CC BY
49
Морфо-анатомическая дифференциация центральных и маргинальных популяций Calluna vulgaris L. (Hull)
ИВ. Петрова, д.б.н, О.Е. Черепанова, к.б.н., С.Н. Санников,
д.б.н, профессор, Ю.Д. Мищихина, аспирантка, ЕВ. Болотник, аспирантка, ФГБУН Ботанический сад УрО РАН
В настоящее время для изучения эволюционно-генетических процессов, протекающих в популяциях растений, эффективно используются молекулярно-генетические методы. С этой целью достаточно информативно применяются также и классические морфо-анатомические методы.
В качестве модельного вида для изучения процессов, протекающих в островных маргинальных популяциях, нами был избран вереск обыкновенный (Calluna vulgaris L. (Hull)). Согласно постулату систематики популяции этого вида монотипического рода Calluna почти не подвержены адаптивной радиации в пределах обширного и экологически гетерогенного ареала, который простирается от Приатлантики в Европе до Зауралья в Западной Сибири [1, 4]. Однако эта дискуссионная гипотеза не подтверждена количественными популяционно-генетическими и фенотипическими исследованиями.
Цель настоящего исследования — сравнительный анализ географической изменчивости и дифференциации некоторых морфо-анатомических параметров центральных (восточно-европейских) и изолированных маргинальных (восточных и западных) популяций вереска обыкновенного.
Материал и методы исследования. Сравнительный анализ морфологической изменчивости семян и морфо-анатомической изменчивости годичного побега C. vulgaris проведён в ценопопуляциях на географических трансектах, ориентированных с запада на восток ареала: Лондон — Бордо —
Гомель — Миголощи — Череповец — Воронеж — Сыктывкар — Пенза — Тавда — Заводоуспенское — Курган. Все популяции произрастают под пологом географически замещающих древостоев сосняков бруснично-вересково-зеленомошных.
Структуру годичного побега C. vulgaris изучали у 11 — 40 особей в каждой популяции на свежих и фиксированных образцах. Коробочки с семенами собраны в августе — сентябре. Линейные размеры (длина, толщина, удлинённость) семян проанализированы в общей сложности на 300 семенах из 6 популяций вереска.
У особей измеряли длину и толщину не менее чем пяти листьев, отобранных из средней части каждого из трёх терминальных годичных побегов. Образцы листьев фиксировали в смеси спирт-глицерин (3:1). Поперечные срезы готовили бритвой от руки. С каждого листа делали по 5 срезов и брали образцы ткани для мацерации эпидермы, которую проводили на материале, выдержанном в водном растворе NaOH. Из предварительно отобранных 16 параметров годичного побега в итоговый анализ включено 10 морфо-анатомических признаков листа, кроме малоинформативных (длина годичного побега, длина междоузлия, средний прирост годичного побега, длина, толщина и удлинённость клетки хлоренхимы).
Параметры морфо-анатомической структуры листа и семян измеряли в трёх-, пятикратной повторности с применением бинокулярной лупы MC-2-ZOOM и оптического микроскопа Carl Zeiss, а также программного обеспечения Axio Vizion ReL. 4.8.
Для определения суммы флавоноидов в годичных побегах вереска проводили экстракцию в спир-
те (30%) на водяной бане. Полученный экстракт центрифугировали (Eppendorf — 5417R) в течение 5 минут при 20°С со скоростью 5000 оборотов для осаждения мелкой примеси и полисахаридов. Определение оптической плотности выполнено на спектрофотометре (UV 3600 SHIMADZU) согласно известной методике В.Л. Шелюто (2007) с модификациями [2].
Статистический анализ проведён по комплексу 16 морфо-анатомических признаков годичного побега (длина междоузлия, толщина, длина и удлинённость листа, клеток хлоренхимы и эпидермы, число устьиц, трихом и др.) и 3 параметров семени, цвет семян учитывался отдельно и в общий анализ не включён. Для обработки параметров использована программа Statistica 8.0 (дискриминантный анализ, ANOVA/ тест Kruskal-Wallis, t-критерий Стьюдента).
