Фенотипическая изменчивость массовых видов макроводорослей в заливе Петра Великого

Шибнева, Светлана Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Фенотипическая изменчивость массовых видов макроводорослей в заливе Петра Великого
ВАК РФ 03.02.10, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Фенотипическая изменчивость массовых видов макроводорослей в заливе Петра Великого"

На правах рукописи

ШИБНЕВА Светлана Юрьевна

ФЕИОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МАССОВЫХ ВИДОВ МАКРОВОДОРОСЛЕЙ В ЗАЛИВЕ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

03.02.10 - гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ДЕК 2013

Владивосток 2013

005542524

Работа выполнена в Лаборатории физиологии автотрофных организмов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН (ИБМ ДВО РАН)

Научный руководитель

доктор биологических наук,

профессор Титлянов Эдуард Антонинович

Официальные оппоненты: Мощенко Александр Владимирович,

доктор биологических наук,

ФГБУН Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского ДВО РАН, ведущий научный сотрудник

Кулепанов Владимир Николаевич,

кандидат биологических наук,

ФГУП Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр (ТИНРО-центр), заведующий сектором

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Мурманский морской биологический институт Кольского научного центра РАН (ММБИ КНЦ РАН)

Защита состоится «26» декабря 2013 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 005.008.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Пальчевского, 17, факс (4232)2310900. Электронный адрес: inmarbio@mail.primorye.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Е.Е. Костина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие виды морских макрофитов, относящихся к отделам красных и бурых водорослей, обладают высокой степенью морфологической изменчивости, что связано как с действием внешних факторов среды на организм в процессе онтогенеза, так и с внутренней генетической обусловленностью, задающей границы способности реагировать на внешние условия путем изменения морфофизиологических параметров.

В настоящее время процессу формирования внутривидовых форм водорослей посвящено достаточно большое количество работ, но почти все они при исследовании затрагивают лишь влияние одного или двух совокупно воздействующих факторов среды на морфологию, тогда как данный процесс обусловлен влиянием гораздо более сложного комплекса внешних факторов. Поэтому наиболее целесообразно применять совокупный анализ, изучая комплекс внешних факторов, воздействующих на растения, ответ особей на действие этих факторов и характеристики генома организма, что позволит более полно понять закономерности и механизмы адаптивных процессов.

Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию морфологического разнообразия морских макрофитов в зал. Петра Великого (Перестенко, 1980; Крупнова, 1985; Пржеменецкая, 1988; Титлянова и др. 1990; Титлянов и др. 1993; Скрипцова и др., 1998; Кулепанов и др., 2002; Яковлева, Скрипцова, 2002; Иванова, Гусарова, 2005; Skriptsova, Yakovleva, 2002; Чербаджи, Титлянов, 1998), лишь в немногих исследованиях уделяется внимание изучению вклада отдельных морфологических признаков в межпопуляционную морфологическую неоднородность (Титлянова и др. 1990; Кулепанов и др., 2002; Skriptsova, Yakovleva, 2002). Вопросы формообразования в зависимости от условий внешней среды массовых видов красных и бурых водорослей в зал. Петра Великого в настоящее время являются актуальными в связи с климатическими изменениями и антропогенном прессом и нуждаются в более тщательном изучении. Выяснение характера и степени воздействия основных факторов среды на формирование морфологических особенностей морских макрофитов в процессе онтоморфогенеза способствует выяснению базовых процессов формообразования, способных объяснить эволюционную направленность видообразования и их экологическую обусловленность. Кроме того, к настоящему времени остаются открытыми вопросы, касающиеся таксономического статуса некоторых внутривидовых форм полиморфных видов водорослей. Несмотря на то что полиморфизм пластинчатой бурой водоросли TJndaria pinnatifida изучался и ранее (Скрипцова, 2008; Dan, Kato, 2008), для зал. Петра Великого сведения о полиморфизме и его причинах к настоящему времени практически отсутствуют. Кроме того, в более тщательных исследованиях причин полиморфизма нуждаются виды макрофитов, встречающиеся в зал. Петра Великого в прикрепленном и неприкрепленном состоянии, в частности виды красных водорослей Chondrus armatus и Ahnfeltiopsis flabelliformis.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы было изучение морфологической изменчивости полиморфных широко распространенных в зал. Петра Великого бурых и красных макроводорослей в градиентных условиях среды и выявление ведущих факторов, определяющих эту изменчивость.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) выявление внутривидовых форм у водорослей из отдела Ochrophyta- Undaria pinnatiflda и отдела Rhodophyta - Chondrus armatus, Ahnfeltiopsis flabelliformis-,

2) исследование внутри- и межпопуляционной изменчивости таксономически значимых признаков;

3) уточнение таксономического статуса форм исследуемых видов в пределах зал. Петра Великого и выявление диагностических макроморфологических признаков;

4) выявление характера зависимости количественных морфологических признаков от условий внешней среды, установление общих закономерностей процесса формообразования у этих видов в зависимости от гидрологических, гидрохимических и световых условий обитания.

Научная новизна. Впервые для зал. Петра Великого описаны три морфологически различающиеся формы бурой водоросли Undaria pinnatiflda. Доказано, что специфическая морфология этих форм не закреплена генетически, а формируется в результате адаптации к факторам внешней среды, ведущими из которых являются интенсивность водообмена, освещенности и степень прибойности.

Впервые доказано, что прикрепленная и неприкрепленная морфологические формы красной водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis существенно различаются генетически, что указывает на существующую изоляцию популяции неприкрепленной формы и правомерность присвоения ей отдельного таксономического статуса в пределах рода Ahnfeltiopsis.

Установлено, что прикрепленная и неприкрепленная морфологические формы Chondrus armatus генетически не дифференцированы. Предполагается, что неприкрепленная форма, обитая в водорослевом пласте, адаптируется к условиям слабого водообмена и низкой интенсивности освещения через морфофизиологические изменения талломов.

Личный вклад автора. Автором обработан материал, собранный в зал. Петра Великого с 2009 по 2012 гг., выполнена статистическая и графическая обработка полученных данных, их анализ, обобщение и сопоставление с имеющими литературными данными. Объем фактического материала - 740 образцов для морфологического анализа и 241 образец для генетического и аллозимного анализа.

Практическая значимость работы. Объекты исследования, представленные в настоящей работе, включают как промысловые, так и потенциально пригодные для промысла виды красных и бурых водорослей. Выявление морфологически наиболее продуктивных форм водорослей и условий их формирования может быть использовано на практике при их промышленном культивировании.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Китайско-Российском билатеральном симпозиуме «Comparison on Marine Biodiversity in the Northwest Pacific Ocean» (2010 г.), на ежегодных конференциях молодых ученых Института биологии моря ДВО РАН (2010-2013 гг.), на Второй Всероссийской научной молодежной конференции-школе «Проблемы экологии морского шельфа» (2011), на XI Региональной конференции студентов, аспирантов вузов и научных организаций Дальнего Востока России «Актуальные проблемы экологии, морской биологии и биотехнологии»

(2012), на Китайско-Российском билатеральном симпозиуме «Marine Ecosystems under the Global Change in the Northwestern Pacific» (2012).

Публикации. Материалы диссертации представлены в 6 публикациях, в том числе в двух статьях, опубликованных в отечественном и зарубежном рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы, включающего 254 источника, из которых 199 на иностранном языке, и приложения. Работа изложена на 190 страницах, иллюстрирована 24 рисунками и 23 таблицами.

Благодарности. Автор выражает глубочайшую благодарность научным руководителям: д.б.н. Э.А. Титлянову и к.б.н. А.В. Скрипцовой за неоценимую помощь на всех этапах планирования, выполнения и написания работы, надежное руководство, ценные замечания и советы, а также коллективу лаборатории физиологии автотрофных организмов за поддержку, помощь и понимание. Большое спасибо сотруднику лаборатории генетики Н.И. Заславской за помощь и содействие на практическом этапе выполнения работы и консультации по необходимым вопросам. Хочется поблагодарить всех тех сотрудников ИБМ им. Жирмунского ДВО РАН, кто тем или иным образом содействовал выполнению работы, за помощь, поддержку и доброжелательное отношение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛИМОРФИЗМА МОРСКИХ МАКРОФИТОВ

Явление внутривидового морфологического полиморфизма достаточно широко распространено у многих морских макрофитов (Хайлов, Парчевский, 1983; Mathieson et al., 1981). Данные организмы являются в этом отношении показательными объектами с широкими возможностями адаптации к градиенту условий среды.

Морфология морских макрофитов обуславливается влиянием совокупности внутренних и внешних факторов. Внутренним фактором является генотип вида, определяющий основные закономерности морфогенеза растения и задающий определенные границы вариабельности морфофункциональных характеристик в ответ на изменение условий среды обитания, а также неравномерность роста частей таллома в онтогенезе, в результате чего разновозрастные особи одного и того же вида в одинаковых условиях могут существенно различаться морфологически.

Важнейшими экзогенными факторами, оказывающими влияние на жизнедеятельность и особенности формирования талломов морских макрофитов, считаются движение воды (гидродинамика), освещенность (количество и качество света) и концентрация биогенных веществ (Хайлов, Парчевский, 1983; Ковардаков и др., 1985; Возжинская, Камнев, 1994; Dudgeon et al., 1995; Blanchette et al., 2002 и др.). Меньшее влияние на морфологию водорослей оказывают температура (Силкин и др., 2010; Serisawa et al., 2002а), соленость (Малавенда, 2007), биотические факторы (Van Alstyne, 1989; Duffy, Hay, 1990), а также взаимодействие различных внешних факторов (Cheshire, Hallam, 1989; van Tussenbroek, 1989). Изменение того или иного параметра среды

вызывает ответную реакцию организма, направленную на компенсацию воздействия данного фактора путем морфологических и физиологических перестроек. Часто эти реакции сходны у морфологически близких видов (Lüning, 1979; Duggins et al., 2003; Koehl et al., 2008). В главе подробно рассматривается степень изученности характера воздействия биогенных и абиогенных факторов среды, а также комплексного влияния внешних факторов на закономерности формирования морфологии пластинчатых и кустистых талломов и их адаптивные возможности.

Полиморфизм морских растительных организмов - достаточно актуальная тема с точки зрения эволюционного подхода к формированию видов и внутривидовых различий. Выявление факторов, оказывающих значимое влияние на процессы формообразования, позволяет прояснить вопрос об историческом процессе адаптации и об условиях, которые сопровождали вид и его формирование на протяжении больших отрезков времени.

В заливе Петра Великого к настоящему времени исследован полиморфизм таких видов как Tichocarpus crinitus (Яковлева, Скрипцова, 2002), Gracilaria vermiculophylla (Рыгалов и др., 1988; Скрипцова и др., 1998; Skriptsova, Yakovleva, 2002) (Rhodophyta) и Sacharina japónica (=Lamiiiaria japónica) (Крупнова, 1985; Иванова, Гусарова, 2005), Costaría costata (Пржеменец-кая, 1988; Кулепанов и др., 2002) (Phaeophyceae). Однако проведенные исследования недостаточно раскрывают закономерности распределения полиморфных видов в градиенте условий среды обитания и причины, обуславливающие наличие морфологически различных форм видов макрофигов в заливе, что требует дальнейших более тщательных исследований как по воздействию отдельных факторов на полиморфные виды, так и комплексный подход, включающий полевые наблюдения и экспериментальные исследования.

В настоящей работе основное внимание было уделено выявлению зависимости морфологических признаков от таких внешних факторов как освещенность и водообмен (интенсивность движения воды и степень прибойности), поскольку данные параметры являются определяющими как в распространении водорослей, так и в их морфологических особенностях. Кроме того, была рассмотрена внутренняя природа полиморфизма как возможная причина устойчивого сохранения морфологических различий у исследуемых видов.

Глава 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования морфологической изменчивости водорослей проводили в акватории залива Петра Великого. Залив Петра Великого расположен в северо-западной части Японского моря. Береговая линия залива очень извилиста и образует много вторичных заливов и бухт, наиболее крупными и значительными из них являются заливы Посьета, Амурский, Уссурийский, Стрелок, Восток и Находка. В главе дана краткая характеристика районов исследования, включающая Уссурийский, Амурский заливы, пролив Старка, о-в Энгельма, заливы Посьет и Восток, бухту Сивучью. При описании природных условий указанных районов основное внимание уделено факторам среды, оказывающим наибольшее влияние на морфологию водорослей.

Глава 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследований послужили макроводоросли с пластинчатыми: 11пс1апарт-пайАда (Ос1тгорЬу1а, класс РЬаеорЬусеае) и кустистыми талломами: Скопс1гш агтЛиз и Акп-^ЫНорзЫ АаЬеШ/огт1$ (Шюс1орЬу1:а). Перечисленные виды характеризуются высокой морфологической изменчивостью (Макиенко, 1970; Перестенко, 1980; Скрипцова, 2008).

Исследования, послужившие основой для написания настоящей диссертационной работы, проводились с 2009 по 2012 годы. Они включали сбор образцов выбранных для анализа видов из 12 различных по особенностям комплекса факторов среды местообитаний в зал. Петра Великого (рис. 1) и последующий их морфолого-анатомический и генетический анализ. Кроме того, проводились лабораторные и полевые эксперименты по изучению влияния факторов среды на морфологию.

Рис. 1. Места сбора материала в зал. Петра Великого. 1 — м. Зеленый (Ь); 2 — бухта Соболь (8); 3-м. Красный (I); 4 - п-ов Песчаный, напротив г. Столовой, пласт АЫ-/гШа ¡оЬисЫетгя (14); 5 — коса Дарагана (пролив Старка) (Б); 6 - о-в Энгельма (Е); 7 — м. Михельсона (М); 8-м. Андреева (А); 9-м. Таранцева (Т); 10-м. Бу-такова (В); 11-м. Островок Фальшивый (Р), 12-6. Восток (зал. Восток) (V)

Для того, чтобы определить вклад факторов внешней среды в формирование морфологических особенностей исследуемых видов, были исследованы основные параметры, включающие интенсивность освещенности на глубине произрастания исследуемых видов, степень открытости мест волновому воздействию, определяющую степень прибойности, интенсивность водообмена, отражающую микромасштабные потоки воды вокруг талломов, концентрации биогенных элементов (ионов аммония и фосфатов, растворенных в воде). Логическая схема исследований дана на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм анализа фенотипической изменчивости макроводорослей

Глава 4. МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ ШОАША РШЫАШЮА В ЗАЛИВЕ ПЕТРА ВЕЛИКОГО И ФАКТОРЫ, ЕГО ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ

4.1. Морфологическая изменчивость 1!п(1апар'тпа^икх в зал. Петра Великого

Статистически значимые различия обнаружены у особей II. ртпШ1Ас1а из 8 местообитаний в зал. Петра Великого. Все измеренные морфологические параметры слоевища (длина таллома, пластины, стволика, ширина пластины и ее нерассеченной части) значимо различаются среди водорослей, собранных в разных участках акватории (табл. 1).

Наиболее вариабельными признаками являются длина таллома (ТЬ) и стволика (81:Ь) и ширина нерассеченной части пластины Все исследованные особи 1]пс1апа

ртпа0с1а были разделены на три группы (рис. 3). Достоверность выделения данных

кластеров подтверждена статистически (АМОБГМ: 11(С-В)=0.886; ЩС-В)=0.654; Я(В— 0)=1.000; р<1%). В первую группу вошли растения с м. Бутакова (группа В, рис. 3), во вторую - с косы Дарагана (группа В, рис. 3). Группу С образовали водоросли, собранные из бухт Соболь и Лазурная, а также из залива Посьета (м. Михельсона, м. Таранцева, м. Андреева) и у о-ва Энгельма. Выделение этих групп наиболее очевидно по размерным морфологическим признакам (длина таллома и стволика, ширина пластины и ее нерассе-ченной части).

