников также оказывает затенение за счет подроста ели обыкновенной. На данных участках исследуемые нами виды рода Cladonia произрастают в синузиях со мхом рода Sphagnum, что также способствует удержанию влаги в мохово-лишайниковом ярусе растительного сообщества. Наименьшая длина колен подециев у обоих видов обнаружена при произрастании в разреженном сосняке моховом по краю лесной тропы (5,38 и 6,89 мм у C. arbuscula и C. rangiferina соответственно). Вероятно, причиной этого являются значительные колебания температурного режима и влажности на открытом пологом участке.

Средние значения прироста живой части подеция по массе у лихенизированных грибов рода Cladonia в условиях сосновых лесов Костромской области в среднем составляют 0,0198 и 0,0261 г/год для C. arbuscula и C. rangiferina соответственно. Прямой корреляции значения прироста живой части подеция по массе с растительными сообществами не выявлено, но нами отмечена зависимость значений данного показателя от условий освещения. На основании полученных данных мы можем заметить, что наибольшие значения прироста живой части подеция по массе для обоих видов приурочены к участкам с интенсивностью солнечного света 4100 лк. При этом оптимум данного показателя для C. arbuscula смещен в сторону увеличения интенсивности света (от 4100 до 6100 лк), а для C. rangiferina в сторону снижения интенсивности света (от 3800 до 5800 лк). Полученные нами результаты могут внести вклад в усовершенствование технологии культивирования талломов C. arbuscula и C. rangiferina и их компонентов в условиях лаборатории для дальнейшего получения лишайниковых кислот, а также для задач биоиндикации.

Кроме того, можно отметить зависимость прироста живой части подеция от условий увлажнения: наибольшие значения прироста подеция обоих видов (0,0239 и 0,0339 г/год для C. arbuscula и C. rangiferina соответственно) наблюдаются в фитоценозах с условиями умеренной и повышенной увлажненности: сосняк сфагновый с включением ели, а также участок сосняка на границе заболачивания соответственно.

Значения первичной продуктивности эпигейных лихенизированных грибов рода Cladonia в условиях сосновых лесов Костромской области варьируют от 16,05 до 34,72 г/м² в год. При этом среднее значение продуктивности C. arbuscula находится на уровне 23,58 г/м² в год, а для C. rangiferina данный показатель имеет меньшее значение, соответствуя в среднем 20,96 г/м² в год. Несмотря на больший прирост живой части подеция по массе у C. rangiferina по сравнению с C. arbuscula и большую длину колен подециев, кладония оленья на исследуемых участках обладает меньшей продуктивностью, что обусловлено во многом меньшим процентом проективного покрытия данного вида. Обратимся к рассмотрению первичной продуктивности видов в условиях различных фитоценозах (табл. 1).

Как и в случае с данными по приросту живой части подеция, наибольшие значения первичной продуктивности наблюдаются в фитоценозах с умеренным (сосняк сфагновый с включением ели, сосняк еловый) и повышенным увлажнением (сосняк сфагновый на границе заболачивания) для C. arbuscula. Эта же закономерность отмечается и в работах С.Ю. Абдульмановой: в зоне бугристых болот первичная продукция Cladonia превосходит по значению продукцию в более засушливых фитоценозах (в частности, 8,11 и 22,16 г/м² в год для подециев C. arbuscula в лиственничных редкостойных лесах и на бугристых болотах соответственно) [14, с. 690].

В отношении C. rangiferina при оценке первичной продуктивности стоит обратить особое внимание на проективное покрытие данного вида. Как и в случае с C. arbuscula, наибольшие значения прироста живой части подеция C. rangiferina отмечены на участке сосняка сфагнового с включением ели (0,0339 г/год), а также на участке сосняка с включением ели на границе заболачивания (0,0278 г/год), однако ввиду низкого процента проективного покрытия вида на данных участках (30 и 50% соответственно) первичная продуктивность вида ниже, чем в других фитоценозах. В соответствии с этим и среднее значение первичной продуктивности C. rangiferina, приведенное в табл. 1, ниже, чем у C. arbuscula, при большем приросте живой части подеция C. rangiferina.

 

Таблица 1 – Первичная продуктивность лихенизированных грибов рода Cladonia в условиях сосняков Костромской области

Тип фитоценоза

Первичная продуктивность, г/мм² в год

Проективное покрытие, %

C. arbuscula

C. rangiferina

C. arbuscula

C. rangiferina

Склон сосняка сфагново-верескового

28,18

80

Разреженный сосняк сфагново-вересковый

16,05

65

Сосняк сфагновый с включением ели

34,72

14,70

91

30

Сосняк еловый на границе с березняком

25,69

90

Разреженный сосняк моховый по краю лесной тропы

17,09

21,46

75

70

Сосняк сфагновый с включением ели на границе заболачивания

24,26

19,58

95

50

Разреженный сосняк-беломошник сфагновый

23,69

20,89

98

75

Среднее:

23,58

20,96

85,67

61,00

 

В ряде источников приводится информация о защитной роли вторичных метаболитов в слоевище лишайника от солнечной радиации [2, с. 189; 18, с. 477; 19, с. 401]. В соответствии с этим мы видим необходимость исследования концентрации усниновой кислоты на массу воздушно-сухого сырья в корреляции с интенсивностью солнечного света.

В целом содержание ацетонового экстракта в сосняках Костромской области варьировало в талломах рода Cladonia в пределах 5,039–15,916 мг/г воздушно-сухого сырья. Полученные нами результаты по содержанию лишайниковых кислот сопоставимы с данными по сосновым лесам Якутии [8, с. 76]. В среднем по исследуемым участкам содержание экстракта наблюдается более высоким в талломах C. arbuscula (10,153 мг/г в-с. сырья) по сравнению с C. rangiferina (8,161 мг/г в-с. сырья). Вероятно, данная особенность соотносится с преобладанием C. arbuscula на открытых, хорошо освещенных участках с интенсивностью солнечного света 5800 лк и более, где накопление лишайниковых кислот, выполняющих защитную функцию от ультрафиолета, происходит наиболее интенсивно.

При соотнесении количественного содержания вторичных метаболитов лихенизированных грибов рода Cladonia и интенсивности солнечного света получены следующие данные. Наиболее высокие концентрации ацетонового экстракта лихенизированных грибов рода Cladonia отмечается на хорошо освещенных пространствах сосняков при интенсивности солнечного света 5800–7400 лк и составляют для C. arbuscula 12,102–15,916 мг/г в-с. сырья, для C. rangiferina 9,849–11,541 мг/г в-с. сырья. Полученные данные подтверждают, что вторичные метаболиты лихенизированных грибов выполняют защитную функцию при избыточном освещении. Наиболее целесообразно использовать в качестве лекарственного сырья талломы лишайников, произрастающие на обильно освещенных участках.

Кроме интенсивности солнечного света на накопление вторичных метаболитов в талломах лихенизированных грибов могут оказывать влияние другие факторы биотопа: тип фитоценоза, окружение травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов, определяющее условия поддержания влажности и температурного режима. В зависимости от условий произрастания лишайников рода Cladonia содержание в их подециях вторичных метаболитов колеблется от 5,1 и 5,4 мг/г в.-с. сырья до 11,5 и 15,9 мг/г в-с. сырья у C. arbuscula и C. rangiferina соответственно. В соответствии с полученными данными, условия большего увлажнения замедляют накопление лишайниковых кислот в подециях рода Cladonia: для обоих видов содержание вторичных метаболитов при произрастании в условиях сфагнового ельника-березняка на границе заболачивания остается низким (6,4 и 5,1 мг/г в-с. сырья). На открытых освещенных участках в сообществе со мхами создаются наиболее оптимальные условия для накопления лишайниковых кислот, где их содержание находится на уровне 11,6–15,9 мг/г в-с. сырья.

Таким образом, на содержание вторичных метаболитов в подециях лишайников рода Cladonia оказывает влияние комплекс абиотических (интенсивность солнечного света, влажность) и биотических (конкуренция со стороны кустарничков и подроста древесных растений) факторов. Наиболее выраженное влияние имеет фактор интенсивности солнечного света.

Заключение

Исследованные популяции кустистых эпигейных лишайников рода Cladonia в сосновых лесах Костромской области в среднем имеют проективное покрытие 85,67% (C. arbuscula) и 61% (C. rangiferina) на пробных площадках размером 1 м², при этом наибольшие значения проективного покрытия приурочены к хорошо освещаемым биотопам с разреженным солнечным светом (разреженный сосняк-беломошник сфагновый, склон сосняка сфагново-верескового). Выявлена корреляция прироста живой части подеция по массе с интенсивностью освещения места произрастания. Отмечается тенденция к наибольшему приросту подеция в условиях умеренной и повышенной увлажненности (сосняк сфагновый с включением ели, сосняк сфагновый с включением ели на границе заболачивания).

Первичная продуктивность лихенизированных грибов рода Cladonia в сосновых лесах Костромской области находится в пределах 16,05–34,72 г/м² в год (C. arbuscula) и 14,70–28,18 г/м² в год (C. rangiferina); данный показатель необходимо рассматривать в тесной зависимости от проективного покрытия вида на участке. Выявлена фитоценотическая приуроченность величины первичной продуктивности, которая максимальна в фитоценозах с бόльшим увлажнением (наличие сфагнума, близрасположенное заболачивание); также на участках с наибольшими значениями продуктивности Cladonia отмечается включение ели обыкновенной.

Проведенное исследование корреляции накопления вторичных метаболитов с интенсивностью солнечного света позволило выявить, что максимальное количество ацетонового экстракта на массу воздушно-сухого сырья лихенизированных грибов рода Cladonia было выделено на хорошо освещенных участках сосняков при 5800–7400 лк (11,541 и 15,916 мг/г в-с. сырья C. rangiferina и C. arbuscula соответственно). При этом установлено, что влажность биотопа и условия затенения снижают содержание вторичных метаболитов в подециях. В связи с этим мы видим актуальным вопрос изучения аллелопатических связей эпигейных лихенизированных грибов с участниками фитоценотических отношений (в частности, представители Pinaceae), в том числе в аспекте влияния на особенности лесовосстановления.

About the authors

Ksenia Vyacheslavovna Malakhova

Kostroma State University

Author for correspondence.
Email: malakhova.kv1@gmail.com

Russian Federation, Kostroma

postgraduate student of Biology and Ecology Department

References

  1. Соколов Д.Н., Лузина О.А., Салахутдинов Н.Ф. Усниновая кислота: получение, строение, свойства и химические превращения // Успехи химии. 2012. Т. 81, № 8. С. 747–768.
  2. Андреев М.П., Ахти Т., Войцехович А.А., Гагарина Л.В., Гимельбрант Д.Е., Давыдов Е.А., Конорева Л.А., Кузнецова Е.С., Макрый Т.В., Надеина О.В., Рандлане Т., Сааг А., Степанчикова И.С., Урбанавичюс Г.П. Флора лишайников России. Биология, экология, разнообразие, распространение и методы изучения лишайников: монография. М.: ООО «Товарищество научных изданий КМК», 2014. 392 с.
  3. Luzina O., Salakhutdinov N. Biological activity of usnic acid and its derivatives: Part 1. Activity against unicellular organisms // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2016. № 42. P. 115–132. doi: 10.1134/S1068162016020084.
  4. Ivanova V., Backor M., Dahse H.-M., Graefe U. Molecular structural studies of lichen substances with antimicrobial, antiproliferative, and cytotoxic effects from Parmelia subrudecta // Preparative Biochemistry & Biotechnoogyl. 2010. № 40. P. 377–388.
  5. Maciag-Dorszyńska M., Wegrzyn G., Guzow-Krzemińska B. Antibacterial activity of lichen secondary metabolite usnic acid is primarily caused by inhibition of RNA and DNA synthesis // FEMS microbiology letters. 2014. № 353. P. 57–62. doi: 10.1111/1574-6968.12409.
  6. De Oliveira D.M., Pereira C., Mendes G., Junker J., Kolloff M., Rosa L., Rosa C., Alves T., Zani C., Johann S., Cota B. Two new usnic acid derivatives from the endophytic fungus Mycosphaerella sp. // Zeitschrift für Naturforschung. 2018. № 73 (11–12). P. 449–455. doi: 10.1515/znc-2017-0162.
  7. Прокопьев И.А., Порядина Л.Н., Филиппова Г.В., Шеин А.А. Содержание вторичных метаболитов в лишайниках сосновых лесов Центральной Якутии // Химия растительного сырья. 2016. № 3. С. 73–78.
  8. McMullin R., Rapai S. A review of reindeer lichen (Cladonia subgenus Cladina) linear growth rates // Rangifer. 2020. № 40. P. 15–26. doi: 10.7557/2.40.1.4636.
  9. Fahselt D. Lichen Products of Cladonia stellaris and C. rangiferina maintained under Artificial conditions // The Lichenologist. 1981. № 13 (1). P. 87–91. doi: 10.1017/S002428298100008X.
  10. Абдульманова С.Ю., Эктова С.Н. Ростовые процессы некоторых видов кустисто-разветвленных лишайников рода Cladonia (Cladoniaceae) в тундровых сообществах // Растительные ресурсы. 2015. Вып. 3. С. 344–356.
  11. Вершинина С.Э., Вершинин К.Е. Оценка запасов и характеристика лишайникового сырья р. Cetraria Ach., 1803 в Прибайкалье // Вестник ИрГСХА. 2010. № 40. С. 43–49.
  12. Полежаев А.Н. Рост и распространение кустистых лишайников на севере Дальнего Востока России // Вестник северо-восточного научного центра ДВО РАН. 2005. № 2. С. 56–63.
  13. Толпышева Т.Ю., Тимофеева А.К. Влияние субстрата на рост и размножение лишайников Cladonia rangiferina и C. mitis // Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. 2008. № 4. С. 34–41.
  14. Абдульманова С.Ю., Эктова С.Н. Соотношение прироста по высоте и биомассе у кустистых лишайников // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15, № 3 (2). С. 688–691.
  15. Vasander H. The length growth rate, biomass and production of Cladonia arbuscula and C. rangiferina in a raised bog in southern Finland // Annales Botanici Fennici. 1981. Vol. 18, № 3. P. 237–243. doi: 10.2307/23725238.
  16. Prince C. Growth rates and productivity of Cladonia arbuscula and Cladonia impexa on the Sands of Forvie, Scotland // Canadian Journal of Botany. 2011. № 52. P. 431–433. doi: 10.1139/b74-055.
  17. Scotter G. Growth rates of Cladonia alpestris, C. mitis, and C. rangiferina in the Taltson River region, NWT // Canadian Journal of Botany. 2011. № 41. P. 1199–1202. doi: 10.1139/b63-100.
  18. Nybakken L., Julkunen-Tiitto R. UV-B induces usnic acid in reindeer lichens // The Lichenologist. 2006. № 38. P. 477–485. doi: 10.1017/S0024282906005883.
  19. Prokopiev I., Poryadina L., Konoreva L., Chesnokov S., Shavarda A. Variation in the Composition of Secondary Metabolites in Flavocetraria Lichens from Western Siberia // Russian Journal of Ecology. 2018. № 49. P. 401–405. doi: 10.1134/S1067413618050107.
  20. Chowdhury D., Solhaug K.A., Gauslaa Y. Ultraviolet radiation reduces lichen growth rates // Symbiosis. 2017. № 73. P. 27–34. doi: 10.1007/s13199-016-0468-x.
  21. Урбанавичюс Г.П. Список лихенофлоры России. СПб.: Наука, 2010. 194 с.
  22. Храмченкова О.М. Лишайники Hypogymnia physodes, Evernia prunastri, Cladonia arbuscula и Xanthoria parietina как источники веществ с антибактериальной активностью // Бюллетень Брянского отделения Русского ботанического общества. 2017. № 1 (9). С. 50–58.

Statistics

Views

Abstract - 59

PDF (Russian) - 20

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2021 Malakhova K.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies