CC BY
57
Калашник Н.А.
Ботанический сад-институт Уфимского научного центра РАН, г. Уфа E-mail: kalash.ufa@mail.ru, cyto.ufa@mail.ru
ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ НАСАЖДЕНИЙ ПИХТЫ СИБИРСКОЙ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Проведены цитогенетические исследования насаждений пихты сибирской из условий промышленного загрязнения в сравнении с контролем. Установлено, что из использованных методов наибольшей индикационной чувствительностью обладают: оценка аномальности пыльцевых зерен, оценка 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, пихта сибирская, Южный Урал.
В качестве индикаторов экологической нагрузки на территорию в настоящее время довольно часто используется оценка состояния растительных объектов, определяемая различными методами. Использование различных 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 меристематических клетках растений в условиях поливалентного техногенного загрязнения [2, 6]. Высокая чувствительность цитогенетических био-индикационных 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, 12-14].
В настоящей работе представлены результаты исследования уровня аномалий, выявленных в соматической и генеративной тканях пихты сибирской, произрастающей на территории Южного Урала в условиях различного по характеру и интенсивности поливалентного промышленного загрязнения в сравнении с относительно чистыми, контрольными условиями.
В качестве объектов для исследования выбраны средневозрастные естественные насаждения пихты сибирской, произрастающие на территории Челябинской области. Всего исследовано 3 пробные площади (ПП), две из них из условий промышленного загрязнения (г. Аша, г. Сим) и третья из относительно чистых условий (пос. Точильный). При анализе результатов учитывалась комплексная характеристика интенсивности загрязненности территорий по состоянию атмосферного воздуха, водоемов и почвенного покрова в районе исследований. На выбранных ПП оценивалось жизненное состояние древостоев согласно классификации В.А.Алексеева [1].
В районе г. Аша ПП находится в черте города, вблизи от железнодорожного полотна, подвержена поливалентному техногенному загрязнению со стороны промышленных предприятий города -металлургического и химического заводов. Общие выбросы предприятий города и района составляют около 7 тыс. т в год. Загрязнение данной ПП может быть определено как умеренное или даже сильное. На ПП имеются деревья с видимыми повреждениями в виде усыхания боковых побегов и «покраснения» хвои, жизненное состояние древостоя определено как ослабленное.
В районе г. Сим ПП находится на окраине города, вблизи (200-300 м) от автотрассы. Помимо крупной автомагистрали, источником загрязнения в городе являются выбросы ОАО «Агрегат». Загрязнение данной ПП может быть определено как слабое или умеренное. В насаждении наблюдаются видимые повреждения в виде «покраснения» хвои у отдельных деревьев. Жизненное состояние древостоя определено как ослабленное.
В районе пос. Точильный ПП находится вдали от промышленных предприятий, на расстоянии 20-30 км северо-западнее городов Аша и Сим, использована нами как контрольная. Видимых повреждений древостоя на данной пробной площади не наблюдается, насаждение по жизненному состоянию охарактеризовано как здоровое.
При помощи комплекса цитогенетических методов исследовались соматическая (меристема проростков семян) и генеративная (мужской гаметофит) ткани изучаемого вида, определялись частоты хромосомных мутаций на различных стадиях митотического (метафаза, ана-телофаза) и мейотического (метафаза I и метафаза II, ана-те-лофаза 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 - фрагменты, кольцевые, дицентрические и дополнительные хромосомы, анеуплоидные и по-
Калашник Н.А. Цитогенетические методы оценки состояния насаждений пихты сибирской..
