М.А. Гончаров,
студент специальности «Фармация»,
Институт биохимических технологий, экологии и фармации (сп),
Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, Симферополь
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПОЛИТОМИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛИТЕЛЯ ЛИШАЙНИКОВ КРЫМА
Ранее была предпринята попытка составления сводной таблицы ключевых признаков для разработки политомического ключа, на основе которого был создан электронный политомический определитель лишайников Крыма на уровне семейств. В ходе полевых и камеральных исследований многие листоватые и кустистые лишайники с высокой точностью можно определить до рода. Однако необходимо провести ряд этапов, позволяющих на основе комплекса разнообразных и вариабельных признаков (морфологических, анатомических и химических) определить видовую принадлежность. Политомический электронный определитель лишайников Крыма позволяет пользователю (в отличие от дихотомического) проводить поиск по неограниченному сочетанию признаков на каждом шаге определения. При этом динамически предоставляются только те материалы (тексты, схематические рисунки, фотографии, микропрепараты и т.п.), которые являются релевантными для оставшихся вариантов видов. Простота использования электронного политомического определителя дает возможность использовать его не только в научно-исследовательских, но и в образовательных целях.
Ключевые слова: биоинформатика, лишайники, Крымский полуостров, политомический определитель, лекарственные виды.
ON THE USE OF THE ELECTRONIC POLITOMICAL DETERMINER OF LICENS OF THE CRIMEA Earlier, an attempt was made to compile a summary table of key features for the development of a polytomous key, on the basis of which an electronic politomical identifier for Crimean lichens at the family level was created. In the course of field and office studies, many foliose and fruticose lichens can be identified with high accuracy to genus. However, it is necessary to carry out a number of stages, allowing, on the basis of a complex of diverse and variable characters (morphological, anatomical, and chemical), to determine the species affiliation.The polytomic electronic identifier of Crimean lichens allows the user (as opposed to the dichotomous one) to search for an unlimited combination of signs at each step of the definition. In this case, only those materials (texts, schematic drawings, photographs, micropreparations, etc.) that are relevant for the remaining variants of the species will bedynamically provided. The ease of use of the electronic political determinant makes it possible to use it not only in research, but also in educationalpurposes. Key words: bioinformatics, lichens, Crimean peninsula, politomical determinant, medicinal species.
В настоящее время в крымской лихенофлоре обнаружено и определено 897 видов, относящихся к 186 родам, 58 семействам и 13 порядкам[6].Пестрота микроклиматических условий, сильная расчлененность рельефа, вызывающее большое разнообразие лесорастительных условий, особенности геологической истории Крымских гор — всё это обусловливает богатство лихенофлоры и лишайниковых группировок в различных местообитаниях. В Крыму обнаружены реликты ксерофильных, мезофильных и криофильных лихенофлор прошлого.Выделяют основные типы местообитания лишайников: каменистый, почвенный и древесный субстраты.
Эпилитные лишайники представлены 283 видами, что составляет примерно 31,5% от всего видового разнообразия лишайников Крыма. Основу эпилитных лишайников Крымского полуострова составляет порядок Lecanorales, что объединяет около 57% всего видового состава лишайников. Среди семейств наибольшим количеством видов представлены семейства Teloschistaceae (83 вида), Verrucariaceae (68 видов), Physciaceae (49 видов), Lecanoraceae (44 вида), Parmeliaceae (42 вида), Hymeneliaceae (29 видов), Acarosporaceae (22 вида), Bacidiaceae (22 вида), Collemataceae (21 вид), Catillariaceae (18 видов), Lichinaceae и Porpidiaceae (по 15 видов), Cladoniaceae и Peltigeraceae (по 12 видов), Candelariaceae (11 видов). Они объединяют 81,8% общего количества видов [11, с. 57-86].
Богатое видовое разнообразие эпилитных лишайников известняковых горных пород (отмечено 287 видов), обусловлено большим количеством биотопов, которые формируются от побережья и до яйл гор. Почти такое же количество видов отмечено на конгломератах (166 видов), вулканических эффузивных (146 видов) и интрузивных (131 видов) породах. Наименьшее количество видов отмечено на породах таврической свиты (обнаружено 101 вид). Это обусловливается в первую очередь физическими свойствами и морфологией, особенно сланцев, он легко разрушаются под воздействием внешних факторов, покрываются почвами и как следствие данный биотоп является недолговечным [7, с. 36].
