ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. История сканирующей электронной микроскопии 8
1.1. Предпосылки создания
1.2. Принцип работы 14
1.3. Виды электронных микроскопов 19
1.3.1 Обычный просвечивающий электронный микроскоп 20
1.3.2. Растровый (сканирующий) электронный микроскоп 22
1.3.3 Растровый туннельный микроскоп 24
ГЛАВА 2. ОБЛАСТИ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ СЭМ В
ИЗУЧЕНИИ БОТАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 26
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ СПОР ПАПОРОТНИКОВ МЕТОДАМИ СЭМ 29
3.1. Мировой и отечественный опыт научных коллективов 29
3.2. Методика СЭМ при исследовании морфологии спор
папоротников 33
3.3. Описание и классификация морфологии спор папоротников 33
ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ WORDPRESS ДЛЯ
СОЗДАНИЯ ИНТЕРНЕТ ПОРТАЛА ПО МОРФОЛОГИИ СПОР 40
4.1 Особенности и методика применения WordPress 40
4.2 Интернет портал «Морфология спор папоротников семейства
Pteridaceae» 42
ГЛАВА 5. МОРФОЛОГИЯ СПОР ПАПОРОТНИКОВ
ПОДСЕМЕЙСТВА PTERIDOIDEAE 46
5.1 Методика применения программной среды Mesquite 46
5.2. Модульный эволюционный анализ сравнительно-морфологических признаков 51
ВЫВОДЫ 70
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 72
Сканирующая электронная микроскопия - разновидность электронной микроскопии, в которой для зондирования исследуемой поверхности используется сканирование по ней сфокусированного пучка электронов.
Сканирующая электронная микроскопия (далее СЭМ) - это недостаточно широко распространённое и не всем доступное направление в изучении окружающего мира, однако имеющего огромный потенциал в любой сфере деятельности науки и техники. С помощью электронного микроскопа возможно получать изображение поверхности объекта с высоким пространственным изображениям - до нанометров. Ввиду того, что ряд ботанических объектов имеют размер десятков и сотен микрометров, то СЭМ может быть востребовано в изучении их морфологии. Электронный микроскоп позволяет заглянуть в микромир (-6 мкм) ботанических объектов, что не могут световые микроскопы. СЭМ позволяет увидеть мельчайшие структуры растения такие, например, как споры и пыльца, и их поверхность, что расширяет возможности для решения вопросов систематики растений. Одним из основных плюсов электронных микроскопов, относительно световых, можно считать их большую разрешающую способность и соответственно очень большое увеличение до 300000 раз.
На данный момент электронные микроскопы уже используются в изучении ботанических объектов различными способами. Научные коллективы применяют их (в том числе и СЭМ) для получения снимков спор папоротников, мхов, пыльцы цветковых растений, фитолитов и пр., для изучения которых возможностей светового микроскопа недостаточно. Уже на протяжении более 60 лет СЭМ достаточно эффективно используется для исследования морфологии в целях решения вопросов систематики растений.
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) ранее была большей степенью распространена среди палеонтологов. Научные коллективы палеонтологов использовали методику СЭМ для целей идентификации спор, пыльцы и частей растений (фитолиты), сохранившиеся из прошлых геологических эпох. Однако, методика получила распространение в том числе и для систематики ныне живущих растений. В 60-е и 70-е годы СЭМ, как метод для поиска дополнительных признаков морфологии растений стала активно применяться советскими и американскими научными коллективами Признаки строения спор и пыльцы носят достаточно консервативный и стабильный характер, что позволяет делать выводы на предмет межсекционного, родового и видового родства.
По современным данным семейство Pteridaceae E.D.M. Kirchn. насчитывает пять подсемейств: Cryptogrammoideae S. Linds., Pteridoideae C.Chr. ex Crabbe, Jermy a. Mickel, Ceratopteridoideae (J. Sm.) R.M. Tryon, Vittarioideae (C. Presl) Crabbe, Jermy a. Mickel и Cheilanthoideae W.C. Shieh. и приблизительно 60 родов (Schuettpelz et al., 2007).
Центр видового разнообразия представителей наблюдается в тропических и субтропических широтах Старого и Нового Света. При этом подавляющая доля представителей подсемейства Pteridoideae (рода Actiniopteris, Anogramma, Aspleniopsis, Austrogramme, Cerosora, Cosentinia, Jamesonia, Nephopteris, Onychium, Pityrogramma, Pteris, Pterozonium, Syngramma, Taenitis) произрастает на труднодоступной территории Центральной и Юго-Восточной Азии. Крупнейшие гербарные коллекции по Африке находятся в Париже (P) и Берлине (B), а по Азии в Пекине (PE) и Флоренции (FI).
В большинстве случаев ультраструктурные признаки спор папоротников конгруэнтны результатам молекулярно-филогенетических исследований, то есть ультраструктурные признаки спор несут высокий филогенетический сигнал, а, значит, могут использоваться для определения родственных связей между видами. Эти заключения позволили использовать признаки спор для формирования рабочих гипотез при проведении
молекулярных исследований. В последнее годы стали появляться комплексные исследования ультраструктуры спор и пыльцы крупных таксонов в которых, получаемые сведения объединяются с филогенетическими данными. В результате исследований формируются принципиально новые предложения для решения проблем в систематике (Chao, Huang, 2018; Thornhill, 2012). При этом, одним из условий для выполнения подобных исследований необходимо наличие оригинальных снимков по морфологии спор до микроуровня их поверхности (сканирующая электронная микроскопия, мкм), охватывающие все виды исследуемого рода.
Актуальность. Актуальность данной темы магистерской работы обусловлена тем, что для более тщательного исследования и более точного определения растений к систематическим единицам, нужна большая разрешающая способность, позволяющая увидеть гораздо больше важных деталей, которые не позволяет увидеть световой микроскоп. Чем больше ежегодно проводится исследований морфологии ботанических объектов с применением СЭМ, тем больше появляется доказательств в эффективности метода в ботанике. Применение программного обеспечения Mesquit позволяет наглядно увидеть взаимосвязь морфологических признаков и данных молекулярной филогении.
Новизна работы
Впервые создан интернет портал, дающий возможность сравнивать морфологические признаки спор папоротников семейства Pteridaceae.В основу портала положены данные полученные с помощью cканирующего электронного микроскопа, а именно микрофотографии и полученные из фотографий числовые значения признаков (стандартизация признаков спор). Стандартизация признаков позволила применить программное обеспечение Mesquit и провести сравнительно-морфологический анализ признаков на основе данных филогенетического родства представителей семейства Pteridaceae.
Личный вклад. Обработаны микрофотографии спор папоротников семейства Pteridaceae, выявлены важные диагностические признаки.
Признаки морфологии спор были стандартизированы и подготовлена таблица, содержащая значения этих признаков. Разработан и создан интернет портал «Морфология спор папоротников семейства Pteridaceae» который имеет сервис по сравнительно морфологическому анализу признаков спор различных видов папоротников. Получены навыки работы в CMS WordPress и программной среде Mesquite.
Апробация. Доклад по теме исследования представлен на V региональная молодежная конференция «Мой выбор - наука!» 2018 г. Получен диплом за лучший доклад на секции. По материалам магистерской работы подготовлена статья «Ваганов А.В., Скапцов М.В., Когтев Д.И. Подход к сравнительно-морфологическому анализу спор представителей семейства Pteridaceae E.D.M. Kirchn. (Pteridophyta) на основе данных филогенетического родства. Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии, 2020. - Т. 19, №2 (в печати)».
Объект исследования: подсемейство Pteridoideae.
Предмет исследования: споры папоротников подсемейства Pteridoideae.
Цель: получить новые знания и сведения по таксономии подсемейства Pteridoideaeкомплексным методом сравнительно-морфологического анализа спор, IT-решений и молекулярно-генетических данных.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Изучить области применения СЭМ и принцип её работы.
2. Выявить практическое применение СЭМ в изучении ботанических объектов.
3. Рассмотреть опыт современных исследований, использующих СЭМ при сравнительно-морфологическом анализе спор папоротников.
4. Подтвердить эффективность СЭМ в изучении ботанических объектов на примере спор папоротников.
5. Создать интернет портал позволяющий сравнивать морфологию спор представителей подсемейства Pteridoideae.
6. Применить программное обеспечение Mesquit для построения филогении семейства Pteridaceae,выявления родства его представителей методом сравнительно-морфологического анализа
1. Установлено, что основными областями применения СЭМ являются промышленность и научные исследования, в частности применяется в биологии: исследование морфологии спор папоротников, пыльцы цветковых растений, фитолитов, микросрезов тканей, криобиологии, вирусологии и палеонтологии.
2. Сканирующей электронной микроскопии весьма успешен и может использоваться в систематике растений благодаря более высокой разрешающей способности (увеличение 10-6), что позволяет исследовать мелкие объекты (споры, пыльца, фитолиты - кремневые остатки растений), а также структуру их поверхности.
3. Полученные методом СЭМ микрофотографии ботанических объектов используются в целях изучения морфологии исследуемых структур и исследования систематики отдельных таксонов.
4. Наличие валиков на поверхности споры, присуще в основном роду Onychium,а также наблюдается у рода Pteris.Фрагментарно этот признак наблюдается у прочих представителей семейства Cryptogramma brunoriana, Anogramma leptophylla, Pityrogramma calomelanosи Actiniopteris dimorpha.При этом, наличие у всех таксонов Onychiumданного признака позволят подтвердить таксономическую близость представителей к роду Pteris.
5. Наличие экваториальной борозды в основном присуща роду Pteris,роду Onychiumи роду Actiniopterisа также фрагментарно наблюдается у Anogramma leptophyllaи Pityrogramma calomelanos. Наличие данного признака у перечисленных выше представителей указывает на их родство и принадлежность к одной кладе Pteridoideae.
6. Бугорки на проксимальной стороне, отсутствуют только у 5 исследуемых видов, а именно: Ceratopteris thalictroides, Ceratopteris pteridoides, Pityrogramma calomelanos, Pteris vittata, Pteris cretica.Это может свидетельствовать о том, что наличие бугорков на проксимальной стороне это признак который присущ практически для всех представителей семейства.
7. Складки на дистальной стороне наблюдаются у 10 видов: Anogramma leptophylla, Pityrogramma calomelanos, Pteris chilensis, Onychium siliculosum, Onychium contiguum, Onychium plumosum, Onychium japonicum, Onychium lucidum, Onychium moupinense.Данное филогенетическое дерево показывает, что складки на дистальной стороне наблюдаются в основном у представителей рода Onychiumи практически не встречаются у представителей других родов.
8. Наличие складок на проксимальной стороне наблюдается: Pteris
biaurita, Ceratopteris thalictroides, Ceratopteris pteridoides, Cerosora microphylla, Pteris vittata, Pteris semipinnata, Pteris aspericaulis, Pteris finotii, Pteris wallichiana, Pteris henryi, Pteris cretica, Pteris umbrosa, Actiniopteris radiata, Actiniopteris australis, Actiniopteris dimorpha, Actiniopteris semiflabellata, Onychium siliculosum, Onychium contiguum, Onychium plumosum, Onychium japonicum, Onychium lucidum, Onychium moupinense, Onychium ipii. Признак выражен у практически всех представителей рода Onychium, Pterisи Actiniopteris.Наличие данного признака у перечисленных выше представителей указывает на их родство и принадлежность к одной кладе Pteridoideaeа также достаточную близость Pteridoideaeк Ceratopteridoideaeк которому относится род Ceratopteris.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
