Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Популяционная экология эпифитного лишайника Lobaria Pulmonaria (L.) HOFFM. на территории Урала и Сибири

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Популяционная экология эпифитного лишайника Lobaria Pulmonaria (L.) HOFFM. на территории Урала и Сибири"

МИКРЮКОВ Владимир Сергеевич

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ ЭПИФИТНОГО ЛИШАЙНИКА LOBARIA PULMONARIA (L.) HOFFM. НА ТЕРРИТОРИИ УРАЛА И СИБИРИ

03.02.08-экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 О НОЯ 2011

Екатеринбург - 2011

4859097

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте экологии растений и животных Уральского отделения РАН

Научный руководитель:

кандидат биологических наук Михайлова Ирина Николаевна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Васильев Алексей Геннадьевич

кандидат биологических наук Давыдов Евгений Александрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО Марийский государственный университет

Защита состоится « 22 » ноября 2011 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.005.01 при Институте экологии растений и животных УрО РАН по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202. Факс: (343)260-82-56. Email: dissovet@ipae.uran.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и животных УрО РАН.

Автореферат разослан « ¿О» октября 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета, ^Q^^Jf

кандидат биологических наук

Золотарева Н.В.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Объект данного исследования — эпифитный лишайник лобария легочная (Lobaria pulmonaria (L.) Hoffin., Lobariaceae, Ascomycotina) относится к видам с сокращающейся численностью; он занесен в Красную книгу России и находится под угрозой исчезновения в большинстве стран Центральной Европы. Плачевное состояние его популяций вызвано высоким уровнем регионального загрязнения атмосферы (Hawksworth et al., 1973) и разрушением местообитаний.

Предложенная в различных работах (Carlsson, Nilsson, 2009; Jüiiado, Liira, 2010; Otálora et ai, 2011) стратегия сохранения L. pulmonaria сводится к универсальному принципу охраны местообитаний и почти не изменилась за последние 40 лет. Между тем, согласно результатам исследований последних лет, диаспорам L. pulmonaria свойственны малая дальность распространения и низкая выживаемость, и как следствие, низкая скорость колонизации новых местообитаний (Scheidegger, Werth, 2009). Эпифитные лишайники, включая L. pulmonaria, демонстрируют преференцию в отношении колонизируемых деревьев (Barkman, 1958), однако наиболее предпочтительный для L. pulmonaria комплекс черт субстрата до сих пор не выявлен. Также мало информации об отношении данного вида к совместному влиянию абиотических факторов, например, влажности и освещенности. В связи с этим предложенные меры по сокращению рубок леса с целью сохранения исчезающих популяций этого вида представляются недостаточными, а в ряде случаев - не обязательными (Gauslaa et al., 2006).

В качестве дополнения к основной стратегии охраны L. pulmonaria было предложено уделять особое внимание популяциям, для которых характерно половое размножение, нежели популяциям с исключительно вегетативным воспроизводством (Zoller et al., 1999). Во-первых, это предложение основано на общем принципе экологической генетики, согласно которому высокая генетическая изменчивость поддерживает жизнеспособность и увеличивает вероятность выживания популяций, находящихся под угрозой исчезновения. Во-вторых, оно связано с гипотезой гетероталличности данного вида, в соответствии с которой половой процесс может происходить только между генетически разнородными талломами.

Результаты многих популяционно-генетических исследований (Mattsson et al., 2009; Werth, 2010) показали, что на генетическую структуру популяций влия-

ет не только пространственная изоляция, но и климатические условия, размеры местообитания, средовые градиенты. Популяции L. pulmonaria с обширной, экологически контрастной территории Урала и Западной Сибири предоставляют большие возможности для поиска ответов на вопросы о том, как внешние факторы могут воздействовать на межпопуляционный поток генов и появление локальных адаптации. Выявление подобных связей служит основой при поиске закономерностей эволюции и прогнозировании путей развития популяций при изменении внешних условий. Кроме того, полученная информация важна для изучения чувствительности и популяционных механизмов устойчивости лишайников к техногенным нагрузкам (Михайлова, Воробейчик, 1999).

Цель и задачи исследования. Цель работы — анализ закономерностей формирования экологической и генетической структуры популяций L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири в локальном и региональном масштабах.

Для достижения цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи:

1. Анализ современного видового ареала L. pulmonaria на основе собственных и литературных данных, материалов гербариев и баз данных биологических коллекций.

2. Построение карты потенциального видового ареала L. pulmonaria на основе моделирования фундаментальной экологической ниши и выявление факторов, лимитирующих распространение L. pulmonaria в глобальном масштабе.

3. Анализ экологической приуроченности, размерной и репродуктивной структуры локальных популяций L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири.

4. Характеристика репродуктивных стратегий L. pulmonaria в популяциях, обитающих в районах с контрастными климатическими условиями (Северный и Южный Урал).

5. Определение параметров внутри- и межпопуляционной генетической изменчивости микобионта L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири. Выявление возможных факторов, детерминирующих генетическую дифференциацию популяций в региональном пространственном масштабе.

6. Оценка сопряженности внутрипопуляционной пространственно-генетической изменчивости мико- и фотобионта L. pulmonaria в популяциях Северного и Южного Урала.

Научная новизна. Впервые с использованием микросателлитных маркеров ДНК на обширном материале исследована генетическая изменчивость лихенооб-разукяцего гриба L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири. Проанализирована связь генетической изменчивости с характеристиками (пространственной, размерной и репродуктивной структурами) популяции с учетом влияния различных экологических факторов (климата, параметров форофитов). Проведено сопоставление экологической изменчивости L. pulmonaria в разных пространственных масштабах (от локального до регионального). Выявлены разные стратегии распределения статей энергетического баланса изучаемого вида, направляемых на размножение и рост.

Теоретическое и практическое значение: Результаты исследования вносят вклад в популяционную экологию лишайников, в частности - в решение проблемы формирования пространственно-генетической структуры вида, а также заполняют пробелы в зншшях о закономерностях функционирования симбиотиче-ских систем. Полученные данные об экологической структуре, внутрипопуляци-онном генетическом разнообразии и межрегиональной дифференциации вида, находящегося под угрозой исчезновения, могут быть использованы при разработке мероприятий по сохранению биоразнообразия. Показаны преимущества совместного использования генетических и экологических подходов при оценке связи между параметрами местообитаний и популяций лихенообразующих грибов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Современный видовой ареал L. pulmonaria существенно уже потенциального. На территории Урала и Западной Сибири L. pulmonaria произрастает в районах С отсутствием или минимальной степенью антропогенного воздействия, в пределах которых встречается в широком спектре местообитаний по вариантам ландшафтов, группам формаций лесных сообществ и по видовому составу форофитов.

2. Высокая внутрипопуляционная генетическая изменчивость и слабая дифференциация в региональном масштабе популяций L. pulmonaria свидетельствуют об отсутствии в прошлом на территории Урала и Сибири барьеров дня потока генов.

3. Пространственно-генетическая структура локальных популяций L. pulmonaria во многом зависит от их возраста и вклада полового процесса в

размножение. На ранних стадиях колонизации местообитания горизонтальное распределение потенциальных форофитов слабо влияет на структуру популяций.

Личный вклад автора. Автором лично собрана основная часть полевого материала Автор лично выполнил лабораторные исследования (генотипирова-ние образцов, определение последовательностей ДНК и состава вторичных метаболитов), весь математический анализ данных, интерпретацию и обобщение полученных результатов.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на четырех конференциях молодых ученых ИЭРиЖ УрО РАН (Екатеринбург, 2008 -2011); VI симпозиуме Международной ассоциации лихенологии (IAL6, США,

2008); ¡Международной научной конференции молодых ученых «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии» (Донецк, Украина, 2009); П Европейском конгрессе по биологии охраны природы (ЕСВВ, Прага, Чехия,

2009); V Международной конференции «Изучение грибов в биогеоценозах» (Пермь, 2009); Ш Всероссийской научно-практической конференции «Биологические системы: Устойчивость, принципы и механизмы функционирования» (Н. Тагил, 2010); Международной научно-практической конференции по биологии «Первые Беккеровские Чтения» (Волгоград, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 216 страницах, содержит 28 таблиц, 46 рисунков, приложения содержат 46 таблиц и 14 рисунков. Список литературы включает 250 работ, в том числе 215 на иностранных языках.

Благодарности. Автор глубоко признателен кб.н. И.Н. Михайловой, д.б.н. Е.Л. Воробейчику, к.б.н. М.Р. Трубиной, О.В. Дуле (ИЭРиЖ УрО РАН) за всестороннюю помощь и обсуждение результатов, а также проф. К. Шейдеггеру (С. Scheidegger), Ф.Даль Гранде (F.Dal Grande), И.Видмеру (I. Widmer) и К. Корнехо (С. Cornejo) из Федерального института исследования леса, ландшафта и снега (WSL, Швейцария) за предоставление технической базы для выполнения работы и консультативно-методическую помощь. Автор благодарен к.б.н. Т.Н. Пыстиной (ИБ Коми НЦ УрО РАН) и к.б.н. Е.А. Давыдову (АягГУ) за предоставление части материала; руководителям и сотрудникам заповедников

«Басега», «Вишерский», «Малая Сосьва» и «Южно-Уральский», природного парка «Самаровский Чугас» — за содействие при проведении полевых работ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Швейцарского национального научного фонда (SNSF, проект SCOPES IB73AO-111137/CS), программы Swiss S&T по сотрудничеству с Россией (CS&IM), программы развития ведущих научных школ (НШ-3260.2010.4) и научно-образовательных центров (контракт 02.740.11.0279), а также поддержке Президиума УрО РАН (молодежный проект).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Рассматривается специфика определения таксономической принадлежности, строения и размножения L. pulmonaria как симбиотического организма Описан современный ареал вида и причины его сокращения, рассмотрены опубликованные данные по экологии L. pulmonaria. Подробно обсуждается актуальная для экологии лишайников проблема определения популяции и ее элементарной единицы. Рассматриваются современные геоинформационные методы определения потенциального распространения вида, а также особенности использования микросателлитных маркеров ДНК для решения поставленных в работе экологических задач.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В настоящей диссертационной работе проанализирован материал, собранный в период 2001 - 2009 гг. в 50 районах Урала и Западной Сибири, как имеющих различный природоохранный статус, так и не находящихся под охраной (Табл. 1). В работу включены как собственные сборы, так и материал, предоставленный другими исследователями. Образцы L. pulmonaria из республики Коми (национальный парк «Югыд-Ва» и Печоро-Илычский заповедник) были предоставлены к.б.н. Т.Н. Пыстиной; образцы, собранные в Алтайском крае (заповедник «Тигирекский») и Республике Алтай (Алтайский заповедник), - к.б.н. Е.А. Давыдовым; образцы из Свердловской области (регион Кытлым) - к.б.н. И.Н. Михайловой. Для региона Кытлым И.Н. Михайловой с соавторами (Mikhailova et al, 2005) были проанализированы некоторые аспекты экологии цианобионтиых лишайников, не перекрывающиеся с теми вопросами, которые рассматриваются нами. Остальной материал анализируется впервые.

Сбор материала из Свердловской и Челябинской областей, Пермского края (Вишерский государственный природный заповедник, Государственный при-

родный заповедник «Басеги»), Республики Башкортостан (Южно-Уральский государственный природный заповедник), Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (Государственный природный заповедник «Малая Сосьва», Природный парк «Самаровский Чугас») осуществлен лично автором в течение 2006 — 2009 гг. Отбор образцов осуществлялся в 3 - 4 точках (экотопах, удаленных друг от друга на 5 км и более) в каждом регионе (территориях, более или менее отграниченных друг от друга и удаленных на 100 км и более). В каждой точке сбора с 20 деревьев отбирали по 3 — 4 таллома L. pulmonaria (сначала с 10 ближайших деревьев, расстояние между которыми не превышало 50 — 80 м, затем - с 10 деревьев, удаленных от центральной точки на 100 м и более). Каждое дерево описывали с помощью следующих показателей: GPS-координаты (с точностью до 5 м), высота над уровнем моря, вид форофита, диаметр дерева (в см), его жизненность, положение в древостое и освещенность местообитания (в баллах), размер колонии L. pulmonaria (площадь покрытия талломов, в см2). У каждого образца регистрировали его местоположение на стволе (высота и экспозиция) и стадию развития: стерильная (без репродуктивных структур), соредиозная (на талломе представлены соредии и/или изидиозные соредии), фертильная (с апоте-циями). В каждом местообитании (за исключением регионов Алтая) сделаны флористические описания (на площадках размером 100 - 400 м2), охарактеризован состав древостоя, определены средний диаметр и высота древесного яруса, обилие видов травяно-кустарничкового яруса (по шкале Друде). Типы леса и растительных сообществ выделены к.б.н. М.Р. Трубиной в соответствии с классификацией В.Н. Сукачева.

