CC BY
18Ученые «тиски Таврического национального университета им В. II. Вернадского Серия «Биологии, химия» Том L9 (58). 2006. №2. С. 4-25.
УДК 582.4/.9.02+[582.4/.9:574.21]
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО СТРЕССА НА ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ ПЫЛЬЦЫ И СЕМЯН ACER PLATANOIDES
Ибрагимова Э.Э., Баличиееа Д.В.
Увеличение во всех компонентах биосферы количества доступных для живых организмов форм тяжелых металлов и радионуклидов делает актуальным анализ последствий этих, обусловленных развитием человеческой цивилизации, процессов на состояние окружающей среды. Особенно важны такие исследования в отношении растении, составляющих 99% всей биомассы Земли и являющихся первым звеном ведущих к человеку трофических цепочек [Lj. Многолетние растения в городах развиваются в условиях значительного угнетения. Очень многие фитоценозы испытывают антропогенную нагрузку, в основном вблизи дорог, в зоне влияния промышленных предприятии, а также в районе населённых пунктов. Наиболее опасным и интенсивным источником загрязнения атмосферы многих городов является автомобильный транспорт [2]. При определении в почве общего содержания Co. Cr, Си. Ni. Pb, Sr и Zn было выявлено повышенное аккумулирование Pb. Ni. Сг. Си и Zn в по1гве придорожной зоны вдоль автострады, что является последствием высокой эмиссии вредных выбросов автотранспорта [3]. Установлено, что присутствие большей части Fc_ Zn. Си и РЬ в верхнем слое городских почв обусловлено аэрозольными выпадениями [4|
Следовательно, почвенный покров городских территорий подвергается коренному преобразованию за счет загрязнения аэрополлютантами. обогащения тяжелыми металлами, а также загрязнения бытовыми отходами. Известно, что тяжелые металлы в воздухе и в почвах токсически действуют на растения [5 — 7]. Исследование состояния лесов индустриального района и результаты биохимических анализов отобранных растительных проб свидетельствуют о широком распространении кумулятивного типа ослабления и усыхания насаждений под действием токсических эмиссий. Это приводит к постепенному снижению резистентности деревьев в процессе их хронического отравления |К|, Установлено что у древесных растений биогеоценозов, произрастающих в зоне постоянного аэротехногенного загрязнения, угнетается процесс плодо- и семяобразования. снижается масса семян, их доброкачественность и жизнеспособность. Рекомендовано показатели плодоношения и доброкачественности семян использовать для фитоиндикации степени негативного действия загрязнения окружающей среды на биогеоценозы [9. 10]. Установлено, что воздушные поллютанты влияют на генетическую структуру древесных популяций, воздействуя на генетическую систему через различные популяционно-гснстическис процессы |11]. Популяция является индикатором состояния окружающей среды [12].
В связи с этим особую актуальность приобретают исследования антропогенных фитоценозов. находящихся в условиях техногенного стресса с целью изучения влияния различных экотоксикантов на репроду ктивную систему и процессы размножения многолетних растений.
Целью данного исследования явилось изучение влияния автотранспортной нагрузки на жишеспособность пыльцы и семян популяций Acer phitanoides. произрастающих вдоль автотрасс с различной интенсивностью движения
МАТЕРИ АЛЫ И МЕТОДЫ
Исследовали популяции клена обыкновенного, или остролистного (Acer plntcmoides). произрастающие в г. Симферополе в районах, характеризующихся различной степенью автотранс по ртн ой нагру з к и.
Материалом доя исследований служили генеративные органы (цветы и плоды), собранные с деревьев, произрастающих в придорожной зоне автострад с различной интенсивностью движения г. Симферополя. Контрольным вариантом служили цветы и плоды, собранные с растений, произрастающих в зоне отсутствия автомобильного движения.
