СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2008, № 3, с. 72-77

Проблемы адаптации

УДК 634.11:581.5:57.087

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСОБЕННОСТЕЙ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ ЛИСТЬЕВ ЯБЛОНИ В РАЗНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

М.Н. КУЗНЕЦОВ, Л.В. ГОЛЫШКИН

С использованием анализа флуктуирующей асимметрии (ФА) листьев оценивали состояние растений яблони ряда сортов и березы в зависимости от участка произрастания (кварталы садового массива Всероссийского НИИ селекции плодовых культур и пос. Думчино Мценского района в точках, расположенных на разном удалении от шлакоотвала) (Орловская обл.). Разработана шкала 5-балльной оценки состояния яблони по величине ФА. Показана возможность использования яблони в качестве индикаторной культуры при биомониторинге состояния популяций под влиянием антропогенных факторов.

Ключевые слова: флуктуирующая асимметрия, листовые пластинки, культура-индикатор, антропогенные факторы, яблоня.

Key words: fluctuating asymmetry, leaves plates, biodisplay culture, anthropogenous factors, apple-tree.

Адаптивность и связанная с ней стабильность популяции растительных организмов — важнейшие показатели их состояния и способности/потенции к росту и развитию без заметных нарушений. Существует множество оценок стабильности, среди которых методу определения флуктуирующей асимметрии (ФА) принадлежит заметное место как новейшему современному подходу к анализу системы морфологических признаков с широким использованием автоматизированных расчетов и, как следствие, высокой скоростью получения математических результатов. В современной литературе имеются рекомендации по расчету ФА для животных и растительных организмов (1-3). Известно, что адаптация растений к действию каких-либо факторов окружающей среды обеспечивается посредством перестройки комплекса функциональных и структурных (морфоана-томических) признаков в онтогенезе вплоть до образования новых норм реакций в филогенезе (4, 5). Очевидно, что учет этих механизмов, в частности у растений, принципиален при создании методов, подобных ФА-анализу. Если также учесть, что размер листа — в целом признак пластичный, то становится понятно, почему название метода — анализ флуктуирующей, то есть колебательной, асимметрии.
Однако в указанных работах обозначенные выше проблемы рассмотрены недостаточно, особенно в отношении плодовых. Очевидная выгода современных приемов оценки состояния растений на фоне действующих экологических факторов заставляет адаптировать ФА-анализ к традиционным хозяйственно ценным культурам, таким, в частности, как яблоня. Анализ ФА относится к методам прямого определения с той особенностью, что является специфическим. Поэтому при разработке технологии определения стабильности развития какого-либо организма следует создавать специфическую шкалу оценки ФА, а сам анализ — рассматривать в качестве одного из способов биомониторинга как системы наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биологических систем под влиянием антропогенных воздействий.
Цель наших исследований заключалась в использовании ФА-анализа на яблоне и применении этой культуры в качестве биоиндикатора загрязнения почвы тяжелыми металлами (ТМ).
Методика. Отбор листовых пластинок яблони проводили в садовом массиве Всероссийского НИИ селекции плодовых культур (ВНИИСПК) (11-, 23-, 24-, 39-й кварталы) и в зоне шлакоотвала Мценского завода алюминиевого литья (пос. Думчино) (Т1-Т5). Для сравнительного учета общих закономерностей морфоанатомической нормы реакции растений на экологические факторы исследуемых территорий провели параллельный отбор листовых пластинок березы в саду ВНИИСПК (24-й квартал) и в зоне шлакоотвала (пос. Думчино). Для этой культуры ранее были получены результаты ФА-анализа и построена шкала оценки стабильности ее развития по показателям флуктуирующей асимметрии.
Листья (до 100 шт. из каждой точки отбора) располагали на листе бумаги и сканировали с помощью стандартного устройства (CanoScan 4200F, Япония). Изображения использовали для измерения морфометрических признаков листовых пластинок при помощи программного дигитайзера Golden Software Surfer 8 с последующим расчетом показателей ФА средствами электронной таблицы Microsoft Excel. В этой же программе обрабатывали результаты, полученные для полевого материала, выполняя анализ рядов распределения средних значений по сериям выборок, на основе чего выводили тенденцию изменения средней величины ФА листьев яблони и березы относительно мест сбора (2, 3).
Результаты. Схемы расположения мест сбора анализируемого материала приведены на рисунке 1. Два вида растений, которые использовались в эксперименте, — яблоня и береза, контрастные по отношению друг к другу: один — культурный, другой — дикорастущий декоративный. Береза ранее уже включалась в работу по определению ФА, и для нее разработана 5-балльная шкала оценки стабильности развития (1) (по баллам ранжированы средняя величина показателя стабильности развития — ФА и связанная с ФА характеристика действующего стрессора): 1 балл — соответственно < 0,040 и норма; 2 балла — 0,040-0,044 и переход от нормы к загрязнению; 3 балла — 0,045-0,049 и загрязнение; 4 балла — 0,050-0,054 и сильное загрязнение; 5 баллов — > 0,054 и критическое загрязнение.

А Б

 

Рис. 1. Схема расположения участков сбора листового материала яблони (11-39-й кварталы) и березы (24-й квартал) в саду Всероссийского НИИ селекции плодовых культур (А), а также яблони и березы в зоне шлакоотвала (пос. Думчино, Мценский р-н, Орловская обл.) (Б).

Если принять во внимание, что садовый массив ВНИИСПК не содержит существенного загрязнения ТМ, то листья березы из 24-го квартала должны выходить за пределы нормы или, по крайней мере, показатель должен составлять от 2 до 3 баллов. Действительно (табл. 1), средняя арифметическая величины ФА здесь равнялась 0,0450, что указывает на некоторую степень экологического загрязнения. Возможной причиной может служить близость этого квартала к автомобильной трассе Орел—Болхов (см. рис. 1, 2). Для деревьев, произрастающих непосредственно у шлакоотвала (см. рис. 1, табл. 1), величина ФА достигала 0,0480, что свидетельствует об экологическом неблагополучии этого участка сбора листового материала березы на 3-балльном уровне. При этом значения ФА для ВНИИСПК и пос. Думчино достоверно различались между собой, о чем свидетельствует и более регулярный характер распределения величины ФА листьев березы из зоны ВНИИСПК по сравнению с таковым из окрестностей пос. Думчино.

  

Рис. 2. Среднее натуральное значение коэффициента флуктуирующей асимметрии листа (ФА) (А) и частота ФА в количественном натуральном выражении (Б) у растений березы из разных зон произрастания: а — Всероссийский НИИ селекции плодовых культур; б — пос. Думчино (Мценский р-н, Орловская обл.). Согласно общепринятому в биометрии принципу для подробного распределения значений ФА число классов принимаем равным 13.

Таким образом, оценка стабильности развития березы в Орловском и Мценском районах подтверждает справедливость имеющихся рекомендаций по интерпретации результатов ФА-анализа для указанного вида. В частности, состояние растений у шлакоотвала яв-но хуже, чем в садовом массиве ВНИИСПК (см. рис. 2). Об этом также свидетельствуют результаты расчетов, выполненных сотрудниками Брянской государственной инженерно-технологической академии (персональное сообщение): в соответствующей точке сбора (непосредственно у шлакоотвала) значение ФА составило 0,0470, что практически совпало с нашими данными.

1. Коэффициенты флуктуирующей асимметрии (ФА) листьев березы в зависимости от места сбора

Место сбора

X

x

s

Cv, %

P, %

ВНИИСПК,
24-й квартал

0,0450

0,0035

0,0191

42,44

7,78

пос. Думчино (шлакоотвал)

0,0480

0,0024

0,0219

45,62

5,00

П р и м е ч а н и е. ВНИИСПК — Всероссийский НИИ селекции плодовых культур. Подробно описание участков сбора материала см. в разделе «Методика».

