Биоморфологические особенности инвазионных видов рода Bidens L. в европейской части России

Галкина, Мария Андреевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биоморфологические особенности инвазионных видов рода Bidens L. в европейской части России
ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Биоморфологические особенности инвазионных видов рода Bidens L. в европейской части России"

Галкина Мария Андреевна

БИОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИНВАЗИОННЫХ ВИДОВ РОДА ВЮЕ№ Ь. В ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

Специальность 03.02.01 — ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

20 ¡¡АР гщ

Москва-2014

005546230

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук (ГБС РАН).

Научный руководитель:

доктор биологических наук Виноградова Юлия Константиновна

Официальные оппоненты: Баранова Ольга Германовна

доктор биологических наук, профессор. Удмуртский Государственный Университет Биолого-химический факультет кафедра ботаники и экологии

Борисова Елена Анатольевна

доктор биологических наук, профессор. Ивановский Государственный Университет Биолого-химкческий факультет кафедра общей биологии и физиологии

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет».

Защита диссертации состоится 22 апреля 2014 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.028.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук в конференц-зале лабораторного корпуса по адресу: 127276, г. Москва, ул. Ботаническая, д. 4. тел./факс 8(499)977-91-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина Российской академии наук и на сайте www.gbsad.ru.

Автореферат разослан «¿79* » сЗ 2014 г. и размещен на сайтах

www.gbsad.ru и www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

СШл^

Виноградова Юлия Константиновна

Актуальность темы

В настоящее время воздействие чужеродных видов растений на естественные экосистемы стало особенно выраженным. Во многих случаях инвазионные виды вытесняют представителей местной флоры за счет своей большей конкурентоспособности, что в итоге приводит к обеднению флоры конкретного региона (Crawley et al., 1996). В 2011 г. на совещании сторон конвенции о биологическом разнообразии в Нагое (Япония, префектура Айти) была поставлена задача по сохранению биоразнообразия (Aichi Biodiversity Target 9): «К 2020 году инвазионные чужеродные виды и пути их проникновения в естественные сообщества должны быть идентифицированы и подвергнуты ранжированию по степени приоритетности. Наиболее угрожающие (агрессивные) виды должны жестко контролироваться или уничтожаться, а меры по контролю путей распространения таких видов для предотвращения их интродукции и натурализации должны быть разработаны и приняты».

Факторы, способствующие преобразованию заносных видов в инвазионные, до сих пор не выявлены. Прогнозирование биоинвазий возможно только при комплексном исследовании изменчивости чужеродных видов, закономерностей их адаптации к новым условиям среды и микроэволюции TáKCOHOB в процессе формирования вторичного ареала.

Цель исследования

Цель работы — комплексный анализ инвазионных видов рода Bidens L. во вторичном ареале.

Задачи исследования

1. Выявить инвазионный потенциал видов Bidens, занесенных в Европу. Очертить границы вторичного ареала инвазионных видов Bidens в европейской части России и составить прогноз их дальнейшего расселения.

2. Сравнить морфометрические показатели инвазионных и аборигенных таксонов Bidens L.: высоту растений, интенсивность ветвления побега, степень опушения побегов и семян, размеры листьев, число и размеры корзинок и др.

3. Детально описать онтогенез В. frondosa.

4. Выявить способность В. frondosa к гибридизации и найти доказательства (или их отсутствие) гибридогенного происхождения некоторых таксонов Bidens, собранных в бассейне Верхней Волги.

5. Выявить степень внутривидовой изменчивости В. connata во вторичном ареале.

Научная новизна

Сделаны уточнения диагностических признаков инвазионных и аборигенных видов рода Bidens. Впервые установлено наличие дуплексных волосков на семянках Bidens frondosa и В. connata и описаны различия между евразиатскими и североамериканскими видами по характеру опушения семянок. Детально охарактеризован онтогенез В. frondosa. С помощью молекулярно-генетического метода выявлена слабая гибридогенная активность В. frondosa.

Рекомендации по использованию научных выводов

И Bidens frondosa, и В. connata нужно включать в состав экспозиций инвазионных видов в ботанических садах, чтобы донести до общественности степень опасности этих растений и контролировать их дальнейшее внедрение в естественные фитоценозы.

Практическая значимость

Выявленные диагностические признаки позволяют отличать инвазионные виды Bidens от аборигенных на разных стадиях онтогенеза и своевременно контролировать их дальнейшее расселение. Разработаны принципы создания новой для ботанических садов России экспозиции инвазионных видов, в ГБС РАН создана временная мини-экспозиция, включающая таксоны рода Bidens.

Публикации

По теме исследования опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на IV Международной научной конференции «Проблемы изучения адвентивной и синантропной флор России и стран ближнего зарубежья» в Ижевске (2012 г.), на 7-м совещании «Кариология, кариосистематика и молекулярная систематика растений» в Санкт-Петербурге (2013 г.) и Международной конференции «Систематические и флористические исследования Северной Евразии» к 85-летию со дня рождения проф. А.Г. Еленевского (2013 г.)

Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, списка литературы, содержащего 134 наименования, из них 61 на иностранных языках, и 5 приложений, изложена на 138 страницах, имеет 56 рисунков и 8 таблиц.

Благодарности

Сердечно благодарю своего научного руководителя Юлию Константиновну Виноградову за руководство, ценные советы и моральную поддержку. Выражаю благодарность И.А. Шанцеру и О.И. Кузнецовой за обучение методу молекулярно-генетического анализа, Н.М. Решетниковой за помощь в поиске труднодоступного местонахождения видов череды в Калужской области, A.C.

Рябченко за помощь в освоении методов сканирующей электронной микроскопии. Также благодарю JI.M. Махиню за совместную работу по Bidens connata и ЕЛ. Глазкову за помощь в установлении границ вторичного ареала Bidens frondosa. Хочется поблагодарить |В.Г. Папченкова|. Благодарю за моральную поддержку сотрудников ГБС РАН, свою семью и друзей.

Глава 1.

Объекты и методы

1. Анализ гербарных коллекций.

Исторический обзор проникновения чужеродных видов Bidens L. на территорию Западной Европы и России сделан по данным гербарных коллекций МНА, LE, MW, MOSP, Р и KW.

2. Измерение морфометрических показателей различных таксонов Bidens L.

Гербарий и семена натурализовавшихся, инвазионных и аборигенных видов Bidens собраны в 2010-2013 гг. в нескольких областях европейской части России - в Ярославской, Московской, Калужской и Калининградской. Для всех изучаемых таксонов Bidens из разных регионов измерены морфометрические показатели генеративных особей. Полученные данные обработаны в статистической программе PAST 2.0. Для В. frondosa учитывались морфометрические показатели во всех стадиях онтогенеза, для потомства предполагаемых гибридов - в следующих онтогенетических состояниях: семянки, всходы, ювенильные растения, генеративные растения. Критерии возрастных состояний при описании онтогенеза взяты в соответствии с классической методикой (Ценопопуляции растений, 1976). Общая выборка растений, у которых измерены различные морфометрические показатели, составила 900 особей.

3. Выращивание различных таксонов Bidens L. в однородных условиях на экспериментальном участке.

