«Эколого-биологические особенности Сапожниковии растопыренной»

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего образования
«Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова»

Улан-Баторский филиал

Секция «Биология»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Международной научно-практической конференции юных исследователей «Шаг в будущее»

на тему: «Эколого-биологические особенности Сапожниковии растопыренной»

Исполнитель: Чернявская Юлия, ученица 9 «з» класса

Руководитель: Ефремова Зинаида Николаевна, учитель биологии и химии МАОУ ФМШ №56

Улан-Батор, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 6

1.1.Систематическое положение и ареал 6

1.2.Морфологические особенности 6

2.1.Морфология семян 7

2.2.Фитотестирование семян 10

1.4. Экология и жизненная форма 11

ВЫВОДЫ 13

ЛИТЕРАТУРА 14

Актуальность. Байкальская Сибирь, включающая Иркутскую и Читинскую области, а также Республику Бурятию, уникальна своими природными условиями, но антропогенное воздействие привело к сильной трансформации многих экосистем и ставит задачу перед регионом задачу сохранения биоразнообразия (Седельников и др., 1992). В настоящее время наибольшее внимание уделяется охране редких и исчезающих видов растений, а интродукция становится действенным средством сохранения ботанического многообразия (Бухашеева, 2000).

Эта проблема в полной мере касается предмета моего исследования – Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schischk (сапожниковии растопыренной) – лекарственного растения, народной и традиционной медицины Забайкалья, Китая, Монголии и Кореи. На территории России сапожниковия произрастает в юго-восточном Забайкалье, где является типичным элементом растительности лесостепной и степной зон. Применение корней этого растения приводят к бесконтрольным заготовкам, и вследствие этого, к сокращению численности ее популяций в Бурятии и Читинской области. С 2018 года, вид занесен в Красную книгу Забайкальского края, с категорией 4 – неопределенный по статусу вид (Попова, 2022). В связи с этим актуальными являются вопросы, связанные с сохранением этого ценного вида растения в условиях культуры.

Цель и задачи. Определение эколого-биологических особенностей сапожниковии растопыренной. Для этого были поставлены следующие задачи:

• подробно изучить экологию Saposhnikovia divaricata;

• изучить морфологию семян, как один из главных диагностических признаков;

• провести опыт по фитотестированию семян сапожниковии;

Материалы и методы. В основу моей исследовательской работы легли авторские полевые исследования 2023-2024гг. Собранный гербарий составил 80 экземпляров. Также использовался гербарий Бурятского научного центра (ИОЭБ БНЦ СО РАН).

Исследования проводились в 2 популяциях на следующих территориях:

-Иволгинский район, залежь средней стадии зарастания на месте степей;

- Тарбагатайский район, залежь поздней стадии зарастания на месте степей;

Практическая значимость. Результаты могут быть использованы для охраны популяций S. Divaricata в Забайкалье, а также для разработки интродукционных мероприятий.

Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schischk. – сапожниковия растопыренная - относится к семейству Зонтичные (Apiaceae), род Сапожниковия (Saposhnikovia).

Данный вид относится к восточно-азиатской хорологической группе, характеризующейся достаточно сложной конфигурацией. Является эндемичным родом Азии. На территории России вид встречается в южной области Восточной Сибири - Республика Бурятия, Забайкальский край, а также в юго-западной области Дальнего Востока, а именно в Приморском крае и Амурской области (Аненхонов, 2001).

В Республике Бурятия сапожниковия растопыренная произрастает в Джидинском, Кяхтинском, Бичурском, Мухоршибирском, Тарбагатайском, Иволгинском районах (Урбагарова, 2019). Забайкальский фрагмент ареала (Читинская область) – самый большой: здесь вид встречается практически во всех районах (Попова, 2022).

За пределами Российской Федерации ареал охватывает северо-восточный Китай, Монголию, Корейские полуострова.