Таблица 1

Средние величины измеренных морфологических признаков 11пс1апа ртпай^йа в

Местообитание ТЬ, см ВЬ, см вгь, см см BW, см BW/WW

В 119.7±4.1* 87.4±3.2 32.3±1.7* 6.7±0.3 50.6±2.6 7.9±0.5

А 72.9±2.5 58.9±2.1 13.5±0.8 6.0±0.3 45.2±1.7 7.8±0.3

Ь 61.8±2.2 49.3±2.1 12.4±0.4 7.6±0.5 35.6±1.8 5.9±1.2

Б 70.0±2.2 56.2±1.9 13.8±0.6 8.2±0.3 39.7±1.4 5.1±0.2

М 77.3±2.4 63.1±2.3 14.1±0.9 7.1±0.4 58.8±2.8 8.5±0.4

Т 72.2±6.4 57.4±5.5 14.7±1.4 5.9±0.4 57.2±3.9 10.1 ±0.7

О 43.5±2.5 30.5±2.3 13.1±0.4 14.6±0.7* 54.8±1.9 4.1±0.2*

Е 68.2±2.5 55.9±2.1 12.3±0.5 9.4±0.4 47.4±1.6 5.5±0.3

*- данные морфологические признаки у водорослей из данных местообитаний значимо отличаются (при р<0.05) от таковых у водорослей из прочих участков залива Петра Великого. В таблице даны средние значения и ошибка среднего (±8Е). ТЬ - длина таллома, ВЬ - длина пластины, БЛ — длина стволика, - ширина нерассеченной части пластины, - общая ширина пластины, ТЬ/^Ь - отношение длины таллома к длине стволика, ВАУЛУ\У - отношение ширины пластины к ширине ее нерассеченной части, ВЬЛ^ — отношение длины пластины к ее ширине. Условные обозначения экотопов даны на рис. 1.

Сравнение совокупностей признаков особей, произрастающих в восьми местообитаниях залива, позволило выделить три морфологически различные формы (рис. 4).

Форма В включает растения, имеющие удлиненный таллом с длинным стволиком, составляющим до 1/3 длины таллома, и наличие четко выраженной переходной зоны между спорофиллом и пластиной. Особи данной формы встречаются у м. Бутакова, в местообитании с наивысшей, 4-й степенью прибойности.

Особи формы С характеризуются промежуточными значениями морфологических параметров между формами В и Б и наиболее широко распространены в заливе Петра Великого. Интенсивность водообмена в местах произрастания данной формы варьирует в пределах 3-4.1 мг гипса/(см2ч), для них отмечена третья степень прибойности, соответствующая умеренно защищенным берегам.

Для растений формы Б характерно отношение длины пластины к ее ширине, составляющее менее 1, широкая нерассеченная часть пластины и отсутствие переходной зоны между спорофиллом и пластиной. Коса Дарагана в прол. Старка, где встречается форма Б,

характеризуется высокой интенсивностью водообмена (5.4-5.7 мг гипса/(см2ч)) и наименьшей степенью прибойности (2-я), связанной с тем, что это узкий пролив, закрытый от волн.

Рис. 3. Результат МОБ анализа исследованных образцов ипйапа pw.natifi.da на основе абсолютных значений морфологических параметров таллома. В, Б и С - выделенные кластеры. Условные обозначения экотопов даны в главе «Материалы и методы»

Результаты микросателлитнбго и ПДАФ анализа показали, что генетический полиморфизм и. pinna.tifi.da в зал. Петра Великого достаточно низкий. Наиболее генетически удаленной оказалась популяция у м. Бутакова, представленная морфологически дифференцированной формой В. Следует отметить, что генетические различия между особями одного вида с различающейся морфологией не всегда подтверждают, что их специфические морфологические признаки закреплены на генетическом уровне. Поэтому дополнительно было осуществлено выращивание трех морфологически дифференцированных форм в одинаковых условиях среды.

Экспериментальное выращивание двух наиболее морфологически дистантных форм и. ртпаИАс1а (В и Б) в одинаковых условиях среды на плантации показало, что потомки формы О после выращивания потеряли свои специфические морфологические признаки, такие как: короткая и широкая пластина и отсутствие переходной зоны между спорофиллом и пластиной - и по габитусу приблизилась к форме В (рис. 4). Особи формы В также утратили одну из характерных особенностей - глубоко рассеченную пластину (рис. 4). Следует отметить, что условия выращивания были близки по набору факторов среды к местообитанию, где произрастает форма В.

Рис. 4. Внешний вид трех форм ипс1аг1артпШ'фйа и потомков форм В и Э, выращенных в одинаковых условиях на плантации

Таким образом, комплексное исследование, включающее генетический анализ и экспериментальное выращивание трех морфологически дифференцированных форм и. ртпаИА<1а в одинаковых условиях среды, показало, что специфическая морфология выделенных форм в заливе Петра Великого не является генетически детерминированной, а формируется под влиянием условий их обитания. Это дает основание отнести исследуемые формы и. ртпайДйа к экоморфам (Алеев, 1986).

4.2. Фенотипическая изменчивость \Jndaria ртпайДйа в градиенте условий

обитания

Изучение вклада условий обитания в формирование той или иной морфологии талломов и. ртпайАйа проводилось с помощью полевых наблюдений и экспериментальных исследований. Показано, что уменьшение интенсивности освещения способствует формированию более длинной и широкой пластины и длинного стволика у исследуемого вида. Также для С/. ртпапАйа отмечено увеличение длины таллома, пластины и стволика, а также отношения длины пластины к ее ширине с увеличением степени при-бойности, поскольку такая морфология способствует снижению негативного воздействия этого фактора. При интенсивном водообмене у водоросли отмечено увеличение ширины нерассеченной части пластины и уменьшение длины пластины за счет истирания талломов о субстрат и друг о друга. Лабораторными экспериментами была подтверждена

зависимость морфологических параметров ундарии от интенсивности водообмена и освещенности.

Таким образом, в акватории зал. Петра Великого многообразие условий обитания способствует возникновению фенотипического полиморфизма у 11пс1апа ртпаНАс1а. Ведущими факторами внешней среды, определяющими морфологию данного вида в зал. Петра Великого, являются освещенность, степень прибойности и интенсивность водообмена. Общими закономерностями формообразования пластинчатых водорослей под действием факторов среды являются повышение площади поверхности таллома за счет увеличения длины или ширины пластины при снижении освещенности, а также формирование узких удлиненных пластин в условиях сильной прибойности.

Глава 5. МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ СНОИОЯиБ АЯМА ГС/5" И АШГГЕЬТЮРБШ Р1АВЕШРОКМ18 В ЗАЛИВЕ ПЕТРА ВЕЛИКОГО И ФАКТОРЫ, ЕГО ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ

5.1. Морфологическая изменчивость С1гоп(1ги\ агпииш и ЛИп/еШорь'и/1аЬе1И-

/опт.ч в зал. Петра Великого

Между прикрепленной и неприкрепленной формой Л/ги/ёЙорда/1аЬе1П/огт13 были выявлены значимые морфологические различия (табл. 2), тогда как особи прикрепленной формы, собранные из 4-х разных местообитаний, были морфологически сходны.

Таблица 2

Основные морфометрические признаки прикрепленной и неприкрепленной форм Акп/е1-Иорвгь АаЬеШ/огт15 и Скопйгив агташ из зал. Петра Великого

СкопсЬт агташз

Прикрепленная форма Неприкрепленная форма Прикрепленная форма Неприкрепленная форма

ь 6.71±0.21 9.42±0.2б* 9.81±0.66 14.2±0.69*

N 9.6±0.28 6.85±0.17* 4.25±0.2 7.75±0.32*

к 15.7±2.17 12.5±1.04 10.8±1.14 29.8±3.62

N0 1.84±0.25 2.32±0.27 3.53±0.24 2.32±0.27

N1 3.71±0.7 3.36±0.38 4.39±0.28 3.41±0.4*

И2 3.38±0.37 2.43±0.16* 5.96±0.48 2.41±0.17*

N3 3.69±0.43 2.62±0.19* 6.5±0.7 2.67±0.19*

Ьо 1.44±0.25 1.8±0.29 7.41±0.59 1.84±0.31

и 0.75±0.1 1.38±0.12* 1.74±0.12 1.41±0.13

и 0.87±0.12 1.46±0.1* 0.66±0.12 1,48±0.1

и 0.62±0.07 1.53±0.12* 0.41±0.06 1.52±0.13*

*- данные морфологические признаки значимо различаются у прикрепелнной и неприкрепленной формы вида (при р < 0.05). В таблице даны средние значения и ошибка среднего (± вЕ). Ь - высота таллома, см; N - количество порядков ветвления, к - степень кустистости, N0-N3 — удельное количество ветвей на оси 0-3-го порядка, шт/см; Ьо- Ь3 - длина ветвей неограниченного роста 0-3-го порядков, см. Прикрепленная форма была собрана у м. Красный, неприкрепленная - из пласта анфельции, расположенного в Амурском заливе в районе г. Столовой.

