Актуальность исследования. Объект данного исследования — эпифитный лишайник лобария легочная (Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm., Lobariaceae, Ascomycotina) относится к видам с сокращающейся численностьюон занесен в Красную книгу России и находится под угрозой исчезновения в большинстве стран Центральной Европы. Плачевное состояние его популяций вызвано высоким уровнем регионального загрязнения атмосферы (Hawksworth et al., 1973) и разрушением местообитаний.
Предложенная в различных работах (Carlsson, Nilsson, 2009; Juriado, Liira, 2010; Otalora et al., 2011) стратегия сохранения L. pulmonaria сводится к универсальному принципу охраны местообитаний и почти не изменилась за последние 40 лет. Между тем, согласно результатам исследований последних лет, диаспорам L. pulmonaria свойственны малая дальность распространения и низкая выживаемость, и как следствие, низкая скорость колонизации новых местообитаний (Scheidegger, Werth, 2009). Кроме того, эпифитные лишайники, включая, L. pulmonaria, демонстрируют преференцию в отношении колонизируемых деревьев (Barkman, 1958), однако наиболее предпочтительный для L. pulmonaria комплекс черт субстрата до сих пор не выявлен. Также мало информации об отношении данного вида к совместному влиянию абиотических факторов, например влажности и освещенности. В связи с этим предложенные меры по сокращению рубок леса с целью сохранения исчезающих популяций этого вида представляются недостаточными, а в ряде случаев — не обязательными (Gauslaa et al., 2006).
В качестве дополнения к основной стратегии охраны L. pulmonaria было предложено уделять особое внимание популяциям, для которых характерно половое размножение, нежели популяциям с исключительно вегетативным воспроизводством (Zoller et al., 1999). Во-первых, это предложение основано на общем принципе экологической генетики, согласно которому высокая генетическая изменчивость поддерживает жизнеспособность и увеличивает вероятность выживания популяций, находящихся под угрозой исчезновения. Во-вторых, оно связано с гипотезой гетероталличности данного вида, в соответствии с которой половой процесс может происходить только между генетически разнородными талломами.
Результаты многих популяционно-генетических исследований (Mattsson et al., 2009; Werth, 2010) показали, что на генетическую структуру популяций влияет не только пространственная изоляция, но и климатические условия, размеры местообитания, средовые градиенты. Популяции L. pulmonaria с обширной, экологически контрастной территории Урала и Западной Сибири предоставляют большие возможности для поиска ответов на вопросы о том, как внешние факторы могут воздействовать на межпопуляционный поток генов и появление локальных адаптации. Выявление подобных связей служит основой при поиске закономерностей эволюции и прогнозирования путей развития популяций при изменении внешних условий. Кроме того, полученная информация важна для изучения популяционных механизмов устойчивости и чувствительности лишайников к техногенным нагрузкам (Михайлова, Воробейник, 1999).
В исследованиях репродуктивных характеристик L. pulmonaria показано, что расход энергии на репродуктивное усилие весьма велик и чрезвычайно сильно снижает прирост биомассы (Gauslaa, 2006). Тем не менее, до сих пор не рассмотрен вопрос об уровне пластичности стратегий распределения энергии между продуцированием диаспор и ростом таллома в разных популяциях или экологических условиях. Анализ изменчивости репродуктивных стратегий вида предоставит возможность для сравнительной оценки успешности распросгранения популяций (Михайлова, 2005).
Более того, в связи с относительной дискретностью организмов (в отличие от микориз высших растений) и неподвижным образом жизни (в отличие от животных), лишайники представляют собой удобные объекты для изучения закономерностей функционирования симбиотических систем, в том числе особенностей динамики популяций, обусловленных разносторонними взаимовлияниями симбионтов при их совместной эволюции.
Цель и задачи исследования
Цель работы — анализ закономерностей формирования экологической и генетической структуры популяций L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири в локальном и региональном масштабах.
Для достижения цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи:
1. Анализ современного видового ареала L. pulmonaria на основе собственных и литературных данных, материалов гербариев и баз данных биологических коллекций.
2. Построение карты потенциального видового ареала L. pulmonaria на основе моделирования фундаментальной экологической ниши и выявление факторов, лимитирующих распространение L. pulmonaria в глобальном масштабе.
3. Анализ экологической приуроченности, размерной и репродуктивной структуры локальных популяций L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири.
4. Характеристика репродуктивных стратегий L. pulmonaria в популяциях, обитающих в районах с контрастными климатическими условиями (Северный и Южный Урал).
5. Определение параметров внутрии межпопуляционной генетической изменчивости микобионта L. pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири. Выявление возможных факторов, детерминирующих генетическую дифференциацию популяций в региональном пространственном масштабе.
6. Оценка сопряженности внутрипопуляционной пространственно-генетической изменчивости микои фотобионта L. pulmonaria в популяциях Северного и Южного Урала.
