Генетический полиморфизм популяций растений
В статье представлены результаты исследования, показывающие использование в качестве биондикатора загрязнения воздуха белого ползучего клевера Trifolium repens синантропного вида, повсеместно встречающегося на Европейском Севере. Проведен анализ взаимосвязи фенотипического разнообразия растений Trifolium repens и степени антропогенной нагрузки на территории. Путем изучения частоты встречаемости отдельных фенов клевера белого ползучего в популяциях, произрастающих на территориях с различной степенью загрязнения, был изучен морфогенетический полиморфизм гена V, который отвечает за формирование белого рисунка на листьях. Было выявлено наличие мутантных аллелей данного гена у гомо- и гетерозиготных организмов в различных популяциях. Установлена высокая степень полиморфизма гена V в популяциях с высокой антропогенной нагрузкой. Выявлены взаимосвязи частоты встречаемости различных фенов с возрастом и динамикой развития популяций. Показана целесообразность использования Trifolium repens в качестве биоиндикатора загрязнения территории.
1. Валиев Р.Р., Яковлева О.М. Сравнительная характеристика наследственного полиморфизма по признаку «седого» пятна на листьях растений в популяции TRIFOLIUM REPENS на территории г. Уфы и некоторых районов республики Башкортостан // Вестник Башкирского университета. – 2008. – Т 13, № 12. – С. 24–27.
2. Trifolium repens L. – Клевер ползучий, или белый / И.А. Губанов и др. // Иллюстрированный определитель растений Средней России. В 3 т. – М.: Т-во науч. изд. КМК, Ин-т технолог. иссл., 2003. – Т. 2. Покрытосеменные (двудольные: раздельнолепестные). – С. 473.
3. Горшкова Т.А. Оценка возможности использования клевера ползучего (Trifolium repens L.) для биоиндикации антропогенного нарушения среды // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – Т. 14, № 1. – С. 69–73.
4. Камчатова И.Е. Внутрипопуляционный генетический полиморфизм у клеверов (Trifolium) // Фенетика природных популяций: материалы IV Всесоюз. совещ. (Борок, ноябрь 1990 г.). – М., 1990. – С. 132.
5. Мелехова О.П., Егорова Е.И., Евсеева Т.И. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 288 с.
6. Папонова И.Т. Методические разработки генетических экскурсий по изучению популяций цветковых растений. – Пермь: ПГУ, 1982. – 34 с.
7. Савинов А.Б. Анализ фенотипической изменчивости одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.) из биотопов с разными уровнями техногенного загрязнения // Экология. – 1998. – № 5 – С. 362–365.
8. Соколова Г.Г., Камалтдинова Г.Т. Морфогенетический полиморфизм листьев клевера ползучего // Известия Алтайского государственного университета. – 20103. – № 1(67). – С. 48–51.
9. Шарыгина Н.В., Авдушева А.В. Изучение наследственного полиморфизма рисунка седых пятен на листьях растений в популяции клевера Trifolium repens // Экологические проблемы Севера: Межвузовский сборник научных трудов. – Архангельск: изд-во АГТУ, 2010. – Вып. 13. – С. 122.
10. Шварцман П.Я. Полевая практика по генетике с основами селекции. – М.: Просвещение, 1986. – 111 с.
11. Чукаева Н.В. Белый клевер в оценке состояния окружающей среды // Естествознание и гуманизм. Сборник научных трудов. – 2010. – Т. 6, № 1. – С. 73.
12. Brewbaker J.L. V-Ceaf markings of white clover // J. Hered. – 1955. – Vol XLVI, № 3. – P. 115–125.
13. Mахimenko. O.E., Сhumashkaev A.N., Glotov N.V. Population structure of white clover (Trifolium repens L.) in North-Western Siberia // Вид и его продуктивность в ареале: материалы VI совещания. Программа ЮНЕСКО «Человек и биосфера». – СПб: Гидрометеоиздат, 1993. – C. 359–361.
Клевер ползучий Trifolium repens L. используется в качестве биоиндикатора загрязнения воздуха и почв. Это довольно удобный объект для мониторинга окружающей среды. Он является удачным и информативным биоиндикатором, позволяющим оценить степень антропогенной нагрузки. [7, 11]. Белый ползучий клевер является типичным растением во флоре местообитаний, связанных с деятельностью человека, имеет высокую численность в исследуемых биоценозах, удобен для отбора проб, обладает быстрой сменой фенофаз [3, 5].
Trifolium repens L. – многолетнее растение со стержневой, сильно разветвленной корневой системой, укороченным главным стеблем, боковыми стелющимися и укореняющимися побегами. Растет на разных почвах с достаточным количеством питательных веществ и воды, плохо переносит избыток влаги в почве. Это светолюбивое растение, которое при благоприятных условиях быстро разрастается [2].
В качестве биоиндикатора может использоваться полиморфизм по форме седого рисунка (пятна) на листовой пластинке. Рисунок на листе у растений отличается расположением, окраской, размером и другими показателями. Это зависит от возраста, формы листьев [1, 4, 10].
Наличие и форма седого рисунка – это пример наследственного полиморфизма. Признак является моногенно-наследуемым. Разнообразие растений обусловлено серией множественных аллелей гена V. Ген, определяющий признак седых пятен на листочках у клевера, представлен восемью наиболее часто встречающимися аллелями [9].
Наличие «седого» пятна на листьях – признак доминантный (V), его отсутствие – рецессивный (v). Все аллели гена V нарушают нормальное развитие хлорофилла в палисадных клетках светлой зоны листа, приводят к сокращению в них количества хлоропластов вплоть до их полного отсутствия, способствуют уменьшению размеров палисадных клеток и увеличению пространства между ними, более ранней гибели клеток, поэтому форма седого рисунка на пластинках листа клевера ползучего и частота его встречаемости – индикатор загрязнения среды обитания.
Brewbaker J.L. (1955) были проанализированы 11 аллелей этого гена и их различные варианты, образующиеся в результате комбинаций аллелей у гетерозигот [10] (табл. 1). Аллель v рецессивная по отношению к остальным аллелям. В некоторых популяциях наблюдается кодоминирование [12].
Множественный аллелизм в локусе гена V у Trifolium repens (по П.Я. Шварцману, 1986)
Обозначение фенотипа (фена)
Разорванное высокое пятно
Центральная верхняя точка
Большое сплошное пятно у основания
Низкое треугольное пятно у основания
Изучению природных популяций клевера ползучего посвящены исследования, которые анализируют пространственную и возрастную структуру популяций, характеризуется эколого-генетическая изменчивость [1, 8, 9, 13].
Целью исследования являлось изучение по разнообразию седого рисунка на листьях белого ползучего клевера генетического полиморфизма в популяциях, произрастающих на участках с высокой антропогенной нагрузкой и условно чистых территориях Европейского Севера (на примере Архангельской области).
Материалы и методы исследования
Сбор материала проводили в июле 2009–2012 гг. в г. Архангельске (64° с.ш., 40° в.д. и с. Шангалы, Устьянского района (61° с.ш., 43° в.д.). Для определения фенотипов закладывали пробные площади с однородными условиями произрастания и разной степенью антропогенной нагрузки. Всего было обследовано 5 пробных площадок.
Анализ и определение фенотипов растений проводили по методике Папоновой И.Т. (1982) и Шварцмана П.Я (1986), сравнивая рисунки пятен на листьях с рисунком, изображенным в таблице Brewbaker J.L. (1955). Частоту встречаемости разных генотипов и фенотипов рассчитывали как долю растений того или иного генотипа в данной выборке, выражая в процентах.
В ходе исследования было проанализировано 1368 растений (710 – в условно чистых и 658 – в городских популяциях). Статистический анализ результатов проводился с применением пакета программ Excel.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализируя полученные данные, было установлено, что во всех изучаемых популяциях наиболее часто встречаются растения клевера белого ползучего с генотипами: vv, VHVB, VPVP.
Всего было обнаружено 12 фенотипических классов, при этом минимальное количество разнообразных фенов составило – 3, а максимальное – 11, что говорит о различной степени морфогенетического полиморфизма у растений белого клевера, произрастающего на территориях с разной степенью антропогенной нагрузки.
Среднее значение фенотипического разнообразия белого рисунка листьев составило – 7 фенотипических классов.
Средние частоты встречаемости различных фенотипических классов, обнаруженных в городских популяциях, представлены в табл. 2, в сельских – в табл. 3.
Анализируя фенотипическое многообразие в популяциях клевера, произрастающих на территориях с повышенной антропогенной нагрузкой, было установлено, что в них преобладающим является фенотип О (лист без белого рисунка), далее по частоте встречаемости следуют растения с фенотипами А и С (полное пятно на листе и центральная верхняя точка).
Популяция клевера, произрастающая на набережной реки Северная Двина, по морфогенетическому полиморфизму наиболее сходна с популяциями, характеризующимися низкой антропогенной нагрузкой. Из трех площадок, заложенных в границах городского поселения, данная популяция характеризуется наличием наименьшего количества фенотипических различий по сравнению с другими (обнаружено 8 фенов).
В популяциях, произрастающих в непосредственной близости к автомагистралям (проспект Троицкий и проспект Ломоносова г. Архангельска), наблюдается более высокое разнообразие фенов (по 11 в каждой). Кроме того, были обнаружены фенотипы, которые не встречались в первой популяции – Д, Е, СЕ, АHЕ, которые имеют генотипический полиморфизм как у гомозигот, так и у гетерозигот: VSVH VSVP .
Из трех изученных городских популяций клевера наибольший полиморфизм наблюдается у растений, произрастающих на проспекте Троицкий, который и характеризуется наибольшей степенью антропогенной нагрузки на территорию(табл. 2).
Частота встречаемости фенотипических классов в городских популяциях Trifolium repens, %
Фенотип (условное обозначение)
Набережная реки Северная Двина
Источник