Всего было отобрано 1859 фрагментов талломов L. pulmonaria. Химический состав вторичных метаболитов (методика по White, James, 1985; система растворителей С) проанализирован у 103 образцов. Для 1764 образцов микоби-онта и 1559 образцов фотобионта {Dictyochloropsis reticulata) проведено геноти-пирование с помощью высокоизменчивых микросателлитных локусов. Для ми-кобионта использовано 8 локусов (Walser et al., 2003; Widmer et al., 2010), для фотобионта - 7 (Dal Grande et al, 2009). Последовательности ДНК внутреннего транскрибируемого спейсера (ITS) микобионта получены для 8 образцов. Оценка продукции соредий проведена в 6 популяциях: в лабораторных условиях измеряли воздушно-сухую массу таллома (в каждой популяции по 10 талломов разных размерных классов - от 0.10 до 8 г) и счищенных с него соредий. Основная часть

математических расчетов выполнена в ПО R v.2.13.1 (R Development Core Team, 2011) и STATISTICA v.8.0 (StatSoft Ьс.). Генетическую дифференциацию групп образцов оценивали с помощью индекса D^г (Jost, 2008) в ПО DEMEtics v.O.8-3 (Gerlach et al, 2010), компоненты дисперсии генетической дифференциации - в соответствии с иерархическим подходом (Yang, 1998) в ПО hierfstat v.0.04-4 (Goudet, 2005) с использованием четырехуровневой вложенной структуры.

Таблица 1 - Материал исследования

№ Регион Год Коллектор Координаты,0 п

Широта Долгота

1 Коми 2002,2004 Пыстина Т.Н. 62.7893 56.0470 239

2 Сев. Урал 2006 сд 61.0591 60.1376 259

3 Вишера 2007 СД 60.6309 58.5144 181

4 Кытлым 2001 Михайлова И.Н. 59.3108 59.4470 128

5 Басеги 2008 сд 58.8745 58.4827 72

6 Иремель 2006 СД 54.5973 58.7848 129

7 Юж. Урал 1 2006 сд 54.2195 57.6260 146

8 Юж. Урал 2 2006 сд 53,3248 56.5884 124

9 ХМАО 2007,2009 сд 61.5519 66.1709 280

10 Алтай 1 2007 Давыдов Е А. 51.0961 83.3695 145

11 Алтай 2 2007 Давыдов ЕЛ. 51.6272 87.5596 156

Примечание: СД - собственные данные, п - количество талломов

L. pulmonaria в выборке

В данной работе мы будем придерживаться «мягкого» определения популяции, предполагая, что любая популяция естественным образом подразделяется на более мелкие группы, а сама входит в более крупные объединения (Гиляров, 1990). Под популяцией у лишайников мы будем понимать группировку особей одного вида, более или менее изолированную в пространстве от других аналогичных совокупностей того же вида, и населяющую определенный экотоп. Совокупность талломов, населяющих единицу субстрата, мы будем рассматривать в качестве субпопуляционной единицы (Scheidegger eí al., 1998; Михайлова, 2005).

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ В главе приведена краткая орографическая и климатическая характеристика изученной территории. Проведена классификация регионов исследования по климатическим условиям, в результате которой регионы разделены на 5 ipynn: 1) Северный Урал и ХМАО; 2) Вишера, Коми, Иремель; 3) Южный Урал 1, Юж-

ный Урал 2, Алтай 2; 4)Кытлым, Алтай 1; 5)Басеш. Выявлено 5 наиболее информативных для классификации переменных: температурная сезонность (стандартное отклонение средненедельных температур), средний диапазон суточных колебаний температуры, среднее количество осадков в самой холодной четверти года, среднее количество осадков в самом сухом месяце и среднее количество осадков в самом влажном месяце года.

ГЛАВА 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРИУРОЧЕННОСТЬ И СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ L. PULMONARIA

4.1 Анализ современного распространения вида

С HcmMib30BáHHeM данных о климатических условиях (Hijmans et al., 2005) известных местонахождений вида (для всего ареала) с помощью метода максимальной энтропии (Phillips et al., 2006) определены основные факторы, лимитирующие распространение L. pulmonaria. В глобальном масштабе к ним относятся: годовая сумма осадков, минимальная температура самого холодною месяца, средняя температура самой влажной четверти года и количество осадков самой холодной четверти года. Результаты построенной модели географического распространения показывают высокую вероятность присутствия вида на обширной территории суши, однако наблюдаемое распространите существенно уже. Наиболее вероятная причина этого — чувствительность L. pulmonaria к антропогенному прессу, который при моделировании был представлен лишь степенью урбанизации территории.

4.2 Приуроченность вида к эколого-фитоценотическим ассоциациям Изучаемые популяции L. pulmonaria Урала и Западной Сибири обитают в

лесных сообществах, относящихся к 22 типам леса, расположенных в речных долинах, на выположенных участках водоразделов и горных склонах с различной крутизной и экспозицией. По типу растительных сообществ регионы исследования дифференцируются на две группы: темнохвойная тайга (на территории ХМАО, Северного и Среднего Урала, Иремеля) и широколиственные леса (регионы Южный Урал1 и Южный Урал 2). Полученные результаты подтверждают существующие представления о широком спектре условий, пригодных для обитания L. pulmonaria в ненарушенных старовозрастных лесах.

4.3 Оценка экологической приуроченности L. pulmonaria

Представлены результаты анализа видового состава и размерных характеристик форофитов, оценки связи размерно-функциональных характеристик субпопуляций L. pulmonaria с характеристиками форофитов; а также анализ преференции L. pulmonaria при колонизации деревьев. На изучаемой территории 92 % форофитов L. pulmonaria представлены лиственными видами: березами (Betula spp.), ивами {Salix spp.), осиной {Populus trémula), липой (Tilia cordata) и рябинами (Sorbus spp.), соотношение которых отличается между регионами (х ~ 290.21, df= 20, р < 0.01). Несмотря на высокую встречаемость ели (Picea obovata) и пихты (A bies sibirica), их колонизация осуществляется только в регионах с наиболее холодным климатом (Коми, Северный Урал и ХМАО), а также на северо-востоке Алтайских гор.

4.4 Размерная и репродуктивная структура популяций

Обсуждаются размерная и репродуктивная структура популяций и их связь

с параметрами биотопа. Средний размер субпопуляций L. pulmonaria в регионах варьирует от 472 до 1100 см2. Связи между климатической или растительной зональностью и проективным покрытием не обнаружено. Наиболее обильный репродуктивный класс субпопуляций во всех регионах - соредиозные (75 — 98 %), доля фергальных колоний изменялась от нуля (Южный Урал 2) до 32 % (Алтай 1), в остальных регионах встречено 1-15 % субпопуляций с апотециями.

На примере региона Северный Урал выявлена связь между степенью развития L. pulmonaria и экологическими факторами (Микрюков и др., 2010): видом форофита (соредиозных и фертильных субпопуляций больше на лиственных деревьях), размером субпопуляции L. pulmonaria (проективное покрытие фертильных субпопуляций больше) и степенью освещенности (в условиях хорошего освещения вероятность образования плодовых тел выше).

На основе данных по массе талломов и продуцируемых ими соредий с использованием ковариационного анализа обнаружено, что продукция соредий отличается между популяциями (/-(5,48) = 2.72, /> = 0.03), как между регионами с контрастными климатическими условиями, так и внутри них (Рис. 1, Микрюков и др., 2010). Это свидетельствует о существовании различных репродуктивных стратегий вида - в популяциях Вишера-А и Южный Урал-1В расход ресурсов направлен на высокую продукцию вегетативных диаспор, в остальных популяциях - на увеличение биомассы таллома. Выявленные стратегии представляют

варианты достижения компромисса между расходом энергии на производство большого количества диаспор, их качеством и энергетической обеспеченностью материнских особей в разных условиях обитания.

0.12 0.10

и «

О)

а, о

0.08

0.06

0.04

0.02

Сев.Урал . „.----------

Вишера Юле. Урал

Регион

Рисунок 1 - Средняя масса соредий, производимая талломом L. pulmonaria массой 2 г. Показаны 95 %-ные доверительные интервалы, п = 10. Одинаковые буквы обозначают статистически значимые отличия (тест Тьюки)

ГЛАВА 5. РАЗНООБРАЗИЕ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ L. PULMONARIA 5.1 Внутрипопуляционное разнообразие

Используемые генетические маркеры в среднем имели по 16 аллелей на локус для микобионта и 21 - для фотобионта, демонстрируя высокую чувствительность при идентификации генотипов. При исследовании 8 локусов микобионта обнаружено 128 аллелей, 62 из которых относятся к наиболее полиморфному локусу. У фотобионта L. pulmonaria обнаружено 152 аллели с более равномерным распределением по локусам.

У микобионта L. pulmonaria обнаружено 990 (56 % от общей выборки) различных мультилокусных генотипов (генет). Согласно значениям индекса кло-нального разнообразия (G/N) наибольшее количество клонов (>20 %) обнаружено в регионах Иремель, Южный Урал 1 и 2, Алтай 1 (Табл. 2). Низкое значение

генотипической выравненное™ (Е) в регионе Басеги также свидетельствует о существенном вкладе клоналъной составляющей в данной популяции.

Таблица 2 - Генетическое разнообразие изучаемых регионов (среднее ± стан-

дартная ошибка, учетная единица - популяция)

Регион и G/N Е Gr/Ge

Коми 3 0.90 ±0.05 0.72 ± 0.04 0.90 ±0.08

Сев. Урал 7 0.91 ±0.02 0.52 ±0.14 0.89 ±0.03

Вишера 4 0.85 ±0.04 0.67 ±0.12 0.78 ±0.07

Кытлым 1 0.88 0.83 0.77

Басеги .4 0.83 ±0.04 0.51 ±0.18 0.77 ±0.07

Иремель 3 0.71 ±0.06 0.78 ±0.09 0.59 ±0.07 *

Юж. Урал 1 3 0.73 ± 0.04 0.90 ±0.01 0.61 ±0.06

Юж. Урал 2 3 0.57 ±0.05 0.93 ± 0.01 0.44 ±0.06 *

ХМАО 6 0.86 ±0.04 0.83 ± 0.07 0.82 ±0.06

Алтай 1 4 0.72 ±0.05 0.86 ±0.02 0.65 ±0.06 *

Алтай 2 3 0.86 ±0.01 0.82 ± 0.01 0.83 ±0.04

Общий итог 41 0.81 ±0.02 0.73 ±0.04 0.75 ±0.03 *

Примечание: п - объем выборки, G/N- индекс клоналыюго разнообразия (отношение количества генет к общему количеству индивидуумов), Е - генотипическая вырав-ненноегь (Fager, 1972), Gu'Ge - мера вклада полового процесса в общее разнообразие (*-р < 0.05, при нулевой гипотезе о том, что наблюдаемое генотапическое разнообразие (G0) эквивалентно ожидаемому (Gc) при свободном скрещивании в популяции)

Генотипический портрет популяции совместно с анализом ее репродуктивной и размерной структуры позволяет делать предположения о ее календарном или биологическом возрасте, происхождении и условиях существования. Наиболее генотипически однородные популяции L. pulmonaria, в которых не были найдены фертильные талломы, вероятнее всего, относятся к группе регрессивных (например, в регионе Южный Урал 2). Популяции с промежуточными значениями генотипического разнообразия и средним (для вида) количеством субпопуляций с апотециями (например, Иремель, Басеги и Южный Урал 1) -стабильные, т.е. находящиеся на стадии самоподцержания за счет освоения оставшихся неколонизированными потенциальных местообитаний в пределах фитоценоза. К группе колонизирующих популяций (Коми, Северный Урал, Више-ра, Кытлым, ХМАО и Алтай 2) отнесены активно расселяющиеся посредством интенсивного образования генеративных спор или представляющие собой ранние стадии существования на недавно колонизированных участках.

5.2 Дифференциация популяций

5.2.1 Химический состав вторичных метаболитов. В ходе предварительного анализа выявлено, что у L. pulmonaria все лопасти в пределах таллома содержат одинаковые лишайниковые кислоты. Для определения соотношения различных хеморас (хемораса-I содержит телофоровую и норстиктовую кислоты; хемораса-П в дополнение включает стиктовую и констикговую кислоты; Yoshimura, 1971) в популяциях L. pulmonaria были отобраны 52 индивидуума (все талломы представлены различными генотипами) из географически удаленных друг от друга регионов (Алтай 1, Северный Урал и Южный Урал 2). В каждом регионе обнаружены обе хеморасы L. pulmonaria, соотношение которых различно: с изменением климатических условий в сторону более теплых увеличивалась доля первой хеморасы. Согласно оценке степени генетической дифференциации хеморас L. pulmonaria (на основании последовательностей ITS) межрегиональная изменчивость больше изменчивости между хеморасами.

5.2.2 Генетическая дифференциация популяций. В результате оценки межрегиональных генетических различий между популяциями L. pulmonaria получены невысокие значения индексов дифференциации {DestY- 0.059 ± 0.007 (среднее ± ошибка). Выявлено три кластера, внутри которых генетическая дифференциация между регионами не значима статистически: 1) Коми, Северный Урал, Вишера, Кытлым, Басеги и ХМАО; 2) Алтай 1 и 2, Иремель и Южный Урал 1; 3) Южный Урал 2 (наиболее отдален от других групп, DB7: 0.158 ± 0.012).

С помощью метода Байесовской кластеризации индивидуумов (Pritchard et al., 2000) установлен четкий сигнал, свидетельствующий о том, что вся выборка может быть представлена тремя генетически гомогенными группами. Соотношения индивидуумов, принадлежащих к разным группам, различаются в зависимости от региона произрастания L. pulmonaria'. / = 869.0, df= 20, р« 0.0001 (Рис. 2). Популяции Южного Урала (регионы Иремель, Южный Урал 1 и Южный Урал 2) наиболее четко дифференцированы от остальных популяций. Возможной причиной может быть восстановление ареала вида после оледенения из различных рефугиумов, а также пространственное разделение путей колонизации разных географических регионов.

Оценка распределения разнообразия внутри и между различными уровнями группировки индивидуумов (от форофита до региона) L. pulmonaria выполнена с помощью иерархического анализа молекулярной дисперсии {AMOVÁ).

Несмотря на значимое влияние почти всех уровней, их вклад в общую изменчивость невелик (2-5 %), более 90 % общей изменчивости приходится на изменчивость индивидуумов. Вероятно, в прошлом данный вид был представлен обширными популяциями, между которыми осуществлялся интенсивный поток генов. Наблюдаемая картина также обусловлена длительностью жизненного цикла L. pulmonaria и низкой скоростью колонизации новых местообитаний.

Рисунок 2 - Карта районов исследования и частотное распределение групп генотипов L. pulmonaria в зависимости от региона (номера регионов - см. Табл. 1). Свердловская область выделена темно-серым цветом

5.3 Связь генетической изменчивости с экологическими факторами

Проведен анализ зависимости изменчивости генотипов мико- и фотобио-нтов L. pulmonaria от вида форофита. Связь межпопуляционной генетической изменчивости с видовой принадлежностью форофитов обусловлена межрегиональными отличиями по составу древостоя и менее выражена для микобионта, что свидетельствует о важной роли симбиотической водоросли в дифференциации популяций L. pulmonaria.

Для определения связи генетической дифференциации изучаемых регионов с факторами окружающей среды были выбраны 15 предикторов, наиболее

сильно влияющих на распространение L. pulmonaria в глобальном масштабе (раздел 4.1) и наиболее информативных для классификации регионов (раздел 3.2), а также географические координаты и высота местности. По результатам моделирования межрегиональные климатические различия не объясняют меж-популяционной генетической дифференциации микобионта.

ГЛАВА 6. МИКРОМАСШТАБНАЯ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА

ПОПУЛЯЦИЙ L. PULMONARIA 6.1 Пространственно-генетическая структура популяций

Для определения доминирующего типа передачи симбионтов L. pulmonaria мы сравнивали пары разных генотипов фотобионта, связанных с одинаковыми генотипами микобионта. Распределение генетических расстояний в популяции региона Кытлым наиболее близко к биномиальному, в популяции региона Иремель - к геометрическому (Рис. 3). Исходя из этого можно предположить, что популяция из региона Кытлым недавно заселила данную территорию с помощью половых спор гриба, восстановивших симбиоз (релихенизация) с локальной популяцией зеленой водоросли, не имеющей пространственной структурированности. Популяция из региона Иремель - более зрелая, где успешно прошла колонизация ближайших деревьев-форофитов вегетативным путем.

о

а"

§ Vo Он ¿V

VO -

О, сЗ С се

о и

X] о

0.50.40.30.20.10.

b: /= 17.14, р=0.002 g:/=4.14, р < 0.388

Ь: /=037, р = 0.985 g: /=21.85, р < 0.001

г \ \ %

t t t t г > \ \ V \

t У

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7

Количество отличающихся локусов фотобионта (АФ> 0) Рисунок 3 - Частотные распределения количества отличающихся локусов фотобио-нгов (АФ), ассоциированных с одинаковыми генотипами микобионта (АМ= 0), в регионах Иремель (А, п = 8) и Кытлым (Б, п = 24). Сплошная линия обозначает ожидаемое распределение при доминировании бесполого размножения микобионта (Ь -биномиальное), пунктир - полового (с последующим процессом релихенизации, g -геометрическое); й^У) = 4

6.2 Пространственная структурированность популяций

В регионе Кытлым на наиболее выровненной по экологическим условиям пробной площади, где в качестве форофита для L. pulmonaria выступает почти исключительно осина (Populus trémula), проведен анализ связи между пространственной структурой потенциальных форофитов и L. pulmonaria.

Для осины характерно контагиозное распределение, в то время как для L. pulmonaria - случайное. Анализ сопряженности между пространственной структурой потенциальных и колонизированных форофитов выявил значимую, но слабую связь между данными параметрами (коэффициент ранговой корреляции Кендалла г = 0.22,р < 0.01). Без учета информации о возрасте популяции, данный факт противоречил бы теоретическим взглядам, согласно которым, на участке с высокой плотностью потенциальных форофитов вид должен активнее колонизировать ближайшие деревья с помощью вегетативных диаспор. В этом случае был бы неизбежен «каскад предположений» относительно причин несостоявшейся колонизации доступных потенциальных форофитов.

L. pulm. Р. tren л= 21 320

100 „ 200 300

Расстояние,м

Рисунок 4 - Распределение географических расстояний до ближайшего соседа (медиана, квартили, усы - значения, входящие в 4 межквартильных размаха) на пробной площади в зависимости от статуса дерева (треугольник - колонизировано L. pulmonaria, точка — неколонизировано)

17

выводы

1. Современный видовой ареал Lobaria pulmonaria существенно уже потенциального. К основным факторам, лимитирующим потенциальное распространение L. pulmonaria в глобальном масштабе, относятся: годовая сумма осадков, минимальная температура самого холодного месяца, средняя температура самой влажной четверти года и количество осадков самой холодной четверти года.

