Низкая цена
Всего 249a за скачивание одной диссертации
Скидки
75 диссертаций за 4900a по акции. Подробнее
О проекте

Электронная библиотека диссертаций — нашли диссертацию, посмотрели оглавление или любые страницы за 3 рубля за страницу, пополнили баланс и скачали диссертацию.

Я впервые на сайте

Отзывы о нас

Эколого-генетические механизмы устойчивости травянистых растений к промышленному загрязнению : диссертация ... кандидата биологических наук : 03.02.08, 03.02.01 / Дуля Олеся Викторовна; [Место защиты: Ин-т экологии растений и животных УрО РАН]

Год: 2015

Номер работы: 740248

Автор:

Стоимость работы: 249 e

Без учета скидки. Вы получаете файл формата pdf

Оглавление и несколько страниц
Бесплатно

Вы получаете первые страницы диссертации в формате txt

Читать онлайн
постранично
Платно

Просмотр 1 страницы = 3 руб



Оглавление диссертации:

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования. Необходимость тщательного изучения специфической растительности импактных регионов как для прикладных целей (разработка методов рекультивации загрязненных территорий, поиска токсикотолерантных видов и линий для озеленения урбанизированных территорий, Recent findings ..., 2004; Use of phytoremediation ..., 2014), так и для фундаментальной экологии, экологической и эволюционной генетики, физиологии и биохимии была неоднократно декларирована (Macnair, 19

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Согласно схеме физико-географического районирования полигон исследования расположен на территории Уфимско-Чусовской депрессии низкогорной полосы среднего Урала. Рельеф увалисто-холмистый, характерна значительная расчлененность долинами рек, абсолютные высоты достигают 100^450 м над уровнем моря. Горные породы метаморфические: сланцы, песчаники, окремнелые известняки, кварциты (Прокаев, 1983). Климат умеренно-континентальный. Преобладают ветра, дующие в восточном направлении. В период с 1960 п

Исследуемые участки расположены в окрестностях Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ, Свердловская обл., г. Ревда), функционирующего с 1940 г. Газообразная часть составляет 90% от всех выбросов;

98.7% от газообразной части приходится на SO2, около 1% - на HF и NO x ; среди элементов, сорбированных на аэрозольных частицах, соотношение Си, Zn, As, Pb примерно следующее: 47, 32, 11, 10% соответственно (Воробейчик и др., 1994). В течение последних 25 лет выбросы предприятия постепе

Почвы исследуемых участков - дерново-подзолистые, на импактной территории химически преобразованные дерново-подзолистые (Кайгородова, Хлыстов, 2013). Из-за выбросов сернистого ангидрида на загрязненной территории происходит вымывание Са 2+ и Mg 2+ , что вызывает нарушение структуры почвенных агрегатов и увеличение потечности гумуса из верхних горизонтов в нижележащие. Для импактной зоны характерны два горизонта, которые нетипичны для фоновой территории - АОТ (слой разросшегося мха до 5 см в в

Исследуемые участки расположены в окружении елово-пихтовых лесов с примесью сосны, осины и березы. В фоновой и буферных зонах загрязнения они представлены вторичными суходольными лугами, сформировавшимися на лесных полянах размером 3005000 м 2 в результате вырубки леса более 50 лет назад (Нестерков, Воробейчик, 2009). 17 Таблица

1.1- Содержание разных форм тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почвы из местообитаний исследуемых видов в разных зонах загрязнения выбросами СУМЗ (средние

Проведена оценка численности и обилия потенциальных опылителей L. flos-cuculi с помощью цветных ловушек Мерике, а также дневных опылителей с помощью визуального учета посещений цветов. Подробно методика оценок изложена в разделе

2.7. Согласно результатам, полученным с помощью ловушек Мерике, спектры потенциальных опылителей L. flos-cuculi различаются между зонами загрязнения (Рисунок

1.3; Таблица А.6). На фоновых участках представители отр. Hymenoptera составляют около половины ос

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

. Lychnis flos-cuculi L. (сем. Caryophyllaceae) [ITIS № 20309, IPNI № 155082-1; In = 24; синонимы: Silene flos-cuculi (L.) Clairv., Coronaria flos-cuculi (L.) Braun, Coccyganthe flos-cuculi Rchb.] - горицвет обыкновенный - космополит, аборигенный для Европы и России вид, интродуцированный и натурализовавшийся в Северной Америке. Это двулетнее или долгоживущее многолетнее розеточное растение, 20-125 см высотой, характерное для сырых мезотрофных лугов (Chaloupecka, Leps, 2004). Массовое цветен

. Deschampsia cespitosa (L.) Beauv. (сем. Poaceae) [ITIS № 40586, IPNI №30074881-2; синонимы: Deschampsia caespitosa (L.) P. Beauv., Aira cespitosa L., Aira caespitosa Muhl., Agrostis caespitosa (L.) Salisb., Aira alpicola (Rydb.) Rydb., Aira ambigua Michx., Aira aristulata Torr., Avena caespitosa (L.) Kuntze, Campella caespitosa (L.) Link, Deschampsia alpicola Rydb., Deschampsia ambigua P. Beauv. ex B.D. Jacks., Deschampsia andina Phil, Deschampsia biebersteiniana Schult., Deschampsia confin

. Agrostis capillaris L. (сем. Poaceae) [ITIS № 185249, IPNI № 385550-1; синонимы: Agrostis tenuis Sibth., Agrostis vulgaris With., Agrostis sylvatica Huds., Agrestis polymorpha (Huds.) Bubani, Agrostis capillaris Huds., Agrostis diffusa Muhl. ex Spreng., Agrostis hispida Willd., Agrostis laxa Gray, Agrostis lithuanica Besser ex Roem. & Schult., Agrostis polymorpha 25 Huds., Agrostis pumila L., Agrostis stricta (Roem. & Schult.) Buse, Agrostis stricta Muhl., Agrostis stricta Willd., A

2.2 Оценка металлоустойчивости D. cespitosa и L. flos-cuculi

В августе - сентябре в пределах четырех зон загрязнения (фоновой, буферной-7 км, буферной-4 км и импактной) проводили сбор семян (только для D. cespitosa в 2006 г.) и живых побегов (в 2007 г.) L. flos-cuculi и D. cespitosa на двух - трех лугах, разделенных лесными массивами и удаленных друг от друга на

0.2-1 км. Живые побеги и семена собирали с особей (по 2-12 на луг), удаленных друг от друга не менее чем на 15 м. Проращивание семян, укоренение побегов и последующее получение вегетативн

2.2.2 Тестирование на металлоустойчивость Для токсикологических экспериментов было получено 1228 вегетативных отпрысков от 57 материнских растений D. cespitosa, из которых 26 выращены из семян урожая 2006 г., а 31 были выкопаны в виде побегов в августе-сентябре 2008 г. Вегетативное потомство L. flos-cuculi (378 отпрысков) получено от 28 материнских растений, собранных в августе-сентябре 2007 г. Эксперименты проведены по методике корневого теста (с L. flos-cuculi в ноябре-декабре 2008 г., с D.

От выращенных в теплице (см. раздел

2.2.1) 83 клонов L. flos-cuculi, представленных 1-3 индивидуумами, каждый из которых рос в отдельном горшке, были взяты зрелые (окончившие 27 рост) неповрежденные листья (по 2-29 листьев с каждого генотипа). Всего в анализ вошло 1056 листов. Получение цифровых изображений листьев проводили с помощью Epson Perfection 2480 Photo. Структура материала, включенного в анализ морфологических параметров, представлена в таблице

2.2. Таблица

2.2

2.4 Пространственная структура ценопопуляций A. capillaris, D. cespitosa и L. floscuculi в импактной зоне

В сентябре 2012 г. в импактной зоне на трех постоянно исследуемых участках с ценопопуляциями L. flos-cuculi, D. cespitosa и A. capillaris заложено по четыре трансекты длиной 25-50 м (Рисунок

2.2). Вдоль них с помощью рамки через каждые 2 м расположены микроплощадки размером

0.5 х

0.5 м. Максимальное расстояние между микроплощадками составило 54, 82 и 90 м на участках 1, 2 и 3 соответственно. На основе визуальной оценки расстояния до ближайшего дерева и его высоты каждой площ

