Botanica Pacifica. A journal of plant science and conservation Preprint
Article first published online: 12 OCT 2019 | DOI: 10.17581/bp.2019.08205
Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) O. Kunze at the northern limit: ecophysiological peculiarities
Evgeniya F. Markovskaya1, Elena V. Novichonok2, Tamara Yu. Dyachkova1 & Kira V. Morozova1
1 Department of Botany and Plant Physiology, Petrozavodsk State University, Petrozavodsk, Russia
2 Karelian Research Centre RAS, Petrozavodsk, Russia
By the bank of the Northern Dvina River for the first time Nymphoides peltata was registered in 2014. In the course of 4 years the area occupied by the population increased twofold and the projective cover degree of floating leaves also rose from 50 % in 2014 to 100 % with a considerable overlap of leaf blades in 2018. Structural-functional adaptations (high values of SLA and leaf thickness) are aimed at the acceleration of photosynthesis and growth. The analysis of the rapid light curves of chlorophyll fluorescence demonstrated that the species is well-adapted to the medium range of light values (400–600 μmol m-2 s-1). The optimal values of the maximum photochemical quantum yield of PS II (Fv/Fm = 0.81) are indicative of the absence of stress conditions. Our data indicate that Nymphoides peltata is well-adapted to the environment in the studied habitat, have the high capacity for extending over a new territory and demonstrates signs of an invasive species.
Марковская Е.Ф., Новичонок Е.В., Дьячкова Т.Ю., Морозова К.В. Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) O. Kuntze на границе ареала: эколого-физиологические особенности. Впервые на берегу реки Северная Двина вид Nymphoides peltata был зарегистрирован в 2014 году. За 4 года площадь популяции увеличилась в два раза, степень проективного покрытия плавающих листьев выросла с 50 % (в 2014 году) до 100 % со значительным перекрытием листовых пластинок (в 2018 году). Выявлены структурно-функциональные адаптации (высокие значения SLA и толщины листа), которые направлены на ускорение скорости фотосинтеза и роста. Анализ быстрых световых кривых флуоресценции хлорофилла показал, что вид хорошо адаптирован к среднему диапазону значений освещенности (400–600 мкмоль м-2 с -1). Оптимальные значения максимального фотохимического квантового выхода фотосистемы II (Fv/Fm = 0.81) свидетельствуют об отсутствии напряженных условий. Наши данные показывают, что Nymphoides peltata хорошо адаптирован к окружающей среде в изучаемом местообитании, обладает высокой способностью распространяться на новую территорию и демонстрирует признаки инвазивного вида.
Keywords: aquatic plants, adaptation, chlorophyll fluorescence, invasive species, leaf anatomy, SLA, водные растения, адаптация, флуоресценция хлорофилла, инвазивные виды, анатомия листа, удельная площадь листа
References
Björkman, O. & B. Demming 1987. Photon yeld of O2 evolution and chlorophyll fluorescence characteristics at 77 K among vascular plants of diverse origins. Planta 170(4):489-504. CrossRef
Bradley, B.A., D.M. Blumenthal, D.S. Wilcove & L.H. Ziska 2010. Predicting plant invasions in an era of global change. Trends in Ecology and Evolution 25(5):310-318. CrossRef
Brock, T.C.M., G.H.P. Arts, I.L.M. Goossen & A.H.M. Rutenfrans 1983. Structure and annual biomass production of Nymphoides peltata (Gmel.) O. Kuntze (Menyanthaceae). Aquatic Botany 17:167-188. CrossRef
Champion, P.D. & J.S. Clayton 2003. The evaluation and management of aquatic weeds in New Zealand. In: Plant invasions: Ecological threats and management solutions, (L. Child, J.H. Brock, G. Brundu, K. Prach, K. Pysĕk, P.M. Wade, M. Williamson, eds), pp. 429-434, Backhuys.
Chernyagina, O.A. (ed.) 2007. Krasnaya kniga Kamchatki, Tom 2. Rasteniya, griby, termofil'nye mikroorganizmy. Petropavlovsk-Kamchatskii, Kamch. Pech. dvor, 341 pp. (in Russian). [Красная книга Камчатки. Т.2. Растения, грибы, термофильные микроорганизмы / отв. ред. Чернягина О.А. Петропавловск-Камчатский: Камчатский печатный двор. 341 с.].
Croxdale, J.G. 1979 Salvinia leaves. II. Morphogenesis of the floating leaf. Canadian Journal of Botany 57(19):1951-1959. CrossRef
Darbyshire, S.J. & A. Francis 2008. The biology of invasive alien plants in Canada. 10. Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) Kuntze. Canadian Journal of Plant Science 88:811-829. CrossRef
Evans, J.R. & H. Poorter 2001. Photosynthetic acclimation of plants to growth irradiance: the relative importance of specific leaf area and nitrogen partitioning in maximizing carbon gain. Plant, Cell and Environment 24 (8):755-767. CrossRef
Fedorov, D.F., N.V. Razumihin & A.G. Isachenko (eds) 1976. Atlas Arhangel'skoi oblasti. Glavnoe upravlenie geodezii i kartografii pri sovete ministrov SSSR, Moscow. 72 pp. (in Russian). [Атлас Архангельской области. 1976 / под ред. Федорова Д.Ф., Разумихина Н.В., Исаченко А.Г. М.: Главное управление геодезии и картографии при Совете министров СССР. 76 с.].
Fedorovskih, M.A. (ed.) 2003. Krasnaya kniga Khanty-Mansiyskogo avtonomnogo okruga: zhivotnye, rasteniya, griby. Pakrus, Ekaterinburg, 376 pp. (in Russian). [Красная книга Ханты-Мансийского автономного округа: Животные, растения, грибы 2003 / под. ред. Федоровских М.А. Екатеринбург: Пакрус. 376 с.].
Goltsev, V.N., M.H. Kalaji, M.A. Kouzmanova & S.I. Allakhverdiev 2014. Variable and delayed chlorophyll a fluorescence - basics and application in plant science. Institute of computer science, Moscow-Izshevsk, 220 pp. (in Russian). [Гольцев В.Н., Каладжи Х.М., Кузманова М.А., Аллахвердиев С.И. 2014. Переменная и замедленная флуоресценция хлорофилла a - теоретические основы и практическое приложение в исследовании растений. Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований. 220 с.].
Horuzhik, L.I., L.M. Sushchenya, V.I. Parfenov et al. (eds) 2005 Krasnaya kniga Respubliki Belarus': Redkie i nakhodyashchiesya pod ugrozoy ischeznoveniya dikorastushchie vidy rasteniy. BelEhn, Minsk. 456 pp. (in Russian). [Красная книга Республики Беларусь: Редкие и находящиеся под угрозой исчезновения дикорастущие виды растений 2005 / под ред. Хоружик Л.И. (предс.), Сущеня Л.М., Парфенов В.И. и др. Минск: БелЭн. 456 с.].
Ivanina, L.I., T.P. Kobeleva, A.N. Lashchenkova, V.A. Martynenko, N.A. Minyaev, N.I. et al. 1977. Flora severo-vostoka evropeiskoj chaste SSSR, vol. 4. Nauka, 312 pp. (in Russian).[Иванина Л.И., Кобелева Т.П., Лащенкова А.Н., Мартыненко В.А., Минаев Н.А. и др. 1977. Флора северо-востока европейской части СССР 1977. Т. IV. Л.: Наука. 312 с.].
Krausch, H.D. 1965. Vegetationskundliche Beobachtungen in Donaudelta. Limnologica 3:271-313.
Larson, D. 2007. Reproduction strategies in introduced Nymphoides peltata populations revealed by genetic markers. Aquatic Botany 86(4):402-406. CrossRef
Lednev, S.A. 2015. Biomorphology and seasonal development of Nymphoides peltata (Gmel.) O. Kuntze. Byulleten Moskovskogo obshchestva ispytatelej prirody. Otdelenie biologiya 120(1):69-75 (in Russian). [Леднев С.А. Биоморфология и сезонное развитие Nymphoides peltata (Gmel.) O. Kuntze // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отделение Биология. 2015. Т. 120, № 1. С. 69-75].
Leishman, M.R., T. Haslehurst, A. Ares & Z. Baruch 2007. Leaf trait relationships of native and invasive plants: community- and global-scale comparisons. New Phytologist 176(3):635-643. CrossRef
Les, D.H. & L.J. Mehrhoff 1999. Introduction of nonindigenous aquatic vascular plants in southern New England: a historical perspective. Biological Invasions 1:281-300. CrossRef
Li, Z., D. Yu & J. Xu 2011. Adaptation to water level variation: Responses of a floating-leaved macrophyte Nymphoides peltata to terrestrial habitats. Annales de Limnologie - International Journal of Limnology 47:97-102. CrossRef
Markovskaya, E.F., T.Yu. Dyachkova & K.V. Morozova 2015. Anatomical and morphological features of Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) O. Kuntze on the northwest edge of distribution range. Uchenye zapiski Petrozavodskogo Gosudarstvennogo Universiteta 2(147):17-22. (in Russian). [Марковская Е.Ф., Дьячкова Т.Ю., Морозова К.В. 2015. Анатомо-морфологические особенности Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) O. Kuntze на северо-западной границе ареала // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. №2 (147). С. 17-22].
Markovskaya, E.F., T.Yu. Dyachkova & K.V. Morozova 2018. Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) O. Kuntze (Menyanthaceae) on the boundary of distribution area: anatomical and morphological features. Hortus Botanicus 13: 291-303 (in Russian). [Марковская Е.Ф., Дьячкова Т.Ю., Морозова К.В. 2018. Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) O. Kuntze (Menyanthaceae) на границе ареала: анатомо-морфологические особенности // Hortus Botanicus. №13. С. 291-303]. CrossRef
Mehrvarz, S.S. & M.A. Nodehi 2016. A review of the genus Nymphoides (Menyanthaceae) in Iran. Phytotaxa 257(3):261-270. CrossRef
Mokronosov, A.T. & R.A. Borzenkova 1978. A guide to quantitatine assessment of structure and functions of photosynthetic tissues and organs. Trudy po prikladnoy botanike, genetike i selektsii VNII rasteneevodstva 61(3): 119-133 (in Russian). [Мокроносов А.Т., Борзенкова Р.А. 1978. Методика количественной оценки структуры и функциональной активности фотосинтетических тканей и органов // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции ВНИИ растенееводcтва. Т. 61, вып. 3. С. 119-133].
Nedelcu, G.A. 1969. Flora si vegetatia acvatică si palustră a cîtorva lacuri din Cîmpia Românăcu unele consideratii morfologice. Ed. Acad. R. S. R., Bucuresti, 232 pp.
Nielsen, S.L. & K. Sand-Jensen 1993. Photosynthetic implications of heterophylly in Batrachium peltatum (Schrank) Presl. Aquatic Botany 44(4): 361-371. CrossRef
Niinemets, Ü. 1999. Components of leaf dry mass per area - thickness and density - alter leaf photosynthetic capacity in reverse directions in woody plants. New Phytologist 144 (1): 35-47. CrossRef
Pattison, R.R., G. Goldstein, A. Ares 1998. Growth, biomass allocation and photosynthesis of invasive and native Hawaiian rainforest species. Oecologia 117(4):449-459. CrossRef
Poorter, H. & A. Van Der Werf 1998. Is inherent variation in RGR determined by LAR at low irradiance and by NAR at high irradiance? A review of herbaceous species. In: Inherent variation in plant growth (H. Lambers, H. Poorter & M.I. Van Vuuren, eds.), pp. 309-336, Backhuys, Leiden, the Netherlands.
Ralph, P.J. & R. Gademann 2005. Rapid light curves: A powerful tool to assess photosynthetic activity. Aquatic Botany 82 (3): 222-237. CrossRef
Ronzhina, D.A. & V.I. P'yankov 2001a. Structure of the photosynthetic apparatus in leaves of freshwater hydrophytes: 2. Quantitative characterization of leaf mesophyll and the functional activity of leaves with different degrees of submersion. Russian Journal of Plant Physiology 48(6):723-732.
Ronzhina, D.A. & V.I. P'yankov 2001b. Structure of the photosynthetic apparatus in leaves of freshwater hydrophytes: 1. General characteristics of the leaf mesophyll and a comparison with terrestrial plants. Russian Journal of Plant Physiology 48(5):567-575. CrossRef
Rozenberg, G.S. (ed.). 2007. Krasnaya kniga Samarskoy oblasti. Tom 1. Redkie vidy rasteniy, lishaynikov, gribov. IehVB RAN, Tolyatti. 372 pp. (in Russian). [Красная книга Самарской области. Редкие виды растений, лишайников и грибов 2007 / под ред. Розенберг Г.С. Тольятти: ИЭВБ РАН. 372 с.].
Săndulescu, E.B., G.V. Scăeţeanu, T. Şchiopu, N. Oltenacu, M.-M. Stavrescu-Bedivan 2016. Morpho-anatomy and adaptation to some Romanian aquatic environments of Nymphoides peltata (Gmel.) O. Kuntze (Asterales: Menyanthaceae). Scientific Papers. Series A. Agronomy 59:537-542.
Shchepovskih, A.I. (ed.). 1995. Krasnaya kniga Respubliki Tatarstan. Zhivotnye, rasteniya, griby. Priroda, Kazan. 454 pp. (in Russian). [Красная книга Республики Татарстан. Животные, растения, грибы 1995. Гл. ред. Щеповских А.И. Казань: Природа. 454 с.].
Tarhanov, S.N., N.A. Prozherina & V.N. Konovalov 2004. Lesnye ehkosistemy bassejna Severnoj Dviny v usloviyah atmosfernogo zagryazneniya. UrO RAN, Ekaterinburg, 333 p. (in Russian). [Тарханов С.Н., Прожерина Н.А., Коновалов В.Н. 2004. Лесные экосистемы бассейна Северной Двины в условиях атмосферного загрязнения. Екатеринбург: УрО РАН. 333 с.].
Tselniker, Yu.L. 1978. Chloroplast replication and its meaning to photosynthesis. In: Mezostruktura i funktsionalnaya aktivnost fotosinteticheskogo apparata, pp. 31-45, Ural University Press, Sverdlovsk (in Russian). [Цельникер Ю.Л. 1978. Репликация хлоропластов, ее регуляция и значение для фотосинтеза // Мезоструктура и функциональная активность фотосинтетического аппарата. Свердловск: Уральский ун-т. С. 31-45].
Van der Velde, G. & L.A. Van der Heijden 1981. The floral biology and seed production of Nymphoides peltata (Gmel.) O. Kuntze (Menyanthaceae). Aquatic Botany 10: 261-293. CrossRef
Van der Velde, G., T.G. Giesen & L.A. Van der Heijden 1979. Structure, biomass and seasonal changes in biomass of Nymphoides peltata (Gmel.) O. Kuntze (Menyanthaceae), a preliminary study. Aquatic Botany 7: 279-300. CrossRef
Vogelmann, T.C. 1993. Plant tissue optics. Annual review of plant physiology and plant molecular biology 44:231-251. CrossRef
Vogelmann, T.C. & G. Martin 1993. The functional significance of palisade tissue: penetration of directional versus diffuse light. Plant, Cell and Environment 16(1):65-72. CrossRef
Walther, G.-R., A. Roques, Ph.E. Hulme, M.T. Sykes, P. Pyšek et al. 2009. Alien species in a warmer world: risks and opportunities. Trends in Ecology and Evolution 24(12):686-693. CrossRef
White, A.J. & C. Critchley 1999. Rapid light curves: A new fluorescence method to assess the state of the photosynthetic apparatus. Photosynthesis Research 59 (1): 63-72. CrossRef
Wilson, P.J., K. Thompson & J.G. Hodgson 1999. Specific leaf area and leaf dry matter content as alternative predictors of plant strategies. New Phytologist 143(1):155-162. CrossRef
Yamashita, N., N. Koike & A. Ishida 2002. Leaf ontogenetic dependence of light acclimation in invasive and native subtropical trees of different successional status. Plant, Cell and Environment 25(10):1341-1356. CrossRef
|
|