Ecological and physiological studies of photosynthesis and associated processes in lichens (review)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Lichens are the oldest symbiotic organisms. Their thallus represents a structure created by a mycobiont for a population of photobiont cells, the presence of which transforms a fungal heterotrophic organism into an autotrophic association. The review article summarizes the results of ecological and physiological studies of lichens in the taiga zone on the European North-East of Russia. The data on the photosynthetic activity, the effects of environmental factors on the thallus photosynthesis, and the reactions aimed at fine-tuning the functional structure and metabolism of lichens to habitat conditions are presented and analyzed. The importance of the photobiont type for the functioning of the entire lichen association is demonstrated. Cyanobiont lichens were found to be characterized by a higher nitrogen content and intensive metabolism, compared with chlorobionts. In most of the studied lichen species, the content of chlorophyll a varied within 0.4-0.8 mg/g of the dry mass of thallus, and the concentration of carotenoids was by 2.5-3 times as less. The maximum net uptake of CO2 in lichens was observed at a temperature of 15-20 °C and a relative water content of about 60 %. The saturation of photosynthesis with light was noted at a photosynthetic photon flux density being by four-five times less than that of the total solar radiation. The effects of exposure of thalli to UV radiation and environmental pollution with bauxite dust have been revealed. Promising directions for further research are outlined.

About the authors

Tamara K. Golovko

Institute of Biology, Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: golovko@ib.komisc.ru
ORCID iD: 0000-0002-7993-9541
Scopus Author ID: 7004365574

Professor, Doctor of Sciences (Biology), Chief Researcher

Russian Federation, 28 Kommunisticheskaya st., Syktyvkar, Komi Republic, 167982

Mikhail A. Shelyakin

Institute of Biology, Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: shelyakin@ib.komisc.ru
ORCID iD: 0000-0001-8537-6995
Scopus Author ID: 56104108400