Для определения гибркдогенной активности В. frondosa на песчаной отмели Волги в Ярославской области при содействии д.б.н. В.Г. Папченкова собраны семена с семи растений рода Bidens, отнесенных им к гибриду Bidens х garumnae Jean et Debr. (В. frondosa x В. tripartita) и «восстановленным» после гибридизации таксонам (Папченков, 2003; 2006; Васильева, Папченков, 2007; 2011). Через 2 недели после сбора семена высеяли в однородные условия на экспериментальном участке. В течение следующего вегетационного сезона определяли темпы и продолжительность периода роста, фенологический ритм развития и морфометрические параметры растений в различных фазах онтогенеза. Общая выборка составила 750 особей.

4. Сравнение двух инвазионных видов Bidens по строению устьичного аппарата (с помощью цифрового микроскопа Keyence VHX-1000).

поперечной оси устьица, а также число околоустьичных клеток, окружающих замыкающие клетки. Общая выборка составила 60 устьиц для Bidens connata и 60 устьиц для В. frondosa (по 30 устьиц с каждой стороны листа).

5. Выявление характера опушения семянок и структуры волосков на их поверхности с помощью метода сканирующей электронной микроскопии (LEO 1430 VP, Carl Zeiss, Германия).

Поверхность семянок просматривали в режиме высокого вакуума при ускоряющем напряжении в 20 kV и рабочем расстоянии 9 мм. Образцы (семянки различных таксонов Bidens) наклеивали на медные пластины и напыляли золотом, методом катодного напыления в среде аргона. В связи с проведением воздушной сушки фиксацию материала не проводили, что обеспечило максимальное сохранение нативной структуры исследованных объектов. Степень опушения семянок определяли по числу волосков в поле зрения микроскопа, затем подсчитывали среднее число волосков на 1 мм2.

6. Выполнение геоботанических описаний в местообитаниях популяций видов Bidens.

Как правило, таксоны рода Bidens занимают нарушенные территории, не образуя крупных популяций. Однако по берегам Милятинского водохранилища в Калужской области относительно крупные популяции Bidens произрастают в мапонарушенных сообществах. В этих фитоценозах выполнены геоботанические описания на площадях 10x10 м2.

7. Выявление гибридогенной активности Bidens frondosa L. методом молекулярно-генетического анализа (проведение ПЦР с использованием ISSR-праймеров).

Выявление гибридогенной активности В. frondosa осуществлялось методом молекулярно-генетического анализа ДНК. Была выделена ДНК из предполагаемых гибридов, собранных в Мышкине в 2010 г., и их потомства первого поколения (37 образцов), а также образцов из разных популяций В. frondosa (7 образцов) и В. tripartita (4 образца).

Для выполнения молекулярно-генетического анализа проводили ПЦР с использованием ISSR праймеров. Выделение ДНК из листьев гербарных образцов проводили с использованием 2х-СТАВ-буфера (Rogers, Bendich, 1985). Амплификация шла в амплификаторе BIORAD DNA Engine Dyad Peltier Thermal Cycler, использовалась разная температура отжига для каждого праймера. Предварительная денатурация проходила 3 минуты при температуре 94°С. Элонгация длилась 30 с при 94°С, потом 30 с при 50°С в случае с праймером (АС)8 (C/T)G, при 55°С с (CAG)5, при 51°С с (AG)8YA, при 45°С с (GA)8 YG и при 60°С с DBD(AC)7. Затем шел процесс элонгации при 72°С 1 мин. Описанный процесс повторялся 35 раз, каждый последующий раз элонгация при 72°С шла дольше на 2с. Завершающей стадией была элонгация 3 мин при 72°С. Продукты амплификации разделяли путем электрофореза в 1,7% агарозном геле с добавлением EtBr в 1 *ТВЕ-буфере в течение часа (для праймера (CAG)5 - в течение полутора часов), затем фрагменты ДНК были сфотографированы в ультрафиолетовом свете. Для определения их длин использовался маркер молекулярной массы 100Ьр+. Обработку результатов полученных данных

производили в программе Cross Checker. Полученные данные были представлены в виде матрицы бинарных признаков, в которых наличие или отсутствие определенного фрагмента рассматривалось соответственно как 1 или 0. Матрицы по всем праймерам обработаны с помощью программ New Hybrids, Excel и PAST 2.0.

8. Создание временной мини-экспозиции инвазионных видов в ГБС

РАН.

Для создания временной экспозиции инвазионных видов в ГБС РАН ювенильные растения Bidens frondosa совместно с 10 другими инвазионными видами собраны на территории ГБС РАН и высажены в переносные контейнеры. Генеративные побеги растений удалили до начала образования семян, чтобы не допустить дальнейшего расселения В. frondosa в ГБС и его окрестностях.

Глава 2.

История распространения инвазионных видов рода Bidens L. на территории Европы

Америку можно справедливо назвать центром видового разнообразия Bidens. Так, Е.Е. Sherff в монографии «The genus Bidensv> (1937) указывает 70 видов, произрастающих только в бореальной зоне Северной Америки (стоит отметить, что среди них есть и два натурализовавшихся евразиатских вида -Bidens cernua и В. tripartita). Всего на территории Северной и Южной Америки произрастает более 170 видов рода Bidens (Sherff, 1937).

Чужеродные виды Bidens неоднократно попадали в Западную Европу, а затем и в Россию. Сохранились гербарные сборы, подтверждающие наличие 13 видов череды в ботанических садах, начиная с XVIII в. Многие из них — декоративные растения с крупными соцветиями, привлекательные для интродукции, большая часть (10 из 13) имеют американское происхождение. Воспользовавшись теорией Д.М. Ричардсона и его соавторов о нескольких барьерах, мы начертили схему расселения видов череды во вторичном ареале (рис. 1).

Шесть видов уже много лет не отмечались на территории Европы (Flora Europaea, 1976): Bidens acuticaulis Sherff var. acuticaulis, B. bipontina Sherff B. biternata (Lour.) Merr. et Sherff, B. chrysantha{L.) DC., B. ferulaefolia DC. и В. parviflora Willd. Семь видов (Bidens aurea (Aiton) Sherff, B. bipinnata L., B. connata Muehl. ex Willd., B. frondosa L., B. pilosa L., B. subalternas DC. и В. vulgata Greene) «сбежали из культуры» и натурализовались, два из них (В. connata и В. frondosa) стали инвазионными. Синонимика в соответствии с современной систематикой приведена по базам данных Tropicos (www.tropicos.org) и The Plant List (www.theplantlist.org).

географический 5арьер

акологический

барьер

(Sherff, 193

род 172 \

Bidens L. /

172 вида /

ЦЙНОТИЧ££&ШИ

барьер

1 культивировались Янатурализовелись I в Европе I

встречаются в естественных фитоценозах в европейской части России

Рис. 1. Проникновение инвазионных видов Bidens в Европу.

Глава 3.

Изменчивость биоморфологических признаков и микроэволюция Bidens frondosa L.

3.1. Онтогенез Bidens frondosa L.

Оригинальный рисунок иллюстрирует стадии онтогенеза череды облиственной (рис. 2).

Всходы появляются через 2 недели после посева семян, тогда как у аборигенной Bidens tripartita - через 2-4 недели. Семядоли серо-зеленые, без выемки на верхушке, линейные.

