The influence of Cameraria ohridella (Lepidoptera, Gracillariidae) on the activity of the enzymatic antioxidant system of protection of the assimilating organs of Aesculus hippocastanum in an urbogenic environment

In the last two decades, the horse chestnut (Aesculus hippocastanum L.), introduced into the steppe zone of Ukraine, has been severely affected by the horse chestnut leaf miner Camereraria ohridella Deschka & Dimič, 1986, which results in damage to the assimilating organs, premature leaf defoliation and, as a consequence, a significant reduction in the reserve substances required for normal life of the plant. In recent studies, the main focus has been placed on the study of the pest’s effects on the non-enzymatic antioxidant protection system of the representatives of the genus Aesculus, while the enzymatic system of horse chestnut protection from the active forms of oxygen under stress is still poorly understood. The purpose of this study was to evaluate the reaction of catalase and two peroxidases of A. hippocastanum leaves, which differ in the level of damage by C. ohridella. The intensity of damage to A. hippocastanum leaves by the horse chestnut leaf miner in the park zones and botanical gardens of Dnipro city was determined, the activity and isoenzyme composition of benzidine-peroxidase, activity of guaiacol-peroxidase and catalase were measured. The lowest average benzidine-peroxidase activity was found in the group of trees with low level of leaf blight and the highest activity – in the group with high level. The opposite dependence was shown by catalase, the activity of which significantly decreases with increasing level of damage inflicted by the phytophage on the chestnut’s assimilating organs. Based on the determination of the variation coefficients, it has been shown that benzidine-peroxidase activity has a higher level of variability than that of catalase and guaiacol-peroxidase. It is established that under the influence of the leaf miner, activity of guaiacol-peroxidase was significantly higher by 87.1% and 75.6%, respectively, for medium and high levels of damage caused to the leaf by this phytophage as compared to that for low levels of damage. The increased level of leaf damage caused by the phytophage is reflected in the change in the isozyme profile of benzidine-peroxidase. The high activity of benzidine-peroxidase in the leaves of A. hippocastanum is due to the presence of several molecular forms that exhibit maximum activity in the narrow pH range (4.15–4.69). Quantitative redistribution of activity between the different molecular forms of benzidine peroxidase can be considered as the main regularity of changes in the expression of benzidine-peroxidase caused by different levels of leaf damage. The results showed that only one benzidine-peroxidase isoform with an isoelectric point of 4.15 shows a significant increase in activity (on average by 2.1 times) in A. hippocastanum leaves with medium and high levels of damage by C. ohridella. Significant reduction in activity is reported for dominant isoperoxidase with an isoelectric point of 4.25 revealing medium pest damage, and for high damage only a decreasing tendency is shown. The data obtained show that horse chestnut trees can specifically respond to mechanical damage by C. ohridella to leaves due to the changes in the activity of individual molecular forms of peroxidase. Further studies of oxidative metabolism are needed to understand the formation of resistance of representatives of the Aesculus genus to damage caused by this moth species based on a wider range of redox enzymes

Age estimation of black locust (Robinia pseudoacacia) based on morphometric traits

