Морфометрия лекарственных растений. 1. Vaccinium vitis-idaea L. : изменчивость формы и размеров листьев Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Вестник фармации № 2 (32) 2006 Г.Н. Бузук

МОРФОМЕТРИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ. 1. УАССШШМ УГГК-ГОАЕА Ь.: ИЗМЕНЧИВОСТЬ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ЛИСТЬЕВ

Витебский государственный медицинский университет

Изучено распределение листьев брусники в пределах побега прироста текущего года по форме и размерам с помощью дескрипторов формы и эллиптических дескрипторов Фурье. Установлено, что наиболее пригодным для характеристики особей и ценопопуляции в целом по форме и размерам листьев является «медианный» лист этого растения.

Изучению влияния различных экологических факторов на морфологию и анатомию листьев посвящены многочисленные исследования [1, 2-7]. При этом отмечается, что количественные признаки листьев могут служить для оценки сходства и различий экоценотических режимов участков местообитания [8, 9], индикатором изменения условий произрастания [10] и являться критерием эффективности действия того или иного фактора на продуктивность растений [11].

Имеются также весьма многочисленные данные о влиянии экологических условий на содержание в различных органах и структурах растений, в том числе и листьях, различных биологически активных веществ, таких как фенольные соединения, алкалоиды, терпеноиды и др.[12, 13, 14, 15, 16].

Однако взаимосвязь между морфологическими параметрами листьев, такими как длина, ширина, площадь, периметр, форма и накоплением в них различных групп вторичных соединений практически не изучена, хотя данное обстоятельство представляет несомненный интерес для практики: на основе видимых и легко определяемых морфологических признаков прогнозировать содержание биологически активных веществ в лекарственных растениях.

Необходимой предпосылкой такого рода исследований является разработка методических подходов, включая методику взятия репрезентативных образцов, в наибольшей степени отражающих влияние экологических условий на форму и размеры листьев отдельных особей и ценопопу-ляции в целом изучаемого вида, которая не должна быть трудоемкой и легко выполняться в полевых условиях. Это и обусловило необходимость проведения настоящего исследования

Цель настоящей работы - исследование взаимосвязей между морфологическими параметрами листьев брусники, такими как длина, ширина, площадь, дескрипторы формы в зависимости от расположения листьев на побеге.

Выбор в качестве объекта исследования брусники (Vaccinium vitis-idaeaL.) был обусловлен широким распространением и значительной амплитудой варьирования экологических условий произрастания данного растения, а также ее несомненным значением для медицины.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

На учетных площадках, заложенных в различных фитоценозах, случайным образом срезали 70-100 вегетативных побегов брусники прироста текущего года. С 45 побегов отделяли все листья, которые фиксировали в полевых условиях в порядке их расположения на побеге на клейкой прозрачной ленте (скоч), закрывали

фильтровальной бумагой и закладывали в гербарный пресс. Далее поступали как при сушке обычного гербария.

Для измерения морфологических параметров листьев полученный гербарий сканировали (сканер EPSON Perfection 1270, RGB, 24 bit, 150 dpi).

Полученные изображения обрабатывали с помощью программы ImageJ 1.37d и подпрограмм http://www.gcsca. net/IJ/Shape Descriptorlm.java и http:// www.optinav.com/download/Measure Roi C urve.java.

Определяли следующие параметры и дескрипторы формы:

• Area - площадь листа;

• Perimeter - периметр листа;

• Major axis, Minor axis - большая и малая оси эллипса, описанного вокруг листа;

• Ferrets diameter - длина листа (по прямой);

• Curve length (Curve L) - длина листа (по кривизне);

• Curve width (Curve W) - ширина листа (по кривизне);

• Form factor = (4 n * Area) / (Perimeter)2;

• Roundness = (4 * Area) / (n * Major axis);

• Compactness = V (4 n * Area) / (Major axis);

• Aspect ratio (AR) = (Major axis) / (Minor axis);

• Effective diameter = V (Area/n) * 2;

• Solidity = (Area/Convex area);

• Convexity = (Convex perimeter) / (Perimeter).

Статистическую обработку полученных данных проводили методами корреляционного и регрессионного анализа с ис-

пользованием пакетов программ Matlab 7 и Excel 2002.

РЕЗУЛЬТАТЫИ ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Были проведены измерения 396 листьев из 7 ценопопуляций брусники, произрастающей в различных по возможности контрастных экологических условиях (сосняки, смешанный лес, пустошь, гарь, верховое и низинное болота).

