Jesteś tutaj

Zmienność morfologiczna liści kasztanowca - praca badawcza z Olimpiady Biologicznej

Przedstawiam interesującą pracę przygotowaną na etapie okręgowym Olimpiady Biologicznej 2017/2018. Niestety praca nie będzie zrecenzowana na etapie centralnym, jednak ze względu na porządne wykonanie i jej niewątpliwe walory edukacyjne oraz spory wkład pracy autorki, postanowiłem ją opublikować. Na końcu artykułu zamieściłem link do oryginalnego plakatu w formacie pdf.

Zamieszczone na stronie prace służą jedynie zapoznaniu się z ogólnym charakterem prac badawczych zgłaszanych na Olimpiadę Biologiczną. Niedopuszczalne jest kopiowanie całej koncepcji wykonania pracy bądź fragmentów jej tekstu we własnej pracy. Tego typu działania będą uznawane za plagiat i mogą wiązać się z odrzuceniem pracy przez komisję olimpiady.

Zmienność morfologiczna liści kasztanowca zwyczajnego (Aesculus hippocastanum L.) na terenie Piotrkowa Trybunalskiego

AUTOR: Emilia Staszór

Streszczenie

W związku z badaniami nad zmiennością liści kasztanowca zwyczajnego (Aesculus hippocastanum L.) zajęłam się analizą morfologii zebranych liści. Celem pracy było wykazanie różnic między badanymi próbami, określenie skali zmienności cech i wytypowanie cechy o najmniejszej zmienności, która najlepiej posłużyłaby do diagnozy systematycznej. Materiały do badań zebrałam między 10-17 sierpnia 2017 r. z terenu Piotrkowa Tryb. Do pomiarów pobrałam po 20 liści z 22 stanowisk. Analizie poddałam długość ogonka; długość i szerokość listków; stosunek długości do szerokości wybranych listków; liczbę listków w liściu. Próby porównałam stosując metodę Jentys-Szaferowej oraz metodę najbliższego sąsiedztwa, polegającą na grupowaniu obiektów wielowymiarowych. Obliczyłam współczynniki korelacji między badanymi cechami. Ustaliłam zakresy zmienności dla poszczególnych cech. Stwierdziłam, że cechą najmniej zmienną, najlepszą do diagnozy systematycznej, jest stosunek długości do szerokości środkowego listka w liściu. Cechą najbardziej zmienną jest szerokość pierwszych listków w liściu. Czynnikami, które mają decydujący wpływ na zmienności liści Ae. hippocastanum w Piotrkowie Tryb. okazały się jakość gleby i insolacja.

Wstęp

Kasztanowiec zwyczajny (Aesculus hippocastanum L.), zwany również białym i pospolitym, należy do rodziny mydleńcowatych (Sapindaceae Juss.) z rodzaju kasztanowiec (Aesculus L.). Wymaga gleb świeżych lub wilgotnych i zasobnych w wapń. Na stanowiskach zbyt suchych liście wcześnie zasychają i opadają. Potrzebuje miejsc słonecznych lub półcienistych (Dolatowski, Seneta, 2012). Jest specyficznym wskaźnikiem dla zanieczyszczenia przemysłowego (Dimitrova, Kurteva, 2014). Liście są dłoniaste, złożone z 5-7 listków (Tomanek, 1979) wraz z kwiatostanami są kosmato, rdzawo owłosione. (Dolatowski, Seneta, 2012). Rozmiary blaszki liściowej wahają się: od 10 do 25 cm. (Rostański, 1999); do 25 cm. (Dolatowski, Seneta, 2012); do 30 cm. (Jean-Denis, 2009). Cienkie blaszki liści Ae. hippocastanum wytwarzają słabo rozwiniętą barierę mechaniczną, która mogłaby chronić liście przed żerującymi na nich szrotówkami kasztanowcowiaczkami (Cameraria ochridella Deschka&Dimić). Postępujące żerowanie szkodnika doprowadza do obumierania epidermy po obu stronach blaszki liściowej, zasychania fragmentów liści w obrębie min a także odpadania listków (Weryszko-Chmielewska, Haratym, 2012). W pracy nie uwzględniłam podziału na odmienne formy fenologiczne, jednak badane przeze mnie cechy nie różniły się znacząco w obrębie tych form (Boińska, Symonides, 1975). Od kilku lat zauważałam, że liście między kasztanowcami różniły się rozmiarem, ilością listków w liściach, przy czym na niektórych drzewach, część listków poodpadała. Postanowiłam przeprowadzić obserwacje oraz zgromadzić dane, które pozwoliłyby mi poznać przyczyny tego zjawiska i zidentyfikować zależności. Celem pracy było wykazanie różnic między badanymi próbami, określenie skali zmienności badanych cech oraz wytypowanie cechy o najmniejszej zmienności, która najlepiej posłużyłaby do diagnozy systematycznej.

