Morphological variability of two closely related orchis species in different growing conditions

全文:

Представители семейства Orchidaceae являются наиболее редкими и уязвимыми в составе растительных сообществ Крыма. В первую очередь это обусловлено особенностями их биологии (низкими уровнем опыления и процентом прорастания семян, длительным прегенеративным периодом развития) и слабой устойчивостью к антропогенным факторам. Однако и внутри этой редкой группы встречаются виды с различными популяционными особенностями, морфологическими показателями и адаптационными возможностями. Этот факт необходимо учитывать при разработке мер по сохранению природных популяций и восстановлению численности орхидных, что невозможного сделать без всестороннего исследования их биологии и экологии.

Ярким тому примером являются два вида из рода Orchis: O. punctulata Steven ex Lindl. и O. purpurea Huds. Несмотря на свое близкое родство, они имеют разные ареалы и численность. Если первый вид распространен в Европе только на Балканском п-ве и в Крыму, то второй – по всей Европе (кроме севера). Распространение O. punctulata в Азии более обширное, чем O. purpurea: первый вид встречается в Малой Азии (Турция, Ирак, Иран, Сирия, Ливан, Израиль), второй – только в Турции [1, 2]. В Крыму O. purpurea является самым обычным и многочисленным представителем орхидных. Его численность выше, чем O. punctulata, не только в Крыму [1], но и на Кавказе [3], и в других частях его ареала [4].

Цель данного исследования – сравнение структуры изменчивости морфологических признаков двух близкородственных видов рода Orchis (O. purpurea и O. punctulata), определение влияния на нее эколого-ценотических условий, установление сходства и различия популяций этих видов по морфологическим признакам растений.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

На территории Юго-Восточного Крыма O. purpurea и O. punctulata отмечены как в степных (Узун-Сырт, Тепе-Оба, Карадаг, Эчкидаг, Меганом), так и в лесных ценопопуляциях (Карадаг, Кизилташ, Эчкидаг) [5–9]. Растения встречаются как одиночно, так и группами. Для исследования были выбраны ценопопуляции из разных типов сообществ – лесных и степных. Ценопопуляции из лесных сообществ располагались в горном массиве Кизилташ, из степных сообществ – на хребте Тепе-Оба (табл. 1).

 

Таблица 1. Местонахождение изученных ценопопуляций видов рода Orchis
Цeнопопуляция	Вид	Координаты	Высота, м над ур. м.
Тепе-Оба (ЦП 1)		45.0120° с.ш., 35.3956° в.д.	120
Тепе-Оба (ЦП 2)	O. punctulata	45.0071° с.ш., 35.3879° в.д.	210
Кизилташ (ЦП 3)		44.9296° с.ш., 35.0761° в.д.	320
Тепе-Оба (ЦП 4)		45.0129° с.ш., 35.3943° в.д.	120
Кизилташ (ЦП 5)	O. purpurea	44.9273° с.ш., 35.0746° в.д.	280
Кизилташ (ЦП 6)		44.9337° с.ш., 35.0768° в.д.	350

 

Горный массив Кизилташ расположен севернее пос. Краснокаменка и западнее пос. Щебетовка (территория Феодосийского горсовета). Участки были заложены на маршруте в Кизилташский Свято-Стефано-Сурожский монастырь. Маршрут пролегает по дубово-грабовому лесу. В древесном ярусе доминируют Carpinus orientalis Mill., Quercus pubescens Willd., Fraxinus excelsior L., Cornus mas L. Древесный ярус высотой 3–5 м, сомкнутость крон 6–7. Имеется небольшой подлесок (проективное покрытие 10%), в нем отмечены Ligustrum vulgare L., Cotinus coggygria Scop. Травяной ярус сильно разрежен, проективное покрытие 20–30%. В его составе отмечены Carex divulsa Stokes, Piptatherum holciforme (M. Bieb.) Roem. et Schult, Physospermum cornubiense (L.) DC. Присутствует мощная подстилка (100%). Здесь были отмечены две ценопопуляции O. purpurea и одна – O. punctulata. Численность первой ценопопуляции O. purpurea в различные годы варьировала от 52 до 167 особей, второй – от 347 до 482 особей. В онтогенетическом спектре преобладали особи прегенеративного периода. Численность ценопопуляции O. punctulata гораздо ниже (20–24 особи), онтогенетический спектр бимодальный с абсолютным максимумом на генеративной части (с преобладанием зрелых и старых генеративных особей) и локальным максимумом на имматурных особях [10, 11].

