Анализ сопряженности морфологических признаков представителей рода Pinus L., культивируемых на территории России

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Род Pinus L. насчитывает около 108 видов, широко распространенных в северном полушарии. Сосны с каждым годом приобретают все большую популярность в декоративном садоводстве. В Европе активно ведется селекция многих таксонов данного рода, в результате чего получено много новых форм. На ранних этапах онтогенеза могут отсутствовать некоторые признаки, в результате чего отбор сеянцев затруднен. Экологические факторы оказывают сильное влияние на изменчивость морфологических признаков введенных в культуру видов, подвидов, разновидностей и форм [1]. Из-за появления большого количества интродуцентов появляется необходимость в комплексном изучении таксонов, включая аборигенные виды. Чтобы выделить и описать указанные признаки потребовалось оригинальное исследование структуры побегов и побеговых систем [2], а также общего габитуса и формы зрелых мегастробилов. Анализ сопряженности морфологических признаков позволяет выделить признаки, по которым можно прогнозировать развитие и декоративность растений. Выделение наиболее информативных признаков с высокой долей вероятности может дать объективную оценку при определении внутриродовых таксонов.

Цель и задачи исследования.

Цель работы - изучить сопряженность морфологических признаков таксонов рода Pinus L., произрастающих в культуре на территории нашей страны.

Задачи исследования:

1) уточнение модальностей количественных и качественных признаков методом описания;

2) унификация переменных и статистический анализ выборки;

3) анализ достоверно сопряженных признаков методом ранговой корреляции Спирмена;

4) выделение пар признаков с наиболее сильными корреляциями;

5) анализ сопряженных признаков на основе кластерного анализа;

6) сравнение результатов кластерного анализа сопряженных признаков методами иерархической и неиерархической кластеризации;

7) выделение наиболее информативных признаков внутри кластеров.

Объектами исследования были 98 таксонов рода Pinus L. (табл.1).

Материал собран на территории Москвы и Московской области (дендрологический сад имени Р.И. Шредера, ГБС РАН имени Н.В. Цицина, Плодовая станция РГАУ-МСХА, питомники «Сезоны», «Resinosa», «Европа парк» и «Империал Гарден», а также Орехово-зуевский район), Тверской области (природный заказник «Лежнево»), Краснодарского края (парк «Дендрарий», парк «Южные культуры», Субтропический Ботанический Сад Кубани) и республики Крым (Никитский ботанический сад) (табл. 2).

морфологический таксон сосновый

Таблица 2. Список изученных таксонов рода Pinus и их происхождение

Изучаемые признаки выбирали исходя из описаний определителей: «Деревья и кустарники СССР» [3] и др., а также работы Ю.Н. Карпуна [4]. Все описания морфологических признаков заносили в журнал. Из журнала признаки оцифровывали в программу Excel. При подготовке полученных данных к обработке статистическими программами использовали алгоритм, предложенный Исачкиным А.В. [5, 6]. Методами статистического анализа в программах Excel, Statistica 6.0, SPSS производили обработку собранной информации.

В исследовании изучалось 38 морфологических признаков, относимых к разным структурам растений (рис. 1-6), таких как: многолетние стволы, малолетние побеги, однолетние приросты, почки, брахибласты, шишки и параметры надземной части (табл. 3).

Рис. 1. Почки P. koraiensis (слева) и P. sabiniana (справа)

Рис. 2. Однолетние побеги Pinus mugo f. Winter Gold зимой (слева) и летом (справа)

Рис. 3. Побеги 2-5 лет P. densiflora (слева) и P. bungeana (справа)

Рис. 4. Стволы P. brutia var. pityusa (слева) и P. armandii (справа)

Рис. 5. Шишки P. parviflora (слева) и P. roxburghii (справа)

Рис. 6. Крона P. nigra var. pallasiana (слева) и P. sylvestris f. Hillside Creeper (справа)

Результаты наблюдений.

После заполнения журнала и перевода всей полученной информации в электронный вид удалось уточнить описания из разных литературных источников. В ходе дальнейшей обработки выполнена унификация переменных и статистический анализ выборки. Статистический анализ выборки выполнен на основе нахождения коэффициентов ранговой корреляции Спирмена и проведения кластеризации. Результаты неирархической кластеризации позволили выделить информативные признаки.

После нахождения коэффициентов ранговой корреляции Спирмена получена коррелограмма достоверных значений (рис. 7). Как видно из коррелограммы коэффициентов ранговой корреляции Спирмена, наиболее сильно сопряжены между собой 6 пар признаков (они показаны синей связью): сквозистость кроны с общей высотой, форма кроны со сквозистостью кроны, форма кроны с высотой общей, цвет почек с цветом почечных чешуй, цвет листьев с цветом листьев зимой, а также форма листа в поперечном сечении с числом листьев.

Рис. 7. Коррелограмма достоверных коэффициентов ранговой корреляции Спирмена (Rсп.>|0,5|)

Методом иерархической кластеризации с мерой расстояния между объектами, выраженной евклидовым расстоянием, и объединением в кластеры по методу Варда можно выделить кластеры n-ых порядков. При разрыве связей на уровне 1,5 единиц евклидова расстояния выделяется 14 кластеров 1 порядка. При разрыве связей на уровне 3, 5 и 6 единиц евклидовых расстояний выделяется, соответственно, 6 кластеров 2 порядка, 3 кластера 3 порядка и 2 кластера 4 порядка (рис 8).

Рис. 8. Дендрограмма признаков

Методом неирархической кластеризации в результате проведения максимального корреляционного пути по абсолютным значениям коэффициентов ранговой корреляции Спирмена получен дендрит признаков (рис. 9), который при уровне разрыва связей, равном 0,5, разбит на плеяды, которых получилось 17, одиннадцать из которых состоят из одного признака, 4 - из двух признаков, один - из 5 признаков и самый крупный - из 14 признаков (рис.10).

«При исследовании часто возникает необходимость уменьшения числа переменных (признаков) без потери информации. Речь идет о выделении наиболее информативных признаков» [6]. В каждой плеяде выделили наиболее информативные признаки путем сравнения средних значений из суммы коэффициентов ранговой корреляции Спирмена. В плеядах, представленных одним или двумя признаками, все признаки получаются информативными (табл. 4-7).

Таблица 4. Выделение наиболее информативных признаков в кластерах 1 и 4

Выводы:

1. При изучения таксономии 38 признаков выделено 187 модальностей. В результате унификации все признаки были приведены к балльной шкале и переведены в ранги.

2. В ходе нахождения коэффициентов ранговой корреляции Спирмена найдено 502 достоверных. При уровне связей 0,5-0,69 найдено 27, при более высоких связях - 6 коэффициентов. Из пар сильно сопряженных признаков можно с достаточно высокой уверенностью использовать тот из них, который является наиболее оптимальным и удобным для описания в данных условиях.

3. В ходе проведения иерархической кластеризации при разрыве связей на уровне 1,5 единиц евклидова расстояния выделяется 14 кластеров I порядка. При разрыве связей на уровне 3 единиц евклидова расстояния выделяется 6 кластеров II порядка. При разрыве связей на уровне 5 единиц евклидова расстояния выделяется 3 кластера III порядка. При разрыве связей на уровне 6 единиц евклидова расстояния выделяется 2 кластера IV порядка.

4. Результаты иерархической и неирархической кластеризации по кластерам I порядка в высокой степени совпадают между собой и с результатами корреляционного анализа.

5. На основе неирархической кластеризации выделено 17 плеяд с определением наиболее информативных признаков. В плеядах, содержащих по одному признаку, этот признак является информативным. В плеядах, содержащих два признака, в дальнейшем можно использовать тот, который наиболее прост в изучении. В плеяде 3 наиболее информативным признаком является высота общая. В плеяде 6 наиболее информативным признаком является форма шишек. Совокупность всех информативных признаков с высокой точностью может характеризовать таксоны.

1. Терещенко С.А., Горбатенко Е.А. Семенное размножение сосны (Pinus L.) в условиях Калининградской области // Известия Калининградского государственного технического университета. - Калининград. - 2012. - С. 173-177.

2. Матюхин Д.Л., Манина О.С., Королева Н.С. Виды и формы хвойных, культивируемые в России. Часть 1 // Товарищество научных изданий КМК. - Москва. - 2009. - 264 с.

3. Васильев Я.Я. и др. Деревья и кустарники СССР. Том 1. - Ленинград: Академия наук СССР. - 1949. - 198 с.

4. Карпун Ю.Н. Итоги и перспективы интродукции древесных растений в России. Выпуск 2. - Сочи: Сочинский ботанический сад «Белые ночи». - 1994. - 136 с.

5. Исачкин А.В., Крючкова В.А. Cпособы унификации переменных для многомерного статистического анализа экспериментальных данных (на примере плодовых растений) // АгроЭкоИнфо. - 2016, №4.

6. Исачкин А.В., Крючкова В.А. Использование многомерных статистических методов для фенетической классификации видов яблони (Malus Mill.) // АгроЭкоИнфо. - 2016, №3.

Размещено на Allbest.ru