Проведенный корреляционный анализ матрицы данных (табл. 1) выявил высокодостоверные линейные зависимости между определяемыми параметрами листьев брусники (Area, Perimeter, Curve L, Major axis, Ferrets diameter Curve W, Minor axis).

Это позволило предложить регрессионные уравнения для площади и периметра на листьев основании измерения их длины и ширины (табл. 2).

Таблица 2

Уравнения регрессии и их характеристики параметров листьев.

Area = -125,487 + б,955 Major + 1б,415 Minor

n 39б s 21,024б9 d 0,773595

R2 0,9б4323 Adj R2 0,9б4141 Raw R2 0,99083

Area = -131 ,9б2 + 5,904 Curve L + 1б,245 Curve W

n 39б s 22,8721б d 0,791171

R2 0,95777В Adj R2 0,9575б3 Raw R2 0,989148

Perim = -0,б7В + 2,215 Major + 1,23 В Minor

n 39б s 1,72225 d 1,407б28

R2 0,9931бВ Adj R2 0,993133 Raw R2 0,99927

Perim = -3,204 + 1,999 Curve L + 1,064 Curve W

n 39б s 0,805929 d 1,б1093

R2 0,998504 Adj R2 0,99В49б Raw R2 0,99984

Данные о зависимости исследованных параметров листьев брусники от их расположения на побеге прироста текущего года, представлены на рис. 1-13.

VV 1-1

N листа от основания побега

VV 1-2 VV 1-3 VV 1-4

Mean

Std

Рис. 1. Зависимость Area от расположения на побеге прироста текущего года.

Примечание: VV 1-1 - VV1-4 - побеги, Mean - средняя арифметическая, Std - стандартное отклонение.

100

90

80

70

ш 60 О

Е 50

а»

а.

40

30

20

10

0

6 8 10 N листа от основания

12

VV 1-1

VV 1-2 VV 1-3

VV 1-4 —ж— Mean

14

Std

16

0

2

4

N листа от основания

—VV 1-1 -*-VV 1-2 -A-VV 1-3 -x-VV 1-4 -*-Mean —Std

Рис. 3. Зависимость Major axis от расположения на побеге прироста текущего года.

N листа от основания —VV 1-1 -b-VV 1-2 -a-VV 1-3 -к-VV 1-4 -*-Mean -*-Std

Рис. 5. Зависимость Effective diameter от расположения на побеге прироста текущего года.

N листа от основания

—VV 1-1 -в-VV 1-2 -*-VV 1-3 -к-VV 1-4 _*_Mean —•—Std

Рис. 7. Зависимость Roundness от расположения на побеге прироста текущего года.

Рис. 9. Зависимость Solidity от расположения на побеге прироста текущего года.

Рис. 10. Зависимость Convexity от расположения на побеге прироста текущего года.

N листа от основания

VV 1-1 VV1-2 VV 1-3 VV 1-4 Mean Std

Рис. 11. Зависимость Curve L от расположения на побеге прироста текущего года.

N листа от основания _ф_УУ 1-1 -*-VV1-2 -a-VV 1-3 -к-VV 1-4 -*-Mean —Std

Рис. 12. Зависимость Curve W от расположения на побеге прироста текущего года.

.8

(U

Е

га

Ъ

•S3

<и

<5

VV 1-1

N листа от основания

VV 1-2 VV 1-3 VV 1-4

Mean

Std

Рис. 13. Зависимость Ferrets diameter от расположения на побеге прироста текущего года.

Данные о зависимости параметров листьев брусники от расположения на побеге прироста текущего года, представленные на рис. 1-13, позволяют разделить их на четыре типа. К первому типу относятся Area, Perimeter, Major axis, Minor axis, Curve L, Curve W, Ferrets diameter, Effective diameter, для которых зависимость параметра от места расположения листа на побеге носит колоколообразный характер. Ко второму типу относится Form factor и Roundness - величина которых плавно

третьему - Aspect ratio (AR) - изменяется противоположным образом относительно параметров второго типа. И, наконец, для четвертого типа - Solidity и Convexity характерно отсутствие явной связи с расположением листьев на побеге.

Таким образом, из представленной совокупности данных (рис. 1-13) следует, что наиболее крупные листья располагаются в средней части побега и при переходе от основания к верхушке они становятся более вытянутыми.

