Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 11
1.1. Voa Ficus L 11
1.2. Экологическая пластичность анатомо-морфологического строения растений 15
1.2.1. Изменчивость формы листовых пластинок 15
1.2.2. Стабильность формы и возможность машинной идентификации видов по форме листовой пластинки 17
1.2.3. Анатомическая пластичность листовых пластинок 18
1.2.4. Вариабельность архитектуры жилкования 20
1.2.5. Гетеробаричность 21
1.3. Влияние климата природных ареалов на акклиматизационный потенциал растений 24
1.3.1. Климатические предпосылки фенотипической пластичности растений 24
1.3.2. Модели распространения видов 26
1.3.3. Пределы применения методов моделирования экологических ниш в целях прогноза приспособительного потенциала растений 28
2. Материалы и методы 32
2.1. Микроклиматические условия оранжерейного комплекса 32
2.2. Оценка адаптационного потенциала видов рода Ficus L 33
2.3. Моделирование экологических ниш и ГИС методы 35
2.4. Оценка информативности климатических характеристик природных ареалов для прогноза приспособительного потенциала растений 37
2.5. Определение изменчивости геометрической формы листовых пластинок 38
2.6. Идентификация видов по форме листовой пластинки 41
2.7. Анализ гетеробарических признаков листьев 44
2.8. Изменчивость жилкования 46
2.9. Анатомия листовых пластинок 47
3. Результаты и обсуждение 50
3.1. География и климатические характеристики ареалов природного распространения видов 50
3.2. Адаптивный потенциал видов 52
3.2.1. Акклиматизированность представителей рода Ficus L. 52
3.2.2. Возможность предсказания успеха акклиматизации по совокупности климатических показателей ареалов происхождения 53
3.2.3. Выводы по разделу 60
3.3. Изменчивость формы листовой пластинки 60
3.3.1. Неразмерные характеристики морфологической изменчивости 60
3.3.2. Пластичность формы листовой пластинки в контексте приспособления к климатическим факторам 63
3.3.3. Идентификация видов по форме листовых пластинок 72
3.3.4. Выводы по разделу 75
3.4. Гетеробаричность теневых и световых листьев 76
3.4.1. Изменчивость гетеробаричности и устойчивость растений 76
3.4.2. Климатические предпосылки вариабельного ответа гистологического строения листа на уровни освещенности 80
3.4.3. Выводы по разделу 86
3.5. Экологическая пластичность системы жилкования листовых пластинок интродуцентов 87
3.5.1. Плотность и архитектура жилкования теневых и световых листьев 87
3.5.2. Различия аллометрии жилкования в группах видов с разным интродукционным потенциалом 92
3.5.3. Реализация экологических стратегий в зависимости от климата природных ареалов обитания видов 99
3.5.4. Выводы по разделу 105
3.6. Изменчивость анатомического строения листовых пластинок. 106
3.6.1. Краткое описание анатомического строения листовых пластинок 106
3.6.2. Вариабельность индивидуальных анатомических параметров теневых и световых листьев 113
3.6.3. Связь анатомической пластичности с успешностью акклиматизации 117
3.6.4. Климатические предпосылки изменения анатомического строения в ответ на уровни освещенности 126
3.6.5. Выводы по разделу 129
Выводы 130
Список литературы 133
- Voa Ficus L
- Возможность предсказания успеха акклиматизации по совокупности климатических показателей ареалов происхождения
- Различия аллометрии жилкования в группах видов с разным интродукционным потенциалом
- Связь анатомической пластичности с успешностью акклиматизации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из ключевых задач экологии остается разработка системы взглядов, которая позволит объединить разнообразие известных примеров фенотипической изменчивости растений (Coleman, 1994). Актуальной является задача поиска и интерпретации потенциально адаптивных пластических реакций, так как далеко не всегда наблюдаемая изменчивость проявляется в повышении приспособленности организма (Richards, 2006; Grassein, Till-Bottraud, Lavorel, 2010; Сысоева, 2012; Минич, 2012;). В связи с этим, необходимо дальнейшее накопление данных о пределах приспособительной пластичности и продолжение разработки парадигмы о затратах на формирование вариабельного фенотипического ответа (Schlichting, 1986; Goulet, Bellefleur, 1986; Hendry, 1998; Поликсенова, 2009).
Дополнительная мотивация исследований экологической пластичности растений обеспечивается современными вызовами, связанными с глобальными климатическими изменениями. Фенотипическая изменчивость в динамически меняющихся условиях является основным механизмом сохранения стабильности растительных сообществ (Bradshaw, 2006; Nicotra, 2010; Blonder, 2011). Кроме того, пластичность, наиболее вероятно, должна играть важную роль в формировании микроэволюционных приспособлений к новым условиям (Broennimann, 2007; Somero, 2010; Hoffmann, Sgr, 2011).
Крайне важной задачей является поиск детерминантов проявляемой фенотипической изменчивости. Актуальным направлением является поиск связей между климатическими характеристиками ареалов видов и тенденциями к пластическим ответам (Kent, Road, 1991; Royer, McElwain, Adams, 2008; Lynch, 2012).
Цель исследования. Оценить взаимосвязь показателей приспособленности и анатомо-морфологической изменчивости видов рода Ficus L. в условиях защищенного грунта с макроклиматическими параметрами ареалов их естественного распространения.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать значимость роли пластичности растительного организма в проявляемой устойчивости в условиях защищенного грунта.
-
Оценить характер и особенности приспособительных реакций видов рода Ficus L.
-
Изучить изменчивость листовых пластинок в зависимости от уровня освещенности по следующим параметрам: геометрическая форма, гетеробаричность, архитектура жилкования, особенности гистологического строения.
-
Оценить связь между наблюдаемой фенотипической пластичностью и приспособительным потенциалом видов.
-
Установить возможность детерминации анатомо-морфологической изменчивости характеристиками климата естественных ареалов.
-
Дать теоретическое обоснование роли пластических реакций в формировании адаптивного потенциала растений защищенного грунта.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Пластичность неразмерных характеристик формы листовых пластинок детерминируется совокупностью абиотических факторов в пределах ареалов природного распространения видов и является филогенетически закрепленной чертой.
-
Характеристики формирования гетеробарических структур листа и их потенциальная пластичность зависит от факторов доступности влаги в природных условиях.
-
Аллометрические закономерности пространственной организации жилкования листа в разных экологических условиях носят приспособительный характер и могут предопределять приспособленность видов. Амплитуда изменчивости характеристик проводящей системы предопределяется климатическими факторами в пределах естественных ареалов видов.
-
Пластичность гистологического строения листовых пластинок связана с устойчивостью растений в несвойственных условиях среды и контролируется системой абиотических факторов в границах природного распространения видов.
Научная новизна. Впервые описаны закономерности изменчивости неразмерной формы листовых пластинок теневых и световых листьев в зависимости от климатических условий ареалов естественного распространения видов.
Обнаружены не описанные ранее связи климата природных ареалов видов с проявляемой пластичностью в формировании продолжений обкладок проводящих пучков гетеробарических листьев.
Изучены аллометрические закономерности архитектуры жилкования
листовых пластинок, которые проявляют связь с показателями приспособленности видов.
Обнаружены группы пластических анатомических признаков,
ассоциированных с приспособительным потенциалом и, одновременно, с климатическими характеристиками природных ареалов видов.
Теоретическая значимость. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при оценке приспособительного потенциала растений защищенного грунта.
Данные о детерминистической роли климата природных ареалов по отношению к пластичности растений в несвойственных условиях, могут быть использованы в исследованиях и прогнозировании устойчивости растительных сообществ.
Полученные результаты также могут быть включены в курсы лекций и практических занятий по экологии и ботанике в высших учебных заведениях.
Практическая значимость. Предложенная схема прогнозирования
относительного приспособительного потенциала растений по совокупности климатических характеристик их природных ареалов может найти применение в практике сельского хозяйства, в особенности растениеводства в защищенном грунте. Выделена комбинация наиболее значимых климатических факторов, потенциально предопределяющая адаптивность вида в закрытом грунте.
Протестирована схема объединения классификационных моделей,
позволяющих идентифицировать вид растения по форме листовой пластинки. Схема реализации стакинга (stacking) моделей может быть использована для разработки компьютеризированных систем распознавания и определения растений.
Обнаруженные аллометрические закономерности формирования проводящей системы листовой пластинки и связанные с ними смещения приспособительного потенциала растений обеспечат лучшее понимание процессов адаптации растений в конкретных условиях.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на VII
Международной научной конференции «Промышленная ботаника» (Донецк 2017),
III международной конференции «Фундаментальні та прикладні дослідження в
біології» (Донецк, 2014), конференции «Тенденции и инновации современной
науки: сборник материалов конференции» (Краснодар, 2012), ежегодных научных
конференциях студентов и аспирантов Донецкого национального университета
(Донецк, 2014, 2015 гг.), ХХ Всеукраинской конференции «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів» (Донецк, 2010) на III международной конференции «Інтродукція, селекція та захист рослин» (Донецк, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ, включая 1 статью в издании, входящем в базу Web of Science.
Личное участие автора. Выбор темы, постановка цели и задач, работы, формирование гипотез проведены совместно с научным руководителем. Сбор материала, экспериментальные работы, теоретическая обработка результатов и формирование выводов выполнены автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 147 страницах печатного текста, иллюстрирована 29 рисунками, содержит 16 таблиц. Работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов и обсуждения, выводов, списка использованной литературы, включающего 147 источника.
Благодарности. Автор выражает благодарность и признательность руководителю работы А.З. Глухову. Хочу выразить также глубокую благодарность А.И. Сафонову (ДонНУ, Донецк), за неоценимую экспертную помощь и моральную поддержку, И.П. Горницкой (ДБС, Донецк), за ее роль в выборе видов рода Ficus L., в качестве модельных организмов, В.Ф. Попову (ДонНУ, Донецк), за помощь в освоении техник анатомических исследований.
Voa Ficus L
Ficus L. - пантропический род, представленный деревьями, кустарниками, лианами эпифитами и гемиэпифитами, занимающими различные экологические ниши. Большинство представителей рода являются вечнозелеными, но встречаются и листопадные виды, эндемичные территориям, находящимся за пределами тропической зоны.
В 1844-1845 Гаспарини разделил представителей рода Ficus на несколько родов [42]. Изначально этот подход был поддержан Миквелом, который ввел в систематику новые рода и описал большое количество видов [72]. Впоследствии Миквел объединил выделяемые роды в один, а предыдущая систематика стала основой таксономического деления на уровнях ниже рода. После этого разные авторы вносили незначительные изменения в существующую классификацию, параллельно увеличивалось количество описанных видов.
В 1965 году Корнер представил пересмотренную классификацию рода, на основе флоры Азиатско - Австралийского региона [29]. Систематика Корнера базировалась на морфологических признаках, прежде всего листового аппарата. Предложенная классификация включала 4 подрода и 17 секций, объединяющих порядка 530 видов. С 1977 года Берг начал таксономическую работу в Африке, которая выразилась в нескольких региональных ревизиях [10]. Систематикой неотропических представителей рода занимался ДеВулф [36], после эту работу продолжили Васкес Авила и Берг [119].
Работы Корнера проводились на основе фрагментарных данных о биологии представителей рода. Впоследствии большое значение для систематики фикусов имели исследования симбиотического опыления. Обширные работы по таксономии опылителей были проведены Рамирезом и Вибсом [86]. Значительный вклад в изучение процессов опыления сделали работы Валдейрона. Наличие у большинства фикусов видоспецифического опылителя продиктовало необходимость коррекции систематики рода с учетом таксономии опылителей.
До настоящего момента систематика рода остается незавершенной. Основная причина этого - значительное разнообразие, присущее представителям рода. Наиболее часто используемой, на сегодняшний день, является классификация предложенная Бергом и Корнером в 2005 году [11]. Согласно ей род Ficus включает 6 подродов, 19 секций и 27 подсекций и объединяет более 800 видов. Данное деление рода основано на морфологических характеристиках с учетом особенностей системы опыления.
Последние работы по молекулярной филогенетике рода Ficus показали, что принятая систематика содержит искусственные элементы. Анализ генетических отношений 100 видов на основании 3 генетических маркеров (ITS, ETS и G3pdh) выявил некоторые несоответствия филогенетики с существующим делением на подроды и секции [117, 125]. Еще более полное исследование выявило независимое конвергентное возникновение важных систематических признаков (однодомность, жизненная форма) в разных филогенетических линиях [31, 88]. Это также усложняет создание естественной системы рода Ficus, которая оставалась бы удобной для практического применения. Во всех случаях молекулярные исследования подтверждают монофилетичность рода.
Ягодообразное соцветие представителей рода Ficus - фига или сиконий, имеет более или менее округлое внутренне вместилище. Внутренние стенки сикония покрыты мелкими цветками. Можно выделить три основных типа цветков: тычиночные цветки и цветки с пестиками, которые делятся на цветки с длинным столбиком - семенные цветки и с коротким столбиком - галловые цветки. Среди представителей рода можно выделить однодомные виды, в таком случае в одном сиконий присутствуют и тычиночные и пестиковые цветки обоих типов, могут встречаться и цветки со столбиками средней длины. Вторую группу составляют гинодиойкные виды. В этом случае растения формирует два типа сиконий - галловые и семенные. Первый тип фиг содержит тычиночные цветки и пестичные цветки с коротким столбиком. В семенных сикониях обычно присутствуют только пестичные цветки с длинным столбиком, хотя иногда могут быть обнаружены единичные цветки других типов.
Описанная система генеративных органов отвечает сложной симбиотической системе опыления. Опылителями фикусов являются мелкие осы подсемейства Agaoninae Walker, 1846, принадлежащему к порядку Hymenoptera Linnaeus, 1758. Практически весь жизненный цикл ос проход внутри сикониев. При этом разным стадиям развития ос соответствуют фенологические фазы сикониев. Галил выделяет следующие фенофазы:
1. Пред-женская фаза, во время которой соцветия развиваются до состояния восприимчивости рылец на пестиковых цветках к пыльце.
2. Женская фаза - завязи достигают полного развития, входные отверстия сикониев становятся проницаемыми для опылителей, которые проникают внутрь и откладывают яйца в галловые цветки. Попутно осуществляется опыление семенных цветков. Во время проникновения в сиконий осы могут терять крылья и усики.
3. Промежуточная стадия. Личинки ос достигают стадии имаго. Происходит развитие семян. Эта фаза разделяет во времени восприимчивость рылец пестиков и созревание пыльцы в пыльниках.
4. Мужская фаза, во время которой насекомые покидают сиконий. Пыльца обычно созревает еще в предыдущие фазы, но в мужскую фазу увеличивается ее доступность вследствие удлинения тычиночных нитей и открытия тек. Мужские особи спариваются с самками, пока те еще не покинули свои галлы. После самки выходят в полость и покидают сиконий через входное отверстие или через ходы в стенках, которые проделывают самцы. Попутно на тела самок попадает пыльца. В дальнейшем оплодотворенные самки разлетаются и ищут сиконий того же вида, находящийся в женской фазе развития.
5. Пост-флоральная фаза. Плоды созревают, сиконий становятся мягкими и доступными для поедания организмами, участвующими в распространении семян.
Способы опыления можно разделить на 2 типа: активное опыление, когда самка осы целенаправленно собирает пыльцу в специальные мешки, расположенные у основания ног, и пассивное - при котором осы случайным образом вымазываются пыльцой при выходе из сикония. Результаты исследования [115] касательно отношения количества тычинок к пригодным завязям у видов фикусов с разными типами опыления, показали, что активно опыляемые фикусы формируют существенно меньше тычинок. Как следствие, опыление для них является более эффективным энергетически.
Для поддержания постоянной популяции опылителей, в любой момент времени в радиусе перелета ос должен присутствовать сиконий в женской фазе развития. Выполнение этого условия требует асинхронности процессов цветения в границах популяции фикусов. При этом индивидуальные растения сохраняют периодичность плодоношения. В работе [63] показано, что время между последовательными фазами цветения сильно варьируют у разных видов. Максимальная продолжительность цикла составляла 25 месяцев у F. drupaceae Thun, а наименьшая 4.2 месяцев у F. delosyce Corner. Анализ времени созревания сикониев 15 видов африканской флоры [115] также подтвердил высокую стабильность ритмов цветения. Авторы не обнаружили связи времени формирования фиг с температурными показателями или количеством осадков. При этом согласно [129] время созревания сиконий прямо пропорционально зависит от температуры и количества осадков. Указанные факты свидетельствуют о наличии у представителей рода генетически детерминированной предрасположенности к формированию устойчивых феноритмов.
Информация о биологии ос опылителей остается недостаточной. Не известно точно, как долго осы живут вне сикониев (предположительно от нескольких часов до 2 суток) [4] и на какие дистанции могут совершать распространительные перелеты.
Специфическая система опыления предопределяет высокую адаптационную способность фикусов. Необходимость поддерживать стабильные циклы цветения в пределах особи и круглогодичное асинхронное цветение в пределах популяции, выражается в высокой устойчивости фенологии видов в гетерогенных условиях [20, 79].
Широкое географическое распространение и разнообразие жизненных форм объясняет высокую вариабельность морфологических, анатомических и физиологических характеристик в пределах рода [44]. Многие виды рода Ficus проявляют высокую экологическую пластичность, что обеспечивает разнообразие и широту, занимаемых ими экологических ниш [48, 54, 113]. Названные свойства делают представителей рода Ficus удачными модельными организмами для изучения пластических реакций растений [54, 83]. Распространенность видов на территориях с широким спектром климатических условий позволяет провести репрезентативную оценку возможной детерминации фенотипической изменчивости абиотическими факторами или их амплитудой в пределах естественных ареалов.
Возможность предсказания успеха акклиматизации по совокупности климатических показателей ареалов происхождения
Для решения поставленной задачи анализировали эффективность алгоритма машинного обучения Random Forest на основе регрессионных моделей. Ответной переменной выступала успешность акклиматизации видов в условиях защищенного грунта, всего 16 наблюдений. Предикторами являлись все установленные климатические характеристики кроме статистик эксцесса и асимметрии распределения, всего 108 переменных (см. раздел 3.1.1). Подбор оптимальных макропараметров алгоритма проводили с помощью бутсрап валидации в 250 перевыборок. Метрикой для оценки точности предсказания по обученной модели выбрали корень среднеквадратичной ошибки (RMSE).
На основе алгоритма Borata отобрали климатические характеристики, ассоциированные с показателем приспособленности. Избавились от коллинеарных предикторов, исключив из выборки характеристики выраженно коррелирующие с остальными (коэффициент корреляции Пирсона R 0.8). В результате выделили пять важных для прогноза климатических характеристик. А именно: Biol4_SD - стандартное отклонение количества осадков самого сухого месяца, Biol5_Kurt -эксцесс сезонности осадков (годовой вариации количества осадков), Biol8_Mean - среднее значение количества осадков в самую теплую четверть года в пределах ареалов, Bio2_Skew - асимметрия распределения показателя средней амплитуды температур (среднее от помесячной разницы максимальной и минимальной температуры), Bio4_Kurt - эксцесс распределения показателя температурной сезонности (стандартного отклонения температуры в течение года) в пределах ареалов. Используя выделенные климатические характеристики, обучили прогностические модели приспособленности видов по алгоритму Random Forest. По результатам перекрестной оценке по отдельным объектам, средний показатель RMSE прогноза приспособленности составил 6.58 со стандартным отклонением 5.78, при среднем показателе наблюдаемой приспособленности (среднее ± стандартная ошибка) 39.77 ± 3.2.
Методами линейной регрессии определили взаимоотношение спрогнозированных и наблюдаемых показателей приспособленности видов. Визуальное отображение регрессионной модели представлено на рисунке 3.2.
Согласно модели, связь можно признать статистически значимой (F-статистика (1, 16) = 23.39, р-значение = 0.0002). Скорректированное R2 (доля объясненной вариации) = 0.568. Применение теста Шапиро-Уилка показало, что остатки регрессионной модели имеют распределение не отличающееся от нормального (W = 0.96, р-значение = 0.6).
Для интерпретации наблюдаемой связи между предикторами и приспособленностью видов применили корреляционный и регрессионный анализ и метод общих аддитивных моделей, результаты приведены в таблице 3.2.
Отобранные климатические характеристики, ассоциированные с проявляемой приспособленностью видов, включают показатели распределения температур и количества осадков в пределах природных ареалов. Показатели сезонности, качества и количества доступной солнечной радиации, видимо не имеют существенной прогностической силы при оценке приспособительного потенциала растений в несвойственных условиях. Следует отметить, что наиболее значимыми температурными характеристиками оказались не абсолютные значения, а показатели сезонности и амплитуды в пределах ареалов. Предположительно, виды, происходящие из территорий с высокой температурной вариабельностью, имеют преимущества в приспособлении к условиям оранжерейного комплекса.
Результаты обучения прогностических моделей продемонстрировали достаточно высокие показатели среднеквадратичной ошибки. Изученные растения находились в одинаковых микроклиматических условиях.
Следовательно, если бы их приспособительный потенциал всецело контролировался только рассмотренными климатическими характеристиками, то и наблюдаемые различия в проявляемой приспособленности полностью объяснялись бы различиями в климатических характеристиках их ареалов. Так как этого не наблюдается, то можно предположить существенное влияние факторов, неучтенных в моделях. Одним из таких потенциально значимых факторов могут быть биотические взаимодействия, которые в оранжерейной культуре практически не проявляются, но имеют существенное влияние в природной среде. Второй источник неучтенного влияния может заключаться в действии эдафических факторов, которые не были включены в построение моделей распространения видов.
Оценка соотношения между спрогнозированными и наблюдаемыми показателями приспособленности методом линейной регрессии показала, что доля объясненных различий составляет 0.568. Иными словами, относительная роль рассмотренных макроклиматических параметров в предопределении приспособительных потенциалов растений составляет 57%. Исходя из этого, оценочная доля неучтенных факторов может составлять 43%. Это подтверждает аргументы вышеприведённой критики методов моделирования экологических ниш, а именно, возможности применения результатов этих моделей для прогноза распространения видов в несвойственных условиях. Следует учесть, что 57% объясненной вариации свидетельствует о высокой значимости макроклиматических переменных в формировании приспособительного потенциала видов. Все же, модели, построенные только на базе указанных параметров, содержат существенную долю неопределенности, которая может приводить к ошибочным выводам при экстраполяции результатов.
Определенный интерес представляет оценка связей индивидуальных климатических характеристик с проявляемой приспособленностью растений. Согласно данным таблицы 3.2, 4 из 5 климатических характеристик проявляют статистически значимую связь. Среднее значение количества осадков в самую теплую четверть года (Biol8_Mean) прямо пропорционально связано с приспособленностью. То есть, в пределах ареалов более приспособленных видов в теплую четверть года выпадает больше осадков.
Асимметрия распределения показателя амплитуды температур (Bio2_Skew), также проявляет положительную связь с приспособленностью. Для иллюстрации связи на рисунке 3.3 приведены кривые плотности распределения фактора Віо2 для трех видов F. benjamina, F. cyathistipula, F. watkinsiana, как представителей хорошо, средне и плохо приспособленных видов, с показателями 62, 44 и 24, соответственно.
Асимметрию, распределения фактора можно трактовать, как приближение к зоне пессимума с одной из сторон от центра распределения. Можно предположить, что F.watkinsiana проявляет большую толерантность к низким значениям параметра Віо2. Для двух других видов характерна левосторонняя асимметрия, что свидетельствует об относительном предпочтении высоких значений средней амплитуды температур.
Стандартное отклонение количества осадков самого сухого месяца (Biol4_SD), имеет положительную связь с приспособленностью. График плотностей распределения параметра Bio 14 ареалов тех же трех видов представлен на рисунке 3.4.
Различия аллометрии жилкования в группах видов с разным интродукционным потенциалом
Применение теста Мантеля для выявления связи между матрицами расстояний по особенностям изменчивости и успешности акклиматизации не показало значимых результатов (р 0.05) [72]. Причина этого хорошо видна при рассмотрении дендрограммы иерархической кластеризации, построенной на основе совокупности величин пластических ответов (рисунок 3.20).
Согласно показателям изменчивости жилкования, виды можно разделить на два значимых кластера. Такое разбиение подтверждается интервальной статистикой Тибширани [114].
Во второй кластер входят виды с относительно высокой интродукционной успешностью, относящиеся к первому и второму классам акклиматизации. Первый кластер, напротив, включает виды всех трех классов. Это свидетельствует о малой вероятности связи вариабельности жилкования с адаптацией к условиям интродукции. Поиск значимых зависимостей отдельных параметров изменчивости с успешностью акклиматизации на основании регрессионных моделей также не дал результатов. Можно заключить, что с высокой вероятностью амплитуда пластичности ни одной из изученных характеристик жилкования не детерминирует адаптационную способность по линейным законам. Использование нелинейных моделей считали необоснованным ввиду малого количества наблюдений.
На следующем этапе провели поиск различий между теневыми и световыми листьями методами дисперсионного анализа. В качестве зависимой переменной выступали количественные значения параметров жилкования. Независимые переменные сформированы взаимодействием категориальных величин класса акклиматизации и типа освещенности.
Тестируемая нулевая гипотеза, с учетом апостериорного теста Тьюки отсутствие различий между групповыми средними теневых и световых листьев в каждом из классов акклиматизации. С учетом почти идеального выполнения условий дисперсионного анализа (принадлежность к нормальному закону распределения в группах, равная вариация, случайный характер остатков), значимых отличий между группами не обнаружено (p 0.05). Простая визуальная оценка результатов апостериорного анализа не позволяет говорить даже о присутствии тенденций к различиям. Во всех случаях разница между групповыми средними существенно ближе к нулевому значению, чем величина соответствующих доверительных интервалов. Видимо, пластичность признаков жилкования в ответ на разные уровни освещенности не детерминирует принадлежность к тому или иному классу акклиматизации.
Определенный интерес может представлять изменчивость в пределах разных классов акклиматизации, сама по себе, без учета фактора освещенности. Как было указано выше, соотношения разных параметров жилкования между собой содержат характерные отклонения от линейности. В большинстве случаев такие паттерны рассматриваются как неблагоприятный шум в данных. Между тем, они могут содержать дополнительную информацию о биологических процессах, контролирующих изучаемые параметры [132].
Согласно графику взаимодействия удельной длины жилок и количества ветвлений на единицу площади (см. рисунок 3.19) показатели находятся в явной зависимости друг от друга. Наблюдаемая связь несколько отличается от линейной, что типично для площадных измерений [132]. При этом значения для видов из разных классов акклиматизации формируют плотные, выраженные группы. Можно предположить, что нарушение прямо пропорциональной связи не является ошибкой, а следует из различия в закономерностях ветвления жилок у видов с разной акклиматизационной способностью. Для проверки этой гипотезы применили ковариационный анализ [30]. Зависимой переменной считали длину жилок (см/см2). Ковариантой выступало количество ветвлений на см2. Группирующая, факторная переменная - класс акклиматизации. Также учитывали взаимодействие факторной переменной с ковариантой.
Установили, что у представителей первого класса акклиматизации характер взаимодействия показателей действительно отличается. На рисунке 3.21 представлены результаты обучения статистической модели.
В первом классе акклиматизации, прирост длинны жилок относительно количества ветвлений ниже, чем в дух других классах. При этом статистически значимым является не собственно акклиматизационная успешность, но взаимодействие фактора с ковариантой. Это следует из анализа вариации модели (таблица 3.10).
Принадлежность к тому или иному классу акклиматизации, влияет на закономерности, связывающие длину жилок и вероятность их ветвления. Функциональная суть увеличения плотности жилкования состоит в повышении гидравлической проводимости листа. Роль частоты ветвления не столь ясна. Известно, что этот показатель обычно коррелирует с плотностью распределения транспортных тканей [90]. Особенности масштабирования просвета ксилемных каналов при ветвлении проводящего пучка и углы расхождения дочерних жилок, могут влиять на перераспределение давления воды в сосудах [98, 93]. При этом физиология соотношения суммарной длины жилок и количества узлов васкулярной сети изучена недостаточно. Наиболее вероятно, что экологическая роль этого параметра реализуется через особенности формирования ареол [96]. Согласно [12, 13] замкнутая система жилкования является эволюционно преимущественной. Большое количество анастомозов обеспечивает мозаичность функционального континуума листа. Увеличивается число потенциальных путей снабжения каждого участка. Противоположно этому, увеличение количества ареол ограничивает рост листа, и уменьшает относительную долю фотосинтетических тканей.
Для оценки особенностей формирования циклических структур была поставлена задача: изучить связь между количеством ареол на единицу площади и соотношением удельной длины жилок с плотностью ветвлений. На первом этапе оценили общий характер взаимодействия. Обнаружили, что число ареол возрастает обратно пропорционально отношению удельной длина жилок к частоте ветвления. То есть, при равной плотности жилкования вероятность формирования ареол возрастает с увеличением количества узлов сети. Применив этот вывод к результатам предыдущего теста, можно предположить, что виды первого класса акклиматизации реализуют стратегию развития листа, направленную на формирования большего количества ареол при меньшей удельной длине проводящих пучков. На втором этапе предложили гипотезу о том, что обнаруженная закономерность формирования ареол может изменяться в зависимости от принадлежности вида к одному из классов акклиматизации. Для проверки гипотезы предприняли ковариационный анализ. Зависимой переменной выбрали количество ареол на единицу площади. Ковариантой служила величина обратная результату деления удельной длины жилок на плотность ветвлений. Отношение параметра к единице было выбрано для учета нелинейного характера взаимодействия. Группирующая, факторная переменная - класс акклиматизации. Анализ вариации модели показал результаты, аналогичные анализу соотношения длины жилок и количества ветвлений. Значимыми параметрами можно признать коварианту и ее взаимодействие с фактором. Принадлежность к классу акклиматизации, сама по себе, не вносит существенных изменений. Результат обучения модели представлен на рисунке 3.22.
Связь анатомической пластичности с успешностью акклиматизации
На первом этапе обработки данных проверяли наличие статистических связей между показателями успешности акклиматизации и различиями отдельных анатомических параметров теневых и световых листьев. Присутствие связей оценивали по показателю ранговой корреляции Спирмена. Формально, изменчивость толщины листа и толщины столбчатой паренхимы достоверно коррелируют с индексом успешности интродукции. Показатели корреляции составляют 0.48 и 0.54 с р-значениями 0.021 и 0.047, соответственно, при количестве наблюдений п = 15. Подобный анализ подпадает под определение множественного сравнения, следовательно, р-значения должны быть скорректированы. После применения теста уровня ложных открытий (FDR) [8], обнаружили, что ни одна из проверенных корреляций не является статистически значимой. Это может быть следствием, как малого размера выборки, так и большого количества единичных значений, то есть отсутствия различий между теневыми и световыми листьями по некоторым параметрам.
На следующем этапе проверяли предположение о том, что наблюдаемая пластичность анатомических признаков может быть объяснена через принадлежность вида к одному из трех акклиматизационных классов. Использовали дисперсионный анализ, группирующим параметром выступало взаимодействие факторов класса акклиматизации и типа освещенности листьев. Зависимыми переменными были полные выборки анатомических параметров. Для оценки значимости различий между средними значениями групп использовали критерий достоверной разницы групповых средних Тьюки.
Результаты дисперсионного анализа зависимости толщины адаксиального эпидермиса от принадлежности к классу акклиматизации и условий освещения выявили значимые различия при р 0.05. Количество степеней свободы (Df) = 5, F = 109, р 2е-16. Для выяснения источников различий провели апостериорный анализ. Результаты представлены на рисунке 3.25.
Согласно результатам тестов можно предположить тенденцию увеличения различий между теневыми и световыми листьями в направлении от 1 до 3 классов. При этом только разницу между типами освещенности третьего класса акклиматизации можно считать статистически значимой. Толщина адаксиального эпидермиса в среднем больше у световых листьев. Следует отметить, что абсолютные групповые значения не формируют линейной зависимости с показателями успешности интродукции. Возможно, толщина дорсального эпидермиса, сама по себе, в малой степени связана c адаптивными способностями интродуцентов. Тогда как изменение относительных размеров этих слоев у теневых и световых листьев может быть частью приспособительного ответа. Важной особенностью является увеличение пластичности менее акклиматизированных видов. Это противоречит общепринятым представлениям о преимуществе пластического ответа растительного организма.
Анализ различий в размерах клеток отдельных эпидермальных слоев не проводился. Обобщенные выборки первого и второго классов акклиматизации имели распределение существенно отличное от нормального. Подобрать подходящие параметры трансформации не удалось.
Оценка средних показателей толщины палисадной паренхимы в группах освещенность - класс акклиматизации подтвердила присутствие значимых при р 0.05 различий (Df = 5, F = 121, р 2.2"16). Согласно апостериорному анализу, наибольшие отличия в разных условиях освещенности наблюдаются у второго и третьего классов акклиматизации. Для первого класса разница между группами находиться на крайней границе достоверности при 95% уровне значимости. Толщина палисадной ткани имеет тенденцию к увеличению у световых листьев по отношению к теневым, что может служить подтверждением развития гелиоморфности. Как и в предыдущем случае, связь между способностью к акклиматизации и абсолютными значениями толщины гистологического слоя имеет криволинейный характер.
Характер соотношений средних групповых значений высоты клеток первого слоя столбчатого мезофилла отличался от вышеописанных случаев. Исходные законы распределения выборок этого параметра отличались от нормального. Для соблюдения условий дисперсионного анализа все значения прологарифмировали по натуральному основанию. Подтверждено значимое влияние класса акклиматизации и уровня освещенности на высоту клеток (Df = 5, F = 40.84, р 2.2"16). Все три пары групп имеют достоверные отличия. Наиболее выраженная разница характерна для третьего класса, то есть для наименее акклиматизированных видов. В отличие от предыдущих случаев, абсолютные значения параметра почти линейно соотносятся с уменьшением адаптационного потенциала растений. Наблюдается тенденция к тому, что высота клеток, с наибольшей фотосинтетической активностью снижается по мере увеличения устойчивости вида. Следует отметить, что во всех классах акклиматизации присутствуют как светолюбивые, так и теневыносливые виды, что не позволяет объяснить наблюдаемые особенности филогенетическими предпочтениями к тому или иному уровню освещенности. Более вероятно, что в выделенных группах реализуются разные по эффективности стратегии захвата светового потока. Более длинные столбчатые клетки, предположительно, способны утилизировать большую часть поступающей солнечной радиации. В таком случае, преимущество может иметь рассредоточение зоны фотосинтеза в толще листа. Еще одним объяснением может быть приспособленность видов в группах к поглощению преимущественно прямой или рассеянной солнечной радиации. В условиях оранжерейного комплекса преобладает рассеянный свет. Если растения с относительно короткими клетками столбчатой паренхимы могут более эффективно использовать такое освещение, то они должны иметь экологические преимущества перед видами с более длинными столбчатыми клетками.
Это предположение косвенно подтверждается оптическими свойствами палисадной хлоренхимы. В столбчатой ткани, площадь клеточных стенок параллельных поверхности листа существенно уступает площади перпендикулярных стенок. В таких условиях, чем ближе направление луча к направлению длинной оси клетки, тем меньше вероятность его рассеивания и поглощения целлюлозными оболочками или апопластом. Из этого следует, что в условиях диффузного света, более короткие клетки предпочтительнее. С удлинением палисадных клеток, разница между площадями продольных и поперечных стенок возрастает, как следствие понижается и потенциальная доля утилизируемой радиации. Эта гипотеза требует дополнительного экспериментального подтверждения.
Для теневых листьев может быть характерным выраженное развитие защитных и запасающих тканей [78, 113]. Это предположение не подтвердилось для адаксиального эпидермиса. Но, отчасти, верно для абаксиальных покровов. Выборки значений параметра имели отличное от нормального распределение. Это свойство не удалось изменить применением трансформаций. В результате для анализа использовали непараметрические методы. Присутствие влияния взаимодействия факторов определяли с помощью теста Крускала-Уоллиса. Установили, что между группами видов по освещённости - классу акклиматизации имеются значимые различия по параметру d: р-значение 2.2"16, количество классов = 6, количество наблюдений п = 1080. Различия между интересующими парами групп проверяли тестом Уилкса с последующей коррекцией р-значений. График различий между медианными значениями групп представлен на рисунке 3.26.