Группа географии, экологии и генетики хвойных растений (лаборатория ПБДРиДЛ)

Основные направления исследований
Основное направление – популяционная биология хвойных лесообразующих видов Северной Евразии как теоретическая основа современного лесоведения и лесоводства. Популяционная биология понимается нами как триада – генетика, экология и география популяций. Подходы и методы этого эволюционно-экологического направления развиваются на базе идей школы С.С. Шварца–Н.В. Тимофеева-Ресовского–Б.П. Колесникова.

Состав группы
Зав. лабораторией, д.б.н. Петрова И.В.
Старший научный сотрудник, к.б.н. Санникова Н.С.
Старший научный сотрудник, к.б.н. Черепанова О.Е.
Научный сотрудник, к.б.н. Кочубей А.А.
Научный сотрудник, к.б.н. Танцырев Н.В.
Младший научный сотрудник Егоров Е.В.
Старший инженер Шерстенникова Р.Б.

 Главный научный сотрудник, профессор, д.б.н. Санников С.Н. 

Основные результаты:
В итоге исследований в хвойных (преимущественно сосновых) лесах Северной Евразии, проведенных по принципам и методам, разработанным на базе идей уральской эколого-генетической школы С.С. Шварца – Н.В. Тимофеева-Ресовского получены следующие новые закономерности и теоретические обобщения в области лесной популяционной биологии и биогеоценологии, приоритетные на международном уровне; отмечены премиями УрО РАН им. Н.В. Тимофеева-Ресовского (2005) и С.С. Шварца (2012).

1. В результате аллозимного анализа 430 популяций Pinus sylvestris L. на сети 5 широтных и 14 субмеридиональных трансект, пересекающих весь ареал, впервые выявлены эколого- и географо-генетические закономерности полиморфизма и дифференциации в пределах всего этого вида и разработан адекватный банк данных. Установлено, что генетические дистанции Неи и их градиенты между популяциями в северной «ледниковой» зоне ареала в 7–8 раз меньше, чем в южной и достоверно повышаются в маргинальных частях ареала, на горных хребтах, водоразделах рек и между островными борами. Выявлена степень генетической дифференциации 18 филогеографических групп популяций в пределах ареала. На базе оригинальной генотаксономической шкалы определен их таксономический ранг и разработана картосхема популяционно-генетической структуры вида Pinus sylvestris L. В ней выделены 1 подвид (ssp. iberica Svob.), 5 географических рас (var. alpina, carpatica, hamata, kochiana, amurensis) и 9 географических групп популяций. С помощью метода «минимальных генетических дистанций» выявлено 2 основных (Балканский, Южно-Уральский) и 4 второстепенных гипотетичных плейстоценовых рефугиума вида. Установлена быстрая гомозиготизация островных популяций сосны при сокращении их площади ниже 10–15 км2, что определяет минимум-ареал выделения ее генетических резерватов.

2. На основе длительных стационарных междисциплинарных (палеоботанических, экологических, морфо-фенотипических, фенологических и генетических) исследований популяций P. sylvestris на суходолах и смежных верховых болотах предлесостепи Западной Сибири установлены почти полная фенологическая репродуктивная изоляция (89–100%) и достоверная генетическая граница между ними на непрерывном ареале. В итоге изучения в различных подзонах Западной Сибири и Русской равнины обоснована теория генетической дивергенции болотных и суходольных популяций P. sylvestris в голоцене вследствие дизруптивного отбора в условиях контрастной среды и резкой репродуктивной изоляции (Санников, Петрова, 2010: Петрова и др., 2013). Аналогичные изоляционные, но меньшие эколого-генетические градиенты выявлены между разновысотными горными поселениями на Урале и Северном Кавказе, в Карпатах, Крыму и Бурятии (Петрова, Санников, 1996; Санников, Петрова, 2003).

 

В результате обобщения 30-летних исследований обоснован эскиз теории генетической дивергенции болотных и суходольных популяций Pinus sylvestris. Основной тезис: как следствие циклов климата, фаз плейстоцена, формирования верховых болот и дифференциации их среды от среды суходола в итоге расселения популяций на болота, изменения векторов микроэволюции и фенологической репродуктивной изоляции произошла их феногенетическая дивергенция с суходольными в голоцене.

 

3. Гипотеза о восточно-азиатском происхождении вида Pinus sylvestris L., основанная на его меньших феногенетических дистанциях от приморских видов Pinus funebris и P. densiflora, по сравнению со средиземноморскими P. pallasiana, P. pitiysa, и о наиболее вероятной миграции в миоцен-плиоцене P. sylvestris L. из Сибири в Европу по северным берегам Тэтиса, основанная на минимальных генетических градиентах вдоль этого пути.

4. Теория гидрохории семян хвойных, обоснованная лабораторными и натурными экспериментами, показавшими их высокую способность плавать (до 15–20 сут.), переносить затопление водой (до 25-30 сут.) и в несколько раз более быстрое распространение по течению рек (250–300 км/1000 лет), по сравнению с анемохорией (20–100 км/1000 лет), а также распространяться ветром по поверхности озер («анемогидрохория») со скоростью до 8–10 км в сутки.

5. Принципы построения и системы географической ординации климатически, замещающих топоэкологически аналогичных типов лесорастительных условий и 47 типов сосновых лесов 9 ландшафтных подзон Западной Сибири и Северного Тургая и 34 типов темнохвойных лесов 4 подзон Западной Сибири – как основа классификации и сравнительного изучения структуры и функций лесных ценоэкосистем в пределах целых ландшафтно-географических стран.

6. Концепция дивергенции-конвергенции альтернативных эколого-динамических рядов естественного возобновления и развития лесных биогеоценозов в пределах одного коренного типа леса, возникающих под влиянием стихийных (пожары, ветровалы, инвазии энтомофауны) и антропогенных (рубки, раскорчевка, осушение, техногенное загрязнение) катастроф в зависимости от их типа и интенсивности, сохранности древостоя и подроста, условий обсеменения и напочвенного субстрата для возобновления.     

7. Принципы, методы и количественные экогеографические закономерности структуры, семеношения и естественного возобновления ценопопуляций сосны обыкновенной в уникальной 1500-километровой меридиональной цепи сосновых лесов 9 подзон Западной Сибири и Северного Тургая. Результаты этих исследований, опубликованные в серии монографий (Санников, 1992; Санников и др. 2004, 2012), не имеют аналогов в мире и представляют собой новое направление в лесоведении и биогеографии («ценоэкогеография лесных экосистем»).

8. Открытие достоверной связи (r = 0.74) локальной плотности грозовых пожаров с аномалиями геомагнитного поля Земли (Санников и др., 2010) как индикатора глобальных связей атмосферы, литосферы и биосферы, позволяющего предсказывать территориальное распределение плотности пожаров от молний и локализацию железорудных месторождений.  

9. Эволюционная пироэкология светлохвойных – закономерности разносторонних морфо-экологических адаптаций видов Pinus и Larix Северной Евразии к циклическим пожарам как на уровне особей (увеличение толщины корки на базальной части ствола и послепожарного семеношения; гелиофильность, засухо- и морозоустойчивость всходов; соответствие ритма их онтогенеза динамике среды гарей), так и и дендроценозов (связь массы коры древостоев с плотностью грозовых пожаров, пирогенные вспышки семеношения и возобновления, мозаично-ступенчатая структура древостоев как механизм их «импульсной пирогенной стабильности»).

10. Теория петропсаммофитности-пирофитности P. sylvestris L., основанная на идее о гелио- и геофизических циклах, производных постулатах о циклах климата и эрозии Земли и преадаптивном ксероморфизме хвои сосен. Как следствие их сочетания, в неогене на фоне увеличения континентальности, засушливости и колебаний климата, частоты пожаров и циклов эрозии в итоге дизруптивного отбора и эволюции в двух альтернативных средах – на гарях и эродированных аренах – сосна адаптировалась к условиям обеих этих сред, закрепив в своем генофонде свойства, с одной стороны, петропсаммофита, способного к возобновлению и выживанию на гравийных и песчаных субстратах, а, с другой, пирофита, адаптированного к возобновлению и доминированию на обожженном органическом субстрате. Закономерная цикличность пожаров и процессов эрозии на Земле приводит к цикличности процессов воспроизводства и развития популяций сосны.

11. Общебиологическая гипотеза импульсной микроэволюции популяций организмов в результате синтеза постулата Н.В. Тимофеева-Ресовского (1971) о вероятности активизации факторов микроэволюции и необратимых изменений генофонда под влиянием сильных экологических катастроф и постулата о их закономерной повторяемости на Земле. Вследствие циклической смены медленных и резких колебаний среды и генетической структуры популяций микроэволюция представляет собой чередование двух фаз – постепенных обратимых флюктуаций и скачкообразных, при сильных катастрофах необратимых преобразований генофонда.

12. Принципально новый математико-статистический микроэкосистемный подход и методы изучения структурно-функциональных взаимоотношений в лесных ценопопуляциях и биогеоценозах. Разработка комлекса высокоинформативных экофизиологически обоснованных индексов корневой, световой и интегральной конкуренции древостоя-эдификатора. Количественный анализ и синтез их роли в росте и жизненности различных компонентов биогеоценоза. Выявление приоритетного влияния корневой фактора корневой конкуренции древостоя на формирование всех основных компонентов биогеоценоза. Обоснование нового представления о лесе, как, прежде всего, «подземно-сомкнутой дендроценоэкосистеме».

 

Публикации группы географии, экологии и генетики хвойных растений 

Режим работы Ботанического сада

Институт

ПН - ЧТ: 830 - 1715
ПТ: 830 - 1600
Перерыв: 1200 - 1300

СБ, ВС - выходные

Сад (вход платный)

ПН - Чт: 800 - 1800
ПТ: 800 - 1700

СБ, ВС - выходные

Выставочный павильон

ПН - ПТ: 1000 - 1700
Перерыв: 1300 - 1400

СБ, ВС - выходные

Экскурсии, фотосессии

в рабочие дни по предварительной записи
тел.: +7 343 210-29-58