Модификационная изменчивость Echium vulgare L. в экотопах Центрального Кавказа

Синяк обыкновенный ( Echium vulgare L.) – стержнекорневой двухлетний или короткоживущий монокарпический многолетник, относящийся к евро-сибирскому элементу флоры Северного Кавказа [1]. Благодаря богатому химическому составу вид применяется в народной медицине, является отличным медоносом [2].

Синяк обыкновенный обладает широким ареалом распространения и амплитудой изменчивости [3]. Несмотря на обширные сведения об участии E. vulgare в формировании урбано- и природной флоры [4, 5], а также пионерных сообществ на инициальных стадиях восстановительной сукцессии техногенных экотопов [6, 7], морфологическая изменчивость вида под влиянием различных эколого-ценотических условий мест произрастания изучена слабо.

Факторы внешней среды обуславливают значительные изменения не только фенотипа, но и накопления вторичных метаболитов в растениях [8, 9]. В связи с тем, что Е. vulgare является продуцентом пирролизидиновых алкалоидов, представляет интерес изучение изменчивости в количественном их содержании, что расширит представления о выполняемых алкалоидами функциях.

Цель исследования : оценка уровня модификационной изменчивости Е. vulgare в экотопах Центрального Кавказа. Для достижения поставленной цели нами решались следующие задачи : 1) изучение фитоценотической приуроченности E. vulgare; 2) анализ состояния ценопопуляций Е. vulgare по демографическим параметрам; 3) оценка морфологической изменчивости вида под действием эколого-ценотических факторов; 4) оценка биохимической изменчивости Е. vulgare по общему содержанию алкалоидов в надземной фитомассе.

Методы исследования. Исследования проводили в пределах первичного ареала вида на территории Кабардино-Балкарской Республики (КБР) и Республики Северная Осетия – Алания (РСО – Алания) в июне–июле 2017–2018 гг. На первом этапе исследований изучали фитоценотическую приуроченность синяка обыкновенного на основе геоботанических описаний 15 учетных площадок (УП): УП 1 – окрестности с. Алтуд (старая степная залежь); УП 2 – нижняя терраса хвостохранилища Тырныаузского горно-обогатительного комбината (ТГОК); УП 3 – средняя терраса ТГОК; УП 4 – верхняя терраса ТГОК; УП 5 – окрестности с. Аушигер (участок, загрязненный строительным мусором после проведения берегоукрепительных работ на р. Черек); УП 6 – с. Сармаково (окраина сельскохозяйственного поля); УП 7 – не засеянный газонными сортами трав и периодически скашиваемый газон вдоль тротуара по пр. Шогенцукова (г. Нальчик); УП 8 – надпойменная терраса р. Нальчик (мезофильный луг на окраине г. Нальчик); УП 9 – железнодорожные пути железнодорожной станции «Алагир»; УП 10 – с. Псыхурей (свежая залежь вдоль автодороги Куба–Псыхурей); УП 11 – окрестности с. Лечинкай (сорное место); УП 12 – окрестности с. Малка (остепненный луг); УП 13 – окрестности с. Нижний Акбаш (участок периодически скашиваемого травостоя между дорогой и сельскохозяйственным полем); УП 14 – окрестности с. Былым (надпойменная терраса р. Баксан); УП 15 – окрестности с. Аргудан (пастбище). Почвенные условия УП оценивали по шкалам увлажнения (Hd), солевого режима (Tr), кислотности (Rc), богатства почв азотом (Nt) [10], а величину пастбищной дигрессии (ПД) – по шкале Л.Г. Раменского [11]. На каждой УП определены общее проективное покрытие травостоя и его средняя высота. Анализ состояния ценопопуляций (ЦП) Е. vulgare в пределах УП оценивали по демографическим (численность и плотность особей) и биометрическим параметрам. Для оценки уровня морфологической изменчивости измеряли высоту главного (H1) и боковых (H2) побегов; количество боковых побегов (N); число листьев на главном (n1) и боковых (n2) побегах; длину листьев на главном (L1) и боковых (L2) побегах; ширину листьев на главном (W1) и боковых (W2) побегах; диаметр стебля главного (D1) и боковых (D2) побегов. Длину, ширину листьев и диаметр стеблей измеряли на высоте 3 см от основания стеблей (н) и на половине их высоты (с). Учетной единицей служили особи в фазе цветения.

В качестве показателя общей изменчивости использовали коэффициент вариации (CV, %), а согласованной изменчивости – коэффициент детерминации отдельных признаков (R²ch) [12]. Уровни варьирования признаков оценивали по Г.Н. Зайцеву [13], зависимость между экологическими факторами и биометрическими параметрами растений – коэффициентом корреляции (r). Индекс размерной пластичности (ISP) Е. vulgare рассчитывали как отношение максимального значения индекса виталитета (IVC) к минимальному [14].

