Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

GENETIC POLYMORPHISM IN POPULATION OF TRIFOLIUM REPENS, GROWING UNDER DIFFERENT ANTHROPOGENIC LOAD TERRITORIES

Levitskiy S.N. 1
1 Northern state medical University
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.
The results of studies showing use as biondikator pollution Trifolium repens – is ubiquitous in the European North synanthropic species. The analysis of interrelation of fenotipichesky variety plants of Trifolium repens with various drawings of leaves and degrees of anthropogenous load on territories is carried out. By studying of hair dryers in the populations growing in territories with various extent of pollution morphogenetic polymorphism of gene V was established. Existence mutant allely this gene at gomo-and heterozygotic organisms in various populations was revealed. High degree of polymorphism on gene V in populations with high anthropogenous loading is established. Interrelations of frequencies of occurrence of various hair dryers and dynamics of development of populations are revealed with age. Use expediency of Trifolium repens as the bioindicator of pollution on the territory is shown.
Trifolium repens
bioindicator
hair dryer
genetic polymorphism
multiple allelizm
anthropogenous loading
1. Valiev R.R., Jakovleva O.M. Sravnitel’naja harakteristika nasledstvennogo polimorfizma po priznaku «sedogo» pjatna na list’jah rastenij v populjacii TRIFOLIUM REPENS na territorii g. Ufy i nekotoryh rajonov respubliki Bashkortostan // Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2008. T 13, no. 12. рр. 24–27.
2. Gubanov I.A. i dr. Trifolium repens L. — Klever polzuchij, ili belyj // Illjustrirovannyj opredelitel’ rastenij Srednej Rossii. V 3 t. M.: T-vo nauch. izd. KMK, In-t tehnolog. issl., 2003. T. 2. Pokrytosemennye (dvudol’nye: razdel’nolepestnye). pp. 473.
3. Gorshkova T.A. Ocenka vozmozhnosti ispol’zovanija klevera polzuchego (Trifolium repens L.) dlja bioindikacii antropogennogo narushenija sredy // Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk., 2012. T. 14, no. 1, pp. 69–73.
4. Kamchatova I.E. Vnutripopuljacionnyj geneticheskij polimorfizm u kleverov (Trifolium) // Fenetika prirodnyh populjacij: materialy IV Vsesojuz. sovew. (Borok, nojabr’ 1990 g.). M., 1990. pp. 132.
5. Melehova O.P., Egorova E.I., Evseeva T.I. Biologicheskij kontrol’ okruzhajuwej sredy: bioindikacija i biotestirovanie. M.: Izdatel’skij centr «Akademija», 2007. 288 p.
6. Paponova I.T. Metodicheskie razrabotki geneticheskih jekskursij po izucheniju populjacij cvetkovyh rastenij. Perm’, PGU, 1982. 34p.
7. Savinov A.B. Analiz fenotipicheskoj izmenchivosti oduvanchika lekarstvennogo (Taraxacum officinale Wigg.) iz biotopov s raznymi urovnjami tehnogennogo zagrjaznenija // Jekologija. 1998. no. 5 pp. 362–365.
8. Sokolova G.G., Kamaltdinova G.T. Morfogeneticheskij polimorfizm list’ev klevera polzuchego // Izvestija Altajskogo gosudarstvennogo universiteta 3-1(67), 2010 pp. 48–51.
9. Sharygina N.V., Avdusheva A.V. Izuchenie nasledstvennogo polimorfizma risunka sedyh pjaten na list’jah rastenij v populjacii klevera Trifolium repens // Jekologicheskie problemy Severa: Mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov/ Arhangel’sk: izd-vo AGTU, 2010. Vyp. 13., pp. 122.
10. Shvarcman P.Ja. Polevaja praktika po genetike s osnovami selekcii. M., Prosvewenie, 1986. 111 p.
11. Chukaeva N.V. Belyj klever v ocenke sostojanija okruzhajuwej sredy. // Estestvoznanie i gumanizm. Sbornik nauchnyh trudov. T. 6, no. 1, 2010. pp. 73.
12. Brewbaker J.L. V-Ceaf markings of white clover // J. Hered. 1955. Vol XLVI no. 3 pp. 115–125.
13. Mahimenko. O.E., Shumashkaev A.N., Glotov N.V. Population structure of white clover (Trifolium repens L.) in North-Western Siberia // Materialy VI sovewanija «Vid i ego produktivnost v areale». Programma JuNESKO «Chelovek i biosfera». SPb: Gidrometeoizdat, 1993. pp. 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].

Таблица 1

Множественный аллелизм в локусе гена V у Trifolium repens (по П.Я. Шварцману, 1986)

Аллель

Генотип

Фенотип

Обозначение фенотипа (фена)

V

VV

Полное пятно

А

v

vv

Пятно отсутствует

О

VH

VHv

Полное пятно, высокое

АН

VB

VBVB

Разорванное пятно

В

VBh

VBhVBh

Разорванное высокое пятно

ВН

VP

VPVP

Центральная верхняя точка

С

VF

VFVF

Большое сплошное пятно у основания

Д

VS

VSVS

Низкое треугольное пятно у основания

Е

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).

Таблица 2

Частота встречаемости фенотипических классов в городских популяциях Trifolium repens, %

Фенотип (условное обозначение)

Генотип

Набережная реки Северная Двина

Троицкий проспект

Проспект Ломоносова

О

vv

48,4 ± 2,12

36,6 ± 1,4

36,6 ± 1,4

А

Vv

2,20 ± 0,06

8,2 ± 0,08

8,2 ± 0,08

А

VV

12,4 ± 1,62

4,3 ± 1,15

4,3 ± 1,15

АH

VHv

0,6 ± 0,24

3,0 ± 0,02

3,0 ± 0,02

АH А

VHV

2,2 ± 1,4

2,2 ± 1,4

АH

VHVH

3,06 ± 0,4

3,06 ± 0,4

АH

VHVB

25,5 ± 1,22

31,4 ± 2,6

14,6 ± 1,12

С

VPv

1,2 ± 0,04

А (С)

VPV

0,68 ± 0,05

1,8 ± 0,6

АH С

VPVH

3,4 ± 0,08

6,2 ± 0,55

5,2 ± 2,24

C

VPVP

6,82 ± 0,56

3,6 ± 0,25

4,4 ± 0,2

АH Е

VSVH

0,1 ± 0,02

СЕ

VSVP

1,34 ± 1,2

Таблица 3

Частота встречаемости фенотипических классов в сельских популяциях Trifolium repens, %

Фенотип (условное обозначение)

Генотип

Берег реки Устья

Разнотравье на лугу

О

vv

50,2 ± 2,8

62,6 ± 3,8

А

VV

12,5 ± 1,12

12,6 ± 1,2

АH

VHVH

4,4 ± 0,2

АH

VHVB

20,6 ± 1,6

24,8 ± 2,6

С

VPVP

12,3 ± 2,2

В условиях г. Архангельска популяция клевера, вероятнее всего, испытывает антропогенное влияние в виде загрязнения атмосферного воздуха от близлежащей автомагистрали, что и обусловливает довольно высокую частоту мутационного процесса и выражается в увеличении количества разнообразных фенов в данной популяции.

Полученные нами данные подтверждаются и другими исследованиями. Так, Шарыгина Н.В. и соавт (2010) отмечают, что популяции клевера в пределах города являются молодыми и в них наблюдается тенденция увеличения генетического разнообразия за счет редко встречающихся генотипов VPVB и VSVS.

Анализируя популяции клевера ползучего в условиях территорий с низкой степенью антропогенной нагрузки, следует отметить, что они характеризуются большей морфогенетической однородностью (табл. 3). Так, в популяции на берегу реки Устья было обнаружено только 5 фенотипических классов, а в популяции луга – всего 3. При этом в данных популяциях преобладают те же фены, что и в городских.

Снижение частоты встречаемости различных генотипов, а следовательно, и гетерогенности популяций белого ползучего клевера в сельских (пастбищных) популяциях, вероятнее всего, связаны с низкой степенью антропогенного воздействия на эти территории. По мнению ряда авторов[1, 4, 7, 8, 9], видовое разнообразие трав, высокий уровень адаптации растительных видов и конкуренция между ними приводят к подавлению доминирования клевера белого в данных сообществах, что и приводит к снижению генетического полиморфизма у данного вида.

Выводы

Различия в генетическом полиморфизме клевера белого ползучего в различных популяциях связаны с разнообразными природно-экологическими и антропогенными факторами.

Множественный аллелизм в локусе гена V у Trifolium repens может быть использован как показатель оценки антропогенной нагрузки на территорию, а сам вид является довольно информативным, удобным и доступным биоиндикатором.

Полиморфизм в популяциях клевера ползучего в «чистых» территориях обусловлен, вероятнее всего, увеличением частоты встречаемости отельных фенотипов (от 50 до 0,1 %).

В городских популяциях, вероятнее всего, полиморфизм обусловлен адаптивными эффектами сверхдоминирования и стабилизирующему естественному отбору [8].

Рецензенты:

Поскотинова Л.В., д.б.н., доцент, заведующая лабораторией биоритмологии ФГУН «Институт физиологии природных адаптаций» Уральского отделения Российской академии наук;

Буюклинская О.В., д.м.н., заведующая кафедрой фармации и фармакологии ГБОУ ВПО «Северный государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации.

Работа поступила в редакцию 23.01.2013.