Trumpalaikis prisitaikymas gali būti pasiekiamas per fiziologinį, fenotipinį ir morfologinį plastiškumą. Pavyzdžiui, kai medžiai nepalankiomis sąlygomis sumažina dujų apykaitą ar išgarinimą užverdami žioteles lapuose, ar net numesdami lapus, sulėtindami augimą ar keisdami morfologiją. Čia dažnai pasireiškia apigenetiniai reiškiniai – adaptaciniai pokyčiai pasikeitusios aplinkos sąlygoms ar dėl stresorių poveikio vyksta dėl genų raiškos pokyčių. Populiacinės adaptacijos atveju dėl nepalankių sąlygų iškristų dalis mažiau atsparių genotipų ir populiacija jau toje pačioje generacijoje taptų kiek labiau prisitaikiusi. Biocenotinės adaptacijos atveju iš miško ekosistemose jau sekančioje kartoje gali nelikti dalies medžių rūšių – vyks sukcesijos. Tačiau ilgalaikę genetinę adaptaciją dideliems aplinkos pokyčiams ir net rūšies evoliuciją gali užtikrinti tik genetinė variacija ir atranka. Genetinės adaptacijos procesai lėtesni – reikia vienos ir daugiau generacijos pasikeitimo, kad dėl gamtinės atrankos iškristų menkai prisitaikę genotipai, o geriau prisitaikę išplistų. Epigenetiškai reguliuojamas fenogenetinis plastiškumas (genetinė variacija pagal ekologinį atsaką) yra taip pat adaptacijai labai svarbi genetinės variacijos dalis.

Genetinės variacijos pokyčiai klimato kaitos sąlygomis sunkiai prognozuojami. Dalis genetinės variacijos gali būti prarasta dėl žūvančių genotipų, dalis – dėl požymių raiškos sumažėjimo nepalankiomis aplinkos sąlygomis. Tačiau genetinė variacija gali ir padidėti. Pavyzdžiui, dėl retų mutacijų išplitimo, atskirų požymių raiškos padidėjimo bei dėl epigenetinių reiškinių (požymių pokyčio dėl genų įjungimo ar išjungimo bei jų aktyvumo pokyčių) ir sudaryti geresnes galimybes atrankai ir adaptacijai.

Įvairiose šalyse atliekama nemažai miško ekosistemų dinamikos tyrimų, kuriuose analizuojamas įvairių gamtinių ir antropogeninių trikdžių poveikis miško ekosistemų tvarumui ir vystymuisi, genetinei ir visai biologinei įvairovei, pabrėžiant, kad vidutinio stiprumo trikdžiai yra būtini ekosistemų vystymuisi, tačiau stiprūs trikdžiai jas suardo (Attivil 1994, Bengtsoon et al 2000, Schulze et al 2007, Linder et al 2010, Bollmann and Braunisch 2013 ir kt.). Palyginti nedaug žinoma, kaip atskiros medžių rūšys ir jų bendrijos sugeba adaptuotis prie besikeičiančių ar stresinių aplinkos sąlygų, kurios jų yra geriausiai išvysčiusios streso indukuojamų pažeidimų eliminavimo mechanizmus. Taip pat nėra atskleistas medžių fiziologinės apsaugos strategijos mechanizmas reaguojant tiek į pavienius, tiek ir kartu veikiančius, dažnai sinergiškai – vienas kito nepalankų poveikį stiprinančius, aplinkos veiksnius. Trūksta žinių ir apie tai, kaip ir kiek fenotipinis plastiškumas, ekologinis atsakas, genetinė įvairovė ir evoliucinė adaptacija leis rūšims prisitaikyti prie naujų aplinkos sąlygų Lietuvoje.

