Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Остролодочник ханкайский Oxytropis chankaensis Jurtz. как объект исследования 6
1.1.1. Эколого-биологические особенности представителей рода Oxytropis 6
1.1.2. Систематическое положение, распространение, вопросы охраны О. chankaensis...9
1.1.3. Биологическая характеристика и практическое значение О. chankaensis 11
1.2. Изучение изменчивости в природных популяциях растений 14
1.2.1. Анализ изменчивости морфологических признаков 16
1.2.2. Молекулярные маркеры для исследования генетической изменчивости 21
1.2.3. Уровень генетического разнообразия в популяциях редких видов растений 34
1.2.4. Аллозимная изменчивость полиплоидов 42
Глава 2. Материалы и методы
2.1. Материалы 49
2.2. Методы 51
2.3. Статистическая обработка „63
Глава 3. Биоморфологическая характеристика вида
3.1. Биоморфология и онтогенез О. chankaensis 67
3.2. Возрастная структура и численность популяций. 75
3.3. Репродуктивная биология О. chankaensis 86
Глава 4. Изменчивость морфологических признаков О. chankaensis
4.1. Оценка параметров морфологических признаков 107
4.2. Дисперсионный анализ признаков О. chankaensis 115
4.3. Многомерный анализ морфологической изменчивости 116
Глава 5. Аллозимный полиморфизм популяций О. chankaensis
5.1. Описание ферментных систем и определение типа полиплоидии 122
5.2. Частоты аллелей, оценка равновесия и показатели полиморфизма в популяциях.. 135
5.3. Подразделенность и дифференциация популяций О. chankaensis 152
Заключение 160
Выводы 164
Литература 166
- Биологическая характеристика и практическое значение О. chankaensis
- Молекулярные маркеры для исследования генетической изменчивости
- Биоморфология и онтогенез О. chankaensis
- Оценка параметров морфологических признаков
Введение к работе
Эндемичные виды растений часто характеризуются узкой специализацией, приспособленностью к строго определенным условиям существования, и, как следствие, прерывистым распространением даже в пределах основного ареала. Такие эндемики составляют наиболее уязвимую часть региональных флор; изменение биотопов под влиянием человека приводит к еще большему сокращению их ареала (Горчаковский, Зуева, 1984, 1993; Crawford et al., 2001; Luijten, 2001). Для видов, существующих в форме малых изолированных популяций, показано снижение генетического разнообразия, усиление негативных последствий генетического дрейфа и инбридинга, возрастание угрозы полного исчезновения фрагментированных популяций (Nei, 1973; Сулей, 1983; Godt, Hamrick, 1993; Luijten, 2001). Проблема малых популяций растений, выяснение механизмов их существования в последнее время приобретает большое значение. Подобные исследования необходимы, особенно в связи с тем, что усиливающееся антропогенное воздействие приводит к раздроблению и сокращению ареалов ранее широко распространенных видов растений (Журавлев и др., 1999; Lienert et al., 2002), так что в недалеком будущем обширные с высоким обилием популяции многих видов могут перейти в категорию малых популяций. С другой стороны, изучение малых популяций эндемичных растений необходимо в практических целях для организации их мониторинга, разработки мер по охране вида.
Остролодочник ханкайский Oxytropis chankaensis Jurtz. — травянистый многолетник из сем. Fabaceae, редкий эндемичный вид, рекомендованный к охране на Дальнем Востоке России (Харкевич, Качура, 1981) и включенный в Красную книгу Приморского края (Перечень..., 2002). Характеризуется узкой экологической приуроченностью к открытым пескам, встречается только на песчаных косах и отмелях западного побережья оз. Ханка и о-ве Сосновом (Приморье). Цитологическими методами установлено, что вид является тетраплоидом с 2n = 32 (Гурзенков, 1969; Жукова, 1983; Гурзенков, Павлова, 1984). О. chankaensis - высокодекоративное растение, неотъемлемый компонент уникального растительного сообщества (Крестов, Верхолат, 2003). О. chankaensis представляет интерес как потенциальный источник лекарственных средств: эксперименты по изучению биохимического состава показали наличие флавоноидов (Павлова, Уланова, 1971), все части растения О. chankaensis используют в составе различных лекарственных препаратов в "Центре тибетской медицины", г. Владивосток. Другие виды рода Oxytropis DC. также широко используют в тибетской медицине как кровоостанавливающее, сердечно-сосудистое и жаропонижающее средство, при инфекционных заболеваниях и интоксикациях (Шретер,
4 1975). Для близкого вида О. oxyphylla показано наличие кумаринов, проявляющих противоопухолевую активность в эксперименте (Цетлин и др., 1965). Из надземной части О. oxyphylla получен экстракт, содержащий биологически активные флавоноидные соединения, на основе которого разработан препарат «Оксофил» для лечения ринитов, обладающий противогипоксическим, анальгезирующим и противовоспалительным действием, а также способствующий восстановлению пораженных тканей (Кабишев, Саканян, 2002).
В последнее время популяции О. chankaensis испытывают нарастающие антропогенные воздействия почти по всему ареалу (строительство дорог, выпас скота, рекреация), приводящие к резкому снижению численности особей. Разрушение биотопов в результате человеческой деятельности может привести к дальнейшей фрагментации ареала и исчезновению отдельных популяций, численность которых достигает опасно низкого уровня. Для сохранения генофонда вида особенно важно определение уровня генетической изменчивости. Вместе с тем, для правильного истолкования генетической информации и обеспечения восстановления численности популяций необходим комплексный подход, вовлечение в анализ данных о биологии и жизненной стратегии вида, демографической структуре популяций и изменчивости количественных признаков. Подобный комплексный подход был применен в настоящей работе. Следует отметить, что в случае с О. chankaensis оценка полиморфизма имела свои особенности. Для полиплоидного вида корректная оценка уровня генетической изменчивости невозможна, если неизвестен тип полиплоидии (алло-или автополиплоидия). Определение типа полиплоидии имело решающее значение для описания генофонда О. chankaensis и разработки рекомендаций по сохранению вида.
Данный вид обладает рядом особенностей, привлекательных для исследования с позиций фундаментальной науки. В случае с о. ханкайским предоставляется возможность выяснить, как протекают различные эволюционные процессы в малых изолированных популяциях - в ненарушенных местообитаниях и в условиях антропогенного пресса. Кроме того, О. chankaensis может быть использован как модельная система для выяснения генетических последствий полиплоидии в природных популяциях. Полученные данные могут послужить научной основой для разработки стратегии сохранения и восстановления генофонда вида и внести определенный вклад в представление о механизмах поддержания генетического разнообразия у редких видов.
Все это определяет актуальность исследования данного вида.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании популяционно-генетической структуры и внутривидовой дифференциации редкого эндемичного тетраплоидного вида остролодочника ханкайского на основе изучения морфологической и генетической изменчивости.
Были поставлены следующие задачи:
1. Изучить особенности онтогенеза, возрастной структуры популяций и
репродуктивной биологии вида, охарактеризовать состояние популяций.
Оценить уровень изменчивости признаков вегетативной и генеративной сферы растения и степень внутривидовой дифференциации по морфологическим признакам.
Установить тип полиплоидии данного вида на основе электрофоретического анализа изоферментов, с учетом этого определить параметры генетического полиморфизма.
4. Разработать рекомендации для программы сохранения и восстановления
природных популяций остролодочника ханкайского.
Работа выполнена в Лаборатории биотехнологии Биолого-почвенного института ДВО РАН под руководством академика Ю.Н. Журавлева, в рамках плановой тематики лаборатории. Работа была частично поддержана грантом ДВО РАН "Молекулярные и эколого-физиологические маркёры в популяционно-генетических исследованиях редких видов растений Дальнего Востока".
Основные результаты работы получены автором лично.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность своему руководителю академику Ю.Н. Журавлеву и сотрудникам БПИ ДВО РАН, при участии которых были проведены следующие исследования: изучение морфологии пыльцы и завязей проведено совместно с M.H.C. лаб. биотехнологии О.В. Наконечной и н.с. лаб. биотехнологии Т.Ю. Горпенченко; изучение влияния различных режимов долговременного хранения на жизнеспособность семян проведено совместно с CT.H.C. лаб. биотехнологии Н.М. Воронковой; статистический анализ морфологических признаков проведен совместно с CT.H.C. лаб. энтомологии, к.б.н. С.К. Холиным; исследование аллозимного полиморфизма проведено при участии ст.н.с. лаб. биотехнологии, к.б.н. О.Г. Корень. Автор считает своим приятным долгом поблагодарить также сотрудников Государственного природного заповедника "Ханкайский" ст.н.с. И. В. Маслову и егеря В.М. Козырева за содействие при выполнении работы.
