Флуктуирующая асимметрия (ФА) характеризуется статистически значимым ненаправленным отклонением от строгой билатеральной симметрии парных симметричных признаков. У растений ими являются проводящие сосуды в листовой пластине, мерные расстояния между различными элементами листовой пластины, а также количественные признаки, например зубчики на обеих сторонах пластины. По мнению многих авторов, величина ФА отражает стабильность развития как гомеостатическую характеристику популяции, в том числе на биохимическом молекулярном уровне [1].
Под стабильностью развития понимают способность организма к нейтрализации внешних и внутренних стрессовых факторов с последующей реализацией фенотипических свойств. Несмотря на противоречивость мнений, стабильность развития на основе величины ФА продолжает оставаться интересной популяционной характеристикой, объединяющей свойства генотипа и его реакции на факторы внешней среды [2–4]. Среди генетических механизмов причину ФА рассматривают в эпистатических взаимодействиях генов и в повышенной гетерозиготности. Среди эпигенетических реакций предполагается метилирование нуклеотидов в генах, ответственных за синтез регуляторных протеинов. Неослабевающий интерес к ФА привел к обновлению классификации изменчивости, как общебиологического свойства. По одной из классификаций, этот вид асимметрии относят к специальной форме изменчивости – флуктуационной, обусловленной стохастическими (неопределенными) процессами на молекулярном уровне [5].
В отношении сельскохозяйственных культур, исходя из основной цели – их урожайности, выделяют устойчивость геосистем (агроэкосистем), в которую вкладывается смысл активного противодействия внешним воздействиям или возмущениям. Таким образом, стабильность развития популяции и устойчивость агроэкосистемы – это два различных понятия, при этом первое (стабильность развития) скорее категория меньшего иерархического уровня, тем не менее влияющая на устойчивость агроэкосистемы [6]. Среди многих возникающих вопросов выделим один из них: способствуют ли аграрные технологии более стабильному развитию, наряду с достаточно высокой продуктивностью и сохранением почвенных ресурсов?
В сельском хозяйстве агроландшафтное районирование подразумевает создание и поддержание экологически устойчивых агроэкосистем, в то время как в экологических исследованиях накоплено много материала в области стабильности развития дикорастущих, главным образом древесных растений, как биоиндикаторов стресса. Существует устойчивое мнение о том, что повышение значения флуктуирующей асимметрии сообщает о снижении стабильности развития, хотя многочисленные исследования растений, в том числе культурных, указывают на отсутствие связи между уровнем стабильности развития и жизнеспособностью и сельскохозяйственной продуктивностью. Так, многофакторный анализ значения ФА в градиенте источника стресса показал, что лишь некоторые виды стресса вызывают ответную реакцию дикорастущего растения в виде повышения ФА [3, 4]. Вместе с тем культурные растения обладают высоким преимуществом в чистоте генотипа и гомозиготности, и служат удобным материалом для проведения исследований по влиянию стресса на величину флуктуирующей асимметрии.
Цель исследования: определение ФА листовых пластин культурных растений и соотнесение показателей ФА с урожайностью и стрессоустойчивостью к абиотическим и биотическим факторам представляется перспективным теоретическим и практическим направлением. Цель данного исследования – попытка определения величины флуктуирующей асимметрии листовых пластин озимой пшеницы, в зависимости от дозы внесения принятых в севооборотах доз удобрения. Одновременно определялись биопродуктивные показатели: длина листовой пластины и урожайность пшеницы в зависимости от дозы удобрения.
Материалы и методы исследования
Работа выполнялась в 2018 г. на опытном участке «Верхневолжского ФАНЦ» и явилась частью эксперимента, проводимого с 1996 г. на почвах Владимирского Ополья. Исследования проводятся в четвертой ротации шестипольных севооборотов на серой лесной среднесуглинистой почве. Опыт расположен на плакорной части равнинного рельефа с небольшим уклоном северо-западной экспозиции (около одного градуса).
Были использованы 4 уровня интенсивности внесения удобрений:
1) интенсивный минеральный (N90P90K90);
2) высокоинтенсивный минеральный (N120P120K120);
3) интенсивный органоминеральный (60 т навоза + N90P90K90,);
4) высокоинтенсивный органоминеральный (80 т навоза + N120P120K120).
С каждой экспериментальной площадки площадью 35 м2 в третьей декаде июня были рандомно отобраны 20–25 экземпляров растений, с каждого растения с пяти – семи стеблей были отобраны наиболее крупные флаговые листовые пластины. Отбраковывались наиболее мелкие пластины, так как по принятым нормам флуктуирующая асимметрия тестируется у полностью сформированных вегетативных органов. Количество образцов пластин с каждой площадки было от 100 до 150. Использовался один билатерально-симметричный признак: наибольшая ширина листовой пластины. В левой и правой половине этот признак может располагаться не на одной линии, поэтому находился радиус наибольшей кривизны левого и правого края листовой пластины (рис. 1).
Рис. 1. Левый (L) и правый (R) признаки на листовой пластине
Использовался метод построения четырех – шести радиусов к воображаемой окружности. Находилась точка их пересечения, она соединялась с точкой на средней жилке по нормали, т.е. перпендикулярно к средней жилке. Использовались листовые пластины с выраженной средней жилкой. Для удобства фиксации под стеклом и фотографирования листовые пластины разрезались на фрагменты 5–6 см длиной и замачивались в растворе бытового детергента (например, Fairy) для придания эластичности. Измерения проводились с помощью электронного дигитайзера Dig2 ver2.31(J. Rholf, 2017).
Статистические методы включали:
− проверку нормальности распределения выборок (L – R), тестом Колмогорова – Смирнова, где L и R – значения левого и правого мерного признака;
− t-тест для проверки наличия направленной асимметрии в выборке (L – R);
− определение величины эксцесса в выборках (L – R) для тестирования присутствия антисимметрии;
− корреляционный анализ (коэффициент Пирсона) – для тестирования связи между длиной листовой пластины и величиной ФА (ФА определялась по формуле (L – R)/(L + R) в абсолютном значении);
− однофакторный дисперсионный анализ для нахождения различия в длине листовой пластины, величине измеряемого признака и во флуктуирующей асимметрии;
− тестирование отсутствия различия между величинами признака (L + R)/2 среди изучаемых выборок. Этот тест мы считаем наиболее важным, так как именно он позволяет отбраковать нежелательное проявление пластической изменчивости мерного признака и установить статистически значимое различие в величине ФА.
Обработка данных проводилась в среде Excel, большинство анализов выполнялось в среде STATISTICA10 на уровне статистической значимости α = 95 %.
Результаты исследования и их обсуждение
Выборки (L – R) не показали отклонения от нормального распределения (везде р > 0,2, тест Колмогорова – Смирнова). После этого была проведена проверка выборок (L – R) на присутствие направленной асимметрии. Был поставлен t-тест с нулевой гипотезой H0: (L – R) = 0. Все выборки показали уровень вероятности р > 0,05 и t-критерий менее 1,65, т.е. нулевая гипотеза была подтверждена. Таким образом, статистически значимого преимущества в величине одной из сторон получено не было, что подтверждало отсутствии направленной асимметрии. Величина эксцесса не была ниже –2, что говорило об отсутствии сильно выраженной антисимметрии (когда частоты распределения величин правостороннего и левостороннего признака равны). Средние значения (L – R) в выборках 1–4 были: 0,026 ± 0,01; 0,012 ± 0,01; 0,013 ± 0,01 и 0,032 ± 0,02.
Величина признака и значения ФА не обладали корреляционной связью (Пирсона r < 0,5; p > 0,05). Следовательно, стабильность развития не зависела от ширины листовой пластины. Значение признака не варьировало среди четырех выборок, т.е. не было получено различия в пластической изменчивости.
Значения ФА, как и величина измеряемого признака, статистически не различалась в четырех выборках. Парное сравнение показало статистически значимое различие в величине ФА между выборками № 2 и № 3 (р = 0,027; рис. 2).
Рис. 2. Величины ФА и длина листовой пластины в ряду доз удобрения. Использованы планки погрешностей с относительными ошибками. Значения в поле диаграммы – продуктивность (ц/га). По оси ОХ – уровни внесения удобрений: 1 – интенсивный (минеральный N90P90K90), 2 – высокоинтенсивный (минеральный N120P120K120), 3 – интенсивный (органоминеральный; 60 т навоза + N90P90K90), 4 – высокоинтенсивный (органоминеральный; 80 т навоза + N120P120K120)
Таким образом, получено статистически значимое различие между выборками, полученными в площадках с высокоинтенсивной дозы удобрения (ФА = 0,104 ± 0,01) и с интенсивной дозой органоминеральных удобрений (ФА = 0,066 ± 0,01). Длина листовой пластины (в см) также различалась в этих выборках: 11,94 ± 0,32 и 13,34 ± 0,37 (везде р < 0,05), следовательно, повышенная ФА соответствовала листовым пластинам с пониженными линейными размерами. Самое высокое значение ФА соответствовало наибольшей продуктивности при использовании высокоинтенсивного минерального удобрения.
Полученные результаты позволяют предполагать симбатные изменения величин ФА и продуктивности в ряду повышения дозы удобрения. Высокий градиент дозы удобрения – серьёзный фактор, теоретически влияющий на уровень гомеостаза популяции пшеницы.
Увеличение продуктивности за счет использования больших доз удобрений не может рассматриваться как признак устойчивого развития популяции и, возможно, всей агроэкосистемы, так как при этом меняются многие существенные биологические, физические и химические характеристики почвы и развиваются фитопатологии сельскохозяйственных растений. Так, установлено, что внесение минеральных удобрений в дозе N70P70K70 и навоза в дозе 20 т/га под ячмень вызывало не только увеличение продуктивности, но и распространение болезней растений, таких как ринхоспориоз, темно-бурая пятнистость, корневая гниль и гельминтоспориоз [6].
Увеличение ФА и снижение стабильности развития рассматривается нами как реакция на стресс после внесения высокой дозы минерального удобрения (№ 2 и № 4). В этом контексте представляют интерес полученные данные по величине длины листовой пластины, которая меняется антибатно величине ФА. Связь высокая длина – низкая ФА – повышенная стабильность развития представляется обоснованной в контексте повышенного гомеостаза, соответствующего высокой биомассе вегетативной части растения. Напротив высокая урожайность (61 ц/га, удобрение № 2) соответствовало повышенной ФА, т.е. пониженной стабильности развития. Объяснением служит стрессовое действие дозы высокоинтенсивного удобрения, высокая ФА, пониженная биомасса вегетативной части (длина пластины) и повышенная продуктивность генеративной части растения. Повышение ФА и снижение длины флаговой листовой пластины нами воспринимается как реакция на стресс, своеобразный сигнал адаптации растения к высоким дозам азота, фосфора и калия.
Отметим, что длина флаговой листовой пластины и пониженная ФА преобладала в растениях, выращенных с высокоинтенсивной органоминеральной дозой удобрения. Комплекс минеральное + органическое удобрение повышал стабильность развития, продуктивность показала средние значения (56,8 ц/га).
Таким образом, высокое содержание минеральных веществ в почве вызывало стрессовое воздействие с нарушением гомеостаза онтогенетического развития пшеницы. Полученная зависимость заслуживает дальнейшего изучения. Известно, что органоминеральные системы удобрений экологически предпочтительны по сравнению с соответствующими минеральными системами удобрений. Поэтому интенсивный режим органоминерального удобрения (N90P90K90), который показал оптимальный уровень стабильности развития, представляет интерес при разработке агротехнологии пшеницы.
Выводы
1. Получена прямая связь (симбатные изменения) величины флуктуирующей асимметрии листовой пластины и величины продуктивности пшеницы. Наибольшее значение величины ФА вызывалось высокоинтенсивной дозой минерального удобрения N120P120K120. Результаты подтверждаются исследованиями, проведёнными ранее на клевере луговом, когда повышенная доза минерального удобрения также способствовала повышению значения ФА [7].
2. Увеличение длины листовой пластины, объясняемое активной вегетативной фазой растения, сопровождалось низким значением ФА, которое сигнализировало о высокой стабильности развития.
3. Высокие дозы удобрения оказывали стрессовое воздействие на молекулярном уровне регуляции морфологических процессов. Это не означает нежелательность внесения таких доз удобрения, поскольку основная задача управления агроэкосистемами – высокий урожай. Вместе с тем ФА показала снижение стабильности развития, что может быть закономерным процессом в виде снижения гомеостаза организма в ответ на высокие дозы удобрения и чрезмерное усиление генеративной фазы развития растения.
4. Использование органоминерального удобрения подтвердило важность для разработки агротехнологии озимой пшеницы. Будущие исследования предпочтительно проводить с использованием метода геометрической морфометрии для более полного обследования формы листовой пластины и определения ФА по набору показателей. Интерес также представляет изучение стабильности развития популяции пшеницы параллельно с изучением свойств почвы при различных дозах удобрения.