Materiały i Metody

Materiały do badań nad zmiennością liści kasztanowca zwyczajnego (Aesculus hippocastanum L.) pochodziły z terenu Piotrkowa Trybunalskiego (województwo łódzkie). Liście zbierałam między 10-17 sierpnia 2017 r. z 22 stanowisk (jedno stanowisko-jedno drzewo). Z każdego drzewa losowo po 20 liści od strony wschodniej z korony ocienionej z zewnętrznego płaszcza z listowiem. Sposób, w jaki zmierzyłam liście dla cech 1, 2, 3 oraz numeracje listków przedstawia rysunek 1 (ryc.1).

Ryc.1 Sposób pomiaru poszczególnych cech i numeracji listków

Zmierzyłam następujące cechy: 1) długość ogonka 2) długość każdego listka 3) długość najszerszej części blaszki każdego listka, co oznaczyłam w następujący sposób: 3.3 - pierwsza cyfra oznacza cechę, a druga cyfra, który listek podlegał analizie. Ponadto obliczyłam 4) stosunek długości listka do jego szerokości, przy czym analizie poddałam osobno listki z (a) pierwszej, (b) drugiej pary i (c) czwarty listek 5) liczbę listków. Do dalszej analizy sprawdziłam także jaki procentowy udział miały listki, które odpadły, w stosunku do całkowitej liczby listków na danym stanowisku (tab.3). Dla wszystkich cech obliczyłam średnie arytmetyczne (M), wraz z ich charakterystykami, takimi jak: wartości skrajne (Min., Max.), odchylenie standardowe (S) i współczynnik zmienności (V). Obliczyłam również współczynniki korelacji pomiędzy badanymi cechami. Do interpretacji współczynników zmienności (ryc.4) i korelacji (tab.1) posłużyłam się skalą Boguckiego (Bogucki, 1979). Próby porównałam graficzną metodą Jentys-Szaferowej, polegającą na przyrównaniu do próby ogólnej (będącej średnią arytmetyczną analizowanych cech wszystkich badanych prób) średnich z prób lokalnych (Jentys-Szaferowa, 1950). Zastosowałam również metodę najbliższego sąsiedztwa, polegającą na stopniowym łączeniu jednostek według przyjętego kryterium. Obrazem graficznym tej metody jest dendrogram, ilustrujący stosunki panujące między badanymi obiektami (Szweykowscy, 2012). Podczas pisania pracy korzystałam z programów: Microsoft Office Excel, dodatku XLSTAT i LibreOffice Impress. Pomiarów dokonałam w dniu zbioru, zawsze po wierzchniej stronie liścia, z dokładnością do jednego milimetra, przy pomocy centymetra krawieckiego z podziałką milimetrową. Porównałam wiek drzew, mierząc obwód pni (tab.3) wg zasad znalezionych na stronie Rejestru Polskich Drzew Pomnikowych (rpdp.hostingasp.pl). Stanowiska, z których zebrałam liście, pochodziły z miejsc oznaczonych czerwonymi punktami na mapie Piotrkowa Tryb. (ryc.2-podano datę zbioru; rodzaj, klasę i pH gleby). Informacje na temat stanu gleby uzyskałam z Geo-Center S.C.. Materiał badawczy oraz teren, z którego został zebrany, sfotografowałam.

Ryc.2 Lokalizacja stanowisk; data zbioru; rodzaj, klasa i pH gleby. Każde drzewo, z którego zebrałam materiał, oznaczyłam na mapie czerwoną kropką i przypisałam mu numer. Materiały ze stanowisk 1-5 zebrano w dniu 10.08; 6-9 w dniu 11.08; 10-12 i 21-22 w dniu 12.08; 13-15 w dniu 13.08; 16-20 w dniu 14.08. ● Stanowiska 1-9 rosły przy drodze ● Stanowiska 13-15 rosły przy ulicy wewnętrznej; rodzaj i klasa gruntu - R sąsiadującej z cmentarzem; rodzaj i IIIB; pH 5,0-5,5. klasa gruntu - R IIIB; pH 5,0-5,5. ● Stanowiska 10, 12 rosły samotnie ● Stanowiska 16-20 rosły na terenie park przy skrzyżowaniu ruchliwych dróg; śródmiejskiego; rodzaj i klasa gruntu Ls rodzaj i klasa gruntu - R V; pH 5,0. III; pH 7,5-8,0 ● Stanowisko 11 rosło przy ● Stanowiska 21,22 rosły przy skrzyżowaniu dróg lokalnych; rodzaj i skrzyżowaniu sąsiadującym z parkiem; klasa gruntu - Ps III; pH 5,0-5,5. rodzaj i klasa gruntu - R IIIB; pH 5,0-5,5.

Tab.1 Interpretacja wartości bezwzględnej współczynnika korelacji.

Współczynnik korelacji Związek
do 0,30 słaby
0,31 – 0.51 umiarkowany
0,51 – 0,70 znaczny
0,71 – 0,90 ścisły
ponad 0,90 bardzo ścisły

Wyniki

Na podstawie uzyskanych pomiarów ustaliłam zakresy zmienności badanych cech. Wartości skrajne, średnie arytmetyczne, odchylenie standardowe przedstawiają wykresy na ryc.3. Wyliczone współczynniki zmienności przedstawia ryc.4. Charakter związku między cechami, który określiłam na podstawie współczynnika korelacji przedstawia tab.2. Analiza linii wielkości i kształtu (ryc.5) pozwoliła stwierdzić, jakiemu zróżnicowaniu podlegają podlegają badane cechy. Dendrogram na ryc.6 ilustruje stosunki panujące między obiektami ze względu na współczynniki zmienności.

Ryc.3
Ryc.3 Wartości skrajne, średnie arytmetyczne, odchylenie standardowe dla badanych cech w próbie ogólnej.

Ryc. 4
Ryc.4 Współczynniki zmienności, ze skalą wg Boguckiego.

Tab. 2
Tab.2 Charakter korelacji między przedstawionymi w tabeli cechami jest dodatni. Związek między cechami 4a, 4b, 4c a pozostałymi cechami w każdym przypadku był słaby.

Ryc. 5
Ryc.5 Graficzne przedstawienie stosunku wartości średnich cech próby ogólnej (linie proste) do średnich arytmetycznych cech z poszczególnych stanowisk (linie łamane). Pionowo przedstawiono numery cech. Liczby na poziomej osi przedstawiają wartości stosunku tych średnich arytmetycznych. Numery stanowisk podano pod wykresami.

Ryc. 6
Ryc.6 Dendrogram. Stanowiska zostały zgrupowane na podstawie współczynnika zmienności.

Tab.3 Obwód drzewa oraz procent listków, które odpadł z badanych liści na danym stanowisku.

Stanowisko Obwód [cm] Ilość blaszek, które odpadły
1 38 0%
2 35 0%
3 32 0%
4 42 0%
5 38 2,73%
6 56 0,77%
7 47 0%
8 39 8%
9 70 2,36%
10 118 53,28%
11 26 3,31%
12 111 29,77%
13 41 0%
14 43 1,74%
15 33 0,79%
16 50 0,72%
17 45,5 0%
18 33 0%
19 48 0%
20 48 7,86%
21 100 1,50%
22 96,5 0,83%

Dyskusja

Górny zakres długości listków kasztanowca (33 cm.), który otrzymałam w przeprowadzonym przeze mnie badaniu jest porównywalny z informacjami zawartymi w książce Jean-Denis (2009). Jako najmniejsze wartości otrzymałam zakres 1,5-6,2 cm., co znacznie odbiega od dolnej wartości podanej przez Rostańskiego (1997) i Tomanka (1999).

Cechą najmniej zmienną, z pogranicza zmienności umiarkowanej i znacznej, jest stosunek długości do szerokości czwartego listka (V4c=10,03%). Największą zmiennością charakteryzuje się szerokość blaszki dla listków 1 (V3.1=41,65%) i 1’ (V3.1’=40,73%). Warto zauważyć, że wartość współczynnika zmienności rośnie od listka 4 do listków 1 i 1' i to krańcowe listki osiągają największe wartości współczynnika zmienności dla cech 2 i 3. Analogiczna zależność zachodzi dla stosunku długości do szerokości (V4a >V4b>V4c). Praktyczniejsza jest jednak cecha 5, której współczynnik zmienności wyniósł niewiele więcej (V5=13,26% - zmienność znaczna), a jest cechą, którą można sprawdzić bez wykorzystywania narzędzi pomiarowych. Dużą zmiennością charakteryzowała się także długość ogonka (V1=37,87%). Najdłuższe ogonki miały liście zebrane z drzew rosnących blisko siebie, przez co dostęp do promieni słonecznych był ograniczony. Może być to dowodem na konkurencję wewnątrzgatunkową, a czynnikiem, o który zabiegają drzewa jest dostęp do promieni słonecznych. Można także zaobserwować ścisłą dodatnią korelację między długością ogonka a długością listków 3, 4, 3’. Poddając analizie ryc.5 zauważyłam, że próby lokalne, które miały średnio krótsze i węższe listki od jednostki porównawczej, były na ogół smuklejsze, gdyż miały większy stosunek długości do szerokości, co widać na stanowiskach 2, 5, 8, 10, 15.

Rozważając nad czynnikami, które mogłyby wpłynąć na zróżnicowanie liści kasztanowca wzięłam pod uwagę: obwód drzew (wiek); klasę i pH gleby oraz insolację. Oceniłam także kondycję drzewa na podstawie łącznej liczby brakujących listków w liściach. Na podstawie rocznej oceny jakości powietrza (Kłos, Olczyk, Wachowiec, 2016) wykluczyłam wpływ zanieczyszczenia. Analizując dendrogram (ryc.6) stwierdziłam, że decydującym czynnikiem w oparciu o który zostały wyodrębnione grupy jest jakość gleby i insolacja. Próba 17 i 20 tworzy wraz z nawiązującymi stanowiskami 16, 1 i 19 jedną grupę. Spośród przebadanych stanowisk właśnie te charakteryzują się najlepszymi warunkami glebowymi, jedynie tutaj gleba przyjmowała odczyn obojętny, a także były równomiernie oświetlone ze strony wschodniej. To, że zostało tu zgrupowane drzewo 1, charakteryzujące się gorszymi warunkami glebowymi, może wynikać z tego, że było równomiernie oświetlone ze strony wschodniej, w przeciwieństwie do pozostałych drzew ze strefy A, które były częściowo przysłonięte przez gałęzie sąsiadujących drzew. Powyższe tłumaczy dlaczego drzewo 18, które było przysłonięte przez inne drzewo nie znalazło się w tej grupie. Dla tej grupy wszystkie współczynniki zmienności badanych cech są mniejsze niż średni współczynnik zmienności dla próby ogólnej. Większość współczynników zmienności stanowisk {2, 8} i {3, 5, 10, 12, 7, 6} jest większa niż średni współczynnik zmienności dla próby ogólnej. Także w tych dwóch grupach, do których te drzewa zostały zakwalifikowane, współczynniki zmienności dla poszczególnych cech osiągają największe wartości. We wszystkich zbiorach obwód pni był zróżnicowany, tym samym wiek, co znaczy, że nie był czynnikiem o decydującym wpływie na zmienność liści kasztanowca.

Warto zwrócić uwagę, że drzewa 10 i 12 rosnące na glebie najgorszej jakości, także przy ruchliwych drogach, odznaczały się największym udziałem listów, które odpadły, kolejno 53,3% i 29,8%. Co może być związane z licznymi minami, a w związku z tym plamami martwiczymi, będącymi konsekwencją żerowania szrotówka kasztanowcowiaczka. Wpływ może mieć również to, że stanowiska były zbyt suche. Lepszą kondycją liści odznaczały się drzewa 16-20, które rosły na znacznie lepszych warunkach glebowych, mimo że również było to miejsce o dużym natężeniu ruchu drogowego. Nie ulega wątpliwości, że blisko rosnące drzewa ułatwiały przenoszenie się pasożyta, co było widać po stanowiskach 1-9. Są to czynniki, przez które Ae. hippocastanum traci swoje walory estetyczne. Przy planowaniu zieleni powinny być brane pod uwagę wymagania drzew oraz powinno się unikać sadzenia ich w monokulturach.

Piśmiennictwo

  1. Bogucki Z. (1979): Elementy statystyki dla biologów: statystyka opisowa. Poznań: Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.
  2. Boińska U., Symonides E. (1975) Morphological variability of the inflorescences and leaves of two phenological forms of Aesculus hippocastanu. Acta Universitatis Nicolai Copernici. Nauki Matematyczno-Przyrodnicze. Biologia, z. 17 (36)
  3. Dolatowski J. i Seneta W. (2012): Dendrologia. Warszawa: PWN
  4. Jean-Denis G. (2009). Przewodnik do rozpoznawania drzew i krzewów. Warszawa: Delta W-Z
  5. Jentys – Szaferowa J. (1948-51): Graficzna metoda porównywania kształtów roślinnych. Kosmos. Seria A. Tom LXVI. Wrocław: Polskie Towarzystwo Przyrodników im. Kopernika
  6. Kłos G., Olczyk B., Wachowiec A. (2016) Roczna ocena jakości powietrza w województwie łódzkim w 2016 r. Dostęp na: http://www.wios.lodz.pl/Piotrkow_Trybunalski,146 Dostęp: 8.08.2017
  7. Kurteva M. K, Dimitrova D. Z. (2014) Ae. hippocastanum, Castanea sativa and Cydonia oblonga as bioindicators of industrial and road traffic pollution: Morphological study. Phytologia Balcanica, 20(2–3): 203-214
  8. Rostański K., Rostański K.M. (1999). Atlas i Klucz - Drzewa i Krzewy. Krzeszowice: Kubajak
  9. https://www.rpdp.hostingasp.pl/Trees/UI/TreeGirthMeasurmentRulesForm.aspx. Dostęp 20.11.2017
  10. Szweykowska A., Szweykowski J. (2003). Słownik Botaniczny. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo “Wiedza Powszechna”
  11. Szweykowska A., Szweykowski J. (2012). Botanika. Tom 2- Systematyka. Warszawa: PWN
  12. Tomanek J. (1997). Rodzina hippocastanaceae - kasztanowcowate. W: Bujnowska Z, red. Botanika Leśna. Warszawa: PWRiL
  13. Weryszko-Chmielewska E., Haratym W. (2012) Leaf micromorphology of Ae. hippocastanum L. and damage caused by leaf-mining larvae Cameraria ohridella Deschka & Dimić. Acta Agrobotanica, Vol. 65: 25-34
Załączniki: