XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Проект по изучению молекулярно-генетического состава редких альбовых форм Венериного башмачка пятнистого (Cypripedium guttatum) и организации питомника на долине Эркээни
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Cypripedium guttatum Sw. f. albiflorum Aver был обнаружен учащимися города Якутска в смешанном лесу из березы, ели и лиственницы в улусе Хангалас во время экспедиции Эллеяда в 2015 году. Относительно широко распространенный вид Cypripedium guttatum Sw. Встречается в европейской части России, Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, в Монголии, Китае, Японии и Северной Америки. Центральная Якутия – самый северный ареал распространения Cypripedium guttatum. Ареал распространения же белой формы Капельного Венеринового башмачка очень ограничен. До 2015 года Cypripedium guttatum f. albiflorum были обнаружены только в западносибирских районах Тюмени и возможно Перми. Другая хорошо документированная информация о распространении растений в других странах не известна. Этот факт делает Cypripedium guttatum f. albiflorum очень редким растением достойным дальнейшего изучения. Ботаник кандидат биологических наук Екатерина Александровна Афанасьева из Якутского института биологических проблем криолитозоны Российской Академии наук в июне 2019 года вместе с ученицами Ойской школы Корякиной Ангелиной и Малышевой Викой провели замеры на естественных местах произрастания Настоящих Венериных башмачков сначала на горе Эбэ Быраан, затем Пятнистых Венериных башмачков и альбовых форм в районе ледника Булуус. Со второй половины 2020 года на базе Университета Гамбурга (Германия) планируется проект «Молекулярно-генетические исследования Cypripedium guttatum Sw. F. Albiflorum Aver.» С этой целью Екатерина Афанасьева с помощью ученицы Малышевой Вики на местах соберут образцы листьев изучаемого растения. Для молекулярно- генетического анализа достаточно небольшого количества листьев исследуемых растений. Обычно для получения ДНК, необходимой для анализа, требуется срезы размером 1х1 см. Растения при этом почти не имеют повреждений и негативного влияния на их жизнеспособность. Исследования будут проводиться на кафедре «Систематика и эволюция растений» в Гамбурском университете под руководством профессора Йенса Г. Ровера и доктора наук Дмитрия Трофимова. Немецкое Общество Многолетних растений (Die Gesellscraft der Staudenfreunden e.V.) поддерживают этот проект как в финансовом, так и в информационном отношении в печатных СМИ.
Школьная экспедиция «Эллэйаада» каждый год делает новые открытия и собирает новые материалы, которые будоражат умы ученых не только Якутии, но и всей России. Во время одной такой экспедиции участниками была обнаружена уникальная колония Венериных башмачков белого цвета, состоящая из 150 особей. Это находка стала настоящим открытием и загадкой для нас. Мы не знали биологию нашей находки, по крупицам собирали информацию, много общались с учеными и многое выяснили об этих растениях. Но все равно мы до конца не выяснили природу происхождения белых форм этих растений. Возможно это результат мутации, например, альбинизма. А возможно это результат полиморфизма или это такой сорт. Долина реки Лены – уникальный природный компонент, в котором сохранилось много реликтов, эндемичных форм. После долгих обсуждений мы решили открыть питомник на горе Эбэ Быраан для более близкого и детального их изучения. Мы планируем пересадить туда и других редких эндемиков Якутии. А также хотим предложить такой проект питомника Национальному природному парку «Ленские столбы».
Новизна: На территории Якутии летом 2015 года впервые выявлены места произрастания белой формы Венериного башмачка пятнистого. Белые формы ранее не были замечены и не изучены в Якутии.
Актуальность: В Якутии произрастают уникальные и редкие эндемики, внесенные в Красную книгу. Их сохранение является одной из приоритетных задач нашей Республики. Белые формы встречаются нечасто и их еще никто толком не описал.
Цель проекта: Проведение молекулярно-генетического состава в университете Гамбурга для выявления причин расхождения признаков, а также предложение проекта по организации питомника для интродукции и транслокации редких эндемиков Якутии для дальнейшего изучения и сохранения видов.
Задачи:
1. Расмотреть хронологию и составить историю находок;
2. Изучение свойств найденного растения;
3. Взять замеры обеих популяций и анализировать его состав.
4. Провести генетические исследования образцов в университете Гамбурга.
5. Расмотреть аспекты и предложить, предоставляя весомые аргументы по реализации проекта организации питомника на горе Эбэ Быраан.