Ekologiniu požiūriu rizikingiausių - gamtinių ar antropogeninių trikdžių suardytų miško ekosistemų atsikūrimas vyksta dideliuose atviruose plotuose, kurie veikiami kontrastingų temperatūrų dienomis ir naktimis, drėgmės režimo sutrikdymo, intensyvesnės UV spinduliuotės ir padidėjusios priežemio ozono koncentracijos. Atsikūrimo stadijoje miško ekosistemos yra jautriausios ir lengviausiai pažeidžiamos. Jų atsikūrimo eiga iš esmės apsprendžia naujai besiformuojančios miško bendrijos tipą, struktūrą ir būsimą tvarumą. Todėl tyrimai šioje ekositemų vystymosi stadijoje yra ypač aktualūs ir svarbūs.

Dalies medžių rūšių (uosio, beržo, eglės) atsaką į trumpalaikį ozono ir UV spinduliuotės poveikį tyrėme mokslo programoje APLIKOM (2010-2012), tačiau nebuvo tirtas komplekso veiksnių poveikis derinyje su padidinta temperatūra, drėgme ir CO2 koncentracija bei su klimato kaita susijusiais stresoriais - šalnomis, sausra, kaitra. Ekosistemų degradacija yra daugiaplanis procesas, kur streso veiksniai veikia integruotai. Tačiau iki šiol dauguma medžių tyrimų stresorių ar patogenų poveikyje klimatinėse kamerose Lietuvoje ir užsienyje vykdomi paprastai tik veikiant kuriuo nors vienu stresiniu veiksniu ir tik atskiroms rūšims, todėl pradėtų kompleksinių tyrimų naujumas neabejotinas ir sudaro geras galimybes publikuoti tyrimų rezultatus WoS IF žurnaluose.

Vykdomų tyrimų tikslas atitinka Nacionalinės programos tikslą - kompleksiniais mokslo tyrimais gauti, išanalizuoti ir apibendrinti naujas mokslo žinias apie klimato kaitos ir ekosistemų išteklių naudojimo poveikį Lietuvos ekosistemoms ir apima vienas iš svarbiausių - miško ekosistemas jautriausiame jų formavimosi etape - juvenaliniame - miško atsikūrimo ir bendrijų susidarymo ekologiniu požiūriu rizikingiausiose - gamtinių ir antropogeninių trikdžių suardytose miško ekosistemose.

Mūsų tyrimai orientuoti į Programos 33.1 uždavinį - ištirti, kaip klimato kaita ir kiti aplinkos streso veiksniai veikia miško ekosistemas, jų produktyvumą ir biologinę įvairovę, konkrečiai į šio uždavinio pirmąją priemonę (34.1): nustatyti miško ekosistemų raidos, produktyvumo, konkurencingumo ir biologinės įvairovės formavimosi dėsningumus kintant klimatui. Tam tiriant klimato kaitos ir kitų veiksnių – didėjančios temperatūros, drėgmės ir CO2 koncentracijos, dažnėjančių sausrų, kaitros ir šalčio bangų, didėjančios pažemio ozono koncentracijos, intensyvėjančios UV spinduliuotės – kompleksinį poveikį atsikuriančių miško medžių bendrijų struktūrai, populiacijų ir individų būklei, biologinei įvairovei. Bus siekiama naujų žinių apie ekosistemų ir glaudžiai sąveikaujančių skirtingų rūšių tarpusavio santykius, galimus medžių konkurencingumo pokyčius ir to įtaką besiformuojančių miško bendrijų rūšinei sudėčiai ir biologinei įvairovei. Svarbūs kompleksiniai medžių prieaugio, jų sezoninio vystymosi ir būklės bei tai lemiančių fiziologinių procesų priklausomybės nuo klimato ir aplinkos pokyčių tyrimai.

Tyrimai apima ir dalį antrosios priemonės (34.2) klausimų – augalų prisitaikymo prie klimato ir aplinkos veiksnių pokyčių potencialą. Tam kompleksiškai tiriant miško ekosistemų produktyvumo, jų struktūros ir biologinės įvairovės pokyčius, siekiant įvertinti ekosistemų gebėjimą adaptuotis prie kintančių klimato ir kitų aplinkos sąlygų. Taip pat tiriant pagrindinių medžių rūšių genetinę įvairovę ir įvertinant galimą jos įtaka bendrijų ir populiacijų tvarumui bei gebėjimui prisitaikyti (adaptyvumui). Taip pat svarbu atskleisti apleistose žemėse savaime atželiančių miškų biologinės ir genetinės įvairovės formavimosi dėsningumus, įvertinti šių naujų ekosistemų tvarumą bei gebėjimą prisitaikyti prie kintančių sąlygų.

Šie tyrimai skiriasi nuo kitų tuo, kad jie atliekami skirtingų mokslo šakų sandūroje : miškotyros, augalų ekologijos, fiziologijos, genetikos ir fitopatologijos. Tyrimai turėtų suteikti naujų žinių apie skirtingų bioekologinių savybių medžių rūšių ir jų besiformuojančių bendrijų bei populiacijų eko-atsaką ir plastiškumą sąryšyje su aplinkos sąlygų stresiškumu, augimo ritmu skirtingomis gamtinėmis ir fitotrone sukuriamomis kompleksinėmis stresinėmis aplinkos sąlygomis, nustatant labiausiai lemiančias; nustatyti miško bendrijų atsikūrimo ir formavimosi dinamiką klimato kaitos ir kitų stresorių poveikyje ekologiškai rizikingiausiose trikdžių paveiktose miško ekosistemose. Tyrimų rezultatų pagrindu būtų parengtos miško bendrijų vystymosi prognozės ir rekomendacijos miško ekosistemų būklei stabilizuoti, joms atkurti, atsparumui stresams didinti ir tvarumui užtikrinti. Tyrimų rezultatai bus pateikti ASU universitetinių studijų programoms "Miško ekosistemos" ir "Miškininkystė" (studijų dalykas MEMB M007 'Miško ekosistemų dinaminis tvarumas") - jų dėstytojams ir klausytojams kaip metodinė ir vaizdinė problematikos medžiaga.

Projekto tikslas - ištirti septynių ūkiniu požiūriu svarbiausių miško medžių rūšių ir jų populiacijų atsaką, plastiškumą ir konkurencijos pokyčius padidintos temperatūros, drėgmės ir CO2 koncentracijos sąlygomis ir stresinių veiksnių - šalnų, karščio bangų, sausrų, padidinto UV intensyvumo ir ozono koncentracijos kompleksiniame poveikyje miško bendrijų atsikūrimo ir formavimosi stadijoje ir tuo pagrindu parengti rekomendacijas miško ekosistemų tvarumui užtikrinti.

Tyrimų uždaviniai:

1. Nustatyti skirtingų medžių rūšių - paprastojo ąžuolo, paprastojo uosio, paprastosios pušies, paprastosios eglės, karpotojo beržo, juodalksnio ir drebulės ir jų populiacijų atsaką ir plastiškumą pagal kompleksą rodiklių - augimo spartą, sezoninio vystymosi ritmą (fenologiją), fiziologinius parametrus, sanitarinę būklę (ligų pažeidimus) ir kt. su klimato kaita susijusių abiotinių veiksnių kompleksiniame poveikyje klimatinėse kamerose;

2. Ištirti atskirų medžių rūšių vidurūšinės ir tarprūšinės konkurencijos pokyčius ir to pasekmes individualiam ir bendrijų vystymuisi, augimui ir rūšinei įvairovei su klimato kaita susijusių abiotinių veiksnių kompleksiniame poveikyje, imituojant sudėtinių miško bendrijų kūrimąsi klimatinėse kamerose;

3. Ištirti ir palyginti skirtingų medžių rūšių natūraliai besiformuojančių miško bendrijų augimo, konkurencijos ir biologinės įvairovės specifiką gamtinių stresorių poveikyje ekologiškai rizikingiausiose skirtingų trikdžių paveiktose gamtinėse buveinėse - vėjovartų, kirtaviečių ir ligų suardytose miško bendrijose bei apleistuose žemės ūkio plotuose, gautus duomenis palyginant su klimatinėse kamerose gautais rezultatais;

4. DNR mikrosatelitinių žymenų metodu ištirti atsikuriančių ir besiformuojančių miško bendrijų karkasinių medžių rūšių genetinę įvairovę ekologiniu požiūriu rizikingiausiose trikdžių paveiktose kertinėse gamtinėse buveinėse įvertinant jos pakankamumą tvarioms populiacijoms suformuot;

5. Nustatyti skirtingų dirbtinių ir gamtinių adaptacinių aplinkų selektyvumą, atskleidžiantį rūšių, jų formuojamų bendrijų bei populiacijų skirtumus pagal atsaką, plastiškumą, konkurentingumą ir genetinę įvairovę;

6. Parengti miškininkystės praktikos adaptavimo rekomendacijas miško ekosistemų tvarumui užtikrint;

Tyrimų objektas/medžiaga:

1. Klimatinėse kamerose konteineriuose auginami 2-5 m. amžiaus paprastojo ąžuolo (Ą), papr. uosio (U), papr. pušies (P), papr. eglės (E), karpotojo beržo (B), juodalksnio (J) ir drebulės (D) po tris populiacijas (1 pav.) - 7 vienarūšės ir 3 mišrios dirbtinės bendrijos (po 500 vnt., išviso 5000 medelių).

1 pav. Populiacijos, kurių palikuonys tiriamos klimatinėse kamerose

2. Ą, U, P, E, B, J savaiminiai 3-7 metų amžiaus žėliniai skirtingų trikdžių paveiktose rizikingiausiose miško gamtinėse buveinėse: a) vėjo sudarkytose (E, P), b) ligų ir kenkėjų pažeistuose (U, E), c) plynose kirtavietėse (E, P, J), bei d) dirvonuojančiuose žemės ūkio plotuose (P, B), kiekvienoje buveinėje - po 2-3 tyrimo plotus (2 pav.).

2 pav. Populiacijos, kuriose atliekami atsikūrimo tyrimai

Tyrimų metodika

1. Skirtingų medžių rūšių ir populiacijų ekoatsakas ir plastiškumas su klimato kaita susijusių abiotinių veiksnių kompleksiniame poveikyje tiriami imituojant miško medžių bendrijų formavimąsi dirbtinėmis aplinkos sąlygomis klimatinėse kamerose (3 pav.), taikant 4 kompleksinio poveikio variantus:

a) kontrolinis - lauko daigyno sąlygomis;

b) I-je klimatinėje kameroje padidintos temperatūros (T), drėgmės (Dr) ir CO2 koncentracijos sąlygomis,

c) II-je kameroje padidintos T, Dr ir CO2 sąlygomis ir stresinių veiksnių - šalnų, karščio bangų ir sausrų poveikyje,

d) III-je kameroje padidintos T, Dr ir CO2 sąlygomis ir stresinių veiksnių - padidintų UV spinduliuotės intensyvumo ir ozono koncentracijos poveikyje,

e) IV-je kameroje padidintos T, Dr ir CO2 sąlygomis ir stresinių veiksnių šalnų, karščio bangų, sausrų, padidintų UV spinduliuotės intensyvumo ir ozono koncentracijos poveikyje.

Atsakas ir plastiškumas tiriamas pagal kompleksą rodiklių - augimo spartą, sezoninio vystymosi ritmą (fenologiją), fiziologinius parametrus, ligų pažeidimus ir kt.

3 pav. Pagrindinių medžių rūšių populiacijų palikuonių bandymai klimatinėse kamerose

2. Medžių vidurūšinės ir tarprūšinės konkurencijos pokyčiai ir to pasekmės individualiam ir bendrijų vystymuisi, augimui ir rūšinei įvairovei su klimato kaita susijusių abiotinių veiksnių - padidintos T, Dr bei CO2 ir stresinių veiksnių poveikio 4-se bandymų variantuose klimatinėse kamerose, imituojant sudėtinių miško bendrijų kūrimąsi - sudarant dirbtines tiriamų medžių bendrijas - skirtingus mišinius, charakteringus trims miško augaviečių tipams:

- Nb - P+B+E,

- Lc - E+B+Ą,

- Lf - U+J+D.

Nustatomi augimo, sezoninio vystymosi ritmo, fiziologiniai, sanitarinė būklės, biomasės pasiskirstymo ir kt. rodikliai.

3. Natūraliai atsikuriančių medžių bendrijų atsikūrimo tyrimai atliekami skirtingų trikdžių paveiktose rizikingiausiose miško gamtinėse buveinėse:

a) vėjo sudarkytose (E, P),

b) ligų ir kenkėjų pažeistose (U, E),

c) plynose kirtavietėse (E, P, J),

d) dirvonuojančiuose žemės ūkio plotuose (P, B).

2015 metais Dubravos, Tytuvėnų, Anykščių, Kėdainių, Prienų urėdijų miškuose uždėta 16 serijų ilgalaikių barelių (šviso 112 barelių), kuriuose kasmet registruojami ir matuojami visi medžių sėjinukai, žolinė danga, trakas, dirvožemio charakteristikos, aplinkiniai motinmedžiai ir kt. (4 pav.)

4 pav. Atsikūrimo tyrimų bareliai pušimi ir beržu atsikuriančiame apleistame žemės ūkio naudmenų plote Tytuvėnų miškų urėdijoje

4. Atsikuriančių miško bendrijų karkasinių medžių rūšių genetinė įvairovė tiriama ekologiniu požiūriu rizikingiausiose trikdžių paveiktose kertinėse buveinėse, siekiant įvertinant jos pakankamumą tvarioms populiacijoms suformuot. Palikuonių genetinė įvairovė vertinama atskirai rūšiai esminėse iš uždėtų 16 barelių serijose:

E - atsikuriančiame jaunuolyne vėjovartų sudarkyto eglyno plyno kirtimo biržėje Dubravos e.m.m.u,

U - brandžiame uosyne po sanitarinių kirtimų Kėdainių miškų urėdijoje,

P - atsikuriančiame jaunuolyne buvusioje žemės ūkio žemėje Tytuvėnų miškų urėdijoje,

B - atsikuriančiame jaunuolyne buvusioje žemės ūkio žemėje Tytuvėnų miškų urėdijoje.

A - atsikuriančiame jaunuolyne buvusioje ąžuolo sanitarinių kirtimų biržėje Jonavos miškų urėdijoje.

J - atsikuriančiame jaunuolyne juodalksnio plyno kirtimo biržėje Prienų miškų urėdijoje.

D - atsikuriančioje drebulės plyno kirtimo biržėje Anykščių miškų urėdijoje.

Kiekviename plote imami savaiminukų lapų ar spyglių pavyzdžai 7-se tyrimo bareliuose bei papildomuose 14-je barelių (84 pavyzdžiai plote). Be to, palyginimui su ankstesnės generacijos genetine įvairove, imami pavyzdžiai nuo aplinkiniuose besiribojančiuose sklypuose augančių galimų motinmedžių (20-30 medžių).(5 pav.)

5 pav. Populiacijos, kuriose atliekami palikuonių ir motinmedžių DNR tyrimai

Bandymams atlikti naudojama Nemuno slėnio Miškų instituto Plantacinės miškininkystės laboratorijos klimatinių kamerų ir kita įranga: lapijos indekso LAI matuoklis SunScan SS1, Ozono analizatorius 106-M, UV matuoklis HD2102.2, dirvožemio glaudomatis Penetrologger ir kt.

