1. Введение
Метод геометрической морфометрии, получивший развитие и признание в антропологии и морфологии животных, широко используется в системной биологии и в биологии развития [1], [2], [3]. Основным его преимуществом являются исключение различия в форме образцов и построение общей конфигурации формы биологического объекта. Сравнение формы проводится с использованием координат меток, наносимых на определенные участки как контура, так и внутренних структур. Усреднение формы позволяет сравнивать геометрические характеристики исследуемых выборок с высокой точностью, независимо от различия в форме. В настоящее время такие работы проводятся на различных биологических объектах. Помимо площади листовой пластины, соотношения частей пластины, исследователей интересует билатеральная асимметрия, а именно флуктуирующая асимметрия (ФА), т.е. ненаправленное отклонение в левую и правую стороны от оси симметрии, что свидетельствует об изменчивости в стабильности развития.
Флуктуация латеральных структур злаковых растений значительна и зависит как от генотипа, способа возделывания почвы, объема вносимых удобрений, так и от климатических условий [4], [5], [6].
В предыдущем исследовании повышенная доза удобрения вызывала снижение стабильности развития в растениях овса и повышение стабильности развития (снижение ФА) у ячменя.Флуктуирующая асимметрия была более высокой в листьях ячменя в контрольных растениях [7].
Использованный метод определения флуктуирующей асимметрии был основан на изменчивости формы всей листовой пластины, а индекс ФА определялся на основе статистической значимости и критерии F в двухфакторном дисперсионном анализе.
В предлагаемой работе использовался упрощенный метод геометрической морфометрии с использованием различия в дисперсии левых и правых координат меток, расставляемых по краю пластины.
В нашу задачу входило изучение уровня флуктуационной изменчивости и стабильности развития в зависимости от способа обработки почвы как фактора, влияющего на структурные и биохимические свойства почвенного покрова. Изучено также влияние дозы вносимого удобрения (аммофос).
2. Материал и методы
Исследования проводились в 2024–2025гг. на опытном участке Верхневолжского федерального аграрного научного центра (ФАНЦ, 56,2157°N; 40,5166°E) и были частью эксперимента, проводимого с 1996 г. на серых лесных почвах Владимирского Ополья. Применялось 4 способа основной обработки почвы: отвальная вспашка на глубину 20–22см — 1 об.; комбинированно-энергосберегающая на глубину 20–22см — 2 об.; комбинированно-ярусная на глубину 25–27 см — 3 об. и противоэрозионная на глубину 25–27см — 4 об. Использовалось также 2 дозы удобрения. Первая доза составила N45P45K45, (за ротацию N285P225K225), вторая доза — N45P45K45 (за ротацию — N315P255K255).
В работе были использованы агротехнологии и официально принятые системы севооборота при выращивании ячменя (Hordeum vulgare L. (1753)), сорт «Суздалец».
Площадь каждой делянки составляла 35м2 (5×7). Азотнофосорнокалийное удобрение вносилось перед посевом. Делянки располагались не далее чем 100м друг от друга и отделялись межевыми полосами (1м) от контрольных растений. Сбор листовых пластин проводили 29 июля 2025г. в фазе восковой спелости с 6-ти площадок (контрольные растения, полученные при 4-х способах обработки почвы и растения, выросшие при повышенной дозе удобрения).
С каждой площадки (делянки) собиралось около 40 листовых флаговых пластин. Отбраковывались наиболее мелкие листья или искривленные механической деформацией. После высушивания проводилось измерение длины каждой пластинки, и из центра пластины вырезался сегмент длиной 5см. Полученные образцы, по 26 от каждой популяции наклеивались на бумагу и сканировались с мерной линейкой сканером CanonMF 3010c разрешением 500 dpi (500 пикселей на дюйм), (рис.1А).
Сегмент листовой пластины с метками после обработки в программе TPS
Геометрическая морфометрия флуктуирующей, направленной асимметрии и формы листовой пластины выполнялась пакетом программ TPS [8]. По периметру листовой пластины наносились 52 метки с равным интервалом, две первые метки служили истинными лэндмарками и обозначали ось симметрии. Программа TPSRelv проводила усреднение всех координат с вычетом различия в величине образцов и отмечала направление векторов (рис.1Б-В).
ФА определялась по различию дисперсии 50-ти парных меток. Сначала использовалась формула нормирующей разности с абсолютным значением (L–R)/(L+R), где L и R, соответственно величины дисперсии каждой из 50-ти меток. Затем из каждого значения вычиталось значение направленной асимметрии (НА). После этого находилось отношение к величине НА.
Величина направленной асимметрии (абсолютная величина), как генетического компонента изменчивости, находилась по усредненному значению нормирующей формулы, взятой со знаком. Само присутствие НА определялось в двухпарном t-тесте с нулевой гипотезой о равенстве величин R и L.
Анализы выполнялись в среде MSExcel и STISTICA 10, cтатистическая значимость α во всех анализах была на уровне 95%.
3. Результаты и обсуждение
Длина листовых пластин ячменя различалась, т.к. однофакторный дисперсионный анализ показал статистическое значимое различие (F= 7,9; p= 0,00001). Наибольшее значение длины пластины было в контроле и при 4-ом методе обработки почвы, соответственно, 15,85± 0,56 и 14,38± 0,31см. В контрольных листьях мог доминировать компенсаторный механизм с развитием вегетативных органов, четвертый способ обработки с глубокой пропашкой мог положительно влиять на развитие вегетативных частей (листьев). Направленная асимметрия была обнаружена во всех популяциях со значимостью р= 10-2-10-6. ФА преобладала при первом способе обработки почвы, а также, в контроле (рис.2).
Средние значения величины ФА/НА со стандартной ошибкой в зависимости от способа обработки почвы, ФАк – контроль (F = 8,5; p = 10-6)
Проведено сравнение стабильности развития с использованием двух доз удобрения, вносившихся в почву при первом способе обработки почвы (отвальная вспашка на глубину 20–22см). Образцы, полученные на первой дозе, показали повышенную дисперсию значения ФА/НА (F= 10,1; р= 10-7). Был применен t-тест для выборок с разными дисперсиями, который показал серьезное статистическое различие (tcтат.=3,3; одностороннее р = 0,001). Таким образом, первая доза показала повышенную величину ФА (снижение уровня стабильности развития) по сравнению со второй дозой удобрения, соответственно — 1,78±0,34 и 0,62±0,11.
4. Заключение
Различие в длине листовых пластин мы объясняем, тем, что в условиях стресса (недостатка питательных веществ) растение может переориентировать свои ресурсы. Растение использует энергию на увеличение площади листьев, что позволяет ему максимально использовать доступный солнечный свет для фотосинтеза, пытаясь компенсировать дефицит питательных веществ. Возможно и другое объяснение: недостаток азота, фосфора и калия может привести к изменению соотношения ауксинов и других гормонов, стимулируя рост листовой пластины.В отсутствие удобрений, где развитие тормозится, а размножение затруднено, растение может «сфокусироваться» на вегетативной массе [9].
Известно, что культура ячменя требовательна к влаге, например, в фазе налива зерна, а склонность к кущению мы связываем с сильной примесью направленной асимметрии. Отвальный способ обработки почвы (первый) вызывал повышенную флуктуирующую асимметрию, по сравнению с более технологичными и интенсивными видами обработки почвы. Известно, что ячмень требователен к влаге, в период созревания. Предыдущее изучение морфологической особенности флаговых листьев показало более высокую нестабильность ячменя по сравнению с другими культурами, например, овсом, что соответствует общепринятым представлениям о физиологических особенностях этого сельскохозяйственного растения, принимая во внимание и стрессовые погодные условия [10].
Проведенная работа подтвердила результаты, полученные в 2022 год, т.к. повышенная доза удобрения способствовала повышению стабильности развития. В опыте 2022 года использовались растения одинаковой длины, при этом контрольные растения ячменя показали более высокую нестабильность развития, по сравнению с растениями, выращенными на повышенной дозе удобрения, которое могло стабилизировать биохимические процессы в этой относительно требовательной культуре.