ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЛАСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ЛИСТОВЫХ ПЛАСТИН TRIFOLIUM PRATENSE

Пластическая изменчивость мерных признаков растений относится к фенотипическому виду изменчивости, важнейшим видом воздействия на него является освещение и комплекс минеральных питательных веществ. Флуктуационная изменчивость – это различие между левой и правой сторонами признака, указывающая на степень отклонения от стабильности развития, которая, в свою очередь, зависит от внутренних генетических и внешних факторов среды.

Исследователей интересует вопрос о соотношении этих двух видов изменчивости. Предполагается, что повышение пластической изменчивости, сопровождаемое флуктуационным отклонением, способствует снижению стабильности развития и нарушению биохимического гомеостаза

По мнению Ван Донгена, флуктуирующую асимметрию нужно рассматривать как шум развития, который стохастически независимо проявляется в различных признаках и относительно не зависит от действия внешних факторов

Для растений, особенно культивируемых сортов, как и для представителей высокопродуктивных пород животных, скорее характерен узкий диапазон нормы реакции на внешние условия. Для травянистых растений высокая пластическая изменчивость сопряжена с высоким фототаксисом, возможными аллометрическими свойствами, меняющимися при изменении размеров растения.

Система севооборотов, режим вносимого удобрения и основные обработки почвы – это технологические факторы, позволяющие получать высокую биологическую продукцию, и способные отклонять флуктуационные свойства в виде повышения асимметрии со снижением гомеостаза развития растения

Климатический фактор играл решающую роль в пластической изменчивости листовых пластин клевера лугового, которая положительно коррелировала со значением ФА, а отвальный способ обработки почвы снижал стабильность развития клевера

В современном сельском хозяйстве используется адаптивно-ландшафтная система земледелия с различными типами севооборота с целью накопления органического вещества в почве с высоким коэффициентом гумификации и повышенным содержанием основных минеральных элементов питания.

Целью работы являлось изучение соотношения двух видов фенотипической изменчивости клевера лугового при различных приёмах обработки почвы. Были приняты во внимание не только корреляционные особенности фенотипической изменчивости, но и фитнес растения, как скоррелированность величин признаков листовой пластины.

В работе использовался Клевер луговой (Trifolium pratense L.), сорт Марс. Сбор листовых пластин проводился после окончания вегетационной активности растений 19 сентября 2023 г. на стационарном опыте Верхневолжского федерального аграрного научного центра (г. Суздаль) на серой лесной слабокислой среднесуглинистой почве (рН = 5,2-5,6).

Исследования проводились на фоне следующих четырёх систем обработки почвы:

1) вспашка на 20-22 см под все малолетние культуры севооборота;

2) комбинированно-энергосберегающая, заключающаяся в сочетании вспашки на 20-22 см пласта многолетних трав с поверхностными обработками на 10-12 см;

3) комбинированно-ярусная, заключающаяся в двухъярусной вспашке пласта многолетних трав, со вспашкой на 20-22 см через год после двухъярусной вспашки с поверхностными обработками на 10-12 см;

4) противоэрозионная, заключающаяся в сочетании вспашки на 20-22 см пласта многолетних трав с глубоким рыхлением на 25-27 см.

Работа проводилась по системе 4-х севооборотов по следующей схеме. Первый: чёрный пар – озимая пшеница – овёс + мн. травы – мн. травы 1 г. п. – мн. травы 2 г. п. – ячмень). Второй: занятый пар – озимая рожь – овёс + мн. травы – мн. травы 1 г. п.– мн. травы 2 г. п. – яровая пшеница. Третий: мн. травы 1 г. п. – мн. травы 2 г. п. – озимая рожь – яровая пшеница – овёс – ячмень + мн. травы и четвертый: мн. травы 1 г. п. – мн. травы 2 г. п. – озимая пшеница–картофель – яровая пшеница – ячмень + мн. травы. Анализ морфологических характеристик и асимметрии проводился по данным, полученным после первого севооборота, проводилось сравнение севооборотов  по первому способу обработки почвы.

Листовые пластины собирались рандомно с максимально одинаковыми размерами, по одной пластине от одного растения (использовано от 21 до 34 особей) и помещались в бумажный пресс. Для определения ФА использовались 4 парных билатерально симметричных признака. Под хордой (1-й и 4-й признаки) подразумевался отрезок, соединявший основание и точку края максимальной ширины листочка (рис.1).

Рисунок 1 - Четыре парных признака, использованные для определения флуктуационной и пластической изменчивости

Примечание: 1 – длина хорды на среднем листочке; 2 – длина супротивных боковых листочков; 3 – ширина супротивных боковых листочков; 4 – длина хорды на каждом из боковых листочков

DOI:10.60797/jbg.2024.26.2.1

Каждое измерение проводилось дважды c помощью экранного дигитайзера DIG2. Определение величины ФА (ФА10) проводилось в смешанной модели 2-х факторного дисперсионного анализа (сторона × лист) в программе STATISTICA 10 (Palmer, Strobeck, 2003). Дополнительно, находился индекс асимметрии ФА2 по формуле |Л – П| / (Л + П), где Л и П – величины левого и правого признаков. Заметим, что такой индекс служил как ориентировочный. Исключение направленной асимметрии проводилось проверкой гипотезы об отсутствии различия между левой и правой сторонами (t-тест). При этом мы исходили из предположения о нормальном распределении левого и правого значений каждого признака. Ошибка измерения, после двукратного измерения рандомно выбранного признака, не превышала 10% его величины. Пластическая изменчивость (Пл) определялась по формуле:

Пл = (1– х/Х)/(П+Л)/2,

где:

х – наименьшее значение признака;

Х – наибольшее значение признака;

П и Л – величины правого и левого признака.

Коэффициент вариации CV определялся как отношение стандартного отклонения σ к среднему значению. Основной экспериментальной единицей служила листовая пластина. Под фитнесом понималась степень скоррелированности величин 4-х признаков листовой пластины, как основного объекта исследования. Корреляция ФА2 и Пл среди признаков находилась, как среднее на признак, а основной показатель корреляции между ФА и пластической изменчивостью рассчитывался на листовую пластину.

Определение корреляции проводилось по Спирмену, т.к., большинство выборок не подчинялись закону параметрического распределения (К-C тест: р < 0,05). Содержание нитратного азота проводилось потенциометрическим методом с помощью ион-селективного электрода; оксида фосфора P2O5 по Кирсанову; оксида калия K2O – по Масловой

Анализ содержания минеральных элементов показал превышение показателей во втором способе обработки почвы (табл. 1).

Чтобы объяснить повышенное содержание минеральных элементов, необходимых для функционирования растения, был проведён детальный анализ двух видов фенотипической изменчивости (таблица 2).

Направленная асимметрия в признаках не превышала по значимости уровень р = 0,01. Средняя величина признака (кол. 2) существенно различалась в четырех выборках (F(3;107,3); p=0,001) и была наибольшей (3,16 ±0,03) во второй выборке (второй способ обработки) на рис. 2). Корреляция ФА2/Пл в признаках была высокой за исключением первой выборки (вспашка) с наименьшим размером листовой пластины (колонка 6). Во всех выборках присутствовала связь между ФА2 и пластической изменчивостью (колонка 7), а размер листа отрицательно или не значительно коррелировал с изменчивостью листовой пластины (кол. 8). Флуктуирующая асимметрия была значимой при первой и третьей обработке (кол. 3). Пластическая изменчивость (Пл, кол. 4) различалась статистически и была наибольшей при 4-м способе обработки (F(3;107)=8,5; p=0,00004). Индекс ФА2 не различался (рис. 3).

Обращает внимание отрицательная корреляция между ФА2 и размером листа во втором способе обработки (кол. 5). Объяснением служит следующее: самый высокий размер листьев (сформированность пластины) сопровождается снижением ФА по мере формирования листа. Влияние способов обработки почвы на величину признака и на ФА показано на рис. 2 и рис. 3.

Рисунок 2 - Влияние способов обработки почвы на величину усредненного признака листовой пластины

Примечание: p=0,001

DOI:10.60797/jbg.2024.26.2.4

Рисунок 3 - Влияние способов обработки почвы на величину флуктуационной изменчивости признака

Примечание: р ≤ 0,05; вертикальные планки – 95%-й доверительный интервал; по оси ОХ – способы обработки почвы (1-4)

DOI:10.60797/jbg.2024.26.2.5

Таким образом, малый размер признака, и листовой пластины в первом способе обработки способствовал слабой отрицательной связи между двумя видами изменчивости. С повышением размеров листовой пластины связь ФА – Пл выравнивалась среди признаков. По всем выборкам в совокупности, асимметрия листовой пластины ФА2 была с сильной корреляционной связью с величиной пластической изменчивости (r = 0,70; p <0,05). Коэффициенты вариации ФА2 и пластической изменчивости показаны на рис.4.

Рисунок 4 - Зависимость коэффициентов вариации пластической (CVпл) и флуктуационной (CVфа2) изменчивости от способа обработки почвы

Примечание: статистически значимая ФА наблюдалась только при первом и третьем способах обработки; планки погрешности – с относительными ошибками

DOI:10.60797/jbg.2024.26.2.6

Высокие значения 2-х видов изменчивости сопровождалось высоким накоплением в зеленой массе минеральных веществ при втором способе обработки почвы. Повышенная пластическая изменчивость (второй и четвертый способы обработки) могли объясняться плоскорезной техникой рыхления почвы. При втором способе обработки изменчивость листовых пластин и их вегетативная масса коррелировала с накоплением соединений калия, фосфора и соединений азота, и не сопровождалась повышенной ФА или повышенным фитнесом.

Характерно повышение размеров листьев при четвертом способе обработки и резким снижением фитнеса (данные не указаны). Не было получено существенной высокой корреляции между значениями ФА в признаках. Так при втором и четвертом способе обработки признаки не коррелировали по показателю ФА2. В других способах обработки скоррелированность на признак была не более 0,2. Пластическая изменчивость превышала флуктуационную от 4-х (третья обработка) до 100 раз (первая обработка).

Множественная регрессия по всему объему данных показала влияние на флуктуационную изменчивость как пластической изменчивости (р=0,001), так и размера признака (р = 0,01).

Выводы:

1. Высокая стабильность развития при 2-м способе обработки почвы (комбинированной-энергосберегающая) сочеталась с высокой величиной признаков, повышенной пластической изменчивостью и максимальным содержанием минеральных элементов питания.

2. Отрицательная корреляция между признаками по величине флуктуирующей асимметрии (независимость ФА) была характерна для второго способа обработки с плоскорезным типом рыхления почвы.

3. При различных размерах пластины коэффициент вариации CV был удобным индексом при тестировании пластической и флуктуационной изменчивости.

Флуктуационную изменчивость мы рассматривали как вариацию индекса ФА2, статистически значимая ФА определялась индексом ФА10 в 2-х факторном анализе. Коэффициенты вариации были наиболее информативны из-за различия в величинах листовых платин.

Метод машинного обучения (метод опорных векторов с генерацией 10 000 значений) не показал влияния методов обработки на предсказанное значение ФА, а размер величины признака показал обратную зависимость с величиной ФА2.

Проведенное исследование предполагает, что увеличение в размерах органа приводят и к увеличению вариации обоих видов изменчивости. Величина ФА не всегда зависит от степени пластической изменчивости, или не находится в сопряженном, тесном взаимодействии, что предполагает и различную генетическую природу двух видов изменчивости.

По сравнению с древесными видами, пластическая изменчивость многолетних травянистых растений выражена выше. В признаках листовых пластин липы мелколистной характерно высокая степень сопряженности ФА – Пл

Для сравнения был поставлен анализ на величину флуктуирующей асимметрии (ФА10) в 4-х севооборотах (первый способ обработки). Снижение асимметрии было получено в ряду: 3-й севооборот (F=9,9; р=0,01), 1-й (F=14,3; р=0,02), 4-й (F=2,7; р=0,03) и 2-й (F=1,5; р =0,05). Наиболее высокое значение признака было в растениях, полученных в 4-м севообороте, т.е., мы не наблюдали корреляции между величиной признака и уровнем ФА10.

Только внутри 4-й популяции (севооборота) получена положительная корреляция в паре ФА2 – величина признака (Спирмена r = 0,28). Таким образом, в четвертом севообороте было обратное соотношение ФА2 – признак, чем в первом севообороте при комбинированно-энергосберегающей системе обработки. Дальнейшее исследование нам видится в нахождении различия в двух экспериментальных единицах: на уровне листа и на уровне признака с использованием многолетных данных.