Такие признаки как высота таллома, количество порядков ветвления, степень кустистости, средняя длина ветвей 1-го, 2-го и 3-го порядков и удельное количество ветвей на осях 2-го и 3-го порядков у неприкрепленной формы значимо отличались от особей всех популяций, представленных прикрепленной формой. Прикрепленная и неприкрепленная формы А. /1аЬеШ/огт1в статистически достоверно (Я = 0.616, р < 0.1%, АМ> Б1М) разделяются по морфологии на два кластера (рис. 5).

Рис. 5. Результат МББ анализа исследованных образцов Акп/еШор$1з АаЬеШ/огт1$ на основе абсолютных значений морфологических параметров таллома. Условные обозначения экотопов даны в главе «Материалы и методы» (рис. 1)

Наши исследования подтвердили существование двух четко различающихся морфологических форм А. /1аЬеШ/огт1з в зал. Петра Великого. Диагностическими признаками неприкрепленной формы А. АаЬеШ/огтгз являются отсутствие репродуктивных органов и органов прикрепления. Неприкрепленная форма ветвится редко, равно- или неравнодихотомически по всей длине таллома. Цилиндрические ветви примерно одинаковой толщины по всей длине таллома, сдавленные только у верхушек, верхушки заостренные. Встречается только в пластах Акп/еШа 1оЬисМепз1$ в зал. Петра Великого (Ма-киенко, 1970; Перестенко, 1980).

Проведенный ПДАФ-анализ популяций прикрепленной и неприкрепленной формы /1аЬеШ^тт выявил высокую степень межпопуляционной дифференциации. На основе 10 парных комбинаций праймеров было выделено 268 фрагментов ДНК, из них 152 (56.72%) были полиморфны для обеих популяций. Индекс генетического сходства Нея (№1, 1978) между двумя формами из двух популяций из Амурского залива достаточно низок и составляет 0.66, что свидетельствует о высокой степени генетической обособленности популяций друг от друга. На дендрограмме, построенной с использованием невзвешенного парно-группового метода кластерного анализа, генетическое расстояние между выделившимися кластерами, представляющими прикрепленную и неприкрепленную формы, превышает 0.3 (рис. 6).

Биезз 0.11

Прикрепленная / форма

0,4

0,3

I 0.2

0.1

0.0

Рис. 6. Дендрограмма, показывающая генетические связи между выборками из популяций прикрепленной и неприкрепленной форм Акп/еШор$1з АаЬеШ/огт1з, основанная на данных генетических расстояний. Бутстрэп значения выше 50 обозначены на рисунке. I - особи прикрепленной формы, Амурский зал., м. Красный; N - особи неприкрепленной формы, Амурский зал., г. Столовая

Аллозимный анализ также выявил существование различий на генетическом уровне у прикрепленной и неприкрепленной форм А. /1аЬеШ/огт13. По исследованному локусу, кодирующему фермент глюкозо-6-фосфат изомеразу (Ор0, две выборки А. АаЬеШ/огт1з из Амурского залива (прикрепленная и неприкрепленная формы) статистически существенно отличались друг от друга (Р < 0.01).

Основываясь на результатах ПДАФ и аллозимного анализа прикрепленной и неприкрепленной формы АИг$еШорз1в АаЪеШ/огт1з, можно предположить, что экологическая изоляция неприкрепленной формы и длительное ее существование в специфических условиях обусловило генетическую обособленность формы. Однако найденная высокая степень генетических различий между формами может также объясняться тем, что таксономический статус неприкрепленной формы А. /1аЬеШ/огт1з ранее был определен неверно. В этом случае логичным является предположение о том, что неприкрепленная форма является либо самостоятельным экологически и репродуктивно изолированным видом, либо внутривидовой генетически обособленной формой.

Таким образом, экологическая специализация неприкрепленной формы АкгфгШорягз АаЬеШ/огт'я, существенные отличия в морфолого-анатомических параметрах, образе жизни и способе размножения от таковых у прикрепленной формы вида, а также установленная в настоящем исследовании генетическая дифференциация неприкрепленной формы дает основание выделять данную форму в качестве подвида либо отдельного вида.

Талломы Скопйгш агтМия из 7 мест сбора в зал. Петра Великого обладают высокой степенью морфологической изменчивости в пределах вида. Такие признаки как высота таллома, количество порядков ветвления, удельное ветвление значимо отличались

Неприкрепленная форма

Прикрепленная форма

у особей из популяции неприкрепленной формы (пласт анфельции в Амурском заливе) от особей из популяций, растущих в прикрепленном состоянии (табл. 2). Эти морфологические параметры (более редкое ветвление, большая высота и число порядков ветвления неприкрепленной формы по сравнению с прикрепленной формой), наряду с отсутствием органов прикрепления, отчетливо выраженной главной оси являются диагностическими признаками неприкрепленной формы С. агтаШз.

Разделение прикрепленной и неприкрепленной форм С. агтаШ по морфологии подтверждается статистическим анализом (Я= 0.924, р<0.1%, АЫОБТМ) (рис. 7).

Рис. 7. Результат )УГО8 анализа исследованных образцов СкоМгт агтаШ на основе относительных значений морфологических параметров таллома. Условные обозначения экотопов даны в главе «Материалы и методы» (табл. 1).

Проведенный ПДАФ-анализ показал относительную генетическую однородность популяции прикрепленной формы и высокий полиморфизм популяции неприкрепленной формы С. агтМт из пласта анфельции (рис. 8). Было выявлено, что образцы прикрепленной формы с высокой степенью достоверности (бутстрэп = 94%) выделяются в отдельный кластер, тогда как образцы, принадлежащие неприкрепленной форме С. агтаШй, распадаются на два кластера, один из которых сравнительно близок к популяции прикрепленной формы (индекс генетического расстояния Нея < 0.1).

Проведенный аллозимный анализ выявил отсутствие обособленности между прикрепленной и неприкрепленной формами у вида С. агтМш. По исследованному ло-кусу, кодирующему фермент глюкозо-6-фосфат изомеразу (ОрГ) прикрепленная и неприкрепленная формы С. агтаШь характеризуются отсутствием изменчивости - у них фиксирован один и тот же аллель.

Неприкрепленная форма

Прикрепленная форма

Stress 0

0,6

0,7 0.6 0,5 0,4 0.3 0,2

0.1

0.0

Неприкр. форма Прикрепленная форма Неприкр. форма

Рис. 8. Дендрограмма, показывающая генетические связи между двумя выборками СкопА~из агтШиз из зал. Петра Великого на основании данных генетических расстояний. Бутст-рэп значения выше 50 обозначены на рисунке. I - особи прикрепленной формы, Амурский зал., м. Красный; N - особи неприкрепленной формы, Амурский зал., г. Столовая

Результаты ПДАФ и аллозимного анализов показывают, что популяции неприкрепленной и прикрепленной формы С. агтаШэ близки на генетическом уровне. Отсутствие генетической дифференциации между формами может служить свидетельством того, что неприкрепленная форма данного вида, по-видимому, является экоморфой и формируется как выражение морфологической изменчивости, проявляющееся в условиях неприкрепленного существования при низком водообмене и освещенности (10% ФАРп и менее).

5.2. Фенотипическая изменчивость Скопйгт агтмт в градиенте условий обитания

Согласно проведенным в природе наблюдениям можно отметить, что наиболее значимыми факторами, которые определяющим образом влияют на формирование талломов неприкрепленной формы С. агтаШз, являются освещенность и движение воды. Освещенность (ФАР) на глубине произрастания неприкрепленной формы составляет 36% ФАРп, тогда как талломы прикрепленной формы встречаются в диапазоне освещенности от 6 до 65% ФАРп. Водообмен (КТВ) в условиях обитания прикрепленной формы варьирует в пределах от 2.1 до 5.2 мг гипса/(см ч).

Высота таллома СкопсЬгт агтаШ в значительной степени зависит от интенсивности освещения, тогда как степень кустистости определяется как интенсивностью освещения, так и водообменом (табл. 3). Низкий уровень солнечной радиации и низкий водообмен способствуют повышению густоты ветвления талломов. Можно также отметить, что повышение интенсивности водообмена и освещенности вызывает снижение значений удельного ветвления на осях 0-1-го порядков.

100 100

| 94,3

-г-1--, 99.8 „п

94,8^° ГП Л00 Г1!'5 ГГ"1

NNN1 I I > 1 I I I 1

Таблица 3

Результаты пошагового регрессионного анализа отдельных морфологических признаков _СИопФиз агтаШ и факторов среды___

Зависимая переменная Независимая переменная Шаг г г2 change F,„ Pi Р Р2

h ФАР 1 0.293 0.086 6.031 0.017 -0.284* 0.017

ФАР 1 0.658 0.434 49.078 0.000 -0.550* 0.000

к КТВ 2 0.679 0.027 3.191 0.079 -0.198 0.078

N КТВ 1 0.204 0.042 2.774 0.101 -0.204 0.101

N0 ФАР 1 0.685 0.470 56.659 0.000 -0.685* 0.000

N, ФАР 1 0.314 0.099 6.995 0.010 -0.314* 0.010

n2 ФАР 1 0.258 0.067 4.583 0.036 -0.258* 0.036

Примечание. Данные статистически значимы при р<0.05. г - коэффициент множественной корреляции, Fin - F включения, pi - вероятность справедливости Н0: г = О, Р - коэффициент множественной регрессии, р2 - вероятность справедливости Н0: Р = 0. Условные обозначения морфологических признаков даны в табл. 2.

Исследования зависимости морфологии Chondrus armatus от факторов среды (интенсивность водообмена и освещенности) показали, что такие морфологические параметры как высота и густота ветвления таллома, выраженная через степень его кустистости и удельного количества ветвей, в значительной степени определяются интенсивностью освещения и водообмена, при этом на высоту таллома в большей мере влияет интенсивность освещения. Таким образом, морфология талломов С. armatus определяется как интенсивностью водообмена, так и освещенностью. Совокупное воздействие данных факторов на неприкрепленную форму водоросли, а также неприкрепленный образ жизни способствует образованию формы, существенно отличающейся по морфологическим параметрам от прикрепленной формы С. armatus.

Глава 6. ОБСУЖДЕНИЕ

В главе обсуждаются характер и природа полиморфизма макроводорослей в градиентных условиях среды. Исследования показали, что в заливе Петра Великого морфология полиморфных видов в разной степени зависит от внешних и внутренних факторов. Для бурой пластинчатой водоросли Undaria pinnatifida в заливе отмечено существование трех морфологически обособленных форм, обусловленных влиянием факторов внешней среды (интенсивность водообмена, степень прибойности, освещенность). Указанные параметры среды также оказывают влияние на формирование талломов красной кустистой водоросли Chondrus armatus. Фенотипический полиморфизм данных видов является следствием их широких адаптационных возможностей, проявляющихся в образовании отдельных экоморф. Для красной кустистой водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis было выявлено, что неприкрепленная форма вида имеет генетическую дифференциацию, которая наряду с морфологическими отличиями служит подтверждением принадлежности неприкрепленной формы к отдельному экотипу либо подвиду.

Результаты полевых наблюдений, лабораторных экспериментов и анализа литературных данных показали, что водоросли с пластинчатыми талломами, обитающие в градиенте интенсивности водообмена и освещенности, формируют сходные морфологические черты, что является следствием общности их жизненной формы.

Так, с увеличением интенсивности водообмена у Undaria pinnatiflda возрастает ширина пластины и ее нерассеченной части, тогда как показатели длины таллома и его частей (длина стволика, длина пластины) почти не зависят от данного экологического фактора. На косе Дарагана - в местообитании с наиболее сильным водообменом, - формируются массивные широкие талломы. В тоже время, коса Дарагана - это местообитание с низкой степенью прибойности, а, следовательно, не подверженное разрушающему действию волн. Наблюдаемые морфологические особенности ундарии из данного местообитания согласуются с наблюдениями других исследователей (Sj0tun, Fredriksen, 1995; Kawamata, 2001; Кулепанов и др., 2002; Haring, Carpenter, 2007; Wing et al., 2007), которые показали, что у пластинчатых макроводорослей из защищенных от воздействия волн местообитаний формируются более короткие и широкие талломы по сравнению с талломами из открытых прибойных мест. Кроме того, в местообитаниях с интенсивным водообменом водоросли лучше обеспечены элементами минерального питания по сравнению с местами, где наблюдается слабое движение воды, даже при равных концентрациях этих веществ в среде. В результате улучшения трофических условий усиливается рост таллома и отдельных его частей, что ведет к росту более крупных слоевищ, если прочие факторы не лимитируют развитие организма (Терехова, 1972; Parker, 1981; Thomas, Cor-nelisen, 2003; Barr et al., 2008). Поэтому формирование массивных широких, слаборассе-ченных слоевищ у Undaria pinnatiflda, произрастающих на косе Дарагана в проливе Старка, предположительно обусловлено в большей степени хорошей обеспеченностью растений биогенами. Экспериментальные исследования по влиянию различных концентраций на морфологию талломов U. pinnatiflda также подтвердили результаты полевых наблюдений. Однако в условиях интенсивного течения на косе Дарагана в результате постоянного обрыва верхушечной части пластины у U. pinnatiflda формировались талломы, у которых ширина пластины могла превышать ее длину, поскольку помимо улучшения трофических условий высокие скорости протока воды могут оказывать и негативное воздействие на талломы водорослей, вызывая их повреждение (Koehl, 1986; Koehl, Alberte, 1988; Kawamata, 2001; Wolcott, 2007).

Волновая активность также оказывает воздействие на макрофиты, обитающие на мелководье. Макрофиты, адаптируясь к постоянному стрессовому воздействию волн, приобретают характерные черты внешнего строения, позволяющие противостоять разрушительному воздействию волновой активности. Было показано, что на открытых местах формируются талломы с длинной и узкой пластиной (Kanda, 1936; Gerard, Mann, 1979; Kawamata, 2001; Stewart, Carpenter, 2003; Weinberg, Thomsen, 2005; Wing et al., 2007; Koehl et al., 2008). Морфологическая адаптация к высокой прибойности прослеживается и в нашем исследовании. На м. Бутакова, характеризующимся наивысшей степенью прибойности среди обследованных местообитаний ундарии (4 по сравнению с 2-3 для прочих местообитаний), у водорослей формировались наиболее узкие и длинные

талломы с плоской и гибкой пластиной. Как показали исследования, такая морфология способствует снижению турбулентности вокруг таллома, увеличивает обтекаемость и прочность объекта и, следовательно, уменьшает вероятность его смещения током воды, а также повышает его устойчивость к отрыванию от субстрата и повреждению (Kawamata, 2001; Haring, Carpenter, 2007; Koehl et al., 2008).

Помимо высокой степени прибойности, у м. Бутакова, благодаря густым зарослям, поверхности талломов водорослей достигает лишь 35-40% от ФАРп, что в 1.5-1.7 раз меньше, чем в прочих исследованных местообитаниях водорослей на той же глубине. Хорошо известно, что эффективная ориентация фотосинтетических структур к потоку света - это одна из основных биологических реакций, которая соответствует интенсификации поглощения света в связи с увеличением площади поверхности организма (Haring, Carpenter, 2007). Наши наблюдения показали, что при снижении освещенности при прочих равных параметрах среды в местах произрастания исследуемых видов у U. pinnatiflda формировались талломы с более длинным стволиком и широкой пластиной. Полученные результаты подтверждаются работами других исследователей, в которых показано, что увеличение площади таллома за счет увеличения длины или ширины пластины является следствием приспособляемости к условиям пониженного освещения (Markager, Sand-Jensen, 1992; Collado-Vides, Ruesink, 2002; Haring, Carpenter, 2007). Полевые наблюдения были подтверждены и экспериментальными исследованиями.

