Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биосистематика секции Platygalium рода Galium (Rubiaceae) в Восточной Европе и Северной Азии

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Биосистематика секции Platygalium рода Galium (Rubiaceae) в Восточной Европе и Северной Азии"

ЭЛЬКОРДИ

АХМЕД МОХАМЕД МОХАМЕД АБДЕЛЬРАХИМ

БИОСИСТЕМАТИКА СЕКЦИИ PLATYGALIUM РОДА GALIUM (RUBIACEAE) В ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЕ И СЕВЕРНОЙ АЗИИ

Специальность: 03.02.01« Ботаника»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

3 и 2014

005554029

Москва-2014

005554029

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, профессор

Игнатов Михаил Станиславович

Официальные оппоненты:

Соколов Дмитрий Дмитриевич,

доктор биологических наук, профессор, Биологический факультет ФГОУПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»

Пятунина Светлана Камильевна

кандидат биологических наук, ФГОУВПО «Московский государственный педагогический университет»

Ведущая организатция

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского».

Защита диссертации состоится 18 декабря 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного Совета Д 002.028.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук по адресу: 127276, г. Москва, ул. Ботаническая, д. 4.

Факс/тел.: (499)977-91-72; E-mail: meshkova@gbsad.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук по адресу: 127276, г. Москва, ул. Ботаническая, д. 4.

Автореферат диссертации разослан « » октября 2014 г. и размещён на сайтах ГБС РАН http://www.gbsad.ru и ВАК http://vak2.ed.gov.ru

Учёный секретарь диссертационного Совета, доктор биологических наук

Ю. К. Виноградова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Секция Platygalium рода Galium - большая и морфологически разнообразная группа. Для нее в настоящее время не существует общепринятой подробной классификации (Ehrendorfer et al., 2005). Так, во «Флоре СССР» (Победимова, 1958) принимаются И видов секции Platygalium, разделённых на 3 ряда: Rubioidea, Borealia и Valantioidea (Табл.1). Ряд Rubioidea включает в себя G. rubioides L., G. articulatum Lam., G. volgense Pobed. (=G. physocarpum Ledeb.) и G. ussuriense Pobed. Ряд Borealia включает G. boreale L., G, amblyophyllum Schrenk, G. turkestanicum Pobed., G. amurense Pobed., G. septentrionale Roem. et Schult, и G. mugodsharicum Pobed. Ряд Valantioidea включает G. valantioides M. Bieb.

Согласно обработке Ф. Эрендорфера для флоры Европы (Ehrendorfer, 1976) для европейской части России признается самостоятельность только G. boreale и G. rubioides L. Согласно мировому чеклисту Rubiaceae (Govaerts et al. 2011), большинство видов, описанных во «Флоре СССР» (Победимова, 1958), также рассматриваются как синонимы G. articulatum, G. physocarpum и G. mugodsharicum - как синонимы G. rubioides, a G. ussuriense, G. amurense и G. septentrionale синонимизированы с G. boreale.

Цель и задачи исследования

Цель исследования - уточнить таксономию секции Platygalium, найти диагностические признаки видов и выявить их распространение.

Для ее достижения поставлены следующие задачи:

1. Определить, сколько видов включает секция Platygalium в Восточной Европе и Северной Азии.

2. Изучить географическое распространение и составить карты распространения для всех видов.

3. Выявить морфологические признаки каждого таксона и изучить их вариабельность.

4. Изучить микро- и макроморфологические признаки плодов каждого таксона с помощью светового и сканирующего электронного микроскопа.

5. Исследовать изменчивость размеров пыльцевых зёрен и возможность их использования для непрямого определения уровня плоидности.

6. Определить взаимоотношения между видами Sect. Platygalium используя методы нумерической таксономии на основе большого числа признаков (вегетативных органов, цветков, плодов, пыльцевых зерен).

7. Изучить возможность использования молекулярно-генетических данных для уточнения границ и родственных отношений таксонов изучаемой группы на примере хлоропластного межгенного спейсера trnL-trnF.

Научная новизна работы

• Внесены уточнения в систематику видов sect. Platygalium, встречающихся в России и сопредельных государств.

• Выявлено количество гаплотипов G. boreale по хлоропластному локусу trnL-F.

• Изучена вариабельность формы и опушения плодов (мерикарпиев) с целью установления важности этих признаков для будущих исследований в области таксономии.

• Показана корреляция между уровнем плоидности и размером пыльцевых зёрен у исследуемых видов.

Практическая значимость работы

Ключ для определения и уточненные описания можно использовать при подготовке региональных флор, при подготовке нового списка флоры России, а также для подготовки подробного фундаментального описания рода Galium. В то же время данные можно использовать в различных программах, таких как ГИС, касающихся позиционных и пространственных характеристик живых организмов.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на XXI Международной молодежной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2014 - МГУ, Москва». Основные положения диссертации в 2012-2014 гг. рассматривались на заседаниях кафедры ботаники, физиологии растений и агробиотехнологии Аграрного факультета Российского университета дружбы народов и получили положительную оценку.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 165 страницах, содержит 6 таблиц и 23 рисунка. Библиографический список включает 92 наименования, 89 из которых на иностранных языках.

Основное содержание работы ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ СЕКЦИИ PLATYGALIUM РОДА GALIUM L.