В образцах почвы оценено массовое содержание влаги (как отношение массы влаги в почве к массе сухого вещества почвы), рН, концентрации обменных форм тяжелых металлов (Си, Cd, Pb, Zn), содержание общего углерода, содержание легкогидролизуемых соединений азота, содержание доступных растениям КгО и Р2О5. Оценка содержания фосфора особенно важна, поскольку исследуемая территория расположена в

1.2 км от фосфогипсовых отвалов (хотя и против направления преобладающих ветров). Сделаем необходим

В июле - августе 2012 г в трех зонах загрязнения (импактной, буферной-4 км и фоновой) на девяти постоянных участках (по три участка на зону) проведен сбор семян, а также образцов листьев и стеблей со взрослых растений. Во время сбора материала между всеми исследуемыми особями в каждой ценопопуляции были измерены расстояния с помощью GPS навигатора еТгех 20 (Garmin, США), компаса и рулетки. Сбор семян был проведен раздельно из двух боковых цветов верхней и двух боковых цветов нижней ветви соцв

В генетический анализ включены образцы листьев родительского поколения и листьев потомства. Объем материала представлен в таблице

2.3. Всего в анализ включено 1194 образца. Генотипирование всех материнских особей L. flos-cuculi и их потомства проведено с помощью микросателлитных маркеров ядерной ДНК. Микросателлиты фрагменты ДНК с повторяющимися короткими последовательностями из нескольких нуклеотидов (Selkoe, Toonen, 2006). Выбор микросателлитов в качестве инструмента для анализа ге

В сентябре 2007 г. в пределах каждой зоны на исследуемых участках по схеме конверта было отобрано по пять образцов корнеобитаемого слоя почвы (0-5 см). После отделения корней и включений почва была высушена, гомогенизирована и просеяна через сито 2 мм. В образцах было измерено содержание водорастворимых форм Си, Zn, Cd, Pb, Fe в водной вытяжке (деионизированная вода), подвижных форм - в кислотной вытяжке (5%

НЖ)з) и обменных форм в солевой вытяжке (

0.05М СаС^бНгО) при соотношении

В июне 2013 г. проведен учет обилия потенциальных опылителей с помощью цветных ловушек Мерике, предназначенных для привлечения и поимки опылителей и представляющих собой заполненные водой емкости ярко-желтого цвета 15 см в диаметре и 3 см глубиной. В течение суток (

21.06-

22.06) на каждом участке экспонировали по пять емкостей на уровне соцветий L. flos-cuculi; затем оценивали количество насекомых, попавших в ловушки. Также проведен визуальный учет посещаемости цветов L. flos-cuc

3.1 Обобщение результатов анализа металлоустойчивости растений: постановка задачи Из-за интенсивного техногенного воздействия на окружающую среду исследования металлоустойчивости популяций растений из окрестностей промышленных предприятий стали актуальными с начала 20 века. С конца 1950-х годов для характеристики металлоустойчивости широко используют корневой тест {root-elongation test), который заключается в сравнении скорости линейного роста корня на чистой питательной среде и среде с добав

Накопленное к началу 21 века множество результатов частных исследований в разных научных областях допускает возможность их синтеза только с помощью мета-анализа существенно более формализованного и объективного способа свертывания информации по сравнению с «простыми» описательными обзорами литературы (Littell et al, 2008). Суть метаанализа заключается в переводе данных, отобранных по определенным критериям из разных источников, в сопоставимые величины эффектов (effect sizes) с их последующим

3.3 Мета-анализ металлоустойчивости травянистых растений

Для выполнения мета-анализа мы осуществили поиск литературы с помощью разных комбинаций из слов «plant», «tolerance», «pollution» и «heavy metal» в поисковых системах Web of Science (www.webofknowledge.com) «растение», «загрязнение» и Scopus (www.scopus.com), в E-LIBRARY «тяжелые металлы», «устойчивость» - (www.elibrary.ru), а также просматривая списки литературы в работах на сопряженные темы. Специфические критерии для включения исследований в нашу базу данных были следующими:

1) Ра

Из описания методов проведения экспериментов в выбранных публикациях мы извлекалиинформацию об условиях экспериментов, которые по мнению экспертов по экспериментальной агрохимии наиболее важны: концентрация тестируемого элемента, состав питательной среды, длительность экспонирования растений (Wilkins, 1978; Asher, Edwards, 1983; Parker, Norvell, 1999; Trace metal ..., 2010). В экспериментах, проведенных разными авторскими коллективами, длительность экспонирования растений, находится в очень ш

На рисунке

3.4 представлено географическое положение включенных в базу данных популяций. Хотя они сосредоточены только в северном полушарии, их распределение позволяет проанализировать влияние климата в месте произрастания исследуемых популяций на ES. В среднем расстояние между популяциями чистых и загрязненных мест, представленных в одном частном исследовании, составляло единицы-десятки километров. Если популяции были разделены сотнями километров (до 550 км, The effects ..., 2006), что

Среди видоспецифических параметров, способных обусловливать преадаптацию 49 изучаемых видов растений к избытку тяжелых металлов, мы выбрали:

1) таксономическую принадлежность,

2) продолжительности жизни,

3) характер вегетативного распространения,

4) микотрофность,

5) максимальную плоидность,

6) способность к самоопылению и

7) тип опыления. Структура материала по градациям видовых признаков представлена в таблице

3.3. Таксономическая принадлежнос

На основе всей собранной информации, а также с учетом полноты ее представленности в частных публикациях в анализ включено 17 переменных (Таблица

3.4). Отдельно необходимо остановится на проблеме неполноты данных, т.е. наличия пропусков значений для некоторых предикторов в базе данных из-за отсутствия части информации во включенных в нее исследованиях. Специфические это отсутствие упущения подробной для публикаций по экспериментальной экотоксикологии - информации о схеме эксперимента,

Из 146584 проанализированных моделей (по 18323 моделей для каждого массива), в группу лучших вошло 78 моделей. Все выбранные модели описывали около 50% изменчивости ES (Таблица

3.6). Максимальный AICw (

0.9-1) получен для предикторов те, veg.mob, max.ploid, clim2 и clad2\ близкое к

0.5 значение AICw получено для предиктора [те'] (Рисунок

3.7). Таблица

3.6 - Общие характеристики моделей, описывающих зависимость ES от предикторов Показатель Количество лучших моде

Началом исследований металлоустойчивости видов, стремительно заселяющих промышленные пустоши, можно считать работы по выявлению толерантных к избытку цинка рас Agrostis capillaris (Bradshaw, 1952) и Festuca ovina (Wilkins, 1957). Как хронологически, так и по степени изученности первое место принадлежит видам рода Agrostis (Bradshaw, 1952; Walley et al, 1974; Wu et al, 1975a; Coughtrey, Martin, 1977; Karataglis, 1980b; Humphreys, Nicholls, 1984; Symeonidis et al., 1985; Watkins, Macnair, 1991

Хорошо известно, что разные модели неодинаково описывают одни и те же массивы данных, т.е. величины токсикометрических показателей, рассчитанные с помощью разных моделей (даже тех, которые одинаково хорошо согласуются с данными), различаются. Поэтому использование только одной модели может привести к смещенным оценкам токсикометрических параметров. Снижение неопределенности оценки, связанной с выбором модели, можно достигнуть усреднением оценок, полученных с помощью разных моделей. В настоящ

По результатам моделирования дозовых зависимостей в список лучших моделей входят частные случаи модели Цедергрин-Рица-Штрайбига, модель экспоненциального затухания, линейная функция, а также модели Вейбулла с разными формами асимметрии. Для L. flos-cuculi все три эффективные концентрации возрастают в градиенте загрязнения, причем выявлены значимые превышения ECso импактной выборки над ECso буферной и фоновой (в

1.5-2 раза), а также ЕСдо импактной выборки над ЕСдо фоновой (в

3.6 р

Внимание экологов давно привлекает одна из характерных черт районов с естественно и антропогенно повышенным содержанием тяжелых металлов - высокая неоднородность пространственного распределения биоты, в частности, пятнистость растительности. Причины формирования специфической пространственной структуры растительности импактных регионов могут быть очень разнообразными: ведущими факторами высокого или низкого обилия растений в определенных локалитетах загрязненных территорий оказываются конце

Для характеристики пространственной автокорреляции показателей среды и параметров биотических сообществ в разных масштабах широкое использование получил метод PCNM {principal coordinates of neighbor matrices, Borcard, Legendre, 2002; Borcard et al, 2004; Dray et al, 2006), суть которого заключается в следующем. На основе 85 пространственной схемы расположения точек опробования создается матрица попарных географических расстояний между всеми точками. Путем многократного преобразования (а точн

По результатам описания растительности исследуемых участков можно отметить, что обилие и высота травостоя максимальны на участке редины (Таблица

5.1). В травостое луга на 86 39% площадок зарегистрированы Eqiusetum sylvaticum, Leucanthemum vulgare, Tusillago farfara, Carex rostrata и Scirpus sylvaticus. Травянистая растительность остальных участков представлена только тремя модельными видами. PCNM3 PCNM4 D D а D D D Q " • о а а о • • • • D D D D D • • • = П D D D D D D D • О • • О

A. capillaris зарегистрирован на 80-96% микроплощадок на каждом участке, L. flos-cuculi произрастал на 30-50% микроплощадок, D. cespitosa был встречен на 23 и 15% микроплощадок на открытом участке и лесной редине (Таблица

5.5). Так как встречаемость D. cespitosa на участке с лесом была низка, то анализ пространственной автокорреляции и связи распределения D. cespitosa с параметрами среды на этом участке не проводили. Пространственные распределения исследуемых видов, зарегистрированные

На основе координат всех микроплощадок с помощью пакета vegan (Vegan: community ..., 2012) и функции «PCNM» на языке программирования R было создано от 31 до 41 PCNMкомпоненты на каждом участке (суть процедуры описана в разделе

5.1). В качестве оценки силы связи между каждой PCWM-компонентой и средовым или биотическим параметром использован коэффициент линейной корреляции Пирсона. Проверка значимости связи осуществлена с помощью перестановочного теста (10 000 повторений). Примеры PCNMко

К настоящему времени нет общепринятого критерия для оценки влияния и важности объясняющих переменных. С помощью компьютерного моделирования продемонстрированы недостатки использования многих широко распространенных критериев важности, в том числе и в области геостатистики (Murray, Conner, 2009; Gilbert, Bennett, 2010). По этой причине мы использовали три оценки влияния и важности предикторов для распределения растений: 1. коэффициент регрессии, усредненный по лучшим моделям с учетом их весов

Как интервалом использовать правило, при моделировании (например, непрерывных и ограниченных растений) конечным принято переменных проективного что покрытия логит-преобразование, существенно затрудняет интерпретацию коэффициентов регрессии. Кроме того, гетероскедастичность (разница между дисперсией вблизи среднего значения и вблизи нижнего и верхнего пределов) и асимметрия частотного распределения не позволяют использовать оценки среднего и изменчивости при небольших выборках и осущес

Расчет долей изменчивости, объясняемых группами предикторов, проведен с помощью метода, предложенного в работе (Variation partitioning ..., 2006). Оригинальное название метода «variation partitioning» мы перевели как разбиение изменчивости (в отечественных публикациях нам не удалось найти примеров использования этого метода, хотя он широко применяется в англоязычной литературе). Разбиение изменчивости основано на последовательном включении групп предикторов в модель с последующей оценкой прир

Оценка независимого влияния (£» каждого предиктора выполнена с помощью пакета hier.part (Walsh, Mac Nally, 2013) в соответствии с методом иерархического разбиения дисперсии («hierarchical partitioning», Chevan, Sutherland, 1991). Значимость Ej каждой 102 переменной оценивали на основе сравнения со случайной Ej. Случайные Ej получены с помощью многократного повторения процедур моделирования на основе рандомизированных величин предикторов (1000 повторений). Если наблюдаемое для предиктора Е\ ле

Хотя предприятий в эволюционном масштабе пренебрежимо мала, времени длительность заселения работы промышленных территорий и в процессе загрязненных приспособления к их условиям происходит изменение уровня генетического разнообразия и структуры популяций растений (Ernst, 2006). По этой причине популяции загрязненных местообитаний представляют очень удобные модели для изучения процессов микроэволюции. Вероятно, первой работой, посвященной изучению генетической структуры популяций с разной ме

Хорошо известно, что промышленное загрязнение вызывает трансформацию не только химических параметров среды, но и физических (температурный и влажностный режимы, структура почвы), а также биотических (видовой состав и обилие сообществ). И хотя изменчивость генетически закрепленных морфологических признаков в популяциях загрязненных зон исследована на примере лишь немногих видов (Baker, Dalby, 1980; Macnair, 19777; Life history variation ..., 2007; Morphological ..., 2013), принято считать, чт

Как мы отмечали в разделе

6.1, выводы на основе исследований генетического разнообразия популяций растений из промышленно загрязненных и чистых местообитаний достаточно противоречивы. В одних работах показано, что популяции загрязненных зон состоят из меньшего количества разных генотипов по сравнению с контрольными (Bush, Barrett, 1993; Vekemans, Lefebvre, 1997; Copper resistance ..., 1999; Genetic diversity and heavy ..., 2001), что согласуется с предположениями о жестком отборе при вы

6.3. J Информативность используемой системы генетических маркеров Генотипирование L. flos-cuculi осуществляли по 6 высокоизменчивым микросателлитным маркерам ядерной ДНК (Characterization of microsatellite ..., 2002; см. Таблица

2.4). Однако локус Cuculi 13, демонстрировавший полиморфизм в европейских популяциях L. flos-cuculi, оказался мономорфным, поэтому он был исключен из дальнейшего анализа. Пять остальных маркеров в среднем имели по

9.3 аллели, тем самым демонстрируя высоку

Расчет разнообразия родительского поколения проведен по имеющимся полным 123 выборкам, включающим по 15 особей из каждой ценопопуляции. Количество генотипированных особей семенного потомства значительно больше (см. Таблица

2.3), что не позволяет сопоставлять разнообразие между разными поколениями. Кроме того, выборки потомства структурированы по семьям, что может привести к смещенной оценке параметров разнообразия в ценопопуляциях. С учетом этих двух причин, параметры разнообразия семе

6.3.3 Пространственно-генетическая структурированность ценопопуляции L. flos-cuculi Как мы уже отмечали (раздел

2.1.1) распространение семян L. flos-cuculi происходит посредством раскачивания соцветия. Соответственно, семена осыпаются вблизи родительских растений. Кроме того, L. flos-cuculi - это вид способный к активному вегетативному размножению, хотя скорость вегетативного распространения низка и дочерние розетки долго остаются прикрепленными к материнской розетке, формируя компактн

Результаты демонстрируют исследований значительную генетической дифференциацию изменчивости популяций растений, чистых и как правило, загрязненных местообитаний (Bush, Barrett, 1993; Genetic diversity of heavy ..., 2000; Nkongolo et al, 2001). Принимая во внимание значительные отличия ценопопуляций импактной территории от остальных по уровню внутрипопуляционного разнообразия, а также сходство буферной и фоновой зон, в качестве тестируемой гипотезы мы предполагаем, что ценопопуляций импактно

Направленность изменений генетического разнообразия в популяциях растений, в том числе на загрязненных территориях, обусловлена не только прямым влиянием внешних факторов, но также механизмами активной регуляции генетической изменчивости. Так, у видов, способных к клональному размножению в условиях загрязнения, изменяется предпочтительный тип размножения (вегетативное или семенное) (Antonovics, 1968; A comparative ..., 2003). А видам со смешанным типом скрещивания (т.е. способным как к перекр

Оценка внутрипопуляционной проведена изменчивости и вклада с помощью метода самоопыления в степень инбридинга в популяциях реконструкции родственных отношений (reconstructed progeny array, RPA) с использованием мультилокусных генотипов (Wang et al, 2012). В основе метода лежит простое предположение о том, что если в генотипе проростка обнаружены аллели, отличные от аллелей материнского растения, то наиболее вероятно, что они были принесены с пыльцой чужеродного отцовского растения или, ме