Исследования яблони также проводили в условиях ВНИИСПК и пос. Думчино (Мценский р-н). Во ВНИИСПК экспериментальный материал собирали в кварталах, достаточно удаленных друг от друга (см. рис. 1), чтобы попытаться обнаружить существенные различия по ФА, в условиях пос. Думчино — у шлакоотвала вдоль производственной трассы завоза отходов (Т1-Т3), при этом два участка (Т4 и Т5) также были значительно удалены от шлакоотвала.
Экологические условия ВНИИСПК. Анализируемые образцы были представлены листовым материалом ряда сортов яблони (табл. 2). Детальный сравнительный анализ не выявил достоверных различий в оценке стабильности развития растений. Действительно, диапазон полученных значений ФА составлял 0,0929-0,1171. Следует отметить, что приведенные величины ФА заметно выше, чем у березы: скорее всего, шкала стабильности развития для яблони должна быть иной, что свидетельствует о специфичности такого анализа. При этом значения ФА (см. табл. 2) достоверно не различались между собой. Вероятно, значения ниже 0,100 могут служить показателем нормы (1 балл) при построении шкалы ФА для яблони, поскольку зона ВНИИСПК, видимо, не является интегрально стрессовой для этой культуры. Значения 0,100-0,120 (см. табл. 2) могут соответствовать 2 баллам новой шкалы (переход от нормы к загрязнению). Достоверность расчета отдельных значений ФА не вызывает сомнения, поскольку точность опыта и Cv находятся в пределах нормы для этих статистических параметров.

2. Коэффициенты флуктуирующей асимметрии (ФА) в зависимости от места сбора листового материала яблони разных сортов (Орловская обл.)

Место сбора,
удаление от места загрязнения, сорт


X


x

s

Cv, %

P, %

С а д о в ы й   м а с с и в   В Н И И С П К   (О р л о в с к и й   р-н)

24-й квартал

 

 

 

 

 

Антоновка

0,0969

0,0054

0,04420

45,65

5,57

Пепин

0,1016

0,0056

0,04570

44,96

5,49

Штрифель

0,1000

0,0071

0,04400

44,07

7,15

11-й квартал

 

 

 

 

 

Антоновка

0,1171

0,0054

0,04664

39,62

4,61

Солнышко

0,1078

0,0064

0,04180

39,74

5,98

39-й квартал

 

 

 

 

 

Осеннее полосатое

0,1132

0,0049

0,04680

46,42

4,81

Память воину

0,1054

0,0053

0,05040

47,75

5,01

Синап орловский

0,0929

0,0042

0,04140

44,53

4,50

Синап северный

0,1030

0,0044

0,04360

42,37

4,32

Орловское полосатое

0,1084

0,0052

0,05030

46,42

4,81

23 квартал

 

 

 

 

 

Орлик

0,1080

0,0046

0,04620

42,80

4,30

О к р е с т н о с т ь   п о с.   Д у м ч и н о   (М ц е н с к и й   р-н)

Т1, 100 м

0,1412

0,0090

0,0982

69,50

6,40

Т2, 900 м

0,1156

0,0060

0,0581

50,55

5,18

Т3, 2500 м

0,1198

0,0057

0,0557

46,56

4,78

Т4, 4000 м

0,1538

0,0098

0,0983

63,95

6,40

Т5, 6000 м

0,1349

0,0082

0,0868

64,35

6,11

П р и м е ч а н и е. То же, что в таблице 1.

Графики, отражающие распределение значений ФА листьев различных сортов яблони по кварталам, ― сглаженные, практически плоские, что говорит о незначительном расхождении значений ФА. Отметим, что сортовая специфика яблони, по данным ФА-анализа, не проявилась в различиях стабильности развития растений в экологических условиях ВНИИСПК.

Рис. 3. Изменение средней величины флуктуирующей асимметрии (ФА) ли-стьев яблони в зависимости от  уда-ленности от эпицентра загрязнения (пос. Думчино, Мценский р-н): а, б, в, г, д — соответственно 100, 900, 2500, 4000, 6000 м. Стрелкой указана область зна-чений ФА в точках Т1-Т3 (по мере удаления от шлакоотвала).

Экологические условия зоны шлакоотвала пос. Думчино. Значения ФА листьев яблони в пунктах Т1, Т2 и Т3 различались между собой (см. табл. 2) математически достоверно. На рисунке 3 отражено падение значений ФА по мере удаления от эпицентра загрязнения (столбцы а, б и в).  Кривые теоретического распределения частот значения коэффициентов ФА в точках Т1-Т3 (рис. 4, А) свидетельствовали о его подчинении единой закономерности, ранее отмеченной для березы (3), однако, как будет показано ниже, универсализм ФА-метода на этом заканчивается. В точках Т4 и Т5 (см. табл. 2) опять отмечалось увеличение значений ФА (достоверно относительно точки Т1). Это свидетельствует о возможности расположения Т4 и Т5 в зоне иного загрязнения, вероятно, вызванного близостью федеральной автомагистрали. При этом значения ФА в этих точках достоверно не различаются между собой  (см. рис. 4, Б). Не исключено, что в окрестности пос. Думчино имеет место неравномерное распределение различных типов загрязнения, хотя ФА-метод не дает прямого ответа о виде экологического стрессора или его интегральном характере.

Рис. 4. Теоретическое распределение величины флуктуирующей ассиметрии (ФА) листьев яблони в местах сбора на разном удалении от шлакоотвала: участки Т1, Т2 и Т3 (А) — соответственно а, б и в, участки Т4 и Т5 (Б) — соответственно г и д (пос. Думчино, Мценский р-н).

Кузнецов рис5.jpg

Рис. 5. Распределение флуктуирующей асимметрии (ФА) листа у яблони по бал-лам на основе интегральной функции.

Однако имеющиеся данные по ФА у яблони в рассматриваемом районе все же дают основание для построения предварительной шкалы оценки отклонений состояния растений от условной нормы. На основании полученных расчетных значений ФА листовых пластинок яблони в зонах ВНИИСПК и пос. Думчино мы впервые попытались создать практическую шкалу балльных интервалов, отражающих выявление нарушения стабильности развития растений при воздействии экологических факторов среды как естественного (контроль), так и антропогенного (стресс) происхождения. Криволинейное распределение значений ФА дает основание считать, что разбивка вариационного ряда так-же должна носить нелинейный характер (2). Диапазон расчетных данных (min = 0,0929; max = 0,1538) для удобства разделили на 5 равных частей и, согласно интегральной фун-кции распределения вероятности значений коэффициентов ФА, на основе способа расчета процентилей получили границы баллов (рис. 5) (6). Подобный подход аналогичен примененному при построении шкалы для березы. Мы остановились на наименьшем числе классов — 5, что полностью соответствует рекомендациям по прикладной методике биометрических расчетов (6) и шкале распределения значений коэффициентов ФА для березы (1). В нашем случае градация величины интегрального показателя стабильности развития для яблони может быть следующей (табл. 3).

3. Основные интегральные показатели 5-балльной шкалы для оценки стабильности развития растений яблони по величине флуктуирующей асимметрии (ФА) листа

Оценка
в баллах

Величина
показателя стабильности развития (ФА)

Связь величины ФА
с действующими
стрессовыми факторами

1

< 0,100

Норма

2

0,100-0,119

Переход от нормы к загрязнению

3

0,120-0,139

Загрязнение

4

0,140-0,159

Сильное загрязнение

5

> 0,159

Критическое загрязнение

Таким образом, приведенные шкалы оценки стабильности развития березы и яблони специфичны для ка-ждого из исследованных ботанических видов, или генотипов в широком смысле. В целом же настоящий подход, как свидетельствуют получен-ные результаты, может использоваться для оценки состояния популяций отдельных видов растений и окружающей среды. Сравнение шкал балльной оценки для растений березы и яблони показало разницу в категориях числовых значений коэффициентов ФА. Если для первого вида диапазон составляет от <0,040 до >0,054, то для второго — от <0,100 до >0,159. Заметно, что числовые категории разнятся практически в 2-3 раза. Возможно, это связано с различной степенью экологической устойчивости дикорастущего и окультуренного видов. Снижение устойчивости культурных растений к экологическим стрессам, видимо, может способствовать более пластичному изменению морфологических параметров листа, то есть повышать значения коэффициентов флуктуирующей асимметрии. Это не противоречит фундаментальным положениям экологической генетики (5).
Итак, метод флуктуирующей асимметрии (ФА) дал сходные результаты с данными Брянской государственной инженерно-технологической академии при исследовании листовых пластинок березы в зоне шлакоотвала завода алюминиевого литья (пос. Думчино, Орловская обл.). Значение коэффициента ФА для листьев березы в экологически более чистой зоне (садовый массив ВНИИСПК) было ниже, чем в загрязненной. На основании интегральной функции распределения коэффициентов ФА 1373 листовых пластинок яблони разных сортов и зон произрастания построена 5-балльная шкала оценки стабильности развития этой культуры. ФА-анализ листьев яблони ряда сортов показал их индифферентность по значениям коэффициентов флуктуирующей асимметрии. Установлено падение значений коэффициентов ФА у яблони по мере удаления от шлакоотвала (пос. Думчино, точки Т1, Т2 и Т3). Применение метода флуктуирующей асимметрии для анализа листовых пластинок яблони показало его высокую специфичность для интегральных оценок состояния этой культуры и окружающей среды. В целом, проведенное исследование позволяет считать яблоню биоиндикаторной культурой для биомониторинга — системы наблюдений, оценки и прогнозирования изменения состояния популяций отдельных видов дикорастущих и культурных растений под влиянием антропогенных факторов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

  1. З а х а р о в  В.М.,  Б а р а н о в  А.С.,  Б о р и с о в  В.И. и др. Здоровье среды: методика оценки. М., 2000: 27-41.
  2. К о н с т а н т и н о в  Е.Л. Особенности флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth) как вида-биоиндикатора. Автореф. канд. дис. Калуга, 2001.
  3. М а р ч е н к о  С.И. Эстетика и оптимизация природопользования (методические указания по НИРС). Брянск, 2005.
  4. Т а х т а д ж я н  А.Л. Вопросы эволюционной морфологии растений. Л., 1954.
  5. Ж у ч е н к о  А.А. Адаптивный потенциал культурных растений (эколого-генетические основы). Кишинев, 1988: 17-38, 482-485.
  6. З а й ц е в  Г.Н. Методика биометрических расчетов (математическая статистика в экспериментальной ботанике). М., 1973: 5-89, 132-213.

ГНУ Всероссийский НИИ селекции плодовых культур,
302530 г. Орел, п/о Жилина,
e-mail: info@vniispk.ru

Поступила в редакцию
24 марта 2008 года

COMPARISON CHARACTERISTIC OF FEATURES OF FLUCTUATING ASYMMETRY IN APPLE LEAVES IN DIFFERENT ECOLOGICAL CONDITIONS

M.N. Kuznetsov, L.V. Golyshkin

S u m m a r y

With the use of analysis of fluctuating asymmetry (FA) of leaves the authors estimated the state of the apple trees of the different varieties and the birch in connection with the vegetation place. The scale of 5-mark estimation of the apple state on FA amount was developed. The possibility of the use of the apple tree as indicator culture was shown during biomonitoring of the population state under the influence of anthropogenic factors.