3 Введение
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 2п = 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.
5
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 м.н.с. 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 ст.н.с. лаб. биотехнологии Н.М. Воронковой; статистический анализ морфологических признаков проведен совместно с СТ.Н.С. 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.
6
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Остролодочник ханкайский Oxytropis chankaensis Jurtz. как
объект исследования
1.1.1. Эколого-биологические особенности представителей рода Oxytropis
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
7
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 Orobia и арктических секций Arctobia и Gloecephala. Среди представителей секции ХегоЫа распространены криоксерофиты, секции lanthina - 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
8
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 ОгоЫа). 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 насекомоопьшяемыми 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,
9
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.
1.1.2. Систематическое положение, распространение и вопросы охраны
О. chankaensis
Систематическое положение
Остролодочник ханкайский Oxytropis chankaensis Jurtz. относится к подсекции Oxyphylliformis Jurtz. секции Baicalia Bunge подрода Oxytropis рода Oxytropis DC. трибы Galegae (Bronn) Torr. et Gray подсемейства Papilionoidae DC. семейства Fabaceae Lindl. {Leguminosae Juss.) - Бобовые (Юрцев, 1964а; Павлова, 1989; Яковлев, 1991). Oxytropis chankaensis Jurtz. впервые был выделен как самостоятельный вид Б. А. Юрцевым (1964а). До этого в работах по флоре Дальнего Востока данный вид именовался как О. oxyphylla (Pall.) DC. (Комаров, 1950; Куренцова, 1962). Однако О. chankaensis четко отличается от О. oxyphylla как морфологическими признаками (Юрцев, 1964а; Шишкин, 1948; Павлова, 1989), так и по числу хромосом. О. chankaensis является тетраплоидом, с 2п = 32 (Гурзенков, 1969,1973; Жукова, 1983; Гурзенков, Павлова, 1984), а у О. oxyphylla 2n = 16 (Агапова и др., 1990). Ареал О. oxyphylla охватывает в основном Даурию (Шишкин, 1948; Юрцев, 19646; Положий, 1994) и Северо-Восточную Монголию (Губанов, 1996). В дальнейших работах вид, обитающий на берегах оз. Ханка, уже приводится как О. chankaensis (Ворошилов, 1966; Харкевич, Качура, 1981; Павлова, 1989).
Распространение
О. ханкайский - узколокальный эндем, встречается только по западному побережью оз. Ханка на прибрежных песках (Юрцев, 1964а; Харкевич, Качура, 1981; Павлова, 1989).
10
Протяженность распространения вида с севера на юг на Российской территории Дальнего Востока составляет около 60 км, при ширине ареала, определяемой шириной прибрежной полосы песка. Распространение О. chankaensis, приведенное в книге "Редкие виды растений советского Дальнего Востока и их охрана" (Харкевич, Качура, 1981), представлено на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Распространение О. chankaensis (выделено черным цветом, по: Харкевич,
Качура, 1981).
Кроме этого, точечные местонахождения О. chankaensis, подтвержденные гербарным материалом, показаны Н.С. Павловой (1989) и приведены в работе В.Ю. Баркалова с соавторами (1993). В списке растений побережья оз. Ханка, произрастающих на территории Китая (Diagnostic..., 2001) О. chankaensis не упоминается, однако по наблюдениям сотрудника заповедника "Ханкайский" И.В. Масловой, растения остролодочника встречаются на песчаной косе между Большой и Малой Ханкой.
Категория угрожаемого состояния
Остролодочник ханкайский включен в региональную сводку редких растений Дальнего Востока (Харкевич, Качура, 1981), где отнесен к категории 3 - сокращающиеся виды: численность вида сокращается, ареал сужается. Эти процессы связаны с антропогенными воздействиями (Павлова, 1989). Сокращение ареалов видов, обитающих на прибрежных песках оз. Ханка, вследствие активной хозяйственной деятельности началось с середины XX века (Куренцова, 1962). О. chankaensis занесен в готовящуюся Красную книгу Приморского края (Перечень..., 2002), где он отнесен к категории "Уязвимый", т.е. вид, для
11
которого высок риск его исчезновения в природе в более или менее отдаленном будущем. В настоящее время надежная сохранность популяций остролодочника обеспечена лишь на территории государственного природного заповедника "Ханкайский" (Баркалов и др., 1993; Баркалов, Харкевич, 1996; Холина и др., 2003). Неоднократно поднимался вопрос об охране уникального растительного сообщества в окрестностях с. Турий Рог, компонентом которого является О. chankaensis (Куренцова, 1962, 1968; Харкевич, Качура, 1981; Баркалов и др., 1993; Баркалов, Харкевич, 1996; Кожевников, Кожевникова, 2000; Крестов, Верхолат, 2003), поскольку без заповедывания этой территории невозможно гарантировать сохранение данного сообщества и предотвратить исчезновение входящих в него редких видов.
1.1.3. Биологическая характеристика и практическое значение О. chankaensis
Морфологическое описание растений приведено в работах Б.А. Юрцева (1964а) и Н.С. Павловой (1989). Остролодочник ханкайский представляет собой стержнекорневой травянистый поликарпик до 20-25 см высотой, широко- и рыхлодерновинный, с многоглавым каудексом, розеточными моноподиально нарастающими побегами и с пазушными генеративными побегами (рис. 1.1.3). Листья 20-25 см длиной, на тонких извилистых черешках, листочки линейные или линейно-продолговатые, прижато беловолосистые, 10-15 мм длиной, собраны по 3-7 в 8-12 мутовок. Цветоносы восходящие, равны листьям или немного длиннее их, соцветие - головчатая, шаровидная или продолговатая рыхлая кисть, о 5-12 цветках. Прицветники линейно-ланцетные, короче трубки чашечки. Чашечка трубчато-колокольчатая, часто фиолетовая, густо опушенная прижатыми белыми волосками, зубцы в 3-4 раза короче трубки. Венчик красно-фиолетовый. Флаг 18-23 мм длиной, крылья 15-17 мм длиной, лодочка на 1-2 мм короче крыльев, с тонким носиком до 2.5 мм длиной. Бобы шаровидные или яйцевидные, вздутые, 11-17 мм длиной, с коротким шиловидным носиком, коротко прижато опушенные или голые, бороздчатые по брюшному шву с узкой брюшной перегородкой, почти одногнездные.
Остролодочник характеризуется узкой экологической приуроченностью к открытым пескам - псаммофит, гелиофит (Куренцова, 1962; Юрцев, 1964а).
Размножается остролодочник ханкайский только семенным путем, цветение продолжается с первых чисел мая до августа, плодоношение - в августе - начале сентября (Скрипка, 1960; Скрипка, 1980; Харкевич, Качура, 1981; Павлова, 1989).
12
Рис 1.1.3. Остролодочник ханкайский - Oxytropis chankaensis Jurtz. Фото С.К. Холина (А) и И.В. Масловой (Б).
13
Вид имеет существенное практическое значение. Благодаря строению корневой системы, растения остролодочника способствуют укреплению песчаных берегов оз. Ханка. Симбиоз растений остролодочника с клубеньковыми азотфиксирующими бактериями приводит к обогащению почвы азотом, что делает возможным поселение на песках и других видов растений.
Виды рода Oxytropis DC. широко применяют в китайской, монгольской и тибетской медицине как кровоостанавливающее, диуретическое, сердечно-сосудистое, противовоспалительное и жаропонижающее средство, при интоксикациях эндогенного и экзогенного характера (Блинова, Иристе, 1972; Шретер, 1975; Базарон, Асеева, 1984; "Дзэйцхар мигчжан"..., 1985; Дикорастущие..., 1985; Блинова, Саканян, 1986). Химические и фармакологические исследования остролодочников показали перспективность этих видов как возможных источников сырья для создания лекарственных средств; для представителей рода характерны такие биологические активные вещества, как флавоноиды, фенолкарбоновые кислоты, кумарины и сапонины (Блинова, Иристе, 1972; Блинова, Саканян, 1986). Эксперименты по изучению биохимического состава остролодочника ханкайского показали наличие флавоноидов в надземной части растения; в цветках содержание флавоноидов достигает 24.37 мг/г (Павлова, 1968; Павлова, Уланова, 1971). Для близкого вида О. oxyphylla показано наличие кумаринов, проявляющих противоопухолевую активность в эксперименте (Цетлин и др., 1965), и флавоноидов (Бе Тхи Тхуань, Блинова, 1974). 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). Все части растения О. chankaensis используют в составе различных лекарственных смесей в "Центре тибетской медицины", г. Владивосток. С учетом этого, можно рассматривать О. chankaensis как перспективный источник биологически активных соединений.
Очевидна ценность остролодочника ханкайского как декоративного раннецветущего растения с длительным периодом цветения. Виды остролодочников, обладающие декоративными качествами, рекомендованы для интродукции (Пленник, Кузнецова, 1972; Пленник, 1976). Высеянные в чистом виде растения остролодочника ханкайского с массой ярких цветков создают аспект в весенне-раннелетний период, когда цветущих растений очень мало, после отцветания они до заморозков остаются достаточно декоративными как красиволистные, серо-серебристые от густо опушенной листвы (Скрипка, I960).
14 1.2. Изучение изменчивости в природных популяциях растений
Выяснение закономерностей существования вида, понимание путей его становления требует всестороннего комплексного подхода, включающего изучение популяционной структуры вида, его морфологической и генетической дифференциации, исследование процессов, протекающих в популяциях. По Э. Майру (1974), структура вида определяется различными географическими и экологическими факторами, генетическими потенциями и потенциями развития, присущими данному виду, а также его историей. Н.И. Вавилов (1930; цит. по Вавилов, 1987) в своей работе "Линнеевский вид как система" писал: " Изучая тот или другой вид, мы составляем на основе фактических данных прежде всего систему наследственной изменчивости всех признаков... В свете современного знания о видах как системы форм генотипов необходимо знание системы изменчивости, амплитуды наследственных различий отдельных признаков". Именно система изменчивости, влючающая все многообразие форм вида, в совокупности с эколого-географической структурой ареала и особенностями биологии вида лежит в основе структуры вида (Вавилов, 1930; цит. по Вавилов, 1987; Синская, 1948; Майр, 1974; Грант, 1984; Семериков, 1986).
Многообразие внутривидовых форм или дифференциация вида включает, по К.М. Завадскому (1968) все типы: биохимическую, морфологическую, половую, возрастную, связанную с фазами жизненного цикла, экологическую, географическую и др., модификационную и генотипически стабилизированную. Внутривидовые различия, проверенные и переработанные отбором и имеющие приспособительное значение, можно назвать "адаптивной нормой вида". Она формируется под воздействием противоположно направленных процессов индивидуального и группового отбора, ведущих к адаптивной интеграции и адаптивной радиации групп внутри вида, являясь как бы равнодействующей этих тенденций. Она может включать формы, интегрированные в единой системе вида (сбалансированный полиморфизм, характеризующийся стабильным численным соотношением между формами, которое поддерживается из поколения в поколение) и существующие более или менее изолированно друг от друга (приспособительные экологические и географические формы) (Шмальгаузен, 1961,1968; Завадский, 1968).
Элементарной структурной единицей вида и ареной эволюционных процессов считается популяция - минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени (большого числа поколений) населяющая определенное пространство, образующая самостоятельную генетическую систему и формирующая собственную экологическую нишу (Тимофеев-Ресовский и др., 1973;
15
Яблоков, 1987). Популяция является основной единицей существования, приспособления, воспроизведения и эволюции населения вида, т.е. основной демографической единицей (Завадский, 1968). Популяции имеют общее происхождение и непрерывно обмениваются генетической информацией; протекающие в них сложные генетические процессы являются эволюционно сложившимся регуляторным механизмом, обеспечивающим сохранение и поддержание разнообразия и внутренней структуры вида.
Характер дифференциации вида находится в сильной зависимости от особенностей биологии вида (Розанова, 1946; Завадский, 1968; Тимофеев-Ресовский и др., 1973; Грант, 1984, 1991; Яблоков, 1987). Привязанность к определенной территории (для растений - в основном малоподвижный или неподвижный образ жизни), способ размножения, система скрещивания, радиус индивидуальной или репродуктивной активности (у растений это расстояние, на которое могут распространяться пыльца, семена или вегетативные диаспоры), способность вида к существованию в широком спектре условий среды — все это будет влиять на степень внутрипопуляционной панмиксии и межпопуляционной изоляции, на возможность расселения популяций вида и вероятность их сохранения во времени. Характер распределения особей по ареалу - равномерное распределение или образование микрогруппировок, возрастная и половая структура микрогруппировок, уровень численности особей в них, кариологическая характеристика и уровень плоидности вида, - все это будет влиять на степень генетической гетерогенности популяций.
Таким образом, исследование системы вида подразумевает выяснение особенностей биологии вида, установление его популяционной структуры, распределения изменчивости внутри и между популяциями, степени дифференциации популяций. С учетом естественноисторического подхода к изучению популяций (Глотов, 1975; Семериков, 1986), размещение выборок, взятых для изучения, должно отражать естественноисторическую структуру ареала вида. Чтобы получить возможно более полное представление о структуре популяций и происходящих в них изменениях необходимо тестирование особей по большому числу признаков, отражающих различные особенности организма, соединив в одном исследовании различные методы (Магомедмирзаев, 1975; Глотов, 1983; Животовский, 1984, 1991; Spitze, 1993; Картавцев, 1995). Анализ комплекса признаков (особенностей биологии, количественных морфологических признаков и полиморфных молекулярно-генетических маркеров) позволяет получить более детальную информацию о внутривидовой структуре, дифференциации и популяционно-генетических процессах.
16
1.2.1. Анализ изменчивости морфологических признаков
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, цит. 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
17
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 (х), 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). |