Таблица 1. Результаты исследования аномалий, выявленных в соматической и генеративной тканях пихты сибирской в различных условиях произрастания, в%
Местонахождение пробной площади Митоз Мейоз Гаметогенез
метафаза анателофаза метафаза I анателофаза I метафаза II анателофаза II пыльцевые зерна
г. Аша 5,00+0,69 5,94+0,75 0,90+0,30 2,20+0,46 0,60+0,24 2,30+0,47 12,40+1,04
г. Сим 4,00+1,96 4,83+0,72 1,00+0,31 2,20+0,46 0,40+0,20 1,40+0,37 10,6+0,97
пос. Точильный 3,00+0,54 3,10+0,55 0,50+0,22 0,80+0,28 0,30+0,17 0,60+0,24 8,10+0,86
Таблица 2. Показатели критерия ч2 по уровню аномалий, выявленных в соматической и генеративной тканях пихты сибирской в различных условиях произрастания
Сравниваемые пробные площади Митоз Мейоз Гаметогенез
метафаза анателофаза метафаза I анателофаза I метафаза II анателофаза II пыльцевые зерна
г. Аша* - пос. Точильный 0,52 9,34 1,15 6,63 1,00 10,11 10,05
г. Сим* - пос. Точильный 0,15 3,93 1,68 6,63 0,14 3,23 3,69
липлоидные клетки; на стадии ана-телофазы митоза - мосты, фрагменты, кольцевые хромосомы, отставания и забегания хромосом, многополюс-ность; 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. Статистическую обработку данных поводили общепринятыми методами, достоверность различий между исследуемыми пробными площадями по уровню выявленных аномалий определяли по критерию ч2 [7].
Результаты исследования уровня хромосомных нарушений в соматической и генеративной тканях пихты сибирской описанных пробных площадей показали, что в условиях загрязнения у исследованного вида увеличивается процент аномалий. Так, уровень хромосомных нарушений выявленных у пихты сибирской в условиях загрязнения на стадиях митоза в 1,33-1,92 раза, а на стадиях мейоза в 1,33-3,83 раза выше, чем в относительно чистых условиях. В условиях загрязнения также наблюдается более высокий уровень аномалий, выявленных в процесс гаметогенеза, что существенно снижает фертильность зрелых пыльцевых зерен (табл.1).
В результате попарного сравнения уровня аномалий, выявленных в соматической и генеративной тканях пихты сибирской из условий техногенного загрязнения и условий контроля с использованием критерия X2 установлена достоверность
различий этих показателей при достаточно высоких уровнях значимости на стадиях ана-телофа-зы митоза, ана-телофаза I и ана-телофаза II мейо-за и по критериям аномальности пыльцевых зерен. На стадиях метафазы митоза, метафазы I и метафазы II мейоза различия либо недостоверны, либо достоверны при более низких уровнях значимости (табл.2). Следует также отметить, что уровень достоверности различий исследованных показателей более высок при сравнении контроля с пробной площадью из условий более сильного загрязнения (г. Аша), чем из условий более слабого загрязнения (г. Сим).
Высокий уровень хромосомных нарушений, выявленных в процессе митоза и мейоза и высокая аномальность пыльцевых зерен у пихты сибирской из условий техногенного загрязнения, а также достоверные отличия загрязненных насаждений от контрольных по частоте встречаемости нарушений свидетельствуют о том, что большая часть выявленных аномалий вызвана воздействием на объекты исследования промышленных выбросов. Использованная в качестве объекта пихта сибирская и апробированные цитогенетические методы показали достаточно высокую индикационную способность в оценке степени негативного влияния техногенного загрязнения на окружающую среду. Наиболее эффективными из использованных методов явились оценка уровня хромосомных нарушений на стадии ана-телофазы митоза и стадиях ана-телофаза I и ана-телофаза II мейоза и определение аномальности пыльцевых зерен.
29.08.2011
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.И. Использование цитогенетических критериев для оценки мутагенности промышленных поллютантов // Цитология и генетика. 1996. Т.30, №5. С.70-76.
Проблемы экологии Южного Урала
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 С.В. Цитогенетический мониторинг среды в зоне потенциальной опасности радиационного загрязнения // Генетика. 1994. Т.30. Приложение (Матер. 1-го съезда ВОГиС). С.19.
5. Горовая А.И, Дигурко В.М., Скворцова Т.В. Цитогенетическая 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 Е.Н., Зубарева О.Н. Цитогенетическое изучение сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в районе выбросов тепловой электростанции // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1990. №3. С.36-41.
10. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1980. 304с.
11. Правдин Л.Ф., Бударагин В.А., Круклис М.В., Шершукова О.П. Методика кариологического изучения хвойных пород // Лесоведение. 1972. №2. С.67-75.
