Татьяна Федорова
Методические рекомендации для выполнения самостоятельных работ на зональной летней учебной практике студентов 2-го курса зоолого-ботанического отделения биологического ф-та МГУ. Часть I

Предисловие

Во время проведения зональной летней учебной практики студентов 2-го курса зоолого-ботанического отделения Биологического ф-та МГУ один день на каждой точке маршрута отводится для самостоятельных работ. Самостоятельные работы студентов осуществляются с целью углубления, расширения, систематизации и закрепления полученных теоретических знаний, развития познавательных способностей и активности, формирования умений использовать эти знания на практике для выполнения научных работ, а также формирования самостоятельного мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации, развития исследовательских умений и навыков.

1. Во время выполнения самостоятельной работы преподаватель формулирует примерные темы работ, а студент выбирает импонирующую ему тему.

2. Студент должен следовать схеме подготовки к самостоятельной работе:

• выбор и ознакомление с темой работы

• изучение основной и дополнительной литературы по теме (если есть)

• формулирование цели и задач

• формулирование плана работы

• сбор материала

• проведение необходимых полевых исследований, соответствующих задачам и возможностям практики

• проведение необходимых камеральных исследований, если такая возможность есть

• обсуждение и изложение результатов и структурированных выводов

• подготовка доклада и презентации для защиты самостоятельной работы.

Введение

Одним из направлений возможных тем для самостоятельных работ на зональной летней учебной полевой практике студентов Биологического ф-та МГУ может быть изучение таксономического состава некоторых родов высших растений данной территории, а точнее, выявление и наименование гибридов симпатрически произрастающих близких видов одного рода. Такие виды при совместном произрастании очень часто образуют гибридную популяцию. Кроме того, естественные гибридные зоны и гибридные популяции являются ценным инструментом для понимания происхождения и поддержания репродуктивной изоляции (РИ) и, следовательно, видов. Самые эффективные способы выявления и исследования гибридов – это сравнения геномных исследований выборки гибридной популяции с использованием полного или частичного секвенирования генома с геномными исследованиями родительских исходных популяций, вовлеченных в гибридизацию. Но для идентификации и выявления гибридов и их родителей также необходимо изучение морфологической изменчивости на большом материале в естественной среде обитания, что может быть успешно осуществлено в рамках полевой практики студентов.

Гомоплоидные гибриды образуются в результате скрещивания родителей с одинаковым числом хромосом и могут быть плодовиты и сохранять способность к возвратному скрещиванию с родительскими видами. Примером может быть пион – эндемик Грузии Paeonia × chamaeleon – вид гибридного происхождения, родителями которого являются P. caucasica и P. mlokosewitschii. Этот тип гибридизации называют “интрогрессивная гибридизация”, в результате которой происходит включение некоторой части генома одного родительского вида в геном другого родительского вида при кроссинговере. Такие гибриды еще называются рекомбинантные. У них могут проявляться черты как одного так и другого родителя при условии кодоминирования признаков. Если числа и морфология хромосом родителей сильно различаются, то гибриды F1 могут быть частично или полностью стерильны, но могут продуцировать нередуцированные гаметы, что позволяет им участвовать в возвратных скрещиваниях. При изоляции такие гибриды могут занять определенную территорию и создать воспроизводящуюся популяцию. Этот способ видообразования называется рекомбинационным (Родионов, 2013; Родионов и др., 2019).

Глава 1. Методика сбора растений из гибридной и родительских популяций

1. Древесные растения.

Например, известно, что Populus alba и P. tremula образуют гибриды, широко известные как P. x canescens. В местах совместного произрастания они образуют большие «мозаичные» гибридные зоны. Такая гибридная зона была исследована в долине Дуная недалеко от Вены (Австрия). Зона отбора проб охватывала линейное расстояние примерно 110 км долины реки между Кремсом и Хайнбургом, включая пойму и «галерейный» лес, расположенный в пойме Дуная, Национальный парк (http://www.donauauen.at/) и прилегающие области. Гибридные морфотипы P. x canescens отбирались таким образом, чтобы максимизировать географическое покрытие в гибридной зоне. Для сбора материала родительских видов выбирают две соседние «популяции». Эти образцы были проанализированы ранее (Lexer et al., 2005) и было выяснено, что такие «популяции» правильно называть «субпопуляции», поскольку молекулярный анализ показал, что уровни обмена генами между видами высоки (Lexer et al., 2005) и что они образуют одну панмиктическую единицу для каждого вида. Для выделения ДНК молодые листья собираются и кладутся в селикагель. Для первой субпопуляции P. alba из долины Дуная в Австрии в зоне симпатрии отмечалась – только средняя точка отбора проб (центр области сбора образцов) (48,261 Н, 16.271 E); для второй субпопуляции из Румынии, расположенной вне зоны симпатрии, также отмечалась только средняя точка отбора проб: (43,771 Н, 23,961 E). Образцы P. tremula были собраны на Дунае (Австрия) в пределах зоны симпатрии: (средняя точка отбора проб – 48,281 Н, 15,891 E) и из Восточных Альп в Австрии вне зоны симпатрии (средняя точка отбора проб – 46,621 Н, 13.851 E). Размер выборки составил: 378 образцов для гибрида P. x canescens, 88 образцов для P. alba и 78 образцов P. tremula.

В Испании в гибридной зоне произрастания P. alba и P. tremula был собран материал с 432 и 505 соответственно с одиночно стоящих деревьев для изучения однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) из ДНК участка, ассоциированного с сайтом рестрикции (RAD). Проводили оценку геномной дивергенции, сравнения кариотипов и дифференциации по всем 19 хромосомам. Обнаружено преобладание гибридов F1 в центре геномных клин с одной стороны, и геномно и пространственно локализованные, изменчивые варианты, свидетельствующие о древней интрогрессии между родительскими видами. Была показана роль отбора против рекомбинантных генотипов в поддержании РИ (кажущаяся фертильности F1), что согласуется с моделью внутригеномной «коадаптации» барьеров к интрогрессии при вторичном контакте. Иногда зоны интрогрессивной гибридизации охватывают огромные пространства. Так, в Восточной Европе и Западной Сибири после отступления ледника сомкнулись и частично перекрылись ранее разделенные ледником ареалы ели европейской (Picea abies) и ели сибирской (P. obovata). Естественные гибриды между этими двумя видами морфологически и по молекулярным ядерным маркерам (аллозимы, микросателлиты) уклоняются то в сторону одного, то в сторону другого родителя и распространены в полосе, протянувшейся с северо-запада на юго-восток от Мурманской области до Пермской области и Башкирии. Гибриды часто называют ель финская (P. х fennica) и даже считают его молодым гибридогенным видом. Вероятно, что распространение гибридов P. abies × P. obovata, еще шире, до левого берега Оби включительно, на что указывают обнаруженные у фенотипически сибирской ели характерные для североевропейских популяций P. abies гаплотипы митохондриальной ДНК (Мудрик и др., 2016).

Сбор материала покрытосеменных древесных растений для изучения признаков вегетативной сферы гибридов и их родителей в зоне гибридизации, например, тополей, осуществляется в конце мая – июне, т.к. позже листья теряют опушение и поражаются грибами. Необходимо собрать в гербарий материал в виде удлиненного побега-ауксибласта с несколькими, расположенными на нем брахибластами.

В день сбора материала данные о площади популяции и координаты границ популяции заносятся в специальное приложение с геолокациями (например, Google Earth, где можно узнать площадь участка и отметить координаты отдельных образцов).

Для дальнейшей статистической обработки необходимо собрать фрагменты побегов не менее 10 каждого родительского вида и 30 гибридных особей.

Для анализа микроморфологии листьев с использованием светового и сканирующего электронного микроскопа молодые листья фиксируются в 70% этиловом спирте.

Изучение признаков макроморфологии поверхности ствола и ветвей осуществляется на месте. Анализируется окраска, структура поверхности ствола, скелетных и малолетних ветвей.

Признаки, отличающие гибрид от родителей и родителей друг от друга, заносят в диагностическую таблицу.

Весной, в период цветения тополей проводятся исследования генеративной сферы: мужских и женских соцветий, а также созревших плодов и семян. В данном пособии мы не рассматриваем методики изучения признаков генеративной сферы.

2. Травянистые растения.

Виды рода шалфей Salvia L. часто образуют естественные межвидовые гибриды в зоне совместного произрастания. Многие из которых были описаны как нотовиды – таксоны гибридного происхождения (Simonkai, 1900; Hrubý, 1935; Epling, 1947; Reales et al., 2004, Nachychko et al., 2017а, 2017б). Salvia transsylvanica относится к видам с высоким потенциалом к гибридизации (Tychonievich & Warner, 2011) игибридизирует с S. nemorosum L., S. nutans L. и S. pratensis L., которые могут встречаться в тех же местообитаниях, что и S. transsylvanica (Prodan, 1957; Simonkai, 1900; Răvăruţ & Nyárády, 1961). Гибриды этих видов были описаны как нотовиды: S. x hybrida Schur (1866) [S. nemorosum x S. transsylvanica], S. x telekiana Simonkai и Thaisz (Simonkai, 1900) [S. nutans x S. transsylvanica] и S. x bichigeanii Prodan (1957) [S. pratensis × S. transsylvanica]. Из-за того, что они встречаются исключительно в пределах ареала S. transsylvanica, эти гибриды, по-видимому, там же и возникли.

Несмотря на то, что первоначально S. transsylvanica был описан как разновидность S. pratensis (см. ниже), в настоящее время его считают отдельным видом (Ciocârlan, 2009; Nikolova & Aneva, 2017; Govaerts et al., 2019). От близкородственного и более распространенного европейского вида S. pratensis он отличается густо белоопушенными листьями снизу (Hedge, 1972) и числом хромосом 2n = 16 (Tychonievich & Warner, 2011). Напротив, листья S. pratensis почти голые снизу (Hedge, 1972), а число хромосом обычно равно 2n = 18, но иногда также указывается 2n = 16, 20 и 32 (Rice et al., 2015), хотя это может быть связано с ошибочной идентификацией растения.

Гибриды S. transsylvanica (S. x hybrida, S. x telekiana и S. x bichigeanii) спонтанно встречаются на территориях, где произрастают оба родительских вида и образуют зону гибридизации. Они имеют промежуточное значение некоторых морфологических признаков между S. transsylvanica и соответствующими родительскими видами (S. nemorosum, S. nutans и S. pratensis). Гибриды имеют более или менее развитое беловатое опушение на нижней стороне листа, характерное для S. transsylvanica