Введение
В связи с высокими темпами роста экономики и народонаселения, в последнее столетие отмечается увеличение площади и плотности застройки городов. В урбоценозах, в ходе промышленного производства и при разложении продуктов бытового пользования, в окружающую среду выделяется большое количество канцерогенов, мутагенов и токсичных веществ. Кроме того, городская экосистема отличается отсутствием равновесия, эта система аккумулирует вещества и энергию, постоянно требуя их поступления извне. Поставщиками, в этом случае, становятся другие, менее заселенные территории. На Земле уже невозможно найти место, которое через круговорот химических веществ и цепи питания было бы абсолютно независимо от деятельности человека. Таким образом, в настоящее время, антропогенный фактор приобрёл решающее значение для существования и развития биогеоценозов планеты. Многие виды растений приспособились к существованию под жёстким воздействием антропогенных факторов, в результате чего у некоторых из них наблюдаются изменения обмена веществ, произошедшие вследствие накопления груза мутаций, вызванных агрессивными условиями окружающей среды. Для синантропной флоры характерно образование новых морф в загрязнённой среде обитания. Благодаря этой особенности, ряд видов растений используется учёными в качестве биоиндикаторов для оценки степени экологической чистоты местности. Так, клевер ползучий Trifolium repens L. используется для определения степени загрязнения воздуха и почв. Этот вид травянистого растения является типичным для местообитаний, связанных с деятельностью человека.
В качестве признака, порожденного антропогенным влиянием, рассматривается наследственный полиморфизм по форме «седого» рисунка на листовой пластинке, который может различаться расположением, окраской, интенсивностью проявления, размером и рядом других показателей. Наличие «седого» пятна на листьях – признак доминантный (V), его отсутствие – рецессивный (v). Разнообразие фенов в этом случае обусловлено появлением в результате генной мутации серии множественных аллелей гена V, восемь из которых встречаются наиболее часто. При этом соотношение фенотипов в гибридном потомстве не меняется. Во всех случаях в генотипе присутствует только одна пара аллелей, их взаимодействие и определяет развитие признака, т. к. каждая имеет определенную степень доминирования. В данной работе рассматриваются только гомозиготные особи.
Действие различных аллелей на отдельных этапах онтогенеза определяет расположение «седых» пятен. Все они нарушают нормальное развитие хлорофилла в палисадных клетках светлой зоны листа и приводят к сокращению в них количества хлоропластов вплоть до их полного отсутствия. Это вызывает уменьшение размеров палисадных клеток и увеличение пространства между ними, более раннюю гибель клеток, поэтому форма седого рисунка на пластинках листа клевера ползучего и частота его встречаемости – индикатор загрязнения среды обитания. Доказано, что в более благоприятных условиях среды отмечается преобладание генотипов vv и VV, а в местообитаниях, испытывающих антропогенную нагрузку, наблюдается большое разнообразие генотипов [3]. Чем больше вариантов «седого» рисунка выявлено на определенной территории, тем больше мутаций произошло в гене V, а значит можно сделать вывод о том, что хозяйственная деятельность человека оказала заметное негативное влияние на данную территорию.
Цель исследования: изучение генетического полиморфизма в популяциях белого ползучего клевера, произрастающего в различных условиях окружающей среды г. Омска, по разнообразию «седого» рисунка на листьях.
Для достижения указанно цели были поставлены следующие задачи:
1) произвести фенотипический анализ признака «седой» рисунок на листе белого клевера в популяциях, произрастающих в различных районах Омска (в т.ч. «зелёных зонах» и промышленных районах) с определением генотипа;
2) определить наиболее встречаемый фенотип и генотип серии, провести статистическую проверку эмпирических данных на достоверность;
3) определить степень влияния условий окружающей среды на отдельные городские популяции в форме сравнения частоты встречаемости рецессивной аллели в анализируемых популяциях.
Материалы и методы исследования
В 2012-2013 гг. кафедрой «Биологии» ОмГПУ было организовано изучение экологического состояние различных зон города Омска методом оценки генетического полиморфизма в популяциях белого ползучего клевера. Сбор материала производился в июле 2012 и сентябре 2013 года в различных районах города Омска. Для определения фенотипов закладывались пробные рандомизированные площади с различными условиями произрастания и разной степенью антропогенной нагрузки. Всего было обследовано 6948 растений на 180 пробных площадках.
Далее проводился подсчет листьев растений Trifolium repens с разными формами «седых» пятен на листьях. Анализ и определение фенотипов растений проводили по методике Папоновой И.Т. (1982) и Шварцмана П.Я. (1986), сопоставляя рисунок на листе с генотипом по таблице (таб. 1).
Таблица 1
Генотипы и фенотипы белого клевера
|
vv |
VV |
VHVH |
VBVB |
VBhVBh |
VPVP |
VFVF |
VLVL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота встречаемости различных генотипов и фенотипов была представлена как доля растений того или иного генотипа в данной выборке для конкретного местообитания, выраженная в процентах. Её уточнение производилось путём вычисления среднего квадратичного отклонения σ и средней частоты m качественного признака. Для подтверждения достоверности полученных данных применялся стандартный критерий Пирсона χ2, а для их сравнения – критерий Стьюдента t [4]. Оценка степени загрязнения почв производилась с использованием индекса соотношения фенов (ИСФ) [6].
Результаты исследования и их обсуждение
Выборки 2012 и 2013 годов не имели достоверных различий с вероятностью более 95% (χ2=10,466, 0,01<<P<0,05), что свидетельствовало об их принадлежности к одной генеральной совокупности. Между популяциями белого клевера, произрастающими в административных округах г. Омска, были обнаружены достоверные различия (вероятность 90-95%), что подтверждается значением критерия Пирсона, равным 7,792. Совокупности особей рассматриваемых парковых зон Омска также достоверно различимы с вероятностью 95-99%, что подтверждается значением величины χ2=6,966.
В ходе сбора материала в административных округах города Омска было обнаружено 6 фенотипических классов: без пятна – О (2856), полное ˄-образное пятно – А (1342) , полное ˄-образное высокое пятно – АH (1946), ˄-образное разорванное пятно – В (136), центральное пятно – С (606), треугольное низкое пятно у основания – Е (62). Установленным фенотипическим классам соответвтвуют генотипы: без пятна – vv , полное ˄-образное пятно – VV, полное ˄-образное высокое пятно – VHVH, ˄-образное разорванное пятно – VBVB, центральное пятно – VPVP, треугольное низкое пятно у основания – VLVL (рис.1).
Было установлено, что в исследуемых популяциях г. Омска наиболее часто встречаются растения следующих классов: без пятна – vv (26-47%), полное ˄-образное высокое пятно – VHVH (16-48%) и полное ˄-образное пятно – VV (11-30%) (рис. 2).
Рис. 1. Частота встречаемости фенотипических классов в популяциях Trifolium repens в административных округах г. Омска в 2012-2013 годах
Рис. 2. Частота встречаемости фенотипических классов в популяциях Trifolium repens в парковых зонах г. Омска в 2012-2013 годах
Эти генеральные совокупности отмечены, как содержащие высокое разнообразие фенотипических классов с частотой встречаемости >1%, что говорит о большом количестве мутантных особей в городских популяциях. Наименьшее число диких фенов (vv, VV) найдено в Центральном районе, наибольшее – в Советском АО. Возможно, это было вызвано тем, что площадки в Советском округе закладывались преимущественно на территории парковых зон, а в Центральном округе они располагались вдали от крупных парков, в связи с отсутствием таковых. Также были определены наименее встречающиеся фенотипы: ˄-образное разорванное пятно – VBVB (0-2%), центральное пятно – VPVP (3-14%), треугольное низкое пятно у основания – VLVL (0-2%). Большое число особей, имеющих мутантный генотип, может быть свидетельством высокого уровня воздействия внешних или внутренних факторов. Это подтверждает общий индекс соотношения фенов, имеющий значение 58,89%, что свидетельствует о средней степени загрязнения почв (41-60%), граничащей с сильным загрязнением (61-80%) (Биология в школе, 2010). Частные значения этой величины соответствуют средней степени загрязнения: Кировский округ (53,43%), Октябрьский округ (54,81%); а также сильным загрязнением: Советский округ (63,86%), Центральный округ (73,58%).
В популяциях белого клевера парковых зон г. Омска наиболее часто встречаются растения следующих классов: без пятна – vv (10-56%), полное ˄-образное высокое пятно – VHVH (9-42%) и полное ˄-образное пятно – VV (5-37%). Эти генеральные совокупности также отмечаются, как содержащие высокое разнообразие фенотипических классов с частотой встречаемости >1%, что говорит о большом количестве в них мутантных особей Наименьшее число диких фенов (vv, VV) найдено в Советском парке. Наибольшее – в парке «Зелёный остров». Частота встречаемости рецессивной гомозиготы резко различается в выборках Советского парка и других парков. Вероятно, это обусловлено тем, что эта рекреационная зона располагается на 6 км к югу от Омского Нефтеперерабатывающего завода, а данное направление розы ветров является одним из наиболее типичных для города Омска.
Большое количество диких фенотипов в популяции парка «Зелёный остров» можно объяснить тем, что он представляет собой полуостровную часть суши в русле реки Иртыш. Предположительно, загрязняющие эту среду обитания вещества аккумулируются в реке посредством подземных вод, тем самым освобождая её. Были определены наименее встречающиеся фенотипы: ˄-образное разорванное пятно – VBVB (0-7%), центральное пятно – VPVP (2-27%), треугольное низкое пятно у основания – VLVL (0-2%).
Вычисление индексов соотношения фенотипов «зелёных зон» дало следующие результаты: удовлетворительное экологическое состояние парка «Зелёный остров» (43,94%), средняя степень загрязнения парка 30-летия Победы (53,42%) и парка 30-летия ВЛКСМ (52,92%), а для Советского парка было определено очень сильное загрязнение (90,29%), что подтверждает вышеуказанные результаты. Исходя из полученного значения ИСФобщ. (58,57%), можно утверждать об отсутствии достоверных различий между загрязненностью почв в парковых зонах Омска и административных районах города в целом. Это вызвано тем, что рассмотренные парки располагаются вдоль крупных автомагистралей: Зелёный остров – ул. Красный путь, Советский парк – проспект Мира, парк 30-летия Победы – ул. Суворова и ул. Масленникова, парк 30-летия ВЛКСМ – ул. Богдана Хмельницкого. Таким образом, рассмотренные «зелёные зоны» города в целом не отличаются большей чистотой окружающей среды, чем административные округа Омска.
Выводы
1. При анализе признака «седой рисунок» на листе белого клевера были выявлены следующие фенотипы и генотипы в популяциях г. Омска: без пятна – vv , полное ˄-образное пятно – VV, полное ˄-образное высокое пятно – VHVH, ˄-образное разорванное пятно – VBVB, центральное пятно – VPVP, треугольное низкое пятно у основания – VLVL.
2. Все городские популяции Trifolium repens L., включая произрастающие в парковых зонах, обладают большой частотой встречаемости мутантных генотипов, выраженных фенами с различной формой, размером и интенсивностью окраски «седых» пятен на листьях.
3. В исследованных местообитаниях белого клевера в городе Омске прослеживаются явные признаки наличия груза мутаций, вызванного воздействием антропогенных факторов, причем и в парковых зонах и в административных районах города в целом.