Photosynthetic Pigments in Silver Birch Leaves (Betula pendula Roth.) with Technogenic Load
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-3-35-47Keywords:
suburban forests, technogenic impact, Betula pendula Roth., leaf pigments, chlorophylls, carotenoids, technogenic dust, zinc, lead, aluminum, fluorine, KrasnoyarskAbstract
The content of photosynthetic pigments in silver birch leaves (Betula pendula Roth.) is studied in areas with technogenic load and in baseline conditions. The research is performed in a forb type of birch forest in the suburbs of Krasnoyarsk. The wood stands exposed to a high level of technogenic pressure are located to the east of the city in the prevailing direction of air mass movement. The reference stands are under the least technogenic pollution and grow in western and northern areas of the city. The photosynthetic pigments are determined in ethanol extracts, calculated per 1 g of absolute dry mass (a.d.m.) of the leaves. A level of dust deposition on leaf surfaces is evaluated according to the method of J. Detrie (1973). The amounts of zinc, lead, aluminum, and fluorine ions are estimated in the washed leaves. It is found that the content of chlorophyll a inside the birch leaves from a relatively clean environment is slightly lower compared to the concentration in the leaves with the technogenic load. The chlorophyll b concentration is 2.5–3 times less than chlorophyll a and is close to the amount of carotenoids. The total chlorophyll content in birch leaves from different locations ranges from 5.4 to 7.3 mg/g a.d.m., the ratio of chlorophyll forms varies from 2.5 to 3, the proportion of net chlorophyll to carotenoids is between 3.4 and 3.8. As the level of dust increases, the content of the total photosynthetic pigments also rises. The accumulation of zinc ions in the birch leaf cells has a negative effect on pigment content, especially chlorophyll a, but doesn’t correlate with the ratio of the pigments. There has not been any correlation found between the lead and the photosynthetic pigments. It is noted that the rise in the concentration of aluminum significantly affects the contents of the chlorophylls and the carotenoids, while no relationship has been discovered between the concentration of aluminum and the proportion of the pigments. The relationship between fluorine and different forms of chlorophyll is absent as well. The results indicate the adaptive response of the photosynthetic system to the presence of pollutants in concentrations below the threshold values that are indicated in the literature.
For citation: Stasova V.V., Skripal’shchikova L.N., Astrakhantseva N.V., Barchenkov A.P. Photosynthetic Pigments in Silver Birch Leaves (Betula pendula Roth.) with Technogenic Load. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal, 2023, no. 3, pp. 35–47. (In Russ.). https:// doi.org/10.37482/0536-1036-2023-3-35-47
Downloads
References
Барахтенова Л.А., Николаевский В.С. Влияние сернистого газа на фотосинтез растений. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. 86 с. Barakhtenova L.A., Nikolayevskiy V.S. Influence of Sulfur Dioxide on Plant Photosynthesis. Novosibirsk, Nauka Publ., 1988. 86 p. (In Russ.).
Бухарина И.Л., Журавлева А.Н., Болышова О.Г. Городские насаждения: экологический аспект: моногр. Ижевск: УдГУ, 2012. 206 с. Bukharina I.L., Zhuravleva A.N., Bolyshova O.G. Urban Plantings: Ecological Aspect. Monograph. Izhevsk, Izdatel’stvo of Udmurt University Publ., 2012. 206 p. (In Russ.).
Ветчинникова Л.В., Кузнецова Т.Ю., Титов А.Ф. Особенности накопления тяжелых металлов в листьях древесных растений на урбанизированных территориях в условиях Севера // Тр. КарНЦ РАН. 2013. № 3. С. 68–73. Vetchinnikova L.V., Kuznetsova T.Yu., Titov A.F. Patterns of Heavy Metal Accumulation in Leaves of Trees in Urban Areas in the North. Trudy Karel’skogo nauchnogo tsentra RAN = Transactions of KarRC RAS, 2013, no. 3, pp. 68–73. (In Russ.).
Гетко Н.В. Растения в техногенной среде. Структура и функция ассимиляционного аппарата. Минск: Наука и техника, 1989. 205 с. Getko N.V. Plants in Technogenic Environment. Structure and Function of Assimilation Apparatus. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1989. 205 р. (In Russ.).
Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды / пер. с англ. Н.С. Гельман; под ред. Г.М. Илькуна. М.: Мир, 1979. 200 с. Guderian R. Air Pollution. Transl. from English N.S. Gelman, Ed. by G.M. Ilkun. Moscow, MIR Publ., 1979. 200 p. (In Russ.).
Детри Ж.-П. Атмосфера должна быть чистой: загрязнители атмосферы и борьба с ними. М.: Прогресс, 1973. 380 с. Detri Zh.-P. The Atmosphere Must Be Clean: Atmospheric Pollutants and Counteraction Against Them. Moscow, Progress Publ., 1973. 380 p. (In Russ.).
Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с. Kabata-Pendias A., Pendias Kh. Trace Elements in Soils and Plants. Moscow, Mir Publ., 1989. 439 p. (In Russ.).
Кавеленова Л.М., Малыхина Е.В., Розно С.А., Смирнов Ю.В. К методологии экофизиологических исследований листьев древесных растений // Поволж. экол. журн. 2008. № 3. С. 200–210. Kavelenova L.M., Malykhina E.V., Rozno S.A., Smirnov Yu.V. The Methodology Ecophysiological Studies of the Leaves of Woody Plants. Povolzhskiy ekologicheskiy zhurnal = Journal of Ecology of the Volga, 2008, no. 3, pp. 200–210. (In Russ.).
Казнина Н.М., Батова Ю.В., Лайдинен Г.Ф., Титов А.Ф. Влияние цинка на рост и фотосинтетический аппарат растений пшеницы в условиях оптимума и гипотермии // Тр. КарНЦ РАН. 2017. № 12. С. 118–124. Kaznina N.M., Batova Yu.V., Laydinen G.F., Titov A.F. The Effect of Zinc on the Growth and Photosynthetic Apparatus of Wheat Under Optimal and Hypothermic Conditions. Trudy Karel’skogo nauchnogo tsentra RAN = Transactions of KarRC RAS, 2017, no. 12, pp. 118–124. (In Russ.). https://doi.org/10.17076/eb676
Коротченко И.С. Воздействие автотранспорта на пигментный комплекс листьев древесных растений // Успехи современ. естествознания. 2014. № 11-2. С. 109–110. Korotchenko I.S. Influence of Motor Vehicles on the Pigment Complex of Woody Plants Leaves. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya = Advances in Current Natural Sciences, 2014, no. 11-2, pp. 109–110. (In Russ.).
Коршиков И.И. Устойчивость растений к техногенным загрязнителям окружающей среды // Промышленная ботаника. 2004. Вып. 4. С. 46–57. Korshikov I.I. Plant Resistance to Technogenic Environmental Pollutants. Promyshlennaya botanika = Industrial Botany, 2004, no. 4, pp. 46–57. (In Russ.).
Мальхотра С.С., Хан А.А. Биохимическое и физиологическое действие приоритетных загрязняющих веществ //Загрязнение воздуха и жизнь растений / М. Трешоу, Д.Г. Жиллет, Э. Робинсон и др.; под ред. М. Трешоу. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. С. 141–190. Malkhotra S.S., Khan A.A. Biochemical and Physiological Impact of Major Pollutants. Air Pollution and Plant Life. Ed. by M. Treshou. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1988, pp. 141–190. (In Russ.).
Маракаев О.А., Смирнова Н.С., Загоскина Н.В. Техногенный стресс и его влияние на лиственные древесные растения (на примере парков г. Ярославля) // Экология. 2006. № 6. С. 410–414. Marakayev O.A., Smirnova N.S., Zagoskina N.V. Technogenic Stress and Its Effect on Deciduous Trees (A Case Study of Parks in Yaroslavl). Ekologiya = Russian Journal of Ecology, 2006, no. 6, pp. 410–414. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S1067413606060026
Неверова О.А. Экологическая оценка состояния древесных растений и загрязнения окружающей среды промышленного города (на примере г. Кемерово): автореф. дис. … д-ра биол. наук. М., 2004. 36 с. Neverova O.A. Ecological Assessment of the State of Woody Plants and Environmental Pollution of an Industrial City (A Case Study of Kemerovo): Dr. Biol. Sci. Diss. Moscow, 2004. 36 p. (In Russ.).