Первая пара настоящих листьев появляется через две недели после прорастания семян. Лист состоит из трех цельных продолговато-яйцевидных долей практически равного размера: верхняя доля лишь немного крупнее остальных. Доли настолько выражены, что их главные жилки у основания практически не окружены листовой пластинкой и представляют собой подобие черешка, а лист выглядит не трехраздельным, а тройчатосложным. Верхушка листа заостренная (угол 48±4°). Ювенильные растения имеют от 1 до 2 пар листьев длиной от 1,3 до 6,1 (4,0±0,6) см и шириной средней доли от 0,3 до 1,2 (0,8±0,1) см. Стебель голый, прямостоячий, нижняя сторона листовой пластинки опушена по жилкам. Высота ювенильных особей варьирует от 4 до 6 см.

Рис. 2. Онтогенез Bidensfrondosa L. sm - семянка, j - ювенильное растение, im - имматурное, v - виргинильное, g - генеративное.

Имматурные растения имеют среднюю высоту 23,5±],4 см и 5-6 пар листьев, появляются боковые побеги.

Виргинильные растения активно ветвятся, ветвление симподиальное. Высота особей достигает 40-50 см, листья срединной формации имеют длину

7,7-10,5 (9,3±0,4) см, ширина верхней доли составляет от 2 до 2,5 (2,3±0,1) см. Угол, образованный главными жилками нижних боковых долей листа, в среднем составляет 120±4°; угол, образованный краями верхней доли листа -44±3°.

Генеративные растения достигают высоты 1,2 м (в среднем 88,2±4,0 см) и могут образовывать до 25 боковых побегов. Число корзинок составляет в среднем 60 штук на особь. Корзинки узкояйцевидные. Длина верхушечной корзинки составляет 12-13 (12,5±0,5) мм, ширина - от 9 до 13 (11,0±1,0) мм. Листочки первого внутреннего круга обертки корзинки имели среднюю длину 7,0-8,4 мм, листочки второго внутреннего круга обертки - 8-10 мм. Листочки внешнего круга обертки превышают корзинку в 2,8 раз. Длина листочков наружной обертки 32,8±1,1 мм, ширина — 6,7±0,7 мм.

3.2. Полиморфизм Bidens frondosa L. в естественном и вторичном ареале

В Северной Америке благодаря широкому ареалу и экологической пластичности Bidens frondosa представляет собой полиморфный вид, внутри которого описаны более пяти разновидностей (Sherff, 1937; Flora of North America, 2006): В. frondosa war. frondosa, В. frondosa f. anómala (Porter ex Fernald) Fernald, В. frondosa var. caudata Sherff, B. frondosa var. pallida Wiegand, B. frondosa var. stenodonta Fernald et H.St.John, B. frondosa var. puberuula Wiegland = B. vulgata Greene), однако внутри формы особи могут сильно различаться по некоторым морфологическим параметрам, и возможно выделить даже больше вариаций и форм (Виноградова, 2010).

Биотип, ставший впоследствии в Европе инвазионным, впервые отмечен в 1896 г. в Потсдаме - Bidens frondosa var. frondosa с трехраздельными листьями, короткими листочками обертки и коричневыми семянками, покрытыми бородавочками. Именно с этого времени в Европе началось формирование вторичного ареала В. frondosa, и так как именно эта разновидность дала начало большинству инвазионных популяций, то во вторичном ареале В. frondosa долгое время не отличалась высокой степенью полиморфизма, что объясняется «эффектом основателя».

Однако в последние десятилетия в европейской части России зафиксированы новые морфотипы В. frondosa (рис. 3). Так, в 1985 г. найдены экземпляры В. frondosa с очень длинной оберткой корзинки (В.Н. Тихомиров, Н.Б. Октябрева, MW). Во Франции несколькими годами ранее собраны растения, имеющие, напротив, очень короткую обертку — до половины длины корзинки (G. Aymonin, 1973, Р). Начиная с 1988 года, во многих областях средней полосы России зафиксировано несколько находок растений В. frondosa с пятираздельными листьями, последняя находка сделана в 2005 г. в Липецкой области (А.П. Серегин и др., MW). В Саратовской области в 1989 г. собраны растения с очень крупными и нерегулярными зубцами по краю листа (MOSP). В 1996 г. в Новороссийске найдены экземпляры В. frondosa, отличающиеся не только листьями с крупными зубцами, но и очень длинной оберткой корзинки (A.C. Зернов, MOSP).

Рис. 3. Формы Bidens frondosa L. во вторичном ареале:

А - типичная форма (В. frondosa мш. frondosa)',

В - форма с крупными краевыми язычковыми цветками;

С - с короткими листочками обертки, не достигающими половины длины корзинки;

D - с длинными листочками наружного круга обертки;

Е - с опушенными стеблями и листьями;

F - с 5-ти раздельными листьями;

G - В. frondosa f. anómala;

Н - с крупными нерегулярными зубцами по краю листа;

I - с крупными нерегулярными зубцами края листа и узкими, очень длинными листочками

обертки.

В 2004 г. в Москве найдена (А.К. Скворцов, МНА) Bfrondosa f. anómala (отличается тем, что зубцы на остях семянок направлены вверх). В 2007 г. в Калужской области обнаружена В. frondosa с опушенными листьями и побегами (Н.М. Решетникова, МНА). В 2010 г. в Московской области найдены особи В. frondosa, отличающиеся наличием довольно крупных краевых цветков (Майоров, Виноградова, 2012). Можно сказать, что преодоление лишь

некоторыми формами B.frondosa географического барьера (Атлантический океан) и натурализация лишь одной из них - В. frondosa var. frondosa, а также последующее появление во вторичном ареале 8 новых морфотипов, по сути означают для чужеродного вида прохождение через «бутылочное горло», в ходе которого в популяции остаются лишь некоторые аллели (Майр, 1968), что является одним из важнейших факторов эволюции.

Учитывая интенсивность процесса формообразования в последние годы, с высокой долей вероятности можно сказать, что через несколько десятилетий микроэволюционные процессы существенно повысят полиморфизм Bidens frondosa во вторичном ареале.

3.3. Гибридогенная активность Bidens frondosa L.

Образцы Bidens из интродукционной популяции (потомство собранных в г. Мышкине особей) отличались между собой по морфометрическим показателям на всех стадиях онтогенеза. Для обработки данных методом кластерного анализа в статистической программе PAST 2.10 качественные признаки переведены в количественные, а все морфометрические показатели — в баллы (табл. 1). Последнее сделано для того, чтобы величины разных порядков учитывались в равной степени.

Растения из выборки 1 четко отличаются от остальных образцов. Семянки имеют наиболее интенсивное опушение - 62 волоска на 1 мм2. Для этого таксона впервые выявлены дуплексные двухклеггочные волоски, состоящие из длинной и короткой клетки; у остальных таксонов волоски многоклеточные однорядные (рис. 4). Помимо морфологических признаков, растения отличаются наиболее быстрым темпом и продолжительным периодом роста и наиболее длинным жизненным циклом (рис. 5). Сравнительно-морфологическими методами доказательств гибридогенного происхождения таксона не выявлено.

Рис. 4. Строение волосков у образцов рода Вк/епя. А, В, С — многоклеточные; О, Е -дуплексные. Размер масштабной линейки на всех фотографиях - 20 мкм.

Растения из выборки 2, напротив, опережают другие группы по ритму фенологического развития. Этот таксон, действительно, может являться гибридом В. radiaía х В. frondosa, по крайней мере, семянки этих растений имеют явно выраженные бородавочки, как и семянки В. frondosa. Выборка 6 отделилась от выборок 3-5 по отсутствию опушения побегов. Образцы выборок 3 и 4 наиболее близки друг к другу и отличаются лишь по количественным показателям. Выборки 3, 4, 5 и 6 нельзя однозначно определить как В. х

garumnae, поскольку образцы каждой из четырех выборок отличаются от остальных по морфологическим признакам, которые, к тому же, явно наследуются.

Таблица 1. Варьирование морфологических признаков разных таксонов Bidens

Номер выборки* № 1 №2 №3 №4 №5 №6

Опушение семянок: 0-нет, 1-слабое, 2-выраженное 2 0 1 0 0 0

Бородавочки на семянках: 0-нет, 1- есть 1 1 0 0 1 0

3-я ость: 0-нет, 1-есть меньше чем у 50%, 2-есть больше чем у 50%, 0 0 2 1 0 1

Семядоли: 0-линейные, 1-узко ланцетные, 2-ланцетные 0 1 2 2 2 2

Семядоли: 0-серо-зеленые, 1-ярко-зеленые 0 1 1 1 1 1

Семядоли: 0-с верхушкой без выемки, 1 -верхушка с выемкой 0 1 0 0 0 0

Листья: 0-раздельные, 1- рассеченные 0 1 1 1 1 1

Стебель: 0-голый, 1- опушенный 0 1 1 1 0

Нижняя сторона листа: 0-голая, 1-опушена по жилкам или есть шипики, 2- опушенная 1 1 2 2 2 0

Вершина листа ювенильных растений: 0-заостренная, 1-острая, 2- закругленная 0 1 1 2 1 1

Угол, образованный главными жилками нижних боковых долей листа ювенильных растений: 0- меньше 90', 1 -больше 90' 0 0 0 1 0 0

Средняя высота растений в фазе цветения: 00,2 м, 1-0,3-0,5 м, 2-0,9м 2 0 1 1 0 1

Среднее число корзинок/одно растение: 0-6, 1-13-30, 2- 60 2 0 1 1 1 1

Корзинки: 0-яйцевидные, 1- узкояйцевидные 1 0 0 0 1 0

Листочки внешнего круга обертки превышают корзинку: 0- в 2,1 раза, 1- в 2,6 раза, 2 - в 2,8 раза 2 0 0 1 1 1

Жизненный цикл: 0-короткий (70 дней), 1-средний (84 дня), 2-длинный (112 дней) 2 0 1 1 1 1

♦Таксономическая принадлежность разных выборок: 1 - не «восстановленная» В. frondosa (В.Г. Папченков), а В. frondosa

2-й radíala х В. frondosa (наши данные не противоречат мнению В.Г. Папченкова)

3-6 - не В. х garumnae (В.Г. Папченков), а комплекс микровидов не гибридогенного происхождения

Для подтверждения нашей предварительной оценки таксономического статуса растений шести выборок проведен молекулярно-генетический анализ. Выделена ДНК из 48 образцов, из которых 37 являются предполагаемыми гибридами из г. Мышкин и их потомством первого поколения, 4 - Bidens tripartita из местонахождений в г. Москве и Белгородской области, 7 - В. frondosa из различных местонахождений в Московской и Владимирской областях.

Рис. 5. Кластерный анализ морфологических признаков различных образцов Bidens

Анализ полученных данных в программе New Hybrids (рис. 6) показал, что большинство образцов с вероятностью более 99% относятся либо к виду Bidens tripartita, либо к виду В. frondosa. Только 6 образцов с очень низкой долей вероятности могут иметь гибридогенное происхождение, но не исключено, что отнесение этих образцов к гибридам может являться погрешностью обработки данных в программе Cross Checker. Таким образом, гибридогенная активность В. frondosa в данном регионе близка к нулю, и предположение о произрастании В. х garumnae в бассейне Верхней Волги нами не подтверждено.

100%

30% 70% 60% 50%

ае%

3054 20* 10%

¡Rim

пз

tripait

i I

f.:

S5 &¡ ÜB lü 1У 45 V

- 55 1Í5 ив :X 1CB IM

<9 a x is i

Рис. 6. Вероятность отнесения к какому-либо таксону различных образцов Bidens L. Глава 4.

Изменчивость биоморфологических признаков и микроэволюция Bidens connata Muehl. ex Willd.

4.1. Bidens connata в Калужской области - условия произрастания, морфологические особенности, взаимодействие с аборигенными видами

1. Условия произрастания

Берега Милятинского водохранилища (Барятинский р-н Калужской обл.) интересны тем, что там отсутствует широко распространенная в Средней России В. frondosa, тогда как достаточно редкая В. connata произрастает совместно с

аборигенными видами рода Bielens. Ценопопуляции В. connata и В. сегпиа расположены на дамбе по линии уреза воды в локалитете площадью 7 м2. Особь В. connata может быть окружена особями В. сегпиа и наоборот. Средняя плотность ценопопуляции В. connata составляет 30 шт./м2, а В. сегпиа - 40 шт./м2. Непосредственно в самом водоеме и по линии уреза воды, поблизости от изученной популяции, растут Nuphar lutea (L.) Sm., Lemna minor L., Alisma plantago-aquatica L., Glyceria maxima (Hartm.) Holmb. и Typha latifolia L., а на берегу заросли череды ограничены разнотравно-горичниково-осоковым лугом. На лугу доминирует Carex nigra (L.) Reichard (15%), относительно велико проективное покрытие Thyselinum palustre (L.) Rafin (5%), единично встречаются Lysimachia vulgaris L., Vicia cracca L., Centaurea jacea L., Ranunculus acris L., Mentha arvensis L., Cirsium arvense (L.) Scop.

Местонахождение ближайшей крупной ценопопуляции В. tripartita расположено на значительном расстоянии (1 км) от популяции В. connata, на бодяково-тимофеевково-чередовом лугу в 200 м от водоема. Ценопопуляция занимает площадь 20 м2, ее Средняя плотность составляет 50 шт./м 2. Помимо доминирующих Bidens tripartita, Phleum pratense L. и Cirsium arvense, на лугу произрастают также Plantago major L., Lysimachia vulgaris, Equisetum arvense L., Ranunculus repens L., Carex vesicaria L., Achillea millefolium L., Potentilla anserine L., Centaurea jacea и Vicia cracca. Местообитание В. tripartita является более нарушенным, чем у В. connata и В. сегпиа, ценопопуляция разделена на две части грунтовой проезжей дорогой, присутствуют рудеральные виды: Cirsium arvense, Plantago major, Potentilla anserina. Еще одним важным различием местообитаний этих видов череды является характер увлажнения - В. connata и В. сегпиа растут в условиях избыточного увлажнения, и нижняя часть побегов большинства особей покрыта водой, а В. tripartita растет в условиях нормального увлажнения.

2. Морфометрические признаки

Помимо очевидных различий по форме листа (рис. 7), виды рода Bidens различаются и по другим морфологическим показателям.

Рис. 7. Листья срединной формации разных видов Bidens L.

В. connata существенно превосходит В. сегпиа по числу боковых побегов и корзинок, но оба вида уступают по этому показателю В. tripartita (табл. 2). Сильны различия по форме корзинок - у В. сегпиа корзинки уплощенные, и характеризуются максимальным диаметром, более чем в 2 раза превышающим длину, у В. connata длина и диаметр корзинки практически равны, корзинки имеют яйцевидную форму. Для В. tripartita характерны изодиаметрические корзинки (табл. 2).

Таблица 2. Морфометрические параметры генеративных особей трех видов рода Bidens, встречающихся по берегам Милятинского водохранилища

Вид B.connata В. сегпиа В. tripartita

Высота растения, см 64.3±2.0 54,5-76 68.0±2.2 48-77 46.4±3.3 29-86

Число междоузлий главного побега 7.3±0.4 5-9 7.6±0.4 5-10 7.9±0,3 5-10

Число боковых побегов 1-го порядка 10.5±1.1 4-15 5.2±0.7 2-10 8.5±0,8 3-15

Число боковых побегов П-го порядка 6.1±1.3 1-11 2.3±0.4 0-5 7,9±3,1 0-59

Число боковых побегов Ш-го порядка 0.7±0.4 0-3 0.1±0.1 0-1 1.3±1,2 0-23

Длина листа срединной формации, см 9,1±0,4 7,3-11,3 9.4±0.4 7,5-11,7 6.4±0,4 3,6-9,7

Ширина листа срединной формации, см 1.5±0.1 1-2 1,4±0.1 1-1,8 1.3±0.1 0,7- 2,3

Число корзинок на одном растении 9.5±1.4 4-18 6.5±0.7 3-11 16.1 ±4,9 4-95

Длина верхушечной корзинки (I), мм 7.5±0.3 6-9 6.5±0.4 5-9 8.0±0,3 6-10

Диаметр верхушечной корзинки (с1), мм 9.4±0.8 7-15 15,2±0.7 10-21 7.8±0.4 5-14

1 /а 0,8 0,4 1,0

Длина листочков внутренней обертки, мм 7.3±0.3 6-9 9.0±0.5 6-12 6.7±0.3 4-9

Длина листочков внутреннего круга наружной обертки, мм 27.7±2.0 13-35 19,2±1.6 12-28 15.2±0,7 9-20

Длина листочков внешнего круга наружной обертки, мм 42.9±2.3 32-55 28.0±2.7 14-50 23.0±1,4 13-36

Ширина листочков внешнего круга наружной обертки, мм 6.4±0.5 4-9 4.7±0.5 2-8 4,0±0.3 2-6

Важным диагностическим признаком является опушение семянок, поскольку по форме семянки B.connata и В. сегпиа похожи: они четырехгранные, с четырьмя остями (семянки В. tripartita имеют 2-3 ости). У B.connata впервые обнаружены волоски двух типов: простые многоклеточные и дуплексные (Галкина, Рябченко, 2013). Поверхность семянок В. tripartita и В. сегпиа покрыта простыми однорядными многоклеточными волосками. Из этих

трех видов В.connata самая опушенная - в среднем 14 волосков на 1 мм2. У В.connata и В. tripartita простые волоски по длине не различаются, а волоски В. сегпиа в среднем в два раза короче (табл. 3).

В. tripartita опережает по срокам фенологических фаз два других вида Так, 24 июля большинство растений В. tripartita имели зрелые семянки в верхушечных корзинках, а треть - и в корзинках боковых побегов 1-го порядка. Только у нескольких особей В. connata и В. сегпиа на неделю позже были отмечены зрелые семена в верхушечных корзинках.

Таблица 3. Характер опушения семянок трех видов Шйет, растущих по берегам Милятинского водохранилища

Тип волосков Вид Число волосков на 1 мм2 Длина волоска, мкм

Многоклеточные В. сегпиа 6 74,6±10,7 (51-102)

однорядные В. tripartita 5 148,5±8,5 (87- 199)

волоски В. connata 2 142,6±14,9 (86-207)

Дуплексные Длинная клетка Короткая клетка

(двуклеточные) В. connata 12 180.6±15.4 59.1±6.1

волоски 116-252 29-92

4.2. Bidens connata в Калининградской области - условия произрастания, морфологические особенности, взаимодействие с аборигенными видами

В Калининградской области исследованы 2 местонахождения Bidens connata - в национальном парке «Куршская коса» и в г.Зеленоградске. В обеих точках совместно произрастали два вида череды - В. connata и В. frondosa.

В НП «Куршская коса» В. connata найдена в окрестностях поселка Рыбачье в придорожной канаве протяженностью 2,5 км. Несколько экземпляров В. connata окружены зарослями В. frondosa и рудеральными видами. Других видов череды в этой точке не отмечено. В Зеленоградске В. connata растет в городском парке, по берегу пруда, под мостом, где не проводят работ по благоустройству территории и не скашивают растения. Особи В. connata и В. frondosa произрастают в общем локалитете, ценопопуляция В. connata состояла из 20 особей и значительно уступала по численности В. frondosa. Высота растений В. connata в генеративной фазе развития составляла от 42 до 56 (48,4±1,4) см, что почти в 2 раза выше, чем у В. frondosa.

Таблица 4. Некоторые параметры эпидермиса листа Bidens connata и В. frondosa

Вид Bidens connata Bidens frondosa

Сторона листа Верхняя Нижняя Верхняя Нижняя

Число устьиц на 1 мм2 поверхности листа 31,2 110,9 8,4 160,5

Число околоустьичных клеток, окружающих замыкающие клетки 3.4±0.1 3-4 3.9±0.2 3-5 3.3±0.2 3-4 3.9±0.1 3-4

Длина продольной оси устьица, мкм 32.8±0.7 27-38 34.3±0.5 28-40 22.6±1.1 17-27 30.1±0,7 23-36

Длина поперечной оси устьица, мкм 19.4±0.6 14-27 25±0.4 17-29 13.4±0.5 12-17 19.1±0.6 15-24

Оба вида имеют аномоцитный устьичный аппарат, как и аборигенные виды Bidens (Исайкина, Андреева, 2011), но устьица В. connata крупнее устьиц В. frondosa (табл. 4). В. connata превосходит В. frondosa по числу устьиц на верхней стороны листа, а на нижней стороне листа, наоборот, В. frondosa имеет больше устьиц.

4.3. Сравнительная характеристика морфологических особенностей Bidens connata MuehI. ex Willd. в разных частях ареала

Bidens connata характеризуется существенными морфологическими различиями между растениями в естественном и вторичном ареале. В Северной Америке распространена типичная разновидность В. connata var. connata, тогда как экземпляры, найденные в Европе, первоначально были отнесены к самостоятельному виду - B.decipiens Warnst. Первые настоящие листья европейских особей более узкие, листовая пластинка, сужаясь к основанию, образует подобие черешка, край листа отличается меньшим числом зубцов, зубцы крупные и нерегулярные. В корзинках отсутствуют краевые цветки, листочки наружного круга обертки достигают 3-6 см, значительно превышая по этому показателю американские растения.

Внутри вторичного ареала также отмечена вариабельность Bidens connata по ряду морфометрических параметров (рис. 8). Так, растения из Калининградской области формируют достоверно более высокое число боковых побегов и корзинок, но ниже, чем растения из Калужской области.

Высота Число Число Длина Ширина Число i/d Длина

растения, боковых боковых листа, см листа, см корзинок корзинки листочков см побегов I побегов II внешнего

порядка порядка круга

наружной обертки, мм

Рис. 9. Морфометрические показатели генеративных особей Bidens connata из разных точек вторичного ареала.

Глава 5.

Принципы создания мини-экспозиции инвазионных видов растений.