The use of black locust (Robinia pseudoacacia L.) is still controversial, especially in managed forests, due to its invasive nature. The black locust has been proven effective in reclamation of degraded lands when native species are not an alternative in the face of the climate change and desertification. Therefore, the importance of black locust in European ecosystems remains a matter of debate. Of course, it is an adventitious species originating from another continent. However, the ecological characteristics of the species in its natural range are very useful for ensuring the restoration of vegetation cover in areas that have experienced significant anthropogenic pressure. This species has a large number of important and useful features that make it an important agent in the forestry system and provide significant environmental and economic benefits. The status of black locust as an invasive species, i.e. one that is capable of uncontrolled spread, remains speculative. Such a conclusion requires various studies, including those identifying exact age of the plants based on morphometric parameters. In our study, we tested the hypothesis that plant height and trunk diameter will allow for an accurate assessment of black locust age. The plants of black locust were measured in the zone of spontaneous self-seeding of plants from a planted 60-years-old forest. The plants dispersed towards a fallow land, formed in the corner of an agricultural field. The spreading began 15 to 20 years ago. The plants are mainly propagated by seedlings. An expert estimated the age of the plants visually. The measured trees were cut to obtain cross sections to account for the number of annual rings. A total of 68 trees were examined for morphometric characters. Black locust communities during self-dispersal are represented by individuals of different ages. The spatial pattern of distribution of individuals of different ages can reveal the spatial and temporal dynamics of the formation of spontaneous populations of black locust. For this purpose, it is critical to accurately identify the age of a large sample. Expert estimation of age is fast and fairly accurate, but it depends greatly on the qualifications of the expert and oftentimes plant ages are underestimated, especially in the early stages of population development. Plant height is also a good predictor of plant age, but the model gives poor predictions for plants older than 10 years. The tree height ranged 2.3 to 16.0 meters. The diameter at breast height (DBH) ranged 1.0 to 17.5 cm. The diameter at the root collar (DRC) ranged 1.6 to 21.7 cm. The age of the studied trees, determined by the number of annual rings per transect, ranged 6 to 17 years. The age of the trees according to the expert estimates was 8.2 ± 4.8 years. The expert estimates of age and the age according to the number of annual rings were statistically significantly different. The expert estimates of tree age were linearly related to tree size, while estimates of the number of annual rings showed a logarithmic relationship with tree height. Expert estimates also showed a closer relationship with tree height, while the relationship of estimates based on the number of annual rings had a slightly lower dependence on the morphometric traits. Regression analysis showed that there is a linear relationship between morphometric traits of the black locust. The coefficient of determination for the dependence of diameter at breast height on tree height was 0.96, and for the dependence of diameter at the base of the trunk on diameter at breast height was 0.97. This indicates a high level of multicollinearity of these morphometric traits when considering them as predictors of plant age. Taking into account the diameter at breast height and the diameter at the level of the root collar significantly improved the predictive ability of the model for identifying the age of the black locust trees

Urban park layers: Spatial variation in plant community structure

Horizontal structure of natural plant communities attracted the attention of researchers for a long time, while the problem of horizontal structure of urban park plantations was not studied sufficiently. Species richness of different tiers of park plantation in the large industrial city of Dnipro (Ukraine) was revealed in this study. Also features of variation in the structure of plant communities at different spatial levels were revealed, the influence of park plantation canopy on the understory and herbaceous layer of the park. There were 30 plant species in the tree layer of the park plantation. The most common species were Robinia pseudoacacia L., Acer platanoides L., A. negundo L., Gleditsia triacanthos L., Aesculus hippocastanum L., Populus carolinensis Moench. The variance-to-mean ratio revealed that 13 tree species were randomly distributed throughout the park, and 14 species were aggregated. The number of occurrences of a given tree species per site and variance-to-mean ratio were positively correlated. The numerous tree species showed a tendency of aggregated distribution within the park. Sixteen plant species were found in the understory. Among them, the most abundant species were Acer platanoides L., A. negundo L., A. pseudoplatanus L., Sambucus nigra L., Robinia pseudoacacia L. Eight species were found to be randomly distributed over the park area, and eight species showed an aggregate distribution. The number of species encountered in the understory and variance-to-mean ratio were positively correlated. In the herbaceous stand, 99 plant species were found, of which Chelidonium majus L., Viola odorata L., Impatiens parviflora DC., Parthenocissus quinquefolia (L.) Planch., Geum urbanum L. predominated. The variance-to-mean ratio of all species was significantly less than unity, indicating regular spatial distribution. The values of alpha- and gamma-diversity of the plant community in separate layers are very different. The highest gamma diversity was found for the herbaceous stand, while the diversity of the tree stand and understory was significantly lower. Alpha biodiversity of the tree stand and the understory did not practically differ. Beta diversity values between the layers are very close, and beta diversity is practically equal for tree stand and herbaceous layer. Thus, we can assume that the mechanisms of species turnover for the plant communities of different layers are determined by the common causes. The spatial broad-scale component was able to explain 8.2% of community variation, the medium-scale component was able to explain 4.2% of community variation, and the fine-scale component was able to explain 0.7% of community variation. The understory is the most sensitive to the environmental factors, the herbaceous stand is somewhat less sensitive, and the tree stand is the least sensitive to the environmental factors. The environmental factors in this study are represented by a set of variables. The spatial variation of the stand is predominantly influenced by the factors of trophicity and moisture of the edaphotope. These same factors also act on the herbaceous stand and understory, but along with them are included the environmental variables, which are determined by the architectonics of the crown space and thus the light regime, which is regulated by the tree stand. It is important to note that the variation of the communities of the different layers of the park plantation is subject to spatial patterns. The herbaceous and understory variation is more spatially structured than the tree stand variation. The spatial patterns can arise as a result of the influence of spatially structured environmental factors and as a result of factors of a neutral nature. The latter aspect of variation is best described by the pure spatial component of community variation

The problem of assessing the viability of invasive species in the conditions of the steppe zone of Ukraine

За оцінками ФАО та МСОП, щорічно збільшується кількість видів, які за впливу прямої чи опосередкованої дії людини потрапляють у непритаманні для себе, нові умови. Частина цих організмів, пристосувавшись, починає конкурувати з аборигенними видами, втручаючись у сталі екологічні функції різних екосистем. Для європейських країн визначено перелік із 435 видів карантинних організмів, які мають різні статуси небезпеки (як екологічної, так і економічної, адже своєю життєдіяльністю щорічно завдають прямих економічних збитків). Кількість потенційних інвазивних видів, здатних проникнути на територію України, зараз фахівці оцінюють у 1 500 видів. Порушення, викликані впливом інвазійних видів, зумовлюють пряму та опосередковану загрозу безпосередньо здоров’ю людини. На початок ХХІ ст. проблема оцінювання ризиків проникнення інвазійних видів та контролю вже існуючих лежить у царині національної безпеки кожної сучасної держави. Оцінка ризику, який може спричинити життєдіяльність інвазійного виду – це оцінка здатності його організму виживати в умовах нового навколишнього середовища. Аналіз досліджень виживання різних інвазійних видів (рослин, безхребетних і хребетних тварини) показав, що переважна більшість авторів дає оцінку лише видовим і популяційним характеристикам, що у більшості випадків не повною мірою відображає спроможність виду-вселенця адаптуватись до нових умов довкілля. Отже, потрібно розробити нову методику оцінювання життєздатності інвазійних видів. Запропоновано новий підхід, спрямований на оцінку потенціалу адаптаційних можливостей інвазійних організмів у новому для них середовищі. На відміну від аналогів, запропоновано трирівневий підхід до оцінювання життєдіяльності та екологічних функцій інвазійних видів. Окрім класичних видових і популяційних досліджень, пропонується здійснити біохімічне оцінювання стресостійкості інвазійних видів. Адже стресостійкість можна розглядати як основну реакцію організму на зміни сталих компонентів середовища. Проблема антиоксидантного захисту дуже актуальна в наш час. Але донині немає чіткої відповіді на питання про те, як реагують на вплив різних чинників, на стрес інвазійні організми, потрапляючи до нового середовища, та чому клітина використовує різні захисні системи адаптації до дії одного і того самого чинника. Оксидативний стрес – стан, за якого утворення активних форм кисню (АФК) переважає над процесами їх знешкодження, у результаті чого відбувається порушення основних обмінних процесів. Активні форми кисню разом з антиоксидантами складають систему клітинної редокс-сигналізації, яка, у свою чергу, є невід’ємним елементом загальної сигнальної мережі як клітини, так і цілого організму. Порушення балансу між утворенням АФК та їх знешкодженням антиоксидантами може спричинювати пошкодження біополімерів, ліпідів та, в кінцевому випадку, – загибель клітини. Індукція АФК-залежних шляхів сигнальної трансдукції за впливу різних зовнішніх чинників може спричиняти активацію антиоксидантної системи, а, отже, підвищити стійкість організмів до стресорів різної природи в різних умовах існування. При цьому механізми взаємодії різних компонентів антиоксидантної системи все ще залишаються маловивченими. Незалежно від тривалості життя організму, яка вимірюється днями чи десятилітттями, O2 небезпечний для всіх організмів – рослин, комах, хребетних тварин тощо. Так, комахи не захищені від шкідливої дії АФК. Вони можуть бути особливо схильні до оксидативного стресу. Рослини, потрапляючи до нового середовища, зазнають осмотичного та іонного стресу, які поряд із сольовим стресом можуть викликати розвиток вторинного оксидативного стресу. Останній визначають як короткочасне або тривале підвищення стаціонарної концентрації АФК, що викликає порушення клітинного метаболізму та його регуляції, а також пошкодження клітинних компартментів. У захисті як рослин, так і тварин від дії стресових чинників ключову роль відіграють антиоксиданти, які можуть бути представлені низькомолекулярними сполуками та антиоксидантними ферментами. Запропоновано новий підхід до оцінки стресостійкості інвазійних організмів. Запропоновано розробити нову методику, яка б надала можливість зробити якісний прогноз, які адаптаційні можливості має інвазійний вид і які саме екологічні функції та за який проміжок часу він зможе виконувати в нових для себе екосистемах. За оцінками ФАО та МСОП, щорічно збільшується кількість видів, які за впливу прямої чи опосередкованої дії людини потрапляють у непритаманні для себе, нові умови. Частина цих організмів, пристосувавшись, починає конкурувати з аборигенними видами, втручаючись у сталі екологічні функції різних екосистем. Для європейських країн визначено перелік із 435 видів карантинних організмів, які мають різні статуси небезпеки (як екологічної, так і економічної, адже своєю життєдіяльністю щорічно завдають прямих економічних збитків). Кількість потенційних інвазивних видів, здатних проникнути на територію України, зараз фахівці оцінюють у 1 500 видів. Порушення, викликані впливом інвазійних видів, зумовлюють пряму та опосередковану загрозу безпосередньо здоров’ю людини. На початок ХХІ ст. проблема оцінювання ризиків проникнення інвазійних видів та контролю вже існуючих лежить у царині національної безпеки кожної сучасної держави. Оцінка ризику, який може спричинити життєдіяльність інвазійного виду – це оцінка здатності його організму виживати в умовах нового навколишнього середовища. Аналіз досліджень виживання різних інвазійних видів (рослин, безхребетних і хребетних тварини) показав, що переважна більшість авторів дає оцінку лише видовим і популяційним характеристикам, що у більшості випадків не повною мірою відображає спроможність виду-вселенця адаптуватись до нових умов довкілля. Отже, потрібно розробити нову методику оцінювання життєздатності інвазійних видів. Запропоновано новий підхід, спрямований на оцінку потенціалу адаптаційних можливостей інвазійних організмів у новому для них середовищі. На відміну від аналогів, запропоновано трирівневий підхід до оцінювання життєдіяльності та екологічних функцій інвазійних видів. Окрім класичних видових і популяційних досліджень, пропонується здійснити біохімічне оцінювання стресостійкості інвазійних видів. Адже стресостійкість можна розглядати як основну реакцію організму на зміни сталих компонентів середовища. Проблема антиоксидантного захисту дуже актуальна в наш час. Але донині немає чіткої відповіді на питання про те, як реагують на вплив різних чинників, на стрес інвазійні організми, потрапляючи до нового середовища, та чому клітина використовує різні захисні системи адаптації до дії одного і того самого чинника. Оксидативний стрес – стан, за якого утворення активних форм кисню (АФК) переважає над процесами їх знешкодження, у результаті чого відбувається порушення основних обмінних процесів. Активні форми кисню разом з антиоксидантами складають систему клітинної редокс-сигналізації, яка, у свою чергу, є невід’ємним елементом загальної сигнальної мережі як клітини, так і цілого організму. Порушення балансу між утворенням АФК та їх знешкодженням антиоксидантами може спричинювати пошкодження біополімерів, ліпідів та, в кінцевому випадку, – загибель клітини. Індукція АФК-залежних шляхів сигнальної трансдукції за впливу різних зовнішніх чинників може спричиняти активацію антиоксидантної системи, а, отже, підвищити стійкість організмів до стресорів різної природи в різних умовах існування. При цьому механізми взаємодії різних компонентів антиоксидантної системи все ще залишаються маловивченими. Незалежно від тривалості життя організму, яка вимірюється днями чи десятилітттями, O2 небезпечний для всіх організмів – рослин, комах, хребетних тварин тощо. Так, комахи не захищені від шкідливої дії АФК. Вони можуть бути особливо схильні до оксидативного стресу. Рослини, потрапляючи до нового середовища, зазнають осмотичного та іонного стресу, які поряд із сольовим стресом можуть викликати розвиток вторинного оксидативного стресу. Останній визначають як короткочасне або тривале підвищення стаціонарної концентрації АФК, що викликає порушення клітинного метаболізму та його регуляції, а також пошкодження клітинних компартментів. У захисті як рослин, так і тварин від дії стресових чинників ключову роль відіграють антиоксиданти, які можуть бути представлені низькомолекулярними сполуками та антиоксидантними ферментами. Запропоновано новий підхід до оцінки стресостійкості інвазійних організмів. Запропоновано розробити нову методику, яка б надала можливість зробити якісний прогноз, які адаптаційні можливості має інвазійний вид і які саме екологічні функції та за який проміжок часу він зможе виконувати в нових для себе екосистемах. This article proposes a completely new method of resolving the pressing global environmental problem of assessing the capacity of invasive organisms to adapt to new environmental conditions. A new three-step approach to the evaluation of vital and ecological functions of invasive species is recommended. In addition to classic species and population surveys, it was proposed to apply a stress-resistance biochemical assessment of invasive species. Stress resistance can be regarded as the main response of living organisms to changes in continuous environmental components. The obtained results will provide an opportunity to give a qualitative prognisis of what adaptive capacity an invasive species has,what precise ecological functions and for what time period it can perform in a new ecosystem

Heavy metal accumulation by Acer platanoides and Robinia pseudoacacia in an industrial city (Northern Steppe of Ukraine)

The role of tree species as a tool for bioaccumulation of heavy metals is an important current issue within the context of the increase of anthropogenic pressure in urban ecosystems. The article presents the results of research on the level of soil contamination with heavy metals and the processes of their accumulation by native and introduced tree species in green spaces of Dnipro city. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was used to detect concentrations of heavy metals (Zn, Cu, Cd, Pb) in soil samples and the assimilation component in trees of black locust (Robinia pseudoacacia) and Norway maple (Acer platanoides). The ranges of mean concentrations of heavy metals at different study sites within the city’s green infrastructure were as follows (mg/kg): 30.7–185.5 for Zn, 5.7–22.4 for Cu, 9.0–31.3 for Pb, and 0.213–0.598 for Cd. With respect to all four of these metals, the soils of the Metallurgists Square location were characterized by the highest concentrations of the metals, and the Pridneprovsky Park in the area of the outskirts of Dnipro city was characterized by the lowest ones. Compared to soils, the two investigated tree species had a significantly lower content of all studied metals in leaves. The heavy metal accumulations in the leaves of both R. pseudoacacia and A. platanoides were observed in the following decreasing order: Zn > Cu > Pb > Cd. Regarding the migration of heavy metals in the soil-plant system, the concentrations of ecopollutants in the plants were found not to be dependent on their content in the soil environment. The calculated bioaccumulation coefficients of heavy metals for both tree species were < 1. However, the results of heavy metal concentration in leaves of both introduced and native tree species evidenced their special role in heavy metal bioaccumulation. Compared to R. pseudoacacia, such native species as A. platanoides can be considered to be a more “sensitive” bioindicator of environmental pollution caused by heavy metals. Planting fast-growing tree species such as R. pseudoacacia and A. platanoides can in a short time be an environmentally appropriate and cost-effective measure to mitigate the unfavourable effects of heavy metals on the environment

Impact of ions of zinc and cadmium on body weight, fertility and condition of the tissues and organs of Procambarus virginalis (Decapoda, Cambaridae)

Heavy metals cause functional disorders in the tissues and organs of hydrobionts, affecting their linear-weight indicators, reproductive system, digestive and eliminative organs. Using the method of histological estimation of the conditions of the tissues and organs of Procambarus virginalis Lyko, 2017 allowed us to determine the peculiarities of adaptation of crustaceans to the effect of different concentrations of heavy metal ions in the conditions of a modeling experiment. We studied the impact ions of zinc (0.1 mg/l) and cadmium (0.01 mg/l) on the organism of P. virginalis. The heavy metal ions had a negative effect on the weight indicators, survivability and reproduction of P. virginalis. During the experiments with zinc, we observed death of 18.2% of the tested сrustaceans; the highest death rate was observed in the experiment with cadmium – 27.3%. Experimentally modeled concentrations of heavy metals negatively affected the reproductive system of P. virginalis. In the experiment with cadmium ions, we observed no spawning; the highest percentage of the females with deposed eggs was observed in the control – 29.1%. The conducted studies allowed us to observe the reaction of the eliminatory system of P. virginalis to the impact of heavy metal ions. The impact of ions of zinc and cadmium decreased the area of secretory cells of the green gland by 10.4–14.8%. We observed grinding of the nuclear cell apparatus. Therefore, the nucleii of granulocytes were 23.6% smaller under the impact of zinc, and 17.5% smaller under the influence of cadmium. The sizes of cells and nucleus apparatus decreased mutually and proportionally; this was proven by stable indicators of nucleus-cytoplasm ratio, its value equaled 0.29–0.31 units. The given concentrations of heavy metals did not affect the histological condition of the adipose tissue, the sizes of adipocytes fluctuated within the range of 215–2178 μm2, the average equaled 872–994 μm2. We determined the negative effect of heavy metals on the histological structure of the hepatopancreas and the value of gland lumens. In the control, the area of previous section equaled 164.5 μm2 with 39 μm2 lumen. During the experiment with zinc ions the structures of hepatopancreas increased by 19.9%, and in the experiment with cadmium, we observed the highest increase in the structural elements of the tissues – by 50.2%. The worst histological condition of the cells of the tested tissues and organs of P. virginalis was observed among individuals impacted by the cadmium ions; this is explained by the high toxic effect of this heavy metal

Modeling the spatial variation of urban park ecological properties using remote sensing data

Parks perform a wide range of ecosystem services in urban environments. The functional importance of parks depends on the composition and structure of the tree stand and the specific influence on soil and microclimatic conditions. The article reveals the dependence of soil and microclimatic properties on the structure of the crown space of a park stand. Spectral indices were also shown to be applicable for predicting the spatial variability of soil and climatic properties and indicators of crown space. Soil properties (temperature, moisture, and electrical conductivity in the 5–7 cm layer) and microclimatic parameters (light exposure, air temperature, and atmospheric humidity) were measured in the park plantation using a quasi-regular grid. The canopy structure and gap light transmission indices were extracted from the true-colour fisheye photographs. Thirty species of trees and shrubs were detected in the stand and understory. Robinia pseudoacacia L. was found most frequently (24.5% of all tree records). Acer negundo L. and A. platanoides L. were also frequent (12.4% and 15.5%, respectively). The first four principal components, whose eigenvalues exceeded unity, were extracted by the principal components analysis of the variability of ecological properties and vegetation indices. The principal component 1 explained 50.5% of the variation of the traits and positively correlated with the spectral vegetation indices. The principal component 1 reflected the variability of tree cover densities due to the edaphic trophicity. The principal component 2 described 13% of the variation in the feature space. This component correlated positively with the spectral indices. The principal component 2 was interpreted as a trend of vegetation cover variability induced by moisture variation. The principal component 3 described 8.6% of trait variation. It was most strongly correlated with the atmospheric humidity. An increase in atmospheric humidity was associated with an increase in the soil moisture and electrical conductivity and a decrease in the soil and atmospheric temperature. The principal component 4 described 7.5 % of the variation of traits. An increase in the values of principal component 4 was associated with an increase in the soil moisture and electrical conductivity and atmospheric moisture and was associated with a decrease in the soil and atmospheric temperature. The combinations of the trophotope and hygrotope create the optimal conditions for specific tree species, which is a condition for achieving the maximization of ecosystem services. The mineral nutrition conditions of plants and soil moisture exhibit spatial patterns that allow them to be considered in the design and management of park plantations. The ecological indices measured in the field were shown to be predicted using the vegetation indices. Multiple regression models were able to explain 11–61% of indicator variation. The regression relationships between markers of soil and microclimatic conditions and vegetation predictors are important for monitoring the condition of park plantations and evaluating the performance of park plantation management tools