Научная новизна. Впервые с использованием микросателлитных маркеров ДНК на обширном материале исследована генетическая изменчивость лихенообразующего гриба L pulmonaria на территории Урала и Западной Сибири. Проанализирована связь генетической изменчивости с характеристиками (пространственной, размерной и репродуктивной структурами) популяции с учетом влияния различных экологических факторов (климата, параметров форофитов). Проведено сопоставление экологической изменчивости L. pulmonaria в разных пространственных масштабах (от локального до регионального). Выявлены разные стратегии распределения статей энергетического баланса изучаемого вида, направляемых на размножение и рост.
Теоретическое и практическое значение: Результаты^исследования вносят вклад в популяционную экологию лишайников, в частности — в решение проблему формирования пространственно-генетической.структуры вида, а также заполняют пробелы в знаниях о закономерностях функционирования симбиотических систем. Полученные данные об экологической структуре, внутрипопуляционном генетическом разнообразии и межрегиональной дифференциации вида, находящегося под угрозой исчезновения, могут быть использованы при разработке мероприятий по сохранению биоразнообразия. Показаны преимущества совместного использования генетических и экологических подходов при оценке связи между параметрами местообитания и популяций лихенообразующих грибов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Современный видовой ареал L pulmonaria существенно уже потенциального. На территории Урала и Западной Сибири L. pulmonaria произрастает в районах с отсутствием или минимальной степенью антропогенного воздействия, в пределах которых встречается в широком спектре местообитаний по вариантам ландшафтов, группам формаций лесных сообществ и по видовому составу форофитов.
2. Высокая внутрипопуляционная генетическая изменчивость и слабая дифференциация в региональном масштабе популяций L. pulmonaria свидетельствует об отсутствии в прошлом на территории Урала и Сибири барьеров для потока генов. 6.
3. Пространственно-генетическая структура локальных популяций L pulmonaria во многом зависит от их возраста и вклада полового процесса в размножение. На ранних стадиях колонизации местообитания горизонтальное распределение потенциальных форофитов слабо влияет на структуру популяций.
Личный вклад автора. Автором выполнена работа по сбору полевого материала на территории Свердловской и Челябинской областей, Пермского края, Республики Башкортостан и Ханты-Мансийского автономно округа — Югры. Автор лично выполнил лабораторные исследования (генотипирование образцов, определение последовательностей ДНК и состава вторичных метаболитов), весь математический анализ данных, интерпретацию и обобщение полученных результатов.
Публикации По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ. г.
Необходимо отметить ряд методологических аспектов, которые важны при ишерпретации полученных результатов. Прежде всего, это относится к проблеме определения элементарной внутрипопуляционной единицы как аналога особи у других групп организмов (Михайлова, 2005). Существует два основных подхода к решению этой проблемы. В первом случае (преобладающий подход) в качестве элементарной единицы принимается таллом, который на момент исследования визуально регистрируется как дискретное образование. Последователи' второго подхода в качестве элементарной единицы принимают так называемый функциональный индивидуум, т. е. совокупность всех талломов одного вида, населяющих единицу субстрата (Scheideggei, Goward, 2002), например один ствол дерева. Проведенные в рамках данного подхода исследования, как правило, ограничиваются определением численности популяции,' без рассмотрения структуры населения ствола и соотношения стадий развития слагающих его талломов. При анализе репродуктивной структуры популяций мы используем оба типа учетных единиц.
Следующей методологической проблемой можно считать неоднозначность предлагаемых определений популяции применительно к лишайникам (Михайлова, 2005). В нашей работе мы будем придерживаться одного из «мягких» его вариантов, предполагая, что любая популяция естественным образом подразделяется на более мелкие группы, а сама входит в более крупные объединения (Гиляров, 1990). Таким образом, под популяцией у лишайников мы подразумеваем группировку особей одного вида, более или менее изолированную в пространстве от других аналогичных совокупностей того же вида i i и населяющую определенный экотоп. Совокупность талломов, населяющих единицу субстрата, мы будем рассматривать в качестве субпопуляционной единицы.
Кроме того, хотелось бы отметить, что в работе реализована возможность сопряженного анализа изменчивости обоих симбионтов лишайника. Образование таллома лишайника путем симбиоза нескольких облигатных компонентов — фотои микобионта — добавляет новый уровень изменчивости, который должен влиять на выживание их ассоциации в целом. Однако в случае изучения генетической изменчивости таких многокомпонентных систем, возникают и методические проблемы, которые могут быть решены благодаря недавней разработке видоспецифичных ДНК маркеров для обоих симбионтов. Более того, данные маркеры делают методику менее чувствительной к перекрестному загрязнению ДНК другими организмами (например, экзосимбионтами, лихенофильными грибами или аэрофильными водорослями).
Апробация работы. Результаты исследования были представлены на Всероссийской молодежной конференции «Биосфера Земли: Прошлое, настоящее и будущее», Екатеринбург, 2008) — VI симпозиуме Международной ассоциации лихенологии (IAL6): Lichens in the New World, Monterey Peninsula, Asilomar Conference Grounds (Азиломар, Калифорния, США, 2008) — I Международной научной конференции’студснтов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии» (Донецк, Украина, 2009) — Всероссийской. молодежной конференции «Эволюционная и популяционная, экология: Назад в будущее» (Екатеринбург, 2009) — II Европейском конгрессе по биологии сохранения (2nd European Congress of Conservation Biology, ECCB) «Conservation biology and beyond: From science to practice» (Прага, Чехия, 2009) — V Международной конференции «Изучение грибов в биогеоценозах» (Пермь, 2009) — III Всероссийской научно-практической конференции «Биологические системы: Устойчивость, принципы и механизмы функционирования» (Н. Тагил, 2010) — Всероссийской молодежной конференции «Экология: от южных гор до северных морей» (Екатеринбург, 2010) — Международной научно-практической конференции по биологии, ветеринарии и медико-биологическим проблемам «Первые Беккеровские Чтения» (Волгоград, 2010) — Всероссийской молодежной конференции «Экология: сквозь время и расстояние» (Екатеринбург, 2011).
Благодарности. Автор глубоко признателен коллективу лаборатории экотокеикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН, а в частности — к.б.н. H.H. Михайловой, д.б.н. E.JI. Воробейчику, к.б.н. М. Р. Трубиной, О. В. Дуле за всестороннюю помощь и обсуждение результатов, а также проф. К. Шейдеггеру.
С. Scheidegger), Ф. Даль Гранде (F. Dal Grande), И. Видмеру (I. Widmer) и К. Корнехо (С. Cornejo) из Федерального института исследования леса, ландшафта и снега (WSL, Швейцария) за предоставление технической базы для выполнения работы и консультативно-методическую помощь. Автор благодарен к.б.н. Т. Н. Пыстиной (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) и к.б.н. Е. А. Давыдову (АлтГУ, г. Барнаул) за предоставление части материаларуководителям и сотрудникам заповедников «Басеги», «Вишерский», «Малая Сосьва» и «Южно-Уральский», природного парка «Самаровский Чугас» — за содействие при проведении полевых работК. Хофману (C.W. Hoffmann, WSL) — за первый камень, заложенный в освоение языка R.
Работа выполнена при финансовой поддержке Швейцарского национального научного фонда (SNSF, проект SCOPES IB73AO-111 137/1 to CS), программы Swiss S&T по сотрудничеству с Россией (CS&IM), программы развития ведущих научных школ (НШ-3260.2010.4) и научно-образовательных центров (контракт 02.740.11.0279), а также поддержке Президиума УрО РАН (молодежный проект). Кроме того, автор благодарит губернатора Свердловской области, к.э.н, д.т.н. A.C. Мишарина за предоставленную стипендиюМикрюковых C.B. и К.Ю. — за материальную поддержку во время обучения в аспирантуре.
выводы.
1. Современный видовой ареал Lobaria pulmonaria существенно уже потенциального. К основным факторам, лимитирующим потенциальное распространение L. pulmonaria в глобальном масштабе, относятся: годовая сумма осадков, минимальная температура самого холодного месяца, средняя температура самой влажной четверти года и количество осадков самой холодной четверти года.
2. На территории Урала и Западной Сибири L pulmonaria произрастает в районах с отсутствием или минимальной степенью антропогенного воздействия, в пределах которых встречается в широком спектре местообитаний как по вариантам ландшафтов (от пойменных учашков до горных склонов), группам формаций лесных сообществ (о г темнохвойных до широколиственных лесов), так и по видовому составу форофиюв, преимущественно представленных лиственными деревьями (в северных районах L. pulmonaria также заселяет хвойные).
3. У L pulmonaria существуют две стратегии распределения статей энергетического баланса, расходуемых на формирование структур вегетативного размножения* и рост таллома. Первая направлена на быстрое увеличение численности популяции и колонизацию ближайших новых субстратоввторая — на быстрый рост материнских талломов и увеличение площади субпопуляции на уже колонизированном форофите.
4. Несмотря на преимущественно вегетативное размножение, уровень изменчивости микросателлитных локусов микои фотобионта L. pulmonaria очень высок. Наибольшая! генетическая изменчивость наблюдается в тех локальных популяциях, для которых характерен большой вклад полового процесса в размножение микобионта.
5. Генетическая дифференциация популяций L pulmonaria в региональном масштабе выражена слабо: более 90% общей дисперсиишриходится на изменчивость индивидуумов в пределах локальной популяции. Такая структура изменчивости может свидетельствовать о том, что в прошлом на территории Урала и Западной Сибири отсутствовали какие-либо барьеры для потока генов.
6. Пространственно-генетическая структура популяции L. pulmonaria во многом зависит от ее возраста и вклада полового процесса в размножение, которые можно определить не только по функционально-возрастным характеристикам субпопуляций, но и на основании анализа сопряженности генетической изменчивости микои фотобионта. На ранних этапах колонизации местообитаний (по крайней мере, посредством генеративных спор) горизонтальное распределение потенциальных форофитов оказывает слабое влияние на структуру популяции L. pulmonaria.