Глава 1. Венерин башмачок из семейства орхидных
История находки альбовой формы башмачка пятнистого (Cypripediumguttatum) на Средней Лене
Орхидейные растут у нас в Якутии, и даже сейчас многих удивляет этот факт. Экспедиция школьников «Эллэйаада» наблюдает за венериными башмачками почти 20 лет, со дня своего основания в 1995 году. Учитель биологии Ойской СОШ Адамова А.Д. водила первых школьников-экспедиционистов по долине Эркээни. На самой близлежащей точке от села Ой, на сопке Эбэ Быраан, растут Венерин Башмачок Настоящий (Cypripedium calceolus), который удивляет желтыми цветами, и Венерин Башмачок Пятнистый (Cypripediumguttatum) – это лиловые цветы с белыми пятнами. Колония растений растет неподалеку от водоема среди смешанного опушка леса. По соседству из растений в изобилии растут хвощи и мхи. Почва влажная. Растения растут в затемненном месте под склоном сопки.
В течении почти 20 лет в походах по Средней Лене экспедиция никогда не забывает «охотиться» за орхидейными. За эти годы были найдены места произрастания 3 видов венериных башмачков, и в итоге выяснили, что самым распространенным видом является венерин башмачок пятнистый. Он встречается и в устье реки Буотама, на Туруук Хайа, на речке Куруннаах и на долине Эркээни.
Венерин Башмачок Пятнистый (Cypripediumguttatum) по материалам экспедиции «Эллэйаада»:
2003 г. Туруук Хайа, на территории 1-Жемконского наслега
2008 г. Буотама в местности около р. Сырсар Урэх
2008 г. Р. Куруннаах, в 3х км от Базы Ленские Столбы-Лабыдьа
2010 г. Р. Хайыр5ас. Средняя Лена
2011 г. Р. Улахан Кэтэмэ
2013 г. Местность Эбэ Быраан на долине Эркээни
2015 г. Местность Уьун Быраан на долине Эркээни
2015 г. Местность Булуус, около оз.
2015 г. Местность Эмэгэттээх, в 3х км к северу от с. Тиит-Арыы
Венерин Башмачок Крупноцветковый:
2011 г. Местность около устья р. Улахан Кэтэмэ
Венерин Башмачок Настоящий:
2013 г. Местность Эбэ Быраан, долина Эркээни
2015 г. Местность Уьун Быраан, долина Эркээни
Все виды Венериных Башмачков внесены в Красную Книгу РФ, также входят в Красную Книгу РС (Я). Во время цветения категорически запрещен сбор цветов на букеты, хотя они очень красивые. Численность популяций данных видов сокращается, поэтому они имеют охранный статус 2 категории и являются северными границами ареала распространения [4].
Летом 2015 года экспедиция школьников «Эллэйаада» поехали в местность Куллаты, где решили проверить место произрастания колоний Ириса Щетинистого на низменности около трассы Якутск-Покровск. Ведь в 2008 году на этом месте среди обычных Ирисов темно-синего цвета был обнаружен единственный цветок белого цвета. А в этом году 4 июля 2015 г. цветов Ириса Щетинистого (Íris setósa) белого цвета насчитали уже 15 растений. Потом экспедиция дальше продолжила свой поход на другой берег р. Лена, на местность Булуус, около озера. Там они обнаружили целую колонию венериных башмачков пятнистых (Cypripediumguttatum) белого цвета. Растение произрастало на небольшой площади (1.9 × 3.5 м), в прогалине смешанного (елово-березово-лиственничного) леса. На расстоянии 85 м были отмечены и обычные растения C. guttatum. Также удивительно, что в эти же дни учителя-биологи из г. Якутска обнаружили белые формы венериного башмачка пятнистого на долине Туймаада.
Таким образом, в походах экспедиции школьников «Эллэйаада» летом 2015 года участники стали свидетелями редкого природного явления – белые формы Ириса Щетинистого (Íris setósa) и Венериного Башмачка Пятнистого (Cypripediumguttatum).
1.2. Ботаническое описание и география распространения башмачков на территории Якутии
В русскоязычной литературе известен под следующими названиями[2]: башмачок пятнистый, башмачок крапчатый, венерин башмачок пятнистый, венерин башмачок крапчатый, венерин башмачок капельный [11].
Классификация:
Царство: растения (Plantae)
Отдел: покрытосеменные (Angispermae)
Класс: однодольные (Liliopsidae)
Порядок: спаржецветные (Asparagales)
Семейство: орхидные (Orchidáceae)
Подсемейство: циприпедиевые (Cypripedioideae)
Род: башмачок (Cypripedium)
Вид: башмачок пятнистый (Cypripediumguttatum)
Башмачок капельный - Cypripediumguttatum. Лесное травянистое растение. Стебель высотой 15-30см несет два сближенных листа, при высыхании чернеющие. Листья 5-7 см длиной, очередные, сидячие, слегка волосистые. Цветки одиночные, пестрые, фиолетово-розовые с белыми пятнами. Длина туфельки около 2-3см. [5, 7, 10].
Растет в хвойных и смешанных лесах, на лесных полянах, предпочитает карбонатную породу. Цветет в июне-июле. В культуре неустойчив. После пересадки цветет 1-2года. От прорастания семян до цветения требуется около 17 лет. Проросшее семя нуждается в грибе-симбионте и в течение 3-4 лет ведет подземный сапрофитный образ жизни. Опыляются башмачки с помощью мух или жуков, перекрестное опыление происходит редко. Размножаются преимущественно с помощью спящих почек на корневище. [5, 7, 10].
В Якутии распространен по р.Лена и Алдан, доходит до 64 северной широты, встречается также в бассейнах р.Вилюй и Оленек. [3].
По особенностям контакта грибницы с корнями растений выделяют разные типы микоризы: эндотрофную, эктотрофную и экто-эндотрофную. Эндотрофные микоризы свойственны преимущественно травянистым растениям. Гриб (микромицеты) распространяется внутри корня и практически не выходит наружу (например, у большинства орхидных). Семена орхидных растений не могут прорастать и развиваться при отсутствии гриба [5, 8].
Также в Якутии растут: Башмачок настоящий – Cypripediumcalceolus лесное травянистое растение. Стебель прямой, до 25-30см, по всей длине покрыт кроткими железистыми волосками, несет по 3-5 листьев. Листья широкоэллиптические, по жилкам и краю – слабоволосистые. Цветки чаще одиночные, туфелька желтая с красноватыми или коричневыми пятнами, остальные листочки околоцветника – красновато-бурые. Длина туфельки до 3,5см. редкий вид, сокращает численность популяций. В Якутии проходит северная граница ареала. Встречается в Южной части бассейнов р.Лена и Алдан, по р.Лена доходит почти до устья р.Алдан. растет в лиственничных, елово-лиственничных и березовых лесах, на лесных полянах. Цветет в июне.
Башмачок крупноцветковый - Cypripediummacranthon. Наиболее эффектный башмачок, выделяющийся очень крупным ярко-пурпурными цветками. Стебель прямой, несет по 3-4 яйцевидно-овальных листа, на верхушке заостренных. Цветок обычно одиночный, длина туфельки 3,5-5см. редкий вид, сокращает численность. Встречается в южных частях бассейнов Лена, Южный Алдан, где проходит северная граница ареала. Растет в сосняках, на карбонатных породах [3]. Из источников в интернете: в 1851 г. Генрих Готмит Райхенбах описал Cyp.guttatum var. Redowskii - растения с удлиненной губой и незапятнанными белыми цветами. Вероятно название было посвящено российскому ботанику Ивану Редовскому (1774-1804), который работал на российском Дальнем Востоке и Камчатке и мог быть коллекционером этих растений, но Райхенбах, ограничился чрезвычайно кратким описанием и не сообщил важных подробностей [11].
Глава 2. Практические исследования растения
2.1 Данные замеров популяций
Летом 2019 года 18 июня мы совместно с Афанасьевой Екатериной Александровной провели замеры по методу популяций Настоящих Венериных башмачков на горе Эбэ Быраан. Н другой день мы также провели замеры популяций Пятнистых башмачков и белых форм в их естественной среде в районе Булууса.
|
Настоящие |
Пятнистые |
Белые формы |
|
|
высота |
22,24 |
21,45 |
21,56 |
|
Кол.цветков |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
|
Кол.листьев |
2,3 |
2,3 |
2,3 |
|
Дл/шир листьев |
9,96/4,63 |
9,45 |
9,68 |
|
Кол.жилок |
7,12 |
7,46 |
7,32 |
|
Дл/шир губов |
2,80/1,55 |
2,76/1,51 |
2,80/1,52 |
Результаты замеров показали что размеры Настоящих башмачков в среднем крупнее Пятнистых башмачков, а размеры белых форм идентичны Пятнистым башмачкам.
2.2 Результаты наших наблюдений и опытов.
В ходе экспедиции летом 2015 года мы провели подробное описание окружающей среды, много сфотографировали, взяли пробы грунта.
Летом 2019 года мы провели замеры Башмачков вместе с ботаником к.б.н научным сотрудником Якутского ботанического сада ИБПК СО РАН Афанасьевой Екатериной Александровной на горе Эбэ Быраан популяцию Венериных башмачков настоящих, а также в районе ледника Булуус популяцию Венериных башмачков пятнистых и популяцию его белой формы.
Башмачки предпочитают довольно кислую почву, и растут только рядом с колониями муравьев и там всегда стоит кисловатый запах. Простейший ph-анализ почвы показывал высокую кислую среду (муравьиная кислота).
Белая форма растений образует густые изолированные колонии в отличие от пятнистых, которые растут отдельно друг от друга.
Интересным нам показалось и то, что на месте произрастания белых орхидей нашли череп лисицы. А с учетом того что грибы находящиеся в симбиозе с растением являются гетеротрофами, а орхидеи цветут только после 17 лет с момента прорастания, мы предположили что органические останки лисицы способствовали в свое время прорастанию орхидей. Следовательно, найденной нами колонии не меньше 20 лет.
Из сопоставления карты распространения растений разной окраски, привело нас к такому интересному наблюдению: чем севернее растут растения – тем более светлую окраску они имеют.
Также из литературных данных нам стало известно, что некоторые изолированные популяции растений могут эволюционировать отдельно, т.е. это может быть ярким примером идиоадаптации. Возможно мы наблюдаем за возникновением нового устойчивого подвида или даже вида путем дивергенции, т.е в результате расхождения признаков во время адаптации к произрастанию в специфичных условиях Якутии.
Долгие летние дни Якутии являются спецификой нашего региона. И адаптация к таким условиям для максимального использования светлого времени суток возможно и вывела белую форму, как наиболее специализированную и успешную для этих условий растения.
Глава 3. Проект питомника
3.1 Перспективы открытия питомника
Наша находка находится довольно таки далеко от населенных пунктов, и мы тщательно скрываем их местонахождение, так как они представляют большую научную ценность. А также их исключительно малое количество не предоставляет нам возможность рисковать популяцией. Но такое соотношение дальности и труднодоступности также усложняет наши исследования. Так как месторасположение найденных растений находится за рекой в труднодоступном месте, мы планируем в инициативном порядке организовать питомник ближе на левой стороне реки на горе Эбэ Быраан. Это открыло бы нам новые возможности:
1) Таким образом мы бы сопутствовали распространению и сохранению генофонда редких и исчезающих растений Якутии.
2) Стало бы возможным более детальное их изучение и облегчило бы дальнейшие наблюдения. Например выявить точные сроки цветения и т.д.
3) В питомнике кроме башмачков можно интродуцировать и другие редкие эндемики Якутии.
4) Географическая близость позволит проводить спланированные экскурсии для школьников, ученых и ботаников, а также это поднимет интерес к проблеме сохранения редких и исчезающих растений Якутии.
Такой же проект мы хотим предложить Национальному природному парку «Ленские столбы». Это повысит им уровень посещаемости туристами, перспектива наяву увидеть уникальные эндемики Якутии для многих звучит очень заманчиво.
К питомнику мы предъявляем особые требования, и она должна отвечать составленным нами критериям:
Географическая доступность, т.е должен находится ближе к нам, а также иметь доступ для транспорта;
Разнообразие среды обитания, там обязательно должно быть наличие разнообразия почвы, наличие низменностей и возвышенностей, наличие участков поля, опушки и леса, а также наличие источников воды;
Возможность посадки разных групп растений;
Питомник должен быть изолирован от проникновения домашнего скота и других крупных диких животных.
Этим критериям, по нашему мнению, вполне соответствует гора Эбэ Быраан.
3.2 Меры по созданию необходимых условий в питомнике
Конечно же мы будем учитывать особенности условий произрастания Венериных башмачков. Для это нужно предпринять ряд мер:
Почва должна быть кислой, т.е комфортным условием для почвы является наличие рядом муравейников;
Наши растения вступают в симбиоз с микоризами специфичных для них грибов. Это тоже следует учитывать. Почва должна содержать органические вещества для гетеротрофного питания грибов;
Мы нашли растения недалеко от водоема, почва была достаточно влажной, это подтверждает также наличие хвощей на месте произрастания;
Растения росли в тени деревьев, мы думаем, что это тоже важный фактор, так как прямые солнечные лучи возможно пагубно влияют на белые цветки. Или эти растения опыляются ночью ночными насекомыми.
Нами также планируется изучить юридическую сторону проведения данного мероприятия, т.к эти растения занесены в Красную книгу России.
Глава 4. Проект «Молекулярно-генетические исследования CypripediumguttatumSw. F. AlbiflorumAver.»
Со второй половины 2020 года на базе Университета Гамбурга (Германия) планируется проект «Молекулярно-генетические исследования Cypripedium guttatum Sw. F. Albiflorum Aver.» С этой целью Екатерина Афанасьева с помощью ученицы Малышевой Вики на местах произрастания соберут образцы листьев изучаемого растения. Для молекулярно- генетического анализа достаточно небольшого количества листьев исследуемых растений. Обычно для получения ДНК, необходимой для анализа, требуется срезы размером 1х1 см. Растения при этом почти не имеют повреждений и негативного влияния на их жизнеспособность. Исследования будут проводиться на кафедре «Систематика и эволюция растений» в Гамбурском университете под руководством профессора Йенса Г. Ровера и доктора наук Дмитрия Трофимова. Немецкое Общество Многолетних растений (Die Gesellscraft der Staudenfreunden e.V.) поддерживает этот проект как в финансовом, так и в информационном отношении в печатных СМИ.
Заключение
Несмотря на обширную изученность большинства растений Якутии, иногда все-же удается найти новые или неизученные виды растений. И всегда эти растения оказываются крайне редкими или исчезающими. Их природа крайне малоизучена или не изучена вообще;
Причины появления белых форм цветков у орхидей еще предстоит выяснить. А имеющиеся у нас результаты наблюдений дают нам основания строить несколько гипотез. Все же вероятная причина появления белых цветков возможно кроется в воздействии сразу нескольких факторов. Нам хочется рассмотреть его молекулярно-генетический состав и сравнивая результаты выяснить его причину;
Организация питомников позволит расширить ареал произрастания редких растений, а также сопутствует сохранению многих видов эндемиков Якутии. Откроет доступ к более детальному их изучению, а проводимые экскурсии пробудят интерес населения Якутии к проблеме их сохранения. Главным нашим аргументом в пользу организации питомника являются изучаемые нами уникальные растения, они заслуживают особых мер охраны, наблюдений в природе и исследований в условиях интродукции[12]. Идея создания школьного питомника для сохранения биоразнообразия на территории национального природного парка «Ленские столбы», безусловно, должна быть поддержана государственными природоохранными структурами.
Список использованной литературы
Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Карбонатность почв: генетические и экологические аспекты. Грунтознавства, 2005. – 18с.;
Грищенко А., Кодацкая С.В. Игра цветов или пигменты наше жизни. Биология, №6/2010;
Мамонтов С.Г,. Захаров В.Б., Биология. Общие закономерности. Москва Дрофа, 2010. -287с.;
Декоративные растения Якутии. Якутск, Бичик, 2010. -59с.;
Красная книга Республики Саха (Якутия). Якутск: НИПК Сахаполиграфиздат, 2000. – 255с.;
Тихонов А.В. Красная книга России. Животные и растения. М.: Росмэн, 2002.-414с.;
Тумаков С.А. Хроматография на бумаге и тонком слое. – Самара: Изд-во Сам. ГМУ, 1999. – 70с.;
Шоева О. Разноцветные чудеса науки, 2012. http://biomolecula.ru/content/1137
Цветы мира. Энциклопедия для детей. М.: Аванта, 2002. – 183с.;
Энциклопедия для детей. Биология. Москва: Аванта, 1997. – 686с.;
Холгер Пернер. Башмачки рода Cypredium в Китае. Часть IX: посвящена секциям Bifolia и Flabellinerva
Новости систематики высших растений, 2016, Т. 47, С 116-118.
http://flo.com.ua/forum/viewtopic.php?f=94&t=1317
https://ru.wikipedia.org/wiki/Башмачок_капельный
http://art-con.ru/node/4300