12. Романова Л.И., Третьякова И.Н. Особенности микроспорогенеза у лиственницы сибирской, растущей в условиях техногенного стресса // Онтогенез. 2005. Т.36, №2. С.128-133.
13. Третьякова И.Н., 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 / Под ред. Д.Б. Гелашвили. Н.Новгород: Изд-во ННГУ. 1995. Ч.2. 272 с.
Сведения об авторе: Калашник Надежда Александровна, ведущий научный сотрудник лаборатории генетики и цитологии растений Ботанического сада-института УНЦ РАН, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник 450080, г.Уфа, ул. Менделеева 195, корп.3, тел.: (347) 2281355; 2526033, e-mail: kalash.ufa@mail.ru, cyto.ufa@mail.ru,
UDC 502.3:582.475:575.224.23 Kalashnik N.A.
Botanical Garden-Institute, Ufa Research Center Russian Academy of Sciences, e-mail: kalash.ufa@mail.ru, cyto.ufa@mail.ru
CYTOGENETIC METHODS FOR ASSESSING THE STATE OF ABIES SIBIRICA FORESTS UNDER INDUSTRIAL POLLUTION
Cytogenetik studies of Abies sibirica were conducted under the conditions of industrial pollution as compared to a control one. 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, Abies sibirica, South Ural.
Bibliography:
1. Alekseev V.A. Diagnosis of life state of trees and stands // Lesovedenie. 1989. №4. S. 51-57.
2. Bessonova V.P., Gritsay Z.V., Yusypiva T.I. Using cytogenetic criteria to assess the mutagenicity of industrial pollutants // Tsitologiya i genetika. l996. T. 30, №5. S.70-76.
3. Butorina A.K., Calaev V. N. Sensitivity analysis of various criteria cytogenetic monitoring // Ekologiya. 2000. №3. S.206-210.
4. Butorina A.K., Kosichenko N.E., Shchetinkin S.V. Cytogenetic monitoring of environment in the area of potential danger of radiation contamination // Genetika. 1994. T. 30. Prilozhenie (Mater. 1-go s’’ezda VOGIS). S.19.
5. Gorovaya A.I., Digurko V.M., Skvortsov T.V. Cytogenetic evaluation of the mutagenic background in industrial Dnieper // Tsitologiya i genetika. 1995. T.29, №5. S. 16-22.
6. Guskov E.P., Varduni T.V., Shkurat T.P. and other. Free-radical processes and the level of chromosomal aberrations in the leaves of woody plants as test systems for genotoxicity of the urban environment // Ekologiya. 2000. №4. S. 270-275.
7. Zhivotovsky L.A. Population biometrics. Moskva: Nauka, 1991. 271 s.
8. Makhneva S.G. Status of male generative system of Scots pine in technogenic environmental pollution: Avtoref. dis. ... kand. biol. nauk. Yekaterinburg, 2005. 24 s.
9. Muratova E.N., Zubarev O.N. Cytogenetic study of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in the emission of thermal power plants // Izv. AN SSSR. Ser. biol. 1990. №3. S.36-41.
10. Pausheva Z.P. Workshop on the cytology of plants. Moskva: Kolos, 1980. 304 s.
11. Pravdin L.F., Budaragin V.A. Kruklis M.V., Shershukova O.P. The method of karyological study of softwood // Lesovedenie. 1972. №2. S.67-75.
12. Romanova L.I., Tretyakov I.N. Features of microsporogenesis in the Siberian larch growing under conditions of anthropogenic stress // Ontogenez. 2005. T.36, №2. S.128-133.
13. Tretyakov I.N., Noskov N.E. Pine pollen in the environmental stress // Ekologiya. 2004. №1. P.26-33.
14. Fedorkov A.L. Microsporogenesis pine for environmental pollution in Russian Lapland // Lesnoi zhurnal. 1995. №1. S. 48-50.
15. Environmental monitoring. Biomonitoring methods / Pod red. D.B. Gelashvili. N. Novgorod: Izd-vo NNGU. 1995. CH.2. 272 s.