Биологическая характеристика и практическое значение О. chankaensis
Внутривидовое разнообразие описывается признаками - фенотипическими особенностями организма, характеризующими особей исследуемых группировок (Животовский, Глотов, 1976; Животовский, 1991). Признаки подразделяются на качественные и количественные. Признак относится к качественным, если совокупность особей можно однозначно разделить на четко различимые фенотипические группы. Качественные варианты признака, или по-другому, морфы, фенотипы, легко отличить друг от друга, они не поддаются непосредственному измерению и учитываются по наличию их у членов данной совокупности. Нередко сложные фенотипы дробят на элементарные качественные признаки - фены, выявлением и изучением которых занимается фенетика (Тимофеев-Ресовский и др., 1973; Яблоков, 1980, 1982). Основой фенетических исследований и методом выделения фенов может служить "закон гомологических рядов" Н.И. Вавилова (1922, пит. по Вавилов, 1987).
Количественными называют признаки, степень выраженности которых можно неформально охарактеризовать числом. Среди них выделяют дискретные (иначе, счетные или меристические), которые определяют путем подсчета, и непрерывные (метрические), определяемые путем измерений. Далеко не все виды растений обладают альтернативными качественными морфологическими признаками на внутривидовом уровне, либо, при их наличии, число этих признаков ограничено. Поэтому во многих случаях исследование структуры вида проводят по количественным признакам (Мамаев, Махнев, 1982; Семериков, 1986; Банаев, Шемберг, 2000).
Изучение количественных морфологических признаков необходимо по ряду причин. Во-первых, большинство важных с разных точек зрения особенностей морфологии растений количественные; во-вторых, они являются биологическими "индикаторами" среды; в-третьих, за ними может стоять большое число генов, представляющих иную часть генома, чем локусы, выявленные методами биохимической и молекулярной генетики; в-четвертых, именно количественные признаки связаны с адаптивными свойствами организма (Животовский, 1984, 1991; Семериков, 1986). Изучение изменчивости морфологических признаков растений (фенотипического разнообразия или фенотипической пластичности) предоставляет возможность: 1) определить генетическую гетерогенность популяций по количественным признакам, выявить популяции с наибольшим разнообразием и наибольшей приспособленностью к среде обитания (Глотов, 1983; Шалаева, 1989, 1998; Тихонова, 1992; Холина и др., 1997); 2) охарактеризовать состояние популяций редких и нуждающихся в охране видов растений (Бондарева, 1990; Кричфалуший, Будников, 1992; Вайнагий, Кричфалуший, 1994; Лавриненко и др., 1998; Холина и др., 2003); 3) оценить функциональную значимость признака по его положению в потоке изменчивости и результатам определения сопряженной изменчивости, а также улавливать направления естественного отбора по изменению характера распределения значений признака при сравнении разных популяций (Яблоков, 1987; Берг, 1993); 4) оценить последствия антропогеного нарушения экосистем (Глотов и др., 1995; Савинов, 1998; Трубина, 2001); 5) установить закономерности внутривидовой изменчивости и охарактеризовать популяционную структуру вида (Мамаев, Махнев, 1982; Семериков, 1986; Бондарева, 1988, 1990, 1994; Шемберг, Шемберг, 1994; Банаев, Шемберг, 2000; Лунева, 1997; Олонова, 1998; Daehler et al., 1999; Яковлев, 1999; Илюшко и др., 2001; Федоров, Мухаметзянова, 2002); 6) найти решение ряда спорных вопросов систематики (Семериков, 1986; Плеханова, Ростова, 1994; Банаев, Шемберг, 2000; Князева, 2004).