Собранный с указанных зон репродуктивный материал (цветы многолетних древесных растении) фиксировали в уксуснокислом алкоголе (3:1), а затем, после промывки в 70%-ном спирте, переносили в 80%-ный этиловый спирт, где хранили до цитогснстичсского анализа. Фсртильность пыльцевых зерен определяли йодным методом на временных давленых препаратах [13]. Изучение морфологической структуры пыльцевых зерен проводили при помощи системы морфометрического анализа изображений, включающей микроскоп "Zeiss", видеокамер) "SuriKAvang и персональный компьютер. Жизнеспособность семян определяли по методу Нелюбова A.A. |14]. Семенную продуктивность соцветия определяли по метод» Мининой Е.Г. и Третьяковой И.Н. [15]. разработанному для хвойных растений, и используемому нами для Acer pkiUmoides. В каждом соцветии развивается различное количество семян, в связи с чем при расчете семенной продуктивности учитывали число веточек, несущих плоды и число недоразвитых, то есть лишенных плодов. Так как в норме на каждой плодовой веточке развивается два семени, то при расчете семенной продуктивности соцветия учитывали число плодовых веточек, несущих семена, уменьшенное вдвое. Интенсивность движения автотранспорта устанавливали путем подсчета автомобилей различных видов на протяжении суток (утром, днем и вечером) в трехкратной повторное™ по десять минут в течение 10 дней. Полученные данные приводили к усредненным показателям и затем подсчитывали суточную нагрузку [16]. Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета прикладных программ " Microsoft Excel 2(Ю(Г\ В качестве критерия оценки достоверности наблюдаемых в исследовании изменений использовали i-критсрий Стьюдснта 117].
Был проведен анализ автомобильной нагрузки на дорогах по ул. Кечкеметской (зона 1) и в районе Железнодорожного вокзала (зона II). Согласно полученным данным, можно прийти к заключению, что в выбранных для исследования районах регистрируется высокая интенсивность движения. Основная масса автотранспорта — легковые автомобили и маршрутные такси. Суммарная оценка загруженности исследуемых районов автомобильным транспортом составила в среднем 28742 автомобиля в сутки по ул. Кечкеметская и 41616 в районе Железнодорожного вокзала соответственно (табл. 1).
Tafi.uinía f.
Показатели интенсивности движении различных видов автотранспорта в исследованных зонах
Зоны Время суток, ч. Вид транспорта Д1
Легковые автомобили Маршрутные такси Автобусы Грузовые автомобили
x±S x±S У х± S V x±S V л-± S V
I у Н> 148.1 ±6.05 32.9il.63 5 Л ±0.50 4.7±0.53 190.9±7.64
123"-12"' 158.2±5.48 29.5±2.47 3.1±0.58 5.7±0.71 212.3±7.14
17"-17"' 150.7±5.59 23.2± 1.77 3.5±0.53 1.1±0.31 196.7±6.76
11 уЗо (о 203.5± 7.15 85.9±3.68 Ю.7±0.44 4.7±0.35 304.9± 10.82
12ч,-12|" 196.0±5,03 87.4±2,66 7.4±0.40 4.5±0.61 295.2±6.25
17-"-17"' 180.5±3.89 78.1±2.35 7.2±0.46 2.2±0.44 268.0±5.88
Полученные показатели превышают нормативы госстандарта, согласно которым к высокой интенсивности движения относят улицы с нагрузкой 18—27 тыс. автомобилей в сутки 116]. В связи с этим нами ул. Кечкеметская была отнесена к зоне с высокой интенсивностью движения, а район Железнодорожного вокзала - к зоне с очень высокой интенсивностью движения. Полученные данные (табл. 1) свидетельствуют, что поток автомашин в исследованных районах (более 200 авт./ч.) не отвечает санитарным требованиям жилой зоны 118|.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты проведенного исследования свидетельствуют об очень низком показателе спонтанного уровня стерильности пыльцевых зерен, формируемых мужскими репродуктивными органами деревьев Acer platctnoides (2%). произрастающих в экологически благоприятной зоне (контроль). Полученные данные согласуются с положением о том. что у растений, произрастающих в благоприятных условиях, почти вся образующаяся пыльца является нормальной и фертильной [19], Однако показатели стерильности пыльцы достоверно увеличивались в популяциях клена остролистного, произрастающих вдоль автострад с различной интенсивностью движения. Сравнительные данные показателей фертильности (стерильности) пыльцы, формируемой органами мужской репродуктивной системы популяций Acer pUiUmoides. произрастающих в различных экологических условиях и испытывающих различный уровень автотранспортной нагрузки представлены в таблице 2.
