Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСТЕНИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ СОХРАНЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Понятие биоразнообразия и проблема его сохранения 10
Популяция как объект изучения при сохранении биоразнообразия 13
Применение молекулярно-генетических методов при изучении генетической структуры популяций редких и исчезающих видов растений 17
Популяционно-генетические исследования редких и исчезающих видов растений на Урале 25
Изучение особенностей биологии, популяционных параметров и молекулярно-генетические исследования некоторых редких видов растений рода Adonis и Digitalis grandiflora Mill 29
ГЛАВА 2. РЕГИОН, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Регион исследований 42
Объекты исследований 47
Методы исследований 50
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОСТЬ И ВОЗРАСТНАЯ СТРУКТУРА ЦЕНОПОПУЛЯЦИИ ТРЕХ РЕДКИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ ПЕРМСКОГО КРАЯ
Показатели численности и возрастной спектр ценопопуляций A. vernalis 55
Возрастная структура и показатели численности ценопопуляций A. sibirica 70
Численность и возрастная структура ценопопуляций D. grandiflora 76
ГЛАВА 4. СЕМЕННАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ НЕКОТОРЫХ РЕДКИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ
Семенная продуктивность двух видов рода Adonis 85
Семенная продуктивность D. grandiflora 88
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ
ИССЛЕДОВАННЫХ ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ РЕДКИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ
5.1. Генетическое разнообразие и межпопуляционная дифференциация
ценопопуляций A. vernalis 91
Генетическая изменчивость и межпопуляционная дифференциация A. sibirica 106
Генетическое разнообразие и межпопуляционная дифференциация ценопопуляций D. grandiflora 112
Молекулярно-генетическая идентификация A. wolgensis 116
ГЛАВА 6. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННЫХ ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ НЕКОТОРЫХ РЕДКИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ
Комплексный анализ состояния ценопопуляций А. у emails 122
Комплексная оценка состояния ценопопуляций A. sibirica 131
Комплексный анализ состояния ценопопуляций D. grandi/lora.. ЛЗЗ
ВЫВОДЫ 139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 164
Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблема сохранения биоразнообразия стала наиболее актуальной в последнее время в связи с усиливающимся воздействием человека на природу (Вахрамеева, 1988; Национальная стратегия..., 2001; Глобальная стратегия..., 2002). В 1992 году в Рио-де-Жанейро была принята конвенция о биологическом разнообразии. Документ вступил в силу в 1993 году, а в 1995 году он был ратифицирован Российской федерацией (Конвенция о биологическом разнообразии.., 1992).
К настоящему времени различают несколько уровней организации живого, каждый их которых характеризуется специфическим биоразнообразием (Лебедева, Криволуцкий, 2002). Особое внимание уделяется сохранению биоразнообразия растений (Ишбирдин, Ишмуратова, 2009).
В деле охраны редких и исчезающих видов растений особое место занимают исследования, проводимые на популяционном уровне. Ценопопуляции являются реальной формой существования видов растений, они имеют сложный состав и специфическую функциональную структуру (Злобин, 1989). А. Шнабель и К. Крутовский (Schnabel, Krutovskii, 2004) отмечают, что угроза генофонду редких эндемичных и исчезающих видов на современном этапе заключается, в первую очередь, в антропогенной трансформации окружающей среды и фрагментации местообитаний, приводящих к уменьшению объема и численности популяции, их изоляции.
Для разработки стратегии сохранения редких видов растений необходимо предварительное исследование генетического разнообразия их популяций (Артюкова и др., 2004а). Для оценки степени угрозы генофондам редких видов растений и выработки стратегии их сохранения данные о генетическом разнообразии, его внутри- и межпопуляционных компонентах можно получить на основании молекулярного маркирования геномов.
Особенно остро проблема охраны редких видов стоит на Урале, где растительный мир в течение двух - трех столетий подвергался все усиливающемуся антропогенному воздействию (Красная книга..., 1996). На данный момент у некоторых редких эндемичных видов растений Урала изучен ряд характеристик внутривидовой и генетической изменчивости (Кучеров, Щелокова, 1987; Кучеров и др., 1993а; Янбаев и др., 2000; Боронникова, 2008), но комплексные исследования популяционных характеристик с учетом возрастной структуры и генетического разнообразия травянистых редких реликтовых видов растений практически не проводились.
Одними из ценнейших редких, декоративных и реликтовых видов растений Урала являются Adonis vernalis L., Adonis sibirica Patrin ex Ledeb. (сем. Ranunculaceae Juss.) и Digitalis grandiflora Mill. (сем. Scrophulariaceae Juss.) (Белковская, Овеснов, 1988; Камелин и др., 1999; Дикорастущие..., 2001). Виды внесены в региональные и местные сводки редких и исчезающих видов растений (Горчаковский, Шурова, 1982; Красная книга Среднего Урала, 1996; Красная книга Пермского края, 2008). Комплексные исследования ценопопуляций этих видов, включающие изучение численности, возрастной структуры, уровня генетического разнообразия, межпопуляционной дифференциации и анализ всех полученных результатов, на территории Пермского края ранее не проводились, что обуславливает актуальность подобных исследований.
Цель и задачи исследования
Цель работы — оценка состояния ценопопуляций некоторых редких видов растений Пермского края с учетом параметров генетического разнообразия, внутри- и межпопуляционной дифференциации и ценопопуляционньгх характеристик, таких как показатели численности и возрастной спектр.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
определить общую, репродуктивную и эффективную численность 20 ценопопуляций трех (A. vernalis, A. sibirica, D. grandiflord) редких реликтовых видов растений Пермского края;
изучить возрастной спектр избранных ценопопуляций A. vernalis, A. sibirica и D. grandiflora;
определить семенную продуктивность у особей разных возрастных групп генеративного периода трех редких видов растений;
4) проанализировать генетическое разнообразие и степень
межпопуляционной дифференциации в ценопопуляциях A. vernalis,
A. sibirica, D. grandiflora;
5) провести молекулярно-генетическую идентификацию
ценопопуляций адониса волжского (Adonis wolgensis Stev.);
6) провести комплексную оценку состояния изученных ценопопуляций
трех редких видов растений Пермского края на основе показателей
численности, возрастного спектра ценопопуляций и параметров
генетического разнообразия;
7) разработать рекомендации по сохранению изученных
ценопопуляций трех редких видов растений Пермского края.
Положения, выносимые на защиту
1. Изученные ценопопуляций трех редких видов растений
характеризуются как полночленными, так и неполночленными возрастными
спектрами нормального типа, широким диапазоном основных индексов
возрастной структуры, а также, согласно классификации «дельта-омега»,
молодыми, переходными, зрелыми и стареющими типами ценопопуляций.
2. Оценка генетического разнообразия редких видов растений
возможна методом молекулярного маркирования с выявлением
полиморфизма структурных элементов геномов, фланкированных
тандемными повторами, такими как микросателлиты (ISSR-PCR маркеры) и
ретротранспозоны (IRAP-PCR маркеры), которые позволяют выявить
основные показатели генетического разнообразия и дифференциации ценопопуляции.
3. В изученных ценопопуляциях A. vernalis с полночленным
возрастным спектром параметры генетического разнообразия коррелируют с
показателем возрастности (А).
4. Для объективной оценки состояния ценопопуляции изученных
редких видов растений необходим учет показателей численности, индексов
возрастной структуры, параметров генетического разнообразия, что
позволяет в комплексе дать наиболее полную оценку состояния
ценопопуляции, прогнозировать перспективы их существования и
рекомендовать меры их охраны.
Научная новизна полученных результатов
Впервые в Пермском крае проведено комплексное исследование 20 ценопопуляции трех редких реликтовых видов растений (A. vernalis, A. sibirica, D. grandiflord), с учетом общей, репродуктивной, эффективной численности, возрастного спектра, уровня генетического разнообразия, межпопуляционной дифференциации. Впервые проведены всесторонние исследования возрастных спектров избранных для исследования ценопопуляции видов растений с учетом индексов восстановления, замещения, старения, а также типов популяций по классификации «дельта-омега». Оценка генетического разнообразия проведена с использованием ISSR- и IRAP-маркеров, основанных на тандемных повторах, широко представленных в геномах растений. Проанализирована связь показателей численности и возрастной структуры исследованных ценопопуляции с показателями генетического разнообразия. Впервые проведена молекулярно-генетическая идентификация и штрихкодирование ценопопуляции A. wolgensis в качестве апробации одного из подходов при решении проблемы сохранения генетической компоненты биоразнообразия: Предложен комплексный подход оценки состояния ценопопуляции с учетом не только параметров численности и возрастного спектра, но и показателей
генетического разнообразия. Разработана шкала и проведена оценка состояния 20 ценопопуляций трех редких видов растений Пермского края по комплексу критериев, включая параметры генетического разнообразия. На основании полученных данных предложены научно-обоснованные меры охраны ценопопуляций в соответствии с учетом их состояний.
Практическая значимость и реализация результатов исследований
На основе полученных результатов разработана методика оценки состояния ценопопуляций редких видов растений. Научные выводы работы используются для мониторинга состояния редких видов растений Пермского края. Полученные результаты и разработанные рекомендации по сохранению изученных ценопопуляций редких видов растений могут быть использованы при интродукции с целью сохранения уникальных популяций редких видов растений, при выделении особо охраняемых природных территорий, а также при регламентировании хозяйственной деятельности человека.
Теоретические и практические результаты исследований используются при преподавании теоретических и специальных курсов студентам на кафедре ботаники Уральского государственного университета им. A.M. Горького и на кафедре ботаники и генетики растений Пермского государственного университета, что подтверждено актами внедрения результатов исследований в учебный процесс.
Связь работы с научными программами
Диссертационная работа выполнена при частичной финансовой поддержке инновационного образовательного проекта «Образование». Часть исследований, представленная в диссертационной работе, проводилась в связи с тематикой гранта РФФИ р_урал_а № 07-04-96032 «Динамика генетического разнообразия и структуры популяционных систем ресурсных растений Пермского края при антропогенных воздействиях» (2007-2009 гг.) и гранта РФФИ р_урал_а №07-04-96016 «Влияние нефтяных загрязнений почв на популяции микроорганизмов и растений Пермского края» (2007-2009 гг.).
Личный вклад автора
Автором лично проведены выбор молекулярных маркеров и методов молекулярно-генетического анализа, полевые и лабораторные исследования 20 ценопопуляций редких видов растений Пермского края, последующая обработка, анализ, в том числе, с применением ряда компьютерных программ, обобщение и интерпретация результатов, написание и оформление диссертации. Предложена методика оценки состояния ценопопуляций с учетом демографических параметров и показателей их генетической изменчивости. Полученные результаты опубликованы совместно с соавторами в 14 печатных работах.
Благодарности
Автор выражает благодарность за помощь в подготовке диссертационной работы научному руководителю кандидату биологических наук доценту кафедры ботаники и генетики растений ПГУ СВ. Боронниковой, сотрудникам кафедры ботаники и генетики ПГУ; за освоение современных методов молекулярно-генетического анализа доктору биол. наук профессору кафедры генетики МГУ имени М.В. Ломоносова С.А. Гостимскому, старшему научному сотруднику этой же кафедры кандидату биол. наук З.Г. Кокаевой; за помощь в статистической обработке материала с использованием компьютерных технологий доктору биол. наук профессору кафедры зоологии позвоночных ПГУ С.А. Мандрице; кандидату биол. наук старшему научному сотруднику Института экологии растений и животных (ИЭРиЖ) УрО РАН Л.М. Морозовой за предоставление листьев A. wolgensis; соавторам по публикациям, а таюке своей семье за понимание и терпение.