2. На территории Урала и Западной Сибири L. pulmonaria произрастает в районах с отсутствием или минимальной степенью антропогенного воздействия, в пределах которых встречается в широком спектре местообитаний как по вариантам ландшафтов (от пойменных участков до горных склонов), группам формаций лесных сообществ (от темнохвойных до широколиственных лесов), так и по видовому составу форофитов, преимущественно представленных лиственными деревьями (в северных районах L. pulmonaria также заселяет хвойные).

3. У L. pulmonaria существуют две стратегии распределения статей энергетического баланса, расходуемых на формирование структур вегетативного размножения и рост таллома. Первая направлена на быстрое увеличите численности популяции и колонизацию ближайших новых субстратов, вторая -на быстрый рост материнских талломов и увеличение площади субпопуляции на уже колонизированном форофите.

4. Несмотря на преимущественно вегетативное размножение, уровень изменчивости микросателлитных локусов мико- и фотобионта L. pulmonaria очень высок. Наибольшая генетическая изменчивость наблюдается в тех локальных популяциях, для которых характерен большой вклад полового процесса в размножение микобионта.

5. Генетическая дифференциация популяций L. pulmonaria в региональном масштабе выражена слабо: более 90 % общей дисперсии приходится на изменчивость индивидуумов в пределах локальной популяции. Такая структура изменчивости может свидетельствовать о том, что в прошлом на территории Урала и Западной Сибири отсутствовали какие-либо барьеры для потока генов.

6. Пространственно-генетическая структура популяции L. pulmonaria во многом зависит от ее возраста и вклада полового процесса в размножение, ко-

18

торые можно определить не только по функционально-возрастным характеристикам субпопуляций, но и на основании анализа сопряженности генетической изменчивости мико- и фотобионта. На ранних этапах колонизации местообитаний (по крайней мере, посредством генеративных спор) горизонтальное распределение потенциальных форофитов оказывает слабое влияние на структуру популяции L. pulmonaria.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В издании,рекомендованном ВАК РФ:

1. Микрюков B.C., Михайлова И.Н., Шейдеггер К. Репродуктивные параметры Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm на Урале // Экология. 2010. № 6. С. 420-424.

В других изданиях:

2. Mikryukov V.S., Widmer I., Mikhailova I.N., Scheidegger С. Genetic structure of Lobaria pulmonaria populations in the Ural Mountains (Russia) studied with microsatellites // Biology of lichens and bryophytes: The 6th IAL Symp. and Annual ABLS Meeting, Jul. 13 - 19, 2008 / Amer. Bryological and Lichenological Soc. and the Int. Assoc. for Lichenology. Asilomar, USA, 2008. P. 45.

3. Микрюков B.C. Популяционная структура эпифитного лишайника Lobaria pulmonaria на Урале // Биосфера Земли: прошлое, настоящее и будущее: материалы конф. молодых ученых, 21-25 апр. 2008 г. Екатеринбург,

2008. С. 129-138.

4. Микрюков B.C. Генетическая структура популяций эпифитного лишайника Lobaria pulmonaria на Урале // Фундаментальные и прикладные исследования в биологии: материалы I междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 23 - 26 февр. 2009 г. Донецк, 2009. № 1. С. 81-82.

5. Микрюков B.C. Структура популяций лишайника Lobaria pulmonaria на Северном Урале // Эволюционная и популяционная экология: материалы конф. молодых ученых, 30 марта- 3 апр. 2009 г. Екатеринбург,

2009. С. 114-121.

6. Widmer I., Dal Grande F., Mikryukov V., Keller C., Scheidegger C. Coevolutionary history of a lichen symbiosis in Europe and its implication for conservation strategies // Conservation biology and beyond - from science to practice:

19

2üd Europ. Congr. of Conservation Biology, Sept. 01 - 05, 2009. Prague, 2009. P. 119.

7. Микрюков B.C. Генетическая структура популяций эпифитного лишайника Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. на Урале // Изучение грибов в биогеоценозах: материалы V междунар. науч. конф., 7-13 сент. 2009 г. Пермь, 2009. С. 302-305.

8. Микрюков В.С. Пространственно-генетическая структура мико-и фотобионтов эпифитного лишайника Lobaria pulmonaria на Северном Урале // Биологические системы - устойчивость, принципы и механизмы функционирования: материалы III всерос. науч.-практ. конф. 1 - 5 марта, 2010. Н. Тагил, 2010. Ч. 2. С. 52-56.

9. Микрюков В.С. Динамика и пространственно-генетическая структура лишайникового симбиоза в популяциях Lobaria pulmonaria II Экология от южных гор до северных морей: материалы всерос. конф. молодых ученых, 19-23 апр. 2010 г. Екатеринбург, 2010. С. 107-114.

10. Микрюков В.С. Пространственно-генетическая структура популяции Lobaria pulmonaria на Северном Урале // Первые Беккеровские чтения: материалы междунар. науч.-практ. конф. по биологии, ветеринарии и медико-биол. пробл., 27 - 29 мая, 2010 г. Волгоград, 2010. № 2. С. 280-282.

Подписано в печать 06.10.2011 г. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в типографии «Копирус» 620102 г. Екатеринбург, улица Белореченская, 17 к1, тел. (343) 234-

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Микрюков, Владимир Сергеевич, Екатеринбург

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК УРО РАН ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ

На правах рукописи

04201167049

МИКРЮКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ ЭПИФИТНОГО ЛИШАЙНИКА LO В ARIA PULMONARIA (L.) HOFFM. НА ТЕРРИТОРИИ УРАЛА И СИБИРИ

03.02.08 - экология

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат биологических наук Михайлова И.Н.