уменьшается от основания к верхушке, к

Рис. 14. Изменчивость размеров и формы листьев на побеге прироста текущего года от ос-

нования к верхушке (слева направо).

Для дальнейшего изучения изменчивости формы листьев брусники в зависимости от места их расположения на побеге был использован анализ с применением эллиптических дескрипторов Фурье, дополненный методом главных компонент, который отличаются высокой чувствительностью к изменению формы [17].

Популяция листьев побега (рис. 14) была разделена на 2 группы: 1 группа (с 1 по 9) - площадь и размеры листьев увеличиваются и 2 группа (с 9 по 18) - площадь и размеры листьев прогрессивно уменьшаются. Полученные данные для первых двух главных компонент, объясняющих до 90% всей вариабельности, представлены на рис. 15.

Рис. 15. Изменчивость формы листьев брусники базальной и апикальной частей побега. Примечание:

Mean - среднее арифметическое, S.D. = Std - стандартное отклонение, РС 1 - первая компонента, РС 2 - вторая компонента.

Как хорошо видно на рис. 15, изменение размеров и формы листьев первой группы происходят главным образом за счет увеличения поверхности листа во всех направлениях (аллометрический рост), в то

время как для листьев второй группы в основном за счет изменения формы и размеров основания листа.

Таким образом, в нижней части побега изменение размеров и формы листьев

происходит за счет роста во всех направлениях, в то время как в верхней части -главным образом в результате изменения формы и размеров их основания.

Для определения среднестатистических параметров размеров и формы листьев для образцов, состоящих из нескольких побегов, взятых с конкретного местооби-

тания, наиболее пригодны листья с середины побега, так называемые «репрезентативные» [18] или «медианные» (табл. 3), значение стандартного отклонения для которых минимально (рис. 1-13).

Менее пригодны для этих целей листья с максимальными значениями параметров (табл. 2) в порядке их уменьшения.

Таблица 3

Корреляционная матрица площади листьев побегов (n = 28) брусники

Mean Mediana Min Max 1 Max 2 Max 3 Max 4

Mean 1

Mediana 0,988076 1

Min 0,358803 0,369322 1

Max 1 0,936249 0,91269 0,116198 1

Max 2 0,936538 0,902938 0,126491 0,980643 1

Max 3 0,940234 0,901827 0,131566 0,970452 0,982219 1

Max 4 0,941717 0,902975 0,154921 0,958155 0,964435 0,97781 1

Примечание: Mean - средняя арифметическая, Mediana - медиана, Max 1-4 - площади листьев наибольших размеров в порядке их уменьшения, Min - минимальное значение площади листа.

Таким образом, для побегов брусники характерно постепенное увеличение, начиная от основания побега, размеров (площадь, периметр, длина, ширина) каждого последующего листа. После достижения максимума имеет место прогрессирующее уменьшение размеров всех последующих листьев. Изменение показателей формы листьев проявляется их плавным снижением или повышением в акропе-тальном или базипетальном направлении без ясно выраженного максимума.

Следовательно, наиболее пригодным для характеристики всей совокупности листьев побега различных особей и ценопо-пуляции в целом по форме и размерам является «медианный» лист.

SUMMARY Buzuk G.N MORPHOMETRY OF MEDICINAL PLANTS. 1. VACCINIUM VITIS-IDAEA L.: THE FORM AND THE SIZES OF LEAVES

Distribution of leaves of a cowberry within the limits of runaway of a gain of current year under the form and the sizes by means of de-

scriptors of the form and elliptic descriptors Фурье is studied. It is established(installed), that the most suitable for the characteristic of all set of leaves of runaway of various individuals and zenopopulation under the form and the sizes is «mediane» a leaf of this plant.

ЛИТЕРАТУРА

1. Житков В. С. Значение динамики размеров особей Anemone fasciculate для идентификации местообитаний// Организация форм охраны объектов природнозаповедного фонда. - М., 1989. - С.162-167.

2. Menadue Y., Crowden R.K. Leaf polymorphism in Ranunculus nanus Hook (Ranunculaceae). - New Phytol. - 1990. -Vol. 114. - N 2. - P.265-274.

3. Bennet B.C., Bell C.R., Baulware R.T. Geographic variation in alkaloids content of Sanquinaria Canadensis (Papaveraceae). -Phodora. - 1990. - Vol. 92. - N 870. - P.57-69.

4. Neuffer B. Leaf morphology in Capsella (Cruciferae): dependency on environments and biological parameters// Beitr.

Biol. Pflanz. - 1989. - Bd. 64. - N 1. - S.39-54.

5. Jensen R.J. Detecting shape variation on oak leaf morphology: a comparison of rotational-fit methods// Amer. J. Bot. - 1990.

- Vol. 77. - N 10. - P.1279-1293.

6. Bentson G.M., Weiner J. Size structure of populations within populations: leaf number and size in crowded and uncrowned Impatiens pallida individuals// Oecologia. -

1991. - Vol. 85. - N 3. - P.327-331.

7. Kuiper P.J.C. Analysis of phenotypic responses of plant to changes in the environment in terms of stress and adaptation// Acad. Bot. neerl. - 1990. - Vol. 39. - N 3. -P.217-227.

8. Lotz LAP., Olff H., Tienderen PH. Within-population variability in morphology and life history of Plantago major L. ssp. pleiosperma Pilger in relation to environmental heterogeneity// Oecologia. - 1990. -Vol. 84. - N 3. - P.404-410.

9. Гамалей Ю.В., Шифэвдамба Ц. Сравительная анатомия растений в качестве метода оценки изменений среды обитания// Методологические вопросы оценки состояния природной среды МНР. - Пу-щино, 1990. - С.56-57.

10. Пельтек Л.А., Черненков О.П. Анализ продукционного процесса брусники в естественных условиях произрастания: Многоцелевое лесопользование. - М.,

1992. - С.99-104.

11. Крылова И.Л., Трембля Я.С. Влияние экологических факторов на содержание действующих веществ в листьях брусники// Хим.-фармац. журнал. - 1976. -№ 6. - С. 73-76.

12. Гозин А. А. Динамика накопления дубильных веществ в вегетативных органах брусники в зависимости от почвенно-грунтовых условий// Ботаника (исследования). - Вып. 13. Минск, «Наука и техника». - 197. - С. 205—208.

13. Липская Г.А., Иванов Н.П., Чертко Н.К. Морфологические изменения растений при оптимизации плодородия дерново-подзолистой почвы путем торфования и землевания. - Ботаника. - Мн., 1984. - Вып. 26. - С.67-68.

14. Валетов В. В. Биометрические показатели листьев ольхи черной, произ-

растающей в различных по увлажнению местообитаниях// Ботаника. - Мн., 1984. -С.63-64.

15. Гозин А.А. Влияние экологических факторов на накопление биологически активных веществ в бруснике. - Экология// 1972. - N 1. - С.45—47.

16. Iwata, H., and Y. Ukai SHAPE: A computer program package for quantitative evaluation of biological shapes based on elliptic Fourier descriptors. - Journal of Heredity.

- 2002 - Vol. 93. - P. 384-385.

17. Гедых В. Б. Определение площади листьев черники// Ботаника. - Мн., 1976. - Вып. 18. - С.63-70.

18. Бузук Г.Н. О влиянии микроэлементов на биосинтез алкалоидов// Растительные ресурсы. - 1986. Т. 22. - N 2. - С. 272-279.

Поступила 05.06.2006 г.

Таблица 1

Корреляционная матрица морфологических параметров и дескрипторов формы листьев брусники

R Area Perim Major Minor Feret Curve L Curve W Form Factor Round Comp AR Eff.Diam Solidity Convexity

Area 1 0,96651 0,950528 0,958476 0,948835178 0,948056 0,957771 0,117998 0,212954 0,231861 -0,25564 0,982142 0,56748 -0,49029

Perim 0,96651 1 0,991615 0,927932 0,99346231 0,995632 0,930691 -0,03372 0,092709 0,11356 -0,14637 0,986452 0,564472 -0,58903

Major 0,950528 0,991615 1 0,890125 0,997729289 0,996231 0,892707 -0,0808 -0,00384 0,017804 -0,05377 0,970898 0,586902 -0,55406

Minor 0,958476 0,927932 0,890125 1 0,888406792 0,89345 0,998493 0,297003 0,425473 0,4435 -0,45772 0,973219 0,637013 -0,51577

Feret 0,948835 0,993462 0,997729 0,888407 1 0,998812 0,892346 -0,10209 -0,0007 0,021269 -0,05939 0,969003 0,555715 -0,56

Curve L 0,948056 0,995632 0,996231 0,89345 0,998811953 1 0,897056 -0,09953 0,015134 0,036724 -0,0735 0,970781 0,547879 -0,58193

Curve S 0,957771 0,930691 0,892707 0,998493 0,892345558 0,897056 1 0,284354 0,418231 0,436616 -0,4527 0,973803 0,634019 -0,51824

Form Factor 0,117998 -0,03372 -0,0808 0,297003 -0,10208867 -0,09953 0,284354 1 0,840734 0,845379 -0,82278 0,116534 0,478881 0,213288

Round 0,212954 0,092709 -0,00384 0,425473 -0,00070044 0,015134 0,418231 0,840734 1 0,996638 -0,96243 0,221337 0,262253 -0,06766

Comp 0,231861 0,11356 0,017804 0,4435 0,021269383 0,036724 0,436616 0,845379 0,996638 1 -0,97148 0,242178 0,283622 -0,07495

AR -0,25564 -0,14637 -0,05377 -0,45772 -0,05938889 -0,0735 -0,4527 -0,82278 -0,96243 -0,97148 1 -0,26954 -0,3059 0,090611

Eff.Diam 0,982142 0,986452 0,970898 0,973219 0,969003444 0,970781 0,973803 0,116534 0,221337 0,242178 -0,26954 1 0,630174 -0,54845

Solidity 0,56748 0,564472 0,586902 0,637013 0,555715249 0,547879 0,634019 0,478881 0,262253 0,283622 -0,3059 0,630174 1 -0,16035

Convexity -0,49029 -0,58903 -0,55406 -0,51577 -0,56000444 -0,58193 -0,51824 0,213288 -0,06766 -0,07495 0,090611 -0,54845 -0,16035 1

R2 Area Perim Major Minor Feret Curve L Curve W Form Factor Round Comp AR Eff.Diam Solidity Convexity

Area 1 0,934141 0,903503 0,918676 0,900288195 0,89881 0,917325 0,013923 0,045349 0,05376 0,06535 0,964602 0,322033 0,240382

Perim 0,934141 1 0,983299 0,861058 0,986967361 0,991282 0,866187 0,001137 0,008595 0,012896 0,021425 0,973088 0,318628 0,346953

Major 0,903503 0,983299 1 0,792322 0,995463734 0,992477 0,796925 0,006529 1,47E-05 0,000317 0,002891 0,942643 0,344454 0,306985

Minor 0,918676 0,861058 0,792322 1 0,789266629 0,798253 0,996988 0,088211 0,181028 0,196692 0,209509 0,947155 0,405785 0,266015

Feret 0,900288 0,986967 0,995464 0,789267 1 0,997625 0,796281 0,010422 4,91 E-07 0,000452 0,003527 0,938968 0,308819 0,313605

Curve L 0,89881 0,991282 0,992477 0,798253 0,997625318 1 0,804709 0,009907 0,000229 0,001349 0,005403 0,942415 0,300171 0,338637

Curve S 0,917325 0,866187 0,796925 0,996988 0,796280595 0,804709 1 0,080857 0,174917 0,190633 0,204941 0,948291 0,40198 0,268568

Form Factor 0,013923 0,001137 0,006529 0,088211 0,010422097 0,009907 0,080857 1 0,706834 0,714665 0,676964 0,01358 0,229327 0,045492

Round 0,045349 0,008595 1,47E-05 0,181028 4,90616E-07 0,000229 0,174917 0,706834 1 0,993288 0,92628 0,04899 0,068777 0,004578

Comp 0,05376 0,012896 0,000317 0,196692 0,000452387 0,001349 0,190633 0,714665 0,993288 1 0,943781 0,05865 0,080441 0,005617

AR 0,06535 0,021425 0,002891 0,209509 0,00352704 0,005403 0,204941 0,676964 0,92628 0,943781 1 0,072652 0,093572 0,00821

Eff.Diam 0,964602 0,973088 0,942643 0,947155 0,938967675 0,942415 0,948291 0,01358 0,04899 0,05865 0,072652 1 0,39712 0,300795

Solidity 0,322033 0,318628 0,344454 0,405785 0,308819438 0,300171 0,40198 0,229327 0,068777 0,080441 0,093572 0,39712 1 0,025713

Convexity 0,240382 0,346953 0,306985 0,266015 0,313604972 0,338637 0,268568 0,045492 0,004578 0,005617 0,00821 0,300795 0,025713 1