Tafi.ii! II (а 2.
Показатели стерильности (фертильности) пыльцы, формируемой органами мужской репродуктивной системы нонтляцнй Acerplatatwides, произрастающих в зонах с различной
тех ногенно! i н а гру з ко i i
№ Зона__Ферт ильное ть пыльцы__Стерильность пы.чьцы_Ф/С
обследования кол- во, ОД. х± .V Л' % кол-во, ед. ,т± Л лг %
1 Контроль 8002 21.34 ±0.1 1 98.0 165 0.62 ± 0,03 2.0 48.5
2 I 5795 18.82 ±0.13м* 87.1 859 2.78 ± 0.06*** 12.9 6.7
3. П 5591 18.57 ±0.10*** 79.4 1453 4.84 ±0.11*** 20.6 ос г«-,
11римечание: отшиия от контроля достоверны при * - р о. К * * - р (м >5; ** * — р 0,< и • 1.
Индуцированный уровень стерильности мужского гамстофита изученных растений, произрастающих вдоль автострад с интенсивным движением автотранспорта, возрастал по сравнению с контрольной юной в 6.4 раза (р < 0.001) (рис. I).
6 т-1
к I и
юна обследования
Рис 1 Показатели стерильности пыльцевых зерен, продуцируемых генеративными органами популяций клена остролистного, произрастающих в контроле (К) и зонах с высокой (I) и очень высокой (II) интенсивностью движения автотранспорта.
Аналогичная картина наблюдалась и во второй зоне исследования, характеризующейся более повышенной транспортной нагрузкой и. как следствие, более высокой токсической эмиссией. Индуцированный уровень стерильности пыльцевых зерен, продуцируемых органами репродукции растительных организмов зоны II. увеличивался по сравнению с контрольной зоной в 10.3 раза (р<0,001).
Различия имелись и между зонами, характеризующимися различной интенсивностью движения. Продукция абортивной пыльцы увеличивалась в зоне с большей автотранспортной нагрузкой в 1.6 раза (р < 0.001) по сравнению с юной I.
На рисунке 2 представлены продукты мужской генеративной сферы популяции Асег рк1((пк>1с1е.у, произрастающих в зонах с различной техногенной нагрузкой. Фертильные пыльцевые зерна окрашены в темный цвет, стерильные — бесцветные. Данное явление связано с тем. что
фсртилыныс и стерильные пыльцевые зерна отличаются по содержанию в них крахмала. Фсртильная пыльца полностью заполнена крахмалом и окрашивается в темный цвет: стерильная — не имеет его совсем или содержит следы и. соответственно, окрашивается частично или остается бесцветной ¡13].
а)
б)
Рис 2 Мужской гаметофит популяций Acer pkttanonlcs. произрастающих в различных экологических условиях (фсртильная пыльца - темная, стерильная - бесцветная;: а) контрольный вариант; о-г) -юны интенсивного движения автотранспорта.
Также нами был рассчитан коэффициент чувствительности органов генеративной сферы растительных организмов к техногенной нагрузке - Ф/С. Данный показатель снижался у растительных организмов техногенной зоны, что является аргументом в пользу утверждения о том. что растительный организм в целом и его репродуктивные органы, в частности мужские, испытывают антропогенную нагрузку. Так. показатель чувствительности (Ф/С) снижался в I варианте исследования в 7.2 раза по сравнению с контролем: во II варианте исследования — в 12.8 раза соответственно. Таким образом, мужская генеративная сфера Acer platcmoides оказалась очень чувствительной к воздействию аэрополлютантов. Отмечено, что при увеличении автотранспортной нагрузки и. как следствие, возду шных эмиссий экотоксикантов. увеличивается процент абортивной пыльцы.