Учитывая, что 54% от общего числа чужеродных видов череды, интродуцированные в ботанические сады, натурализовались, необходимо принять меры по предотвращению дальнейших инвазий и проникновению новых чужеродных видов в естественные фитоценозы. Создание в ботанических садах экспозиций инвазионных видов позволит знакомить посетителей с этими растениями с целью возможной борьбы с ними.

Ювенильные особи Bidens frondosa, собранные непосредственно в ГБС РАН в 2013 г., высажены в переносной контейнер совместно с некоторыми другими инвазионными видами (Geum macrophyllum Willd., Solidago canadensis L., Veronica filiformis Sm.). Сеять семена нельзя (особенно привезенные из других регионов), потому что каждая последующая генерация приспосабливается в условиях новой родины все лучше и лучше (Виноградова, Галкина, 2013). Благодаря экологической пластичности, Bidens frondosa не требует специального ухода, кроме минимального полива в засушливый период. В той или иной степени это относится и ко многим другим инвазионным видам, поэтому данная экспозиция не нуждается в специальных агротехнических мероприятиях. Однако большое внимание следует уделить созданию красочных и информативных этикеток, чтобы донести до посетителей сведения об опасности вида. Стоит отметить, что отцветшие соцветия необходимо удалять, не допуская плодоношения, а все инвазионные растения в конце вегетационного сезона следует уничтожить.

Выводы

1. Из 13 чужеродных видов Bidens, интродуцированных с середины XVIII века в ботанические сады Европы, 7 видов (В. aurea, В. bipinnata, В. connata, В. frondosa, В. pilosa, В. subalternas и В. vulgata) адаптировались к новым условиям и натурализовались. Два из них - В. frondosa и В. connata - в европейской части России стали инвазионными.

2. Онтогенетическое развитие Bidens frondosa демонстрирует ее большую конкурентоспособность, по сравнению с аборигенной В. tripartita. В. frondosa отличается более быстрым прорастанием семян, имеет большую продолжительность прегенеративных стадий онтогенеза, растения входят в фазу цветения более крупными, имеют большее число боковых побегов и корзинок и продуцируют большее число семян.

3. Во вторичном ареале В. frondosa претерпевает микроэволюционные изменения. Ранее было установлено наличие ряда биотипов этого вида, приспособленных к различной длине дня, а в последние десятилетия в Европе обнаружено 8 новых морфотипов. В связи с этим мы прогнозируем дальнейшее расширение вторичного ареала В. frondosa и повышение ее инвазионного статуса.

4. Утверждение некоторых исследователей о произрастании на песчаной отмели р. Волга в г. Мышкин гибридогенного вида В. x-garumnae полученными нами молекулярно-генетическими данными не подтверждается. Несомненно, в этом локалитете имеется комплекс микровидов Bidens L. и интенсивно идет процесс формообразования, однако мы склонны отнести его к результатам изменчивости, а не гибридогенных процессов.

5. К диагностическим признакам недавно обнаруженной в европейской части России В.connata относятся: цельные листья с небольшой площадью поверхности листовой пластины у основания стебля, кажущиеся черешковыми; корзинки яйцевидной формы; наличие на семянках двух типов волосков - однорядных многоклеточных и впервые обнаруженных дуплексных, состоящих из двух клеток.

6. В.connata не вступает в конкурентные отношения с аборигенной В. tripartita, поскольку эти виды занимают разные экологические ниши. Выявлена одинаковая конкурентоспособность чужеродной В.connata и аборигенной В. сегпиа, поэтому с высокой степенью вероятности их ценопопуляции продолжат существовать совместно. Таким образом, в настоящее время в России В. connata не представляет угрозы биологическому разнообразию, но необходим дальнейший мониторинг его расселения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Галкина, М.А. О видах рода Bidens на берегах Милятинского водохранилища в Калужской области / М.А. Галкина, A.C. Рябченко //Вестник Тв. Гос. Ун-та. Сер. биол. и экол. - 2013. - Вып. 32, № 31. - С. 75-83.

2. Vinogradova, Yu.K. Variability of the Taxa of the Bidens L. Genera and the Problem of Hybridization / Yu.K. Vinogradova, M.A. Galkina, S.R. Mayorov // Russian Journal of Biological Invasions. - 2014. - Vol. 5. No 1. - P. 1-11.

3. Галкина, М.А. Онтогенез череды облиственной (Bidens frondosa L.) / М.А. Галкина, отв. и науч. ред. проф. JI.A. Жукова // Онтогенетический атлас растений. T. VII.- Йошкар-Ола: Map. гос. ун-т, 2013.-С. 147-150.

Работы, опубликованные в отечественных журналах и материалах международных и региональных конференций:

4. Галкина, М.А. Биоморфология некоторых таксонов рода Bidens L. / М.А. Галкина, Ю.К. Виноградова // Проблемы изучения адвентивной и синантропной флор России и стран ближнего зарубежья. Материалы IV Междунар. науч. конф. (Ижевск, 4-7 дек. 2012 г.) - Ижевск, 2012. - С. 59-62.

5. Рябченко, A.C. Применение методов сканирующей электронной микроскопии в исследовании морфологии плодов и семян / A.C. Рябченко, Ю.К. Виноградова, Г.Л. Коломейцева, М.А. Галкина // Бюллетень Гл. Ботан. сада. - 2013. - Вып. 199, №1. - С. 73-80.

6. Виноградова, Ю.К. Формирование экспозиции инвазионных видов растений / Ю.К. Виноградова, М.А. Галкина // Там же, №3. - С. 17-21.

7. Галкина, М.А. Молекулярно-генетический анализ инвазионных и аборигенных представителей рода Bidens L. на территории средней полосы России / М.А. Галкина, И.А. Шанцер // Хромосомы и эволюция. Материалы VII конференции по кариологии, кариосистематике и молекулярной филогении и II Школы-Симпозиума молодых ученых памяти Г.А. Левитского «Хромосомы и эволюция». - Санкт-Петербург, 2013. - С. 25-28.

8. Галкина, М.А. Онтогенез Bidens frondosa L., инвазионного вида средней полосы России / М.А. Галкина // Труды Международ, науч. конф. «Систематические и флористические исследования в Северной Евразии» (к 85-летию со дня рождения проф. А.Г. Еленевского). - М., 2013. - С. 67-69.

9. Виноградова, Ю.К. Изменчивость таксонов рода Bidens L. и проблема гибридизации / Ю.К. Виноградова, М.А. Галкина, С.Р. Майоров // Российский журнал биологических инвазий. - 2013. - №4. - С. 2-16.

Подписано в печать: 24.02.2014 Объем: 1 усл. п. л. Тираж: 100 экз. Заказ № 948 Отпечатано в типографии «Реглет» 101000, г. Москва, Пл. Мясницкие Ворота, д. 1, стр. 3 (495)971-22-77; www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Галкина, Мария Андреевна, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ГЛАВНЫЙ БОТАНИЧЕСКИЙ САД им. Н.В. ЦИЦИНА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

04201456821 да Правах рукописи

ГАЛКИНА МАРИЯ АНДРЕЕВНА

БИОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИНВАЗИОННЫХ ВИДОВ РОДА В11)Ь№ Ь. В ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

03.02.01 - БОТАНИКА

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель д.б.н. Виноградова Ю.К.

Москва — 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..................................................................................4

Глава 1. Объекты и методы ..........................................................10

Глава 2. История распространения инвазионных видов рода Bidens L.

на территории Европы .......................................................................20

Глава 3. Изменчивость биоморфологических признаков и микроэволюция Bidens frondosa L...................................................40

3.1. Онтогенез Bidens frondosa L..............................................40

3.2. Полиморфизм Bidens frondosa L. в естественном

и вторичном ареале...............................................................43

3.3. Гибрвдогенная активность Bidens frondosa L.........................51

Глава 4. Изменчивость биоморфологических признаков и микроэволюция Bidens connata Muehl. ex Willd...................................74

4.1. Bidens connata в Калужской области—условия произрастания,

морфологические особенности, взаимодействие с аборигенными

видами ..............................................................................74

4.2. Bidens connata в Калининградской области — условия произрастания, некоторые морфологические особенности, взаимодействие с аборигенными видами............................................83

4.3. Сравнительная характеристика морфологических особенностей

Bidens connata Muehl. ex Willd. в разных частях ареала .........................87

Глава 5. Принципы создания мини-экспозиции инвазионных видов

растений ...................................................................................93

Выводы ...................................................................................97

Список литературы ...................................................................99

Приложение 1. Виды Bidens, когда-либо культивировавшиеся

на терршории Европы, фотографии гербарных листов................................115

Приложение 2. Геоботанические описания.......................................132

Приложение 3. Список образцов различных таксонов

Bidens L. внутриродового ранга, из которых была выделена ДНК

для молекулярно-генетического анализа...........................................133

Приложение 4. Местообитания видов Bidens L. в Калужской области,

фотографии................................................................................135

Приложение 5. Мини-экспозиции инвазионных видов, фотографии........137

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время влияние чужеродных видов растений на естественные экосистемы стало особенно выраженным. Этому способствуют изменение климата и антропогенное воздействие. Глобальное потепление, повышение концентрации углекислого газа в атмосфере, понижение содержания азота существенно изменяют природные условия и увеличивают фрагментарность местообитаний, что может облегчить дальнейшие инвазии (Vila et al., 2006). Во многих случаях инвазионные виды вытесняют представителей местной флоры за счет своей большей конкурентоспособности, что в итоге приводит к обеднению флоры конкретного региона (Crawley et al., 1996). Число инвазионных видов стремительно увеличивается, и по прогнозам ботаников из разных стран, в ближайшем будущем возрастет влияние биологических инвазий на флористическое разнообразие (Pysek et al., 2004; Hulme, 2007; Sala et al., 2010). Для решения этой проблемы в глобальном масштабе необходимо проведение надежных региональных исследований (Miller et al., 2006). Некоторое биологические инвазии, которые в настоящее время угрожают Европе, могли бы быть пресечены, если бы в отдельных странах имелся высокий уровень понимания опасности инвазионных видов, а бездействие в этом вопросе может очень негативно сказаться на сохранении биоразнообразия и на экономике региона (Hulme, 2007).

Ведущими исследователями биологических инвазий из 15 стран Европы с 2005 по 2008 гг. осуществлен проект под названием DAISIE (Delivering Alien Invasive Species Inventories for Europe), в ходе которого составлен кадастр чужеродных видов, угрожающих наземным, пресноводным и морским биоценозам в Европе. Впоследствии на его основе была создана база данных чужеродных видов. В задачи DAISIE входила оценка экономических, экологических и влияющих на человеческое здоровье

последствий внедрения наиболее распространенных в Европе инвазионных видов, использование данных по распространению видов и опыт отдельных государств как основу для создания индикаторов для раннего обнаружения агрессивных видов (Hulme et al., 2008).

В 2011 г. на совещании сторон конвенции о биологическом разнообразии в Нагое (Япония, префектура Айти) была поставлена задача по сохранению биоразнообразия (Aichi Biodiversity Target 9): «К 2020 году инвазионные чужеродные виды и пути их проникновения в естественные сообщества должны быть идентифицированы и подвергнуты ранжированию по степени приоритетности. Наиболее угрожающие (агрессивные) виды должны жестко контролироваться или уничтожаться, а меры по контролю путей распространения таких видов для предотвращения их интродукции и натурализации должны быть разработаны и приняты».

Род Bidens L. - один из наиболее часто встречающихся чужеродных таксонов. По данным DAISIE, Bidens frondosa L. входит в список 50 самых распространенных инвазионных видов Европы (Lambdon et al., 2008). За последние десятилетия В. frondosa активно расселилась по Средней России и во многих точках своего вторичного ареала вытеснила аборигенную В. tripartita. Сведения о гибридогенной активности В. frondosa противоречивы (Hegi, 1975; Crowe, Parker, 1981; Папченков, 2003; 2006; Васильева, Папченков, 2007; 2011; Виноградова и др., 2010). Инвазионный потенциал второго натурализовавшегося вида, Bidens connata Muehl. ex Willd., ранее практически не изучался. Оба вида, в соответствии с классификацией адвентивного компонента флоры по способу заноса, принятой в традициях отечественной школы, являются эргазиофитами (чужеродные виды, которые когда-либо культивировались, а впоследствии «сбежали» в другие местообитания), а по степени натурализации - агриофитами, или, по классификации западной школы, видами-трансформерами (растения, внедрившиеся в естественные фитоценозы) (Schroeder, 1969; Pysek et al..

2004). На рисунке 1 приведена фотография этих видов в общем локалитете в парке города Зеленоградска в Калининградской области.

Факторы, способствующие преобразованию заносных видов в инвазионные, до сих пор не выявлены. Прогнозирование биоинвазий возможно только при комплексном изучении изменчивости чужеродных видов, закономерностей их адаптации к новым условиям среды и микроэволюции таксонов в процессе формирования вторичного ареала.

Цель исследования

Цель работы - комплексный анализ инвазионных видов рода Bidens L. во вторичном ареале.

Задачи исследования

1. Выявить инвазионный потенциал видов Bidens L., занесенных в Европу. Очертить границы вторичного ареала инвазионных видов Bidens в европейской части России и составить прогноз их дальнейшего расселения.

3. Детально описать онтогенез Bidens frondosa.

5. Выявить степень внутривидовой изменчивости В. connata во вторичном ареале.

Рис. 1. Два инвазионных вида Bidens в г. Зеленоградске (Калининградская обл.).

Научная новизна

Сделаны уточнения диагностических признаков инвазионных и аборигенных видов рода Bidens. Впервые установлено наличие дуплексных волосков на семянках Bidens frondosa и В. con nata и описаны различия между евразиатскими и североамериканскими видами по характеру опушения семянок. Детально охарактеризован онтогенез В. frondosa. С помощью молекулярно-генетического метода выявлена слабая гибридогенная активность В. frondosa.

Рекомендации по использованию научных вьюодов

Практическая значимость

Апробация и публикация исследований

летию со дня рождения проф. А.Г. Еленевского (2013 г.) По теме исследования опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Благодарности

Сердечно благодарю своего научного руководителя Ю.К. Виноградову за руководство, ценные советы и моральную поддержку. Выражаю благодарность И.А. Шанцеру и О.И. Кузнецовой за обучение методу молекулярно-генетического анализа, Н.М. Решетниковой за помощь в поиске труднодоступного местонахождения видов череды в Калужской области, A.C. Рябченко за помощь в освоении методов сканирующей электронной микроскопии. Также благодарю JI.M. Махиню за совместную работу по сравнительному изучению Bidens connata и Е.А. Глазкову за помощь в установлении границ вторичного ареала Bidens frondosa. Хочется

поблагодарить [В .Г. Папченкова|. Сердечно благодарю за моральную поддержку сотрудников ГБС РАН, свою семью и друзей.

ГЛАВА 1 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования являются чужеродные виды череды, проникавшие на территорию Европы, а впоследствии и России. Главное внимание уделено двум наиболее агрессивным видам, внедрившимся в фитоценозы европейской части России - Bidens frondosa L. и В. connata Muehl. ex Willd.

Для выполнения комплексного анализа чужеродных видов Bidens использованы следующие методы:

1. Анализ гербарных коллекций.

Исторический обзор проникновения чужеродных видов Bidens L. на территорию Европы и России сделан по данным гербарных коллекций МНА, LE, MW, MOSP, Р и KW.

2. Измерение морфометрических показателей различных таксонов Bidens L.

Гербарий и семена натурализовавшихся инвазионных и аборигенных видов Bidens собраны в 2010-2013 гг. в нескольких областях европейской части России - в Ярославской, Московской, Калужской и Калининградской.

Для всех изучаемых таксонов Bidens из разных регионов были измерены морфологические показатели генеративных особей: высота растения, число междоузлий главного побега, число боковых побегов, длина и ширина листа срединной формации, число корзинок, диаметр и длина верхушечной корзинки, длина и ширина листочков обертки. Полученные данные обработаны в статистической программе PAST 2.0. Для В. frondosa учитывались морфометрические показатели во всех стадиях онтогенеза, для потомства предполагаемых гибридов - в следующих онтогенетических

состояниях: семянки, всходы, ювенильные растения, генеративные растения. Критерии возрастных состояний при описании онтогенеза взяты в соответствии с классической методикой (Ценопопуляции растений, 1976). У ювенильных и генеративных растений форму листа определяли путем измерения угла, образованного главными жилками нижних долей листа, а форму окончания листовой пластинки - измерением угла, образованного краями верхней доли листа (рис. 1.1).

Общая выборка растений, у котрорых измерены различные морфологические показатели, составила 900 особей.

3. Выращивание в однородных условиях на экспериментальном участке различных таксонов Bideits L.

Для определения гибридогенной активности В. frondosa на песчаной отмели Волги в Ярославской области при содействии д.б.н. В.Г. Папченкова собраны семена с семи растений рода Bidens, относенных им к гибриду Bidens X garnmnae Jean et Debr. (В. frondosa * В. tripartita) (рис. 1.2) и «восстановленным» после гибридизации таксонам (Папченков, 2003; 2006; Васильева, Папченков, 2007; 2011).

Через 2 недели после сбора, 24 октября 2010 г., семена высеяли в однородные условия на экспериментальном участке (Московская обл., окр. г. Звенигород).

В течение следующего вегетационного сезона определяли темпы и продолжительность периода роста, фенологический ритм развития и морфо метрические параметры растений в различных фазах онтогенеза.

Рис. 1.1. А) угол, образованный главными жилками нижних боковых долей листа. В) угол, образованный краями верхушки листовой пластинки.

Рис. 1.2. Особь череды, отнесенная В.Г. Папченковым к Bidens < garumnae Jean, et Debr

|Выборки, включенные в статистическую обработку, пронумерованы от 1 до 6 (каждая выборка состоит из потомства первого поколения одной из особей, собранных в г. Мышкине, и включают в себя по 25 особей в каждой из следующих онтогенетических групп: семянки, всходы, ювенильные растения, генеративные растения, а также и их семянки). Таким образом, методом кластерного анализа обработаны морфометрические показатели 750 особей. При сборе в природе растения были определены В.Г. Папченковым как:

№ 1 и № 1а - «восстановленная» В. frondosa (гибрид В. frondosa * В. ganimnae, который скрещивался с В. frondosa еще не менее 4 раз),

№2 -В. radia ta х В. frondosa,

№3-6 - В. X garumnae.

4. Сравнение двух инвазионных видов Bidens по строению усгьичного аппарата (с помощью цифрового микроскопа Кеуепсе VHX-1000).

Для определения числа устьиц на единицу площади поверхности листа обоих видов - Bidens connata и В. frondosa, мы проводили их подсчет в 10 полях зрения на верхней и нижней сторонах листа, затем считали среднее число устьиц на 1 мм2. Для каждого вида были измерены длина продольной и поперечной оси устьица, а также число околоустъичных клеток, окружающих замыкающие клетки. Общая выборка составила 60 устьиц для Bidens connata и 60 устьиц для В. frondosa (по 30 устьиц с каждой стороны листа).

5. Выявление характера опушения семянок и структуры волосков на их поверхности с помощью метода сканирующей электронной микроскопии (LEO 1430 VP, Carl Zeiss, Германия)»

Одним из важных отличительных признаков генеративных растений в семействе Asteraceae является опушение плодов. Поверхность семянок

просматривали в режиме высокого вакуума при ускоряющем напряжении в 20 kV и рабочем расстоянии 9 мм. Образцы (семянки различных таксонов Bidens) наклеивали на медные пластины и напыляли золотом методом катодного напыления в среде аргона, В связи с проведением воздушной сушки фиксацию материала не проводили, что обеспечило максимальное сохранение нативной структуры исследованных объектов. Степень опушения семянок определяли по числу волосков в поле зрения микроскопа, затем подсчитывали среднее число волосков на 1 мм2.

6. Выполнение геоботанических описаний в местообитаниях популяций видов Bidens.

Как правило, таксоны рода Bidens занимают нарушенные территории, не образуя крупных популяций. Однако по берегам Милятинского водохранилища в Калужской области относительно крупные популяции Bidens произрастают в малонарушенных сообществах. В этих фитоценозах выполнены геоботанические описания на площадях 10x10 м2 (прил. 2), латинские названия видов приведены по сводке С.К. Черепанова (1995).

7. Выявление гибридогениой активности Bidens frondosa L. методом молекулярно-генетического анализа (проведение ПЦР с использованием ISSR-праймеров).

1985). Амплификация шла в амплификаторе BIORAD DNA Engine Dyad Peltier Thermal Cycler, использовалась разная температура отжига для каждого прайм ера. Предварительная денатурация проходила 3 минуты при температуре 94°С. Элонгация длилась 30 с при 94°С, потом 30 с при 50°С в случае с праймером (АС)8 (C/T)G, при 55°С с (CAG)5, при 51°С с (AG)8YA, при 45°С с (GA)8 YG и при 60°С с DBD(AC)7. Затем шел процесс элонгации при 72°С 1 мин. Описанный процесс повторялся 35 раз, каждый последующий раз элонгация при 72 °С шла дольше на 2 с. Завершающей стадией была элонгация 3 мин при 72°С. Продукты амплификации разделяли путем электрофореза в 1,7% агарозном геле с добавлением EtBr в lxTBE-буфере в течение часа (для праймера (CAG)5 - в течение полутора часов), затем фрагменты ДНК были сфотографированы в ультрафиолетовом свете (рис. 1.3-1.7). Для определения их длин использовался марк�

Информация о работе

Галкина, Мария Андреевна
кандидата биологических наук
Москва, 2014
ВАК 03.02.01

Диссертация

Биоморфологические особенности инвазионных видов рода Bidens L. в европейской части России - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы