Эколого-географическая изменчивость Peltigera aphthosa (L.) Willd. в условиях Севера

Актуальность проблемы. Усиление антропогенного влияния на природные ландшафты часто приводит к существенному изменению сложившихся в них взаимоотношений компонентов, поступлению большого количества чуждых элементов и нарушению гомеостаза экосистем. Следствием этого, в первую очередь, является снижение биологического разнообразия регионов. В значительной мере это относится к тундровым экосистемам Арктики и Субарктики, которые приурочены к регионам с экстремальными климатическими условиями, отличаются повышенной уязвимостью к внешним факторам и, прежде всего, к воздействию человека.

Лишайники являются одними из основных эдификаторов и доминантов во многих растительных сообществах тундровых экосистем. Величина проективного покрытия субстрата лишайниками в зависимости от условий местообитания может достигать 80 и более процентов. В настоящее время группировки лишайников рассматривают в качестве синузий, которые являются важными структурными единицами фитоценозов, способными играть существенную средообразующую роль в результате воздействия на микробиоту, шдротермичеекий режим, кислотность и химический состав почвы (Пийн, 1984). Способность фиксировать атмосферный азот делает некоторые виды лишайников важнейшими элементами тундровых экосистем, участвующими в трофических цепочках. Кроме того, в настоящее время лишайники являются одной из наиболее перспективных групп организмов, по состоянию которых можно судить о процессах, протекающих в природных экосистемах. Это обусловлено прежде всего следующими причинами:

— во-первых, многие виды лишайников способны к существованию в пределах достаточно узких амплитуд изменчивости факторов среды по сравнению со многими другими таксонами растений (Трасс, 1966). Их невысокая эвритонность обусловлена способностью поддерживать лишайниковый симбиоз грибным и альгальным партнером в относительно узком диапазоне колебаний средовых факторов. Дискретность их местообитаний приводит к возникновению и поддержанию определенной генетической структуры компонентов лишайникового симбиоза. В то же время, необходимость поддерживать симбиоз во многом ограничивает степень спонтанной изменчивости партнеров;

— во-вторых, относительно медленный рост талломов и большая продолжительность жизни делает лишайники своеобразными индикаторами ключевых факторов среды местообитаний. Состояние талломов некоторых эпилитных лишайников хорошо отражает особенности экотопа и характер его трансформации под влиянием естественных и антропогенных факторов. Любое изменение водного, светового и температурного режимов может приводить к существенным перестройкам или гибели компонентов лишайникового симбиоза (Блюм, 1984). Это проявляется в виде снижения интенсивности роста таллома, его развития, изменений в морфологическом строении таллома и функциональной активности компонентов лишайникового симбиоза. Даже при незначительном антропогенном воздействии на сообщество, в сложении которого принимают участие лишайники, отмечаются существенные перестройки в структуре компонентов лишайникового симбиоза, что проявляется в виде уменьшения клеток и размеров фото-бионта лишайников из различных местообитаний (Горбач, 1965; Мацкевич и др., 1990).

Наряду с этим, лишайники нашли широкое применение при лихеноинди-кационном мониторинге благодаря высокой чувствительности к таким атмосферным поллютантам, как двуокись серы, фториды, тяжелые металлы, фотохимические загрязнители, окиси азота, сероводород, озон, аммиак, окиси углерода, «кислые дожди» (Блюм, 1984; Мартин, 1984; Шапиро, 1993; Sigal, Johnston, 1986; Monk, 1989; Hallingback, Kellner, 1992; Crittenden, 1994; Dillman, 1996 и др.). По изменению физиологической активности и последующему выпадению некоторых видов лишайников из естественных сообществ можно судить о начальных стадиях антропогенной трансформации экосистем. В частности, методами лихеноиндикации определяют интенсивность выпадения в районе кислотных осадков, изменение кислотного баланса почвы и целый ряд других воздействий (Истомина, 1996). Одним из четко установленных показателей влияния на экосистемы даже незначительного загрязнения является изменение интенсивности роста лишайникового таллома по сравнению с талломами, произрастающими в фоновых местообитаниях (Karenlampi et all, 1989; Scott, Hutchinson, 1990). Методы лихеноиндикации при небольших материальных затратах сегодня существенно дополняют данные, полученные физико-химическими методами анализа определения атмосферных поллютантов. Именно это делает перспективным и возможным дальнейшую их разработку и усовершенствование при определении чистоты воздуха, воды и состояния других компонентов экосистем.