Хребет Тепе-Оба, расположенный вблизи г. Феодосии, протянулся на 8–10 км с востока на запад, имеет максимальную высоту 290 м над ур. м. Здесь были выделены три ценопопуляции: две – O. punctulata (Тепе-Оба (ЦП1) и Тепе-Оба (ЦП2)) и одна – O. purpurea (Тепе-Оба (ЦП4)). Все участки находятся в степных сообществах с незначительным присутствием кустарникового яруса (от 5 до 20%). Проективное покрытие травяного яруса – от 70 до 90%. Основными доминантами являются Festuca valesiaca Gaudin, Galatella villosa (L.) Reichenb. Fil., Dactylis glomerata L., Poa angustifolia L. Имеется мохово-лишайниковый ярус (10%). Численность одной ценопопуляции O. punctulata в разные годы варьировала от 498 до 725 особей, второй – 770–825 особей. Онтогенетический спектр левосторонний с максимумом на имматурных особях. Численность ценопопуляции O. purpurea составила 77 особей. Онтогенетический спектр – правосторонний с незначительным преобладанием особей генеративного периода [10, 11].

Исследования проводили в 2015–2023 гг. Ежегодно у генеративных растений в момент наиболее полного их развития (в период прохождения фенологической фазы “массовое цветение”) измеряли высоту надземной части растения, число листьев, длину и ширину первого и второго листьев, длину соцветия, число цветков. На основании этих признаков были рассчитаны следующие индексы: вытянутость первого и второго листьев (длина листа/ширина листа), cредняя длина междоузлий соцветия (отношение числа цветков к длине соцветия) и отношение высоты растения к длине соцветия. При сравнении морфологических параметров двух видов использовали t-критерий Стьюдента. Исследованы все генеративные особи в пределах ЦП. Всего морфологический анализ включал 375 генеративных особей O. punctulata и 356 генеративных особей O. purpurea.

Анализ структуры изменчивости был выполнен согласно методике Н.С. Ростовой [12] по соотношению общей (CV) и согласованной () изменчивости признаков морфологической структуры. Уровень внутривидовой изменчивости устанавливали по шкале С.А. Мамаева [13]. Для сравнения популяций из степных и лесных сообществ и выявления признаков, которые вносят наибольший вклад в изменчивость видов, использовали метод главных компонент и линейный дискриминантный анализ. Предварительная обработка и анализ данных по изученным ценопопуляциям были проведены с использованием Microsoft Office Excel 2010 и среды R версии 4.3.2.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Средние значения и изменчивость мерных и расчетных параметров вегетативных и генеративных органов двух изученных видов приведены в табл. 2. Исследования показали, что почти по всем параметрам вегетативных органов O. purpurea превосходит (иногда значительно) O. punctulata. Статистически значимые различия были выявлены по следующим морфологическим параметрам: средняя высота надземного побега (t = –22.98, P < 0.05), число листьев (t = –12.828, P < 0.05), длина первого листа (t = –25.05, P < 0.05), ширина первого листа (t = –27.33, P < 0.05), длина второго листа (t = –26.47, P < 0.05), ширина второго листа (t = –27.98, P < 0.05), вытянутость первого листа (t = –3.59, P < 0.05). Исключение составил признак “вытянутость второго листа”, различие по которому у двух видов оказалось статистически незначимым.