Результаты исследования. Параметры семени. Географическая изменчивость линейных размеров (длина, толщина и удлинённость) и анатомической структуры семени вереска ранее достаточно подробно не изучалась ни на территории России, ни в Европе [5]. Описание внешнего строения семени используется лишь палеонтологами при проведении палеоботанических исследований. Встречаются единичные работы по регенерационной способности вереска с краткой характеристикой семян и проростков [4 — 6].
В изучавшихся нами популяциях окраска семян вереска изменяется от желтовато-коричневой до светло- и тёмно-коричневой. Во всех выборках высока встречаемость светло-коричневых семян (51 — 68%), кроме Воронежской, где доля тёмно-коричневых семян достигает 42%. Форма семени меняется от округлой до продолговатой и не связана с регионом произрастания; поверхность их сетчатая, на терминальной части семени расположена пора. Анализ линейных размеров семян также не выявил достоверных отличий между популяциями. Максимальная длина и толщина семени
отмечены в Миголощах (Новгородская область) (0,604+0,013 мм; 0,406+0,007 мм соответственно); минимальная длина — в Заводоуспенском (При-тоболье) (0,448+0,013 мм), а толщина — в Бордо, Франция (0,276+0,008 мм). Максимальная удлинённость семени выявлена в Бордо (1,859+0,08), а минимальная — в Заводоуспенском (1,419+0,044) (табл. 1).
Согласно результатам дискриминантного анализа по комплексу морфологических параметров семени достоверных различий в линейных параметрах между популяциями нет.
Минимальными размерами семени обладают особи Заводоуспенской и Воронежской популяций, а максимальными — Новгородской. Полученные результаты согласуются с европейскими работами, в которых также не было обнаружено значимых различий в морфологии и анатомии семян вереска [5, 7].
Линейные параметры листа. C. vulgaris — вид монотипичного рода Calluna, на протяжении обширного ареала которого следовало бы ожидать сходство морфо-анатомических признаков [8]. Между тем в результате анализа комплекса морфологических и анатомических признаков (табл. 2) особей вереска в популяциях, расположенных на трансекте, ориентированной в направлении с востока на запад ареала, в том числе маргинальных (Лондон, Бордо, Заводоуспенское), выявлено следующее. Длина и толщина листа клинально уменьшаются в западном направлении, но градиенты этих параметров между маргинальными изолированными западносибирскими (Заводоуспен-ское, Курган) и приатлантическими популяциями (Лондон, Бордо) максимальны [3].
Максимальные длина и толщина листа найдены нами в Задодоуспенском (2,36+0,04 мм и 0,76+0,02 соответственно), минимальная длина — в Бордо (1,53+0,02 мм), толщина — в Пензе (0,41+0,01 мм). Максимальные показатели удлинённости листа
1. Линейные параметры семени C. vulgaris L. (Р < 0,05)
Признак Бордо, Франция (N = 50) Миголощи, Новгород (N = 50) Воронеж (N = 50)
M±m Min Max M+m Min Max M+m Min Max
Длина семени, мм 0,489+0,010 0,310 0,650 0,604+0,013 0,410 0,790 0,458+0,011 0,340 0,610
Толщина семени, мм 0,276+0,008 0,130 0,420 0,406+0,007 0,340 0,500 0,307+0,008 0,210 0,460
Удлинённость семени, мм 1,859+0,080 1,146 4,154 1,493+0,029 1,079 1,973 1,542+0,054 0,761 2,435
Череповец (N = 50) Заводоуспенское (N = 50) Просвет, Курган (N = 50)
Длина семени, мм 0,558+0,011 0,380 0,740 0,448+0,013 0,290 0,660 0,579+0,012 0,440 0,730
Толщина семени, мм 0,380+0,011 0,190 0,500 0,320+0,007 0,170 0,460 0,377+0,008 0,230 0,500
Удлинённость семени, мм 1,515+0,048 1,042 2,474 1,419+0,044 1,000 2,471 1,566+0,043 1,136 2,348
Примечание: M — среднее арифметическое, m — ошибка среднего, Min — минимум, Max — максимум, N — число семян.
2. Средние анатомические и морфологические параметры листа в популяциях C. vulgaris (Р <0,05)
м а н Заводоуспенское Сыктывкар Пенза Гомель Бордо Лондон
з в р (N= =20)
С М ±тМ
К трх 17,76+0,75 24,33+0,71 19,27+0,85 10,31+0,60*** 17,00+0,61 22,06+1,82
к ^уст 13,32+0,63 15,69+0,80 9,74+0,46*** 16,44+0,55 15,89+0,72 17,70+1,02***
Цкэ 53,10+2,00 55,27+2,23 53,00+2,67 57,73+2,78 53,00+2,67 63,18+2,94***
T А кэ 23,24+1,35 24,83+1,74 24.60+1,13 23,87+1,38 24,60+1,13 29,55+1,25***
У кэ 0,44+0,02 0,45+0,02 0,47+0.02 0,42+0,02 0,47+0,02 0,47+0,02
1010,54+70,01 1120,62+67,01*** 1144,41+90,19 1159,20+109,45 1144,41+90,19 1500,00+93,63***
Р кэ 170,68+5,78 171,37+5,13 164,79+3,14 181,94+4,43 187,54+6,32 214,85+9,30***
L, 2,36+0,04*** 1,60+0,03 1,74+0,05 1,81+0,05 1,53+0,02 1,97+0,07
Тл 0,76+0,02*** 0,58+0,02 0,41+0,01 0,48+0,01 0,48+0,02 0,44+0,02
У, 0,32+0,01 0,37+0,01 0,24+0,01 0,27+0,01 0,32+0,01 0,22+0,01
Примечание: Ктрх — количество трихом в 50 мкм длины желоба листа; Куст — количество устьиц в 50 мкм длины желоба листа;
Цкэ, мкм — длина клетки эпидермы; Ткэ, мкм — толщина клетки эпидермы; Укэ — удлинённость клетки эпидермы; Sra, мкм2 — площадь клетки эпидермы; Ркэ, мкм — периметр клетки эпидермы; L,, мм — длина листа; Тл, мм — толщина листа; У, — удлинённость листа; N — повторность измерений. *** — признаки, на которых основывается дифференциация изученных популяций C. vulgaris (при р <0.00001)
выявлены в Сыктывкаре (0,37+0,01), а минимальные — в Лондоне (0,22+0,01). В отличие от малоизменчивых параметров клеток хлоренхимы, линейные размеры клеток эпидермы в крайних географических точках (Лондон, Заводоуспенское) различаются на 18% (63,18+2,94 мкм и 53,10+2,00 мкм соответственно) по длине клетки и на 27% по толщине (29,55+1,25 мкм и 23,24+1,35 мкм соответственно). Показатель удлинённости клетки эпидермы увеличивается в направлении с востока (0,44+0,02) на запад (0,47+0,02) с небольшим спадом в Гомеле (0,42+0,02). Максимальное число устьиц отмечено в Лондонской популяции (17,70+1,02), а минимальное — в Пензенской (9,74+0,46). Вероятно, достоверно большее число устьиц в Лондоне — результат адаптации к интенсивной транспирации в условиях атлантического климата по сравнению с континентальным климатом лесостепи Русской равнины (Пенза).
С трендами признаков морфо-анатомической структуры листа согласуются градиенты суммы флавоноидов в некоторых популяциях вереска. В Западной Сибири, где зарегистрированы максимальные значения длины листа, сумма флавоноидов (0,503+0,007%) в 1,3 раза больше, чем в Англии (0,374+0,009 %).
В целом для европейских популяций характерно снижение среднего значения суммы флавоноидов почти в два раза (0,392+0,002%) по сравнению с западносибирскими (0,699+0,006%). Достоверные различия по сумме флавоноидов отмечены между крайними популяциями трансекты (Лондон, Тавда) ^Т = 396,64 при Р <0,00001). У всех остальных морфолого-анатомических параметров также наблюдается постепенное увеличение с востока на
запад ареала с резким снижением на юге (Пенза, Гомель) (табл. 2).
Согласно результатам теста Kruskal-Wallis популяции C. vulgaris наиболее чётко дифференцируются по 6 из 16 параметров годичного побега. Выборка Лондон обособляется от всех остальных популяций по числу устьиц на единицу длины желоба листа и периметру клетки эпидермы, Гомель — по числу трихом, Пенза — по числу устьиц, Сыктывкар — по периметру клетки эпидермы, Заводоуспенское — по толщине листа.
Вывод. По параметрам линейных размеров семян «центральных» и маргинальных популяций C. vulgaris на изучавшейся географической тран-секте от Приатлантики до Притоболья Западной Сибири не выявлено достоверных различий. Тем не менее резкое увеличение средних размеров длины и толщины листа вереска установлено при переходе от восточно-европейских к притобольским популяциям. В общем направлении с запада на восток ареала выявлено вначале резкое падение градиента комплекса морфо-анатомических признаков листа (от островной популяции Лондон к береговой приатлантической Бордо), а затем его быстрый рост (почти на порядок величин) по мере удаления от Атлантики. Таким образом, впервые установлен статистически достоверный географический тренд изменений фенотипических признаков ассимиляционного аппарата вереска в пределах его ареала. Вероятно, это отражает увеличение интенсивности процессов его адаптивной фенотипической радиации в связи с повышением континентальности климата. Вопреки ожиданиям, в том же направлении, а также и в направлении с севера на юг ареала, на данном материале пока не
отмечается увеличения признаков ксероморфизма листьев С. vulgaris. Количественные географические тренды экологически модификационных феноти-пических признаков С. vulgaris могут быть выявлены лишь в сопоставимых условиях среды, например под пологом географически замещающих типов сосновых лесов с близкой световой и корневой конкуренцией древостоя -эдификатора.
Литература
1. Горчаковский П.Л. К географии, экологии и истории формирования ареала вереска // Ботанический журнал. 1962. №9. С. 1244-1257.
2. Шелюто В.Л., Онегин C.B., Фурса Н.С. Обнаружение, выделение, физико-химическое изучение и количественное определение флавоноидов в траве вереска обыкновенного // Вестник фармации. 2007. №2 (36). С. 15-25.
3. Санников С.Н. Генетическая и фенотииическая дифференциация Притобольских и Европейских популяций Calluna vulgaris (L.) HulL. / С.Н. Санников, И.В. Петрова, О.С. Дымшакова, O.E. Черепанова // Генетика. 2014. Т. 50. №9. С. 1050-1058.
4. GiminghamС.Н. BiologikalfloraofBritishIsles:CalluiiaSalisb.A monotypic genus // J. Ecology. 1960. VoE. 48. N. 2. P. 455 -483.
5. Fagndez J., IzcoJ. Seed morphology of Calluna salisb. (Ericaceae) //Acta Botanica Malacitana. №29. 2004. P. 215-220.
6. Barclay-Estrup P., Gimingham C-.H. Seed-shedding in a Scottish heath community // Journal of Vegetation Science. № 5. 1994. P. 197-204.
7. Fraga M.I. Valor taxon mico de la morfolog a de las semillas en las especies del genero Erica presentes en el NO de Espa a // Acta Bot. Malacitana. 1984. №9. P. 147-152.
8. Gaudio N. Growth and morphology of three forest understorey species (Calluna vulgaris, Molinia coerulea and Pteridium aquilinum) according to light availability / N. Gaudio, P. Balandier, Y. Dumas, C. Ginisty // Forest Ecology and Management. Elsevier. 2011. 261 (3)'. P. 489-498.