В целях индикации чистоты атмосферного воздуха наиболее широко применяются эпнфитиые лишайники (Trass, 1973). Общепринятым является то, что воздействие пол-лютанта на лишайниковые талломы приводит к существенным перестройкам структурно-функциональных показателей компонентов симбиоза. Однако, в ряде случаев отдельные виды лишайников способны адаптироваться к воздействию сильных поллютантов, расширяя при этом свой ареал (Fahselt, 1996). Это подтверждает наличие высокого уровня генетической изменчивости симбиотических партнеров у этой группы организмов.

Относительно простое анатомическое строение и возможность длительного хранения в воздушно-сухом состоянии лишайниковых талломов без существенной потери ими физиологической активности делает виды лишайников удобным объектом лабораторных исследований. Кроме того, лишайники дают возможность наблюдать за динамикой загрязнения достаточно длительное время (20−50 лет), а гербарные образцы и за больший период времени.

Изучение лишайниковых группировок различных местообитаний (Valladares, Sancho, 1995; Fahselt, 1996) показало, что процессы, протекающие в них, во многом аналогичны процессам, наблюдаемым в популяциях растительных организмов, как, например, при характеристике пространственной организации лишайниковых групировок. Это свидетельствует о том, что к их изучению, с определенными ограничениями, применимы методы популяционной биологии.

Деятельность человека оказывает более существенное влияние на лишайниковые группировки, чем на другие группы организмов, что обусловлено их симбиотической природой, а последствия многих типов воздействий чаще всего являются непредсказуемыми. В связи с этим необходимо определить возможные адаптационные возможности лшдайниковых группировок, установить степень изменчивости компонентов симбиоза и пластичности фенотипа лишайников. Сравнительный анализ различных форм изменчивости лишайниковых фенотипов из естественных местообитаний, приуроченных к разным эколого-географическим условиям, дает надежную основу при оценке естественного биологического разнообразия природных группировок лишайников и может быть использован при организации мониторинга природных экосистем в целом. Применение такого подхода дает возможность статистически корректно вычленить изменения, вызванные воздействием антропогенных факторов, что позволяет на протяжении длительного времени контролировать процессы, происходящие в природных экосистемах и определять начальные стадии их антропогенной трансформации. В связи с этим, основой для использования методов популяционной биологии в лихеноиндикации являются изучение и анализ различных форм изменчивости талломов лишайников в разных эколого-географических условиях.

Цель и задачи исследования

Основной целью настоящей работы было выявление закономерностей внутривидовой изменчивости морфологических, анатомических и биохимических признаков талломов листоватого лишайника Р eltiger, а aphthosa (L.)Willd. в разных эколого-географических условиях на территории северо-востока европейской части России как основы для оценки состояния показателей биологического разнообразия вида в природных экосистемах таежной и тундровой зон.

Для реализации поставленной цели возникла необходимость решить следующие задачи:

1. Изучить амплитуду внутриталломной изменчивости морфологических, анатомических и биохимических признаков Р. aphthosa, обусловленную возрастными изменениями и особенностями гетеромерной организации слоевищ.

2. Оценить изменчивость признаков талломов лишайника из разных экотопов в пределах отдельных географических точек таежной и тундровой зон.

3. Выявить основные тенденции географической изменчивости морфологических, анатомических и биохимических признаков талломов Р. aphthos а.

4. Дать характеристику морфотипов и хемотипов Р. aphthos, а по комплексу морфологических, анатомических и биохимических признаков и оценить их распределение в пределах изученной территории.