 

Таблица 2. Морфологические параметры особей Orchis punctulata и Orchis purpurea в Юго-Восточном Крыму
Признак	Orchis punctulata			Orchis purpurea
	M ± m	min–max	CV, %	M ± m	min–max	CV, %
Высота генеративного побега, см	24.01 ± 0.89	6.5–49.0	36.6	39.46 ± 1.00	9.0–70.0	23.5
Число листьев, шт	4.62 ± 0.10	3–8	21.2	5.50 ± 0.09	4–8	15.5
Длина первого листа, см	7.16 ± 0.32	2.0–17.0	38.5	13.28 ± 0.36	5.5–24.0	25.1
Ширина первого листа, см	2.86 ± 0.09	1.0–5.0	26.5	4.83 ± 0.11	2.7–14.5	21.9
Длина второго листа, см	9.31 ± 0.28	3.5–17.0	27.5	15.27 ± 0.34	7.0–26.0	20.8
Ширина второго листа, см	3.12 ± 0.08	1.0–5.5	24.2	4.95 ± 0.10	2.5–7.5	18.8
Длина соцветия, см	8.31 ± 0.36	2.0–23.0	42.2	8.66 ± 0.33	3.0–26.0	35.8
Число цветков, шт	32.90 ± 1.42	5–79	42.0	36.33 ± 1.10	10–70	28.7
Форма первого листа	2.57 ± 0.10	1.0–6.3	31.0	2.79 ± 0.07	0.7–5.3	23.0
Форма второго листа	3.07 ± 0.09	1.7–6.5	25.3	3.14 ± 0.07	1.8–5.6	21.2
Средняя длина междоузлий соцветия, см	0.27 ± 0.01	0.1–0.7	36.0	0.25 ± 0.01	0.1–0.6	38.0
Отношение высоты растения к длине соцветия	3.06 ± 0.10	1.6–8.8	33.2	4.80 ± 0.13	2.3–8.5	23.4

 

Параметры генеративных органов двух видов либо статистически незначимо различаются (длина соцветия: t = –1.44, P = 0.15), либо у O. purpurea немного превосходят (например, среднее число цветков у O. punctulata и O. purpurea составило соответственно 33 и 36 шт.). Исключение составил расчетный параметр – средняя длина междоузлий соцветия, который у O. punctulata оказался выше, чем у O. purpurea (соответственно 0.27 и 0.25 см).

Анализ изменчивости морфологических параметров показал, что у двух исследованных видов она значительно различается. Коэффициенты вариации морфологических параметров O. punc- tulata колеблются в пределах от 21.24 до 42.15%, т. е. уровень изменчивости варьирует от повышенной (морфологические параметры, связанные с числом, размером и формой листьев) до очень высокой (длина соцветия, число цветков). Уровень изменчивости морфологических параметров O. purpurea ниже (различие между средними значениями коэффициентов вариации статистически значимо, P = 0.015), коэффициенты вариации колеблются в пределах от 15.52 до 38.04%, т. е. уровень изменчивости варьирует от средней (число листьев, ширина второго листа) до высокой (длина соцветия, среднее расстояние между цветками) (см. табл. 1). Пределы изменчивости коэффициента детерминации варьируют у O. punctulata от 0.11 до 0.29, у O. purpurea – от 0.11 до 0.24.

Анализ соотношения коэффициентов вариации (CV) и детерминации () позволил распределить морфометрические параметры по четырем индикаторным группам (рис. 1). Наибольшее число признаков O. punctulata диагностированы в качестве эколого-биологических индикаторов. К ним относятся высота растений, длина первого листа, длина соцветия и число цветков. У O. purpurea в эту группу был отнесен всего один параметр – длина соцветия. Эти признаки отличаются высокими коэффициентами вариации (CV = 30–45%) и детерминации (= 0.20–0.30); они наиболее изменчивы, сильно коррелируют друг с другом и зависят от условий среды.