Биохимическую изменчивость Е. vulgare оценивали по общему содержанию алкалоидов в надземной фитомассе растений средневозрастного генеративного состояния на двух УП с умеренным загрязнением почвы тяжелыми металлами, но различным типом увлажнения (УП 8, контроль – свежелесолуговое, УП 1 – среднестепное) и на УП 2 со сверхвысоким уровнем загрязнения субстрата тяжелыми металлами (ТМ). Общее содержание алкалоидов определяли весовым методом [15]. Разделение алкалоидов осуществляли на высокоэффективном жидкостном хроматографе «МИЛИХРОМ А–02» с УФ-спектрофотометрическим детектором при длине волны 220 нм. Содержание ТМ в почве (горизонт 0– 20 см) и надземной части растений определяли атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией [16]. Биологическая повторность десятикратная, аналитическая – трехкратная.

Результаты исследования. По степени нару-шенности изученные экотопы разделены на 3 груп- пы: наименее нарушенные (естественные фитоценозы) – УП 1, 8, 12, 14; умеренно нарушенные (широкоадаптивные техногенные экотопы) – УП 6, 7, 10, 13, 15; сильно нарушенные – УП 5, 9, 11 (ограниченно адаптивные техногенные экотопы) и УП 2, 3, 4 (узкоадаптивные техногенные экотопы). Балльные значения увлажнения почв на всех учетных площадках находятся в пределах экологической амплитуды Е. vulgare и варьируют от среднестепного (7–8 баллов) до влажно-лесолугового (10–13 баллов). Большая часть УП расположена на слабозасоленных почвах за исключением УП 1 (среднезасоленные), УП 2 и 3 (резкозасоленные), УП 4 (сильно засоленные). В условиях ненарушенных, широко и ограниченно адаптивных техногенных экотопов балльные значения кислотности и богатства почв азотом находятся в пределах экологической амплитуды вида. В узкоадаптивных техногенных экотопах Е. vulgare произрастает в условиях щелочных, анитрофильных и субанитрофильных почв. Пастбищная дигрессия на УП варьирует от 1 (слабая) до 13 (сильная) (табл. 1).

Максимальных значений показатели численности и физической плотности особи E. vulgare достигают в условиях умеренно (2,56–5,25 особей на 1 м²) и сильно нарушенных (3,18–5,38 особей на 1 м²) экотопов.

В наименее нарушенных экотопах проективное покрытие и обилие в 2–3 балла имеют злаки ( Bromus arvensis L., Elytrigia repens (L.) Nevski, Hordeum leporinum Link, Setaria pumila Roem. & Schult. и др.), разнотравье ( Cichorium intybus L., Taraxacum officinale F.H. Wigg.) и бобовые ( Medicago falcata L. Vicia angustifolia Reichard), среди которых преобладают многолетники. В условиях высокой фитоценотической конкуренции и плотной ненарушенной дернины, препятствующей заглублению семян в почву, появлению всходов и развитию растений, Е. vulgare имеет минимальное покрытие и обилие (1 % и менее).

Умеренно нарушенные экотопы характеризуются снижением видового разнообразия и увеличением доли рудеральных видов. В условиях пониженной фитоценотической конкуренции проективное покрытие Е. vulgare повышается до 5–12 %. Нескошенные участки травостоя между автодорогой и сельскохозяйственным полем (УП 6, УП 13) являются наиболее многочисленными и характерными для предгорной зоны Центрального Кавказа. Здесь покосы носят регулярный характер, поэтому в условиях пониженной фитоценотической конкуренции проективное покрытие Е. vulgare повышается до 5%. Наибольшее проективное покрытие (7–12%) E. vulgare отмечено на УП 10 и 15. В травостое молодой залежи (УП 10) преобладают стержнекорневые и корнеотпрысковые рудеральные виды. Слабая дернина и относительно невысокая фитоценотическая конкуренция повыша- ют возможность возобновления популяции Е. vulgare из почвенного банка семян. В луговом фитоценозе, подверженном выпасу скота и рекреационной нагрузке (УП 15), Е. vulgare является наиболее массовым видом наряду с растениями, устойчивыми к поеданию и вытаптыванию (тысячелистник обыкновенный, полынь Маршалла, цикорий обыкновенный, подорожник средний, ежа сборная, вьюнок полевой и др.).

Таблица 1

Характеристика учетных площадок и демографические параметры Е. vulgare

Номер УП	Балльные значения экологических факторов (в скобках – экологическая амплитуда вида)					2 ct ZE ГО 1— О m	ZE ГО s EZ О го ? о	о S 3" = ю О	ГО 8 8 о	о CD О 5 zr	ю о 8 8? £ & 5 S ZT	О О Т с Щ	IVC
	Hd (5–13)	Tr (5–9)	Rc (1–11)	Nt (3–7)	ПД
Наименее нарушенные экотопы
1	7	13	10	5	5	250	100	100	75	38	112	1,12	1,17
8	12	11	7	7	3	550	150	100	88	33	286	1,87	1,04
12	8	11	9	7	3	650	200	100	64	32	452	1,92	0,90
14	10	11	11	4	2	1040	150	100	80	47	62	0,41	1,05
Уме					ренно нарушенные экотопы
6	8	11	9	7	3	840	200	100	70	16	692	3,46	0,94
7	7	11	7	5	5	600	60	70	45	12	694	2,56	1,03
10	7	11	9	5	3	500	200	60	64	15	1568	5,23	1,13
13	7	11	10	5	3	260	250	100	72	25	814	3,26	1,05
15	7	11	9	5	7	380	250	40	50	24	1672	5,25	1,18
Сильно нарушенные экотопы
5	10	11	7	5	5	620	200	50	30	14	754	3,77	0,92
9	8	11	7	3	1	370	250	30	40	19	795	3,18	0,73
11	9	11	7	6	1	750	250	60	100	21	1346	5,38	1,21
2	13	17	13	1	1	1190	200	59	55	57	667	3,33	1,09
3	9	17	13	1	1	1280	200	37	46	48	584	2,92	0,91
4	7	15	12	2	1	1360	200	13	30	17	356	1,78	0,64

Фитоценозы сильно нарушенных экотопов представлены рудеральными видами, устойчивыми к неблагоприятным физическим свойствам субстрата и / или загрязнению. При низком общем проективном покрытии Е. vulgare произрастает здесь разреженно или образует группировки, выдерживая механические повреждения автотранспортом, засыпание щебенкой, вибродинамические нагрузки на корнеобитаемый слой, уплотнение и загрязнение нефтепродуктами, повреждение надземных органов песком. Наиболее значительное обилие (10–15 %) Е. vulgare отмечено в окрестностях с. Лечинкай на участке свалки бытовых отходов (УП 11). Несмотря на высокую токсичность субстрата хвостохранилища ТГОК, обилие Е. vulgare составляет 10 % на влажном пылеватом субстрате пляжа пруда-отстойника (УП 2), на средних террасах до 5 % (УП 3), на верхних террасах (УП 4) – около 1 %.

В слабо нарушенных экотопах IVC ценопопуля-ций Е. vulgare варьирует в интервале от 0,90 до 1,17 (ISP = 1,30). Большинство изученных биометрических параметров характеризуются средней изменчивостью (CV = 10–20 %). Низкая изменчивость (CV < 10 %) отмечена для ширины листьев на боковых побегах, а высокая (CV > 20 %) – для длины листьев, количества боковых побегов и листьев на главном побеге (рис. 1).

В умеренно нарушенных экотопах IVC ценопопу-ляций Е. vulgare варьирует от 0,94 до 1,18 (ISP = 1,25). Отдельные биометрические параметры (N, n 1 , L 1 , L 2 , D 2 ) характеризуются высокой изменчивостью, у остальных параметров изменчивость средняя (рис. 2).

Рис. 1. Морфологическая изменчивость биометрических параметров в ценопопуляциях Е. vulgare наименее нарушенных экотопов

биометрические параметры

■ ЦП б □ ЦП 7 □ ЦП 10 □ ЦП 13

Рис. 2. Морфологическая изменчивость биометрических параметров в ценопопуляциях Е. vulgare умеренно нарушенных экотопов

В сильно нарушенных экотопах IVC ценопопуля-ций Е. vulgare варьирует от 0,64 до 1,21, что свидетельствует о высокой размерной пластичности вида (ISP = 1,89). Все биометрические параметры за исключением диаметра стебля главного побега характеризуются высокой изменчивостью (рис. 3).

У E. vulgare выявлено 3 группы признаков – индикаторов: генотипические (n 2 , W 1 l , W 1 m , W 2 l, W 2 m, D 1 l , D 1 m , D 2 l , D 2 m ), экологические (N, n 1 , L 1 l , L 1 m , L 2 l , L 2 m ) и эколого-биологические (H 1 , H 2 ). Биологические индикаторы среди изученных признаков E. vulgare не обнаружены (рис. 4).

Установлена средняя связь (r = 0,36–0,55) между степенью пастбищной дигрессии, содержанием азота в почве и отдельными биометрическими параметрами (высота побегов, диаметр стеблей, длина и ширина листьев). Увлажнение, солевой режим и кислотность почв слабо влияют на уровень морфологической изменчивости растений E. vulgare.

По валовому содержанию тяжелых металлов, не превышающему фоновых значения, почвы УП 8 и 1 относятся к умеренно загрязненным. Субстрат на УП 2 отличается повышенными концентрациями Cu, Zn, Pb и Mo, превышающими фон соответственно в 4,5; 10,2; 1,5; и 93,9 раза (табл. 2).

■ ЦП 5 ПЦП9 ОЦП11 ВЦП 2 йЦПЗ ЭЦП 4

Рис. 3. Морфологическая изменчивость биометрических параметров в ценопопуляциях Е. vulgare сильно нарушенных экотопов

Рис. 4. Структура изменчивости морфологических признаков ценопопуляций E. vulgare: 1 – H 1 ; 2 – N; 3 – H 2 ; 4 – n 1 ; 5 – n 2 ; 6 – L 1 н; 7 – L 1 с; 8 – W 1 н; 9 – W 1 с ; 10 – L 2 н; 11 – L 2 с; 12 – W 2 н; 13 – W 2 с ; 14 – D 1 н ;

15 – D 1 с ; 16 – D 2 н; 17 – D 2 с; Э – экологические , ЭБ – эколого-биологические;

Б – биологические; Г – генотипические индикаторы

Таблица 2

УП	Cu	Mn	Zn	Pb	Cd	Mo
8 (контроль)	3,65±0,80	115,30±6,50	22,14±2,42	4,58±0,82	0,25±0,08	0,98±0,15
1	4,52±0,92	126,36±8,45	5,76±1,17	4,12±0,74	0,22±0,09	1,10±0,18
2	40,18±3,34	98,28±7,62	230,18±10,35	19,34±1,73	0,28±0,10	103,26±5,32
Фон	9,00	450,00	22,60	13,00	0,50	1,10

Валовое содержание тяжелых металлов в почве районов исследования, мг/кг

При относительно низком варьировании содержания Cu, Mn и Zn в надземной части растений исследованных экотопов отмечено повышенное накопление Pb и Cd у особей ЦП 1, Pb и Mo у особей ЦП 2. Общее содержание алкалоидов в надземной части E. vulgare возрастает соответственно в 1,65 и 1,83 раза по сравнению с контролем (табл. 3).

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов (мг/кг сух. в-ва) и алкалоидов (% от массы абс. сух. сырья) в надземной части E. vulgare

На хроматограмме образца надземной части E. vulgare , произрастающего на УП 2, выделено 16 пиков, соответствующих алкалоидам пирролизидино-вого ряда (рис. 5). В контрольном образце уровень накопления неосновных алкалоидов снижается до следовых количеств.

Номер ЦП	Cu	Mn	Zn	Pb	Cd	Мо	Содержание алкалоидов
8 (контроль)	7,95±1,11	31,64±3,16	24,48±2,74	1,70±0,32	0,50±0,11	6,35±0,20	0,023±0,003
1	8,76±1,42	32,35±4,32	25,32±3,58	3,00±0,64	2,10±0,23	7,12±0,56	0,038±0,006
2	8,81±1,64	35,67±4,45	25,68±3,61	3,24±1,02	0,61±0,12	19,34±1,16	0,042±0,005

Сигнал детектора

_                                      Время, с контроль ----загрязнение ТМ

Рис. 5. Хроматограмма алкалоидов надземной части E. vulgare.

Обнаруженные различия в количественном содержании алкалоидов свидетельствуют об их участии в биохимической адаптации растений E. vulgare к условиям засухи и загрязнению почвы ТМ. Полученные результаты согласуются с имеющимися в литературе сведениями об усилении синтеза алкалоидов при Мо – и Cd – стрессе [17, 18], а также в условиях засухи [19].

Заключение. На территории КБР и РСО – Алания растения Echium vulgare L. свободно заселяют антропогенно нарушенные луговые фитоценозы на высоте от 200 до 1400 м над у. м. и выше. Наименее изменчивыми признаками E. vulgare являются число листьев на боковых побегах, ширина листьев и диаметр стеблей. Наибольшей изменчивостью обладает высота побегов. К экологическим индикаторам зависящим от внешних условий и мало связанным с общей структурой организма, относятся число боковых побегов и листьев на главном побеге, длина листьев. Наибольшее влияние на изменчивость биометрических параметров E. vulgare оказывает фитоценотическая конкуренция. при снижении которой возрастают показатели численности и физической плотности особей E. vulgare. Внутривидовая изменчивость E. vulgare по содержанию алкалоидов в надземной части обусловлена адаптацией растений к условиям засухи и загрязнению почв тяжелыми металлами. Высокая размерная пластичность E. vulgare свидетельствует о широкой экологической амплитуде вида, обусловленной морфологической и биохимической изменчивостью.