Исследования популяций сапожниковии растопыренной проводились на территории Республики Бурятия, в двух точках: Иволгинский район, залежь средней стадии зарастания на месте степей и в Тарбагатайском районе, залежь поздней стадии зарастания на месте степей.

Морфологическая характеристика растений - это описание внешних признаков и структуры растений. Она включает в себя данные о размерах, форме, цвете, поверхностных признаках, присутствии определенных элементов, корни, листья, стебли или цветы, а также их взаимоотношения и соответствующие особенности развития (Румянцев, Загреева, 2020).

Сапожниковия растопыренная травянистое растение высотой 25–100 см. Корень стержневой вертикальный, длинный, неутолщенный. Каудекс неветвистый. Стебли одиночные, прямые, при основании 6–13 мм в диаметре, покрытые волокнистыми остатками черешков отмерших листьев, ветвящиеся от основания, с косо вверх направленными ветвями, полые, с некрылатыми ребрами, голые. Стеблевые листья перистые, без черешков, нестеблеобъемлющие, с невздутыми, голыми влагалищами с клиновидными дольками. Прикорневые листья многочисленные с плоскими треугольными влагалищами, с черешками до 15 см длиной. Пластинки листьев в очертании яйцевидные, дважды перистые, голые, 6–20 см длиной, 2–14 см шириной, их первичные доли с черешочками. Доли листьев зубчатые, с 1–2 парами длинных, заостренных, косо вверх направленных зубцов, конечные при основании клиновидные, овальные, широколанцетные или обратнояйцевидные, 8–15 мм длиной, 1.5–4 мм шириной, заостренные. Главного зонтика на растении выделить практически невозможно. Зонтики многочисленные, щитковидные, 2–6 см диаметром, обычно без оберток, с 5–8 голыми, ребристыми лучами. Зубцы чашечки короткие, треугольные, на верхушке заостренные. Лепестки белые, голые, на верхушке цельные, загнутые внутрь. Растение цветет в июне - июле, плодоносит в августе - сентябре.

Если сравнивать изучаемые мною 2 популяции сапожниковии, то по морфологической характеристике можно сказать, что популяция Иволгинского района крупнее, скорее всего это связано с тем, что в данной местности достаточно плодородная, увлажненная почва, на хорошо прогреваемой стороне, а популяция Тарбагатайсого хребта, небольшая по морфологическим признакам уступает Иволгинской популяции, так как здесь постоянно происходит выпас скота.

Зонтичные являются достаточно крупным и важным в хозяйственном отношении семейством цветковых растений. Виды растений из семейства зонтичных ботаники-практики традиционно считают трудными для определения, в связи с однородностью внешнего облика. Карпологические признаки лежат в основе и современных классификаций (Тихомиров, Яницкая, Пронькина, 1996).

Плод зонтичных - вислоплодник, развивающийся из полунижней завязи. Состоит из двух полуплодиков – мерикарпиев, которые при созревании плода разделяются и некоторое время остаются подвешенными на вильчато - разветвленной колонке – карпофоре (столбочке). Брюшную сторону мерикарпиев называют спайкой или комиссурой. На наружной (спинной) стороне околоплодника находятся 5 главных, или первичных, ребер, образованных проводящими пучками и окружающей их тканью. В промежутках между первичными ребрами, называемых ложбинками, иногда находятся вторичные ребра. В мезокарпии околоплодника имеются продольные эфирномасличные секреторные каналы, располагающиеся обычно под ложбинками и со стороны комиссуры. Семена с эндоспермом и кожурой, прирастающей к околоплоднику, (Левина, 1987).

Плодоношение сапожниковии растопыренной начинается в конце августа, растянуто, сначала плоды созревают соцветия первого порядка, затем второго и после третьего порядка.

Семена были собраны в двух популяциях: в Тарбагатайском районе, залежь, в злаково-разнотравной степи и в Иволгинском районе, в разнотравно-злаковом сообществе. Семян изучала с помощью, бинокуляра с цветной цифровой камерой высокого разрешения Levenhuk M500 BASE и с программой Levenhuk Toup View для получения, обработки и анализа изображений. Семена, собранные вблиз села Тарбагатай, более темные, от коричневого до бурового цвета, эллиптические, нежели семена Иволгинского района, у которых цвет светло-коричневый и более вытянутой формы. И у тех, и у других плоды монокарпические, состоящие из двух продолговатых голых мерикарпий, которые имеют сглаженную поверхность или неровную, бугристую, слегка сжатые со спинки. Карпофор двураздельный. Есть 5 основных ребер, которые не отличаются по цвету, ребра мерикарпиев прямые, краевые почти равны спинным, все килевидные. Ложбиночные секреторные канальцы одиночные, реберные в зрелых плодах крупные. Коммисура широкая. Эндосперм с брюшной стороны плоский. Спермодерма тонкая (одноклеточная) светло-коричневого цвета.

Массу 1800 мерикарпий определяла путем взвешивания 100 штук в восемнадцатикратной повторности на весах Pioneer PA413C. Также с помощью бинокуляра измеряла длину, ширину мерикарпий, длину эндосперма и зародыша. Средняя длина мерикарпиев Тарбагатайской популяции равна 3,32 мм, ширина около 2 мм, вес 800 семян 1,064 г. Длина эндосперма в среднем равна 2,18 мм, а длина зародыша около 0,47 мм. В Иволгинской популяции средняя длина семени равна 3,4 мм, ширина-2,33 мм. Вес 1000 семян равен 1,099 г. Длина эндосперма 2,67 мм и зародыша в среднем 0,55 мм.

Анализ результатов показал, что семена Иволгинской популяции гораздо крупнее, светлее, чем в Тарбагатайской популяции. По результатам можно сказать, что гетерокарпия плодов сапожниковии растопыренной выражается как в качественных признаках (цвет, поверхность и т.д.), так и в количественных (размер мерикарпия, и т.д.). Семена между двумя популяциями различаются, как и внутри каждой, т.е. цвет, форма, длина различна даже между семенами, собранных с одного растения, разных порядков соцветия. Причина гетерокарпии не выявлена, она может быть связана с положением плода относительно столбика, с положением плодов на соцветии, положением на генеративном побеге. Возможно, что погодные условия влияют на формирование плодов на том или ином соцветии. Гетерокарпия влияет на прорастание семян у зонтичных и, скорее всего, на их химический состав.

Семена сапожниковии содержат различные фитохимические вещества, включая эфирные масла, и имеют твердую оболочку, что затрудняет их прорастание. В условиях аридного климата Забайкалья, недостаток влаги в почвах также замедляет этот процесс. В зависимости от условий, семена сапожниковии появляются через 30-50 дней после посева из-за длительного периода всхожести. Поэтому, главной целью исследования было определение наиболее эффективных методов стимуляции прорастания. С помощью фитотестов выявлено стимулирующее влияние, которое активизирует развитие тест-культур и быстро дает токсикологическую характеристику используемым реагентам и технологиям (Лисовицкая, Терехова, 2010).

Семена были собраны 12 сентября 2023 года, в разнотравно - злаковой степи Иволгинского района. После сбора были обработаны и прошли стратификацию при температуре -7°C, в течении 60 дней. И затем были использованы в опытах по фитотестированию семян, которые были проведены в период с 16 декабря по 15 января 2024 года, при температуре 22-25°C. Посевные качества семян определяли в лабораторных условиях согласно действующего ГОСТ (Сортовые и посевные качества, 2009). Проращивание семян проводили в чашках Петри на ватных дисках. Перед закладкой семян на проращивание, чаши Петри были тщательно простерилизованы в кипяченной воде температурой 100°C. В качестве стимуляторов использовала раствор перманганата калия (KMnO₄), перекись водорода 3% (Н₂О₂), биостимулятор "Циркон" - стимулятор ростовой активности растений, обладающий комплексным действием, это многофункциональный препарат с широким спектром функциональных возможностей используется для ускорения появления первых всходов, борьбы с болезнями и увеличения урожайности, имеет негормональное происхождение; биостимулятор "Энерген" - это природный стимулятор роста и развития растений, который содержит соли гуминовых и кремниевых кислот, а также набор необходимых микроэлементов. Гуматы оказывают стимулирующее и защитное действие на растения.

Семена вымачивались в первом и втором стимуляторах по 3 часа, а в третьем и четвертом 24 часа, после чего были помещены в чаши Петри по 30 штук в каждую. Опыты проведены в 4 кратной повторности. В качестве контроля принят традиционный метод замачивания семян в дистилированной воде (+22 С). В работе применен чашечный метод (Методы определения всхожести, 2011).

В результате фитотестирования семян сапожниковии при использовании различных стимуляторов прорастания семян выяснилось, что они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на ростовые процессы. Вымачивание семян в растворе перманганата калия отрицательно сказалось на прорастании, всхожесть оставалась на нулевом уровне в течение всего эксперимента (30 дней). Наиболее активное прорастание семян и положительная динамика увеличения всхожести были замечены в варианте с применением биостимулятора "Энерген". В этом варианте всхожесть тест-культуры на 30-е сутки превышала контрольные показатели на 51%. Обнаружено превышение показателей всхожести относительно контроля при использовании перекиси водорода 3% и биостимулятора "Циркон" (25 и 14%).

В результате проведенных лабораторных исследований по фитотестированию семян сапожниковии растопыренной выявлено, что наиболее эффективным ростостимулирующим действием обладают биостимуляторы "Энерген", "Циркон", перекись водорода 3%.

Сапожниковия растопыренная - растение лесостепных и степных ландшафтов. Встречается чаще всего в разнотравно-злаковых степях, которым характерно преобладание эуксерофитов и мезоксерофитов. Занятию такой экологической ниши способствуют следующие свойства сапожниковии. Это требовательность к высокой минерализации и слабой задернованности почвы, неприхотливость к режиму увлажнения, обилие солнечного света. Важно отметить, что сапожниковия чувствительна к загрязнению почвы, несмотря на это, она практически не накапливает радионуклидов, что расширяет территории, потенциально пригодные для её заготовки (Терётина, 2017). Предпочитает лугово – каштановые и черноземные почвы. Произрастает по наиболее прогретым склонам сопок – юго-восточных и юго-западных экспозиций, в резко-континентальном климате, с недостаточным количеством атмосферных осадков. На опушках лесов может доминировать вместе с кипреем узколистным (Chamaenerion angustifolium) и лапчаткой пижмолистной (Potentilla tanacetifolia), являющимися растениями вторичной сукцессии, то есть развиваются на месте сформировавшихся биоценозов после их нарушения, на залежах, вырубках и т.д. Вегетационный период составляет 120-160 дней. Растение устойчиво к засухе – ксерофит. Если рассматривать данный вид по классификации ксерофитов П.А.Генкеля, то можно сказать о том, что сапожниковия растопыренная имеет глубоко идущую, мощную корневую систему, достающей грунтовых вод, листья тонкие, с очень густой сетью жилок, растение с интенсивным процессом транспирации, помогающей избежать перегрев тканей, т.е. является гемиксерофитом.

Что касается жизненной формы, то сапожниковию можно отнести:

по И. Г. Серебрякову, классификация которого основана на эколого-морфологическом принципе, к монокарпическим травам, то есть растения, которые плодоносят всего один раз в жизни;

по К. Раункьеру, почки возобновления в неблагоприятный период вегетации находятся на уровне почвы и защищены опавшими листьями –гемикриптофит (Дулепова, 2014).

1.Сапожниковия растопыренная – растение лесостепных и степных ландшафтов. Предпочитает лугово-каштановые и черноземные почвы. Произрастает по наиболее прогретым склонам сопок – юго-восточных и юго-западных экспозиций. По Генкелю, является гемиксерофитом. Плодоносит один раз в жизни – монокарпик по И. Г. Серебрякову. Почки возобновления находятся на уровне почвы и защищены опавшими листьями– гемикриптофит по К.Раункьеру.

2.Семена между популяциями различаются, как и внутри каждой, т.е. цвет, форма, длина различна даже между семенами, собранных с одного растения, разных порядков соцветия. Причина гетерокарпии не выявлена, она может быть связана с положением плода относительно столбика, с положением плодов на соцветии, положением на генеративном побеге. Возможно, что погодные условия влияют на формирование плодов на том или ином соцветии. Гетерокарпия влияет на прорастание семян у зонтичных и, скорее всего, на их химический состав.

3.В результате фитотестирования семян сапожниковии при использовании различных стимуляторов прорастания семян выяснилось, что они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на ростовые процессы. Вымачивание семян в растворе перманганата калия отрицательно сказалось на прорастании, всхожесть оставалась на нулевом уровне в течение всего эксперимента (30 дней). Наиболее активное прорастание семян и положительная динамика увеличения всхожести были замечены в варианте с применением биостимулятора "Энерген". В этом варианте всхожесть тест-культуры на 30-е сутки превышала контрольные показатели на 51%. Обнаружено превышение показателей всхожести относительно контроля при использовании перекиси водорода 3% и биостимулятора "Циркон" (25 и 14%).

1. Алтангэрэл Д. Самовостановление нарушенных земель в горных разработках Хэнтэйского нагорья центральной Монголии / Д. Алтангэрэл // Вестник Бурятского госуниверситета. Биология. География. – 2015. – Вып. 4. – С. 262-265.

2. Андреев Л. Н. Охрана редких и исчезающих видов растений – приоритетная задача ботанических садов / Л. Н. Андреев, Ю. Н. Горбунов // Сибирский экологический журнал. – 1997. – T. IV, № 1. – С. 3-6.

3. Аненхонов О. А. Определитель растений Бурятии / О. А. Аненхонов. – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2001. – 670 с.

4. Банщикова Е. А. Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schischkin в степях
   юго-восточного Забайкалья / Е. А. Банщикова, И. Л. Вахнина, Т. В. Желибо // Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии. – 2020 . – № 19-1. – С. 87-92.

5. Бухашеева Т. Г. Эколого-биологические особенности Scutellaria baicalensis georgi в Забайкалье: диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук / Т. Г. Бухашеева. – Улан-Удэ, 2000. – 195 с.

6. ГОСТ Р 52325-2005 Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия. – URL: https://docs.cntd.ru/document/1200039547 (дата обращения 14.12. 2023).

7. ГОСТ 12038-84 Методы определения всхожести. – URL: https://kolba24.ru/prod-cat/gost-equip/gost-zerno/gost-12038-84 (дата обращения 14.12. 2023).

8. Горшкова А. А. Биологические особенности степных криоксерофитов Забайкалья / А. А. Горшкова, Л. Д. Копытова // Физиология засухоустойчивости растений. – Москва, 1971. – С. 270-286.

9. Дикий сельдерей занесли в Красную книгу Забайкалья // Новости Читы –БезФормата. – URL: ttps://chita.bezformata.com/listnews/zanesli-v-krasnuyu-kniguzabajkalya/68581378 ( дата обращения 12.06.2023).

10. Дулепова Н. А. Флора и растительность развиваемых песков Забайкалья: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук / Н. А. Дулепова. – Новосибирск, 2014. – 19 с.

11. Запасы сырья лекарственных растений Западного Прибайкалья / Е. Г. Худоногова, Т. В. Киселева, С. С. Белоусова, С. В. Третьякова // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. – 2010. – № 11(73). – С. 43-47

12. Иллюстрированный определитель растений Средней России / под ред. И. А. Губанов, К. В. Киселева, В. С. Новиков, В. Н. Тихомиров. – Москва, 2003. – Т. 2. – 656 с.

13. Красная книга Забайкальского края. Растения / ред. коллегия О. А. Поляков, О. А. Попова, О. М. Афонина [и др.]. – Новосибирск : ООО «Дом мира», 2018. – 384 с.

14. Кузнецова Т. В. Методы исследования соцветий. 2 Концепция псевдоциклов / Т. В. Кузнецова // Бюллютень МОИП. – 1985. – Т. 90, Вып. 6. – С. 92-105.

15. Куприянов А. Н. Арабески ботаники: Томские корни / А. Н. Куприянов. – Кемерово: Вертоград, 2008. – Кн. 2. – 224 с.

16. Левина Р. Е. Морфология и экология плодов / Р. Е. Левина, Н. Н.Цвелев. – Москва, 1987. – 52 с.

17. Лисовицкая О. В. Фитотестирование: основные подходы, проблемы лабораторного метода и современные решения / О. В. Лисовицкая, В. А. Терехова // Доклады по экологическому почвоведению. – 2010. – Т. 13, № 1. – С. 11-29.

18. Лищук С. С. Методика определения массы семян / С. С. Лищук // Ботанический журнал. – 1991. – Т. 76, № 11. – С.1623-1624.

19. Определитель растений Бурятии / ред. О. А. Аненхонов. – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2001. – 670 с.

20. Острошенко В. Ю. Влияние стимулятора роста Эпин-Экстра на лабораторную всхожесть семян туи западной (Thujaoccidentalis L.) / В. Ю. Острашенко, В. В. Острашенко // Охрана и рациональное использование лесных ресурсов: материалы VIII международного форума, Благовещенск, 08–10 июня 2015 года. – Благовещенск: Дальневосточный государственный аграрный университет, 2015. – С. 99-103.

21. Пименов М. Г. Зонтичные (Umbelliferae) России / М. Г. Пименов, Т. А. Остроумова. – Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2012. – 477 с.

22. Пименов М. Г. Saposhnikovia Schischkin – Сапожниковия / М. Г. Пименов // Флора Сибири. Apiaceae Lindl.(Umbelliferae Juss.). – Новосибирск: Наука, 1996. – Т. 10. – С. 123-183.

23. Половинкина С. В. Морфологические особенности Saposhnikovia divaricata (Turcz.) в условиях Иркутского района / С. В. Половинкина // Климат, экология, сельское хозяйство Евразии: сборник статей IX Международной научно-практической конференции. – Иркутск, 2021. – С. 151-159.

24. Редкие лекарственные растения Забайкальского края / О. А. Попова, Т. Е. Ткачук, Н. А. Чащина [и др.] // Актуальные вопросы природопользования и природообустройства: материалы V Международной научно-практической конференции. – Пенза, 2022. – С. 34-36.

25. Румянцев Д. Е. Морфология растений: учебно-методическое пособие / Д. Е. Румянцев, А. Б. Загреева. – Москва, 2020. – 227 с.

26. Седельников В. П. Проблемы изучения разнообразия наземных экосистем Сибири / В. П. Седельников // Сибирский экологический журнал. – 1997. –№ 1. – С. 13-18.

27. Создание устойчивой сырьевой базы ценных в хозяйственном отношении растений Забайкалья / В. М. Шишмарев, Д. В. Санданова, Т. М. Шишмарева, Т. А. Асеева // Вестник БНЦ СО РАН. – 2014. – №1 (13). – С. 30-40.

28. Тихомиров В. Н. Зонтичные средней России, определитель по вегетативным признакам / В. Н. Тихомиров, Т. О. Яницкая, Г. А. Пронькина. – Москва: Аргус, 1996. – 231 с.

29. Урбагарова Б. М. Фармакогностическое исследование сапожниковии растопыренной (Saposhnikovia divaricata (Turcz.)Schischkin) корней и разработка на их основе экстракта сухого: диссертация на соискание ученой степени кандидата фармакологических наук / Б. М. Урбагарова. – Улан-Удэ, 2019. – 161 с.