Эпифитные лишайники образуют 33 наиболее характерных группировки лишайников на основных древесных породах в различных растительных поясах. Эти лишайниковые группировки относятся большей частью к синузиям II и III порядков.Например, выделяют синузии, относящиеся к поясам дуба обыкновенного (300-400 м выше уровня моря), дуба скального (450-700 м выше уровня моря), дуба пушистого и сосны крымской (300-700 м выше уровня моря)[9].
Наиболее часто встречающиеся виды лишайников на дубе скальном: нижняя часть ствола ‒ Pertusaria amara, P. discoidea,P. globulifera, P. lutescens, P. pertusa, Acrocordia alba, Lecanora subrugosa, Calicium sphaerocephalum, Parmelia sulcata, P. acetabulum, Ramalina farinacea; в верхней части ствола - это Parmelia sulcata, P. acetabulum, Lobaria verrucosa, Physcia pulverulenta, Pertusaria pertusa, Parmelia fuliginosa, Phlyctis argena.
На стволах дуба пушистого произрастаюттакие виды как Parmelia acetabulum, P. scortea, Ramalina farinacea, R. fastigiata, Evernia prunastri, Pseudevernia furfuracea, Anaptychia ciliaris.
На буке крымском произрастают Peltigera rufescens, Lepraria aeruginosa, Lecidea glomerulosa, Pyrenula nitida, P. nitida, Lepraria aeruginosa, Pertusaria amara, Lecanora subfuscata, L. atra, L. сarpinea, Pertusaria amara, P. discoidea, P. pertusa, P. lutescens, Parmelia fuliginosa, P. sulcata, P. glabra, P. cetrarioides, Ochrolechia pallescens.
На клене полевом отмечены виды лишайников: Peltigera polydactylo, Lepraria aeruginosa, Opegrapha lichenoides, O. diaphora, Bacidia luteola, B. fuscorubella, Pertusaria discoidea, P. amara, P. acetabulumP. scorte, Parmelia subargentifera, P. sulcata, Lecanora chlarona, L. subrugosa, L. allophana, L. rugosella, Phlyctis agelaea, Catillaria grossa, Anaptychia cillaris,Physcia pulverulenta, Xanthoria parientina, Ramalina farinacea, R. fraxinea и Acrocordi alba.
На стволах клена Стевена чаще всего встречаются Lecanora rugosella, L. carpinea, L. allophana, Lecidea glomerulosa, Microthella sp., Ramalina calicaris, R. farinacea, R. fastigiata,Pseudevernia furfuracea, Evernia prunastri, Anaptychia cillaris.
Основания стволов ясеней покрыты лишайниками видов Bacidia luteola, Bacidia luteola, Lecidea glomerulosa,Physcia pulverulenta,Collema flaccidum,Peltigera canina и Aspicilia verrucosa. Стволы ясеней, наиболее часто, покрыты: в нижней части Pertusaria amara, P. discoidea, P. pertusa, Lecanora allophana и Bacidia luteola; в верхней части Physcia pulverulenta, Parmelia scortea, P. glabra, P. acetabulum, Parmeliella corallinoides, Bilimbia sabuletorum, Leptogium tenuissimum и Lecania cyrtella.
Нижняя часть стволов граба восточного покрыта лишайниками видов Lepraria aeruginosa, Pyrenula nitida, Pertusaria amara, P. discoidea, P. pertusa, P. lutescens и Phlyctis argena, Lecanora subrugosa, Opegrapha pulicaris, O. viridis, Bacidia rosella, Parmelia acetabulum, P. caperata, Hypogymnia physodes. На стволах граба восточного произрастают лишайники видов Parmelia sulcata, P. fuliginosa, P. cetrarioides, Pertusaria amara и P. discoidea часто, так же, встречаются Lobaria pulmonaria, Ramalina farinacea, Bryopogon implexus и Usnea sp.
Сосна крымская также является субстратом для произрастания лишайников. Чаще всего на стволах сосны крымской встречаются Parmelia sulcata,Hypogymnia physodes, гораздо реже Evernia furfuracea, Parmelia fuliginosa и Hypogymnia tubulosa. У основания стволов сосны крымской встречаются синузии лишайников из Cladonia ochrochlora, C. fimbriata, C. macilenta.
На коре сосны крымской произрастают следующие группы лишайников: Hypogymnia physodes, Lecanora conizaea, Pseudevernia furfuracea, Parmeliopsis ambigua, P. pallescens, Pertusaria amara и Phlyctis argena, Cetrariaglauca, Everniaprunastri, E. divaricata, Usneahirta и Bryopogonimplexus [11, с. 57-86].
Диагностика объектов является отправной точкой и основой любого биологического исследования. От верности определения таксономической принадлежности образцов зависит правомерность выводов, полученных на данном материале. В связи с этим задача надежной таксономической идентификации биологических объектов неизменно актуальна.Несмотря на большую потребность в определителях, они редко печатаются и еще реже переиздаются. Подавляющие большинство построено на основе дихотомического ключа. Политомическая организация определителя в печатном варианте встречается единично [5, с. 150-153]. Ранее студентом-биологом Шапошниковым А.Д. (2020-2021гг.) под научным руководством доцента кафедры ботаники, физиологии растений и биотехнологии Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского, кандидата биологических наук Назарова В.В. и при консультировании заместителя директора по научной работе Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН, кандидата биологических наук Гагариной Л.В. была предпринята попыткасоставления сводной таблицы ключевых признаков для разработки политомического ключа, в результате чего был создан электронный политомический определитель лишайников Крыма на уровне семейств [https://www.3-bio.ru/cgi-bin/3BIO/checklist/display_checklist.pl?db=Lichenes]. При этом, классификация таксонов и номенклатура лишайников в нем приведена на основе данных сайтов www.mycobank.org, www.indexfungorum.org, www.plantarium.ru, так как гриб (микобионт) является видоопределяющим компонентом.
Следует отметить, что лишайники — это сложная симбиотическая система из двух или трехбионтов, состоящая из микобионта и экстрацеллюлярно расположенного относительно микобионта одноклеточного или нитчатого фотобионта (водоросль и/или цианобактерия) [14]. Таллом (слоевище) представляет собой сплетение гиф лихенофильного гриба, между которыми расположены клетки фотобионта.Слоевище может быть накипным, чешуйчатым или листоватым, кустистым. Чаще всего таллом произрастает на поверхности субстрата, но иногда может частично быть погруженным в него. В зависимости от анатомического строения таллом лишайника может быть страцифицирован на гомеомерный—фотобионт равномерно распределён по таллому, и гетеромерный—фотобионт занимает определенную зону в талломе. Таллом лишайника обычно состоит из верхнего и нижнего коркового слоя, слоя фотобионта (альгальный слой) и сердцевины. Слои различаются по толщине и у одних видов развиты лучше, чем у других. Гифы гриба составляют большую часть таллома, до 98%; фотобионтные клетки составляют лишь небольшой процент (до 7%) от общего объема [10].
Лихенизация является достаточно продвинутым способом питания среди грибов, водорослей и цианобактерий. В царстве грибов существует роды, семейства и даже порядки полностью лихенизированные, другие таксоны лихенизированы лишь отчасти [2]. Лишайники являются полифилетической и таксономически разнообразной группой грибов. Эта группа представлена около 26 000 видов, свыше 400 родов, по другим данным более 20 000 видов и 780 родов лишайников. За год описывается около 300–450 новых видов лишайников. Более чем 99% лихенизированных грибов принадлежат к отделу Ascomycota, меньше процента составляют виды из отдела Basidiomycota [13].
Видовое разнообразие фотобионтов, входящих в состав лишайников невелико, так водоросли представлены всего 25 родами, по другим источникам, около 40 из отделов Chlorophyta, Ochrophyta, несколько родов золотистых и 1 род бурых водорослей; прокариотические цианобактерии (сине-зеленые водоросли) представлены 15 родами[4]. 90% всех фотобионтов составляет 3 рода: 2 рода зеленых водорослей Trebouxia и Trentepohlia, а также нитчатая цианобактерия Nostoc. В настоящее время известно около 500 видов трехкомпонентных лишайников. При этом зеленая водоросль выполняет функцию фотосинтеза, а цианобактерия функцию фиксации атмосферного азота [12, с. 304].
Известно, что в ходе полевых исследований многие листоватые и кустистые лишайники с высокой точностью можно определить до рода. Но для точной видовой идентификации лишайника необходимо провести ряд этапов, позволяющих на основе комплекса признаков (морфологических, анатомических и химических) определить видовую принадлежность.Для определения принадлежности образца к какой-либо таксономической группе используются методы хемотаксономии лишайников, а именно, метод цветных реакции или “spot”-test. Также при определении видовой принадлежности лишайника применяют метод ультрафиолетовой флюоресценции. При облучении таллома лишайника ультрафиолетовым свечением с длиной волны 336 нм вызывается флюоресценция разной интенсивности и цветана сердцевинном слое, характерная для определенных видоспецифичных вторичных метаболитов. Для наблюдения флюоресценции удаляют коровый слой, так как пигменты верхних покровов могут ее блокировать[2].
