CC BY
74
УДК 502.3:582.475:575.224.23
ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ МОНИТОРИНГОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ СОСТОЯНИЯ хвойных
НАСАЖДЕНИЙ
©2011 Н.А. Калашник
Ботанический сад-институт Уфимского научного центра РАН Поступила 11.07.2011
Проведены цитогенетические исследования четырех южноуральских видов хвойных из условий различного по характеру и интенсивности промышленного загрязнения в сравнении с контролем. Установлено, что из исследуемых видов наибольшей индикационной чувствительностью обладает сосна обыкновенная, из использованных методов - оценка аномальности пыльцевых зерен и уровня хромосомных нарушений на стадии ана-телофазы митоза и стадиях ана-телофазы I и ана-телофазы II мейоза.
Ключевые слова: техногенное загрязнение, индикация, цитогенетические методы, хвойные виды, Южный Урал.
В настоящее время в качестве индикаторов экологической нагрузки на территорию довольно часто используется оценка состояния растительных объектов, определяемая различными методами. Использование цитогенетических методов в мониторинговых наблюдениях некоторые исследователи считают одними из самых чувствительных способов эффективной и адекватной оценки влияния неблагоприятных экологических факторов на окружающую среду [3, 15]. Это мнение подтверждено анализом уровня хромосомных аберраций в мери-стематических клетках растений в условиях поливалентного техногенного загрязнения [2, 6]. Высокая чувствительность цитогенетических биоиндикационных тест-систем дается авторами как при оценке общего мутационного фона [5] так и радиационного [4]. Цитогенетические исследования в условиях техногенного загрязнения успешно проводятся и на хвойных видах [8, 9, 12, 13].
В настоящей работе представлены результаты исследования уровня аномалий, выявленных в соматической и генеративной тканях четырех видов хвойных - сосны обыкновенной, лиственницы Сукачева, ели сибирской и пихты сибирской, произрастающих на территории Южного Урала в условиях различного по характеру и интенсивности поливалентного промышленного загрязнения в сравнении с относительно чистыми, контрольными условиями.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В качестве объектов для исследования выбраны средневозрастные естественные насаждения хвойных видов, произрастающие на территории Челябинской области и Башкортостана. Всего исследовано 24 пробные площади, в том числе сосны обыкновенной из 10, ели сибирской из 6, лиственницы Сукачева из 3, пихты сибирской из 5 местообитаний.
Калашник Надежда Александровна, канд. биол. наук, e-mail: [email protected]
Исследованы насаждения в условиях различного техногенного загрязнения - многолетнего критического и сильного в районах медеплавильного (г. Карабаш), горнообогатительного (г. Сатка), металлургического (г. Златоуст), горнодобывающего (г. Учалы) производств, когда превышение предельно допустимых концентраций загрязнителей в воздухе, воде, почве доходило до десятков и даже сотен раз, а также из условий умеренного поливалентного загрязнении (г. Миасс, г. Аша, г. Сим, пос. Магнитка, пос. Чебаркуль), в сравнении с относительно чистыми контрольными условиями. Исследуемые насаждения в условиях загрязнения были расположены на незначительном удалении (от нескольких сот метров до 2,5 км) от источников техногенных выбросов, контрольные пробные площади находились от них, как правило, на расстоянии 15-20 км. Пробные площади, расположенные на более значительном расстоянии от источников загрязнения, рассматривались нами как «фоновые». В связи с тем, что для насаждений из экстремальных экологических условий характерно наличие большого числа суховершинных деревьев и деревьев с «ведьмиными метлами», усыхание боковых побегов, пожелтение и покраснение хвои, на выбранных пробных площадях оценивалось жизненное состояние древостоев согласно классификации В.А. Алексеева [1]. При анализе результатов учитывалась комплексная характеристика интенсивности загрязненности территорий по состоянию атмосферного воздуха, водоемов и почвенного покрова в районе исследований.
При помощи комплекса цитогенетических методов исследовались соматическая (меристема проростков семян) и генеративная (мужской гаме-тофит) ткани хвойных видов, определялись частоты хромосомных мутаций на различных стадиях митотического (метафаза, ана-телофаза) и мейоти-ческого (метафаза I и метафаза II, ана-телофаза I и ана-телофаза II) циклов, а также оценивалась аномальность и фертильность пыльцевых зерен [10, 11]. При исследовании выявлялись следующие типы аномалий: на стадии метафазы митоза - фраг-
менты, кольцевые, дицентрические и дополнительные хромосомы, анеуплоидные и полиплоидные клетки; на стадии ана-телофазы митоза - мосты, фрагменты, кольцевые хромосомы, отставания и забегания хромосом, многополюсность; на стадиях мейоза - фрагменты, мосты, кольца, отставания и забегания хромосом, выбросы и слипания хромосом, триады микроспор; в процессе гаметогенеза -стерильные, мелкие, гипертрофированные пыльцевые зерна и пыльцевые зерна с аномалиями воздушных мешков. Достоверность различий между исследуемыми пробными площадями хвойных видов по уровню выявленных аномалий определяли по критерию х2 [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследования уровня хромосомных нарушений в соматической ткани хвойных видов описанных пробных площадей показали, что в условиях загрязнения у всех из исследованных видов увеличивается процент аномалий (рис. 1).
Так, уровень хромосомных нарушений выявленных у хвойных видов на стадии ана-телофазы митоза в условиях критического загрязнения в Таблица 1. Показатели критерия у2 по уровню аномалий
10,25-11,69 раза, в условиях сильного и умеренного загрязнения в 1,05-5,06 раза выше, чем в относительно чистых условиях. Уровень хромосомных нарушений выявленных у хвойных видов на стадии метафазы митоза в условиях критического загрязнения в 7,5-16,05 раза, в условиях сильного и умеренного загрязнения в 1,25 - 3,50 раза выше, чем в фоновых условиях.
В результате попарного сравнения уровня хромосомных нарушений выявленных на стадии ана-телофазы митоза у хвойных видов из условий разного по интенсивности техногенного загрязнения и
2
условии контроля с использованием критерия % , в основном, установлена достоверность различий этих показателей при различных уровнях значимости. В результате сравнения уровня хромосомных нарушений выявленных на стадии метафазы митоза установлена достоверность различий только между пробными площадями сосны обыкновенной из условий контроля и условий загрязнения, а также между одной из пробных площадей пихты сибирской из условий сильного загрязнения и условий контроля (табл. 1).
. выявленных в процессе митоза.
Сравниваемые пробные площади Стадии митоза
метафаза ана-телофаза
Сосна обыкновенная
Карабаш*** - Новоандреевка 192,88 338,79
Сатка*** - Новоандреевка 42,79 148,00
Златоуст** - Ургала 2,91 25,83
Магнитка* - Ургала 2,91 27,55
Чебаркуль* - Ургала 2,08 21,67
Учалы** - Кирябино 83,20 21,19
Учалы** - Ургун 83,20 36,01
Ель сибирская
Златоуст** - Веселовка 1,05 12,08
Златоуст (свалка)** - Веселовка 1,68 13,93
Аша* - Вознесенка 1,33 2,32
Сим* - Вознесенка 0,21 1,67
Лиственница Сукачева
Златоуст** - Веселовка 2,06 17,92
Миасс* - Веселовка 0,12 0,05
Пихта сибирская
Златоуст** - Веселовка 2,46 5,97
Златоуст (свалка)** - Веселовка 3,53 12,57
г. Аша* - пос. Веселовка 0,12 2,71
Сим* - Веселовка 0,00 0,27
Прим.:
без обозначений
- условия критического загрязнения
- условия сильного загрязнения
- условия умеренного загрязнения
- контрольные и «фоновые» условия -Г>Г5,нрир = 0,001
- УС > УСы при р = 0,05
-Х2>Х2йПрир= 0,1
Рис. 1. Аномалии, выявленные в процессе митоза.
Рис. 2. Аномалии, выявленные в процессе мейоза и гаметогенеза.
Таблица 2. Показатели критерия % по уровню аномалий, выявленных в процессе мейоза и гаметогенеза
Сравниваемые пробные площади Стадии мейоза Пыльцевые
метафаза I ана-телофаза I метафаза II ана-телофаза II зерна
Сосна обыкновенная
г. Карабаш™ - пос. Новоандреевка 66,78 40,32 1,16 84,96 139,87
г. Сатка - пос. Новоандреевка 22,22 17,11 0,88 15,66 78,62
г. Златоуст - пос. Новоандреевка 18,36 13,37 0,03 12,80 49,21
пос. Магнитка - пос. Новоандреевка 0,34 0,24 4,90 6,41 12,36
г. У чалы - пос. Кирябино 0,39 5,60 21,99 20,20 144,53
Ель сибирская
г. Златоуст - пос. Веселовка 5,37 11,97 3,62 41,84 14,40
г. Златоуст (свалка) - пос. Веселовка 6,27 14,57 6,27 42,82 15,75
г. Аша - пос. Веселовка 1,29 4,22 1,29 3,18 1,48
г. Сим - пос. Веселовка 0,67 0,07 0,20 0,17 0,06
Лиственница Сукачева
г. Златоуст" - пос. Веселовка 3,58 20,22 4,01 33,27 91,11
г. Миасс - пос. Веселовка 0,00 1,40 2,00 5,22 15,16
Пихта сибирская
г. Златоуст - пос. Веселовка 4,03 8,40 5,37 24,67 35,34
г. Златоуст (свалка) - пос. Веселовка 4,03 12,35 2,79 36,10 82,84
г. Аша - пос. Веселовка 1,94 5,54 2,00 6,22 7,25
г. Сим - пос. Веселовка 2,59 5,54 0,67 1,10 2,07
Прим.:
без обозначений
условия критического загрязнения условия сильного загрязнения условия умеренного загрязнения контрольные и «фоновые» условия
-Г>Г5,нрир = 0,001 - у; > при р = 0,01 -%2>Х25(прир= 0,1
Результаты исследования уровня хромосомных нарушений в генеративной ткани хвойных видов описанных пробных площадей показали, что в условиях загрязнения у всех из исследованных видов также увеличивается процент аномалий (рис.2). Так, средний уровень нарушений на одну стадию мейоза в условиях загрязнения различной степени интенсивности составляет 0,7% - 9,88%, в контрольных и фоновых условиях только 0,5% - 1,8%. В результате попарного сравнения уровня хромосомных нарушений выявленных на стадиях ана-телофаза I и ана-телофаза II мейоза у хвойных видов из условий разного по интенсивности техногенного загрязнения и условий контроля с исполь-2 '
зованием критерия % , в основном, установлена достоверность различий этих показателей при различных уровнях значимости. В результате сравнения уровня хромосомных нарушений выявленных на стадии метафазы I мейоза установлена достоверность различий, как правило, только между пробными площадями из условий контроля и условий критического и сильного загрязнения, а в результате сравнения уровня хромосомных нарушений выявленных на стадии метафазы II мейоза достоверные различия наблюдаются крайне редко (табл. 2).
Результаты исследования пыльцевых зерен у хвойных видов описанных пробных площадей показали, что в условиях загрязнения у исследованных видов увеличивается процент аномальности пыльцы (см. рис. 2). Так, в условиях критического загрязнения выявленная нами аномальность пыльцы составила 31,4%-38,0%; в условиях сильного
загрязнения - 17,7%-27,5%; в условиях умеренного загрязнения - 10,6%-20,7%; в относительно чистых, контрольных условиях - 7,3%-15,1%. В результате попарного сравнения показателей аномальности пыльцевых зерен с использованием критерия у сосны обыкновенной и лиственницы Сукачева наблюдаются достоверные различия между контролем и всеми исследованными уровнями загрязнения при 0,001 уровне значимости. У ели сибирской и пихты сибирской достоверные различия с высоким уровнем значимости наблюдаются только между условиями контроля и условиями сильного загрязнения (см. табл. 2).
ВЫВОДЫ
1. Высокий уровень хромосомных нарушений, выявленных в процессе митоза и мейоза и высокая аномальность пыльцевых зерен у хвойных видов из условий техногенного загрязнения, а также достоверные отличия загрязненных насаждений от контрольных и «фоновых» по частоте встречаемости нарушений свидетельствуют о том, что большая часть выявленных аномалий вызвана воздействием на объекты исследования промышленных выбросов.
2. Использованные в качестве объектов хвойные виды и апробированные цитогенетические методы показали различную индикационную способность в оценке степени негативного влияния техногенного загрязнения на окружающую среду. Наиболее чувствительным из исследуемых видов определена сосна обыкновенная, у которой наблюдались достоверные различия между контролем и всеми ис-
следованными уровнями загрязнения, в основном, при высоких уровнях значимости, наиболее эффективными из использованных методов - определение аномальности пыльцевых зерен, а также оценка уровня хромосомных нарушений на стадии ана-телофазы митоза и стадиях ана-телофаза I и ана-телофаза II мейоза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев // Лесоведение. 1989. № 4. С. 51-57.
2. Бессонова В.П., Грицай З.В., Юсыпива Т.Н. Использование цитогенетических критериев для оценки мутагенности промышленных поллютантов // Цитология и генетика. 1996. Т. 30. №5. С.70-76.
3. Буторина А.К., Калаев В.Н. Анализ чувствительности различных критериев цитогенетического мониторинга // Экология. 2000. № 3. С. 206-210.
4. Буторина А.К., Косиченко Н.Е., Щетинкин C.B. Цитоге-нетический мониторинг среды в зоне потенциальной опасности радиационного загрязнения // Генетика. 1994. Т. 30. Приложение: Материалы I съезда ВОГиС. С. 19.
5. Горовая А.И, Дигурко В.М., Скворцова Т.В. Цитогенети-ческая оценка мутагенного фона в промышленном Приднепровье // Цитология и генетика. 1995. Т. 29. № 5. С. 16-22.
6. Гуськов Е.П., Вардуни Т.В., Шкурат Т.П. и др. Свободно-радикальные процессы и уровень аберраций хромосом в листьях древесных растений как тест-системы на
генотоксичность городской среды // Экология. 2000. № 4. С. 270-275.
7. Животовский Л.А. Популяционная биометрия. М.: Наука, 1991.271 с.
8. Махнева С.Г. Состояние мужской генеративной системы сосны обыкновенной при техногенном загрязнении среды: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Екатеринбург, 2005. 24 с.
9. Муратова E.H., Зубарева О.Н. Цитогенетическое изучение сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в районе выбросов тепловой электростанции // Известия АН СССР. Сер. биол. 1990. № 3. С. 36-41.
10. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1980. 304 с.
11. Правдин Л.Ф., Бударагин В.А., Круклис М.В., Шершуко-ва О.П. Методика кариологического изучения хвойных пород // Лесоведение. 1972. № 2. С. 67-75.
12. Романова Л.И., Третьякова H.H. Особенности микро-спорогенеза у лиственницы сибирской, растущей в условиях техногенного стресса // Онтогенез. 2005. Т. 36, №2. С. 128-133.
13. Третьякова H.H., Носкова Н.Е. Пыльца сосны обыкновенной в условиях экологического стресса // Экология. 2004. № 1.С. 26-33.
14. Федорков А.Л. Микроспорогенез сосны при загрязнении среды в Российской Лапландии // Лесной журнал. 1995. № 1. С. 48-50.
15. Экологический мониторинг. Методы биомониторинга. Ч. 2. / под ред. Д.Б. Гелашвили. Н.Новгород: Изд. ННГУ. 1995. 272 с.
ASSESS THE SENSITIVITY OF CYTOGENETIC METHODS OF MONITORING RESEARCH CONDITION CONIFEROUS FORESTS
©2011 N.A. Kalashnik
Botanical Garden-Institute, Ufa Sci. Centre of RAS, Ufa
Cytogenetik studies of four South Ural coniferous species were conducted under the conditions of industrial pollution of diffirent character and intensity as compared to a control one. Scots pine among the analysed species and the estimation of pollen grain anomality and the level of chromosomal aberrations at ana-telophase mitosis stages, ana-telophase I and ana-telophase II meiosis stages among other used methods is determined to be characterized by the greatest indication sensitivity.
Key words: industrial pollution, indication, cytogenetic methods, coniferous species, South Ural.
Kalashnik Nadezhda Aleksandrovna, Candidate of Biology, e-mail: [email protected]