Неверова О.А. Опыт мониторинга городских древесных насаждений (на примере г. Кемерово) // Урбоэкосистемы: Проблемы и перспективы развития: материалы III Междунар. науч.-практ. конф., Ишим, 20–21 марта 2008 г. Ишим: ИГПИ им. П.П. Ершова, 2008. Вып. 3. С. 125–128. Neverova O.A. Experience in Monitoring Urban Tree Stands (A Case Study of Kemerovo). Urban Ecosystems: Problems and Prospects for Development. Proceedings of the 3rd International Scientific and Practical Conference, Ishim, March 20–21, 2008. Ishim, Ishim State Pedagogical Institute named after P.P. Ershov Publ., 2008, no. 3, pp. 125–128. (In Russ.).
Неверова О.А. Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды // Биосфера. 2009. Т. 1, № 1. C. 82–92. Neverova O.A. Phytoindication in Assessing of Environmental Pollution. Biosfera, 2009, vol. 1, no.1, pp. 82–92. (In Russ.).
Негруцкий С.Ф., Приседский Ю.Г., Еремка Е.В. Некоторые закономерности сравнительной устойчивости лесных древесных растений к атмосферным загрязнителям //Взаимодействие между лесными экосистемами и загрязнителями: тез. докл. 1-го совет.-амер. симп. по проекту 02.03-21, Ленинград, Таллин, Пущино, 11–20 окт. 1982 г. Таллин: АН ЭССР, 1982. С. 58–60. Negrutskiy S.F., Prisedskiy Yu.G. Several Patterns of Relative Tolerance of Forest Woody Plants to Atmospheric Pollutants. Interaction Between Forest Ecosystems and Atmospheric Pollutants: Proceedings of the 1st Soviet-American Symposium on project 02.03-21. Leningrad, Tallinn, Pushchino, October 11–20, 1982. Tallinn, Akademiya nauk E`stonskoj SSR Publ., 1982, pp. 58–60. (In Russ.).
Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1979. 278 с. Nikolayevskiy V.S. Biological Principles of Gas Resistivity for Plants. Novosibirsk, Nauka Publ., 1979. 278 p. (In Russ.).
Павлов И.Н. Древесные растения в условиях техногенного загрязнения. Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 2006. 359 с. Pavlov I.N. Woody Plants Under Conditions of Technogenic Pollution. Ulan-Ude, BNC SB RAS Publ., 2006. 359 p. (In Russ.).
Скрипальщикова Л.Н., Пономарева Т.В., Бажина Е.В., Барченков А.П., Белянин А.В. Техногенные нагрузки на березняки Красноярской лесостепи // Сиб. лесн. журн. 2017. № 6. С. 130–135. Skripalshchikova L.N., Ponomareva T.V., Bazhina E.V., Barchenkov A.P., Belyanin A.V. Technogenic Loads on Birch Stands in Krasnoyarsk Forest-Steppe. Sibirskiy lesnoy zhurnal = Siberian Journal of Forest Science, 2017, no. 6, pp. 130–135. (In Russ.).
Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. Казань: Казан. ун-т, 1971. 294 с. Tarchevskiy I.A. Principles of Photosynthesis. Kazan, Izdatel’stvo of Kazan Federal University Publ., 1971. 294 p. (In Russ.).
Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2014. 194 с. Titov A.F., Kaznina N.M., Talanova V.V. Heavy Metals and Plants. Petrozavodsk, KarRC RAS Publ., 2014. 194 p. (In Russ.).
Хальбваш Г. Реакция организмов высших растений на загрязнение атмосферы двуокисью серы и фторидами // Загрязнение воздуха и жизнь растений / М. Трешоу, Д.Г. Жиллет, Э. Робинсон и др.; под ред. М. Трешоу. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. С. 206–246. Khalbvash G. Reaction of Higher Plants Bodies to Atmospheric Pollution by Sulfur Dioxide and Fluorides. Air Pollution and Plant Life. Ed. by M. Treshou. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1988, pp. 206–246. (In Russ.).
Цандекова О.Л., Неверова О.А. Влияние выбросов автотранспорта на пигментный комплекс листьев древесных растений // Изв. СамНЦ РАН. 2010. Т. 12, № 1(3). C. 853–856. Tsandekova O.L., Neverova O.A. Influence of Motor Transport Emissions on the Woodу Plants Leaves Pigmentary Complex. Izvestia of SamSC RAS, 2010, vol. 12, no. 1(3), pp. 853–856. (In Russ.).
Шергина О.В., Михайлова Т.А. Состояние древесных растений и почвенного покрова парковых и лесопарковых зон г. Иркутска. Иркутск: Ин-т географии СО РАН, 2007. 200 с. Shergina O.V., Mikhaylova T.A. The State of Woody Plants and Soil Cover of Public Parks and Forest Park Areas of Irkutsk. Irkutsk, Izdatel’stvo of IG SB RAS Publ., 2007. 200 p. (In Russ.).
Яшин Д.А., Зайцев Г.А. Содержание пигментов фотосинтеза в листьях березы повислой (Betula pendula Roth.) и дуба черешчатого (Quercus robur L.) в условиях Уфимского промышленного центра // Изв. СамНЦ РАН. 2015. Т. 17, № 6. С. 274–277. Yashin D.A., Zaytsev G.A. The Maintenance of Photosynthesis Pigments in Leaves of European White Birch (Betula pendula Roth.) and English Oak (Quercus robur L.) in the Conditions of Ufa Industrial Center. Izvestia of SamSC RAS, 2015, vol. 17, no. 6, pp. 274–277. (In Russ.).
Bojórquez-Quintal E., Escalante-Magaña C., Echevarría-Machado I., Martínez-Estévez M. Aluminum, a Friend or Foe of Higher Plants in Acid Soils. Frontiers in Plant Science, 2017, vol. 8, рр. 1–18. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01767
Castillo-González J., Ojeda-Barrios D., Hernández-Rodríguez A., González-Franco A.C., Robles-Hernández L., López-Ochoa G.R. Zinc Metalloenzymes in Plants. Interciencia, 2018, vol. 43, pp. 242–248.
Escudero-Almanza D.J., Ojeda-Barrios D.L., Hernández-Rodríguez O.A., Chávez E.S., Ruíz-Anchondo T., Sida-Arreola J.P. Carbonic Anhydrase and Zinc in Plant Physiology. Chilean Journal of Agricultural Research, 2012, vol. 72, no. 1, pp. 140–146. https://doi.org/10.4067/S0718-58392012000100022
Golovko T.K., Gruszecki W.I., Prasad M.N.V., Strzalka K. Photosynthetic Pigments: Chemical Structure, Biological Function and Ecology. Syktyvkar, Komi SC UB RAS Publ., 2014. 448 p.
Lichtenthaler H.K., Ac A., Marek M.V., Kalina J., Urban O. Differences in Pigment Composition, Photosynthetic Rates and Chlorophyll Fluorescence Images of Sun and Shade Leaves of Four Tree Species. Plant Physiology and Biochemistry, 2007, vol. 45, no. 8, pp. 577–588. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2007.04.006
Lichtenthaler H.K., Buschmann C. Chlorophylls and Carotenoids: Measurement and Characterization by UV-VIS Spectroscopy. Current Protocols in Food Analytical Chemistry, 2001, vol. 1, no. 1, pp. F4.3.1.–F4.3.8. https://doi.org/10.1002/0471142913.faf0403s01
Ma J.F. Syndrome of Aluminum Toxicity and Diversity of Aluminum Resistance in Higher Plants. International Review of Cytology, 2007, vol. 264, pp. 225–252. https://doi.org/10.1016/S0074-7696(07)64005-4
Mossor-Pietraszewska T. Effect of Aluminium on Plant Growth and Metabolism. Acta Biochimica Polonica, 2001, vol. 48, no. 3, pp. 673–686. https://doi.org/10.18388/abp.2001_3902
Rout G.R., Das P. Effect of Metal Toxicity on Plant Growth and Metabolism: I. Zinc. Agronomie, 2003, vol. 23, no. 1, pp. 3–11. https://doi.org/10.1051/agro:2002073
Rout G.R., Samantaray S., Das P. Aluminium Toxicity in Plants: A Review. Agronomie, 2001, vol. 21, no. 1, pp. 3–21. https://doi.org/10.1051/agro:2001105
Sharma P., Dubey R.S. Lead Toxicity in Plants. Brazilian Journal of Plant Physiology, 2005, vol. 17, no. 1, pp. 35–52. https://doi.org/10.1590/S1677-04202005000100004
Silva S. Aluminium Toxicity Targets in Plants. Journal of Botany, 2012, vol. 2012, pp. 1–8. https://doi.org/10.1155/2012/219462
