Согласно данным, полученным специалистами Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, расположенного в Томске, даже в пойменных лесах, непосредственно у берегов рек, урожайность семян кедра снижается из-за неблагоприятной засушливости климата. Это указывает на отсутствие надежных мест для сохранения вида на южной границе его распространения, что делает его уязвимым перед изменениями климата. О результатах исследования, опубликованные в журнале «Растительные ресурсы», было установлено, каким образом недостаток или избыточное количество влаги влияет на формирование шишек и семян.

Сибирская сосна кедровая, известная как кедр, представляет собой важный вид, производящий плоды с орехами, и является основой для многих сибирских экосистем. На южной границе его распространения, в области перехода Западно-Сибирской равнины от тайги к лесостепи, потепление климата негативно сказывается на процессе плодоношения этого растения. Дерево предъявляет одинаковые требования как к влажности почвы, так и к влажности воздуха, поэтому его распространение тесно связано с изолинией дневной влажности: кедр не произрастает в местах, где июньская влажность воздуха опускается ниже 49-51%. Недостаток влаги приводит к ухудшению качества урожая – шишки становятся меньше, а количество развитых семян в них сокращается. Понимание факторов, влияющих на снижение урожайности, имеет решающее значение для сохранения кедровников: естественным распространителем вида является птица кедровка, которая отбирает исключительно крупные, хорошо сформированные и созревшие семена. В случае отсутствия качественного корма нарушается естественное обновление леса, что негативно сказывается на всей таежной пищевой цепи.

Специалисты из Института Микроэкологии и Климатологии Кедровых Растений СО РАН провели сопоставление характеристик восьми ценопопуляций кедра в однородной климатической зоне Южного Приобья. Исследования проводились на деревьях, произрастающих при различной степени увлажнения почвы – от дренированных склонов, испытывающих летнюю нехватку влаги, до пойменных участков с застоем воды в первой половине лета. Местообитания были классифицированы на три группы по уровню влажности: умеренно влажные, недостаточно влажные и хорошо увлажненные. Оценка продуктивности включала анализ 17 показателей, охватывающих размер и строение шишек, количество и качество семян, состояние эндосперма (ткани, служащей источником питательных веществ), размеры зародыша и другие важные характеристики.

В качестве одного из основных методов исследования была использована рентгенография семян, благодаря которой ученым удалось изучить внутреннюю структуру шишек и проследить за развитием эндосперма и зародыша, а также определить стадию, на которой они прекратили свое развитие.

Старший научный сотрудник лаборатории дендроэкологии Института Микроэкологии и Климатологии Кедровых Растений СО РАН, кандидат биологических наук Светлана Николаевна Велисевич отметила: «Особенность нашей работы заключалась в комплексной оценке – от строения шишки до размера зародыша внутри семени, а не только в определении их количества».

Согласно наблюдениям ученых, ценопопуляции кедра сибирского, произрастающие на пересушенных почвах, демонстрируют отличительные характеристики по сравнению с другими популяциями. Несмотря на то, что общее количество чешуек в шишках на склонах с хорошим дренажом остается неизменным при различных уровнях влажности, недостаток воды приводит к уменьшению доли фертильных чешуек – тех, которые способны производить семена. С увеличением сухости почвы возрастает число стерильных и нефункциональных чешуек. В ходе исследований было проведено сравнение первоначального количества семяпочек с количеством полноценных семян: в умеренно влажных зонах доля нормально развитых семян составляла приблизительно 60%, тогда как на пересушенных склонах этот показатель опускался ниже 10%, что свидетельствует о том, что кедр производит лишь одно качественное семя из десяти.

По словам исследовательницы, наиболее значительное влияние на характеристики кедра оказывает влажность почвы, определяющая размер и строение шишек, качество эндосперма (запасающей ткани) и вес семян. В условиях достаточного увлажнения шишки имеют большие размеры, содержат больше фертильных чешуек в семяобразующей зоне, а семена демонстрируют более развитую запасающую ткань. Тем не менее, даже на участках с умеренным и хорошим увлажнением встречаются недоразвитые семена. Как поясняет Светлана Велисевич, это связано с дополнительными локальными факторами, такими как температурный режим почвы в год формирования шишек.

Светлана Велисевич добавила: «Мы предполагали, что на пойменных участках с более влажной почвой семена будут крупнее и их количество будет выше. Существовала гипотеза о том, что долинные субпопуляции могут служить своего рода резервом для кедра в южных регионах. Однако выяснилось, что по качеству шишек и семян они даже уступают соседним суходольным участкам, опровергая распространенное мнение: “влажно – это хорошо”. Скорее всего, причина кроется в том, что весной почва на пойме долго остается холодной. Влага присутствует, но корни не могут ее эффективно усваивать из-за низкой температуры корнеобитаемого слоя. Дерево испытывает физиологическую засуху: вода доступна, но недоступна для поглощения».

На наиболее засушливых участках отмечается особенно высокое содержание стерильных чешуек в средней зоне шишек. Исследователи связывают это явление с трудностями, возникающими при опылении. Данный вывод основан на результатах предыдущих исследований, которые показали, что у пыльцы в одних и тех же ценопопуляциях уменьшаются воздушные мешки, что негативно сказывается на ее способности к перелету.

Таким образом, влажность почвы оказывает влияние не только на состояние самого дерева, но и на процесс формирования пыльцы. Пыльцевые зерна формируются в июне-июле, во время развития микростробил – мужских шишек. Для успешного формирования микростробил необходимы теплые и влажные летние месяцы: при наступлении засухи количество образующихся мужских шишек уменьшается, и даже если они были сформированы, это не гарантирует качество урожая. Качество определяется следующей весной, когда микростробилы начинают активно развиваться. В этот период кедр сталкивается с новой угрозой – потепление приводит к более раннему началу микроспорогенеза (формирования пыльцы), однако внезапные поздние весенние заморозки все еще возможны. Развивающиеся пыльцевые зерна подвергаются воздействию холода, что негативно сказывается на их качестве.

Исследователи акцентируют внимание на том, что для успешного опыления губительны как недостаток влаги, так и ее избыток. «В долинах, где весной наблюдается высокая влажность воздуха, возникает дополнительная проблема: пыльца кедра переносится ветром, и для эффективного распространения ей требуется относительно сухая атмосфера. Высокая влажность ухудшает аэродинамические свойства пыльцевых зерен. Поэтому в долинных субпопуляциях мы сталкиваемся не только с проблемами температуры почвы, но и, вероятно, с недостаточной эффективностью опыления», – отмечает Светлана Велисевич.

В рамках дальнейших исследований ключевой задачей станет всесторонний мониторинг, предполагающий одновременное измерение влажности и температуры почвы, оценку состояния деревьев (водный потенциал, фотосинтез) и подробное изучение пыльцевого режима в сопряженных долинных и суходольных популяциях.

По словам исследователя Светланы Велисевич, существуют и другие важные аспекты, касающиеся сохранения кедра сибирского. «Мы анализировали градиент влажности, однако не располагали информацией о температуре почвы. Теперь стало очевидно, что низкая температура почвы весной в долинах может оказаться решающим фактором. Поэтому комплексный мониторинг, включающий одновременные измерения влажности и температуры почвы, является безусловным приоритетом. Необходимо понять, каким образом эти два параметра взаимодействуют друг с другом», – делится Светлана Велисевич.

Для сохранения вида ученым также необходимо исследовать микробное сообщество, обитающее у корней растения, в частности, микоризные грибы, поскольку кедр не способен нормально развиваться без симбиотических отношений с ними. Эти грибы помогают дереву извлекать воду и минеральные вещества, особенно при воздействии стрессовых факторов. В случае повреждения микоризы дерево теряет способность усваивать даже имеющуюся в почве влагу, что впоследствии может объяснить механизм физиологической засухи на молекулярном уровне. На данный момент неизвестно, как изменения влажности и температуры почвы влияют на данное грибковое сообщество.

Светлана Велисевич также указывает на наблюдаемые морфологические и физиологические изменения у растений: уменьшение размеров шишек, недоразвитие зародышей. Перед учеными стоит задача определить, существуют ли среди деревьев экземпляры, обладающие устойчивостью к неблагоприятным условиям, или же все популяции одинаково подвержены негативному воздействию. Анализ генетической структуры популяций кедра на южной границе его распространения позволит выяснить, располагает ли вид ресурсами для адаптации к изменяющемуся климату.

«Особую тревогу у меня вызывают изменения, связанные с фенологией. В ходе обсуждений было отмечено, что повышение температуры влияет на сроки созревания репродуктивных органов как женского, так и мужского пола, а заморозки, совпадающие по времени, значительно замедляют процесс образования пыльцы. Это яркий пример климатической ловушки. Существует неопределенность относительно того, насколько согласованно меняются сроки формирования шишек женского и мужского типа, и такая рассинхронизация способна препятствовать опылению даже при достаточном количестве пыльцевой продукции. Для выявления этой проблемы необходимы систематические фенологические наблюдения, которые в настоящее время практически не проводятся», — подчеркнула исследовательница.

Предоставлено Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН.