Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биология, структура популяций и интродукция Dictamnus gymnostylis stev. в Предуралье Республики Башкортостан

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Биология, структура популяций и интродукция Dictamnus gymnostylis stev. в Предуралье Республики Башкортостан"

На правах рукописи

005057730

МУСТАФИНА АЛЬФИЯ НАУФАЛЕВІІА

БИОЛОГИЯ, СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ II ИНТРОДУКЦИЯ ОІСТЛАШШ СПтОЗТУЫ5 вТЕУ. В ПРЕДУРАЛЬЕ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

03.02.01 - ботаника 03.02.07 - генетика

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Уфа-2013

005057730

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Ботанический сад-институт Уфимского научного центра Российской академии наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Абрамова Лариса Михайловна доктор биологических наук Шигапов Зиннур Хайдарович

Официальные оппоненты: Круглова Наталья Николаевна,

доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией экспериментальной эмбриологиии растений Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Османова Гюльнара Орудж кзы,

доктор биологических наук, профессор кафедры экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Марийский государственный университет»

Ведущая организация: Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН

Защита диссертации состоится «_16_» мая 2013 года в 14.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.013.11 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет» по адресу: 450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, биологический факультет, ауд. 332, факс (347)-273-67-78, e-mail: disbiobsu@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет».

Автореферат разослан «7)» апреля 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Шарипова Марина Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Изучение и сохранение биоразнообразия растений -важнейшая задача современной ботаники и экологии. Наиболее эффективным направлением в решении этой проблемы является сохранение биоразнообразия на популяционно-видовом уровне (Яблоков, Остроумов, 1985; Миркин и др., 2004).

К редким видам Республики Башкортостан (РБ), нуждающимся в изучении, с целью определения мер охраны биоразнообразия, относится ясенец голостолбиковый -ОШатпих ¡¡уптоз ¡у Из 8(еу. — редкое эфиромасличное и декоративное растение из семейства рутовых (Яшасеае), находящееся на Южном Урале на северо-восточном пределе распространения и представленного небольшим числом изолированных локалитетов. Вид включен в «Красную книгу Республики Башкортостан» (2011) с категорией III - редкий вид. Биология данного вида в дизъюнкции ареала на Южном Урале изучена недостаточно.

Изучение популяций видов на границе их распространения имеет важное биологическое значение. Пограничные популяции характеризуются своеобразием структуры, морфологии, генетики особей, а также другими особенностями внутренней организации (Уранов, 1960; Работнов, 1978; Юрцев, 1991; Блинова, 2008). Поэтому исследование биологии видов на пределе распространения — актуально, в особенности для Уральского региона, где на рубеже Европы и Азии проходят границы ареалов многих видов растений, нередко попадающих в пограничных условиях в категорию редких и исчезающих видов.

Для разработки стратегии сохранения редких видов растений существенное значение имеет также исследование генетического разнообразия их популяций (Артюкова и др., 2004). Данные о генетическом разнообразии и его компонентах способны предоставить генетические маркеры, которые позволяют оценить степень угрозы генофонду и разработать способы и методы его сохранения.

Эффективным методом сохранения биоразнообразия редких видов может быть также их интродукция в ботанические сады (Абрамова и др., 2004, 2009). Культивирование редких растений не только дает возможность всесторонне изучить биологию редких видов, но и является действенным способом защиты природных популяций, поскольку позволяет удовлетворить потребность в ресурсных видах, что способствует предотвращению их уничтожения в природе.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - изучение структуры природных популяций и биологических особенностей йШатпиз &тпо$1уИ$ в природе и при интродукции в лесостепной зоне Предуралья РБ.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Описать онтогенез вида и структуру популяций в природных местообитаниях.

2. Изучить биоморфологические параметры и семенную продуктивность вида в природных местообитаниях.

3. Выполнить генетический анализ растений в основных локалитетах вида.

4. Провести интродукционное изучение в лесостепной зоне Предуралья РБ.

5. Дать оценку состояния природных популяций на Южном Урале.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное популяционное и интродукционное изучение редкого вида ОШатпиз £утпо$§;11$ в степном и лесостепном Предуралье РБ. Изучены онтогенез и структура популяций, включая генетическую структуру, получены данные по возрастному и виталитетному составу. Оценена разногодичная динамика морфометрических параметров растений, проведено их сравнение в природе и при интродукции. Определена семенная продуктивность и особенности размножения вида.

Практическая значимость. Полученные данные о биологии вида, его плодоношении и размножении имеют практическое значение для введения его в культуру как декоративного и эфиромасличного растения. Данные по состоянию природных популяций могут быть использованы при разработке мероприятий по

охране этого вида, а также для разработки основ мониторинга состояния редких видов растений. Теоретические и практические результаты работы могут быть использованы для ведения образовательной деятельности по направлениям «Ботаника» и «Генетика».

Апробация. Основные положения были представлены на Всероссийской научно-практической конференции "Уралэкология. Природные ресурсы - 2005" (Уфа-Москва, 2005), международной научной конференции, посвященной 200-летию Казанской ботанической школы «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006), III международной научной конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2006), Всероссийской конференции, посвященной 60-летию ЦСБС «Роль ботанических садов в сохранении биоразнообразия растительного мира Азиатской России: настоящее и будущее» (Новосибирск, 2006), IX Всероссийском популяционном семинаре «Особь и популяция - стратегии жизни» (Уфа, 2006), международной конференции «сохранение биоразнообразия растений в природе и при интродукции» (Сухум, 2006), XXI межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2008), V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий» (Иркутск, 2011), II Всероссийской с международным участием школе-семинаре «Актуальные проблемы современной биоморфологии» (Киров, 2012), Всероссийской конференции с международным участием «Биологическое разнообразие растительного мира Урала и сопредельных территорий» (Екатеринбург, 2012) IV Всероссийской школе-конференции «Актуальные вопросы геоботаники» (Уфа, 2012).

Декларация личного участия автора. Сбор и обработка материалов в течение полевых сезонов 2005-2011 гг. осуществлен лично автором диссертации. Автором также выполнена статистическая обработка и обобщение полученных результатов, написание и оформление диссертационной работы. Подготовка публикаций осуществлена самостоятельно или при активном участии автора диссертационной работы, результаты имеющихся совместных исследований опубликованы, права соавторов соблюдены.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в их числе 6 статей в изданиях из перечня ВАК МОН РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов, списка литературы, приложений. Список литературы включает 331 источник, в т.ч. 34 на иностранных языках. Работа изложена на 218 страницах, содержит 35 таблиц и 26 рисунков, в приложении 7 таблиц и 13 рисунков.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям д.б.н., проф. Абрамовой Л.М., д.б.н. Шигапову З.Х., сотрудникам лаборатории дикорастущей флоры и интродукции травянистых растений и лаборатории генетики и цитологии Ботанического сада-института УНЦ РАН, д.б.н., проф. Боронниковой С В. и сотрудникам лаборатории «Молекулярной биологии и генетики» ЕНИ ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» и соавторам публикаций за помощь в выполнение работы.

ГЛАВА 1. ПОПУЛЯЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНТРОДУКЦИОННЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ КАК ОСНОВА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ИХ ОХРАНЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

По данным литературы рассматриваются вопросы сохранения биоразнообразия in situ и ex situ (Работнов, 1950, 1975, 1978; Онтогенез..., 1967; Скрипчинский, 1975; Денисова, 1977; Камелин, 1978; Соболевская, 1975, 1984, 1990; Цицин, 1975, 1976; Ценоиоиуляции..., 1976; Дюрягина, 1983; Амельченко, 1993, 2000, 2002; Скворцов,

1991, 1996; Заугольнова, 1988; Семенова, 1997, 2002; Злобин, 1989, 2000; Трулевич, 1991, 1992; Жукова, 1995, 2002; Мамаев, 1995, 1996; Горбунов, 2005, 2010; Андреев, Горбунов, 1997, 2003; Ким и др., 2002 и мн. др.). Особое внимание уделено исследованиям по редким видам растений на Урале, включая Республику Башкортостан (Горчаковский, 1975, 1982; Кучеров и др., 1979, 1987, 1991, 1994; Томилова, 1980, 1982; Боронникова, 1997, 2003, 2006, 2009; Янбаев, 2000; Миркин и др., 1998, 2004; Мулдашев и др., 2005, 2009, 2010; Маслова, 1999; Абрамова и др., 2003, 2004, 2009,2011 и др.).

