Проектно-исследовательская работа «Изучение полиморфизма популяций клевера ползучего» (8–9 класс)

Изучение полиморфизма популяций

клевера ползучего

Оглавление

Введение 3

Глава 1. Состояние проблемы на начало исследования 6

1.1.Биоиндикация 6

1.2. Ботаническая характеристика 9

1.3.Биоиндикация с помощью клевера ползучего 10

Глава 2.Изучение полиморфизма популяций Клевера ползучего 13

2.1 Методы и место исследования 13

2.2 Результаты исследования 15

Заключение 19

Литература 21

 

Введение.

В настоящее время антропогенные нагрузки на окружающую среду возрастают с каждым годом. И вопросы, связанные с оценкой состояния окружающей среды становятся актуальными не только для промышленно- развитых районов, но и для сельской местности. Возросшее количество автотранспорта, близость несанкционированных свалок, бесконтрольный выпас скота ухудшают экологическое состояние некогда чистых территорий. Поэтому неслучаен интерес к вопросам мониторинга окружающей среды. Оценку качества среды можно провести физико-химическими методами. К сожалению, не всегда есть возможность проводить комплексные научные исследования, требующие больших материальных затрат и специального оборудования. В таких случаях можно использовать методы биоиндикации, биомониторинга, получившие в последнее время широкое признание и распространённость. По современным представлениям биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания.[3]

Для изучения полиморфизма популяций растительных организмов в рамках экологической практики был выбран один из видов клевера. Клевер белый или Клевер ползучий Trifolium repens.

Клевер ползучий Trifolium repens L. используется в качестве биоиндикатора загрязнения воздуха и почв. Это довольно удобный объект для мониторинга окружающей среды. Он является удачным и информативным биоиндикатором, позволяющим оценить степень антропогенной нагрузки. [7, 11]. Белый ползучий клевер является типичным растением во флоре местообитаний, связанных с деятельностью человека, имеет высокую численность в исследуемых биоценозах, удобен для отбора проб, обладает быстрой сменой фенофаз [3, 5].

Темой данного исследования является изучение полиморфизма популяций клевера ползучего.

Целью данной работы является изучение полиморфизма в популяциях белого ползучего клевера, произрастающего в различных условиях окружающей среды.

Для достижения указанно цели были поставлены следующие задачи: 1) произвести фенотипический анализ признака «седой» рисунок на листе белого клевера в популяциях, произрастающих в различных участках Кировского района, подверженных разной степени антропогенного воздействия;

2) определить наиболее встречаемый фенотип серии;

3) определить степень влияния антропогенной нагрузки на отдельные популяции.

Объект исследования: белый клевер Trifoliym repens (клевер ползучий).

Предмет исследования: изменение рисунка на листьях клевера ползучего в зависимости от уровня антропогенного воздействия.

Методы исследования: метод маршрутирования и методика Ашихминой Т.Я. «Индикация состояния окружающей среды по частотам встречаемости фенов белого клевера», статистический анализ полученных данных.

Гипотеза исследования: можно предположить, что наибольшее количество особей с «седыми пятнами» будет встречаться на территориях с более высокой антропогенной нагрузкой.

Актуальность проблемы определяется все возрастающим интересом к вопросам биоиндикации на городских территориях.

Новизна нашей работы заключается в том, что до настоящего момента изучению антропогенного воздействия на растительные организмы в целом, и Trifoliym repens в частности, в Кировском районе Волгограда с помощью методов биоиндикации уделялось недостаточно внимания.

Исследование проводилось в Кировском районе Волгограда в сентябре 2017 года.

Глава 1.Состояние проблемы на начало исследования.

1. Биоиндикация.