Naudojant mokslinės ir statistinės analizės programų paketą SAS variacinės statistinės analizės pagalba nustatoma stresinių aplinkos sąlygų, medžių rūšių ir populiacijų bei rūšių ir populiacijų sąveikos su stresine aplinka (GxE) įtaka. Konkurencijos tyrimuose ANOVA pagalba bus nustatoma stresinių aplinkos sąlygų ir tiriamų medžių bendrijų tipų įtakos esmingumas bei šių veiksnių sąveika. Pagal Falconer, Mackay (1996) nustatomi ekologinio atsako rodikliai: fenogenetinis plastiškumas, ekovalentingumas, B-tipo koreliacijos ir kt. Faktorinės, diskriminantinės ir klasterinės analizių pagalba bus atlikti tirtų rūšių, populiacijų bei aplinkos sąlygų daugiamačiai grupavimai.

Fotosintezės aktyvumo, chlorofilų a ir b, karotinų, malondialdehido (MDA), H2O2 kiekio ir sudėties bei dujų apykaitos tyrimai atliekami naudojant fotosintezės tyrimo sistemą LCPro SD, lapų žiotelių vandens pralaidumo matuoklį Automatic Porometer AP4, spektrofotometrą UV-VIS ir kt.

Medžių sanitarinės būklės ir pažaidų diagnostika atliekami taikant standartines mikrobiologines metodikas: vizualinį vertinimą, mikroskopavimą, grynųjų kultūrų išskyrimą į maistines terpes; esant reikalui, tikslesniai ligų sukėlėjų identifikacijai būtų pasinaudota GTC Atviros prieigos centro molekuliniams tyrimams skirta įranga.

Skirtingų dirbtinių stresinių ir gamtinių adaptacinių aplinkų selektyvumas, atskleidžiant rūšių ir populiacijų skirtumus pagal atsaką, plastiškumą, konkurentingumą ir genetinę įvairovę bus nustatomas pagal pagal B-tipo ekovalentingumą ir kt. (Isik, Kleinschmit 2005)

Skirtingų trikdžių paveiktose rizikingiausiose gamtinėse buveinėse besiformuojančiose tiriamų medžių bendrijose nustatoma rūšių erdvinės, rūšinės bei diferenciacijos įvairovės, dominavimo, chaotiškumo ir rūšių proporcijų indeksai (Winkelmass, Mingling, Ui, Ti, Shannon, Pielou, Simpson ir kt.) juvenalinės dinamikos ypatumai, vertinama atskirų rūšių fitosanitarinė būklė. Rezultatai bus palyginami tarpusavyje ir su klimatinėse kamerose gautais rezultatais.

Tiriamų medžių rūšių palikuonių ir motinmedžių genetinė įvairovė atsikuriančiose miško bendrijose nustatoma DNR mikrosatelitinių žymenų metodu. DNR išskyrimas iš lapų ir ūglių atliekamas GeneJet Plant Genomic DNA rinkiniu. DNR pagausinimas - PGR pagalba naudojant fluorescentiškai žymėtus rūšims specifiškus mikrosatelitinius žymenis. Pagausintų fragmentų dydžiai įvertinami ABI PRISM 3700 genetiniu analizatoriumi. Naudojama ir kita Nemuno slėnio ASU Klimato kaitos lab-jos įranga: medžiagos homogenizatorius Retsch MM400, elektroforezės aparatas BCMSMIDI Biocom, amplifikatorius GeneAmp PCR system 9700, Sekvenatorius ABI PRISM Genetic Analyser 3700, mikrocentrifūga Mini Spin Eppendorf, PGR darbo vieta UVP AV2 PCR Workstation ir kt.

Tyrimų rezultatai pateikti informacinėje publikacijoje internete:

Pliūra A. 2017. Nacionalinės mokslo programos projekto „MIŠKOEKOKAITA - Skirtingų medžių rūšių ir besiformuojančių miško bendrijų atsakas ir plastiškumas klimato kaitos ir kitų streso veiksnių poveikyje” tyrimai http://www.forestgen.mi.lt/content/Miskoekokaita_tyrimai.htm

Lietuvos miško genetinių išteklių svetainė autorius Alfas Pliūra

Atgal

Chalara, chalara, chalara, chalara, chalara