На основании собственных результатов можно сделать вывод, что ведущими факторами, определяющими специфическую морфологию U. pinnatiflda в зал. Петра Великого, являются освещенность, степень прибойности и водообмен. При этом снижение освещенности главным образом влияет на повышение площади поверхности таллома за счет увеличения длины и ширины пластины, высокая степень прибойности способствует формированию удлиненных узких пластин. Увеличение интенсивности водообмена вызывает формирование массивных широких, слаборассеченных слоевищ U. pinnatiflda.

Зависимость морфологии кустистых форм талломов от факторов внешней среды отмечалась ранее исследователями для различных видов (Hanisak et al., 1988; Carrington, 1990; Chopin, Floc'h, 1992; Boller, Carrington, 2006; D'Amours, Schleibling, 2007). Исследованный в настоящей работе Chondrus armatus характеризуется высоким уровнем полиморфизма. Глубина произрастания вида варьирует достаточно сильно, от 0.5 до 25 м (Перестенко, 1980), а, следовательно, градиент освещенности очень широк, что, несомненно, ведет к необходимости компенсации избытка или недостатка света путем морфологических перестроек водорослей. Особи С. armatus, произрастающие при освещенности 6-10% ФАРп, характеризовались большей высотой таллома, большим удельным количеством ветвей на осях предыдущего порядка, большей степенью кустистости. Сходные морфологические изменения в условиях недостатка света отмечались и для других видов водорослей (Рыгалов и др., 1988; Титлянов и др., 1993). Также было выявлено, что при слабом водообмене формируются талломы с большей степенью кустистости. Зависимость морфологии кустистых талломов от интенсивности водообмена отмечалась другими исследователями (Thom, 1983; Gutierrez, Fernández, 1992; D'Amours, Scheibling, 2007).

Следует отметить, что образцы прикрепленной формы, обитающие в условиях сильного затенения, морфологически близки к неприкрепленной форме по таким признакам как высота таллома и степень кустистости. Однако специфическая морфология неприкрепленной формы Chondrus armatus может быть следствием неприкрепленного образа жизни. Ранее подобное предположение высказывалось другими исследователями (Collado-Vides et al., 1994). Как правило, особи вида, живущие в неприкрепленном состоянии, развиваются в менее плотные, удлиненные формы по сравнению с прикрепленными.

Как показало изучение генетической неоднородности С. armatus в заливе Петра Великого, популяция неприкрепленной формы С. armatus в пласте Ahnfeltia tobuchiensis в Амурском заливе не изолирована генетически от прикрепленной формы и пополняется за счет привнесения талломов прикрепленной формы, потерявших связь с субстратом. Низкий уровень освещенности и слабый водообмен на глубине ведет к формированию удлиненных ветвей, увеличениию высоты таллома и густоты ветвления (степени кустистости). Кроме того, для пластов, создаваемых неприкрепленными водорослями, характерно перемещение фрагментов пласта по дну за счет придонных течений, что является причиной постоянного истирания талломов друг о друга и о субстрат (Biber, 2007). Это приводит к фрагментации талломов, а, следовательно, потере главной оси, а также повреждению верхушечных точек роста, что, в свою очередь, способствует образованию новых латеральных ветвей (Chamberlain et al., 1979; Scrosati, 2002), что прослеживается и у Chondrus armatus, формирующего новые ветви на осях всех порядков.

Таким образом, неприкрепленная форма С. armatus, встречающаяся в пласте Ahnfeltia tobuchiensis, по всей вероятности, является морфологической адаптацией вида к условиям низкой освещенности и слабого водообмена, а также неприкрепленному образу жизни.

У другого исследованного нами вида красных кустистых водорослей Ahnfeltiopsis ßabelliformis не было обнаружено существенного внутривидового полиморфизма в пределах прикрепленной формы. Кроме того, было показано, что неприкрепленная форма имеет значительную генетическую обособленность, свидетельствующую о принадлежности данной формы к другому виду или подвиду. Не исключено, что видовая принадлежность неприкрепленной формы А. ßabelliformis ранее была определена неверно. В пользу этого предположения свидетельствуют данные аллозимного анализа, показывающие значительные различия между прикрепленной и неприкрепленной формой по исследованному локусу.

Известно, что первоначально неприкрепленная форма рассматриваемого вида из зал. Петра Великого была описана как Gymnogongrus japonicus f. ahnfeltioides (Makienko), а прикрепленная форма как G. japonicus f. japonicus (Макиенко, 1970). Позднее Л.П. Перестенко отметила, что характерные признаки, по которым образцы неприкрепленной формы были определены как G. japonicus, относятся к числу внутривидовых признаков G. ßabelliformis, на основании чего свела Gymnogongrus japonicus f. ahnfeltioides в синонимы Gymnogongrus ßabelliformis (Перестенко, 1980). Самостоятельность вида G. japonicus и ранее неоднократно ставилась под сомнение (Okamura, 1921, 1936; цит. по: Masuda, 1987). Позднее, в 1993 году, японскими фикологами была проведена ре-

визия рода, в результате которой вид Gymnogongrus ßabelliformis был переименован в Ahnfeltiopsisßabelliformis (Masuda, 1993).

Таким образом, отчетливая генетическая дифференциация неприкрепленной формы А. ßabelliformis, существенные отличия в морфолого-анатомических показателях от прикрепленной формы, отсутствие полового и бесполого размножения являются основанием для рассмотрения данной формы либо в ранге подвида вида Ahnfeltiopsis ßabelliformis, либо отдельного вида в составе общего рода.

Следует отметить, что в настоящей работе было обнаружено несоответствие между морфологической и генетической дивергенцией у видов Undaria pinnatifida и Chon-drus armatus. Подобные результаты были ранее получены Балакиревым с соавторами (Balakirev et al., 2012) при изучении генетических вариаций среди морфологически различных форм Saccharina japónica, а также для Alaria (Druehl, Saunders, 1992) и для морских ежей (Balakirev et al., 2008). Эти результаты показывают, что возникновение генетического расхождения изолированных популяций, а затем проявление приспособляемости к среде, проявляющееся на уровне фенооблика, не единственный путь эволюционного развития и происхождения видов. В этом случае фенотипическая дивергенция является первичным звеном в процессе образования новых таксонов. То есть виды возникают не в результате случайных мутаций, из которых средой отбираются положительные, а через развитие приспособительных реакций, которые ведут к репродуктивной изоляции и видообразованию. И это более быстрый путь эволюции, чем видообразование на основе случайных мутаций (West-Eberhard, 2003).

Результаты проведенных исследований расширяют представления об адаптационных возможностях изученных водорослей на уровне морфологии к воздействию факторов внешней среды. Понимание адаптационных механизмов в свою очередь способствует распознаванию процессов филогенетических адаптаций и направления эволюционного развития морских макрофитов в связи с локальными и глобальными процессами смены экологических условий в водной среде. Кроме того, проведенный анализ феноти-пической разнородности локальных популяций массовых видов залива Петра Великого имеет значение для понимания механизмов функционирования и динамики популяций, поддержания устойчивости их фенооблика. Выявленные особенности фенооблика видов применимы для решения спорных вопросов внутривидовой систематики.

Полученные результаты могут быть применены на практике при культивировании ламинариевых водорослей. Выбор мест с условиями среды, соответствующими развитию талломов с наиболее продуктивной морфологией (интенсивный водообмен, хорошая освещенность, доступность биогенных элементов), будет способствовать увеличению продуктивности культивируемых видов, формированию талломов с оптимальными морфологическими характеристиками.

выводы

1. Показано, что в зал. Петра Великого Undaria pinnatifida проявляет высокую степень внутривидового полиморфизма, который выражается в изменчивости размерных морфологических показателей и их соотношений. Впервые выделено три внутривидовых формы U. pinnatifida. Выявлены диагностические признаки для определения форм U. pinnatifida: ширина нерассеченной части пластины, длина стволика и переходной зоны между спорофиллом и пластиной.