Однако, определение лишайников достаточно сложный процесс, который обусловлен разнообразием и вариабельностью морфологических и анатомических признаков. При работе с дихотомическим ключом может возникнуть ситуация, когда необходимый признак отсутствует, слабо развит или невозможно его проверить, связи с отсутствием нужных инструментов или реактивов, что существенно усложняет идентификацию видовой принадлежности как камеральную, так и полевую. При таких условиях дихотомические определители работают недостаточно эффективно, поэтому существует необходимость создания политомического ключа, который позволит определять вид по совокупности признаков, присущему данному экземпляру лишайника[1, с. 909- 918]. Политомический ключ был реализован в веб-сети, иерархическая система XML.
Впервые проведен анализ ключевых признаков лишайников, произрастающих в Крыму и на основе этих данных создан политомический определитель для семейств. Политомический электронный определитель лишайников Крыма может существенно упростить процесс идентификации видовой принадлежности исследуемого образца. Он позволяет пользователю проводить поиск по неограниченному сочетанию признаков на каждом шаге определения. Пользователю будут динамически предоставляться только те материалы (тексты, схематические рисунки, фотографии, микропрепараты и т.п.), которые релевантные для оставшихся вариантов видов. Простота использования электронного политомического определителя позволит использовать его не только в научно-исследовательских, но и образовательных и просветительских целях. Политомический определитель может находиться в сети Интернет в свободном доступе и круглосуточном режиме.
Таким образом, политомический определитель можно рассматривать как альтернативу дихотомическому способу определения и определителей, на нем основанных, в частности, для лекарственных видов. Это особенно важно в связи с фармакогностическими исследованиями, так как в настоящее время активно изучаютсяфармакологические свойства лишайников из-за наличия вторичных метаболитов, которые обладают биологической активностью. Первые результаты показали высокую перспективность этого направления [8, с. 91-94].В качестве лекарственного сырья используют собранные в течение года на почве или стволах различных деревьев и высушенные слоевища следующих видов лишайников: исландский мох (цетрария исландская, исландский лишайник) Cetrariaislandica (L.) Ach., цетрария сворачивающаяся (ц. клубочковая) C. cucullata (Bell.) Ach., ц. снежная C. nivalis (L.) Ach., пармелия кочующая (п. блуждающая) Parmeliavagans Nyl. – сем. Пармелиевые Parmeliaceae; кладония звездчатая (к. альпийская или приальпийская) Cladoniastelldris (Opiz) PouzaretVezda = C. alpestris (L.) Rabenh., к. деревцеподобная (к. лесная) C. arbus-culata (Wallr.) Flot. = C. sylvatica (L.) Hoffm., к. бесформенная C. deformis (L.) Hoffm. – сем. Кладониевые Cladoniaceae; уснея длиннейшая Usnealongissima Ach., у. бородатая U. barbata (L.) WeberexF.H.Wigg. = U. barbata (L.) Wigg., у. цветущая (у. плодоносная) U. florida (L.) WeberexF.H. Wigg. = U. florida (L.) G.H.Web., у. жесткая (у. мохнатая) U. hirta (L.) WeberexF.H. Wigg. = U. hirta (L.) Hoffm., алектория бледно-охряная (бледно-желтая) Alectoriaochroleuca (Hoffm.) A. Massal. = A. ochroleuca (Ehrh.) Nyl., эверния мезоморфная (э. кустовидная) Everniamesomorpha Nyl. = E. thamnoides (Flot.) Arn., э. несоредиозная E. esorediosa (Muell. Arg.) DuRietz., э. сливовая (лентец крупинчатый) E. prunastri Ach. – сем. Уснеевые Usneaceae [3]. Проведенный нами контент-анализ источников научной литературы и собственные исследования свидетельствуют о том, что из 15 фармакопейных видов на Крымском полуострове встречаются некоторые, относящиеся к 3 семействам: Parmeliaceae, Cladoniaceae,Usneaceae. Наиболее часто встречающимся видом является Evernia prunastri (на стволах дуба пушистого и клена Стевена, на коре сосны крымской и терна (син. терновник, слива колючая).