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
- Остролодочник ханкайский Oxytropis chankaensis Jurtz. как объект исследования
- Биоморфология и онтогенез О. chankaensis
- Оценка параметров морфологических признаков
- Описание ферментных систем и определение типа полиплоидии
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, 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.
2. Оценить уровень изменчивости признаков вегетативной и генеративной сферы растения и степень внутривидовой дифференциации по морфологическим признакам.
3. 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.
Остролодочник ханкайский Oxytropis chankaensis Jurtz. как объект исследования
Семейство Бобовые включает около 700 родов и 18 000 видов, являясь третьим по числу видов семейством флоры земного шара, после орхидных и сложноцветных (Яковлев, 1991). Род Oxytropis является одним из наиболее крупных родов семейства: он включает около 350 видов, подавляющее большинство которых обитает на территории бывшего СССР (Павлова, 1989; Положий, 2003). Распространены остролодочники в умеренных и арктических зонах Северного полушария; основные очаги видового многообразия - в Средней и Центральной Азии, на юге Сибири, на Алтае и Крайнем Северо-Востоке Азии (Юрцев, 1986; Положий, 1994; Грубов, 1998). Среди бобовых Дальнего Востока России род Oxytropis занимает первое место по богатству и разнообразию - 55 видов из 8 секций, из них 32 эндемичны для этой территории (Павлова, 1989,2003).
Фитоценотическая приуроченность
Растут остролодочники большей частью по горным лугам и степям, каменистым склонам, в арктической и альпийской тундре. Они встречаются на каменистых склонах Северного Тянь-Шаня, Центральных Саянах, горных степях Северо-Восточной Якутии. Основными направлениями дифференциации p. Oxytropis было освоение засушливых степных и пустынных (равнинных и горных), а также континентальных горнолесных территорий умеренного пояса Азии и высокогорий тех же континентальных областей (Пленник, 1976; Юрцев, 1986; Положий, 2003). Род Остролодочник, с одной стороны, включает аркто-альпийские виды, приуроченные к каменистым местообитаниям, скалам и тундрам арктической области и альпийского пояса гор, с другой - степные формы, приуроченные к степным группировкам.
Экология
Большая часть видов является ксерофитами и психрофитами разной степени специализации (Васильченко, 1965; Положий, 1965; Пленник, 1976; Юрцев, 1986). В горных котловинах и горно-степном поясе гор большая часть видов представлена ксерофитами. На орошаемых лугах и прирусловой части рек обитают ксеромезофиты. Обитатели высокогорно-тундрового пояса - психрофиты; эти местообитания отличаются высокой влажностью почв из-за таяния снежников, поэтому остролодочники в зависимости от влагообеспечения почвы подразделяются на психрофиты-гигрофиты и психрофиты-мезофиты. Все эти виды светолюбивы (ультраореофиты); часто произрастают на осыпях, в щебнистых и каменистых тундрах (криофиты-петрофиты) или психропетрофиты. К этим экологическим группам относятся в основном виды из секций ОгоЫа и арктических секций Arctobia и Gloecephala. Среди представителей секции ХегоЫа распространены криоксерофиты, секции Ianthina - высокогорные петрофиты и псаммофиты, секции Baicalia - ксеропетрофиты и псаммофиты.
Внутри рода можно выделить следующие направления экологической специализации: 1. Приспособление к условиям высокогорий; 2. Освоение увлажненных, но более холодных экотопов тундр; 3. Приспособление к произрастанию на засоленных субстратах; 4. Освоение незакрепленных песчаных субстратов; 5. Освоение сухих щебнистых субстратов.
В целом для остролодочников можно отметить приспособление к иссушению и похолоданию (Юрцев, 19646; Положий, 1965; Пленник, 1976).
Морфология
Жизненные формы остролодочников - это многолетние травы, полукустарнички и колючие, обычно подушковидные кустарнички (немногие виды, относящиеся к подроду Traganthoxytropis) (Шишкин, 1948; Васильченко, 1965; Пленник, 1976; Пленник, Кузнецова, 1976а; Юрцев, 1986; Павлова, 1989). Большей частью это низкорослые, часто бесстебельные растения. Стебель развит у сравнительно небольшого числа видов (секция Mesogaea). Имеется хорошо развитый стержневой корень, образующий разветвленный каудекс, переходящий в надземные побеги. Надземные побеги, укороченные или почти укороченные, стелющиеся (в последнем случае образуют придаточные корни) нарастают моноподиально. Обычно несут пазушные цветоносы - восходящее-вертикальные или распластанные (в более суровых условиях), цветки в головчатых или удлиненных кистях; венчик - мотыльковый, лодочка на верхушке с остроконечием, что дало название роду. По характеру надземных побегов - часто встречаются розеточные виды, которым свойственно образование некрупных плотных каудексов с вертикальными розеточными побегами. У большинства арктических видов ветвление каудекса приводит к образованию дерновинок, рыхлых или плотных. Листья непарноперистые, но у ряда видов листья с мутовчато расположенными листочками (виды секций Baicalia и Polyadena). Растения опушены простыми, иногда железистыми волосками. Венчик разнообразной окраски, у древних форм наблюдается полихроизм венчика (секция Orobid). Плод - боб разнообразной формы и величины, от орешковидных до пузыревидно-вздутых и линейных; стенки твердые, деревянистые, кожистые или тонкие перепончатые.
Число хромосом
Число хромосом кратно 8 (Юрцев, Жукова, 1968). В крайних для жизни условиях (Арктика, пустыни, высокогорья) преобладают полиплоидные виды, что говорит о повышенной пластичности и более высокой приспособляемости полиплоидов (Карташова, Малахова, 1973; Пленник, 1976; Юрцев, 1986). Большинство эндемичных видов остролодочника являются тетра- (32), гекса- (48) и октоплоидами (64) (Юрцев, Жукова, 1968; Жукова, 1983; Гурзенков, Павлова, 1984; Павлова, 1989; Павлова и др., 1989). Для остролодочников характерна широкая адаптивная радиация видов на хромосомном уровне, во всех секциях имеются диплоидные и полиплоидные виды.
Размножение и расселение
Остролодочники являются в основном облигатными насекомоопыляемыми перекрестниками (Панфилов и др., 1960; Шамурин, Тихменев, 1971; Тихменев, 1976). Опыление осуществляется шмелями; обнаруживают совпадение ареалов остролодочников и опылителей, и отсутствие остролодочников в высокогорных тундрах объясняют отсутствием опылителей (Панфилов и др., 1960; Юрцев, 1986).
Семена - продолговато-почковидные, рубчик маленький, корешок согнутый (Шишкин, 1948; Пленник, 1976; Холина, 1997; Kholina et al., 1999). Большинство видов распространяют семена по типу растений - "баллистов"; нередко плоды опадают целиком с семенами и разносятся ветром, у прибрежных видов - водой (Юрцев, 1986).
Фенология
Многие остролодочники выработали ряд адаптации к короткому вегетационному периоду высокогорий, обеспечивающих возможность проходить цикл развития от весеннего отрастания до созревания семян в сжатые сроки (60-90 дней) (Пленник, 1976). Сезон цветения у некоторых видов начинается во второй декаде мая, у большинства видов - во второй декаде июня, а прекращается в конце августа - начале сентября (Пленник, Кузнецова, 19766; Павлова, 1989). Основной адаптацией является наличие в почках возобновления в осенний период дифференцированного цветочного побега (Пленник, 1976; Кузнецова, 1985). Это позволяет растению зацветать в ранние сроки, когда появляется только 1-5 настоящих листьев. Цветению, формированию и созреванию семян предшествует обычно два (реже 1) вегетационных периода, в течение которых идет подготовка растения к осуществлению репродуктивного процесса. В первый год жизни происходит прорастание семян, развитие проростков, заложение почек возобновления с вегетативным побегом. На второй -доразвитие вегетативной сферы с образованием цветочных бугорков в соцветии. На третий -цветение, формирование и созревание семян. Длительное сохранение зеленых листьев, вплоть до наступления заморозков, позволяет растению продлить вегетацию и обеспечить подготовку к осуществлению репродукционного процесса.
Биоморфология и онтогенез О. chankaensis
Биоморфология
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).
Определенный уровень изменчивости, соответствующий каждому признаку, в отдельных популяциях представлен значениями выше или ниже среднего уровня. Для таких признаков как высота растения, длина наибольшего листа в побеге, число листочков в апикальной, средней и базальной мутовке, длина наибольшего листочка в апикальной и базальной мутовке, число цветков на соцветии, длина чашечки, флага, крыла и лодочки, ширина пластинки флага характерна определенная стабильность уровня изменчивости, вне зависимости от географического положения популяции (табл. 4.1.2), т.н. "признакоспецифичность" (Мамаев, Махнев, 1982). Внутрипопуляционная изменчивость остальных 14 признаков варьирует от низкой до средней и повышенной (длина пластинки флага и носика, ширина крыла и лодочки), от низкой до высокой (диаметр стебля у основания), от средней до повышенной и высокой (число листьев в побеге и мутовок на листе, расстояние между первой и последней и между пятой и шестой мутовкой, длина: наибольшего листочка в средней мутовке, наибольшего соцветия, цветоножки, прицветника и зубцов чашечки). Варьирование признаков генеративных и вегетативных органов остролодочника представляется адаптивным свойством вида, отражающим некий диапазон ответных реакций на внешние воздействия. Причем реакции эти рассматриваются как приспособительные, позволяющие обеспечить успешное воспроизводство особи и, следовательно, высокую степень надежности сохранения вида (Синская, 1948). Эти адаптивные реакции вызываются, возможно, целым комплексом факторов, таких как географический, микроклиматические условия местообитаний, а также антропогенное влияние.
Описание ферментных систем и определение типа полиплоидии
Далее приведены описание фенотипов и генетическая интерпретация для каждой из исследованных ферментных систем, а также литературные данные относительно четвертичной структуры и генетического контроля некоторых ферментов у различных видов сем. Fabaceae.
Аспартатаминотрансфераза (ААТ) представлена на электрофореграммах в виде одной зоны активности, предположительно контролируемой локусом Aat. В данной зоне имеется четыре электрофоретически различающихся варианта (рис. 5.1.1). Гетерозиготные индивидуумы имели трехполосный фенотип, характерный для ферментов с димерной структурой (рис. 5.1.2, дорожки 3, 4, 14; рис. 5.1.9, а, дорожки 5-8), у некоторых растений этот локус был представлен гетерозиготами с той или иной степенью выраженности эффекта дозы гена (рис. 5.1.2, дорожки 2, 5, 8, 9, 13; рис. 5.1.9, а, дорожки 10-15). Распределение интенсивности окрашивания изоферментов в этих случаях соответствует ожидаемому при тетрасомном кодоминантном наследовании аллелей. Для ряда особей был отмечен пятиполосный спектр, что свидетельствует о наличии трех аллелей по данному локусу (рис. 5.1.2, дорожки 1, 6; рис. 5.1.9, а, дорожка 9). В геле выявляются пять, а не ожидаемые шесть полос (продукты трех аллелей и трех внутрилокусных гетеродимеров между ними), так как продукт гетеродимера АаГ4 совпадает по подвижности с аллозимом Aat3. У видов рода Astragalus (близкого роду Oxytropis) также известен однолокусный контроль ААТ; у некоторых видов это полиморфный локус с 2-5 аллельными вариантами (Каггоп et al., 1988), у A. bibullatus - мономорфный (Baskauf, Snapp, 1998). Один полиморфный ген контролирует ААТ у Gliricidia sepium (Chamberlain et al., 1996). У видов рода Trifolium - Т. albopurpureum var. dichotomum, Т. amoenum, Т. macraei (Knapp, Connors, 1999) AAT находится под контролем одного локуса (полиморфного только у Т. тасгаеї), у Т. pratense (Семериков, Беляев, 1995) контролируется 3 полиморфными локусами. Для видов Lathyrus (Godt, Hamrick, 1991; Gutierrez et al., 1994; Chowdhury, Slinkard, 2000), Lens (Ferguson, Robertson, 1996), Lupinus (Babbel, Selander, 1974) также известен контроль AAT 3 полиморфными локусами. У видов рода Acacia (Casiva et al., 2002, 2004) AAT находится под контролем 4 мономорфных локусов. ААТ у исследованных видов бобовых имеет димерную структуру.
Аконитаза (АСО) на электрофореграмме выявляется одной изменчивой зоной активности, кодируемой слабополиморфным локусом с двумя аллелями (рис. 5.1.1). Характер спектров с выраженным эффектом дозы гена соответствует таковому при тетрасомном наследовании двух аллелей фермента с мономерной структурой. Аллель, кодирующий более быструю фракцию, встречается только в гетерозиготах. У Pueraria lobata (Pappert et al., 2000) АСО также контролируется единственным полиморфным локусом, у
Calliandra calothyrsus (Chamberlain, 1998) и Lathyrus sativus (Chowdhury, Slinkard, 2000) -двумя полиморфными локусами. Двулокусный контроль АСО выявлен и для видов рода Trifolium (Knapp, Connors, 1999), но у Т. macraei оба локуса мономорфные. У Calliandra calothyrsus (Chamberlain, 1998) АСО выявляется как функциональный мономер.
Алкоголъдегидрогеназа (ADH) окрашивается в виде одной инвариантной зоны. При исследовании редких видов рода Oxytropis - О. hidaka-montana (Kholina et al., 2001) и О. retusa (Kholina et al., 2000) выявлен один мономорфный локус, как и для Trifolium pratense (Семериков, Беляев, 1995). У двух видов рода Lespedeza (Cole, Biesboer, 1992) ADH находится под контролем 4 мономорфных локусов. У Astragalus bibullatus (Baskauf, Snapp, 1998) и Lathyrus sativus (Chowdhury, Slinkard, 2000) выявлен один полиморфный локус ADH, у ряда видов рода Acacia (Casiva et al., 2002, 2004), у Calliandra calothyrsus (Chamberlain, 1998) - два полиморфных локуса; для С. calothyrsus показана димерная структура фермента.
Альдолаза (ALD) на электрофореграмме проявляется одной мономорфной зоной, как и у других видов Oxytropis (Kholina et al., 2000, 2001) и Astragalus bibullatus (Baskauf, Snapp, 1998).
Колориметрическая эстераза (СЕ). На фореграммах выявляются две полиморфные группы фракций, кодируемые как минимум двумя локусами - Се-1 и Се-2, и две менее подвижные зоны, находящиеся под контролем двух мономорфных локусов Се-3 и Се-4. Однако зона, предположительно кодируемая локусом Се-1, окрашивается слабо и нерегулярно, поэтому не включена в анализ. Фермент, кодируемый локусом Се-2 (рис. 5.1.1; рис. 5.1.3), проявляет наибольшую активность. Двойные фракции гетерозигот по локусу Се-2 указывают на мономерную структуру фермента. Присутствие трех- и четырехполосных фенотипов гетерозигот характерно для автотетраплоидных индивидуумов с соответствующим числом аллелей (рис. 5.1.3). В некоторых случаях интенсивность проявления полос неравномерна, что свидетельствует о наличии несбалансированных гетерозигот. Для ряда видов бобовых - 4 видов Astragalus (Karron et al., 1988), 2 видов Lupinus (Babbel, Selander, 1974), Trifolium hirtum (Molina-Freaner, Jain, 1992) - приводятся данные об одном полиморфном локусе эстеразы, количество аллелей которого варьирует от 2 до 7. У Trifolium pratense (Семериков, Беляев, 1995) выявлено несколько зон активности СЕ, но только одна полиморфная зона признана интерпретируемой. У Lathyrus sativus, (Chowdhury, Slinkard, 2000) СЕ находится под контролем двух полиморфных локусов, у Calliandra calothyrsus (Chamberlain, 1998) - трех; для С. calothyrsus показана мономерная структура фермента.
Фруктозодифосфатаза (FDP) представлена двумя зонами активности, предположительно контролируемыми двумя мономорфными локусами. Для исследованных видов Oxytropis (Kholina et al., 2000, 2001) отмечено наличие двух зон, наиболее подвижная из которых контролируется мономорфным локусом, а менее подвижная окрашивается непостоянно, поэтому не включена в анализ.
Флюоресцентная эстераза (FE). Определено три локуса FE: два полиморфных, Fe-І и Fe-2, и мономорфный локус Fe-З, контролирующий "медленную" зону активности. Двойные фракции гетерозигот свидетельствуют о мономерной структуре обеих полиморфных эстераз. В быстрой зоне (Fe-І) обнаружены разнообразные электрофоретические варианты, контролируемые пятью кодоминантными аллелями (рис. 5.1.1), среди них трех- и четырехполосные фенотипы, спектры с различной интенсивностью окрашивания, характерные для автотетраплоидов. Подобная картина наблюдается и в зоне, кодируемой локусом Fe-2 с пятью кодоминантными аллелями (рис. 5.1.1). Для 2 видов Oxytropis (Kholina et al., 2000, 2001) выявлено 2 локуса FE - мономорфный, кодирующий наиболее подвижную зону, и полиморфный с 3 аллелями. У Trifolium pratense (Семериков, Беляев, 1995) выявлено несколько зон активности FE, но в анализ включена только одна изменчивая зона, предположительно кодируемая полиморфным локусом с 4 аллелями. Два полиморфных локуса FE с 4 и 5 аллелями известны для Gleditsia triacanthos (Schnabel, Hamrick, 1990).
Глутаматдегидрогеназа (GDH) проявляется на фореграмме двумя зонами активности, предположительно кодируемых мономорфными локусами Gdh-І и Gdh-2. Медленная зона более активна, проявляется недалеко от старта. Два мономорфных локуса GDH обнаружены у 2 других видов Oxytropis (Kholina et al., 2000, 2001) и Trifolium hirtum (Molina-Freaner, Jain, 1992), у Lathyrus sativus (Chowdhury, Slinkard, 2000) фермент контролируется одним полиморфным локусом.