В главе рассмотрены история изучения секции Platygalium рода Galium (понимаемой здесь в объеме, принятом Победимовой, 1958), существующие классификации секции и взгляды разных авторов на число принадлежащих к ней видов (табл. 1).

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Работа проводилась на материале с территории, рассмотренной во «Флоре СССР» и основана преимуществено на материалах, хрянящихся в гербариях Главного ботанического сада им. Н.В. Цицна (МНА) и Ботанического института им. В.Л. Комарова (LE), Музея естественной истории в Вене

Таблица 1. Список изученных видов Galium, распределённых в соответствии с традиционной классификацией Boissier (1881), обработкой во «Флоре СССР» (Победимова, 1958), более поздней традиционной классификацией (Ehrendorfer et al., 1976) и мировым чеклистом Rubiaceae (Govaerts et al., 2011).

№ Таксон boissier (1881) Pobedimova (1958) Ehrendorfer (1976, 2011) Govaerts et al. (2011)

1 G. articulatum Lam. - Секция Platygalia Ряд Rubioidea - Таксономический синоним G. rubioides

2 G. rubioides L. Секция Eugalium Подсекция Platygalia Секция Platygalia Ряд Rubioidea Секция Platygalium Общепринятый

3 G. physocarpum Ledeb (=G. vol-gense) Pobed - Секция Platygalia Ряд Rubioidea - Таксономический синоним G. rubioides

4 G. ussuriense Pobed. - Секция Platygalia Ряд Rubioidea - Таксономический синоним G.boreale

5 G. boreale L. Секция Eugalium Подсекция Platygalia Секция Platygalia Ряд Borealia Секция Platygalium Общепринятый

6 G. amurense Pobed. - Секция Platygalia Ряд Borealia - Таксономический синоним G. boreale

7 G. amblyophyllum Schrenk ex Fisch, et Mey. - Секция Platygalia Ряд Borealia Общепринятый

8 G. tarkestanicum Pobed. - Секция Plat)'galia Ряд Borealia Секция Platygalium Общепринятый

9 G. mugodsharicum Pobed. - Секция Platygalia Ряд Borealia - Таксономический синоним G. rubioides

10 G. septentrionale Roem. et. Schult - Секция Platygalia Ряд Borealia - Таксономический синоним G. boreale

11 G. valantioides M. В Секция Eugalium Подсекция Platygalia Секция Platygalia Ряд Valantioidea - Общепринятый

(W) и Венского Университета (WU). Всего изучено около 1500 гербарных образцов. Для количественного анализа были изучены признаки вегетативных органов, цветки, пыльца и плоды с помощью бинокуляра и светового микроскопа.

При изучении плодов использованы световые микроскопы и сканирующего электронного микроскопа LEO 1430 в ГБС РАН.

Изучение пыльцевых зерен проведено на 3 до 10 экземплярах каждого вида. Измерения диаметра проводились с помощью светового (LM) микроскопа Olympus type ВН-2 не менее чем для 20 пыльцевых зёрен для каждого образца. Были измерены: полярная ось (Р), экваториальный диаметр (Е) и рассчитано их отношение друг к другу (Р/Е).

В исследование методами нумерической таксономии были включены 378 образцов, для которых быи оценены или изменеры 24 признака: 8 количественных и 16 качественных. Для каждого таксона и для каждой OTE количественные признаки усреднялись по меньшей мере для 15 образцов (там, где это было возможно). Учитывая то, что гербарные образцы не могут рассматриваться, как случайная выборка при изучении внутривидовой изменчивости, мы следовали рекомендациям (Wieringa 1999: 62-65) и рассчитывали среднее арифметическое отдельно для максимальных и минимальных значений каждого признака. Проводили два варианта анализа с использованием программы PAST ver. 3.0 (Hammer et al., 2001): кластерный анализ методом невзвешенного попарно-группового среднего (UPGMA) и анализ главных координат (PCO) с использованием коэффициента корреляции в качестве меры сходства. Для расчета матрицы расстояний (с использованием индекса сходства RHO) данные стандартизировались.

Для молекулярно-генетического анализа тотальная ДНК выделялась с применением цетилтриметил аммоний бромида (СТАВ) (Doyle, Doyle, 1987). Для амплификации хлоропластного участка trnL-írnF использовали праймеры С и-F. Условия ПЦР: предварительная денатурация 94 °С - 3 мин; 30 циклов: 94°С - 30 с, отжиг при 56°С - 40 с, элонгация при 62 °С - 20 с; 2 цикла: 56°С - 40 с, 62 °С - 1мин 20 с. Разделение продуктов ПЦР проводили электрофорезом в 1,7% агарозном геле в 0,5-кратном трис-боратном буфере с окрашиванием бромидом этидия и фотографировали с помощью системы гель-документирования GelDoc-It® Imaging System (США). Определение нуклеотидных последовательностей ДНК проводилось на базе ЦКП «Геном» (Институт Молекулярной Биологии РАН им. В.А. Энгельгардта), в ПКЗАО «Синтол» (Москва) и кабинета молекулярных методов анализа ИПЭЭ РАН. Полученные последовательности выровнивались вручную в программе BioEdit v7.0.5 (Hall, 1999), проанализированы методами максимальной экономии в программе NONA (Goloboff, 1999) с использованием оболочки Win-clada (Nixon, 1999-2002). Анализ методом статистической парсимонии (Templeton, 1992) проведен в программе TCS v. 1.21 (Clement et al. 2000). Анализ географического распространения гаплотипов проводили путем стандартного картирования.

ГЛАВА 3. МОРФОЛОГИЯ ПЛОДОВ ПОДМАРЕННИКОВ (GALIUM L., RUBIACEAE) СЕКЦИИ PLA TYGALIUM И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ СИСТЕМАТИКИ

Признаки плодов имеют важное значение для установления межвидовых различий внутри рода подмаренник. Плод в роде Galium сухой двусемянный невскрывающийся, из двух сросшихся односемянных мерикарпиев.

Рис. - 1-4: Плоды G. articulatum (1), G. boreale (2), G. amurense (3), G. valantioides (4). A - целые плоды, В - поверхность плодов.

Форма плодов у исследуемых таксонов практически идентична, размеры широко варьируют от 1,0-1,5 х 1,0-2,0 мм у G. mugodsharicum до 3,05,0 х 2,5-3,5 мм у G. amurense и не показывают существенных различий между исследованными видами. Характер опушения плодов сильно различается, что. согласуется и с данными Е.Г. Победимовой (1958). Плоды неопу-шенные у G. articulatum, G. rubioides, G. ussuriense, G. physocarpum (Рис. 1); густо покрытая волосками 0,3-0,4 мм с крючочками у G. boreale (Рис. 2); густо покрытая щетинками с длинными волосками 0,5-0,65 мм у G. amurense (Рис. 3); шероховатая со щетинками 0,1-0,15 мм с коротким крючочками у G. mugodsharicum; негусто покрытая волосками 0,2-0,25 мм с крючочками у G. septentrionale и неопушённая покрытая бугорками у G. valantioides (Рис. 4). Наши данные выявили наличие корреляции между признаками плодов и традиционной классификацией группы Platygalium, как ее понимали Буасье (Boissier, 1881) и (Победимова, 1958).

ГЛАВА 4. ПЫЛЬЦЕВЫЕ ЗЕРНА GALIUM SECT. PLATYGALIUM

4.1. Введение

Виды секции Platygalium представляют собой группу полиплоидов, повсеместно распространённых в Северном полушарии. Группа включает в себя редко встречающиеся диплоиды (2п =2х =22), тетраплоиды (2п = 4х = 44), гексаплоиды (2п = 6х = 66) и представителей с более высокой плоидностью (2п = 12х). Тетраплоиды и гексаплоиды распространены по всей Европе, также сообщалось о наличии диплоидов (2n = 12х) у G. rubioides. В Евразии встречается много морфологически промежуточных групп, статус которых остаётся неопределённым в связи с отсутствием подробных цитотаксономи-ческих данных (Ehrendorfer et al. 1976). У многих родов размер пыльцевых зёрен положительно коррелирует с числом хромосом и/или уровнем плоид-ности (Katsiotis, 1995). Шанцер и Эрендорфер (Schanzer & Ehrendorfer, 2002) подтвердили гипотезу о взаимосвязи между диаметром пыльцы и уровнем плоидности на видах Galium sect. Orientigalium.

4.2. Результаты исследований пыльцевых зерен и их обсуждение

Морфология пыльцы изученных видов сходна: пыльцевые зёрна небольшие, бороздчатые и перфорированные с поверхностными шипиками. Поры простые, что довольно редко встречается у Rubiaceae, число их колеблется между 5 и 10, но наиболее часто бывает 7-8 пор.

4.2.1. Полярность и симметрия

Все виды имеют равнополярные и радиально-симметричные пыльцевые зёрна.

4.2.2. Форма пыльцы

Пыльцевые зёрна у изученных видов, как правило, сфероидальные, удлинённые эллипсоидальные или сплющенные сфероидальные. Сфероидальные характерны для тетра- и гексаплоидов G. boreale, G. septentrionale, G. mugodsharicum, и G. amurense-, удлинённые эллипсоидальные - для диплоидов G. boreale, G. broterianum, G. valantioides, a также для G. articulatum;

сплющенные сфероидальные — для додекаплоида G. rubioides, а также для G. physocarpum и G. ussuriense. 4.2.3. Размер пыльцы

Размер пыльцевого зерна Galium sect. Platygalium относительно мал (табл. 2). Только у трёх видов самая длинная ось равна или превышает 20,0 мкм: G. rubioides (12х), G. septentrionale и G. articulatum. С другой стороны, наименьший размер пыльцы можно обнаружить у диплоидных видов, т.е. у G. boreale (2х), G. valantioides и G. broterianum, у которых средний диаметр пыльцевого зерна колеблется от ± 14,0 до ± 16 мкм; среди остальных изученных таксонов средний диаметр колеблется от ± 17,0 до ± 20,0 мкм.

Таблица 2. Размеры пыльцевых зерен Galium секции Platygalium

№ Вид Полярная ось (P мкм) Экваториальный диаметр (Е мкм) Р/Е Форма пыльцевого зерна

Диапазон Сред, знач. Диапазон Сред, знач.

1 G. boreale L. (2п=2х=22) 16,14-17,21 16,68 15,1-16,29 15,76 1,059 Удлинённая эллипсоидальная

2 G. boreale L. (2п=4х=44) 16,54-18,27; 17,15 14,68-18,81 17,21 0,996 Сфероидальная

3 G. boreale L. (2n=6x=66) 18,24-19,49 18,83 17,88-20,01 18,80 1,002 0,965 Сфероидальная

4 G. rubioides L. (2n=12x=132) 19,85-22,07 20,87 21-22,68 21,63 Сплющенная сфероидальная Удлинённая эллипсоидальная

5 G. valantioides M. В (2n=2x=22) 14,27-17,32 I 15,82 12,77-15,64 14,69 1,076

6 G. broterianum Boiss. & Reut. (2n=2x=22) 14,84-17,45 15,94 13,91-15,88 14,97 1,064 Удлинённая эллипсоидальная

7 G. articulatum Lam. 18,81-23,38 21,03 14,46-23,18 20,69 1,016 Удлинённая эллипсоидальная

8 9 G. physocarpum Le-deb. 17,65-20,70 19,23 18,75-23,31 20,09 0,957 Сплющенная сфероидальная

G. septentrionale Roem. & Schult. 17,57-21,48 20,16 18,64-21,37 19,98 1,008 Сфероидальная

10 11 G. ussuriense Pobed 17,46-18,621 18 17,88-19,07 18,475 0,974 Сплющенная сфероидальная

G. mugodsharicum Pobed. 18,25-19,67 i 18,96 17,15-18,75; 17,95 1,056 Сфероидальная

12 G. amurense Pobed. 15,79-21,26 19^38 16,88-21,44 18,980 1,021 Сфероидальная

4.3. Число хромосом и полиплоидия

В качестве отправной точки в работе использовались образцы видов sect. Platygalium с известным числом хромосом, результаты показаны на (рис. 5). Проверена гипотеза о существовании корреляции между числом хромосом и диаметром пыльцевых зерен и показано, что для видов sect. Platygalium характерно наличие ди-, тетра-, гекса- окта- , дека-, додека - плоидности и

9

более высоких уровеней плоидности. По-видимому, диплоидность встречается у экземпляров G. boreale, собранных в Сибири, G. valantioides, G. broteri-апит и частично у G. amurense-, тетраплоидия характерна для G. boreale, G. rubioides, собранных в Европе, и частично для G. amurense; гексаплоидия — встречается частично у G. boreale, G. rubioides and G. physocarpum, собранных в Европе и Сибири, частично для G. amurense, G. septentrionale, G. mugodsharicum, G. articulation и G. platygalium; окта- и декаплоидия — y G. rubioides and G. physocarpum, собранных в Европе, и для G. boreale, собранных в Сибири. Додекаплоидия характерна для G. rubioides, G. articulatum, G. physocarpum, собранных в Европе, и для G. amurense. 4.4. Заключение

Диаметр пыльцевого зерна у исследованных видов sect. Platygalium положительно коррелирует с уровнем плоидности. В основном род Galium па-линологически однотипный. Морфология пыльцы сходна по следующими признакам: бороздчатые, перфорированные зёрна с микрошипиками. Данные результаты сопоставимы с результатами Абдель Халика с соавторами (Abdel Khalik et al. 2007). Пыльца, как правило, имеет сфероидальную, удлинённую эллипсоидальную или сплющенную сфероидальную форму. Диплоидность, по-видимому, характерна для представителей с удлинённой эллипсоидальной формой пыльцы, в то время как сфероидальная форма связана с тетра- и гек-саплоидией; с другой стороны, сплющенные пыльцевые зерна обнаружены у додекаплоидов и образцов с более высоким уровнем полиплоидии.

Распределение диплоидов группы G. boreale среди изучаемых таксонов ограничивается только границами Сибири, ограничение для диплоидов G. rubioides не зафиксировано, в то время как тетраплоиды G. boreale и G. rubioides обнаружены только в Европе. С другой стороны, гексаплоиды группы Galium boreale и G. rubioides, по-видимому, распространены по всей Евразии. Окта- и додекаплоиды, по всей видимости, имеют очень узкое распространение и их происхождение сомнительно. Тем не менее, установлено, что они распределяются в популяциях G. boreale, G. rubioides и G. physocarpum по всей Евразии, несколько чаще в азиатской части и Сибирь. Обнаружено, что додекаплоиды и экземпляры с более высоким уровнем плоидности распространены только в Европе. Таким образом, палиноморфологические данные показали, что в sect. Platygalium размер пыльцы может быть непосредственно связан с числом хромосом, а также может быть использован в качестве дополнительного приёма для установления эволюционных тенденций и филогенетических отношений между видами.

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ВИДОВ GALIUM СЕКЦИИ PLATYGALIUM ПО МОРФОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ 5.1. Результаты анализа

В анализе методом невзвешенного попарного среднего кофенетическая корреляция матрицы расстояний и полученного дерева (рис. 6) была

- G. boreale 2x

- G. broterianum 2x

- G. valantioides 2x

- G. boreale 4x

- G. boreale 6x

- G. rubioides 12x

Рисунок 5. Средний диаметр пыльцы различных таксонов Galium sect. Platygalium с вариантами разделительных линий для ди-тетра-гекса-гепта-окта-додека- полиплоидов и экземпляров более высокого уровня плоидности. Образцы с известным числом хромосом, как указано слева, отмечены разными значками.

П

ооооооооо

-Л-1-1-1-1-1-1-1-1

Рисунок 6. Фенограмма изученных образцов видов секции Platygal¡um, методом невзвешенного попарного среднего.

достигнута на уровне 0.8, что указывает на хорошее совпадение результатов с матрицей данных (Rohlf 1993).

Этот анализ выявил три основных группы с уровнем связи 0.7 (1, II и III кластеры на рис. 6). Первый из них (I) подразделяется на два подкластера, один из которых включает образцы G. amurense, а второй — образцы G. va/an-tioides. Второй кластер (II) включает три подкластера, соответствующих G.turkestanicum, G. amblyophyUum и комплекс G. boreale, который представлен тремя соседними подкластерами, которые в дальнейшем изложении будут рассматриваться как единая группа. В ее состав входит, помимо собственно G. boreale, группа образцов, выделявшаяся как G. mugodsharicum (по нашему мнению не имеющая, однако, уровня отграниченности, достаточной для признания его самостоятельным видом), а также образцы, относимые к G. septentrionale и G. turkestanicum, статус которых будет обсуждаться ниже. Третья клада (III) представляет комплекс G. rubioides, к которому относятся из представленных в нашей выборке таксонов G. rubioides, G. articulation, G. physocarpum и G. ussuriense, видовой статус которых трактуется разными авторами по-разному. В нашем анализе G. ussuriense оказался хорошо отграниченным по результатам исследования разными методами, а также он отли-

Рисунок 7. Диаграмма рассеяния всех изученных представителей секции Platygalium по двум первым главным осям координат.

(+) С. articulatum, (о) G. rubioides из восточной Европы, (о) G. rubioides из Сибири, (*) G. physocarpum из восточной Европы,

, (О) G. boreale из восточной Европы, (■) G. boreale из Сибири, (X) G. boreale m Дальнего Востока России, (д) 6. amblyophyUum, (a) G. amurense, (о) С. mugodsharicum, (о) G. septentrionale, (•) G. valanti-oides, (v) G. turkestanicum, ( ) G. volgense (Тип).

13

чается и своим ареалом. G. articulcitum не выделяется при анализе методом невзвешенного попарного среднего, но метод главных координат указывает на его определенную дифференциацию, поскольку перекрывание признаков его и G. rubioides относительно невелико, и к тому же имеются отличия в строении пыльцы. Статус же G. rubioides и С. physocarpum как самостоятельных видов результатами нашего анализа не подтверждается. Полученные результаты в целом согласуются с выделенными Е.Г. Победимовой (1958) тремя рядами: Valantioidea, Borealia and Rubioidea.

Эти же группы, причем еще более констрастно, выделяются в анализе методом главных координат, как это видно на диаграмме, основанной на распределении по первой и второй осям (Рис, 7). Таким образом, ряд Valantioidea включает только G. valantioides; (2) ряд Borealia представлен образцами G. amurense, G. turkestanicum, G. amblyophyllum, G. mugodsharicum.G. septentrionale, G. boreale (из Восточной Европы, Сибири и с Российского Дальнего Востока), а также некоторыми образцами из Сибири, определявшимися как G. rubioides и G. physcarpum. Наконец, ряд Rubioidea включает G. rubioides, G. articulation, G. physocarpum, G. volgense и G. ussuriense. Поскольку две последние группы включают таксоны, статус которых не до конца понятен и признается не всеми авторами, для них был проведен дополнительный анализ методом главных координат на основе той же матрицы данных, но с таксонами только каждой из этих групп.

Рисунок 8. Диаграмма рассеяния представителей ряда Borealia секции Platy-galium по двум первым главным осям координат.

(□) G. boreale из восточной Европы, (■) G. boreale из Сибири, (х) С. boreale m Дальнего Востока России, (Д) С. amblyophyllum , (a) G. amurense , (□) С. mugodsharicum, (°) С. septentrionale, (7 ) С. turkestanicum, (О) G. rubioides in Сибири,

Ряд Borealia

Диаграмма рассеяния на Рис. 8 по первой и второй главным осям координат находит в пределах данного ряда четыре группы, которые включают: a) G. amblyophyllum, b) G. amurense, с) образцы G. boreale из Восточной Европы и G. mugodsharicum, d) G. septentrionale, G. turkestanicum, образцы G. boreale из Сибири и с Дальнего Востока, а также образцы G. physocarpum и G. mbioides из Сибири.

Ряд Rubioidea

Рис. 9. представляет диаграмму рассеяния для ряда Rubioidea также по первой и второй главным осям. Как видно, таксоны, в него входящие, образуют 3 группы: a) G. ussuriense, образует наиболее обособленную группу (после исключения таксонов, относящихся к другим рядам); b) G. rubioides и G. physocarpum; и с) G. articulatum. Два таксона, G. rubioides и G. physocarpum, практически полностью перекрываются по своим морфологическим признакам, а также отчасти перекрываются и с G. articulatum, большинство образцов которого, однако, выходит за пределы варьирования G. rubioides и G. physocarpum, так что мы склонны считать его самостоятельным видом.

tHrllMM 1

Рисунок 9. Диаграмма рассеяния представителей ряда Rubioidea секции Platygalium по двум первым главным осям координат.

(+) G. articulatum, (о) G. rubioides из восточной Европы, (*) G. physocarpum из восточной Европы, ( ) С. votgense (Тип)

5.2. Обсуждение результатов фенетического анализа

Оба используемых метода, невзвешенного попарного среднего и главных координат, привели к выделению трех групп, описанных как ряды в работе Е.Г. Победимовой (1958). Оба метода показали значительную изолированность G. vaiantioides. Данный вид является эндемиком Кавказа, и общее

богатство данного региона эндемиками хорошо согласуется с изолированным положением этого вида.

Наши данные поддерживают видовую самостоятельность как G. z«-suriense (по результатам обоих анализов), так и G. articulatum (по картине, полученной методом главных координат), что согласуется с представлениями Е.Г. Победимовой (1958) и противоречит данным других авторов (Ehrendorfer, 1971, 1976; Ehrendorfer & Schonbeck-Temesy, 1982; Govaerts et al. 2011).

Хотя отличия G. articulatum не являются стопроцентно неперекрывающимися, и один из методов (невзвешенного попарного среднего) показал слабую дифференциацию его от произрастающих с ним совместно других видов ряда Rubioidea, то есть G. rubioides и G. physocarpum, мы склонны считать его самостоятельным видом. В дополнение к морфологическим отличиям, выявляющимся в результате анализа методом главных координат, он, согласно анализу размеров пыльцевых зерен, представляет собой диплоид, тогда как прочие виды ряда Rubioidea - тетраплоиды, гексаплоиды, додекап-лоиды и другие полиплоиды. Вероятно, G. rubioides и G. articulatum можно рассматривать как пример симпатрического видообразования. В то же время, как видно из рис. 6-8, дифференциация G. rubioides и G. physocarpum не поддерживается нашими данными. Согласно морфометрии пыльцевых зерен, и G. rubioides, и G. physocarpum являются тетраплоидами, гексаплоидами, ок-таплоидами, декаплоидами и додекаплоидами и представляют собой сложный комплекс, подразделить который на отдельные расы не представляется возможным.

Оба варианта анализа, и методом невзвешенного попарного среднего (UPGMA), и методом главных координат (РСО), показали сходство видов ряда ВогеаНа по целому комплексу морфологических признаков: листья ланцетные до узко-ланцетных, соцветие удлиненное до цилиндрического, плоды покрыты длинными прямыми или крючковидными волосками.

В то же время в пределах этого ряда методом главных координат выявлены 4 группы: (a) G. amblyophyllum; (b) G. amurense; (с) G. boreale (европейские популяции) и G. mugodsharicum; (d) G. boreale (сибирские популяции), G. boreale из Дальнего Востока России, G. septentrionale, G. turkestanicum, a также ряд образцов, ранее определявшихся как G. rubioides из Сибири и G. physocarpum из Сибири.

Первая из этих групп (а), включающая один вид G. amblyophyllum, четко отграничена. Группа (Ь) также включает единственный вид, G. amurense. Третья группа (с) включает европейские популяции G. boreale и G. mugodsharicum, распространенный в северном Казахстане. Обладая некоторыми ксероморфными признаками, G. mugodsharicum, вместе с тем, не может быть отграничен от G. boreale на основании результатов проведенного нами анализа, в связи с чем мы предлагаем включить его в состав G. boreale. Группа (d) включает больше всего таксонов: G. boreale (преимущественно сибирские и дальневосточные популяции), G. septentrionale, G. turkestanicum, а также ряд образцов из Сибири, ранее определявшихся как G. rubioides и G. physo-

сагрит. Таким образом, азиатские популяции G. boreale требуют особого признания, возможно, в ранге подвида. Однако в связи с тем, что молекулярные данные получены пока были лишь для небольшого количества образцов и не совпадают с морфологическими признаками, мы оставляем данный таксон без формального описания. Виды G. septentrionale и G. turkestanicum уверенно разделяются по результатам анализа методом невзвешенного попарного среднего. Метод главных координат помещает их в единую группу с азиатскими популяциями G. boreale, но мевду собой облака точек G. septentrionale и G. turkestanicum не смыкаются. Учитывая значительные различия в распростарнении (Дальний Восток у G. septentrionale, Средняя Азия у G. turkestanicum), мы склонны считать эти таксоны хорошими видами. Galium turkestanicum в целом отличается от других видов секции очень длинным и узким соцветием, составляющим более половины длины стебля, а также заметно более узкими листьями. Galium septentrionale, хотя и близок «сибирскому» G. boreale, однако отличается более длинными листьями, до 7 см, в то время как у последнего они никогда не превышают 3.5 см. Таким образом, оба варианта фенетического анализа, и проведенного методом невзвешенного попарного среднего, и методом главных координат, позволяют разграничить большинство видов, описанных в Galium секции Platygalium в Евразии, уточнить их диагностические признаки и установить уровень фенотипиче-ского сходства между ними. Результаты, полученные этими двумя методами, сходны между собой и поддерживают выделение трех рядов: Valantioidea, Borealia и Rubioidea, поддерживая в целом точку зрения Е.Г. Победимовой (1958). В целом проведенный анализ показывает, что отдельно взятые признаки жизненной формы, формы листа, цветоножки, цветка, плода, уровня плоидности крайне изменчивы у таксонов секции Platygalium. Однако, анализ всей их совокупности с применением математических методов позволяет найти надежные отличия, которые часто совпадают с географическим распространением, а также отчасти с молекулярными данными.

ГЛАВА 6. МОЛЕКУЛЯРНО-ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Для анализа филогенетических отношений в этой группе рода Galium мы се-квенировали хлоропластный регион trnL-trnF (Taberlet et al. 1991), включающий в себя интрон гена frnL(UAA) и межгенный спейсер trnL- trnF(GAA). Там, где это было возможно, мы секвенировали данный участок из нескольких образцов каждого вида из разных частей ареала. 6.2. Результаты и обсуждение 6.2.1. Филогенетический анализ

Консенсусное филогенетическое дерево исследованных видов комплекса G. boreale-G. rubioides, построенное методом максимальной экономии по данным хлоропластного региона trnL-trnV представлено на рис. 10. Из топологии дерева видно, что исследованные образцы образуют две хорошо поддержанные (100% бутстреп поддержка) клады, представители одной из которых распространены по всей Северной Евразии, а второй - приурочены

■--э-

■ - ' '■ ВОА101

- АЯТ1-ВО

- АДТ1З-Зв

- АГЧТ13-43

- АПТ1в-61

- А1ЧТ17-6®

- АЯТ19-17

- АЯТ22-19

- АПТгЗ-ЭЭ

- Анпа-ао

- АПТ5-3

- АЯТв-И

- АЯТГ-Пв • АИТв-ЗТ

- АРГГ»-в

- ВО« 1-7»

- ВОЯ11-Т

- ВОЯ111»2

- ВОЯ13№-(1

- ВОЙ1Э-1в

- ВОЯ14Г»Ю

- ВОП158-73

- ВОЯ1»-4«

- вошев-во

- РНЧ1>44

- РНУ11-34

- РНУ12-012

- РНУ18-*2

- РНУ2-52

- Р(-ГУЭ-вО

- РНУ4-М

- Р1-Г*Я-7в

- РНУ^К

- РНЧ9-2в

- Пив1В-13

- ИиВ1»-70

- МВ2М1

- ЯиВЭ1-А12

- МвЭ4-14

Ии В 22-29 ПиВ25-БЗ

Рисунок 10. - Консенсусное филогенетическое дерево видов комплекса С Ьогеа\е-<Э. гиЪШ<1ез по данным хлоропластного региона КпЬчгпТ, полученного методом максимальной экономии.

исключительно к азиатской части ареала группы. Практически полное отсутствие разрешения внутри каждой из клад говорит об их молодости и высокой скорости процессов видообразования. Поэтому для дальнейшего анализа мы использовали методы построения сетей, успешно применяемые для реконструкции внутривидовых генеалогий или отношений в небольших группах филогенетически близких молодых видов.

6.2.2. Анализ методом статистической парсимонии в программе ТСЯ

Анализ позволил идентифицировать шестнадцать гаплотипов (А-Р), см. рис. 10. Двенадцать гаплотипов из шестнадцати представляли собой

о в

р

Ьог

/1 N

I

к

©

в

I ё

ф

Рисунок 11. Генеалогия хлоропластных (регион и-п^гп^) гаплотипов комплекса О. Ьогеа/е-С. гиЫо/с/ея, полученная методом статистической парси-монии. Цветом и размером кружков показана частота встречаемости гаплотипов у видов комплекса. Размер кружка соответствует числу образцов, имеющих общий гаплотип. Названия таксонов сокращены по 3 первым буквам видового эпитета и выделены цветом. Названия гаплотипов обозначены прописной буквой рядом с кружком. Черные точки обозначают отсутствующие в анализируемой выборке промежуточные гаплотипы.

синглеты и встречались у единичных образцов, в то время как два гаплотипа оказались широко распространенными и общими для нескольких видов. Гаплотипы А и Е широко распространены, причем первый из них (и все производные от него минорные гаплотипы) встречаются у образцов, распространенных во всех трех исследованных географических регионах и относимых к четырем разным видам: (7. агйсиШит, й. Ьогеа/е, С. гиЫоШя, С. рИузосаг-рит. Гаплотип Е (и все производные от него гаплотипы), напротив, встречается только у двух видов (С. Ьогеа1е и й. platygalivm) на территории Сибири и Российского Дальнего Востока (см. рис. 11, 12). 6.2.3. Филогеографический анализ

Филогеографические паттерны, наблюдаемые в пределах комплекса О. Ьогеа1е - й. rubioid.es были изучены путем рассмотрения частоты и географического распространения каждого гаплотипа, а также их встречаемости между разными видами и в пределах каждого вида. Установленные нами особенности географического распространения гаплотипов 1гпЬ-1гп¥ у видов СаИит секции Platygaliwn на территории северной Евразии позволяют

19

Евр

опеисьгая часть

Рисунок 12. Генеалогия хлоропластных (регион trriL-trn¥) гаплотипов комплекса G. boreale-G. rubioides, полученная методом статистической парси-монии. Цветом показано распространение гаплотипов в трех географических регионах.

Рисунок- 13. Распространение гаплотипов на изученной территории.

предположить, что более широко распространенный гаплотип А является более древним и маркирует широкое доледниковое распространение этой группы (рис. 11-12). Ограниченное Сибирью и Дальним Востоком распространение гаплотипа Е может указывать на разрыв ареала в ледниковое время в области Западной Сибири. Сходная картина наблюдается в распространении гаплотипов Clausia aprica (Franzke et al. 2004). С другой стороны, если рассматривать только G. boreale, хорошо заметно высокое гаплотипическое разнообразие этого вида на юге Сибири и Дальнего Востока, по сравнению с севером Азии и Восточной Европой. Это может указывать на послеледниковое расширение ареала этого вида на север. Однако вторичного контакта между сибирско-дальневосточными и восточноевропейскими популяциями, по-видимому, не произошло, на что указывают взаимоисключающие наборы гаплотипов, распространенных в этих частях ареала, за исключением реликтового гаплотипа А. 6.3. Заключение

Выявленные в анализе 16 гаплотипов хлоропластного региона trriL-trnV распространены по всей Евразии, но один из них (А) встречается преимущественно в Восточной Европе и представлен у большинства изученных видов. С другой стороны, гаплотип Е встречается только на территории Сибири и Дальнего Востока (Рис. 13) и представлен только у G. boreale и G. platygalium. Кластерный анализ морфологических данных методом UPGMA (см. главу 5) показывает результат, в значительной мере конгруэнтный молекулярным данным, выделяя в самостоятельный кластер сибирско-дальневосточную группу образцов G. boreale.

ГЛАВА 7. КЛЮЧ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОПИСАНИЯ ВИДОВ СЕКЦИИ PLATYGALIUM ГОДА GALIUM В ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЕ И СЕВЕРНОЙ АЗИИ

В главе даны ключ и описания видов.

ВЫВОДЫ

1. Характер поверхности плодов имеет важнейшее значение для подразделения секции Platygalium рода Galium на 3 ряда: Valantioidea, Borealia и Rubioidea, поддерживая, таким образом, классификацию Е.Г. Победимовой (1958). Длина и характер трихом, покрывающих плод, позволяют четко отграничить G. boreale и G. amurense в пределах ряда Borealia.

2. Признаки пыльцевых зерен относительно маловариабельны, и их размеры определенно коррелируют с уровнем плоидности. Диплоиды относительно немногочислены в данной группе в целом, у G. boreale они встречаются преимущественно в Сибири, а у G. rubioides не отмечены вовсе. Тетрап-лоиды G. boreale и G. rubioides встречаются только в Европе, тогда как гексаплоиды широко распространены по всей Евразии. Окта- и декаплои-ды редки, с небольшим перевесом в Сибири, а додекаплоиды есть только в

Европе. Впервые отмечены диплоиды Б. агйсиЫит, что поддерживает, таким образом, самостоятельность этого вида.

3. Анализ матрицы морфологических признаков методами невзвешенного попарного среднего и главных координат согласуется с системой секции Е.Г. Победимовой (1958) и обосновывает самостоятельность большинства принимаемых ей видов, не поддерживая наиболее распространенную сейчас точку зрения ряда других авторов (ЕИгепсЗогГег, 1971, 1976; ЕЬге^огГег & ЗсЬопЬеск-Тетеэу, 1982; ОоуаеПв й а1. 2011), которые не считали самостоятельными видами б. агНсиШит, & кмнп'е/ме, & атигегие, О. зереп-/попа1е. В то же время, два из принимавшихся Е.Г. Победимовой вида, & рИузосагрит и £7. т^осЬИагкит, мы относим в синонимы, однако последний вид является синонимом не Ст. rubioid.es, как считали ОоуаеЛв й а1. (2011), а Б. Ьогеак.

4. Сибирские популяции (3. Ьогеак имеют небольшие, но устойчивые морфологические отличия от европейских, которые согласуются также с моле-кулярно-филогенетическим анализом секции методом построения сети га-плотипов по хлоропластному маркеру КпЪ-гтР.

Публикации по теме диссертации Публикации в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1- Шанцер И.А., Элькорди А. К вопросу о корреляции между размером пыльцевых зерен и плоидностью у Galium sect. Platygalium II Вестник Российского университета дружбы народов, серия «Агрономия и животноводство». -2014,-№3.-С. 5-19.

2- Abdel Khalik К., Abd El-Ghani M., Elkordv A. Fruit and seed morphology in Gal-

ium L. (Rubiaceae) and its importance for taxonomic identification // Acta Botanica Croatica- 2008. - Vol. 67. № (1). - P. 1-20.

3- Abdel Khalik K., Abd El-Ghani M., Elkordv A. A palynological study of Galium

L. (Rubiaceae) in Egypt and its systematic implication II Feddes Rep.- 2007.- Vol. 118. №(7-8).- P. 311 -326.

4- Abdel Khalik K„ Abd El-Ghani M., Elkordv A. Anatomical findings of the genus Galium L. (Rubiacaeae) in Egypt and their systematic implications // Turk. J. Bot.-2008,-Vol. 32.-P. 353-359.

Прочие публикации

1- Abdel Khalik, К1., Abd El-Ghani, MM2. Elkordv. A1. Numerical taxonomy of the Galium L. (Rubiaceae) in Egypt // Phytologia Balcanica, Sofia.- 2008. Vol. 14. № (2). P. 245 -253.

2- Elkordy A.A. Biosystematic study of Galium boreale L. s.l. (Rubiaceae) in Russia // Тезисы докладов XXI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2014»; секция «Биология»; Москва, МГУ, биологический факультет, 7- 11 апреля 2014 / Сост. Е.В. Ворцеп-нева. — М.: Изд. Московского университета, 2014,- С. 67-68.

Подписано в печать:

14.10.2014

Заказ № 10293 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru