Влияние региональных и локальных факторов среды на распространение и структуру популяций <i>Scutellaria baicalensis </i>Georgi

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2017; : 89-103

Влияние региональных и локальных факторов среды на распространение и структуру популяций Scutellaria baicalensis Georgi

Санданов Д. В., Найданов Б. Б., Шишмарев В. М.

https://doi.org/10.17223/19988591/38/5

Аннотация

На протяженном широтно-долготном градиенте на территории Восточной Азии проведено комплексное изучение популяций Scutellaria baicalensis Georgi и фитоценозов с участием вида. Изучена онтогенетическая структура 48 популяций, проанализировано 488 геоботанических описаний. ССА-ординация выявила, что видовое богатство сообществ с участием изучаемого вида связано с фактором увлажнения. На уровне фитоценозов региональные и локальные факторы среды показывают сходные тренды. При этом основные макроклиматические показатели являются лимитирующими распространение вида. Среди региональных факторов выявлены более сильные взаимосвязи демографических параметров с переменными ENVIREM по сравнению с переменными BIOCLIM. Локальными факторами, связанными с онтогенетической структурой популяций, являются степень пастбищной дигрессии и экотопологические условия местообитаний вида. Полученные результаты свидетельствуют о возможности значительного ухудшения состояния периферийных популяций S. baicalensis при интенсификации процессов аридизации в регионе. Поэтому необходим мониторинг численности и демографических показателей в краевых местонахождениях, находящихся на лимите увлажнения.

Список литературы

1. Gaston K. The Structure and Dynamics of Geographic Ranges. Oxford : Oxford University Press, 2003. 266 p.

2. Guo Q.F., Taper M., Schoenberger M., Brandle J. Spatial-temporal population dynamics across species range: from centre to margin // Oikos. 2005. Vol. 108. PP. 47-57.

3. Gerst K.L., AngertA.L., Venable D.L. The effect of geographic range position on demographic variability in annual plants // Journal of Ecology. 2011. Vol. 99. PP. 591-599.

4. Гольдберг Е.Д., Дыгай А.М., Литвиненко В.И., Попова Т.П., Суслов Н.И. Шлемник байкальский. Фитохимия и фармакологические свойства. Томск : Изд-во Том. ун-та, 1994. 222 с.

5. Gao Z., Huang K., Yang X., Xu H. Free radical scavenging and antioxidant activities of flavonoids extracted from the radix of Scutellaria baicalensis Georgi // Biochimica et Biophysica Acta - General Subjects. 1999. Vol. 1472, is. 3. PP. 643-650.

6. Min L. New therapeutic aspects of flavones: the anticancer properties of Scutellaria and its main active constituents wogonin, baicalein and baicalin // Cancer treatment reviews. 2009. Vol. 35, is. 1. PP. 57-68.

7. Bai Ch., Wen M., Zhang L., Li G. Genetic diversity and sampling strategy of Scutellaria baicalensis germplasm resources based on ISSR // Genetic Resources and Crop Evolution. 2013. Vol. 60. PP. 1673-1685.

8. Yuan Q., Zhang Zh., Hu J., Guo L., Shao A., Huang L. Impacts of recent cultivation on genetic diversity pattern of a medicinal plant, Scutellaria baicalensis (Lamiaceae) // BMC Genetics. 2010. Vol. 11 (29).

9. Su S., He Ch., Li L., Chen J., Zhou T. Genetic characterization and phytochemical analysis of wild and cultivated populations of Scutellaria baicalensis // Chemistry & Biodiversity. 2008. Vol. 5. PP. 1353-1363.

10. Title P.O., Bemmels J.B. ENVIREM: an expanded set of bioclimatic and topographic variables increases flexibility and improves performance of ecological niche modeling // Ecography. 2017. doi: 10.1111/ecog.02880

11. Korolyuk A.Yu., Zverev A.A. Database of Siberian Vegetation (DSV) // Biodiversity & Ecology. 2012. Vol. 4. PP. 312.

12. Зверев А.А. Информационные технологии в исследованиях растительного покрова. Томск : ТМЛ Пресс, 2007. 304 с.

13. Hammer 0., Harpe D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. Vol. 4 (1). PP. 1-9.

14. Королюк А.Ю. Экологические оптимумы растений юга Сибири // Ботанические исследования Сибири и Казахстана. Барнаул ; Кемерово, 2006. Вып. 12. С. 3-38.

15. Королюк А.Ю. Модель сопки - метод анализа структуры растительного покрова // Растительность России. 2008. № 13. С. 117-122.

16. Санданов Д.В., Дулепова Н.А., Гармаева Л.Л. Fornicium uniflorum (Asteraceae) в Забайкалье: распространение, экология, структура сообществ и популяций // Растительный мир Азиатской России. 2016. № 2 (22). С. 25-31.

17. Жукова Л.А. Популяционная жизнь луговых растений. Йошкар-Ола : Ланар, 1995. 224 с.

18. Глотов Н.В. Об оценке параметров возрастной структуры популяций растений // Жизнь популяций в гетерогенной среде. Йошкар-Ола : МарГУ, 1998. Ч. 1. С. 146-149.