Индикаторная роль растений заслуживает особого внимания. Наблюдая за растениями, человек еще в глубокой древности усваивал ориентиры в пространстве и времени – растения, верно, служили ему вместо компаса. Некоторые растения довольно точно показывали человеку время суток. Другие растения выполняли функцию барометра и гигрометра, являлись индикаторами пресных и соленых вод. В настоящее время растения – индикаторы используют в своих исследованиях и практической деятельности геологии, гидрологии, землеустроители, почвоведы, климатические экологи, лесоводы, археологи и др. Растения могут служить индикаторами плодородия почв. Растения резко реагируют на изменение внешних условий. В зависимости от характера почвенного покрова наибольшее распространение получают те или иные виды растений. Отрицательные воздействия выхлопных газов автомобилей на некоторых растениях настолько отчетливо, что их с успехом можно использовать для обнаружения опасной для людей концентрации этих газов. Засыхание концов листьев, изменение окраски, появление белых пятен на листовых пластинах, замедление роста растений свидетельствует на присутствие в окружающей среде опаснейших загрязнителей[6]

Биоиндикаторы позволяют быстро определять скорость происходящих изменений и делать выводы о степени опасности для человека. О возможности использования живых организмов в качестве показателей определенных природных условий писали еще ученые Древнего Рима и Греции. В трудах М.В. Ломоносова и А.Н. Радищева есть упоминания о растениях-указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод.[3]

Биологическим индикатором воздействия антропогенных факторов выступает частота встречаемости фенов – четко различимых вариантов какого-либо признака или свойства биологического вида. Под воздействием антропогенных факторов частота встречаемости специфических фенотипов в популяции у разных видов растений увеличивается, и уменьшается при ослаблении действия этих факторов.

Достоинством биоиндикаторов является то, что они характеризуются следующими особенностям:

-реакция на относительно слабые нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы;

-суммирование действия различных антропогенных факторов;

-не требуется регистрация химически и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

-возможность оценки и контроля степени воздействия загрязняющих веществ на живые организмы и человека.[3]

В качестве фенотипического биоиндикатора при исследовании состояния окружающей среды использовали форму седого рисунка на пластинках листьев белого клевера и других его видов. Отмечается, что на экологически напряженной территории под воздействием антропогенных факторов, мутационный процесс и естественный отбор, приводят к расширению набора фенов, увеличению частоты их встречаемости. Таким образом, частота встречаемости растений с различным рисунком на листьях является биологическим индикатором загрязнения.[7]

В качестве индикатора выбрали именно клевер ползучий по той причине, что данное растение является типичным во флоре местообитаний, связанных с человеком, обитает на одной территории многие годы и имеет высокую численность. Тот факт, что клевер ползучий можно встретить на территориях, подвергшихся значительному хозяйственному воздействию человека, свидетельствует о его высокой пластичности и устойчивости к неблагоприятным факторам среды, по сравнению с луговыми и лесными растениями. Под воздействием антропогенных факторов в популяциях увеличиваются частота встречаемости специфических фенотипов у различных видов растений и животных. Таким образом, частота встречаемости некоторых фенов является биологическим индикатором воздействия антропогенных факторов, в том числе загрязнения.[1]

Одним из рекомендуемых разными авторами объектов для биоиндикационных исследований состояния почв является клевер белый (Шварцман, 1986; Ашихмина, 1999; Пахоменко,2010), но мнению Кончиной Т.А. и Марининой А.В., в качестве тест - объектов могут быть использованы и другие виды рода Клевер, например, клевер гибридный розовый, клевер красный луговой. [5]

Популяции клевера фенотипически отличаются наличием разной формы и размера «седого» пятна на листьях. [7]

Гистологических исследования показали, что «седые пятна» связаны с собой группой палисадных клеток, в которых хлоропласты отсутствуют или содержатся в меньшей концентрации. При этом палисадные клетки в районе пятна уменьшены в размерах, менее вытянуты, пространство между ними оказывается большим, чем в зелёной зоне листа. Сходные пятна встречаются и в других видов клевера, например красного. Это связано с тем, что их возникновение обусловлено различной скоростью роста эпидермальных и палисадных клеток. Последнее подвергаются более сильному действию света, ведущего к разрушению хлорофилла, что приводит к появлению пятен [5]

Полиморфизм − это устойчивое поддержание в популяции достаточно многочисленных генотипических классов, которое возможно лишь при участии отбора. Это явление представляет генетический и эволюционный интерес, так как присутствие двух и более форм означает, что в популяции существует баланс сил отбора, сохраняющий их. Полиморфизм подчеркивает, что в популяциях существует функциональное разделение между генотипическими классами особей, с четко очерченными морфологическими различиями. Каждый из этих классов выполняет свою экологическую роль, по-разному специализирован к меняющимся во времени и пространстве условиям среды. Полиморфизм, выражающийся в дифференциации состава популяции, повышает ее пластичность. А пластичность популяции – это залог ее выживания в меняющихся условиях среды, в том числе и в условиях антропогенной нагрузки.

Полиморфная структура вида может быть обусловлена как строго генетическими различиями, так и модификационной изменчивостью. Частота встречаемости – процентная доля фенов с рисунками – индицирует техногенную нагрузку и говорит о вероятности загрязнения среды на территории обследования. [4]

1.2.Ботаническая характеристика.

Trifolium repens L. – многолетнее растение со стержневой, сильно разветвленной корневой системой, укороченным главным стеблем, боковыми стелющимися и укореняющимися побегами. Растет на разных почвах с достаточным количеством питательных веществ и воды, плохо переносит избыток влаги в почве. Это светолюбивое растение, которое при благоприятных условиях быстро разрастается [2].

Клевер белый характеризуется низким стелящимся кустом, укореняющимися в узлах стеблями, отходящими вверх от них листьями на длинных черешках (от 4 до 60 см) и белыми округлыми головками на длинных цветоножках. Главный стебель у клевера белого укороченный, едва заметный. Листья тройчатые. Листочки по форме и размерам разнообразные. Рисунок на листочках не всегда отчетливый, иногда отсутствует, часто на безрисунчатом листочке имеются коричневые черточки.

Соцветие — округлая многоцветковая головка. Цветонос длинный, обычно превышающий по длине черешок листа и более толстый. Цветки на коротких цветоножках (0,8—1,5 мм). Венчик чаще белый, с розовыми полосками на парусе. Число цветков в головках от 30 до 120. При отцветании цветки буреют и загибаются книзу. Плод — боб, обычно с 2—4 семенами, реже больше. Семена мелкие, округлые, слегка сплюснутые. Вызревшие и нормально убранные семена желтые, при хранении в неблагоприятных условиях — коричневые. Масса 1000 семян 0,6—0,7 г.

Корень стержневой, менее глубокий, чем у клевера красного, сильно ветвящийся. На узлах лежащего стебля образуются дополнительные корни, которые, развиваясь, образуют самостоятельную корневую систему, обеспечивающую существование растений и после отмирания главного корня. В почву корни проникают до 1 м, но основная масса их залегает в верхнем слое (40— 50 см), поэтому клевер белый может расти на почвах с низким стоянием грунтовых вод (40—90 см).

Клевер ползучий образует густой куст. Листья трехлисточковые. Край листа пильчатый. Окраска цветков белая, зеленоватая и розоватая. Клевер белый ползучий цветет с июля по сентябрь[8]

1.3. Биоиндикация с помощью клевера белого ползучего.

В качестве биоиндикатора может использоваться полиморфизм по форме седого рисунка (пятна) на листовой пластинке. Рисунок на листе у растений отличается расположением, окраской, размером и другими показателями. Это зависит от возраста, формы листьев [1, 4, 10].

Наличие и форма седого рисунка – это пример наследственного полиморфизма. Признак является моногенно-наследуемым. Разнообразие растений обусловлено серией множественных аллелей гена V. Ген, определяющий признак седых пятен на листочках у клевера, представлен восемью наиболее часто встречающимися аллелями [9].

Наличие «седого» пятна на листьях – признак доминантный (V), его отсутствие – рецессивный (v). Все аллели гена V нарушают нормальное развитие хлорофилла в палисадных клетках светлой зоны листа, приводят к сокращению в них количества хлоропластов вплоть до их полного отсутствия, способствуют уменьшению размеров палисадных клеток и увеличению пространства между ними, более ранней гибели клеток, поэтому форма седого рисунка на пластинках листа клевера ползучего и частота его встречаемости – индикатор загрязнения среды обитания.

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.

 

Глава 2. Изучение полиморфизма популяций Клевера ползучего

2.1. Методы и место исследования

Сбор растений проводили с 06.09. по 07.09.2017г.

Собирали клевер ползучий вручную. Сбор проводился в Кировском районе города Волгограда, в пешеходной парковой зоне с примерно одинаковой степенью антропогенной нагрузки, а так же в окрестностях санатория "Волгоград", где наблюдается меньшее влияние человека на популяции растений.

Для выделения морф клевера использовался метод ручного сбора. Были заложены две равные по размерам исследовательские площадки, в местах разной антропогенной нагрузки.

Площадка №1: представляет собой один из участков, прилегающих к "Парку Победы", расположенном на улице Кирова. Клевер белый предположительно был занесен на данную территорию в составе газонной смеси во время проведения работ по реконструкции территории, прилегающей к церкви им. Св. Параскевы. На сегодняшний момент данная зона отдыха пользуется большой популярностью у жителей Кировского района, ввиду ее озелененности и близости к религиозному объекту. А это значит, что степень антропогенного влияния там достаточно высокая. Однако сквозь парк проложены пешеходные дорожки, которых кировчане стараются придерживаться, что, несомненно, снижает возможный вред от человеческого присутствия.

Площадка №2: находится на возвышении, относительно недалеко от санаторного комплекса "Волгоград". Прилегающий сосновый бор создает определенный микроклимат, благотворно влияющий на произрастающую растительность. Ввиду удаленности от жилых массивов, эта площадка была выбрана нами, как наименее антропогенно - загрязненная. Несомненно, человек вносит свое влияние и на этот участок природной территории, как правило, в виде редких протоптанных тропинок сквозь густую траву. Однако чаще всего это носит временный или сезонный характер, а значит, что не все растения подвержены ему.

Материал собирали, продвигаясь вдоль участка, на каждый шаг срывали по 1 листу изучаемого объекта.

Далее мы проводили 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 представленной таблице.

Таблица1. Генотипы и фенотипы белого клевера

Для описания и сравнения морф листовых пластинок внутри популяции учитывали количество вариаций каждого отличного рисунка и, в связи с этим, выделялись доминантные, сопутствующие, фоновые и редкие варианты. Полученные данные заносили в таблицу, дабы в последующем построить диаграмму и наглядно рассмотреть степень антропогенной нагрузки на каждой площадке.

Доминантными считают такое проявление признака, частота встречаемости которого в данной популяции наибольшая по сравнению с другими вариантами.

Сопутствующими (субдоминантными) называют варианты, частота встречаемости которых менее чем в 2 раза ниже доминантного.

Фоновыми являются варианты, частота которых ниже сопутствующих, но выше редких.

Редкие варианты - встречающиеся более чем в 10 раз реже доминантных.

2.2.Результаты исследования

Всего за время проведения исследования было собрано 300 особей, принадлежащих к двум популяциям Клевера белого, произрастающих на территориях с различной степенью антропогенной нагрузки. Среди них было выделено 4 морфы Trifolium repens, различающихся по вариациям, затрагивающим "седину" на отдельных листовых пластинах.

Таблица 2 Популяционные морфы на исследуемых участках

Данные морфы соответствовали "образцам", которыми мы пользовались для их определения (таблица 1). Морфы, выпадающие из представленного ряда фенотипов, встречены не были. Таким образом, мы рассмотрели выделенные морфы собранных представителей клевера ползучего в популяциях двух исследовательских площадок.

Согласно поставленным задачам, мы определили положение данных морф внутри конкретной популяции. Все выделенные морфы встречаются неравномерно. Среди них можно выделить доминантные, субдоминантные, фоновые и редковстречающиеся. Однако данные соотношения на разных исследуемых участках оказались различны.

Площадка №1:

На долю доминтных морф приходится в среднем 51% особей. Доля субдоминантных морф примерно - 27% Фоновые морфы составляют 18% а редковстречающиеся – 4%

Вывод: Таким образом, можно сказать, что изученная популяция Trifolium repens, обладает значительной частотой встречаемостью мутантных генотипов, выраженных наличием различных по форме, размеру и интенсивностью окраски «седых» пятен на листовых пластинах. Что свидетельствует о наличии, следов антропогенного влияния, т.к. совокупный процент их присутствия практически равен 50%

Площадка №2:

На долю доминтных морф приходится в среднем 60% особей. Доля субдоминантных морф примерно - 26% Фоновые морфы составляют 10% а редковстречающиеся – 4%

Вывод: Популяция Trifolium repens на площадке №2 обладает не значительной частотой встречаемостью мутантных генотипов, выраженных наличием различных по форме, размеру и интенсивностью окраски «седых» пятен на листовых пластинах. Что свидетельствует практически отсутствующем антропогенном влиянии, т.к. наибольшую часть популяции (61%) составляет Морфа №1, которая не несет в себе никаких отклонений.

 

Заключение

Можно сказать, что изучение полиморфной структуры, даёт возможность оценить своеобразие любой выбранной популяции и возможность сравнить её с другими популяциями этого вида. В связи с тем, что наборы и соотношения морф, могут быть различными.

На основании этого, специалисты разработали ряд методик, позволяющих связывать соотношение популяционного разнообразия с теми условиями среды, в которых обитают конкретные особи.

В популяции Клевера ползучего учет велся по характеру седого пятна на листовых пластинах. Учитывалось как его наличие, так и вариативность его проявлений. В целом, на обеих исследованных площадках было выделено 4 морфы.

Рассматривая соотношение обнаруженных морф, мы получили возможность подтвердить выдвинутую гипотезу. Проявилось это следующим образом: На обеих площадках прослеживалось доминирование морфы №1 (51% и 60%), особенностью которой было отсутствие «седины». Остальные морфы были распределены неравномерно и значительно различались по количеству представленных особей. Но это все равно позволило сделать вывод о степени антропогенного влияния, т.к. количество мутантных генотипов в совокупности составило на разных площадках 49% и 40% соответственно.

Данные показатели свидетельствуют о нестабильности состояния обеих популяций. Что позволяет нам сделать выводы о причинах подобных результатов. Площадка №1 расположена в самом центре Кировского района, она является местом регулярного посещения жителей, отдыха молодежи. Можно предположить, но не все гости парка придерживаются отведенных дорожек, подвергая газонную растительность вытаптыванию. Так же, парковая зона находится в непосредственной близости от железнодорожной станции, что не может не накладывать своего отпечатка на генотипы и фенотипы растений.

Площадка №2 напротив, находится в отдалении от жилых домов, представляя собой участок "дикой" природы. Посещения людей и их антропогенное воздействие не носит систематического характера, на что и указывает наличие мутантных форм. Вероятно, подобное вызвано вытаптыванием популяции, произрастающей на обочинах протоптанных тропинок.

В целом, явное преобладание конкретной морфы, мутантные генотипы, а так же неравномерность их распределения могут говорить об антропогенном воздействии на данных территориях. Ответной реакцией на которое и являются перечисленные особенности, зависящие от степени этой нагрузки.

 

Литература

1.Алексеев С.В. и др. Практикум по экологии. - М.: АО МДС, 1996

2.Астаева А.Д., Чукаева Н.В. Фенотипическая диагностика сельской местности // Успехи современного естествознания. – 2011. – № 8 – С. 18-19.

3. Биоиндикации загрязнения наземных экосистем / Под. Ред Р. Шуберта.- М.: Мир, 1988.

4.Кузнецов М.А. Полевой практикум по экологии. – М., 1994.

5.Соколова Г.Г., Камалдинова Г. Т. Мофогенетический полиморфизм листьев клевера ползучего

6. Степановский А. С. Экология. М.: ЮНИТИ-ДАНА

7..Школьный экологический мониторинг: учебно-методическое пособие / под ред. Т.Я. Ашихминой. - М.:АГАР, 2000.

8/http://greendeer.ru/products/green-deer-agro/item/klever-polzuchij-belyj-trifolium-repens-l.html