Екатеринбург - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Литературный обзор.................................................................................................10

1.1 Объект исследования.........................................................................................................10

1.1.1 Систематическое положение (микобионт).............................................................11

1.1.2 Состав фотобионтов.................................................................................................14

1.1.3 Общая характеристика и особенности жизненного цикла...................................15

1.1.4 Химический состав...................................................................................................18

1.1.5 Ареал..........................................................................................................................19

1.1.6 Реакция на антропогенное загрязнение..................................................................20

1.1.7 Приуроченность к растительным формациям и субстратам................................20

1.1.8 Практическое применение.......................................................................................23

1.2 Влияние внешних условий на популяционную структуру L. pulmonaria в разных пространственных масштабах..........................................................................................24

1.2.1 Проблема определения популяции и особи в лихенологии.................................25

1.3 Предсказательное моделирование экологической ниши...............................................26

1.4 Микросателлиты как маркеры изменчивости.................................................................28

Глава 2. Материалы и методы исследований.......................................................................32

2.1 Полевые исследования и камеральная обработка материала........................................32

2.1.1 Район исследования..................................................................................................32

2.1.2 Методика отбора проб..............................................................................................34

2.2 Определение состава вторичных метаболитов...............................................................37

2.3 Генетический анализ..........................................................................................................37

2.4 Методика математической обработки.............................................................................39

2.4.1 Анализ климатических данных и предсказательное моделирование географического распространения L. pulmonaria...........................................................40

2.4.2 Анализ репродуктивного потенциала и преференции L. pulmonaria..................45

2.4.3 Анализ молекулярно-генетических данных...........................................................46

2.4.4 Микромасштабная популяционно-генетическая структура.................................50

2.4.5 Анализ пространственного распределения............................................................51

Глава 3. Физико-географическая характеристика районов исследования.........................52

3.1 Орография...........................................................................................................................52

3.2 Климат.................................................................................................................................54

Глава 4. Распространение, экологическая приуроченность и структура популяций

L. pulmonaria.......................................................................................................................59

2

4.1 Анализ современного распространения вида..................................................................59

4.2 Приуроченность вида к эколого-фитоценотическим ассоциациям.......................'.......65

4.3 Оценка экологической приуроченности L. pulmonaria..................................................71

4.3.1 Видовой состав и размерные характеристики форофитов L. pulmonaria...........71

4.3.2 Связь размерно-функциональных характеристик субпопуляций L. pulmonaria с характеристиками форофитов...........................................................................................76

4.3.3 Преференция L. pulmonaria при колонизации деревьев.......................................80

4.4 Размерная и репродуктивная структура популяций.......................................................83

4.4.1 Репродуктивный потенциал L. pulmonaria.............................................................87

4.4.2 Связь степени развития L. pulmonaria с экологическими факторами.................92

Глава 5. Разнообразие и генетическая структура популяций L. pulmonaria.....................97

5.1 Внутрипопуляционное разнообразие...............................................................................97

5.1.1 Характеристика генетических маркеров................................................................97

5.1.2 Внутрипопуляционное генетическое разнообразие..............................................99

5.2 Дифференциация популяций..........................................................................................104

5.2.1 Химический состав вторичных метаболитов.......................................................104

5.2.2 Генетическая дифференциация популяций.........................................................106

5.3 Связь генетической изменчивости с экологическими факторами..............................117

Глава 6. Микромасштабная пространственная структура популяций L. pulmonaria........121

6.1 Пространственно-генетическая структура популяций.................................................121

6.2 Пространственная структурированность популяций...................................................128

Выводы.......................................................................................................134

Список использованной литературы.......................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Спектр известных форофитов L. pulmonaria.........................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Материал исследования...........................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Методика молекулярно-генетического анализа....................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Анализ климатических данных...............................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Результаты биоклиматического моделирования экологической ниши

L. pulmonaria.........................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Эколого-фитоценотическая приуроченность L. pulmonaria................177

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Экологическая структура популяций L. pulmonaria............................183

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Результаты молекулярно-генетического анализа.................................188

ПРИЛОЖЕНИЕ К. Состав вторичных метаболитов L. pulmonaria......................................208

ПРИЛОЖЕНИЕ Л. Пространственная структурированность популяций L. pulmonaria ...214

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Объект данного исследования — эпифитный лишайник лобария легочная (Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm., Lobariaceae, Ascomycotina) относится к видам с сокращающейся численностью; он занесен в Красную книгу России и находится под угрозой исчезновения в большинстве стран Центральной Европы. Плачевное состояние его популяций вызвано высоким уровнем регионального загрязнения атмосферы (Hawksworth et al., 1973) и разрушением местообитаний.

Предложенная в различных работах (Carlsson, Nilsson, 2009; Jüriado, Liira, 2010; Otálora et al., 2011) стратегия сохранения L. pulmonaria сводится к универсальному принципу охраны местообитаний и почти не изменилась за последние 40 лет. Между тем, согласно результатам исследований последних лет, диаспорам L. pulmonaria свойственны малая дальность распространения и низкая выживаемость, и как следствие, низкая скорость колонизации новых местообитаний (Scheidegger, Werth, 2009). Кроме того, эпифитные лишайники, включая, L. pulmonaria, демонстрируют преференцию в отношении колонизируемых деревьев (Barkman, 1958), однако наиболее предпочтительный для L. pulmonaria комплекс черт субстрата до сих пор не выявлен. Также мало информации об отношении данного вида к совместному влиянию абиотических факторов, например влажности и освещенности. В связи с этим предложенные меры по сокращению рубок леса с целью сохранения исчезающих популяций этого вида представляются недостаточными, а в ряде случаев — не обязательными (Gauslaa et al., 2006).

В качестве дополнения к основной стратегии охраны L. pulmonaria было предложено уделять особое внимание популяциям, для которых характерно половое размножение, нежели популяциям с исключительно вегетативным воспроизводством (Zoller et al., 1999). Во-первых, это предложение основано на общем принципе экологической генетики, согласно которому высокая генетическая изменчивость поддерживает жизнеспособность и увеличивает вероятность выживания популяций, находящихся под угрозой исчезновения. Во-вторых, оно связано с гипотезой гетероталличности данного вида, в соответствии с которой половой процесс может происходить только между генетически разнородными талломами.

Результаты многих популяционно-генетических исследований (Mattsson et al., 2009; Werth, 2010) показали, что на генетическую структуру популяций влияет не только пространственная изоляция, но и климатические условия, размеры местообитания, средовые градиенты. Популяции L. pulmonaria с обширной, экологически контрастной

территории Урала и Западной Сибири предоставляют большие возможности для поиска ответов на вопросы о том, как внешние факторы могут воздействовать на межпопуляционный поток генов и появление локальных адаптации. Выявление подобных связей служит основой при поиске закономерностей эволюции и прогнозирования путей развития популяций при изменении внешних условий. Кроме того, полученная информация важна для изучения популяционных механизмов устойчивости и чувствительности лишайников к техногенным нагрузкам (Михайлова, Воробейник, 1999).

В исследованиях репродуктивных характеристик L. pulmonaria показано, что расход энергии на репродуктивное усилие весьма велик и чрезвычайно сильно снижает прирост биомассы (Gauslaa, 2006). Тем не менее, до сих пор не рассмотрен вопрос об уровне пластичности стратегий распределения энергии между продуцированием диаспор и ростом таллома в разных популяциях или экологических условиях. Анализ изменчивости репродуктивных стратегий вида предоставит возможность для сравнительной оценки успешности распросгранения популяций (Михайлова, 2005).

Более того, в связи с относительной дискретностью организмов (в отличие от микориз высших растений) и неподвижным образом жизни (в отличие от животных), лишайники представляют собой удобные объекты для изучения закономерностей функционирования симбиотических систем, в том числе особенностей динамики популяций, обусловленных разносторонними взаимовлияниями симбионтов при их совместной эволюции.

Цель и задачи исследования. Цель работы - анализ закономерностей формирования экологической и генетической структуры популяций L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири в локальном и региональном масштабах.

Для достижения цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи:

1. Анализ современного видового ареала L. pulmonaria на основе собственных и литературных данных, материалов гербариев и баз данных биологических коллекций.

2. Построение карты потенциального видового ареала L. pulmonaria на основе моделирования фундаментальной экологической ниши и выявление факторов, лимитирующих распространение L. pulmonaria в глобальном масштабе.

3. Анализ экологической приуроченности, размерной и репродуктивной структуры локальных популяций L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири.

4. Характеристика репродуктивных стратегий L. pulmonaria в популяциях, обитающих в районах с контрастными климатическими условиями (Северный и Южный Урал).

5. Определение параметров внутри- и межпопуляционной генетической изменчивости микобионта L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири. Выявление возможных факторов, детерминирующих генетическую дифференциацию популяций в региональном пространственном масштабе.

6. Оценка сопряженности внутрипопуляционной пространственно-генетической изменчивости мико- и фотобионта L. pulmonaria в популяциях Северного и Южного Урала.

Научная новизна. Впервые с использованием микросателлитных маркеров ДНК на обширном материале исследована генетическая изменчивость лихенообразующего гриба L pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири. Проанализирована связь генетической изменчивости с характеристиками (пространственной, размерной и репродуктивной структурами) популяции с учетом влияния различных экологических факторов (климата, параметров форофитов). Проведено сопоставление экологической изменчивости L. pulmonaria в разных пространственных масштабах (от локального до регионального). Выявлены разные стратегии распределения статей энергетического баланса изучаемого вида, направляемых на размножение и рост.

Теоретическое и практическое значение: Результаты^исследования вносят вклад в популяционную экологию лишайников, в частности - в решение проблему формирования пространственно-генетической.структуры вида, а также заполняют пробелы в знаниях о закономерностях функционирования симбиотических систем. Полученные данные об экологической структуре, внутрипопуляционном генетическом разнообразии и межрегиональной дифференциации вида, находящегося под угрозой исчезновения, могут быть использованы при разработке мероприятий по сохранению биоразнообразия. Показаны преимущества совместного использования генетических и экологических подходов при оценке связи между параметрами местообитания и популяций лихенообразующих грибов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Современный видовой ареал L pulmonaria существенно уже потенциального. На территории Урала и Западной Сибири L. pulmonaria произрастает в районах с отсутствием или минимальной степенью антропогенного воздействия, в пределах которых встречается в широком спектре местообитаний по вариантам ландшафтов, группам формаций лесных сообществ и по видовому составу форофитов.

2. Высокая внутрипопуляционная генетическая изменчивость и слабая дифференциация в региональном масштабе популяций L. pulmonaria свидетельствует об отсутствии в прошлом на территории Урала и Сибири барьеров для потока генов.

6

3. Пространственно-генетическая структура локальных популяций L pulmonaria во многом зависит от их возраста и вклада полового процесса в размножение. На ранних стадиях колонизации местообитания горизонтальное распределение потенциальных форофитов слабо влияет на структуру популяций.

Личный вклад автора. Автором выполнена работа по сбору полевого материала на территории Свердловской и Челябинской областей, Пермского края, Республики Башкортостан и Ханты-Мансийского автономно округа - Югры. Автор лично выполнил лабораторные исследования (генотипирование образцов, определение последовательностей ДНК и состава вторичных метаболитов), весь математический анализ данных, интерпретацию и обобщение полученных результатов.

Публикации По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.

г

Необходимо отметить ряд методологических аспектов, которые важны при ишерпретации полученных результатов. Прежде всего, это относится к проблеме определения элементарной внутрипопуляционной единицы как аналога особи у других групп организмов (Михайлова, 2005). Существует два основных подхода к решению этой проблемы. В первом случае (преобладающий подход) в качестве элементарной единицы принимается таллом, который на момент исследования визуально регистрируется как дискретное образование. Последователи' второго подхода в качестве элементарной единицы принимают так называемый функциональный индивидуум, т.е. совокупность всех талломов одного вида, населяющих единицу субстрата (Scheideggei, Goward, 2002), например один ствол дерева. Проведенные в рамках данного подхода исследования, как правило, ограничиваются определением численности популяции,' без рассмотрения структуры населения ствола и соотношения стадий развития слагающих его талломов. При анализе репродуктивной структуры популяций мы используем оба типа учетных единиц.

Следующей методологической проблемой можно считать неоднозначность предлагаемых определений популяции применительно к лишайникам (Михайлова, 2005). В нашей работе мы будем придерживаться одного из «мягких» его вариантов, предполагая, что любая популяция естественным образом подразделяется на более мелкие группы, а сама входит в более крупные объединения (Гиляров, 1990). Таким образом, под популяцией у лишайников мы подразумеваем группировку особей одного вида, более или менее изолированную в пространстве от других аналогичных совокупностей того же вида

i í

и населяющую определенный экотоп. Совокупность талломов, населяющих единицу субстрата, мы будем рассматривать в качестве субпопуляционной единицы.

Кроме того, хотелось бы отметить, что в работе реализована возможность сопряженного анализа изменчивости обоих симбионтов лишайника. Образование таллома лишайника путем симбиоза нескольких облигатных компонентов — фото- и микобионта — добавляет новый уровень изменчивости, который должен влиять на выживание их ассоциации в целом. Однако в случае изучения генетической изменчивости таких многокомпонентных систем, возникают и методические проблемы, которые могут быть решены благодаря недавней разработке видоспецифичных ДНК маркеров для обоих симбионтов. Более того, данные маркеры делают методику менее чувствительной к перекрестному загрязнению ДНК другими организмами (например, экзосимбионтами, лихенофильными грибами или аэроф