Изучение количественных признаков основано на их измерениях, результаты которых выражают в виде характеристик получаемых распределений, таких как среднее значение (Зс), среднее квадратичное отклонение (о), ошибка среднего значения (Sx), коэффициент вариации (Су)- Абсолютные значения признаков играют важную роль в популяционных исследованиях, в первую очередь, потому что размеры особей являются характеристикой тех экологических условий, в которых особи развиваются и живут (Майр, 1974), кроме того, изменчивость размерных показателей неоднородна в популяции и может отражать адаптивные процессы в ней (Soule, 1982). Степень варьирования признака, оцениваемая с помощью коэффициента вариации, является одной из базовых характеристик признака. В работах по морфологической изменчивости древесных растений С.А. Мамаевым была разработана эмпирическая шкала, характеризующая уровень варьирования признака (1975): если Су составляет менее 7%, уровень изменчивости характеризуется как очень низкий, от 8 до 12% - низкий, от 13 до 20% - средний, 21-30% - повышенный, 31-40% - высокий, более 40% - очень высокий. Средние и более высокие значения коэффициента вариации указывают на высокую гетерогенность популяции. Определение уровня варьирования признака позволяет охарактеризовать, относится признак к эволюционно стабильным или лабильным (Мамаев, Махнев, 1982), оценить его функциональную значимость с учетом аксиомы функциональной морфологии - функционально значимая структура более жестко детерминирована (Яблоков, 1987; Берг, 1993), и его диагностическую ценность (Авена, 1969; Баранникова, 1980; Лунева, 1997). Однако анализ изменчивости каждого отдельного признака (одномерные ряды распределений) не дает возможность судить ни о сопряженной изменчивости между признаками, ни о гетерогенности (структуре) популяций, установленной на этой основе. В связи с этим очевидны преимущества методов многомерного статистического анализа, позволяющего исследовать изменчивость по совокупности признаков.
Особь, характеризующаяся определенными значениями данного набора признаков, может быть геометрически задана точкой в многомерном пространстве признаков; координаты этой точки суть значения соответствующих признаков особи. Выборка особей в таком случае представляется в виде "облака" точек в этом пространстве, концентрирующихся около центра - средних значений признаков. Уровень и характер изменчивости выборки определяются размерами и формой "облака" (т.н. эллипса рассеяния), а также его расположением в пространстве признаков относительно других эллипсов, представляющих другие выборки. Для того, чтобы оценить эту изменчивость, используют методы многомерного анализа, описание которых представлено в ряде работ (Окунь, 1974; Айвазян и др., 1974, 1989; Афифи, Эйзен, 1982; Животовский, 1984, 1991; Кравцов, Милютин, 1985).
Из методов многомерной статистики чаще всего применяют два класса методов. К первому относятся методы факторного анализа, включающие собственно факторный анализ, канонический факторный анализ, анализ главных компонент, анализ главных координат. Ко второму - методы автоматической группировки, наиболее распространенными из которых являются различные модификации кластерного анализа.
Молекулярные маркеры для исследования генетической изменчивости
Анализ изменчивости количественных признаков позволяет получить представление о фенотипическом разнообразии вида и дифференциации популяций под влиянием отбора и в зависимости от окружающих условий среды, но не дает возможности охарактеризовать генетические процессы, протекающие в популяциях, и генетическую структуру вида. Параметры, характеризующие генетическую структуру и уровень изменчивости вида, степень сходства и различия между популяциями и видами, закономерности процессов миграции, генетического дрейфа, обмена генами, распределения изменчивости внутри и между популяциями были установлены на основе молекулярных маркеров (Левонтин, 1978; Айала, 1984; Левитес, 1986; Алтухов, 2003; Nei, 1972, 1975; Tanksley, Orton, 1983; Hamrick, 1983; Slatkin, 1985, 1989, и др.), среди которых наиболее информативными и надежными являются изоферментные маркеры.
Аллозимный анализ Изоферменты, или изозимы, по определению Международной комиссии по биохимической номенклатуре (ШРАС-ШВ.., 1971, цит. по Левитес, 1986) - это генетически детерминированные множественные молекулярные формы фермента, выявляемые у особей одного и того же вида и обладающие одинаковой субстратной специфичностью, но различающиеся своей первичной структурой и физико-химическими свойствами. Генетически гомологичные изозимы, кодируемые аллельными генами одного локуса, предложено называть аллозимами (Prakash et al., 1969).
Использование электрофоретических вариантов белков как маркеров генов основано на соответствии последовательности нуклеотидов в генах и последовательности аминокислот в полипептидах. Влияние генных мутаций на первичную структуру белка было установлено уже в первых работах в области биохимической генетики популяций. В этих исследованиях было описано аномальное электрофоретическое поведение гемоглобина при серповидноклеточной анемии у человека (Pauling et al., 1949), доказано наследование этой патологии как простого менделирующего признака (Beet, 1949; Neel, 1949), и обнаружено, что разница между нормальным и аномальным электрофоретическими типами определяется мутационным замещением глутаминовой кислоты валином в положении 6 глобиновой р-цепи (Ingram, 1957, 1961). Данные о том, что замены аминокислотных остатков в белках в результате мутаций могут изменять физико-химические свойства белков, в частности, их электрофоретическую подвижность, легли в основу использования электрофоретических методов для выявления биохимической наследственной изменчивости. Принципиальное значение имело создание высокоразрешающих аналитических методов электрофореза белков в крахмальном (Smithies, 1955) и полиакриламидном (Raymond, 1964) гелях.
Электрофоретическое разделение экстрактов белков в геле с последующим гистохимическим окрашиванием с целью их выявления является основным методом исследования изоферментов. Впервые метод гель-электрофореза для анализа изоферментов был использован при изучении эстераз (Hunter, Markert, 1957). В дальнейшем метод получил широкое распространение в силу ряда достоинств, которые подчеркиваются и в экспериментальных, и в обзорных работах (Gottlieb, 1977; Tanksley, Orton, 1983; Левитес, 1986; Гончаренко и др., 1989; Алтухов, 2003). Достоинства заключаются в следующем: 1) специфичность метода гистохимического окрашивания позволяет выявлять индивидуальные ферменты на электрофореграмме, полученной от смеси белков; 2) отсутствие необходимости предварительного фракционирования белков позволяет анализировать свежеэкстрагированный, нативный материал; 3) возможность использовать малое количество материала (несколько мг ткани), при этом анализировать много проб одновременно и сразу определять их генотипы. В генетике и селекции животных и растений наиболее широко применяется метод электрофореза в крахмальном геле, что связано с дешевизной и доступностью компонентов геля, простотой приготовления геля и возможностью анализировать сразу несколько ферментов в разных срезах одного геля. Для проведения электрофоретического анализа изоферментов, или, иначе -аллозимного анализа - образцы тканей гомогенизируют для освобождения из клеток ферментов и других белков, гомогенаты помещают в стартовые щели геля. После этого через гель пропускают (обычно в течение нескольких часов) постоянный электрический ток, под действием которого ферменты начинают перемещаться в геле. Скорость и направление их перемещения определяются размерами и суммарным электрическим зарядом соответствующих молекул ферментов. После выключения тока гель обрабатывают раствором, содержащим субстрат, специфически взаимодействующий с исследуемым ферментом, и вещество, реагирующее с продуктом реакции, катализируемой этим ферментом. В том месте геля, куда переместился исследуемый фермент, происходит определенная химическая реакция, которую в общем виде можно записать следующим образом:
По числу и расположению окрашенных фракций в геле можно судить о генах, кодирующих данный фермент у каждой содержащейся в выборке особи. Независимая изменчивость в нескольких зонах активности предполагает, что эти зоны контролируются отдельными локусами. Интерпретация изоферментных спектров связана с представлением о кодоминантном типе наследования аллозимов (в гетерозиготе активны оба аллеля) и субъединичной структуре соответствующих ферментов. Гомозиготные особи, вне зависимости от структуры фермента, имеют на фореграммах однополосный фенотип. Гетерозиготы по локусам, кодирующим мономерные ферменты, состоящие из одного полипептида, обнаруживают двухполосные фенотипы с характерным распределением активности между полосами 1:1 (рис. 1.2.2, А, Б). Для димерных ферментов, состоящих из двух идентичных субъединиц, электрофоретических вариантов у гетерозигот будет три, учитывая свободную комбинаторику субъединиц, с распределением активности 1:2:1 (рис. 1.2.2, В). Для гетерозигот тетрамерных ферментов типичен пятиполосный фенотип с интенсивностями пропорционально 1:4:6:4:1 (рис. 1.2.2, Г, Д).
Кроме взаимодействия аллельных продуктов, имеются некоторые причины, приводящие к возникновению сложных спектров. Мультимерные ферменты, продукты разных неаллельных генов, нередко образуют межлокусные гетеромультимеры (гетеродимеры, гетеротетрамеры и т.д.). В этом случае на геле появляются дополнительные "гибридные" зоны активности, промежуточные по подвижности между зонами, контролируемыми отдельными локусами. К усложнению анализа электрофореграмм приводит и наличие так называемых ноль-аллелей, когда в результате мутаций синтез субъединицы или не происходит, или белок образуется, но не обладает ферментной активностью. Эффект такого гена выявляется по отсутствию зоны активности на электрофореграмме, в гетерозиготном состоянии такой аллель может быть обнаружен в случае неполного доминирования нормального аллеля ("эффект дозы") (Алтухов, 2003). Эффекты дозы гена также выявляются на фореграммах в случае полиплоидии (см. глава 1, раздел 1.2.4). Основы генетики изоферментов подробно изложены в ряде оригинальных работ и обзоров (Tanksley, Orton, 1983; Левитес, 1986; Гончаренко и др., 1989; Kephart, 1990).
Биоморфология и онтогенез О. chankaensis
Морфологическое описание растений приведено в работах Б.А. Юрцева (1964а) и Н.С. Павловой (1989) (см. главу 1). По типу жизненной формы О. chankaensis охарактеризован как травянистый поликарпический летнезеленый стержнекорневой вегетативно-неподвижный многолетник с многоглавым каудексом, розеточными моноподиально нарастающими побегами и пазушными генеративными побегами (Безделев, 2002; Холина и др., 2003). В настоящей работе впервые приведена подробная биоморфологическая характеристика вида.
Корневая система стержневая, с многочисленными тонкими эластичными боковыми корнями, которые расположены в базальной части главного корня и широко распространяются в горизонтальном направлении. Корень остролодочника обладает контрактильной способностью, на что указывают поперечные морщинки, особенно заметные в базальной части. Кроме того, при выдувании и осыпании песка корень спирально скручивается, приближая куст к понизившейся поверхности субстрата. Корень гибкий, волокнистый, прочный на разрыв, сохраняется в течение всей жизни. Для некоторых растений отмечена неполная старческая партикуляция. Процессы партикуляции охватывают центральную часть корня и основания надземных побегов, и растение отрастает за счет развития придаточных почек, образующих побеги по периферии разросшегося каудекса, середина которого утрамбовывается, засыпается песком, старыми остатками растений.
Надземные побеги у взрослых растений двух типов: главные вегетативные розеточные и пазушные удлиненные генеративные. Моноподиально нарастающий многолетний (полициклический) побег слагается из элементарных одногодичных побегов (приростов). С возрастом удлинившиеся побеги приобретают плагиотропное направление с ортотропно приподнимающейся верхушкой. Из оснований розеточных побегов при втягивании их в почву образуется каудекс. На каудексе продолжительное время видны листовые рубцы, а его верхняя часть покрыта основаниями черешков отмерших листьев, в пазухах которых располагаются спящие почки, заложившиеся еще в пазухах живых листьев. Нами было отмечено появление розеточных побегов из спящих почек каудекса при повреждении или гибели живых побегов, когда растения были засыпаны песком или погибли после значительного подъема воды в озере. Листья длительное время после созревания семян сохраняются зелеными. Черешки листьев прошлых лет или их остатки сохраняются на побегах всех порядков, и по ним можно определить возраст растения (Работнов, 1960). В пазухах листьев закладываются почки возобновления и генеративные зачатки соцветий-стрелок. Генеративные побеги безлистные, моноциклические, монокарпические.
О. chankaensis - гемикриптофит. Внутрипочечный побег осенью сформирован полностью с разной степенью сформированности цветка в зачаточном соцветии. Весной происходит раскрытие почек, линейное увеличение и развитие вегетативных и генеративных органов, при этом цветение иногда опережает развитие побегов.
Особенности строения особей О. chankaensis позволяют виду существовать в неустойчивых местообитаниях на сухих прибрежных песках оз. Ханка. Свойства песка как субстрата - хорошая аэрация, относительно высокая влажность, рыхлость, возможная подвижность - оказали несомненное влияние на эколого-морфологическую структуру остролодочника. Горизонтальная корневая система чрезвычайно характерна для псаммофитов (Варминг, 1902; Ротов, 1964, 1969; Гатцук, 1967, 1968; Нечаева и др., 1973; Bowers, 1984). Корневые системы псаммофитов закрепляют растения при движении песка; благодаря боковым корням создается огромная зона всасывания - горизонтальные корни используют влагу приповерхностных горизонтов. Волокнистое внутренне строение корня остролодочника увеличивает его прочность на разрыв, что очень важно при интенсивном сдвигании песка, особенно весной во время разламывания льда на озере. Длительное функционирование стержневого корня, по-видимому, определяет большую общую продолжительность жизни и периода старения у остролодочника по сравнению с видами, корневая система которых менее заглублена, как это было показано при сравнении двух видов клевера, лугового и горного (Заугольнова и др., 1991). Запас спящих почек на каудексе обеспечивает способность образовывать розеточные побеги при повреждении или засыпании существующих. Еще одной характерной чертой псаммофитов (Ротов, 1964, 1969; Гатцук, 1967, 1968; Нечаева и др., 1973 Bowers, 1984), обнаруженной и у О. chankaensis, является интенсивное ветвление скелетных осей. Высокая степень развития разветвленной части побегов с большим количеством листьев приводит к увеличению транспирации, которая способствует охлаждению поверхности побегов, нагревающихся солнечными лучами, кроме того, интенсивное ветвление приводит к увеличению семенной продуктивности. Морфологические адаптации остролодочника проявляются и в типе жизненной формы. Розеточный побег, также характерный для псаммофитов (Ротов, 1969; Нечаева и др., 1973 Bowers, 1984), способствует более успешной перезимовке и обеспечивает экономное расходование энергии на построение вегетативного тела (Пленник, Кузнецова, 19766; Марков, 1990; Хмелев и др., 2003). В своей работе по биологии розеточных и полурозеточных растений М.В. Марков показал (1990), что розеточность - это способ быстрого наращивания ассимиляционной поверхности за счет экономии на росте междоузлий. Розетка способствует быстрому накоплению ассимилятов в осенний и весенний периоды. Резерв пластических веществ, накопленных в системе розетка - корень, как бы высвобождает, делает менее зависимым дальнейший рост органов генеративной сферы от быстрого нарастания дефицитов влаги, нитратов (Марков, 1990). К адаптациям относится также наличие в почках возобновления в конце вегетационного периода пазушных соцветий будущего года. Такие биоморфологические особенности обеспечивают виду выживание и конкурентоспособность в неустойчивых и нарушаемых местообитаниях.
В эволюционном плане морфогенез остролодочника ханкайского осуществлялся в условиях интенсивной инсоляции, резких колебаний сезонных и суточных температур воздуха, малоснежной или почти бесснежной зимы, жаркого лета с большим количеством осадков, часто в виде ливневых дождей, сильных ветров, вызывающих летом иссушение побегов, а зимой способствующих их вымерзанию, бедности и малой мощности песчаного субстрата, его рыхлости и подвижности. Именно этим условиям наиболее соответствовала адаптивная стратегия исходной формы, приведшей к формированию приземистого травянистого многолетника с плагиотропными розеточными побегами, ежегодно отмирающими частями молодых побегов, развитым каудексом, глубоко уходящим в толщу песка корнем, тонкими и прочными боковыми корнями, многочисленными древеснеющими у основания ветвями, частично погруженными в песок.
Оценка параметров морфологических признаков
Анализ морфологической изменчивости проводили на 69 растениях из 5 природных популяций остролодочника ханкайского по 27 морфологическим признакам. Для каждой выборки были вычислены средние значения по всем признакам, ошибки среднего (табл. 4.1 Л) и коэффициенты вариации (табл. 4.1.2).
Из 27 количественных и счетных признаков, используемых нами в работе, 10 являются признаками листа и 11 - признаками цветка. Это объясняется тем, что они относятся к главным органам, связанным с жизнью растений, поэтому признаки листа и цветка должны подвергаться значительному давлению отбора. С другой стороны, особенности строения этих органов играют существенную роль в систематике, что может свидетельствовать о достаточно высокой устойчивости их признаков к модифицирующему влиянию среды.
Как видно из таблицы 4.1.1, природные популяции остролодочника неоднородны по морфологическим признакам. Максимальные значения отмечены в популяции Турьего Рога (по 12 признакам, относящимся к размерам растения, листа и соцветия) и о-ва Сосновый (по 21 признакам). Увеличение размеров, вероятно, может быть связано с направленным действием отбора. Обе популяции расположены на довольно узкой прибрежной полосе песка. За три года исследований (2001-2003 гг) ширина полосы, занимаемой растениями остролодочника, изменилась из-за подъема уровня воды в озере следующим образом: Турий Рог - от 10-15 м до 1.5-5 м, о-в Сосновый - от 7-15 до 3-6 м. Кроме того, происходят значительные ежедневные колебания уровня воды оз. Ханка под влиянием ветровых сгонно-нагонных явлений (Васьковский, 1978). Вероятно, шансы выжить, не быть занесенными песком, залитыми водой, и оставить потомство более высоки у растений крупных размеров. Некоторое уменьшение размеров растения и листа в популяции косы Пржевальского может быть связано с высокой плотностью данной популяции. Минимальные значения признаков встречаются большей частью в популяциях Новокачалинска (по 14 признакам соцветия и цветка) и Троицкого (по 15 признакам, в основном, листа и соцветия); вероятно, вследствие антропогенного изменения условий экотопа происходит измельчение особей. Так, достоверное снижение значений ряда признаков под влиянием техногенного загрязнения показано для Polygonium bistorta (Хантемирова, 1996), Taraxacum officinale (Савинов, 1998), Crepis tectorum (Трубина, Махнев, 1999).
Какой-либо закономерности в изменении значений изученных признаков в географическом аспекте нами не обнаружено, значения большинства признаков варьируют по ареалу весьма хаотично. Определяющим фактором изменчивости изученных признаков, по-видимому, является специфика экологической ниши. Несмотря на достаточно выровненные экологические условия прибрежной зоны западного побережья оз. Ханка (Васьковский, 1978), каждое конкретное место произрастания остролодочника имеет свои эколого-климатические особенности. Вероятно, именно этим обусловлено отсутствие клинальности в изменчивости признаков, хаотичность их варьирования в ареале. Варьирование значений морфологических признаков в зависимости от условий местообитаний показано для Caragana pygmaea (Бондарева, 1994), Iris setosa (Илюшко и др., 2001), Phyllodoce empetriformis и Ph. glanduliflora (Rochefort, Peterson, 2001). Кроме того, при ужесточении условий в зонах антропогенного воздействия наблюдается достаточно резкое снижение значений большинства признаков остролодочника.
Сопоставление значений коэффициентов вариации каждого из изученных признаков позволило выявить некоторые закономерности и тенденции колебания уровня изменчивости во всех исследованных популяциях (табл. 4.1.2). Наиболее вариабельным признаком во всех популяциях является число листочков в средней и базальной мутовке. Это может быть связано с тем, что иногда листочки располагаются на черешке в виде полумутовок, соответственно, количество листочков при подсчете уменьшается вдвое. Превышение амплитуды изменчивости счетных признаков над изменчивостью мерных отмечено и для других видов (Шалаева, 1989, 1998), однако остальные исследованные счетные признаки (число листьев в побеге, мутовок на листе, листочков в апикальной мутовке и цветков в соцветии) оказались средневариабельными. В отдельных случаях размах этих признаков в популяциях достигал нижнего предела повышенного уровня (табл. 4.1.2), но в целом эти признаки, используемые в систематике остролодочников, являются достаточно стабильными.
Установлено, что степень варьирования признаков внутри популяций соответствует различным уровням (табл. 4.1.3). Наименее изменчивыми показателями оказались длина флага и чашечки, длина и ширина пластинки флага, крыла и лодочки, эти же показатели проявляют стабильно низкий уровень изменчивости во всех изученных популяциях (табл. 4.1.2). Очевидно, что более всего варьируют вегетативные признаки, генеративные же отличаются большей устойчивостью (табл. 4.1.3). Стабильность признаков цветка при повышенной вариабельности признаков вегетативных органов и соцветий, независимость размеров цветка от размеров растения в целом и от изменений среды - непременное условие успешного выполнения репродуктивной функции у растений-энтомофилов, проявление стабилизирующей деятельности отбора (Berg, 1960; Берг, 1993).
Большая устойчивость и независимость генеративных признаков по сравнению с вегетативными были выявлены для Trillium erectum (Ringius, Chmielewski, 1987), Caragana bungei (Бондарева, 1990), Poa glauca (Олонова, 1998), Iris setosa (Илюшко и др., 2001) и ряда других видов (Тихонова, 1992). Известно, что функционально важные признаки являются менее изменчивыми, и наоборот, высоко изменчивые признаки оказываются функционально менее важными (Яблоков, 1987). Низкий уровень изменчивости признака определенно свидетельствует о сильном стабилизирующем давлении отбора. Высокий уровень изменчивости признака допускает два предположения - либо признак находится под слабым давлением отбора, и, соответственно, сильным давлением случайных факторов, либо он находится под сильным давлением отбора, специально обеспечивающим повышенную изменчивость. Также следует отметить, что и сильно варьирующие признаки могут иметь важное таксономическое значение (Мамаев, Махнев, 1982; Яблоков, 1987).
