Научная статья на тему 'Структура вида, селекция, сбор и анализ данных'

Структура вида, селекция, сбор и анализ данных Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
179
51
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТРУКТУРА ВИДА / СЕЛЕКЦИЯ / МЕТОДИКА АНАЛИЗА / SPECIES STRUCTURE / MORPHS SELECTION / ANALYSES METHODS

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Романовский М. Г.

Романовский М.Г. СТРУКТУРА ВИДА, СЕЛЕКЦИЯ, СБОР И АНАЛИЗ ДАННЫХ. Виды лесных деревьев динамические системы морфологических и поведенческих (физиологических) групп. Серии габитуальных форм в древостое развиваются на фоне конкуренции, отбора и пороговых онтогенетических изменений. Статистическая картина вариационного ряда не укладывается в рамки Гауссовского нормального распределения. Основной образ ряд перекрывающихся треугольных Симпсоновских распределений, каждое из которых связано с определенной морфологической или поведенческой группой. Структурированные объекты требуют индивидуально-группового описания элементов: метамеров, индивидов, онтогенетических стадий и т.д.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Romanowsky M.G. SPECIES STRUCTURE, SELECTION, DATA OBTANING AND ANALYSES. Forest tree species is a dynamical system of morphological and behavior (physiological) variations. Tree stand performed us a quantity of habitual morphs, growing on the background of competition and ontogenetic threshold changes. The main statistical picture of a variation row not be the Gauss normal distribution curve, but the serial of overlapping triangle Simpson's distributive functions each of them attached to some morphological or behavior groop. The structural object need an individual attempts to the each element (individual, methamere, ontogenetic or physiological state est.).

Текст научной работы на тему «Структура вида, селекция, сбор и анализ данных»

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

СТРУКТУРА ВИДА, СЕЛЕКЦИЯ, СБОР И АНАЛИЗ ДАННЫХ

М.Г РОМАНОВСКИЙ, гл. науч. сотрудник ГУ РАН Института лесоведения РАН, д-р биол. наук

Вид лесных деревьев - динамическая система морфологических и поведенческих вариантов (форм). Неструктурированный вид недоступен адаптационным и эволюционным преобразованиям. Только полиморфизм (групповые вариации строения особей) и «полиреактивность» (системная неоднозначность реакций) задают направления допустимых преадаптаций вида и реальных адаптаций, селекционных и эволюционных преобразований [1, 2]. Бесструктурный вид непригоден ни для естественного или искусственного отбора, ни для прогрессивной эволюции [1].

Представления о групповой изменчивости габитуальных (в т.ч. таксационных) параметров деревьев предполагают особый подход к описанию древостоя. Древостой приобретает вид совокупности габитуальных форм, развивающихся на фоне конкуренции, отпада и переломов онтогенеза. Классы роста деревьев по Крафту в одновозрастных насаждениях выступают как наследственно обусловленные формы. Дифференциация деревьев сомкнутого древостоя предстает как конкуренция, модификация и дифференцированный отпад наличных габитуальных форм [3].

Еще в конце 1960-х - начале 1970-х гг. В.С. Ипатов (Ленинградский ГУ), анализируя изменчивость диаметров ствола в одновозрастных естественных древостоях и культурах ели и сосны, предложил рассматривать трехгрупповую структуру послежердняковых насаждений как всеобщее правило. Поскольку наличие трех групп не укладывалось в представления о конкурентном отборе особей среди генетически однородного материала, деревья средней группы автор квалифицировал как «интермедиатные», не определившиеся, куда им дальше переходить - в группу господствующих или подчиненных. Кроме того, во многих насаждениях выделялась 4-я группа отмирающих деревьев [4].

С точки зрения исходного полиморфизма посевов 3-4 групповая структура дре-

[email protected]

востоев естественна - как остаток исходной 4-5 групповой структуры, трансформированной конкурентным отбором [3].

Подобное прочтение картины развития древостоя осложняется, во-первых, неявным присутствием форм в посевах. При садовом поштучном выращивании распределения групп-форм по количественным признакам перекрываются примерно наполовину и общее распределение внешне непрерывно. Во-вторых, онтогенетические траектории развития признака у особей, относившихся ранее к одной группе, в пунктах бифуркации (в критических точках онтогенеза) могут расходиться [3, 5].

Популяции древесных видов неоднородны и по физиологическим параметрам. Так, интенсивность фотосинтеза снижается от утреннего подъема до полуденной депрессии по одной из 3 модальных траекторий, объединенных в 3 серии. Температурная зависимость дыхания ствола дуба распадается на 7 функций, композиция которых дает наблюдаемые в течение сезона вариации интенсивности дыхания. Зависимость суточной транспирации от освещенности листьев (хвои) - серия параллельных прямых, и т.д. [5]. Из видового ассортимента особь получает более или менее полный комплект поведенческих реакций.

По «линейным» количественным признакам вид - серия форм, различия между которым обусловлены кратностью амплифи-цированных линейных повторов сайтов, локусов, доменов, работающих (экспрессируемых) в геноме особи, метамера, ткани. В отсутствие конкуренции особи выстраиваются по величине признака Х в линейный ряд Симпсоновских треугольных групповых (формовых) распределений, перекрывающихся наполовину внутригрупповой области определения Х [3],

Критерием истинности результата становится уже не только близость средних значений Х, но и повторяемость серии средних

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2012

87

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

{X}, характеризующих формы или состояния объекта; при этом отдельные элементы серии могут отсутствовать, а средние Х по гетерогенной выборке не совпадать. Основной статистический образ варьирования Х в полиморфной популяции на выровненном фоне - ряд треугольных Симпсоновских распределений, соответствующий ряду представленных групп-форм. Гауссовская «нормальная» аппроксимации распределений для гетерогенной выборки недостаточны. Процессы, издавна описанные в лесоведении и лесоводстве как стохастические, наполняется селекционно-генетическим содержанием. Структурированность объекта требует индивидуального подхода к сбору данных (по отдельным особям, метамерам, фазам развития и т.п.).

Симпсоновская треугольная группа -естественный образ генетически однородного элемента, у которого варьирование величины признака создается случайным, а иногда и индуцированным (как у большинства поведенческих признаков) включением - выключением генетических доменов-повторов в двух гомологичных хромосомах. Их сумма при случайном и независимом варьировании дает Сипмпсоновский треугольник частот [3].

Возможность прочтения групповой изменчивости, групповой структуры выборки реальна только в случае сохранения индивидуальных адресов исходных данных. Необходима привязка параметров к отдельным особям, отдельным метамерам, отдельным стадиям онтогенеза. Как только мы перешли к средним показателям, возможность группового анализа утрачена. Исследуя, к примеру, среднюю ширину годичных колец с точки зрения дендрохронологии, мы теряем возможность понять структуру популяции.

Очень информативен прием «проекции» распределения особей, выживших в старшем возрасте, на структуру посева в молодости. Он позволяет выяснить, например, что в условиях I—III классов бонитета в старших возрастах сохраняются не просто наиболее крупные и успешные деревья, но отбор идет раздельно по группам; в каждой группе выживают преимущественно самые крупные особи. В группе господствующих сеянцев со-

храняются практически все растения. В группе угнетенных почти все вымирают с возрастом. Реализация такого подхода возможна только в случае длительных индивидуальных наблюдений за ростом деревьев (нумерованные особи на постоянных пробных площадях, позиции индивидуальных сеянцев в штучных посевах и т.п.) [3, 5].

Исследуя групповой полиморфизм, желательно искать и использовать маркерные признаки, позволяющие «раскрасить» однородные объекты и естественным образом разбить выборку на группы. При этом часто, с помощью признаков-маркеров, удается вы-щепить из ряда изменчивости, представлявшегося непрерывным, мономорфные группы, имеющие Симпсоновское распределение значений признака [3].

Приложение концепции линейных количественных признаков проиллюстрируем на примере фенологических форм дуба че-решчатого.

Поздноцветущую (позднораспус-кающуюся, позднюю) Quercus robur L. var tardiflora Czern. и раноцветущую (рано-распускающуюся, раннюю) Q. robur L. var praecox Czern. разновидности дуба черешча-того выделил в 1850-х гг. В.М. Черняев [6], профессор Императорского Харьковского университета в «Слободской Украине» (Харьковская губерния и Земли Войска Донского). Поскольку сроки цветения и распускания листьев у деревьев дуба близки (зацветание опережает листораспускание в среднем на пять дней), данные фенологические формы чаще называют позднораспускающейся и ра-нораспускающейся — поздней и ранней.

В Теллермановском опытном лесничестве ИЛАН дубы ранней формы готовятся развертывать листья после весеннего подъема среднесуточной температуры выше +8,5 оС. После этой даты массовое листораспускание начинается спустя 18 суток в нагорных экото-пах и спустя 20 суток в пойме [5]. У позднего дуба почки распускаются в среднем через 20 суток после перехода температуры воздуха выше +10,3 оС.

В экспериментальных полусибсовых посевах дуба, созданных Е.И. Еньковой в

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

1945 г в трех контрастных экотопах Теллерма-новского опытного лесничества, 90 % особей воспроизвели материнскую фенологическую форму (их листораспускание укладывалось в сроки, характерные для наблюдавшихся одновременно материнских субпопуляций) и только 10 % вышло за рамки материнского фенотипа [5]. Потомки двух деревьев, отобранных Е.И. Еньковой (18 сеянцев от раннего и 18 от позднего), в контролируемых температурных условиях дружно повторили материнский фенотип [7]. Посевы близнецовых пар из продольно рассеченных зародышей, получивших по одной семядоле, сохранили ранги материнских деревьев по срокам распускания листвы, даже при выращивании разлученных близнецов в разных эколого-географических местообитаниях (Анциферов и Чемарина, 1990). Индивидуальные особенности фенологии листораспускания наследуются. В экологических и географических культурах дуба воспроизводится формовая структура материнских популяций. Наследуются и другие фенологические параметры деревьев дуба (например склонность сохранять зимнюю листву) [8].

В естественных популяциях дуба фенологические наблюдения показали непрерывность ряда изменчивости деревьев по датами листораспускания (и цветения); ряда, состоящего, однако, из серии групп-форм со сроками листораспускания, перекрывающимися на 1/2. Пользуясь наблюдениями А.Е. Котюкова в Тульских засеках по датам листораспускания Т можно выделить четыре группы (фенологические формы) деревьев дуба. Фенологические формы имеют области изменения Т, перекрывающиеся примерно на 1/2. Деревья с узкими областями изменения Т вписаны в широкие групповые кластеры [9].

На стационарах ВНИИЛМа в Тульских засеках, Шиповом лесу и Татарстане Г. А. Анциферов и О.В. Чемарина в течение 9 лет наблюдали фенологию листораспускания Quercus robur L.. Построив распределения деревьев по суммам эффективных среднесуточных температур (Z Т° (> 5 оС)), необходимых для начала листораспускания [10], они надеялись выявить внутривидовые отдельности - фенологические формы дуба. Однако дере-

вья попадали в перекрывавшиеся области Z Т3. «Характер распределения каждой фенологической фазы в микропопуляциях непрерывен. ... На основе имеющихся данных можно утверждать, что признак этот в популяциях не дискретен, распределения представлены кривыми, близкими к кривым нормального распределения, кривым Пирсона А при смещении максимума влево и кривым Пирсона Б при смещении максимума вправо. Разделение на фенологические формы (ранораспускаю-щиеся, позднораспускающиеся и переходные) в этом случае проводят лишь условно, опираясь на принцип неперекрываемости фаз цветения» [10].

Действительно, по признаку «сумма эффективных температур», необходимая для начала листораспускания, естественная популяция дуба образует непрерывный ряд индивидуальной изменчивости признака, но ряд этот состоит из перекрывающихся треугольных Симпсоновских групп. Моделируя результаты ГА. Анциферова и О.В. Чемариной как ряды фенологических групп-форм, мы выделяем по фенологии листораспускания в Шиповом лесу (Воронежская область) четыре группы. В Тульских засеках - пять. В Татарстане полигон распределения представлен всего лишь одной ранней группой. Каждая фенологическая группа-форма обладает широким люфтом варьирования средней суммы эффективных температур (около 100 градусосуток). В годы с разной динамикой весеннего подъема температуры сумма, необходимая дереву для прохождения фенологической фазы, существенно меняется. Значения сумм эффективных температур, соответствующие одноименным группам-формам, в разных лесных массивах и регионах несколько различаются.

Идеалу «неперекрываемости» [9] отвечают ранняя и поздняя фенологические формы дуба в культурах, созданных на падинах Прикаспийской низменности в Джаны-бекском стационаре ИЛАН (граница Волгоградской области и Западного Казахстана). Саженцы для посадок были получены из Эльтонского лесхоза в Западном Казахстане (потомки ранней формы) и из Волгоградской агролесомелиоративной и садово-виноград-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012

89

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

ной станции (потомки поздней формы). Для мониторинга фенологии листораспускания в культурах из Эльтонского и Волгоградского посадочного материала отобрали по 40 «хорошо развитых» особей. Сроки развертывания листьев и цветения раннего и позднего дуба в культурах Джаныбекского стационара ИЛАН, не перекрывались во все 9 лет непрерывных наблюдений, проведенных С.Н. Карандиной (1966).

В Теллермановском опытном лесничестве ИЛАН сроки распускания листьев, если рассмотреть их за все 20 лет наблюдений, выполненных Н.В. Кондрашовой, перекрываются почти наполовину [5]. Между тем, в Теллермановском лесу мы, вне всякого сомнения, сталкиваемся с субпопуляциями дуба, обособленными и территориально и генеративно. Поздняя форма дуба череш-чатого, заселяющая нагорные дубравы Тел-лермановской рощи, вероятно, не является частью естественной популяции, но интроду-цирована по директивам центральной власти для создания сырьевой базы парусного кораблестроения. В период Азовских походов Теллермановский лес привлекал внимание Петра I. При нем у юго-западного окончания лесного массива строится Хоперская верфь. В царствование Екатерины II на том же месте поставлена Новохоперская верфь. Предположение об интродукционном происхождении Теллермановского позднего дуба согласуется с его неудовлетворительным естественным возобновлением и вытеснением из нагорных лесов другими древесными породами. Тел-лермановский поздний дуб обладает особым фенологическим ритмом, определяющим «блуждания» дат его листораспускания относительно местной ранней формы.

Существование рано- и позднораспус-кающихся форм в виде групп (популяций [8]), изолированных абсолютно четко (Джаны-бекский стационар ИЛАН) или более-менее четко (Теллермановское опытное лесничество ИЛАН), - артефакт, связанный с интродукцией феноформ дуба. Их генеративная изоляция - результат вырезания отдельных групп из непрерывного ряда изменчивости и введения избранных форм в культуру. В авто-

хтонных популяциях фенологические формы дуба обычно входят в ряды из 3-5 перекрывающихся групп-форм. Для полного набора видовых феноформ ряд температур воздуха, соответствующих старту листораспускания, будет выглядеть примерно так: 6, 8, 10, 12, 14, 16 оС. Последняя форма со стартовой температурой 16 оС предположительно встречается в Западной Европе.

Только при интродукции дуба, как это имеет место в культурах Джаныбекского стационара ИЛАН или как подозревается нами в Теллермановской роще и в Слободской Украине, мы видим раннюю и позднюю формы в качестве более или менее строго обособленных субпопуляций. В культурах Джаныбекского стационара, например, представлены формы 2 и 4 (нумерация в порядке увеличения стартовой температуры листораспускания). В Теллермановском опытном лесничестве - 2 и 3, третья интродуцирована в нагорных лесах.

По свидетельству В.М. Черняева, «го-ровой» поздний дуб называли «Петровским» [6]. Это подтверждает предположение о том, что его первые посевы в бассейне Дона созданы во время Азовских походов Петра Великого. Интродукционное происхождение позднего дуба в Слободской Украине обусловило его выделение В.М. Черняевым в качестве четкой фенологической отдельности. Активное использование дуба как военно-стратегической породы при формировании засек, строительстве крепостей, городков, пристаней, верфей и парусных кораблей требовало посевов желудей [5] и внесло сумятицу в структуру естественных популяций дуба черешчатого.

Кроме того, ранние и поздние фенологические формы неоднородны и имеют свои экологические расы [8 и др.]. У позднего дуба преобладают суборевый и дубравный экотипы. У раннего - пойменный и дубравный. Использование при интродукции разных экотипов вносит дополнительную путаницу в структуру феноформ искусственных и полуискусственных лесных массивов.

Многочисленные исследования были посвящены особенностям экологогеографического распространения фенологических форм дуба [5-10 и др.]. Типичный случай -

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.