Оценка изменчивости формы листовой пластинки Роpulus nіgra L. S.L. в условиях промышленных отвалов методами геометрической морфометрии

Важными базовыми характеристиками растительных организмов являются их форма и размер. Именно эти признаки на протяжении длительного времени использовали исследователи при принятии таксономических решений и оценке онтогенетического и жизненного состояния растений (Злобін и др., 2009). В исследованиях морфологических объектов активно развивается такой подход к изучению разнообразия формы как геометрическая морфометрия (Bookstein, 1986, 1991; Rohlf, 1993; Павлинов, 1995; Adams et al., 2004), представляющая собой особый аналитический инструмент, который позволяет оценивать разнообразие формы, полностью исключая влияние размерного фактора (Павлинов, 2001). Возможность количественного сравнения объектов по их форме независимо от размеров достигается, прежде всего, нетривиальностью способа описания формы с помощью координат точек вместо расстояний между ними (Павлинов, 1999). В основе данного подхода лежит концепция многомерного пространства форм, осями которого являются переменные формы. Каждый отдельный объект (отдельная форма) представляется как точка этого пространства (Павлинов, 2000).

Основной задачей геометрической морфометрии в ботанических исследованиях является объективизация оценки формы органов растений и разработка методов, которые выявляют различия между формами (Злобін и др., 2009).

Листья растений являются наиболее чувствительными к условиям окружающей среды органами растений, под влиянием различных факторов в них происходят морфологические изменения (Стаковецкая и др., 2012). По мнению многих авторов, изменение морфологии листьев одного и того же вида связано именно со сменой условий его произрастания (Givnish, 1978; Исаков и др., 1984; Захаров и др., 2000; Андреева, 2007; Бухарина и др., 2007; Niinemets et al., 2007; Бессонова, 2009; Мигалина и др.,

2009; Vogel, 2009; Нижегородцев, 2010; Хузи-на, 2010; Жуков и др., 2011; Штирц, 2011, 2012а, 2012б, 2013; Зайцева, 2012). Факторы внешней среды, воздействуя на развивающиеся листья, оказывают существенное влияние на становление особенностей их окончательной структуры и формы (Givnish, 1984; Niinemets et al., 1999; Мигалина и др., 2009).

Известно, что степень антропогенной нагрузки на экосистемы оказывает существенное влияние на форму листовой пластинки древесных растений (Андреева, 2007; Хузина, 2010). Определение влияния условий произрастания растений на форму их листовых пластинок крайне трудно поддаётся непосредственному экспериментальному исследованию, но может быть учтено косвенным путём, посредством сбора материала в местах с различными условиями произрастания (Исаков и др., 1984).

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования был выбран Роpulus nіgra L. s.l. Данный вид древесных растений встречается в разнообразных биотопах, включая техногенные экосистемы различных типов, что даёт возможность исследовать морфологическую изменчивость его листовой пластинки в зависимости от влияния тех или иных экологических факторов.

Р. nigra проявляет высокую степень устойчивости в условиях города (Поляков, 2009).

Цель нашего исследования – установить изменчивость формы листовой пластинки Р. nigra в условиях промышленных отвалов Донбасса с использованием методов геометрической морфометрии.

Сбор листьев осуществляли в летние периоды с нижней части кроны древесных растений зрелой стадии генеративного периода. Определение возрастного состояния деревьев проводили по системе О.В. Смирновой и др. (1976). Местами сбора листьев являлись породный отвал шахты № 6-14 в г. Макеевке, породный отвал № 1 шахты «Чулковка № 8» в г. Донецке, ряд отвалов вскрышных пород Докучаевского флюсо-доломитного комбината.

Экотопы породных отвалов угольных шахт характеризуются кислой реакцией субстратов, отвалы Докучаевского флюсо-доломитного комбината – щелочной реакцией. По механическому составу, засоленности эдафотопов для указанных отвалов отмечена высокая степень сходства (Жуков, 2011).

Для сравнения морфологической изменчивости листовой пластинки Р. nigra , произрастающих в условиях отвалов и в условиях менее трансформированных экосистем, собраны листья на территории Центрального парка культуры и отдыха им. А.С. Щербакова в г. Донецке, которая рассматривалась в качестве условного контроля.

Листовые пластинки были отсканированы, затем на оцифрованных изображениях с помощью компьютерной программы TPSDіg 2.10 нанесены 38 меток по часовой стрелке. Первая метка была нанесена в месте прикрепления черешка, двадцатая – на верхушке листовой пластинки. Остальные метки (2-19, 21-38) были расположены по краю листовой пластинки таким образом, что образованные отрезки 2-38, 337, 4-36, 5-35 ... 19-21 оказались параллельными и расположенными на равном расстоянии от соседних отрезков. Для более точного нанесения меток оцифрованные изображения визуально совмещали с «сеткой» при помощи программы Vitrite 1.1.1.

Дальнейшая обработка проведена с использованием программ серии TPS.

Построение усреднённых конфигураций, вычисление центроидных размеров, оценка степени значимости осей относительных деформаций, визуализация тенденций изменения формы, вычисление количественных характеристик «нагрузок» меток на относительные деформации, визуализация деформации ортогональных решёток проведены программой TPS Relative Warps 1.49. Коэффициент шкалирования α принимали равным нулю.

Построение усреднённой конфигурации производится программой TPS Relative Warps 1.49 с использованием метода наименьших квадратов таким образом, чтобы её суммарные отличия от всех экземпляров в выборке были минимальны с учётом положения всех меток (Павлинов, 2001; Павлинов, Микешина, 2002).

Для оценки различий формы листовой пластинки с учётом внутривыборочной дисперсии использовался F-критерий Гудолла, основанный на анализе прокрустовых расстояний.

Оценка связи формы листовой пластинки с центроидным размером также проведена с использованием F-критерия Гудолла. Вычисление F-критерия Гудолла проведено программой TPSRegr 1.37.

Методологический подход к выполнению исследований по геометрической морфометрии описан в работах И.Я. Павлинова (2000, 2001), И.Я. Павлинова, Н.Г. Микешиной (2002), D.C. Adams et al. (2004), M.L. Zelditch et al. (2004), P. Mitteroecker, P. Gunz (2009).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Консенсус (усреднённая форма) листовой пластинки Р. nіgra, полученный в результате обработки оцифрованных изображений, отражён на рис. 1.

Рис. 1. Консенсус (усреднённая форма) листовой пластинки Роpulus nіgra L. s.l. для всех анализируемых экосистем

Примечание: числами отмечено расположение меток

Относительные деформации – главные компоненты распределения форм в тангенциальном пространстве. Каждая относительная деформация соответствует некоторому направлению изменения формы относительно эталонной конфигурации, графическим представлением которого может служить деформация тонкой пластины (Павлинов, 2001).

Степень значимости осей относительной деформации в динамике формы листовой пластинки убывает от первой оси к последней. Первая ось описывает 47,27% изменчивости формы, вторая – 31,19%. Вклад остальных осей значительно ниже: третья ось описывает 5,18% изменчивости, четвертая – 3,38%, пятая – 2,58%, шестая – 2,29%, седьмая – 1,92%, восьмая – 1,20% и т.д. Суммарно первые восемь осей описывают 95,01% вариабельности формы листовой пластинки Р. nіgra, определяемой 38 метками контура. Одной из задач геометриче- ской морфометрии является визуализация различий и изменений формы (Mitteroecker, Gunz, 2009). Расположение образцов в пространстве первых двух осей относительной деформации и тенденции изменения формы листовой пластинки представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Графическое представление расхождений формы вдоль градиента первой (RW 1) и второй (RW 2) относительных деформаций для листовой пластинки Роpulus nіgra L. s.l. всех анализируемых экосистем

Примечание: обозначения на схеме системы координат отвечают оцифрованным изображениям образцов листовой пластинки Р. nigra ; точка пересечения осей задаётся положением усреднённой конфигурации; деформации ортогональной решетки показывают изменения формы листовой пластинки по градиентам первой и второй относительных деформаций; знаки при обозначениях деформаций («+» и «–») указывают на направление изменений относительно консенсуса.

Принимая во внимание максимальную степень значимости первой оси относительной деформации в динамике формы листовой пластинки и расположение на схеме системы ко- ординат оцифрованных изображений образцов вдоль оси абсцисс (см. рис. 3), которая соответствует первой оси относительной деформации, следует отметить, что для выборки территории парка характерно большее сходство основной части листовых пластинок с их усреднённой конфигурацией, чем для выборок промышлен- ных отвалов. Данный факт свидетельствует о большей изменчивости формы листовой пластинки в условиях промышленных отвалов.

а

б

в

Рис. 3. Графическое представление расхождений формы вдоль градиента первой и второй относительных деформаций: а) для листовых пластинок Роpulus nіgra L. s.l. выборки территории парка; б) для листовых пластинок выборки породных отвалов угольных шахт;

• в) для листовых пластинок выборки отвалов вскрышных пород

Примечание: обозначения на схеме системы координат отвечают оцифрованным изображениям образцов листовой пластинки. Точка пересечения осей задаётся положением усреднённой конфигурации.

Возрастание общей изменчивости признака при ухудшении экологических условий является случаем проявления дивергентной онтогенетической тактики. Также возрастание общей изменчивости признака в менее благоприятных условиях можно трактовать как поиск путей морфологической адаптации. Дальнейшая стабилизация признака будет свидетельствовать о нахождении пути адаптивного морфогенеза и направлении энергии на поддержание стабильности важного адаптивного признака (Сафаргалина и др., 2011).

в                                    г

Рис. 4. Вклад меток в вариабельность формы листовой пластинки Роpulus nіgra L. s.l.: а) для всей совокупности выборок; б) для выборки территории парка;

в) для выборки породных отвалов угольных шахт; г) для выборки отвалов вскрышных пород. Примечание: векторами обозначены направление и степень отклонения расположения меток от усреднённой формы листовой пластинки.

Ранее была установлена дестабилизация ряда других морфологических признаков листовой пластинки Р. nigra в условиях промышленных отвалов (Штирц, 2013).С целью «локали- зации» отдельных относительных деформаций их соотносят с конкретными метками. Определяемые для каждой метки «нагрузки» на относительные деформации позволяют связать ком- поненты изменений формы с определёнными частями исследуемых объектов. «Нагрузки» показывают степень значимости вклада каждой конкретной метки в изменения, которые претерпевает консенсус в пространстве относительных деформаций (Павлинов, 2001).

Исходя из данных, полученных в результате обработки данных программой TPS Relative Warps 1.49, следует отметить, что наибольшую «нагрузку» среди меток на первую и вторую относительные деформации, как наиболее значимые, дают следующие: для всей совокупности выборок – метки 3, 4, 6, 7, 8, 33, 35, 36, 37; для листовых пластинок выборки территории парка – метки 5, 6, 27, 28, 29, 30, 31, 37; для выборки породных отвалов угольных шахт – метки 3, 4, 5, 7, 35, 37; для выборки отвалов вскрышных пород – метки 1, 2, 6, 7, 8, 33 (см. рис.1).Таким образом, особый вклад в измене- ние формы листовой пластинки Р. nigra вносят метки её базальной части. Для выборки территории парка следует отметить также определённый вклад в вариабельность формы меток срединной части.

Вклад меток в вариабельность формы показан на рис. 4.

Проведено сравнение полученных консенсусов образцов листовой пластинки. Вариабельность формы консенсусов трёх анализируемых выборок , определяемая 38 метками контура, может быть представлена с помощью двух осей относительной деформации. Первая ось описывает 73,03% изменчивости формы, вторая – 26,97%.

Расположение консенсусов в пространстве осей относительной деформации представлено на рис. 5.

Т °3

о2 1 1         1

1—।—>

о1

Рис. 5. Графическое представление расхождений консенсусов образцов листовой пластинки Роpulus nіgra L. s.l. вдоль градиента первой (ось абсцисс) и второй (ось ординат) относительных деформаций Примечание: обозначения на схеме системы координат отвечают консенсусам трёх анализируемых выборок: 1 – выборки территории парка, 2 – выборки породных отвалов угольных шахт, 3 – выборки отвалов вскрышных пород; точка пересечения осей задаётся положением усреднённой конфигурации для трёх консенсусов.

Исходя из взаимного расположения обозначений консенсусов на рис. 5, следует отметить, что первая ось относительной деформации, являющаяся наиболее значимой, в существенной мере отделяет усреднённую конфигурацию листовой пластинки выборки породных отва- лов угольных шахт от двух других полученных усреднённых конфигураций.

Результаты оценки различий формы листовой пластинки Р. nіgra исследуемых выборок с учётом внутривыборочной дисперсии приведены в табл. 1.

Таблица 1

Оценка различий формы листовой пластинки Роpulus nigra L. s.l. исследуемых выборок с учётом внутривыборочной дисперсии

Анализируемые выборки	Территория парка	Породные отвалы угольных шахт	Отвалы вскрышных пород
Территория парка		8,2540	3,8034
Породные отвалы угольных шахт	0,0000		6,6308
Отвалы вскрышных пород	0,0000	0,0000

Примечание . над диагональю приведены значения F-критерия Гудолла, под диагональю – уровень значимости Р.

Выявлены статистически достоверные различия формы листовой пластинки при попарном сравнении анализируемых выборок. Исходя из значений F-критерия Гудолла (см. табл. 1), наибольшие отличия формы листовой пластинки Р. nіgra отмечены при сравнении выборок территории парка и породных отвалов угольных шахт.

Оценкой размера в геометрической морфометрии является центроидный размер (Павлинов, 2001; Zelditch et al., 2004), математически независимый от формы. Вычисляется как квадратный корень суммы квадратов расстояний меток от их центроида. Центроидный размер биологических объектов может коррелировать с их формой по причине того, что большие по размеру организмы (органы) часто формируются иначе, чем меньшие (Zelditch et al., 2004).

Оценка связи центроидного размера и формы листовой пластинки Р. nіgra показана в табл. 2.

Таблица 2

Оценка связи центроидного размера и формы листовой пластинки Роpulus nigra L. s.l.

Территория парка		Породные отвалы угольных шахт		Отвалы вскрышных пород
значения F-критерия Гудолла	уровень значимости Р	значения F-критерия Гудолла	уровень значимости Р	значения F-критерия Гудолла	уровень значимости Р
2,5920	0,0000	1,9135	0,0000	3,6663	0,0000

Рис. 7. Деформации ортогональной решетки, отражающие отличия формы консенсуса образцов листовой пластинки Роpulus nіgra L. s.l. выборки породних отвалов угольных шахт от консенсуса всей совокупности выборок по градиентам первой и второй относительных деформаций

Примечание: цифрами (1–38) показано расположение меток.

Рис. 8. Деформации ортогональной решетки, отражающие отличия формы консенсуса образцов листовой пластинки Роpulus nіgra L. s.l. выборки отвалов вскрышных пород от консенсуса всей совокупности выборок по градиентам первой и второй относительных деформаций

Примечание: цифрами (1–38) показано расположение меток.

Таким образом, можно говорить о наличии связи центроидного размера и формы листовой пластинки Р. nіgra в исследуемых экосистемах. Из числа анализируемых выборок эта связь в большей степени проявляется в условиях отвалов вскрышных пород (см. табл. 2).

Особенностью геометрической морфометрии является возможность представления ее результатов в специфической графической форме – деформационной решетки, или «решетки д'Арси Томпсона». Суть метода состоит в том, что на эталонный экземпляр накладывается ортогональная решетка, а изменения формы сравниваемых экземпляров отображаются как деформации этой решетки. Конфигурация последней в окрестности некоторой метки указывает на локализацию и степень различий между сравниваемыми экземплярами (Павлинов, 2000). Деформации ортогональной решетки, отражающие динамику формы консенсусов образцов листовой пластинки Р. nigra анализируемых выборок по градиентам первой и второй относительных деформаций, показаны на рис. 6–8.

Ранее была установлена дестабилизация ряда других морфологических признаков листовой пластинки Р. nigra в условиях промышленных отвалов (Штирц, 2013).С целью «локализации» отдельных относительных деформаций их соотносят с конкретными метками. Определяемые для каждой метки «нагрузки» на относительные деформации позволяют связать компоненты изменений формы с определёнными частями исследуемых объектов. «Нагрузки» показывают степень значимости вклада каждой конкретной метки в изменения, которые претерпевает консенсус в пространстве относительных деформаций (Павлинов, 2001).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    Базальная часть листовой пластинки Р. nigra является наиболее изменчивой. Также существенная вариабельность формы отмечена для срединной части листовой пластинки.

• 2.    Для выборки территории парка характерна большая степень сходства основной части листовых пластинок Р. nigra с их усреднённой конфигурацией, чем для выборок листовых пластинок промышленных отвалов соответственно с их усреднёнными конфигурациями, что может быть случаем проявления дивергентной онтогенетической тактики в формировании морфологических признаков листовой пластинки указанного вида в условиях отвалов.

• 3.    Выявлены достоверные различия формы листовой пластинки при попарном сравнении всех анализируемых выборок: территории парка, породных отвалов угольных шахт, отвалов вскрышных пород. Наиболь-

• шие отличия формы листовой пластинки Р. nіgra отмечены при сравнении выборок территории парка и породных отвалов угольных шахт.

• 4.    Консенсус (усреднённая форма) листовой пластинки Р. nigra выборки породных отвалов угольных шахт имеет максимальную степень отличия от консенсусов двух других выборок (территории городского парка и отвалов вскрышных пород).

• 5.    Выявлена связь центроидного размера и формы листовой пластинки Р. nіgra в исследуемых экосистемах. Из числа анализируемых выборок эта связь в большей степени проявляется в условиях отвалов вскрышных пород.