EcologyEcologyЭкология0367-05973034-6142The Russian Academy of Sciences6970490.31857/S0367059725040029ArticlesСтатьиResearch ArticleADAPTATION OF JUVENILE PLANTS HERACLEUM MANTEGAZZIANUM SOMMIER & LEVIER TO LIGHT REGIME IN LABORATORY CONDITIONSАДАПТАЦИЯ ЮВЕНИЛЬНЫХ РАСТЕНИЙ HERACLEUM MANTEGAZZIANUM SOMMIER & LEVIER К СВЕТОВОМУ РЕЖИМУ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХDalkeI. V.ДалькэИ. В.dalke@ib.komisc.ruMalyshevR. V.МалышевР. В.SmotrinaYu. A.СмотринаЮ. А.DymovaO. V.ДымоваО. В.Institute of Biology of the Komi Science Center, Ural Branch, the Russian Academy of SciencesИнститут биологии Коми научного центра УрО РАНSyktyvkar State University named after Pitirim SorokinФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина»150820254NO4 (2025)№4 (2025)28129226112025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0367-0597/article/view/697049

Structural and functional parameters of juvenile plantsHeracleum mantegazzianum Sommier & Levier were studied in laboratory conditions. The plant illumination intensity was modeled based on observations of the light regime in the ground layer of natural populations of the species. Growing H. mantegazzianum under illumination of 250 μmol/m2s PAR(simulating the spring period) showed that at the initial stage of juvenile growth, the contribution of the main phytomass to the leaves and a high rate of net photosynthesis maintained a relative growth rate of 80 mg/g·dry weight day. The plants adapted to a decrease in illumination to 20 μmol/m2s PAR (simulating the summer period) by lengthening the petioles, decreasing the leaf density, and increasing the size of the light-harvesting complex of leaf pigments. Limitation of light resources caused a decrease in the relative growth rate to 14 mg/g dry weight day. Restoring the illumination level to 250 μmol/m2s PAR (simulating the autumn period) activated growth and contributed to the storage of plastic substances, mainly in the underground organs of plants. The structural and functional changes in juvenile H. mantegazzianum revealed in the experiment indicate high efficiency of light resource use in spring and autumn, as well as a significant decrease in metabolic activity during summer shading. This strategy promotes effective growth during a long growing season and the preservation of the number of juvenileH. mantegazzianum under conditions of intraspecific competition.

В лабораторных условиях изучены структурно-функциональные показатели ювенильных растений Heracleum mantegazzianum Sommier & Levier. Интенсивность освещения растений моделировали на основе наблюдений за световым режимом в приземном слое природных популяций вида. Выращивание H. mantegazzianum при освещении 250 мкмоль/м2с ФАР (моделирование весеннего периода) показало, что на начальном этапе ювенильного роста вклад основной фитомассы в листья и высокая скорость нетто-фотосинтеза поддерживали относительную скорость роста 80 мг/г сухой массы · день. К снижению освещения до 20 мкмоль/м2с ФАР (моделирование летнего периода) растения адаптировались путем удлинения черешков, уменьшения плотности листьев, увеличения размеров светособирающего комплекса пигментов листа. Ограничение световых ресурсов вызвало снижение относительной скорости роста до 14 мг/г сухой массы ⋅ день. Восстановление уровня освещения до 250 мкмоль/м2с ФАР (моделирование осеннего периода) активизировало рост и способствовало запасанию пластических веществ, преимущественно в подземные органы растений. Выявленные в опыте структурно-функциональные изменения ювенильных особей H. mantegazzianum указывают на высокую эффективность использования световых ресурсов весной и осенью, а также существенное снижение метаболической активности в ходе летнего затенения. Такая стратегия способствует эффективному росту в течение длительной вегетации и сохранению численности ювенильных особей H. mantegazzianum в условиях внутривидовой конкуренции.

Heracleum mantegazzianumjuvenileslight regimeshade acclimationbiomass distributionleaf parametersCO2gas exchangephotosynthetic pigmentsrelative growth rateHeracleum mantegazzianumювенильные особисветовой режимтеневая акклимацияраспределение биомассылистовые параметрыСО2-газообменфотосинтетические пигментыотносительная скорость ростаРабота финансировалась из средств бюджета Института биологии Коми научного центра УрО РАН в рамках НИОКТР «Физиологические и молекулярные механизмы интеграции клеточных процессов и целостности растительного организма: фотосинтез и дыхание» (№ 125020301262-2).Haubrock P.J.,Soto I., Ahmed D.A.et al. Biological invasions are a population level rather than a species level phenomenon // Global Change Biology. 2024. V. 30. № 5. Art. e17312. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.17312McDaniel S., Ostertag R. Strategic light manipulation as a restoration strategy to reduce alien grasses and encourage native regeneration in Hawaiian mesic forests // Applied Vegetation Science. 2010. V. 13. № 3. P. 280–290. https://doi.org/10.1111/j.1654-109X.2009.01074.xFunk J.L. The physiology of invasive plants in low-resource environments // Conservation Physiology.2013. V. 1. № 1. Art. cot026. https://doi.org/10.1093/conphys/cot026Lennox R., Choi K., Harrison P.M. et al. Improving science-based invasive species management with physiological knowledge, concepts, and tools // Biological Invasions. 2015. V. 17. № 8. P. 2213–2227. https://doi.org/10.1007/s10530-015-0884-5Boardman L., Lockwood J.L., Angilletta M.J. et al. The future of invasion science needs physiology // BioScience. 2022. V. 72. № 12. P. 1204–1219. https://doi.org/10.1093/biosci/biac080Сацыперова И.Ф. Борщевики флоры СССР – новые кормовые растения. Л.: Наука, 1984. 223 с.Ecology and management of Giant Hogweed (Heracleum mantegazzianum). CAB International / Eds. Pysek P., Cock M.J.W., Nentwig W., Ravn H. P. Gateshead, 2007. 352 p.Озерова Н.А., Кривошеина М.Г. Особенности формирования вторичных ареалов борщевиков Сосновского и Мантегацци (Heracleum sosnowskyi,H. mantegazzianum) на территории России // Российский журн. биологич. инвазий. 2018. № 1. С. 78–87.Шадрин Д.М., Далькэ И.В., Захожий И.Г. и др. Молекулярно-генетические исследования Heracleum sosnowskyi Manden. и Heracleum mantegazzianum Sommier & Levier (Apiaceae) европейской части России //Российский журн. биологич. инвазий. 2024. № 2. С. 153–171. https://doi.org/10.35885/1996-1499-17-2-153-171Tappeiner U., Cernusca A. Model simulation of spatial distribution of photosynthesis in structurally differing plant communities in the Central Caucasus // Ecological Modelling. 1998. V. 113. № 1–3. P. 201–223. https://doi.org/10.1016/S0304-3800(98)00144-6Dalke I.V., Chadin I.F., Zakhozhiy I.G.et al. Traits of Heracleum sosnowskyi plants in monostand on invaded area // Plos One. 2015. V. 10.№11.Art.e0142833. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0142833Веселкин Д.В., Иванова Л.А., Иванов Л.А.и др. Способность к быстрому использованию ресурсов как основа инвазивного синдрома Heracleum sosnowskyi // Доклады РАН. 2017. Т. 473. № 1. С. 114–117. https://doi.org/10.7868/S0869565217070283Бетехтина Ю.В., Ронжина Д.А., Иванова Л.А. и др. Относительная скорость роста и ее компоненты у инвазионного Heracleum sosnowskyi и аборигенного H. sibiricum// Российский журн. биологич. инвазий. 2018. № 4. С. 7–16.Панасенко Н.Н. Некоторые вопросы биологии и экологии борщевика Cосновского (Heracleum sosnowskyi Manden.) // Российский журн. биологич. инвазий.2017. № 2. P. 95–106.Dalke I.V., Maslova S.P., Zakhozhiy I.G. et al. Structure of cenopopulations ofHeracleum sosnowskyiand mechanisms for maintaining their stability under the north conditions // Russ. Journal of Ecology.2024. V. 55. № 2. P. 79–88. https://doi.org/10.1134/S1067413624020024Тооминг Х.Г.Экологические принципы максимальной продуктивности посевов. Л.: Гидрометео- издат, 1984. 264 c.Bazzaz F.A. Plants in changing environments: linking physiological, population, and community ecology. Cambridge; New York: Cambridge University Press, 1996. 320 p.Широков А.И. Использование метода парцеллярного анализа для оценки структурного биоразнообразия лесных сообществ // Лесоведение. 2005. № 1. C. 19–27.Pilon N.A.L., Durigan G., Rickenback J.et al.Shade alters savanna grass layer structure and function along a gradient of canopy cover // J. Vegetation Science. 2021. V. 32. № 1. Art. e12959. https://doi.org/10.1111/jvs.12959Grime J.P., Hunt R.Relative growth-rate: its range and adaptive significance in a local flora // The Journal of Ecology. 1975. V. 63. № 2. P. 393–422. https://doi.org/10.2307/2258728Poorter H., Van Der Werf A. Is inherent variation in RGR determined by LAR at low irradiance and by NAR at high irradiance? A review of herbaceous species // Inherent variation in plant growth: physiological mechanisms and ecological consequences / Eds. Lambers H. et al. Backhuys, 1998. P. 309–336.Myrås H., Junttila O. Interaction betweenHeracleum laciniatumand some other plants // Holarctic Ecology. 1981. V. 4. № 1. P. 43–48. http://www.jstor.org/stable/3682135Oguchi R., Hikosaka K., Hirose T. Does the photosynthetic light acclimation need change in leaf anatomy? // Plant Cell & Environment. 2003. V. 26. № 4. P. 505–512.Иванова Л.А., Иванов Л.А., Ронжина Д.А. и др. Структурные параметры мезофилла листа при затенении растений разных функциональных типов // Физиология растений. 2008. Т. 55. № 2. C. 230–239.Веселкин Д.В., Дубровин Д.И., Рафикова О.С.и др. Затенение и перехват света в зарослях инвазионных видов Acer negundoи Sorbaria sorbifolia// Российский журн. биологич. инвазий. 2021. Т. 14. № 4. С. 30–42 DOI: 10.35885/1996-1499-2021-14-4-30-42Youn W. B., Hernandez J. O., Park B. B. Effects of shade and planting methods on the growth of Heracleum moellendorffii and Adenophora divaricata in different soil moisture and nutrient conditions // Plants. 2021. V. 10. № 10. Art. 2203. https://doi.org/10.3390/plants10102203Далькэ И.В., Маслова С.П., Плюснина С.Н. и др. Новый метод определения календарного возраста растений Heracleum sosnowskyi и оценка на его основе возрастного состава в ценопопуляциях вида на севере // Экология. 2023. № 3. C. 212–219. https://doi.org/10.31857/S0367059723030022Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis // Nat Methods. 2012. V. 9. № 7. P. 671–675. https://doi.org/10.1038/nmeth.2089Hunt R., Causton D.R., Shipley B. et al. A modern tool for classical plant growth analysis // Annals of Botany. 2002. V. 90. № 4. P. 485–488. https://doi.org/10.1093/aob/mcf214Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes / Methods in Enzymology / Eds. Colowick S.P., Kaplan N.O. San Diego: Academic Press, 1987.P. 350–382.Захожий И.Г., Далькэ И.В., Чадин И.Ф. и др. Эколого-географический анализ распространения Heracleum persicum, H. mantegazzianum и H. sosnowskyi на северной границе вторичного ареала видов в Европе // Российский журн. биологич. инвазий.2022. № 1.С.55–70. https://doi.org/10.35885/1996-1499-15-1-55-70Reinhart K.O., Gurnee J., Tirado R.et al.Invasion through quantitative effects: intense shade drives native decline and invasive success // Ecological Applications. 2006. V. 16. № 5. P. 1821–1831. https://doi.org/10.1890/1051-0761(2006)016[1821:ITQEIS]2.0.CO;2Rijal D.P.,Torbjørn AlmT., Nilsen L.et al.Giant invasiveHeracleum persicum : Friend or foe of plant diversity? // Ecology and Evolution.2017.V. 7. № 13.P. 4936–4950. https://doi.org/10.1002/ece3.3055Чадин И.Ф. Тотальное уничтожение // АграрникЪ-A. 2020. № 1(105).C. 16–18.Далькэ И. В., Малышев Р. В., Маслова С.П. Экофизиология дыхания растений Heracleum sosnowskyi в условиях севера // Теоретическая и прикладная экология. 2020. № 2.C. 77–82. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2020-2-077-082Маслова С.П., Дымова О.В., Малышев Р.В. и др. Функциональные характеристики почек возобновления Нeracleum sosnowskyi Manden. в период подготовки к перезимовке // Теоретическая и прикладная экология.2024. № 2. C. 185–192. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2024-2-185-192Wherley B.G., Gardner D.S., Metzger J.D.Tall fescue photomorphogenesis as influenced by changes in the spectral composition and light intensity // Crop Science.2005. V. 45. № 2. P. 562–568. https://doi.org/10.2135/cropsci2005.0562Lisina T.N., Chetina O.A., Parfenkova V.A.et al.The ratio of red to far-red light affects growth, pigment content, and photosynthetic rates in cress plants // Russ. J. of Plant Physiology. 2024. V. 71. № 1. Art. 27. https://doi.org/10.1134/S1021443724604324Ross J.The radiation regime and architecture of plant stands. The Hague Boston London: W. Junk, 1981. 418 p.Vierling L.A., Wessman C.A.Photosynthetically active radiation heterogeneity within a monodominant congolese rain forest canopy // Agricultural and Forest Meteorology.2000. V. 103. № 3. P. 265–278. https://doi.org/10.1016/S0168-1923(00)00129-5Головко Т.К.Дыхание растений (физиологические аспекты). Санкт-Петербург:Наука, 1999. 204 c.Pons T.L. An ecophysiological study in the field layer of ash coppice iii influence of diminishing light intensity during growth onGeum urbanumandCirsium palustre// Acta Botanica Neerlandica. 1977. V. 26. № 3. P. 251–263. https://doi.org/10.1111/j.1438-8677.1977.tb00248.xPoorter H.Interspecific variation in relative growth rate: on ecological causes and physiological consequences // Variation in growth rate and productivity. SPB Academic / Eds. Lambers H. et al. The Hague, 1989. P. 45–68.Kattge J., Bönisch G., Díaz S.et al. TRY plant trait database – enhanced coverage and open access // Global Change Biology.2020.V. 26. № 1.P. 119–188. https://doi.org/10.1111/gcb.14904Крылов А.К., Марков А.В., Александров Ю.И.Единство популяции как способ выживания в нестабильной среде // Журнал общ. биол. 2020. Т. 81. № 3. C. 194–207. https://doi.org/10.31857/S0044459620030057