19. Животовский Л.А. Онтогенетическое состояние, эффективная плотность и классификация популяций // Экология. 2001. № 1. С. 3-7.

20. Одум Ю. Экология. М. : Мир, 1986. Т. 2. 376 с.

21. Санданов Д.В. Оценка состояния ценопопуляций восточноазиатских видов растений в различных частях ареала // Растительный мир Азиатской России. 2010. № 2 (6). С. 80-87.

22. Санданов Д.В. Оценка фитоценотической приуроченности восточноазиатских степных растений в связи с демографическими характеристиками популяций // Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии : сб. науч. ст. по материалам междунар. науч.-практ. конф. Барнаул : Изд-во Алтайского гос. ун-та, 2015. С. 219224.

23. Красная книга Амурской области : редкие и находящиеся под угрозой исчезновения виды животных, растений и грибов / ред. О.Н. Кожемяко и др. Благовещенск : Изд-во БГПУ, 2009. 446 с.

24. Красная книга Еврейской автономной области. Редкие и находящиеся под угрозой исчезновения виды растений и грибов / ДВО РАН, Ин-т комплекс. анализа регион. проблем ; отв. ред. Т.А. Рубцова ; науч. ред. С.Д. Шлотгауэр. Новосибирск : АРГА, 2006. 248 с.

25. Бухашеева Т.Г., Санданов Д.В., Асеева Т.А., Чирикова Н.К., Шишмарев В.М. Возрастная структура ценопопуляций и сырьевая фитомасса Scutellaria baicalensis Georgi (Lamiaceae) // Растительные ресурсы. 2007. Т. 43, вып. 4. С. 23-31.

26. Raatikainen K.M., Heikkinen R.K., Pykala J. Impacts of local and regional factors on vegetation of boreal semi-natural grasslands // Plant Ecology. 2007. Vol. 189. PP. 155-173.

27. Gaujour E., Amiaud B., Mignolet C., Plantureux S. Factors and processes affecting plant biodiversity in permanent grasslands: a review // Agronomy for Sustainable Development. 2012. Vol. 32, is. 1. PP. 133-160.

28. Houseman G.R., Gross K.L. Linking grassland plant diversity to species pools, sorting and plant traits // Journal of Ecology. 2011. Vol. 99. PP. 464-472.

29. Li L., Liu Y., Wang X., Fang J., Wang Q., Zhang B., Xiao P., Mohammat A., Terwei A. Different effect of regional species pool on plant diversity between forest and grassland biomes in arid Northwest China // PLoS ONE. 2015. Vol. 10 (7): e0131982. doi: 10.1371/ journal.pone.0131982

Tomsk State University Journal of Biology. 2017; : 89-103

Influence of regional and local environmental factors on the distribution and population structure of Scutellaria baicalensis Georgi

Sandanov D. V., Naidanov B. B., Shishmarev V. M.

https://doi.org/10.17223/19988591/38/5

Abstract

Dynamics and condition of species populations in different parts of their distribution is a very important part of studies of species biology. This kind of research is useful for relict species, which have isolated populations confined to refugia at the edges of their distribution. Scutellaria baicalensis Georgi is a relict species, growing in the steppes of East Asia. This plant is widely used in folk and traditional medicine. The aim of our study was to analyze different environmental factors on regional and local scales with assessment of their influence on distribution and population structure of S. baicalensis in different regions of East Asia. We collected the material throughout a long latitudinal and longitudinal gradient within East Asia (Latitude - between 29-65 degrees, Longitude - between 100-130 degrees) (See Fig. 1). 19 bioclimatic variables (www.worldclim.org) and 9 ENVIREM variables (http://envirem.github.io/#downloads) were involved in the analysis. We estimated ecological features of the species on the basis of 488 releves. CCA-ordination was carried out in PAST 3.06. Eco-topological confinement of species was evaluated on planar models. We studied 48 populations in different parts of species distribution. Ontogenetic structure was considered using common indices applied in plant demography: index of regeneration, index of substitution, index of senescence, index of age-ness, and index of efficiency. Relationships between environmental factors and species demography were analyzed with Pearson linear correlations. The northern edge of S. baicalensis distribution was limited by -4° isotherm, and the western part was shaped by 200 mm isohyet (See Fig. 2). CCA-ordination of 153 releves from Inner Mongolia showed the importance of moisture which is determined by precipitations(bio-12) and soil moisture (IVM) (See Fig. 3). This trend was also connected with species richness (Div). In general, the first axis is more important (eigenvalue=40.29%). The second axis is less important (eigenvalue=22.57%) and mostly characterized by the elevation. On the upper part of ordination scheme, there are releves within 1100 to 1500 m, on the bottom - within 700 to 1100 m. The ordination of all releves with the studied populations revealed low soil moisture parameters in steppe communities of Mongolia (See Fig. 4). Population demography also depends on the grazing level (See Table). The studied species prefers petrophytic habitats in the middle part and on top of hills (See Fig. 5). The analysis revealed low correlation between local factors and ontogenetic structure of populations. We obtained similar data for bioclimatic variables and observed high positive correlation between Thornthwaite aridity index and ageness index (r=0.74) and senescence index (r=0.86), and negative correlation for substitution index (r=-0.85). All these demographic indices also showed good correlation with mean monthly PET of the wettest quarter (r=0.72; r=0.75; r=-0.72, respectively). The obtained results demonstrated that after an increase in climate aridity seed reproduction of species decreased, which resulted in a low quantity of young individuals. In view of recently revealed tendencies towards an increase in aridity in the studied region, it is necessary to monitor S. bacalensis populations at the north-western edge of species distribution in Transbaikalia. The article contains 5 Figures, 1 Table, 29 References.

References

1. Gaston K. The Structure and Dynamics of Geographic Ranges. Oxford : Oxford University Press, 2003. 266 p.

2. Guo Q.F., Taper M., Schoenberger M., Brandle J. Spatial-temporal population dynamics across species range: from centre to margin // Oikos. 2005. Vol. 108. PP. 47-57.

3. Gerst K.L., AngertA.L., Venable D.L. The effect of geographic range position on demographic variability in annual plants // Journal of Ecology. 2011. Vol. 99. PP. 591-599.

4. Gol'dberg E.D., Dygai A.M., Litvinenko V.I., Popova T.P., Suslov N.I. Shlemnik baikal'skii. Fitokhimiya i farmakologicheskie svoistva. Tomsk : Izd-vo Tom. un-ta, 1994. 222 s.

11. Korolyuk A.Yu., Zverev A.A. Database of Siberian Vegetation (DSV) // Biodiversity & Ecology. 2012. Vol. 4. PP. 312.

12. Zverev A.A. Informatsionnye tekhnologii v issledovaniyakh rastitel'nogo pokrova. Tomsk : TML Press, 2007. 304 s.

13. Hammer 0., Harpe D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. Vol. 4 (1). PP. 1-9.

14. Korolyuk A.Yu. Ekologicheskie optimumy rastenii yuga Sibiri // Botanicheskie issledovaniya Sibiri i Kazakhstana. Barnaul ; Kemerovo, 2006. Vyp. 12. S. 3-38.

15. Korolyuk A.Yu. Model' sopki - metod analiza struktury rastitel'nogo pokrova // Rastitel'nost' Rossii. 2008. № 13. S. 117-122.

16. Sandanov D.V., Dulepova N.A., Garmaeva L.L. Fornicium uniflorum (Asteraceae) v Zabaikal'e: rasprostranenie, ekologiya, struktura soobshchestv i populyatsii // Rastitel'nyi mir Aziatskoi Rossii. 2016. № 2 (22). S. 25-31.

17. Zhukova L.A. Populyatsionnaya zhizn' lugovykh rastenii. Ioshkar-Ola : Lanar, 1995. 224 s.

18. Glotov N.V. Ob otsenke parametrov vozrastnoi struktury populyatsii rastenii // Zhizn' populyatsii v geterogennoi srede. Ioshkar-Ola : MarGU, 1998. Ch. 1. S. 146-149.

19. Zhivotovskii L.A. Ontogeneticheskoe sostoyanie, effektivnaya plotnost' i klassifikatsiya populyatsii // Ekologiya. 2001. № 1. S. 3-7.

20. Odum Yu. Ekologiya. M. : Mir, 1986. T. 2. 376 s.

21. Sandanov D.V. Otsenka sostoyaniya tsenopopulyatsii vostochnoaziatskikh vidov rastenii v razlichnykh chastyakh areala // Rastitel'nyi mir Aziatskoi Rossii. 2010. № 2 (6). S. 80-87.

22. Sandanov D.V. Otsenka fitotsenoticheskoi priurochennosti vostochnoaziatskikh stepnykh rastenii v svyazi s demograficheskimi kharakteristikami populyatsii // Problemy botaniki Yuzhnoi Sibiri i Mongolii : sb. nauch. st. po materialam mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Barnaul : Izd-vo Altaiskogo gos. un-ta, 2015. S. 219224.

23. Krasnaya kniga Amurskoi oblasti : redkie i nakhodyashchiesya pod ugrozoi ischeznoveniya vidy zhivotnykh, rastenii i gribov / red. O.N. Kozhemyako i dr. Blagoveshchensk : Izd-vo BGPU, 2009. 446 s.

24. Krasnaya kniga Evreiskoi avtonomnoi oblasti. Redkie i nakhodyashchiesya pod ugrozoi ischeznoveniya vidy rastenii i gribov / DVO RAN, In-t kompleks. analiza region. problem ; otv. red. T.A. Rubtsova ; nauch. red. S.D. Shlotgauer. Novosibirsk : ARGA, 2006. 248 s.

25. Bukhasheeva T.G., Sandanov D.V., Aseeva T.A., Chirikova N.K., Shishmarev V.M. Vozrastnaya struktura tsenopopulyatsii i syr'evaya fitomassa Scutellaria baicalensis Georgi (Lamiaceae) // Rastitel'nye resursy. 2007. T. 43, vyp. 4. S. 23-31.