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.