Приведена ботаническая характеристика рода Ясенец (Dictamnus L.), объекта исследования - ясенца голостолбикового (Dictamnus gymnostylis Stev.) и перспективы применения ясенца в качестве лекарственного, пищевого и промышленного растения (Флора СССР, 1937, 1955; Флора..., 2010; Клобукова-Алисова, 1960; Гроесгейм, 1942; Карписонова, 1979; Растительные ресурсы СССР, 1988; Орлов, 1990; Черепанов, 1995; Кожевникова и др., 1997; Ходжиматов, 2000; Дикорастущие.... 2001; Лебеда, 2004; Маевский, 2006 и др.).

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования природных ценопопуляций (ЦП) D. gymnostylis проводились в 2005-2011 гг. на территории пяти административных районов лесостепной и степной зоны Предуралья РБ. Для характеристики природно-климатических условий района проведения исследований использовались данные литературы (Физико-географическое..., 1964; Агроклиматические..., 1976; Тайчинов, Бульчук, 1975; Почвы..., 1995; Атлас..., 2005).

Для характеристики природных ЦП использован метод учетных площадок. На рис. 1 приведена схема расположения пробных площадей на территории РБ.

Рис. 1. Схема расположения пробных площадей О. §утпо$1уия на территории РБ: 1 - Алкино; 2 - Кара-Якупово-1 и 2; 3 — Кипчак-Аскарово-1 и 2; 4 - Балгазы 1 и 2; 5 — Никифарово; 6 - Миякитамак-1 - 5; 7 - Садовый; 8 — Чятай-Бурзян; 9 - Талачево; 10 — Услы; 11 - Еслевский; 12 - Буриказганово; 13 - Тратау.

На пробных площадях проводилось исследование основных популяционных характеристик. При выделении возрастных состояний и изучения особенностей онтогенеза использовали методические подходы, изложенные в работах Т.А. Работнова (1950), A.A. Уранова (1967; 1975), Л.А. Жуковой (1995, 1997), Л.Г. Наумовой, Ю.А. Злобина (2009), М.В. Маркова (2012). Индекс возрастности определялся по методике A.A. Уранова (Ценопопуляции..., 1977). Построение онтогенетических спектров проводили по общепринятой методике (Уранов, 1975: Ценопопуляции..., 1976, 1988). Для характеристики онтогенетической структуры применяли демографические показатели: индекс восстановления (Жукова, 1995) и индекс старения (Глотов, 1998). Оценку состояния ценопопуляций проводили по классификации «дельта-омега» Л.А. Животовского (2001). Оценка виталитетной структуры ЦП проводилась по методике Ю.А. Злобина (1989) для особей в средневозрастном генеративном состоянии.

На пробных площадях в природе и в культуре на 25 модельных растениях каждой ЦП согласно методу В.Н. Голубева (1962) изучались морфометрические параметры, а также семенная продуктивность (Работнов, 1960; Вайнагий 1974).

Для оценки влияния экологических факторов на морфометрические параметры D. gymnostylis использовали двухфакторный дисперсионный анализ. Уровень факторизации оценивался по Снедекору (Лакин, 1990). Для бальной оценки экологического и фитоценотического оптимумов проведен анализ комплекса признаков с учетом разработок Л.Б. Зауголыювой и др. (Заугольнова, 1985, Заугольнова и др., 1988; Шманова, Кричфалуший, 1995). Кластерный анализ проводили по программе Statistica 6,0 для 20 выборок (Кулаичев, 1996; Халафян, 2008). В качестве меры различия выборок использовали Евклидово расстояние, дендрограмму строили по методу «одиночной связи» (Песенко, 1982).

Анализ молекулярно-генетического полиморфизма ДНК проводился для 10 основных ЦП вида с использованием ISSR-метода на листьях с 30 случайно выбранных растений по следующим методикам: Torres (1993), Zietkiewicz et al. (1994), Молекулярная генетика (2007). Статистическая обработка проведена по методикам: Nei (1987, 1972, 1975, 1978), Yeh et al. (1999). Для построения дендрограммы использовали компьютерную программу Тгеесоп 3.1с применением 100 реплик бутстрепа.

В качестве молекулярно-генетических маркеров при изучении генетической изменчивости и популяционной структуры 15 ЦП D. gymnostylis использовали также метод электрофоретического разделения ферментов из экстрактов тканей листьев и изоферменты 8 ферментных систем. Выявление изоферментов осуществляли по стандартным методикам (Shaw, Prassad, 1970; Корочкин и др., 1977; Гончаренко и др., 1989). На основе F-статистик Райта (Nei, 1973, 1977; Chakraborty, 1974; Nei, Chesser, 1983) характеризовали внутривидовую генетическую подразделенность вида. Для количественной оценки генетической дифференциации популяций вычисляли генетические расстояния Нея (Nei, 1972). Матрицы генетических расстояний подвергали кластерному анализу с построением дендрограмм по методу невзвешенных парно-групповых арифметических средних (UPGMA) (Sneath, Sokal, 1973). Статистическую обработку изоферментных данных проводили с помощью специального пакета программ BIOSYS-1 (Swofford, Seiander, 1981).

Интродукционные исследования выполнены в Ботаническом саду-институте УНЦ РАН по общепринятым методикам (Бейдеман, 1974; Шульц, 1981; Ресурсы и интродукция..., 1981 и др.). Определение лабораторной и грунтовой всхожести семян проводили по стандартной методике (Методические указания..., 1980).

Оценка успешности интродукции и перспективности D. gymnostylis в культуре проведена на основе балльной шкалы по комплексу биолого-хозяйственных признаков (Былов, Карписонова, 1978; Карписонова, 1985; Трулевич, 1991)

Статический анализ провели в MS Excel 2007 при помощи пакета статистических программ Statistica 6,0 с использованием стандартных показателей (Доспехов, 1985; Зайцев, 1984; Лакин, 1990).

ГЛАВА 3. ОНТОГЕНЕЗ II СТРУКТУРА ЦЕНОПОПУЛЯЦІШ

оістлммт вілтттпк

Основные популяционные характеристики О. ^тпозІуИя в разных условиях произрастания исследовались на 20 природных ЦП вида (табл. 1).

Таблица 1

Ценопопуляция Местообитание, нарушение Площадь заросли, га Численность, шт. ПП ясенца, % Плотность, шт./м2 Надземная биомасса, г/особь

Ал кино Овраг, заросли кустарников по краю леса, пастбище 1-1,5 > 1000 5-20 3,9 213,0

Кара-Якупово 1 Лесная поляна, не нарушено 1-2 > 1000 15-35 4,1 182,5

Кара-Якупово 2 Опушка леса, несбитое пастбище 0,5 150-200 5-10 4,8 128,5

Кипчак-Аскарово 1 Опушка леса, не нарушено 0,2 70-100 5-10 2,6 188,5

Кипчак-Аскарово 2 Склон горы, край леса, не нарушено 1-2 > 1000 5-10 4,2 261,5

Бапгазы 1 Редколесье, край леса, не нарушено 1-1,5 200-300 1-5 0,8 276,5

Бапгазы 2 Заросли степных кустарников, пастбище 0,5 <50 1-5 1,9 35,0

Никифарово Заросли степных кустарников на вершине горы, выпас 0,1 50-70 5-15 2,9 45,0

Чятай-Бурзян Опушка леса, сенокос 1-2 400-500 1-15 1,3 71,5

Садовый Каменистый склон, пастбище 0,5 100-150 10-25 5,5 119,5

Миякитамак 1 Опушка леса, сенокос 5-6 >3000 10-25 5,3 96,5

Миякитамак 2 Опушка леса, пастбище 0,5 50-70 1-5 1,5 126,0

Миякитамак 3 Кустарниковая степь на склоне горы, не нарушено 3-5 15002000 5-25 1,5 268,5

Миякитамак 4 Опушка леса, несбитое пастбище 1-1,5 <1000 5-25 2,2 104,0

Миякитамак 5 Опушка леса, не нарушено 5-6 30005000 15-40 8,1 202,0

Услы Опушка леса, не нарушено 4-5 >2000 15-25 4,2 287,5

Еслевский Опушка леса, заросли кустарников, не нарушено 1-2 10001500 10-20 1,8 160,0

Буриказганово На краю леса, не нарушено 3 > 1000 15-35 10 113,0

Талачево Край леса, опушка леса, не нарушено 1-1,5 > 1000 1-20 1,1 217,0

Тратау Заросли степных кустарников на опушке леса, выпас 2 10001200 5-25 2,9 193,3

Итого: 20 33-43 га 18-22 тыс.

Общая площадь исследованных ЦП ясенца оценивается в 33-43 га. Самые крупные ЦП Миякитамак 1 и Миякитамак 5 занимают площадь 5-6 га. Численность популяций варьирует от 50 до 3-5 тыс. особей, общая численность вида в регионе ориентировочно - 18-22 тыс. особей. В большинстве ЦП плотность вида составляет 1-4 особей на 1 м2, максимальная плотность отмечена в ЦП Буриказганово (10 экз. /м2).

Описан онтогенез Д. кутпоз/уНя, который включает 3 возрастных периода (прегенеративный, генеративный, постгенеративный) и 8 возрастных состояний. Прегенеративный период составляет 7-9 лет. Длительность генеративного периода — свыше 30 лет (по данным интродукционного испытания в БСИ УНЦ РАН).

Базовый онтогенетический спектр центрированный (рис. 2) с максимумом на средневозрастных генеративных особях. В нем представлены растения всех возрастных СОСТОЯ1ШЙ, кроме сенильного.

Рис. 2. Базовый спектр ценопопуляций Д. ^тпозгуНз. По оси абсцисс: -онтогенетическое состояние; по оси ординат - доля особей данного онтогенетического состояния, %.

БОЛЬШИНСТВО изученных природных ЦП Д. относятся к нормальным

неполночленным, в спектрах отсутствуют сенильные особи. Онтогенетическая структура разных ЦП Д имеют три типа спектра: левосторонний,

центрированный и бимодальный в зависимости от состояния популяций и условий произрастания: плотности травостоя, степени антропогенной нагрузки.

Оценка состояния исследованных ЦП по классификации «дельта-омега» показала (табл. 2), что молодыми являются 10 ЦП (Д = 0,12-0,25, <о = 0,25-0,57). К переходной относится ЦП Кара-Якупово 2 (Д = 0,37, о) = 0,66). Остальные 9 ЦП относятся к зрелым (Д = 0,36-0,51, ю = 0,72-0,93).

Основные параметры, характеризующие жизненность Д дто/км/у/ю в разных ЦП, приведены в таблице 3. В 8 ЦП отмечено преобладание особей высшего класса, и они отнесены к категории процветающих ((2=0,50-0,36). ЦП Буриказган близка к равновесной (0=0,34). Остальные 11 ЦП отнесены к депрессивным (0=0,22-0,04).

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИИ Д. С™ММТ1Х/.У В ПРИРОДНЫХ ЦЕНОПОПУЛЯЦИЯХ

По классификации, предложенной Е Л. Нухимовским (2002), Д %утпоз1уНз относится к биоморфотипу: подземно-двусемядольные безрозеточные короткокорневищные эусимподиальные очередно-сложнолистные

(неиарноперистолистные) семидетерминанто-репродуцирующие однодомные красновато-рутоцветковые травянистые многолетники.

Измерение морфометрических параметров в природных ЦП вида проводилось в фазе цветения. По большинству параметров как вегетативной, так и генеративной сфер лидирует ЦП Миякитамак 5. Минимальные значения многих параметров отмечены в ЦП Чятай-Бурзян и ЦП Садовый. С севера на юг значения большинства

морфометрических параметров снижаются. Установлено, что для большинства признаков характерно нормальное варьирование (Су 5-44%).

Таблица 2

Демографические показатели состояния ценопопуляций Р. gymnostylis_

ЦП Показатель

Д со Тип ЦП I»

Буриказганово 0,12 0,25 Молодая 3,76 0,12

Миякитамак 5 0,15 0,32 « 2,54 0,15

Еслевский 0,14 0,34 « 2,02 0,14

Миякитамак 1 0,18 0,40 « 1,62 0,18

Кипчак-Аскарово 2 0,23 0,44 « 1,58 0,23

Чятай-Бурзян 0,19 0,50 « 1,24 0,19

Услы 0,23 0,47 « 1,13 0,23

Садовый 0,29 0,58 « 1,04 0,29

Талачево 0,23 0,49 « 1,04 0,23

Алкино 0,25 0,57 « 0,98 0,25

Кара-Якупово 2 0,37 0,66 Переходная 0,65 0,37

Тратау 0,36 0,72 Зрелая 0,42 0,36

Кара-Якупово 1 0,45 0,77 « 0,25 0,45

Балгазы 2 0,40 0,86 « 0,21 0,40

Миякитамак 3 0,45 0,80 « 0,20 0,45

Миякитамак 4 0,43 0,82 « 0,18 0,43

Миякитамак 2 0,45 0,88 « 0,10 0,45

Балгазы 1 0,41 0,88 « 0,10 0,41

Никифарово 0,49 0,89 « 0,09 0,49

Кипчак-Аскарово 1 0,51 0,93 « 0,04 0.51

Таблица 3

Распределение особей /). кутпоБГуШ по классам виталитета_

Относительная частота Качество Виталитетный тип ЦП

Ценопопуляция размерных классов популяции

с b а Q

Кара-Якупово 1 0 0,04 0,96 0,50 процветающая

Миякитамак 5 0 0,04 0.96 0,50 «

Кара-Якупово 2 0 0,08 0,92 0,50 «

Алкино 0 0,12 0,88 0,50 «

Талачево 0,20 0,12 0,68 0,40 «

Тратау 0,24 0,16 0,60 0,38 «

Услы 0,28 0,04 0,68 0,36 «

Еслевский 0,28 0,08 0,64 0,36 «

Буриказганово 0,32 0,24 0,44 0,34 равновесная

Никифарово 0,56 0,12 0,32 0,22 депрессивная

Балгазы 2 0,56 0,04 0,40 0,22 «

Миякитамак 3 0,60 0,12 0,28 0,20 «

Кипчак-Аскарово 2 0,64 0,24 0,12 0,18 «

Миякитамак 2 0,64 0,24 0,12 0,18 «

Миякитамак 1 0,68 0,12 0,20 0,16 «

Кипчак-Аскарово 1 0,72 0,08 0,20 0,14 «

Балгазы 1 0,76 0,16 0,08 0,12 «

Миякитамак 4 0,80 0,16 0,04 0,10 «

Садовый 0,84 0,08 0,08 0,08 «

Чятай-Бурзян 0,92 0,08 0 0,04 «

Для сравнительной оценки влияния комплекса экологических факторов и сезона вегетации на изменчивость морфометрических параметров О. %утп(а1уИз в 10 ЦП

измерения повторялись в течение 4 лет. Двухфакторный дисперсионный анализ (табл. 4) выявил, что по изученным параметрам влияние исследуемых факторов является статистически значимым (суммарный уровень факторизации 28-95%). Максимальные показатели силы влияния характеризуют воздействие фактора условий местообитания на генеративную сферу, а фактора погодных условий года вегетации - на вегетативную сферу, статистически значимым по всем признакам является и совместное влияние двух факторов. Для разногодичных наблюдений максимальные значения генеральных средних отмечены в 2006 и 2011 годах, отличающихся относительно благоприятными погодными условиями.

Результаты кластерного анализа растений О. &'пто$1уШ по значениям морфометрических параметров приведены на рис. 3. В наибольшей степени отличны от всего массива данных 5 популяций - 3 самых северных локалитета в Чишминском районе РБ, юго-восточная ЦП Тратау и крупная юго-западная ЦП Миякитамак 5, расположенная на ООПТ (особо охраняемая природная территория). Остальные ЦП довольно близки между собой, но образуют 2 кластера - юго-восточный и юго-западный.

Дендрограмма для 20 набл. Метод одиночной связи Евклидово расстояние

Рис. 3. Дендрограмма различий выборок О. ^тпо.Щ'и.ч по средневыборочным значениям морфометрических параметров растений.

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ НЕКОТОРЫХ ПОПУЛЯЦИЙ DICTAMNVS СУММОЯТУиЗ

Для 10 наиболее крупных популяций В. яутпозфШ в Предуралье РБ проведен молекулярно-генетический анализ с использованием 18811-маркеров, амплифицированных пятью праймерами (рис. 4). Число ампл ифшшрованных фрагментов ДНК варьировало в зависимости от праймера от 9 (праймер Х10) до 20 (МЗ). В среднем один праймер инициировал синтез 13 фрагментов ДНК. Число полиморфных фрагментов варьировало от 7 до 19, а их размеры - от 160 до 3000 пн. Число амплифицированных фрагментов ДНК в суммарной выборке растений варьировало в зависимости от праймера от 25 (праймер Х10) до 32 (МЗ).

Таблица 4

Оценка влияния комплексных экологических и сезонных факторов на морфометрические параметры

_Р. гутпояуИз в природных ценопопуляциях РБ_

Параметры Сила влияния факторов, % Генеральные средние по градациям факторов

фактор А фактор В

А В АВ А1 А2 АЗ А4 А5 А6 А7 А8 А9 А10 В1 В2 ВЗ В4

Число генеративных побегов, шт. 17,4"' 25,5"' 4,7"' 9,6 6,6 10,9 3,4 2,7 3,6 6,5 5,9 5.9 3,5 4,9 4,6 7,4 6.6

Высота растения, см 21,9"' 47,6"" 5,8"' 113,8 106,7 101,5 86,1 79,4 89,6 86,3 75,3 106,0 102,8 97,5 98,9 88,7 94,1

Диаметр стебля, мм 42,9"' 17,3'" 2,8" 58,2 55,6 62,7 56,5 55,1 57,0 52,1 50,3 64,9 61,5 53,6 53,9 56,6 65,6

Число простых листьев, шт. 21,7"' 13,1'" 3,9"' 4,4 4,7 5,5 4,9 5,8 3,9 4,5 4,4 4,8 4,6 4,6 4,6 4,4 5,5

Длина простого листа, см 33,7'" 9,9"' 6,5"' 6,7 6,2 6,0 5,5 5,4 5,8 5,5 5,5 5,9 5,4 5,7 6,4 5,0 6,0

Ширина простого листа, см 16,5"' 10,8"' 8,5"" 2,7 2,5 3,3 2,3 2,3 2,1 2,2 2,3 2,3 2,2 2,4 2,7 2,0 2,5

Число перистых листьев, см 27,8'" 30,8"' 4,3'" 18,8 17,3 20,6 12,8 12,5 13,0 11,7 15,1 16,4 15,9 17,0 16,8 13,8 14,1

Длина перистого листа, см 4,2' 20,4"" 4,0"' 22,4 22,4 18,2 22,4 22,1 24,7 23,1 19,6 22,2 22,5 21,3 22,3 22,0 22,2

Ширина перистого листа, см 26,0"' 29,4"' 6,3"" 10,3 9,7 10,2 13,2 12,1 12,9 14,1 10,8 12,1 12,3 10,9 11,8 12,9 11,5

Число листочков, шт. 15,1"' 15,5"' 4,8"' 11,4 11,7 11,0 11,4 11,4 11,4 10,1 11,9 10,9 10,4 11,4 11,3 10,7 11,2

Длина листочка, см 15,6"' 31,7"' 4,1"' 5,3 5,3 5,1 6,7 6,2 6,7 7,3 5,6 6,3 6,6 5,7 6,2 6,4 6.2

Ширина листочка, см 7.0"' 25,3"' 22,4"' 1,9 1,9 3.4 2.4 2,4 2.3 2,4 1,8 2,5 2,7 2.6 2,3 2,3 2.3

Длина соцветия, см 10,0'" 11,6"' 5,7"' 24,3 24,5 30,2 27,1 22,6 29,6 23,4 25,9 28,1 27,9 26,4 24,9 25,7 28,5

Ширина соцветия, см 49,4"' 8,7"' 4,1*" 8,2 8,3 9,3 8,9 8,1 10,3 8,3 8,3 9,1 8,9 7,1 8,3 9,1 10,7

Число цветков на 1 побеге, шт. 60,7'" 10,6"' 6,6"' 26,8 28,4 33,5 27,8 28,7 30,9 25,7 25,5 33,7 33,5 23,8 21,9 37,5 34,5

Длина цветка, см 61,6'" 30,4"' 19,9"' 4,6 4,3 5,3 5,7 5,1 5,1 4,9 4,9 4,9 5,2 4,6 4,6 5,4 5,5

Диаметр цветка, см 54,3'" 27,0"' 14,5— 4,5 4,5 5,3 5,5 4,9 5,0 4,9 4,8 4,9 5,1 4,6 4,7 5,2 5,3

Градации фактора А - условия экотопа ценопопуляции (А1 - Кара - Якупово 1, А2 - Кара - Якупово 2, АЗ - Тратау, А4 - Миякитамак 1, А5 -Балгазы 1, А6 - Никифарово, А7 - Кипчак-Аскарово 1, А8 - Садовый, А9 - Услы, А10 - Буриказганово) и фактора В - погодные условия года вегетации (В 1 - 2005, В2 - 2006, ВЗ - 2010, В4 - 2011).

*** - влияние фактора достоверно при уровне значимости р < 0,001, ** - влияние фактора достоверно при уровне значимости р < 0,01, * - влияние фактора достоверно при уровне значимости р < 0,05.

М 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 М 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Рис. 4. БЗЯ-спектр И. ^тпояГуИх ЦП Тратау, полученный при амплификации ДНК с праймером М2: цифрами обозначены номера проб, М - молекулярный маркер, с фрагментами размером сверху вниз 3000 пн, 1500 пн, 1000 пн, 900 пн, 800 пн и т.д., стрелками указаны некоторые полиморфные фрагменты ДНК.

В среднем, при ^Я-анализе в суммарной выборке один праймер инициировал синтез 27 фрагментов ДНК. Доля полиморфных локусов при />95 в суммарной выборке в зависимости от 188Я-праймера колебалась от 0,80 до 0,97 и в среднем составила 0,90. Доля полиморфных локусов, полученных в результате ПЦР со всеми 188И.-праймерами. наименьшая в ЦП Миякитамак 1 - 0,80, а наибольшая в ЦП Садовый - 0,97. Праймер XI0 выявил самые низкие значения полиморфизма в популяциях, а праймер МЗ -самые высокие. Эффективное число аллелей (пе) является функцией от доли полиморфных локусов, числа аллелей на локус и выравненное™ частот аллелей и, таким образом, является мерой генетического разнообразия популяции или вида. Эффективное число аллелей на локус (пс) на общую выборку равно 1,294. Большее значение этого параметра в популяции Садовый (пс=1,301), а наименьшее значение в ЦП Миякитамак 1 (1^=1,220). Абсолютное число аллелей на локус (па) (в нашем случае на фрагмент ДНК) на общую выборку по ¡ЗБЯ-праймерам составило 2,000. Этот параметр наивысший в ЦП Алкино, в ЦП Миякитамак 1 - наименьший. Высчитано число редких аллелей (Я) в каждой популяции, максимальное значение этого параметра - в ЦП Никифарово, а его отсутствие - в ЦП Кара-Якупово 1, Талачево, Буриказганово.

Изучение генетической структуры популяций О. йу/ииояф'/ю показало (табл. 5), что общее генетическое разнообразие на всю выборку (Нт), определенное на основании полиморфизма 188К.-маркеров, составила 0,238, а среднее генетическое разнообразие (Н$) - 0,151. Коэффициент подразделенности популяций ^т) по ^Я-методу показывает, что на межпопуляционную компоненту приходится 0,365 разнообразия.

Таблица 5

18811-праймер Нт Н5 Оэт

М2 0,270 (0,02) 0,150 (0,07) 0,444

МЗ 0,218 (0,02) 0,143 (0,01) 0,343

М27 0,230 (0,02) 0,174 (0,02) 0,243

хю 0,244 (0,02) 0,137 (0,01) 0,437

XII 0,230 (0,02) 0,151 (0,01) 0,345

На общую выборку 0,238 (0,02) 0,151 (0,01) 0,365

Примечание: Нт - общее генное разнообразие в суммарной выборке; Ня - среднее выборочное генное разнообразие по всем локусам; С8Т - показатель подразделенности популяций; в скобках даны стандартные отклонения

На основании полученной матрицы невзвешенным парно-групповым методом (иРОМЛ) была построена дендрограмма (рис. 5), отражающая степень родства исследуемых ЦП по ^Я-спектрам. Из полученной дендрограммы на основе КБЯ-метода видно, что ЦП В. ^тпоз1уШ разделяются по родству на две крупные ветви: ЦП Кара-Якупово 1, Услы, Садовый, Никифарово, Талачево и Алкино генетически ближе, чем ЦП Миякитамак 1, Тратау, Буриказганово и Кипчак-Аскарово 2. Наибольшее генетическое расстояние (1Че1, 1972) отмечено между ЦП Услы и Миякитамак 1, оно составило 0,320, а наименьшее - между ЦП Буриказганово и Кипчак-Аскарово 2 (0,094). Таким образом, предположение о генетической гетерогенности ЦП В. %утпо81уШ подтвердилось и при построении дендрограммы генетического сходства.

0,7 0,6 0,4 0.1

- Кара-Якупово 1

- Услы

- Садовый

- Никифарово

- Талачево

- Алкино

- Миякитамак 1

- Тратау

- Буриказганово

- Кипчак-Аскарово 2

Рис. 5. иРСМА-дендрограмма генетического сходства ЦП В. £утпо$1уШ, построенная на основании полиморфизма ^Я-маркеров. Шкала сверху - генетические дистанции.

Примечание: КУА1 - ЦП Кара-Якупово 1; и - ЦП Услы; Б - ЦП Садовый; N - ЦП Никифарово; Т - ЦП Талачево; А1 - ЦП Алкино; МТ1 - ЦП Миякитамак 1; ТТ - ЦП Тратау; Виг - ЦП Буриказганово; КА2 - ЦП Кипчак-Аскарово 1.

Анализ аллельного состава и частоты встречаемости аллелей в генотипах показал достаточно большую межвыборочную аллельную гетерогенность ВМатпш %утпо$1уИз. Восемь изоферментных локусов - АаМ, Аао2, СсШ-1, М(Й1-2, 6-Р§(1-2, 0-2-(311-1, Аср-1, 8ос1-3 - показали изменчивость во всех выборках, при этом выявлено до 4 аллелей в отдельном локусе. В локусе 6-Р§с1-1 установлены лишь 2-3 гетерозиготы с редкой формой аллеля в двух выборках. Остальные 7 локусов оказались мономорфными во всех исследованных выборках. Преобладающие аллели были общими для большинства исследованных выборок и локусов за исключением ряда случаев. Уровень внутривидового генетического разнообразия В. ёутпозуШ, установленный на основе показателей изоферментной изменчивости оказался достаточно высоким. Средние показатели генетической изменчивости по всем выборкам составили: число аллелей на локус 1,57 с колебаниями в пределах от 1,5 до 1,6; доля полиморфных локусов по выборкам была близка и изменялась от 50,0 до 56,3 % (в среднем 50.8 %); ожидаемая и наблюдаемая гетерозиготность составили в среднем 0,169 и 0,139 (табл. 6). В целом уровень генетической изменчивости отдельных выборок по основным показателям отличался незначительно. Некоторые различия в величине параметров генетического разнообразия В. яутпозфИя могут быть связаны с видовыми особенностями и различиями в экологических условиях существования исследованных ценопопуляций.

При анализе подразделенности генного разнообразия ВШаптия &'тпоз/уИ.<; на основе изоферментной изменчивости выявлено, что 88,3% всей генетической изменчивости относится к внутрипопуляционной и 11,7% приходится на межпопуляционную составляющую. Следовательно, можно констатировать, что О.

¿утиолу/« в исследуемом регионе характеризуется достаточно высокой степенью популяционной генетической структурированности.

Таблица б

ЦП Число аллелей на локус Доля полиморфных локусов Гетерозиготность

наблюдаемая ожидаемая

Тратау 1,6 (0,2) 50,0 0,135(0,047) 0,167 (0,052)

Миякитамак 5 1,6 (0,2) 50,0 0,143 (0,042) 0,166(0,050)

Кара-Якупово 1 1,6 (0,2) 50,0 0,129(0,038) 0,152 (0,044)

Кипчак-Аскарово 2 1,6 (0,2) 56,3 0,154(0,041) 0,190 (0,051)

Еслевский 1,5 (0,1) 50,0 0,135 (0,039) 0,168(0,050)

Буриказган 1,6(0,2) 50,0 0,123 (0,035) 0,150(0,043)

Никифарово 1,6 (0,2) 50,0 0,145 (0,044) 0,145 (0,044)

Миякитамак 1 1,6 (0,2) 56,3 0,139 (0,036) 0,187(0,051)

Балгазы 1 1,5 (0,1) 50,0 0,129 (0,037) 0,162 (0,047)

Миякитамак 3 1,5 (0,1) 50,0 0,145 (0,043) 0,194 (0,055)

Услы 1,5(0,1) 50,0 0,141 (0,045) 0,164(0,050)

Талачево 1,6 (0,2) 50,0 0,133(0,039) 0,163 (0,045)

Чятай-Бурзян 1,6 (0,2) 50,0 0,145 (0,041) 0,180 (0,049)

Алкино 1,6 (0,2) 50,0 0,137 (0,044) 0,161 (0,048)

Садовый 1,6 (0,2) 50,0 0,164(0,046) 0,200 (0,055)

Среднее 1,57(0,2) 50,8 0,139(0,041) 0,169 (0,048)

Примечание: в скобках даны стандартные отклонения

Генетическое расстояние Нея (D) для всех пар исследованных выборок составило в среднем 0,028. Однако значение генетической дистанции между отдельными выборками изменяется довольно значительно - от 0,003 до 0,072. Наиболее удаленной от остальных в генетическом отношении оказалась ЦП Садовый (Dcp=0,047). Высоким уровнем расхождений по своей генетической структуре с большинством изученных ценопопуляций характеризуются также Кипчак-Аскарово 2 (Dcp=0,038) и Алкино (Dcp=0,032).

ГЛАВА 6. ОПЫТ ИНТРОДУКЦИИ D. GYMNOSTYLIS

В условиях интродукции на территории БСИ УНЦ РАН получены данные по сезонному ритму развития, морфометрическим параметрам, семенной продуктивности и особенностям размножения вида.

Ясенец относится к феноритмотипу длительно-вегетирующих весенне-летне-осеннезеленых многолетников с периодом зимнего покоя, весенним сроком пробуждения и долгоцветущим с раннелетним периодом цветения. Продолжительность вегетации 150-160 дней. Цветение наступает в конце мая - начале июня и длится в среднем 25 дней. Значительное влияние на прохождение фенологических фаз оказывают погодные условия года вегетации.

Сравнение морфометрических показателей по критерию Стьюдента (табл. 7) между растениями интродукционной и природной ЦП Тратау показало, что достоверные различия между растениями при 5%-ном уровне значимости зафиксированы для числа побегов, листьев, длины и ширины листьев, листочков, длины цветка, при 1%-ном уровне значимости - для ширины перистого листа. Для большинства морфологических параметров ясенца в природе и культуре наблюдается нормальное варьирование (Cv 5-44%). Сравнение показателей семенной продуктивности по критерию Стьюдента между растениями в интродукции и природной ЦП показало отсутствие достоверных различий (t(|,alcr <2,011) (табл. 8). Все показатели семенной продуктивности ясенца в культуре и природе характеризуются нормальным варьированием параметров (Су - 5-44%).

Таблица 7

Морфометрическая характеристика и семенная продуктивность О. руптозїуіії в культуре и _природных условиях (2011 г., п = 25) __

Параметры Ботанический сад Су, % ЦП Тратау Су, % ^факт

Число генеративных побегов, шт. 44,4±5,14 0,58 12,5±2,34 0,94 5,657*

Число вегетативных побегов, шт. 11,7±0,96 0,41 2,9±0,61 1,03 7,711*

Длина стебля, см 92,4±2,53 0,14 95,4±2,50 0,13 0,836

Диаметр стебля, см 0,7±0,02 0,15 0,7±0,03 0,19 0,115

Число простых листьев на стебле, шт. 7,5±0,35 0,23 6,7±0,45 0,33 1,417

Длина простого листа, см. б,1±0,26 0,22 5,8±0,23 0,20 0,657

Ширина простого листа, см 2,5±0,12 0,24 2,56±0,14 0,27 0,370

Число перистых листьев на стебле, шт. 11,7±0.48 0,21 17,2±0,84 0,24 5,695*

Длина перистого листа, см 24,2±0,76 0,16 19,3±0,95 0,25 4,005*

Ширина перистого листа, см 11,5±0.44 0,19 10,0±0,44 0.22 2,319**

Число листочков, шт. И,5±0,27 0,12 10,7±0,38 0,18 1,554

Длина листочка, см 5,8±0,16 0,14 4,9±0,19 0,20 3,494*

Ширина листочка, см 2,6±0.08 0,15 2,1±0,14 0,34 3,280*

Длина соцветия, см 27,2±1,11 0,20 29,3±1,58 0,27 1,086

Ширина соцветия, см 11,5±0,29 0,12 11,8±0,34 0,14 0,660

Число цветков на 1 побеге, шт. 35,9±2,23 0,31 34,5±1,95 0,28 0,499

Длина цветка, см 6,1±0,11 0,09 6,6±0,12 0,09 3,065*

Диаметр цветка, см 5,8±0.Ю 0,09 6,4±0,11 0,09 1,602

Число цветков на 1 генеративный побег, шт. 35,9±2,23 0,31 34,5±1,95 0,28 0,499

Число плодов на 1 генеративный побег, шт. 13,8±0.77 0,27 13,5±0,69 0,25 0,308

Число семяпочек на завязь, шт. 14,9±0,45 0,15 15,2±0,11 0,03 0,606

Число семян на плод, шт. 12,8±0.41 0,15 12,5±0,35 0,13 0,673

Потенциальная семенная продуктивность, шт. 207,1±13,32 0,32 204,4±10,75 0,26 0,157

Реальная семенная продуктивность, шт. 176,7±10,И 0,28 169,2±9,97 0,29 0,280

Примечание. 'Показатель достоверен при 5%-ном уровне значимости ** Показатель достоверен при 1%-ном уровне значимости

В эксперименте по семенному размножению (4 варианта опыта с контролем) в 3-х вариантах: контроле, со стратификацией и ошпариванием семян всхожести не наблюдалось. Начало прорастания семян ясенца наблюдается на 2 день. В зависимости от варианта опыта продолжительность прорастания растянута до 20 дней. У семян с интродукционных растений во всех вариантах всхожесть была значительно выше по сравнению с семенами, взятыми из природных местообитаний: в варианте со скарификацией - 76% и 37%, в варианте с надрезанием рубчика - 76% и 34% соответственно. Энергия прорастания также выше при интродукции. Более высокая приживаемость проростков в тепличных условиях наблюдалась в варианте со скарификацией (44-52%), менее высокая (16-24%) - в варианте с надрезанием рубчика. Приживаемость в грунте после первой перезимовки составила 37%. При подзимнем посеве свежими семенами в грунт всхожесть семян также довольно высокая - 23.356.6%.

Опыт вегетативного размножения 0(с(атни5 &-тпо.ч1уИ.1 стеблевыми черенками из нижней, средней и верхней части стебля, полученными в разные фенологические фазы (до цветения, в момент цветения и после отцветания), показал, что максимальное укоренение наблюдается у черенков, срезанных в фазе бутонизации и цветения из верхней части стебля (до 100%), а минимальное - у стеблевых черенков, укорененных нижней частью стебля, во всех фенологических фазах (21-27%).

ВЫВОДЫ

1. ПШатти кутпоьуиь в Башкирском Предуралье представлен 20 ценопоиуляциями в 5 административных районах степной и лесостепной зон РБ. Общая площадь всех исследованных ЦП вида оценивается в 33-43 га, общая численность - 18-22 тыс. особей, плотность популяций составляет 1-10 особей на 1 м , средняя надземная биомасса 1 растения - 35-187,5 г.

2. Онтогенез О. &пто51уШ включает 3 возрастных периода (прегенеративный, генеративный, постгенеративный) и 8 возрастных состояний. Большинство исследованных ЦП вида относятся к нормальным неполночленным, в них отсутствуют особи сенилыюго возрастного состояния. Усредненный онтогенетический спектр центрированный, с максимумом на средневозрастных генеративных особях. По классификации дельта-омега 10 ЦП молодые, 1 переходная, 9 зрелые. По виталитету 8 популяций процветающие, 1 равновесная и 11 депрессивных.

4. Сравнительная оценка влияния комплекса экологических факторов и сезона вегетации на изменчивость морфометрических параметров Я ¿уотполгу/м показала, что по изученным параметрам влияние исследуемых факторов является статистически значимым (суммарный уровень факторизации 28-95%). Фактор условий местообитания оказывает максимальное влияние на показатели генеративной сферы: число цветков и длину цветка (доля дисперсии 60,7% и 61,6% соответственно), а фактор погодных условий года вегетации - на показатели вегетативной сферы: число перистых листьев и длину листочка (доля дисперсии - 30,8% и 31,7% соответственно).

5. А успешно интродуцирован в лесостепной зоне Башкортостана, проходит в культуре полный цикл развития и превосходит растения природных местообитаний по общему габитусу и семенной продуктивности (4,8 и 0,8 тыс. шт. семян в среднем на 1 растение соответственно). Из природных популяций максимальные значения семенной продуктивности отмечены в охраняемой ЦП Миякитамак 5. Максимальная продуктивность в культуре и природе отмечена в благоприятном по климатическим условиям 2011 году.

6. Молекулярно-генетическое исследование О. '¿утпозыИз с использованием КЗЯ-метода и метода анализа изоферментной изменчивости дал сопоставимые результаты по большинству параметров. Этот вид характеризуется высоким уровнем генетического разнообразия (Р95=0,990; Я,,=0,207; Я»=0,354). Все установленные параметры генетического разнообразия выше в ЦП Садовый (Р95=0,970; Н«,=0,175; Ло=0,263). На межпопуляционную компоненту генетического разнообразия О. £утпоя1уНз приходится 36,5% разнообразия, а на внутрипопуляционную - 63,5 %. Наибольшее генетическое расстояние отмечено между ЦП Услы и Миякитамак 1, оно составило 0,320, а наименьшее - между ЦП Буриказганово и Кипчак-Аскарово 2 (0,094).

7. По результатам комплексной оценки состояния популяций, их генетической структуры и охваченности охраной выявлено, что состояние 4 ЦП хорошее, 9 ЦП -удовлетворительное и 7 ЦП - неудовлетворительное. Для усиления охраны вида и сохранения его генетического разнообразия, наряду с уже существующими ООПТ, рекомендуется включение ЦП Кипчак-Аскарово 2 в состав комплексного памятника природы «Гора Сатыртау».

Публикации в научных журналах, рекомендованных ВАК МОП РФ

1. Абрамова Л.М., Варламова М.А., Янурова (Мустафина) А.Н. Состояние природных популяций 01с1атпиБ &>тпо51уНз 5Сеу. на Южном Урале и вопросы их охраны // Вест. Оренбург, гос. ун-та. 2006. №. 9 (59). С.248-251.

2. Мустафина А.Н., Абрамова Л.М. Интродукция редкого вида йШатпю ^тпоз^Их 81еу. // Известия Оренбург, гос. аграрн. ун-та, 2010. №2 (26). С. 227-228.

3. Абрамова Л.М., Мустафина А.Н., Андреева И.З. Современное состояние и структура природных популяций Dictamnus gymnostylis Stev. на Южном Урале // Бюлл. Моск. о-ва испыт. природы. Отд. биол. 2011. Т.116. Вып. 5. С. 32-38.

4. Мустафина А Н., Абрамова Л.М. Интродукция и размножение редкого вида Южного Урала ясенца голостолбикового (Dictamnus gymnostylis Stev.) в Ботаническом саду г. Уфы // Вестник ИГСХА, 2011. Выпуск № 44 (5). С. 63-69.

5. Мустафина А Н., Абрамова JI M. Некоторые итоги интродукции редкого вида Южного Урала Dictamnus gymnostylis Stev. // Вестник Воронеж, гос. ун-та, 2011. № 1. С. 79-80.

6. Мустафина А.Н., Абрамова Л.М. Современное состояние и виталитетная структура природных популяций редкого вида Dictamnus gymnostylis Stev. на Южном Урале // Изв. Самарского НЦРАН. 2012. Т.14, № 1(7). С. 1796-1798.

Публикации в других изданиях

7. Абрамова Л.М., Варламова М.А., Янурова (Мустафина) А.Н. О состоянии природных популяций редкого вида Dictamnus gymnostylis Stev. в Башкортостане // Уралэкология. Природные ресурсы-2005. Уфа-Москва, 2005. С.150-151.

8. Абрамова Л.М., Варламова М.А., Янурова (Мустафина) АН. Оценка состояния природных популяций редкого вида Dictamnus gymnostylis Stev. на Южном Урале // Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы. Матер, междунар. науч. конф. Казань, 2006 С 283285.

9. Абрамова Л.М., Варламова М.А., Янурова (Мустафина) А.Н. Состояние природных популяций и семенная продуктивность Dictamnus gymnostylis Stev. на Южном Урале // Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий. Матер. III междунар. науч. конф. Оренбург, 2006. С.41-42.

10. Абрамова Л.М., Варламова М.А., Каримова O.A., Янурова (Мустафина) А.Н. Интродукция редкого вида Dictamnus gymnostylis Stev. в Республике Башкортостан // Роль ботанических садов в сохранении биоразнообразия растительного мира Азиатской России: настоящее и будущее. Матер. Всеросс. конф. Новосибирск, 2006. С. 10-11.

11. Варламова М.А., Янурова (Мустафина) А.Н., Абрамова Л.М. Возрастная структура ценопопуляций Dictamnus gymnostylis Stev. в Предуралье Башкортостана // Особь и популяция: стратегии жизни. Сб. матер. IX Всеросс. популяц. семинара. 4.2. Уфа, 2006. С.49-52.

12. Абрамова Л.М, Варламова М.А., Каримова O.A., Янурова (Мустафина) А.Н. О состоянии природных популяций и интродукции редкого вида Dictamnus gymnostylis Stev. на Южном Урале // Сохранение биоразнообразия растений в природе и интродукции. Матер, междунар. науч. конф. Сухум, 2006. С. 9-12.

13. Абрамова Л.М., Варламова М.А., Янурова (Мустафина) А.Н. О состоянии природных популяций и охране редкого вида Dictamnus gymnostylis Stev. на Южном Урале // Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий. Матер. XXI межресп. науч.-практ. конф. Краснодар, 2008. С.22-23.

14. Абрамова Л.М., Мустафина А.Н. Dictamnus gymnostylis Stev. на Южном Урале: современное состояние природных популяций и вопросы охраны // Экология и география растений и растительных сообществ Среднего Поволжья. Тольятти, 2011. С. 310-317.

15 Мустафина А Н., Каримова O.A. Андреева И З. Онтогенез ясенца голостолбикового (Dictamnus gymnostylis Stev.) // Онтогенетический атлас растений. Т. VI. Йошкар-Ола 2011 С.94-97.

16. Мустафина АН, Шигапов З.Х., Бобошина И.В. Анализ генетического разнообразия некоторых популяций редкого вида Dictamnus gymnostylis Stev. в Республике Башкортостан // Биологическое разнообразие растительного мира Урала и сопредельных территорий. Матер. Всеросс. конф. Екатеринбург, 2012. С.165-166.

17. Мустафина А.Н., Абрамова Л.М. Опыт оценки влияния комплексных экологических факторов на изменчивость морфометрических параметров Dictamnus gymnostylis Stev. II Актуальные проблемы современной биоморфологии / под ред. Н.П. Савиных. Киров: Изд-во Радуга-ПРЕСС, 2012. С. 479-482.

Подписано в печать 04.04.2013 г. Формат 80x64 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 120 экз. Заказ 0004. Гарнитура Times New Roman. Отпечатано в типографии ООО ИЦ «МедиаПринт». г.Уфа, ул. Чудинова, д.14, тел. 266-82-12. 284-28-61. e-mail: zakaz@mdprint.rn

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мустафина, Альфия Науфалевна, Уфа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ БОТАНИЧЕСКИЙ САД-ИНСТИТУТ УФИМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201357462

МУСТАФИНА АЛЬФИЯ НАУФАЛЕВНА

БИОЛОГИЯ, СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ И ИНТРОДУКЦИЯ О/СТАМN11.4 GYMNOSTYUS 8ТЕУ. В ПРЕДУРАЛЬЕ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

03.02.01 - ботаника 03.02.07 - генетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Л.М. Абрамова, доктор биологических наук З.Х. Шигапов

Уфа -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1 ПОПУЛЯЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ И 8 ИНТРОДУКЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ КАК ОСНОВА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ИХ ОХРАНЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1 Сохранение редких видов in situ 9

1.2 Опыт изучения природных популяций редких видов 12 растений

1.3 Интродукция как метод сохранения биоразнообразия 15

1.4 Опыт интродукции редких растений 17

1.5 Генетические исследования редких растений 20

1.6 Опыт изучения видов рода Dictamnus на территории РСФСР 26 и их практическое применение

Глава 2 УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 33

2.1 Природные условия районов полевых исследований 33

2.2 Природные условия Ботанического сада-института УНЦ 44 РАН

2.3 Объект исследования 45

2.4 Сбор материала и методы исследования 48 Глава 3 ОНТОГЕНЕЗ И СТРУКТУРА ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ 61

DICTAMNUS GYMNOSTYL1S

3.1 Характеристика природных популяций 61

3.2 Онтогенетическая структура 64

3.3 Виталитетная структура 72

3.4 Оценка экологического и фитоценотического оптимумов D. 74 gymnostylis

Глава 4 ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИИ D. GYMNOSTYLIS В 78

ПРИРОДНЫХ ЦЕНОПОПУЛЯЦИЯХ

4.1 Внутрипопуляционная изменчивость морфометрических 78 параметров

4.2 Влияние экологических факторов на изменчивость 82 морфометрических параметров

4.3 Сравнение морфометрических показателей в разных 88 эколого-ценотических условиях с использованием кластерного анализа

4.4 Семенная продуктивность И. £утпо$1уШ в природных 90 ценопопуляциях

Глава 5 АНАЛИЗ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ 96

НЕКОТОРЫХ ПОПУЛЯЦИЙ ШСТАШиБ СУМИОЭТУШ

5.1 Анализ генетического разнообразия О. ^тпояР^Из с 96 использованием 188Л-маркеров

5.2 Внутривидовое генетическое разнообразие и популяционная 104

структура И. ^тпояфШ на основе изоферментной изменчивости

Глава 6 ОПЫТ ИНТРОДУКЦИИ £>. вУШОЗТУЫЗ 116

6.1 Фенология и особенности сезонного роста D. ^тпозЦШ 116

6.2 Изучение морфометрических параметров 120

6.3 Семенная продуктивность 122

6.4 Особенности прорастания семян 126

6.5 Вегетативное размножение 128

6.6 Оценка успешности интродукции 131 Заключение и выводы 134 Литература 139 Приложение 170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Изучение и сохранение биоразнообразия растений - важнейшая задача современной ботаники и экологии. Наиболее эффективным направлением в решении этой проблемы является сохранение биоразнообразия на популяционно-видовом уровне (Яблоков, Остроумов, 1985; Миркин и др., 2004).

К редким видам Республики Башкортостан (РБ), нуждающимся в изучении, с целью определения мер охраны биоразнообразия, относится ясенец голостолбиковый - Dictamnus gymnostylis Stev. - редкое эфиромасличное и декоративное растение из семейства рутовых (Rutaceae), находящееся на Южном Урале на северном и восточном пределе распространения и представленного небольшим числом изолированных локалитетов. Вид включен в «Красную книгу Республики Башкортостан» (2011) с категорией III - редкий вид. Биология данного вида в дизъюнкции ареала на Южном Урале изучена недостаточно.

Изучение популяций видов на границе их распространения имеет важное биологическое значение. Пограничные популяции характеризуются своеобразием структуры, морфологии, генетики особей, а также другими особенностями внутренней организации (Уранов, 1960; Работнов, 1978; Юрцев, 1991; Блинова, 2008). исследование биологии видов на пределе распространения - актуально, в особенности для Уральского региона, где на рубеже Европы и Азии проходят границы ареалов многих видов растений, нередко попадающих в пограничных условиях в категорию редких и исчезающих видов.

Для разработки стратегии сохранения редких видов растений существенное значение имеет также исследование генетического разнообразия их популяций (Артюкова и др., 2004а). Данные о генетическом разнообразии и его компонентах способны предоставить генетические

маркеры, которые позволяют оценить степень угрозы генофонду и разработать способы и методы его сохранения.

Эффективным методом сохранения биоразнообразия редких видов может быть также их интродукция в ботанические сады (Абрамова и др., 2004, 2009). Культивирование редких растений не только дает возможность всесторонне изучить биологию редких видов, но и является действенным способом защиты природных популяций, поскольку позволяет удовлетворить потребность в ресурсных видах, что способствует предотвращению их уничтожения в природе.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - изучение структуры природных популяций и биологических особенностей ИШатпш £утпоя1уИ8 в природе и при интродукции в лесостепной зоне Предуралья РБ.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Описать онтогенез вида и структуру популяций в природных местообитаниях.

2. Изучить биоморфоогические параметры и семенную продуктивность вида в природных местообитаниях.

3. Выполнить генетический анализ растений в основных локалитетах

вида.

4. Изучить биологические особенности вида в условиях культуры в лесостепной зоне Предуралья РБ.

5. Провести сравнение природных и интродукционной ценопопуляций.

6. Дать оценку состояния природных популяций на Южном Урале.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное популяционное и

интродукционное изучение редкого вида ОШатпш £утпо51уИ$ в степном и лесостепном Предуралье РБ. Изучены онтогенез и структура популяций, включая генетическую структуру, получены данные по возрастному и виталитетному составу. Оценена разногодичная динамика морфометрических параметров растений, проведено их сравнение в природе

и при интродукции. Определена семенная продуктивность и особенности размножения вида.

Практическая значимость. Полученные данные о биологии вида, его плодоношении и размножении имеют практическое значение для введения его в культуру как декоративного и эфиромасличного растения. Данные по состоянию природных популяций могут быть использованы при разработке мероприятий по охране этого вида, а также для разработки основ мониторинга состояния редких видов растений. Теоретические и практические результаты работы могут быть использованы для ведения образовательной деятельности по направлениям «Ботаника» и «Генетика».

Апробация. Основные положения диссертации были представлены на Всероссийской конференции "Уралэкология. Природные ресурсы - 2005" (Уфа-Москва, 2005), Республиканской научной конференции "Вклад особо охраняемых природных территорий в экологическую устойчивость региона" (Уфа, 2005), международной научной конференции, посвященной 200-летию Казанской ботанической школы «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006), III международной научной конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2006), Всероссийской конференции, посвященной 60-летию ЦСБС «Роль ботанических садов в сохранении биоразнообразия растительного мира Азиатской России: настоящее и будущее» (Новосибирск, 2006), IX Всероссийском популяционном семинаре «Особь и популяция -стратегии жизни» (Уфа, 2006), международной конференции «сохранение биоразнообразия растений в природе и при интродукции» (Сухум, 2006), XXI научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2008), V Всероссийской конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010), Всероссийской конференции «Проблемы озеленения городов Сибири и

сопредельных территорий» (Иркутск, 2011), II Всероссийской с международным участием школе-семинаре «Актуальные проблемы современной биоморфологии» (Киров, 2012), Всероссийской конференции «Биологическое разнообразие растительного мира Урала и сопредельных территорий» (Екатеринбург, 2012), IV Всероссийской школе-конференции «Актуальные вопросы геоботаники» (Уфа, 2012).

Декларация личного участия автора. Сбор и обработка материалов в течение полевых сезонов 2005-2011 гг. осуществлен лично автором диссертации. Автором также выполнена статистическая обработка и обобщение полученных результатов, написание и оформление диссертационной работы. Подготовка публикаций осуществлена самостоятельно и при активном участии автора диссертационной работы, результаты имеющихся совместных исследований опубликованы, права соавторов соблюдены.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в их числе 6 статей в изданиях из перечня ВАК МОН РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, приложения. Список литературы включает 331 источник, в т.ч. 34 на иностранных языках. Работа изложена на 218 страницах, содержит 35 таблиц и 26 рисунков, в приложении 7 таблиц и 13 рисунков.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям д.б.н. Абрамовой JI.M., д.б.н. Шигапову З.Х., сотрудникам лаборатории дикорастущей флоры и интродукции травянистых растений и сотрудникам лаборатории генетики и цитологии Ботанического сада-института УНЦ РАН, д.б.н., проф. Боронниковой C.B. и лаборатории «Молекулярной биологии и генетики» ЕНИ ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» и соавторам публикаций за помощь в выполнение работы.

ГЛАВА 1. ПОПУЛЯЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНТРОДУКЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ КАК ОСНОВА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ИХ ОХРАНЫ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

Одним из наиболее опасных современных изменений в экосистемах является вызванная человеком потеря разнообразия, прогрессирующая все более быстрыми темпами. Если не принять действенных мер, то к середине XXI в. могут быть потеряны около 2/3 мировой флоры. Главные причины исчезновения видов - уничтожение и изменение биотопов, усиленная эксплуатация полезных растений, а также общее загрязнение среды обитания (Абрамова и др., 2009).

В деле охраны биоразнообразия существуют несколько основных подходов - молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотически-биосферный (Яблоков, Остроумов, 1985). А.К. Скворцов (1991) определяет две основные стратегии сохранения редких и сокращающих свою численность видов растений: 1) - в естественных сообществах (in situ); 2) - в искусственных условиях (ex situ). Возможно также сохранение редких видов in vitro - в культуре тканей или генетических банках семян.

На популяционно-видовом уровне сохранение редких растений необходимо осуществлять, в первую очередь, в природных местообитаниях (ООПТ разного ранга: ботанические памятники природы, заказники, заповедники, национальные парки и т.д.), поскольку охрана флоры в составе сообществ и их естественных местообитаний является наиболее эффективным способом сохранения биоразнообразия растений. К.А. Соболевская (1984, 1986, 1990) пишет, что виды предпочтительнее сохранять в природных местообитаниях и только в случае полного нарушения их экотопов или других причин, не гарантирующих их сохранение, они должны быть навечно

помещены в границы искусственного резервата. Тем не менее, возможности сохранения редких видов в природе, к сожалению, на сегодня в значительной степени исчерпаны и потому на ведущие позиции выходят методы ex situ (вне местообитаний), что зафиксировано в «Глобальной стратегии по охране растений» (ГСОР), принятой в 2002 г. на VI конференции участников Конвенции о биологическом разнообразии (КБР). В ней, в частности, планируется, что к 2010 г. 60% редких видов должны быть представлены в коллекциях ex situ (интродуцированы в ботанических садах, питомниках, специализированных хозяйствах), при этом 10% из них должны быть включены в программы по реинтродукции (Стратегия..., 1994; Андреев, Горбунов, 1997, 2003, Абрамова и др., 2009).

Для составления стратегии сохранения редких видов растений необходимо привлекать данные по их биологии, особенностям роста и развития, репродуктивной способности, состоянии природных популяций, которые помогают оценить лимитирующие факторы и наметить пути охраны поддержания и восстановления природных популяций видов. В этом отношении могут помочь методы популяционной биологии и генетики, и интродукционные исследования, позволяющие более детально изучить биологические особенности редких растений.

1.1. Сохранение редких видов in situ

Б.М. Миркин и др. (1998, 2004) считают, что два основных подхода к охране флоры - это собственно охрана и рациональное использование видов. Охрана на уровне вида включает составление списков редких и исчезающих видов растений (Красной книги), законодательные акты о запрете на их использование, на уровне сообществ - организация особо охраняемых природных территорий (ООПТ) и мониторинг флоры в пределах ООПТ. При втором подходе виды и сообщества, в состав которых они входят, используются в режиме неистощительного природопользования, по

экологическим нормативам, т.е. специально определенным предельно допустимым антропогенным нагрузкам.

Этот вопрос активно разрабатывается башкирскими ботаниками (Кучеров, 1979, 1994; Кучеров и др., 1987, 1991; Миркин и др., 1997, 1998, 2006; Соломещ и др., 1998; Миркин, Наумова, 2004; Галеева, 2006; Мулдашев и др., 2004, 2009; Мулдашев, 2007; Муллагулова и др., 2007 и др.). В Республике Башкортостан (РБ) создана система особо охраняемых природных территорий (СООПТ) (Мулдашев и др., 2005; Волков и др., 2006), призванная связать разорванные и изолированные популяции редких видов растений, способствовать генетическому обмену между ними и противостоять процессам дальнейшего разрушения, фрагментации и деградации редких природных местообитаний.

На уровне видов проводится инвентаризация флоры, и выявляются виды для включения в Красную книгу. В Башкортостане изданы уже 4 Красные книги (Красная книга..., 1984, 1987, 2001, 2011). В республике по последним данным насчитывается 232 вида-краснокнижника. По Красной книге РБ принято специальное постановление Кабинета Министров Республики Башкортостан, т.е. она имеет юридическую силу (Миркин и др., 2004). В последнее издание Красной книги (2011), существенно измененное и дополненное, вошли 36 новых редких видов, столько же исключено из красного списка. Для всех видов были приведены карты распространения, особенности экологии и фитоценологии, лимитирующие факторы, принятые и необходимые меры охраны и впервые - для тех видов, по которым проводились специальные исследования - численность и состояние локальных популяций, а также возможность культивирования.

Редкие виды РБ по-разному защищены охраной. Наиболее эффективно охраняются виды высокогорий (около 80% - в заповедниках, остальные - в составе других ООПТ), а также виды хвойных лесов (в заповедниках охраняется около 60% видов). Менее обеспечены охраной виды

широколиственных и смешанных лесов, еще хуже - степные виды (почти 60% вообще не охраняется). Для охраны последних необходимо создание новых ООГТТ, включая национальные парки и памятники природы. Существующая структура СООПТ в РБ следующая: государственные природные заказники -43%, государственные природные заповедники - 35%, национальные парки -14%, памятники природы - 5%, природные парки - 3%. Тем не менее, около 100 видов редкой флоры не охвачено никакими формами охраны in situ (Миркин и др., 2004).

Б.М. Миркин и др. (2004) также отмечают, что, вариант охраны биоразнообразия методами in situ не всегда применим и не всегда эффективен. Несмотря на развитую сеть больших и малых ООГТТ в РБ, обеспеченность охраной экосистем республики продолжает оставаться неудовлетворительной. Охраняются не все типы экосистем: почти все заповедники, национальные и природные парки сосредоточены в горно-лесной зоне, тогда как равнинные лесные, лесостепные и степные районы остались неохваченными крупными ООПТ, обеспечивающими наиболее эффективную охрану экосистем.

П.Л. Горчаковский (1982) считал, что наряду с развитием сети ООПТ: заповедников, заказников и памятников природы необходимыми объектами охраны на уровне видов должны в первую очередь стать эндемики и реликты, а также растения, интенсивно истребляемые или исчезающие в связи с преобразованием мест их обитания. В большинстве случаев реликтовые и эндемичные виды имеют изолированные или дизъюнктивные ареалы. Охрана эндемичных и реликтовых растений тесно связана с охраной растительных сообществ, в состав которых они входят, а также соответствующих этим сообществам элементов географического ландшафта. В наиболее типичных местах обитания таких растений, кроме памятник