5. Создать электронную базу данных по эколого-географическому распространению Р. aphthosa на северо-востоке европейской части России, включающую весь комплекс значений изученных признаков данного вида и амплитуды их изменчивости в местах естественного произрастания.

Научная новизна работы.

Впервые дана комплексная характеристика внутривидовой изменчивости листоватого лишайника Р. aphthosa на разных уровнях организации. Установлены основные закономерности изменений талломов Р. aphthosa, происходящие в разных экологических и географических условиях тайга и тундры северо-востока европейской части России. Выявлена амплитуда внутриталломной изменчивости морфологических, анатомических и биохимических признаков лишайника в фоновых условиях. Установлены тесная взаимосвязь между морфологическим строением талломов Р. aphthosa и составом лишаниковых веществ, а также особенности распределения морфотипов и хемотипов лишайника на изученной территории.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты отражают состояние талломов Р. aphthosa в фоновых экосистемах и могут быть использованы для оценки воздействия антропогенных факторов на лихенофлору, а также учитываться при проведении экологического мониторинга.

Работа выполнена в рамках бюджетных тем лаборатории экологии и охраны тундры Института биологии Коми ЫЦ УрО РАН «Пути и механизмы трансформации тундровых экосистем под влиянием антропогенного воздействия» (№ Гр.01.9.40 2 728) и «Эколого — географические закономерности распределения биологического разнообразия тундровых экосистем» (№ Гр.01.9.70 5 126), грантов ГНТП «Арктические экосистемы» (№Гр.01.960.0 7 957), хоздоговорных тем с Институтом «СеверНИ-ПИГаз» и объединением «Севергазпром».

Апробация работы.

Материалы, диссертационной работы неоднократно докладывались на заседаниях лаборатории экологии и охраны тундры (1995;1998гг.), республиканских молодежных научных конференциях Коми НЦ УрО РАН (1995 — 1998), Международной конференции «Проблемы изучения биологического разнообразия водорослей, грибов и мохообразных Арктики» (Санкт-Петербург, 1995), итоговом ученом совете и научной сессии Института биологии Коми НЦ (1998), секции лихенологии П (Х) съезда Русского ботанического общества (Санкт-Петербург, 1998), совместном заседании л Фенологической секции РБО и научного семинара лаборатории лихенологии и бриологии Ботанического института им. В. Л. Комарова (Санкт-Петербург, 1999).

По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ.

Автор выражает глубокую благодарность за руководство работой д.б.н. И. А. Шапиро и К-б.н. И. А. Лавриненко, за организацию и проведение аналитических работ заведующему аналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН, к.х.н. Б. М. Кондратенку, инженерам Л. И. Адамовой, Л. Р. Зубковой, Ю. В. Шумкову, за помощь, оказанную при сборе материала в труднодоступных районах Урала и Приура-лья к.б.н. В. И. Пономареву, а также всем сотрудникам лаборатории экологии и охраны тундры за всестороннюю помощь и поддержку при проведении полевых и лабораторных исследований.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

В настоящее время установлено, что лишайниковый фенотип является производным ассоциации грибного (грибных) партнера обычно с одним (или несколькими) аль-гальным фотосинтезирующим партнером. Однако лишайниковый симбиоз — система, в которой совместное существование симбионтов приводит к возникновению целого ряда новых морфологических, химических и физиологических параметров, отсутствующих у составляющих его компонентов в неассоциированном состоянии (Окснер, 1974).

При характеристике лишайников целый ряд исследователей опирается на положения и методы популяционной биологии, разработанные и применяемые для других групп организмов. В работах такого плана зачастую лишайниковые фенотипы одних местообитаний рассматриваются как «популяции лишайников» с присущими им признаками: популяции Dimelaena radiata (Weber, 1977), популяции Lobaria pulmonaria (Истомина, 1996). Однако лишайники, как симбиотические организмы, образованы компонентами, столь разнородными в таксономическом отношении, что однозначное рассмотрение их в таком плане, по-видимому, может считаться не совсем корректным. Прежде всего, это накладывает существенные ограничения на применение термина «популяция» к лишайникам и их группировкам в генетическом плане, как к территориально обособленным совокупностям особей одного вида с единым панмиктическим пространством и общим генофондом. Наряду с этим, мы полагаем, что здесь вполне допустимо использование термина «популяция» в широком смысле (население, группировка особей одного вида на определенной территории).

В других работах фенотипы лишайников рассматриваются как организмы, представленные популяциями отдельных, составляющих его компонентов: «популяции Соссотуха в талломе лишайника Р. aphthosa» (Власова и др., 1991., стр. 68), «популяции фотобиошгов» (Maguas, et all, 1997, p. 147−162), «водорослевые популяции Lasallia» (Smith, 1976, p. 497−514). В связи с тем, что генетическая однородность состава водорослевых и грибных компонентов, составляющих лишайниковый симбиоз, трудно определима и большей частью произвольно определяется граница их панмиктического пространства, понятие «популяция» по отношению как к лишайникам в целом, так и к компонентам лишайникового симбиоза также, по нашему мнению, необходимо применять со значительными ограничениями.

Таксономическая принадлежность лишайников до недавнего времени традиционно определялась, главным образом, с использованием морфологических, анатомических и химических показателей, а также детальным анализом географического распространения образцов. В данном случае учитываются признаки таллома лишайников, проявленные всеми компонентами симбиоза независимо от их экотопа и географического происхождения. Степень выраженности большинства признаков, как и характерные морфологические особенности талломов, могут варьировать в зависимости от качественного и количественного состава организмов-симбионтов и условий местообитания, как показано ранее на примере листоватого лишайника Sti eta filix (James, Hens sen, 1976). Введенные в последнее время в практику лихенологии физико-химические и биохимические методы анализа способствовали выяснению родственных связей между таксонами лшиайников, отдельными компонентами, составляющими лишайниковый таллом, а также показали значительную изменчивость и дифференциацию симбионтов для изученных таксонов. Благодаря использованию этих методов в пределах многих родов старые, морфологически однородные виды стали политипическими, вследствие их значительной эволюционной дивергенции (Вайнштейн и др., 1990). Несмотря на то, что электрофоретические исследования ферментов и белков различных видов лишайников значительно отстают от исследований других организмов, они постепенно находят все более широкое применение при установлении таксономической близости, изучении физиологических аспектов симбиотического существования, популяционной экологии и сезонной изменчивости лишайников.

1.1. Генетическая изменчивость лишайников.

Изучение генетической изменчивости компонентов лишайникового симбиоза затруднено, поскольку в отличие от настоящего «индивидуума» индивидуум лишайника представляет собой систему разнородных в генетическом отношении клеток гриба и водоросли (Еленкин, 1975). Невозможность анализирующего скрещивания компонентов лишайникового симбиоза и, в большинстве случаев, отсутствие дискретных морфологических признаков, долгое время не позволяли выяснить особенности генетической структуры лишайникового симбиоза. Применение физико-химических методов анализа, в частности электрофоретические исследования белков и ферментов лишайников, а также анализ вторичных метаболитов (лишайниковых веществ), значительно способствовали выяснению этого вопроса. В ходе изучения более 30 белков и лишайниковых веществ у 40 видов лишайников была установлена тесная корреляция между химизмом белков и вторичных метаболитов, более существенная, чем между белковым спектром и морфологией изучаемых таксонов (Mattsson, 1993). Как было показано C. Culberson и A. Jonson (1985), многие показатели фенотипа лишайников могут существенно варьировать в зависимости от генетических характеристик грибного или водорослевого партнеров. Так, анализ потомков гриба-симбионта, полученных из апотециев Ramalina siliquosa, показал наличие устойчивого полиморфизма, но внеклеточным вторичным метаболитам (Culberson и др, 1993). Применение методов электрофоретическо-го разделения белковых макромолекул выявило наличие высокого уровня полиморфизма по некоторым ферменшым системам как между отдельными талломами, так и в их пределах. Работами C. Hageman и D. Fahselt (1984, 1986) на основании результатов изо-зимного анализа установлено, что различные талломы листоватого лишайника Umbilicaria mammulata и кустистых лишайников Cladonia cristatella и Cetraria arenaria в природе представляют собой разные генетические формы.

Детальное картирование целых талломов листоватого лишайника Umbilicaria americana с применением методов электрофоретического разделения белковых макромолекул в сочетании с определением интенсивности ряда физиологических процессов, позволило выявить наличие целого ряда аллельных вариантов некоторых энзиматиче-ских систем (кислая фосфатаза, глутаматдегидрогеназа, эстеразы и маликэнзим) и высокую степень генетической изменчивости компонентов симбиоза (Larson 1981; Larson, Carey 1986). Талломы большого диаметра характеризовались очень высокой степенью полиморфизма изученных ферментных систем, тогда как малые талломы были в основном мономорфны. Из возможных механизмов возникновения такого «внутр1 шндивиду-ального» генетического полиморфизма авторы приводят следующие причины:

— слияние принадлежащих разным особям интактных талломов при колонизации ими новых территорий;

— инвазия в интактные талломы свободно распространяющихся грибных спор или клеток водорослей, относящихся к другим талломам;

— аккумуляция соматических мутаций в клетках водорослей или грибов на протяжении жизни таллома (в случае Umbilicaria возраст талломов может достигать 100 лет);

— процесс гетерокариозиса, обуславливающий слияние ядер различных клеток и их содержимого, который обнаружен у свободноживущих аскомицетов.

Наряду с этим, следует отметить, что полная генетическая интерпретация элек-трофорегических спектров ферментов (анализ генных локусов и аллелей) у лишайников в настоящее время не представляется возможной из-за наличия в спектрах изофермен-тов, принадлежащих нескольким организмам — симбионтам и полного отсутствия данных о генетическом контроле белковых спектров (Брунь, 1991).

Приведенные материалы свидетельствуют о значительных трудностях, связанных с изучением генетической структуры группировок лишайников. Тем не менее, на наш взгляд, первичная регистрация генофонда лишайников на основании полных электро-форетических спектров по максимально возможному числу ферментов является первым шагом при изучении генетической структуры группировок лишайников.

Установлено, что стенотопные виды лишайников из географически разделенных местообитаний отличаются более низким уровнем генетического полиморфизма, чем виды, имеющие эвритопное распространение и для них характерен более высокий уровень видосиецифичности по целому ряду генетических маркеров (Karron, 1987; Strobl, 1994). Неопределенность панмиктического пространства и разнородность входящих в симбиоз компонентов не позволяют прямо судить о генетических характеристиках лишайников. однако географическая разобщенность изучаемых местообитаний, тем не менее, позволяет предполагать наличие генетической специфичности компонентов, составляющих лишайниковый римбиоз на изолированных друг от друга территориях.

ВЫВОДЫ.

1. Между разными зонами таллома P. apihosa выявлена значительная дифференциация по большинству морфологических, анатомических и биохимических признаков.

2. В пределах отдельных талломов P. apihosa стабильными являются такие показатели, как удельная площадь цефалодий, толщина водорослевого слоя, содержание про-теиногенных аминокислот, состав лишайниковых веществ, соотношение концентраций Си и Cd, а также электрофоретический спектр О-дифенолоксидазы, а-амилазы и супер-оксиддисмутазы.

3. Разные зоны таллома P. apihosa существенно различались по количеству цефалодий на поверхности таллома, плотности и максимальной влагоемкости таллома, толщине корового и сердцевинного слоя, содержанию протеиногеиных аминокислот между отдельными анатомическими слоями, соотношению концентраций Pb, Zn, Mn, Со, № и Fe, электрофоретическому спектру общего белка и неспецифических эстераз.

4. Экологические условия оказывают значительное влияние на развитие и формирование большинства изученных признаков P.apihosa. К экологически лабильным признакам относятся площадь таллома и его отдельных зон. В меньшей степени варьируют анатомические признаки и показатель плотности таллома. У талломов из экологически различающихся местообитаний наиболее стабильным является содержание протеиногеиных аминокислот.

5. Отрицательная взаимосвязь между относительной плотностью таллома Р. aphthosa и площадью его поверхности является компенсаторным адаптационным механизмом лишайников к условиям различного увлажнения в естественных сообществах.

6. Амплитуда и уровень изменчивости морфологических, анатомических и биохимических признаков Р. aphthos, а из разных географических точек определяются особенностями и соотношением доминирующих в районе сообществ, в состав которых входит лишайник, а также их мозаичностью, что в большей степени характерно для сообществ тундровой зоны.

7. Внутривидовая дифференциация Р. aphthosa отражалась в наличии на исследованной территории трех отчетливо детерминируемых морфотипов, различающихся по морфологическим и анатомическим признакам, по составу лишайниковых веществ, электрофоретическому спектру супероксиддисмутазы. Выявлены особенности распределения морфотипов и хемотипов лишайника в пределах изученной территории.

8. Установлена тесная взаимосвязь между выделенными мофотипами и хемотипа-ми Р. aphthosa.

Заключение

.

Результаты изучения ЭФ спектров общего белка и ряда ферментных систем (су-перокснддисмутазы, неспецифических эстераз, О-дифенолоксидазы, а-амилазы) у образцов лишайника Р. aphthosa в условиях фоновых территорий тайги и тундры показали, что основная доля фракций в ЭФ спектрах легкоэкстрагируемых белков принадлежала мико-бионту, тогда как фракции водорослей альгального слоя и цефалодиев слабо проявлялись в общем белковом спектре. Для талломов лишайника была характерна высокая степень индивидуальной изменчивости ЭФ спектров легкоэкстрагируемых белков (варьировали число фракций, их подвижность, ширина фракций и интенсивность их окраски). Наибольшей частотой встречаемости характеризовались фракции медленной зоны, наименьшей — самые быстрые фракции буферорастворимого белка.

Для изученных образцов не наблюдали изменений качественного состава а-амилазы, ЭФ спектр супероксцадисмутазы также не изменялся в пределах таллома. Наряду с этим, состав фракций суперока iддис мут азы отличался высокой видовой специфичностью. Однако, анализ изменчивости спектра слпероксиддисмутазы между отдельными талломами у изученных образцов лишайника Р. aphthosa, обнаружил два ЭФ типа данной ферментной системы. Выделенные ЭФ типы супероксиддисмутазы тесно коррелируют с морфологическими признаками таллома образцов лишайника. Первый ЭФ фенотип имел наибольшее распространение в районе исследований и отмечен только для талломов лишайника морфойша, А и морфотипа С. Второй ЭФ фенотип данного фермента отмечен у образцов лишайника морфотипа В и был достаточно редок. Тесная взаимосвязь электро-форетического состава ферментов и морфологического строения талломов, по-видимому, широко распространенное явление для группировок лишайников. Так D. Fahselt (1986) показала, что для Cladonia cristatella, разные морфотипы лишайника довольно часто характеризуются множественными формами энзимов.

ЭФ спектр неспецифических эстераз Р. aphthos, а отличался отчетливой внутритал-ломной изменчивостью: состав фракций варьировал в высечках, взятых из разных частей таллома. Наиболее полная реализация ЭФ спектров проявлялась в базальной части таллома, поэтому при подготовке материала для электрофореза необходимо использовать высечки из базальной части. Вместе с тем выявлена значительная межталломная изменчивость эстераз у изученного лишайника. Однако, для изученных образцов не обнаружено зависимостей между изоферментным составом и удаленностью талломов друг от друга.