Candidate of Sciences (Biology), Researcher

Russian Federation, 28 Kommunisticheskaya st., Syktyvkar, Komi Republic, 167982

References

  1. Flora lishaynikov Rossii : biologiya, ekologiya, raznoobraziye, rasprostraneniye i metody izucheniya lishaynikov [Lichen flora of Russia: Biology, ecology, diversity, distribution and methods of studying lichens] / eds. M. P. Andreyev and D. Ye. Gimel’brant. – Moscow ; Saint-Petersburg : Tovarishchestvo nauchnykh izdaniy KMK, 2014. – 392 p.
  2. Manoylenko, K. V. Akademik A. S. Famintsyn: ot fundamentalnoy nauki k zaprosam selskogo khozyaystva [Academician A. S. Famintsyn: from fundamental science to agricultural needs] / K. V. Manoylenko // Selskokhozyaystvennaya biologiya [Agricultural Biology]. – 2010. – Vol. 45, № 1. – P. 117–121.
  3. Voytsekhovich, A. A. Fotobionty lishaynikov. I: Raznoobraziye, ekologicheskiye osobennosti, neprinyatiye i put sovmestnoy evolyutsii s mikobiontom [Lichen photobionts. I: Diversity, ecological features, relationships and ways of coevolution with the mycobiont] / A. A. Voytsekhovich, T. I. Mikhaylyuk, T. M. Dariyenko // Algologiya [Algology]. – 2011. – Vol. 21. – P. 3–26.
  4. Honegger, R. Metabolic interactions at the mycobiont-photobiont interface in lichens / R. Honegger // Plant Relationships / eds. G. C. Carroll, P. Tiudzynsk. – Berlin Heidelberg : Springer, 1997. – P. 209–221.
  5. Nash III, T. H. Nitrogen, its metabolism and potential contribution to ecosystems / T. H. Nash III // Lichen biology / ed. T. H. Nash III. – Cambridge Univ. Press, 2008. – P. 216–251.
  6. Tabalenkova, G. N. Elementnyy sostav biomassy nekotorykh lishaynikov boreal’noy zony na Yevropeyskom Severo-Vostoke [Elemental composition of the biomass of some lichens of the boreal zone in the European North-East] / G. N. Tabalenkova, I. V. Dalke, T. K. Golovko // Proceedings of the Samara Science Centre of the Russian Academy of Sciences. – 2016. – Vol. 18, № 2. – P. 221–225.
  7. Funktsionalnaya ekologiya lishaynika Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. v tayezhnoy zone na yevropeyskom severo-vostoke Rossii [Functional ecology of the lichen Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. in the taiga zone in the European North-East of Russia] / T. K. Golovko, I. V. Dalke, O. V. Dymova [et al.] // Proceedings of the Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. – 2018. – № 3 (35). – P. 23–33.
  8. Tabalenkova, G. N. Aminokislotnyy sostav biomassy nekotorykh lishaynikov tayezhnoy zony na Yevropeyskom Severo-Vostoke [Amino acid composition of the biomass of some lichens in the taiga zone of the European North-East] / G. N. Tabalenkova, I. V. Dalke, I. G. Zakhozhiy // Proceedings of the Samara Science Centre of the Russian Academy of Sciences. – 2017. – Vol. 19, № 2 (3). – P. 556–560.
  9. Randlane, T. Osobennosti vtorichnogo metabolizma i khemosistematika lishaynikov [Features of secondary metabolism and chemosystematics of lichens] / T. Randlang, A. Saag // Flora lishaynikov Rossii: biologiya, ekologiya, raznoobraziye, rasprostraneniye i metody izucheniya lishaynikov [Lichen flora of Russia: biology, ecology, diversity, distribution and methods of studying lichens]. – Moscow ; Saint-Petersburg : Tovarishchestvo nauchnykh izdaniy KMK, 2014. – P. 142–160.
  10. Blankenship, R. E. Molecular mechanisms of photosynthesis / R. E. Blankenship. – Blackwell Science Ltd., 2002. – 321 p.
  11. Golovko, T. K. Fotosinteticheskiye pigmenty i azot v tallomakh lishaynikov borealnoy flory [Photosynthetic pigments and nitrogen in thalli of boreal flora lichens] / T. K. Golovko, O. V. Dymova, G. N. Tabalenkova, T. N. Pystina // Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya [Theoretical and Applied Ecology]. – 2015. – № 4. – P. 74–80.
  12. Oliver, M. J. Desiccation-tolerance of plant tissues: A mechanistic overview / M. J. Oliver, J. D. Bewley // Horticultural Reviews. – John Wiley & Sons, Ltd, 1996. – P. 171–213.
  13. Kappen, L. Opportunistic growth and desiccation tolerance: the ecological success of poikilohydrous autotrophs / L. Kappen, F. Valladares // Handbook of Functional Plant Ecology / eds. F. Pugnaire, F. Valladares. – New York : Marcel Dekker, Inc., 1999. – P. 9–80.
  14. Pystina, T. N. Lishayniki tayozhnykh lesov Yevropeyskogo Severo-Vostoka: podzony yuzhnoy i sredney taygi [Lichens of taiga forests of the European North-East: subzones of the southern and middle taiga] / T. N. Pystina. – Ekaterinburg : Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2003. – 239 p.
  15. Golovko, T. K. Ustoychivost lishaynikov borealnoy zony k vozdeystviyu prirodnykh i antropogennykh faktorov [Resistance of boreal zone lichens to the impact of natural and anthropogenic factors] / T. K. Golovko, I. G. Zakhozhiy, I. V. Dalke [et al.] // Biologicheskiye aspekty rasprostraneniya, adaptatsii i ustoychivosti rasteniy [Biological aspects of distribution, adaptation and resistance of plants]: Materials of the All-Russian (with International Participation) Scientific Conference (May 15–18, 2016, Saransk). – Saransk : Izd-vo Mordovskogo un-ta, 2016. – P. 94–97.
  16. Golovko, T. K. Ekologo-biologicheskiye i funktsionalnye svoystva lishaynikov tayezhnoy zony yevropeyskogo severo-vostoka Rossii (obzor) [Ecological, biological and functional properties of lichens of the taiga zone of the European North-East of Russia (review)] / T. K. Golovko, M. A. Shelyakin, T. N. Pystina // Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya [Theoretical and Applied Ecology]. – 2020. – № 1. – P. 6–13.
  17. Beckett, R. P. Photoprotection in lichens: adaptations of photobionts to high light / R. P. Beckett, F. Minibaeva, K. A. Solhaug, T. Roach / Lichenologist. – 2021. – Vol. 53. – P. 21–33.
  18. Beckett, R. P. Adaptations of lichens to fluctuating light – gaps in forest, gaps in our knowledge / R. P. Beckett, F. V. Minibaeva // Lishayniki: ot molekul do ekosistem [Lichens: from molecules to ecosystems]: Proceedings of the International Conference (July 1–5, 2024, Syktyvkar) [Electronic book]. – Syktyvkar, 2024. – P. 9–11.
  19. Minibaeva, F. V. Pigmenty lishaynikov: «tsvetnaya» strategiya stressovoy ustoychivosti [Lichen pigments: a “color” strategy of stress resistance] / F. V. Minibaeva // Lishayniki: ot molekul do ekosistem [Lichens: from molecules to ecosystems]: Proceedings of the International Conference (July 1–5, 2024, Syktyvkar) [Electronic book]. – Syktyvkar, 2024. – P. 59–61.
  20. Shelyakin, M. A. The effect of UV-B radiation on the antioxidant system in the Peltigera aphthosa and Peltigera rufescens lichens / M. A. Shelyakin, E. V. Silina, T. K. Golovko // J. Sib. Fed. Univ. Biol. –2021. – Vol. 14, № 3. – P. 328–338.
  21. Beckett, R. P. Stress physiology and the symbiosis / R. P. Beckett, I. Kranner, F. V. Minibaeva // Lichen biology. T. H. Nash III (ed). – Cambridge : Cambridge University Press, 2008. – P. 134–151.
  22. Shelyakin, M. UV-B induced changes in respiration and antioxidant enzyme activity in the foliose lichen Peltigera aphthosa (L.) Willd. / M. Shelyakin, R. Malyshev, E. Silina [et al.] // Acta Physiologiae Plantarum. – 2022. – Vol. 44. – Р. 116.
  23. Shelyakin, M. A. Photosynthetic and respiratory capacity of foliose lichen Lobaria pulmonaria throughout the annual cycle / M. A. Shelyakin, I. G. Zakhozhiy, I. V. Dalke [et al.] // Russian Journal of Plant Physiology. – 2021. – Vol. 68, № 6. – P. 1048–1058.
  24. Rasche, U. Evaluation of instant light-response curves of chlorophyll fluorescence parameters obtained with a portable chlorophyll fluorometer on site in the field / U. Rascher, M. Liebig, U. Lüttge // Plant Cell Environ. – 2000. – Vol. 23. – P. 1397.
  25. Byazrov, L. G. Lishayniki v ekologicheskom monitoringe [Lichens in environmental monitoring] / L. G. Byazrov. – Moscow : Nauchnyy mir, 2002. – 336 p.
  26. Zakhozhiy, I. G. Accumulation and localization of metals in lichen thallus under conditions of dust pollution during open mining of bauxite deposits / I. G. Zakhozhiy, M. A. Shelyakin // Russian Journal of Ecology. – 2024. – Vol. 55, № 1. – Р. 32–41.
  27. Shelyakin, M. A. Effects of dust pollution on photosynthesis and respiration parameters of lichens in the bauxite mine area / M. A. Shelyakin, I. G. Zakhozhiy, I. V. Dalke [et al.] // Russian Journal of Plant Physiology. – 2024. – Vol. 71. – Р. 116.
  28. Golovko, T. K. Reaktsiya lishaynikov na zagryazneniye sredy pri dobyche boksitovoy rudy v tayozhnoy zone [Reaction of lichens to environmental pollution during bauxite ore mining in the taiga zone] / T. K. Golovko, M. A. Shelyakin, I. G. Zakhozhiy [et al.] // Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya [Theoretical and Applied Ecology]. – 2018. – № 2. – P. 44–53.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Note

Based on the plenary report at the International Conference “Lichens: from Molecules to Ecosystems” (Syktyvkar, July 1–5, 2024).


Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».