 

Рис. 1. Структура изменчивости морфологических признаков изученных видов: 1 – высота растений (см); 2 – число ли¬стьев; 3 – длина первого листа (см); 4 – ширина первого листа (см); 5 – длина второго листа (см); 6 – ширина второго листа (см); 7 – длина соцветия (см); 8 – число цветков; 9 – форма первого листа; 10 – форма второго листа; 11 – средняя длина междоузлий соцветия; 12 – отношение высоты растения к длине соцветия.

 

Наибольшее число признаков O. purpurea были отнесены к группе генотипических (таксономических) индикаторов: число листьев, ширина первого листа, формы первого и второго листьев, число цветков, отношение высоты растения к длине соцветия. У O. punctulata в качестве генотипических были диагностированы только два признака: число листьев и форма второго листа. Для этой группы признаков характерен средний и повышенный уровень изменчивости (CV = 15.5– 28.7%) и детерминации (= 0.10–0.20). Генетические индикаторы отличаются независимостью от других параметров и слабо зависят от условий внешней среды.

Достаточно большое число признаков были отнесены к группе биологических индикаторов: у O. punctulata таких признаков три (ширина первого листа, длина и ширина второго листа), у O. purpurea – четыре (высота растений, длины первого и второго листьев, ширина второго листа). Биологические индикаторы обладают низким коэффициентом вариации и высоким коэффициентом детерминации. Как и генетические индикаторы, они мало зависят от условий внешней среды и определяют общий габитус растения, его “узнаваемость”.

В качестве экологических индикаторов у O. punctulata были диагностированы три признака (форма первого листа, среднее расстояние между цветками, отношение высоты растения к длине соцветия), у O. purpurea – один (среднее расстояние между цветками). Экологические индикаторы в большой степени зависят от условий внешней среды и характеризуются высоким коэффициентом вариации и низким коэффициентом детерминации.

Анализ главных компонентов (PCA-анализ) популяций O. punctulata выявил шесть главных компонент, которые определяют 90% общей дисперсии. На долю первой компоненты приходится 36% дисперсии. Значимый вклад в нее внесли следующие признаки: длины первого и второго листьев, высота растения. Вторая компонента определяет 18.7% дисперсии (признаки – формы второго и первого листьев, среднее расстояние между цветками), третья – 12.8% (признаки – отношение высоты растения к длине соцветия, длина соцветия). На долю каждой из остальных компонент приходится меньше 10% общей дисперсии. В популяциях O. purpurea на долю шести главных компонент приходится 92% общей дисперсии. Значимый вклад в первую компоненту (30% дисперсии) внесли (по мере убывания эффекта) длина второго листа, высота растения, длина первого листа. Вторая компонента вносит вклад в накапливаемую дисперсию 20.2% (признаки – формы первого и второго листьев), третья – 16.2% (признаки – среднее расстояние между цветками, отношение высоты растения к длине соцветия, длина соцветия), четвертая – 11.4% (значимый признак – количество цветков). На долю каждой из остальных компонент приходится меньше 10% общей дисперсии.

Визуализация анализа главных компонент изученных видов орхидных представлена на рис. 2. Были использованы первая и вторая главные компоненты, объясняющие 55% (O. punctulata) и 50% (O. purpurea) вариабельности морфологических признаков. На рисунке видно, что вариабельность признаков в популяциях O. punctulata различна: доверительные интервалы групповых средних не перекрываются, а групповые средние популяций O. purpurea находятся в пределах доверительных интервалов.

 

Рис. 2. Ординация популяций двух видов рода Orchis в плоскости первой и второй главных компонент: X1 – высота растений (см); X2 – число листьев; X3 – длина первого листа (см); X4 – ширина первого листа (см); X5 – длина второго листа (см); X6 – ширина второго ли¬ста (см); X7 – длина соцветия (см); Х8 – число цветков; Х9 – форма первого листа; X10 – форма второго листа; X11 – средняя длина междоузлий соцветия; X12 – отно¬шение высоты растения к длине соцветия. Более круп¬ным значком выделены групповые средние, эллип¬сом – доверительные интервалы групповых средних.

 

При проведении дискриминантного анализа в качестве группирующей переменной был взят локалитет произрастания. Многомерный анализ количественных и качественных признаков показал неоднородность особей Orchis punctulata на различных участках. На плоскости дискриминантных осей (рис. 3а) видно, что особи, произрастающие в лесных сообществах (Кизилташ), сосредоточены преимущественно в левой части рисунка, а особи из степных сообществ (Тепе-Оба) – в правой. При этом первая дискриминантная функция учитывает 76% изменчивости, вторая – 24%. Наибольшую связь с первой дискриминантной функцией имеют следующие признаки: длина второго листа, форма второго листа и количество цветков. Со второй функцией сильнее всего связаны ширина второго листа, количество листьев и форма второго листа.

В свою очередь дискриминантный анализ морфологических признаков Orchis purpurea различий между участками не выявил: особи в пространстве двух дискриминантных функций практически не разделяются (рис. 3б). Наибольшую связь с первой дискриминантной функцией, учитывающей 69% изменчивости, имеют следующие признаки: отношение высоты растения к длине соцветия, количество цветков, ширина первого листа. Со второй функцией, учитывающей 31% изменчивости, связаны генеративные признаки: длина соцветия, среднее расстояние между цветками, число цветков.

 

Рис. 3. Результаты дискриминантного анализа по совокупности морфометрических признаков видов рода Orchis на различных участках произрастания.

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Два представителя сем. Orchidaceae – O. punctulata и O. purpurea – на территории Крымского полуострова произрастают в одних и тех же эколого-ценотических условиях. Эти виды распространены в лесах, на лесных полянах, опушках, среди кустарников и на остепненных склонах [1]. Нередко они произрастают совместно и даже могут образовывать гибриды [14]. Последнему способствует тот факт, что по результатам многочисленных молекулярных и генетических исследований эти виды филогенетически очень близки [15, 16]. Наши исследования показали, что O. purpurea имеет более крупные размеры особей в целом и вегетативных структур в частности, что подтверждается литературными данными [1, 17]. Однако нередко для репродуктивного успеха более важную роль играют характеристики растений, которые увеличивают их видимость и привлекательность для опылителей. к таковым относятся размеры соцветия, количество цветков,относительные размеры соцветия [18].

В условиях Крыма морфологические параметры генеративных органов двух видов незначительно отличаются друг от друга (у O. purpurea они немного крупнее, причем различия по длине соцветия статистически незначимы). Это уравнивает их шансы быть замеченными опылителями, к тому же известно, что эти виды опыляются одними и теми же группами насекомых (различными видами пчел и шмелей) [1, 4]. Тем не менее O. purpurea в Крыму более многочислен и в целом имеет более обширный ареал, чем O. punctulata. Объяснение этому мы находим в высокой адаптивности O. purpurea и незначительном влиянии на развитие особей эколого-ценотических условий, о чем свидетельствует структура изменчивости морфологических параметров вида.

Корреляции между морфологическими структурами растений в популяциях очень важны для определения их адаптивности, успеха в воспроизведении, а также оказывают серьезное влияние на дальнейшую эволюцию. В структуре изменчивости морфологических признаков можно выделить группы индикаторов, зависящих и не зависящих от влияния внешних факторов. К первой группе относятся экологические и эколого-биологические индикаторы, ко второй – генетические и биологические [12, 19]. Закономерно, что у обоих видов во вторую группу вошло число листьев, поскольку этот параметр зависит от возрастного состояния растения. Также чаще всего не зависят от условий внешней среды параметры, характеризующие листья растения (длина, ширина и форма). К группе индикаторов, зависящих от внешних факторов, относятся признаки, определяющие генеративную сферу растения. Подобные закономерности были прослежены и для других представителей семейства орхидных: Cephalanthera rubra (L.) Rich., Cypripedium calceolus L., Gymnadenia conopsea (L.) R. Br., Neottia ovata (L.) Bluff & Fingerh., Platanthera bifolia (L.) Rich. [20–24].

В целом следует отметить, что большинство морфологических признаков O. punctulata (58%) были диагностированы в качестве индикаторов, которые зависят от условий внешней среды. И напротив, большинство морфологических признаков O. purpurea (83%) были отнесены в категорию индикаторов, не зависящих от условий внешней среды.

Метод главных компонент и дискриминантный анализ являются методами многомерного статистического анализа для исследования сложных данных со многими переменными и оценки степени сходства/различия групп. Эти методы широко применяются в ботанике при морфологическом анализе популяций и видов [16, 25–29]. Оба подтвердили выводы корреляционного анализа: степные и лесные ценопопуляции O. punctulata разделяются в пространствах и главных компонент, и дискриминантных функций, в то время как ценопопуляции O. purpurea были морфологически однородны, и в пространстве главных компонент и дискриминантных функций не разделялись.

Таким образом, различные подходы к оценке морфологической изменчивости двух филогенетически близких видов рода Orchis выявили различия в особенностях функционирования ценопопуляций этих видов. На наш взгляд, объяснение различий лежит в области механизмов формирования стратегий жизни: стратегия O. purpurea направлена на проявление устойчивости вида, поддержание морфологической однородности, тогда как O. punctulata более чутко реагирует на изменения условий среды, и при ухудшении условий роста морфологические параметры растений изменяются. Экологические стратегии отражают такие наборы признаков, которые влияют на приспособленность и выживание, а также могут обеспечить концептуальную связь между экологией и естественным отбором [30].

Определение жизненных стратегий растений является одной из задач сохранения популяций редких видов. Это актуальное направление в экологии растений в настоящее время активно развивается. Разрабатываются различные подходы, концепции, выявляются наиболее надежные и удобные индикаторы, создаются ординационные и классификационные схемы [19, 30–32]. Определение стратегий жизни, отражающих наиболее характерные типы поведения двух видов рода Orchis в различных экологических условиях, имеет важное значение для разработки мер по их сохранению и станет целью нашей дальнейшей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, детальные исследования структуры изменчивости морфологических признаков двух близкородственных видов O. purpurea и O. punctulata позволили установить следующее. Большинство морфологических признаков O. punctulata (7 признаков или 58% общего числа изученных признаков) относятся к экологическим и эколого-биологическим индикаторам, т. е. к группе индикаторов, зависящих от условий внешней среды. У O. purpurea к этой группе относятся всего два признака: длина соцветия и средняя длина междоузлий соцветия. Ординации методами главных компонент и дискриминантного анализа показали четкое разделение ценопопуляций O. punctulata из лесных и степных сообществ и морфологическую однородность ценопопуляций O. purpurea из тех же сообществ. Такие особенности функционирования ценопопуляций двух близкородственных видов, на наш взгляд, можно объяснить различными механизмами формирования стратегий жизни.

 

Финансирование работы

Работа выполнена в рамках темы государственного задания № 1022061600227-9-1.6.20.

Соблюдение этических стандартов

Работа не содержит исследований с участием людей или животных в качестве испытуемых.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

作者简介

V. Letukhova

Vyazemskii Karadag Scientific Station, Nature Reserve, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: letukhova@gmail.com
俄罗斯联邦, Feodosia

I. Potapenko

Vyazemskii Karadag Scientific Station, Nature Reserve, Russian Academy of Sciences

Email: letukhova@gmail.com
俄罗斯联邦, Feodosia

参考

补充文件