2. Доказано, что морфологически дифференцированные формы Undaria pinnatifida в зал. Петра Великого являются результатом фенотипической адаптации к локальным условиям среды. Основными формообразующими факторами являются интенсивность водообмена, освещенности и степень прибойности. При этом свет влияет в большей степени на длину таллома и пластины, тогда как ширина таллома и его нерассеченной части зависят от интенсивности водообмена, а отношение длины пластины к ее ширине определяется степенью прибойности.

3. Впервые доказано, что неприкрепленная форма Ahnfeltiopsis flabelliformis является генетически и морфологически обособленной от прикрепленной, что дает основание для пересмотра ее таксономического статуса и выделения в ранг подвида или вида.

4. Показан высокий уровень полиморфизма Chondrus armatus в зал. Петра Великого, выражающийся в морфологической изменчивости прикрепленной формы и существовании морфологически обособленной неприкрепленной формы. Доказано, что неприкрепленная форма генетически не дифференцирована и является экоморфой.

5. Выделены диагностические признаки неприкрепленных форм Chondrus armatus и Ahnfeltiopsis flabelliformis: отсутствие выраженной главной оси, репродуктивных органов и органов прикрепления, неправильно дихотомическое и поочередное редкое ветвление, равномерное по всей длине таллома.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах:

1. Шибнева С.Ю., Скрипцова А.В. Морфологическая изменчивость Lindaría pinnatiflda (Phaeophyceae: Laminariales) в заливе Петра Великого (Японское море) // Биология моря. 2012. Т. 38. № 5. С. 370-380.

2. Shibneva S.Y., Skriptsova A.V., Shan T.F., Pang S.J. The different morphs of Undaria pinnatiflda (Phaeophyceae, Ochrophyta) in Peter the Great Bay (Sea of Japan) are phenotypic variants: direct evidence // Journal of Applied Phycology. 2013 V. 25. № 6. P. 1909-1916.

Работы, опубликованные в материалах всероссийских и международных конференций:

3. Shibneva S.Yu., Skriptsova A.V. Intraspecific Polymorphism of Undaria pinnatiflda in Peter the Great Bay // Comparison on marine biodiversity in the Northwest Pacific Ocean. Proceedings of China-Russia bilateral symposium (10-11 October 2010 Qingdao, China). Qingdao, 2010. P. 46-55.

4. Шибнева С.Ю., Скрипцова А.В. Морфологическая неоднородность популяций Undaria pinnatiflda и Costaría costata в зал. Петра Великого как акклимация к условиям обитания // Проблемы экологии морского шельфа. Материалы Второй Всероссийской научной молодежной конференции-школы. Владивосток: Изд-во Дальневост. федерального ун-та, 2011. С. 147-152.

5. Шибнева С.Ю., Заславская Н.И. Прикрепленная и неприкрепленная формы двух видов красных водорослей в зал. Петра Великого: морфологическая пластичность и генетическая обусловленность // Актуальные проблемы экологии, морской биологии и биотехнологии. Мат-лы XI Региональной конференции студентов, аспирантов вузов и научных организаций Дальнего Востока России (3-4 мая 2012 г.). Владивосток, 2012. С. 313-315.

6. Shibneva S.Y., Skriptsova A.V., Shan T.F., Pang S.J. Genetic and ecomorphological aspects of determining morphologically distinct forms of Undaria pinnatiflda in Peter the Great Bay (Sea of Japan) // Marine ecosystems under the global change in the Northwestern Pacific: Proceedings of the Russia-China Bilateral Symposium. Vladivostok, Russia, October 8-9, 2012. P. 151-156.

Шибнева Светлана Юрьевна

ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МАССОВЫХ ВИДОВ МАКРОВОДОРОСЛЕЙ В ЗАЛИВЕ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 22.11.2013 г. Формат 60 х 84/16. Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ № 15. Отпечатано в типографии "Литера V"

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Шибнева, Светлана Юрьевна, Владивосток

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии моря им. A.B. Жирмунского

На правах рукописи

04201455411

Шибнева Светлана Юрьевна

ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МАССОВЫХ ВИДОВ МАКРОВОДОРОСЛЕЙ В ЗАЛИВЕ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

03.02.10 - гидробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Титлянов Эдуард Антонинович

Владивосток 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛИМОРФИЗМА МОРСКИХ МАКРОФИТОВ...................................................................................................9

1.1. Понятие морфологической изменчивости..............................................9

1.2. Критерии оценки морфологической изменчивости морских макрофитов......................................................................................................11

1.3. Влияние эндогенных и экзогенных факторов на морфологическую изменчивость морских макрофитов...............................................................14

1.3.1. Внутренние факторы......................................................................15

1.3.2. Внешние факторы...........................................................................20

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................................................................51

2.1. Общая характеристика залива Петра Великого......................................51

2.2 Уссурийский залив....................................................................................53

2.3. Амурский залив........................................................................................54

2.4. Пролив Старка, остров Русский..............................................................55

2.5. Остров Энгельма, остров Русский...........................................................56

2.6. Залив Посьета...........................................................................................56

2.7. Бухта Сивучья...........................................................................................57

2.8. Залив Восток.............................................................................................59

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ............................................................60

3.1. Объекты исследования.............................................................................60

3.2. Сбор материала.........................................................................................63

3.3. Морфолого-анатомический анализ исследуемых видов........................65

3.3.1. Анализ морфологии талломов 17. ртпаН^а.....................................66

3.3.2. Анализ морфологии кустистых талломов................ ........................67

3.3.3. Анализ анатомии пластинчатых талломов............... .......................68

3.3.4. Анализ анатомии кустистых талломов...........................................69

3.4. Генетический анализ исследуемых видов..............................................70

3.4.1. Выделение ДНК...................................................................................70

3.4.2. Анализ полиморфизма длины амплыфицированных фрагментов

(ПДАФ).........................................................................................................72

3.4.3. Микросателлитный анализ...............................................................73

3.4.4. Электрофоретическое (ЭФ) разделение продуктов ПЦР...............74

3.4.5. Аллозымный анализ красных водорослей (Огопйгт апшйиз, А!гп/еШор$13 _/\abelliformis)...........................................................................75

3.4.6. Анализ полученных результатов.......................................................76

3.5. Измерение параметров внешней среды..................................................76

3.5.1. Освещенность....................................................................................77

3.5.2. Водообмен...........................................................................................77

3.5.3. Концентрации биогенных элементов................................................78

3.6. Экспериментальные исследования.......................................................80

3.6.1. Условия преакклимации......................................................................80

3.6.2. Влияние интенсивности освещения на морфологию 11пйапа ртпаИ/гс1а......................................................................................................80

3.6.3. Влияние концентрации биогенных элементов на морфологию бурых водорослей на примере 11пйапа ртпай^йа.................................................81

3.6.4. Влияние интенсивности водообмена на морфологию бурых водорослей....................................................................................................82

3.6.5. Выращивание двух морфологически дифференцированных форм 11пс1апа ртпаН/1с1а в одинаковых условиях.................................................84

3.7. Статистический анализ данных...............................................................85

ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ и№АША РШЫАШЮА В ЗАЛИВЕ ПЕТРА ВЕЛИКОГО И ФАКТОРЫ, ЕГО ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ...................................................................................88

4.1. Морфологическая изменчивость ипёапа ртпа1'ф.йа в зал. Петра Великого..........................................................................................................88

4.2. Фенотипическая изменчивость ипс1апа рйтаИ/к(а в градиенте условий обитания........................................................................................................104

4.2.1. Свет..................................................................................................106

4.2.2. Концентраъщя биогенных элементов.................. ............................111

4.2.3. Интенсивность движения воды......................................................113

ГЛАВА 5. МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ CHONDRUS ARMATUS И AHNFELTIOPSIS FLABELLIFORMIS В ЗАЛИВЕ ПЕТРА ВЕЛИКОГО И ФАКТОРЫ, ЕГО ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ.........................116

5.1. Морфологическая изменчивость Chondrus armatus и Ahnfeltiopsis flabelliformis в зал. Петра Великого.............................................................116

5.1.1. Ahnfeltiopsis flabelliformis..............................................................116

5.1.2. Chondrus armatus............................................................................127

5.2. Фенотипическая изменчивость Chondrus armatus в градиенте условий обитания........................................................................................................138

ГЛАВА 6: ОБСУЖДЕНИЕ..............................................................................142

ВЫВОДЫ.........................................................................................................156

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................185

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Многие виды морских макрофитов, относящихся к отделам красных и бурых водорослей, обладают высокой степенью морфологической изменчивости, что связано как с действием внешних факторов среды на организм в процессе онтогенеза, так и с внутренней генетической обусловленностью, задающей границы способности реагировать на внешние условия путем изменения морфо-физиологических параметров.

В настоящее время процессу формирования экоморф посвящено достаточно большое количество работ, но почти все они при исследовании затрагивают лишь влияние одного или двух совокупно воздействующих факторов среды на морфологию водорослей, тогда как данный процесс обусловлен влиянием гораздо более сложного комплекса внешних факторов. Поэтому наиболее целесообразно применять совокупный анализ, изучая комплекс внешних факторов, воздействующих на растения, ответ особей на действие этих факторов и характеристики генома организма, что позволит более полно понять закономерности и механизмы адаптивных процессов.

ностей морских макрофитов в процессе онтоморфогенеза способствует выяснению базовых процессов формообразования, способных объяснить эволюционную направленность видообразования и их экологическую обусловленность. Кроме того, к настоящему времени остаются открытыми вопросы, касающиеся таксономического статуса некоторых внутривидовых форм полиморфных видов водорослей. Несмотря на то, что полиморфизм пластинчатой бурой водоросли Undaria pinnatifida изучался и ранее (Скрипцова, 2008; Dan, Kato, 2008), для зал. Петра Великого сведения о полиморфизме и его причинах к настоящему времени практически отсутствуют. Кроме того, в более тщательных исследованиях причин полиморфизма нуждаются виды макрофитов, встречающиеся в зал. Петра Великого в прикрепленном и неприкрепленном состоянии, в частности виды красных водорослей Chondrus armatus и Ahnfeltiopsis flabelliformis.

Цель и задачи работы. Целью данной работы было изучение морфологической изменчивости полиморфных широко распространенных в зал. Петра Великого бурых и красных макроводорослей в градиентных условиях среды и выявление ведущих факторов, определяющих эту изменчивость.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) выявление внутривидовых форм у водорослей из отдела Ochrophyta - Undaria pinnatifida и отдела Rhodophyta - Chondrus armatus, Ahnfeltiopsis flabelliformis;

2) исследование внутри- и межпопуляционной изменчивости таксо-номически значимых признаков;

3) уточнение таксономического статуса форм исследуемых видов в пределах зал. Петра Великого и выявление диагностических макроморфоло-гических признаков;

Научная новизна. Впервые для зал. Петра Великого описаны три морфологически различающиеся формы бурой водоросли Undaria pinnatifida. Доказано, что специфическая морфология этих форм не закреплена генетически, а формируется в результате адаптации к факторам внешней среды, ведущими из которых являются интенсивность водообмена, освещенности и степень прибойоности.

Практическая значимость. Объекты исследования, представленные в настоящей работе, включают как промысловые, так и потенциально пригодные для промысла виды красных и бурых водорослей. Выявление морфологически наиболее продуктивных форм водорослей и условий их формирования может быть использовано на практике при их промышленном культивировании.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Китайско-Российском билатеральном симпозиуме «Comparison on Marine Biodiversity in the Northwest Pacific Ocean» (2010 г.), на ежегодных конференциях молодых ученых Института биологии моря ДВО РАН (2010-2013 гг), на Второй Всероссийской научной молодежной конференции-школе «Проблемы экологии морского шельфа» (2011), на XI Региональной конференции студентов, аспирантов вузов и научных организаций Дальнего Востока России «Актуальные проблемы экологии, морской биологии и биотехнологии»

(2012), на Китайско-Российском билатеральном симпозиуме «Marine Ecosystems under the Global Change in the Northwestern Pacific» (2012).

Материалы диссертации представлены в 6 публикациях, в том числе в двух статьях, опубликованных в отечественном и зарубежном рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 254 источника, из которых 199 на иностранном языке, и приложения. Работа изложена на 190 страницах, иллюстрирована 24 рисунками и 23 таблицами.

ГЛАВА 1

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛИМОРФИЗМА МОРСКИХ МАКРОФИТОВ 1.1. Понятие морфологической изменчивости

Изучение особенностей формообразования морских макрофитов имеет давнюю историю и в настоящее время является неотъемлемой областью исследований в биологии. Анализ взаимосвязи между формой, функциями организма и средой его обитания способствует выявлению наиболее подходящих условий для успешного существования организма, что имеет прикладное значение, поскольку позволяет выявить наиболее продуктивные формы, а также оптимальные условия для культивирования видов. Определение общих закономерностей приспособительных реакций у морских макрофитов способствует пониманию эволюционных процессов растительных организмов, их адаптивных возможностей в онто- и филогенезе.

Морфологическая пластичность в пределах вида - это наследуемая либо ненаследуемая модификационная изменчивость, отражающая вариабельность фенотипа под действием условий существования. Явление внутривидового морфологического полиморфизма достаточно широко распространено у многих морских макрофитов (Хайлов, Парчевский, 1983; МаШевоп а1., 1981). Данные организмы являются в этом отношении показательными объектами с широкими возможностями адаптации к градиенту условий среды. Внутривидовой полиморфизм может определяться как генетическими различиями на уровне экотипа и генетически детерминированной популяции, так и фенотипической пластичностью на уровне экоморфы. Термин «эко-морфа» был предложен вместо термина жизненная форма Ю.Г. Алеевым и В.Д. Бурдак в работе, посвященной обоснованию единой экоморфологиче-ской системы организмов разных царств (Алеев, Бурдак, 1984). Экоморфу Ю.Г. Алеев (1986, с. 182) определяет как «целостную систему взаимообусловленных эколого-морфологических адаптаций, определяющую общую конструкцию тела организма в соответствии с конкретным направлением

эволюции вида в условиях конкретного биотопа». Он подчеркивает при этом единство формы и функции на любом этапе развития организма.

Морфологическую пластичность видов в ответ на изменение условий обитания следует рассматривать как проявление фенотипической адаптации, способствующей оптимизации фотосинтетической продукции, роста и репродукции особей, что позволяет виду успешно существовать в широком диапазоне условий среды обитания. Адаптация, как свойство живых организмов, представляет собой возникающую в результате внешних воздействий совокупность частных изменений, направленных на сохранение основных свойств и работоспособности объекта в условиях длящегося воздействия (Ковардаков и др., 1985). Адаптация в системе, представленной живым организмом, проявляется комплексно на разных уровнях организации - от молекулярного до морфологического. Изменения в пределах каждой отдельной особи в ответ на те или иные изменения окружающей среды происходят в пределах унаследованной каждым индивидуумом нормы реакции. При этом каждый элемент адаптационного комплекса в отдельности может и не иметь приспособительных черт. Кроме того, приспособительная реакция является относительным свойством, то есть адаптация к одним факторам среды не обязательно останется таковой в других условиях.

Морфологические изменения, направленные на оптимизацию физиологических процессов и обеспечивающие возможность успешного существования особи в данных условиях, ее высокую продуктивность и возможность оставить жизнеспособное потомство, могут со временем быть закреплены генетически на уровне популяции, что приводит к генетическим внутривидовым межпопуляционным различиям. Различия в фенотипе, закрепленные на генетическом уровне, формируются вследствие изоляции популяций друг от друга по каким-либо причинам. Подобная специфичность характерна для популяций, обитающих на краю своего ареала в экстремальных условиях (Ве^^бт & а1., 2005). Нередко к генетической неоднородности популяций приводит географическая удаленность, также сопровождающаяся различием

условий местообитания (Gerard et al., 1987). Чем обширнее ареал вида и разнообразнее экологические условия, тем, как правило, больше у него число экотипов (Van Oppen et al., 1995).

1.2. Критерии оценки морфологической изменчивости морских

макрофитов

Критерии морфометрического анализа определяются в зависимости от жизненной формы растения и от целей иссл

Информация о работе

Шибнева, Светлана Юрьевна
кандидата биологических наук
Владивосток, 2013
ВАК 03.02.10

Диссертация

Фенотипическая изменчивость массовых видов макроводорослей в заливе Петра Великого - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы