ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. По данным Международного союза охраны природы (МСОП), около 10% видов сосудистых растений нуждаются в охране (Вахрамеева,1988). По мере усиления антропогенных воздействий ускоряются темпы исчезновения растений и животных от года к году, В этой связи изучение редких растений и познание механизмов устойчивости их популяций - важная задача современной ботаники, занимающейся проблемой изучения и сохранения биоразнообразия нашей планеты (Вахрамеева,1988; Chen Lingzhi, Ma Keping, 2001; He Youjun et al., 2004).
Несомненно, устойчивость видов к повреждающим факторам существенно зависит от возрастной и пространственной структуры их популяции. С 50-х годов XX века начаты исследования возрастной и пространственной структуры популяций редких и исчезающих видов растений. В последние десятилетие выяснилось, что очень важны также генетическая и половая структура их популяций. Эти вопросы долго не привлекали внимания с позиций охраны природы, исследования генетической структуры популяций в этом аспекте только начинаются.
Р.. braunii — равноспоровый папоротник с широким голарктическим распространением. Большие дизъюнкции в его ареале, редкая встречаемость в очень многих регионах, например, в Европе, в России, в Северной Америке заставляют относить его к редким видам. Он включён в Красные Книги Московской области (1998), города Москвы (2001), Республики Татарстан, Сибири (Шмаков, 2000) и, так же охраняется в Северной Америке.
Ученые, исследовавшие P. braunii сосредотачивались преимущественно на выявлении его местонахождений (флористические находки), изучении экологических условий, категорий редкости (Тихомиров, 1977; Белковская, 1982; H.Mutter, et al. 1998); на находках гибридов и их морфологическом, цитологическом сопоставлении и T.fl.(David S, Barrington, 1986; Wang Xiuhua, 2001). Пока ещё недостаточно использованы молекулярные методы анализа для выявления внутри- и
-6-
межпопуляционного полиморфизма этого вида. Учитывая сказанное, необходимо исследовать этот вид в разных географических районах, как с точки зрения его таксономии, популяционной экологии, так и на молекулярно-генетическом популяционном уровне. Это позволит выявить причины редкости вида и разработать научно обоснованные меры по его охране.
Цель и задачи исследования. Основная цель нашей работы -сопоставление жизненного состояния популяций вида в разных участках его ареала, а именно в средней полосе европейской части России и на северо-востоке Китая. Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:
1. Выявить распространение, уточнить местонахождения P. braunii в средней полосе европейской части России и на северо-востоке Китая.
2. Сравнить экологические и фитоценотические условия местообитаний P. braunii в России и в Китае.
3. Выявить онтогенетическую и виталитетную структуры ценопопуляций P. braunii в средней полосе европейской части России и на северо-востоке Китая и на этой основе оценить их жизненное состояние и устойчивость.
4. Выявить генетический внутри- и межпопуляционный полиморфизм ценопопуляций P. braunii методом RAPD-анализа ДНК.
5. Сопоставить результаты экологического и генетического анализов ценопопуляций P. braunii и предложить мероприятия по охране этого вида.
Научная новизна. Разработана оригинальная оценка состояния P. braunii в средней полосе России и на северо-востоке Китая на основе классических ценопопуляционных методов (численность, плотность, онтогенетические и
-7-
виталитетные спектры) и молекулярного маркера — RAPD. Выявлены константность таксономически значимых морфологических признаков, низкий уровень внутрипопуляционного генетического полиморфизма и сравнительно широкий диапазон популяционно-экологических параметров ценопопуляций на разных участках ареала. Впервые проведено сопоставление результатов онтогенетическо-популяционного и молекулярного анализов P. braunii.
Практическая значимость работы. Определено жизненное состояние ценопопуляций P. braunii в средней полосе европейской части России и на северо-востоке Китая, установлены категории их редкости, даны рекомендации по их охране. Результаты работы могут быть использованы при составлении региональных Красных книг и "Флор", а также в вузовском преподавании курсов ботаники, экологии и охраны растений.
Апробация результатов. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на научной конференции молодых ученых и специалистов МСХА (Москва, МСХА,2004), на ежегодных шаучных конференциях биолого-химического факультета МПГУ (2004, 2005), на заседании кафедры ботаники МПГУ (2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.
Структура и объем диссертации. Основной текст диссертации изложен на 149 страницах и состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложения. Список литературы содержит 191 наименования, из которых 143 на русском языке, 21 на китайском языке, 27 на других иностранных языках. Диссертация включает 34 таблиц и 24 рисунков.
Благодарности. Я глубоко признательна своему научному руководителю
-8-
д. б. н., проф. Н.И. Шориной за помощь, руководство и поддержку. Она учила меня не только ботанике, а также русском языку, помогала в организации моих исследований и форме изложения полученных результатов. Без нее я не смогла бы выполнить эту работу. Благодарю заведующего кафедрой ботаники МПГУ проф. А.Г. Еленевского и сотрудников кафедры, особенно доц. к.б.н. А.С. Зернова. Благодарю аспирантов кафедры, которые мне помогали во время обучения в аспирантуре, особенно Н.А.Поскальнюк, О.В. Сидорову. Искренне благодарна И.В. Черпанову, Н.В. Воронкиной, Ю.А. Насимовичу за помощь и ценные советы. Выполнение работы было бы невозможно без содействия руководства и сотрудников гербариев MW, MILA, LE (Россия); и РЕ, HIB, DB, DNU (Китай). Благодарю проф. Li Xuebao, доц. Xu Wenliang и магистров молекулярно-генетической лаборатории (Central China Normal University, CCNU), проф. Wang Qingfeng, доктора Chen Jinming (Wuhan University), проф. Ао Zhiwen, доц. Zhou Yunwei, и Song Shili. Благодарю всех родных и близких мне людей, поддержавших меня в моих исследованиях.
-9-
ГЛАВА 1. АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ РЕДКИХ РАСТЕНИЙ В СВЕТЕ ПРОБЛЕМЫ БИОРАЗНООБРАЗИЯ
(Краткий обзор литературы)
1.1. Проблема и понятие биоразнообразия 1.1.1. Понятие биоразнообразия
В настоящее время заметно возрос интерес к глобальным экологическим проблемам, особенно после подписания, в июне 1992 г., международных Конвенций по климату и биоразнообразию. К числу экологических проблем относятся: климатические изменения, сокращение озонового слоя, кислотные дожди, опустынивание, сокращение биологического разнообразия, социально-экологические последствия этих воздействий (Красилов, 1992). Поэтому сохранение биоразнообразия вошло в число важнейших задач современной биологии.
Биологическое разнообразие может рассматриваться как разнообразие форм и процессов в органическом мире, проявляющееся на молекулярно-генетическом, субклеточном, клеточном, тканевом, органном, популяциошюм, таксономическом, ценотическом и биосферном уровнях организации живого (Красилов, 1992).
Биоразнообразие обеспечивает непрерывность жизни во времени и необходимо для сохранения функциональной структуры биосферы и составляющих её экосистем. Но, к сожалению, в течение последних тридцати лет проблема уменьшения видового разнообразия вошла в разряд наиболее острых экологических вопросов. Вследствие вреда, наносимого человечеством природе, текущая скорость исчезновения видов в несколько раз выше «фоновых» эволюционных темпов этого процесса, преобладавших на протяжении всех геологических периодов. Благодаря всеобщему признанию приоритетности сохранения биоразнообразия, сейчас можно надеяться на улучшение ситуации.
-10-
В последние годы проблема сохранения биоразнообразия приобрела первостепенное значение в разных отраслях биологии, поскольку воздействие человека на биологические системы Земли достигло небывалых в истории размеров, в связи с катастрофически быстрым обеднением биологического разнообразия, прежде всего видового состава. Если до появления человека считается, что один вид исчезал в среднем за 1 тысячу лет, то с 1850 по 1950 гг. этот интервал составил 10 лет, а после 1950 г. — всего одни год, в 80-х годах считается, что 1 вид исчезает в одни день (Вахрамеева, 1988). Нарушением популяций и экосистем, проблема его сохранения осознана как одна из ключевых проблем глобальной экологии. Это отразилось в принятии в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на сессии Генеральной Ассамблеи ООН по проблемам глобальной экологии "Конвенции по сохранению биологического разнообразия". Проблемы изучения биоразнообразия включают в программы Международных конференций и симпозиумов. В июле 1995 г. в Кью (Лондон) на Международном Птеридологическом симпозиуме "Pteridology in Perspective" большое внимание было уделено обсуждению проблем изучения и сохранения биоразнообразия мировой птеридофлоры (Roos,1996; Rothwell,1996; Гуреева, 1997).
1Л .2. Проблема биоразнообразия у Pteridophyta
Папоротники - одна из древнейших и наиболее многочисленная в современную эпоху группа сосудистых споровых растений, по числу родов и видов уступающая только покрытосеменным и мохообразным. В настоящее время известно 10,5 — 11,3 тыс. видов папоротников; предполагается, что известные науке виды составляют 70-94% их реального числа, которое может достигать 12000-15000 (Roos, 1996).
Ископаемые остатки свидетельствуют о том, что папоротникообразнные были важным компонентом наземной флоры со среднего девона, но за прошедшие эпохи их группы доминирующие в
-11-
растительном покрове, неоднократно менялись. (Rothwell, 1996). В современном растительном покрове роль папоротников несоизмеримо ниже, чем семенных. И относительно малое разнообразие существующих ныне видов Pteridophyta связывают с несколькими причинами, основными из которых являются их вымирание в предшествующие эпохи, слабая конкурентоспособность, узкая экологическая амплитуда и генетическая простота (Haufler, 1996). Для группы, имеющей такую длительную эволюционную историю, важной причиной является вымирание в предшествующие эпохи: палеоботанические данные свидетельствуют о том, насколько мало современное разнообразие видов по сравнению с тем, что существовало в прошлом. Наиболее конкурентоспособной и поэтому доминирующей группой на. Земле сегодня являются покрытосеменные, поскольку они имеют наиболее современные способности к захвату новых местообитаний, в которые они не допускают Pteridophyta. Узкая экологическая амплитуда Pteridophyta связана не только с тем, что им не достает некоторых специальных морфологических, анатомических и физиологических особенностей, присущих семенным растениям, но и с тем, что они должны, в большинстве случаев, иметь специфические местообтания для успешной реализации обеих фаз жизненного цикла. Наконец, генетическая простота, как уже было сказано выше, заключается в том, что Pteridophyta не имеют специального презиготического изоляционного механизма для предотвращения слияния яйцеклетки и сперматозоида, поэтому требуется накопление большого количества мутаций для сопротивления дрейфу генов (Гуреева, 2001). В результате наблюдается низкая скорость видообразования и эволюция относительно малого числа видов (Haufler, 1996).
Однако на пути исследования биоразнообразия имеются препятствия. Дело в том, что из-за изоляции государств, один и тот же вид могут называть по-разному в разных странах. Обширные, как правило, дизъюнктивные ареалы нередко являются причиной повторного описания одного и того же
-12-
вида на разных участках его ареала, располагающихся в разных странах как самостоятельных видов, ревизия которых впоследствии приводит к выбору приоритетного названия и сведению остальных в синонимы. Например, "Polystichum Ьгаит'Г (многорядник Брауна), называют в Китае "Polystichum shennong Ching", "Aspidium braunii Spenri" и т, д. Иногда создается противоположная ситуация: разные виды называют одинаково из-за сходных признаков. Кроме этого, виды папоротников не являются равноценными ни по объему, ни по степени индивидуальной изменчивости. Они могут быть мономорфными, с широким ареалом и незначительно отличающимся в разных частях ареала морфологическими признаками {Phegopteris connectilis), полиморфными с широким ареалом, у которых наблюдается значительная изменчивость между особями даже в пределах одной популяции {Aihyrium filix-femind), и значительно реже - мономорфоными с относительно узким ареалом (Aleuritopteris argentea) (Гуреева, 2001). В связи с этим, возникает необходимость исследовать таксоны на всей площади их ареалов, т.е. в разных географических районах.
Следует подчеркнуть, Pteridophyta — одна из древних групп сосудистых споровых растений. Многие папоротники являются редкими видами в силу того, что их ареалы представлены отдельными далеко изолированными друг от друга местонахождениями. В этой связи понятие «редкий» вид у папоротников находится в зависимости от размеров изучаемой территории. Не удается оценить папоротники как редкие виды для больших по площади стран, со значительным разнообразием природных зон и биотопов, например, для России в целом. Но зато на небольших территориях отдельных регионов (например, в Смоленской и других областях) папоротники часто становятся редкими, нуждающимися в охране (Желудова, Шорина, 2003). Редкость папоротников может быть обусловлена естественными причинами: особенностями формирования ареалов видов, их стенотопностью, биоморфологическими характеристиками спорофитов. Редкие виды папоротников часто имеют узкую экологическую амплитуду и такие
-13-
биологические особенности, которые не позволяют им образовывать обильные популяции и удерживать за собой длительное время места обитания (Гуреева, 2003).
В полном объёме биологическое разнообразие неисчерпаемо, поэтому для эффективного выполнения задач его сохранения, необходимо определить приоритетные формы биоразнообразия для первоочередной разработки мер их охраны. Особенно важно сохранять биоразнообразие наиболее уязвимых групп растений, адаптивность которых в силу биологических причин минимальна, - т.е. редких, реликтовых и древних видов (Гуреева, 1997), к последнем принадлежат и многие папоротники
Возрастная (онтогенетическая) структура ценопопуляций редких видов является наиболее чутким индикатором их современного состояния и перспектив развития. Данные о характере возрастных спектров ценопопуляций могут служить основой для разработки научно-обоснованного режима их существования. Поэтому в последнее время многие исследователи анализируют возрастную структуру ценопопуляций редких видов (Лащинский, Шорина, 1985; Стецук, 2004).
1.1.3. Биологические аспекты изучения биоразнообразия
В рамках фундаментальной проблемы изучения и сохранения биологического разнообразия разрабатываются теории и методы, позволяющие упорядочить многообразие и многоуровневость его форм, преодолеть эффект неисчерпаемости, выделить те формы, которые могли бы стать главными объектами изучения и охраны.
Согласно современным представлениям, наименьшей единицей биоразнообразия выступает организм, являющийся носителем выше указанных различных форм биоразнообразия и одновременно сочетающий в себе такие свойства как автономность, способность к жизнеобеспечению и адаптации.
-14-
Ключом к сохранению биоразнообразия является сохранение видов. Только оно позволит сохранить генетическое разнообразие как возможность дальнейший эволюции. Однако, организмы, будучи наименьшими единицами биоразнообразия, не обладают такими необходимыми для его сохранения качествами, как способность к неограниченно длительному
самоподдержанию, к восстановлению при нарушениях и к адаптивной эволюции. Поэтому они не могут быть теми единицами биоразнообразия, на которые можно опираться при разработке и реализации системы мер по его сохранению. Опорной единицей учета и сохранения биоразнообразия выступает вид, применительно к ограниченным территориям, т.е. популяции представленные видами. Таким образом, вся типологическая информация об организмах должна быть адресована конкретным видам и их конкретным популяциям. Точно так же изучение и сохранение таксономического разнообразия исходит из центрального положения видов как основных единиц, составляющих отдельные формы (Юрцев,1992).
Виды и популяции содержат в себе запас генетической изменчивости, значительная часть которого не имеет четкого фенотипического выражения в морфологических или иных внешне различимых признаках, но играет большую роль в существовании вида и его эволюции. По мнению Б, А. Юрцева (1992), для выявления закономерностей внутривидовой изменчивости проводятся исследования на морфологическом, экологическом, эволюционном и других уровнях. В исследовании биохимического разнообразия на внутривидовом уровне особую трудность представляют "пластичные фенотипические виды", в генотипе которых заложена большая пластичность, проявляющаяся при колебании условий произрастания и способствующая их выживанию (Высочина, 1999). В природе фенотипическая пластичность проявляется в разнообразии анатомических, морфологических, физиологических признаков вида, фенологии, интенсивности фотосинтеза, процессов формирования и динамики фитомассы, биохимическом составе. Фенотипическая пластичность является
-15-
важным способом адаптации к временной и пространственной изменчивости условий среды (Юрцев, 1992).
Подытоживая изложенное, следует отметить, что если вид является основной единицей биоразнообразия, то внутривидовая изменчивость, проявление которой порождает множественность форм, является его биологической сущностью и первопричиной (Высочина, 2003).
1.1.4. Полиморфизм ДНК и популяционная биология
Популяционная биология растений возникла в середине XX в. как результат закономерного развития экологии и фитоценологии, с одной стороны, и тенденции к интеграции различных биологических дисциплин — с другой.
Популяционные исследования необходимы при решении прикладных задач по охране редких и исчезающих видов, организации мониторинга, реконструкции нарушенных сообществ, рациональному использованию хозяйственно важных растений и повышению продуктивности искусственных ценозов.
Хотя популяционное мышление утвердилось в биологии одновременно с дарвинизмом, понятие "популяция" до сих пор далеко не однозначно, его объем и критерии зависят от решаемых исследователями задач. В настоящее время сосуществуют два основных направления в области изучения популяций: 1) генетико-эволюционное, развивающееся в рамках теории эволюции, генетики, систематики и биогеографии; 2) экологическое, включающее и популяционную биологию растений, возникшее в недрах экологии и фитоценологии.
Первым на рубеже XIX — XX вв. появилось генетико-эволюционное направление. Оно было тесно связано с решением проблемы видообразнования. Хотя Ч. Дарвин не употреблял термин "популяция", однако основные положения дарвинизма опираются на принципы популяционизма. Впервые термин "популяция" ввел в науку датский генетик
-16-
Johansen W.(1903) (цит. по: Заугольнова, Жукова, Шорина, 1988) для обозначения смеси биотипов, т.е. совокупности генетически неоднородных гетерозиготных особей. Таким образом, первоначально популяцию лишь противопоставляли чистым линиям.
С 20-30-х годов, когда сформировалось представление о виде как сложной системе соподчиненных внутривидовых категорий, популяцию стали рассматривать в качестве основной эволюирующей единицы. После работ С.С. Четверикова (1926) термин приобрел новый смысл: он стал обозначать не просто смесь генотипов, а некое генетическое единство, в котором изменение любого гена влияет на весь генофонд. В популяции естественный отбор "творит, как в "кузнице" новые формы" (Лобашев, 1967). С этих позиций главный критерий популяции - панмиксия, способность к свободному скрещиванию и обмену генетической информацией. Отсюда возникают определения термина, основанные на этом ведущем критерии: "популяция — группа особей, находящаяся в таких условиях, где две особи этой группы могут с равной вероятностью скреститься друг с другом и произвести потомство" (Майр, 1974). Сходное понимание встречается и в более поздних сводках (О. Солбриг, Д. Солбриг, 1982). Подобный акцент на одном (хотя и важном!) критерии объедняет понятие и не дает возможности выделять популяции как конкретные природные объекты. По этой причине многие генетики и эволюционисты дополняли определение признаками территориальной и экологической обособленности и способности к длительному самостоятельному существованию (Шварц, 1971; Тимофеев-Рессовский и др., 1973; Завадский, 1968). "Популяция - длительно существующая в природе и занимающая определенное местообитание группа особей одного вида, в пределах которой в той или иной степени осуществляется свободное скрещивание и перемешивание особей, отделенная от других популяций той или иной степенью территориальной и биологической изоляции" (Тимофеев-Рессовский и др.,1973).
-17-
Широкое применение популяционных методов при изучении внутривидовой экологической и географической изменчивости (Вавилов, 1931; Синская,1935Д948,1963; Комаров,1940; Мауг, 1942; Розанова, 1946; Clausen,1951; Завадский, 1968) углубило и обогатило учение о популяциях. Была выявлена картина сложной иерархии популяций, их генетической и фенетической неоднородности, межпопуляционных отличий. В результате оформилось представление о местной или локальной популяций как об "относительно обособленном поселении, способном устойчиво длительное время воспроизводиться в пределах освоенной территории и эволюировать "(Завадский, 1968). Местная популяция становится основным объектом изучения в фенетике популяций (Яблоков, Ларина,1985).
Детальное исследование соподчинения популяций разных рангов у древесных пород (Семериков, Глотов, 1983; Абатурова и др., 1984; Семериков, 1986) поставило перед генетиками вопрос о минимальных размерах популяций. Этот вопрос пытались решить, отталкиваясь от принципа панмиксии. В результате появились данные, свидетельствующие о том, что размеры панмиктических популяций даже у видов со сплошными ареалами относительно невелики: 0,8 — 1,5 га для деревьев (Stern, Greginus, 1972 и Санников, Гришина, 1979, цит. по: Абатурова и др., 1984) и 30 - 280 особей у трав (Грант, 1984). По мнению В. Гранта (1984), случайное скрещивание в обширной популяции — идеализированная ситуация; в действительности картина более разнообразна и существует множество популяций растений, поддерживающих себя путем автогамии, агамоспермии и вегетативного размножения. Таким образом, в настоящее время представление о популяциях с генетических и эволюционных позиций насыщается эклогическим содержанием. Исследователи приходят к заключению, что популяция (по крайней мере, у деревьев) соответствует биоценозу с доминирующей лесообразующей породой (Правдин,1969). Методы популяционной генетики, основанные на определении аллелыюго состава энзимов (метод электрофореза), показывают, что аллелофонд |