Таким образом, аэротсхногенное загрязнение среды в районах интенсивного движения автотранспорта оказывает негативное влияние на мужской гаметофит Acer pluhmoides. Показатель стерильности пыльцевых зерен, по-видимому, может использоваться как
биоиндикатор неблагополучной экологической обстановки, когда видимое повреждение спорофита не регистрируется.
Нами было проведено также исследование «здоровья семян», продуцируемых репродуктивными органами популяций растений Acer platanoides. испытывающих различную степень техногенной нагрузки. Дня оценки степени «здоровья семян», под которым подразумевается не только наличие (или отсутствие) болезнетворного начала (пораженность грибами, бактериями, вирусами) и поврежден ность вредителями, но и показатели общсбиологичсской природы (генотип растения, стойкость против экстремальных условий и др.). модификационных изменений (экологические условия) [20]. Были использованы следующие показатели - количество и качество семян в одном соцветии и их жизнеспособность по каждому варианту исследования (табл. 3).
Таблица 3.
Качественный и количественный анализ семян, продуцируемых популицпимн Acer platanoides, произрастающих в зонах с различной техногенной нагрузкой
Хе Зона обследования Количество фертнпьных семян Количество стерильных смян x±S V
Общее x±S у Жизнеспособных x±S X % Нежизнеспособных х± S V %
1- Контроль 45,71± 1,20 44,3и±1 J4 96,0 1,41±0,15 4.0 2,53±0Л1
2. I 42.4Ш.ЗЗ 40.64±1Л8* 95.6 К88±0.20 4.4 7.П4±0.36***
j. II 39.58±1,20*м 36u37±lJ9*** 91.9 3J9±0.30*** 8.1 8.82±о.37ф**
Примечание: отличия от контроля достоверны при * - р _ ОЛ; * * - р - < U>5-, *** - р _ • и и ц
Из представленных данных видно, что в районах с повышенной техногенной нагрузкой увеличивалась продукция стерильных семян - в 2.8 (р<0.001) и в 3.5 (р<0.001) раза соответственно по сравнению с контрольной зоной, что может быть последствием неблагоприятного действия экотоксикантов на процесс пледообразования, связанный с повреждением органов и продуктов мужской и женской репродуктивных систем, продуцирующих некачественный семенной материал. По-видимому, данное явление связано с тем. что нормальное развитие и функционирование женского гамстофита нарушалось вследствие его опыления пыльцевыми зернами низкого качества, что и явилось одной из причин снижения количества полнозернистых семян у растений, произрастающих в районах с повышенной автотранспортной нагрузкой. Анализ жизнеспособности ферти.пьных семян выявил довольно высокий показатель жизнеспособности, находящийся в пределах от 92 (р < 0.001) до 96% (р < 0,05). Данное явление связано с тем, что опыление женского гаметофита фертильной пыльцой сопровождалось выходом жизнеспособных семян.
Параллельно нами была проведена оценка семенной продуктивности (А.%) соцветий Acer platanoides. которую рассчитывали по следующей формуле:
А = — 100,
2.V
где А - семенная продуктивность соцветия, в %: п - число семян (общее, развитых); N — общее число плодовых веточек в соцветии.
Результаты проведенного морфологического анализа соцветий контрольного и опытных вариантов представлены в таблице 4.
Таблица 4.
Морфологический ипнпп соцветии и их продуктивное! и (А) популяций A cer platatwules, произрастающих в экологически чистой зоне и вдоль автост рад
Зона Количество плодовых веточек в соцветии
№ обследо- Общее С плодами Без плодов А%
вания x±S_ V x±S V % л ± S г %
Г Контроль 27.37±0.73 24.30±0.63 88.8 3.14±0,24 11.2 83.50
2, I 31.11±0.89+* 24.84± 0.79 79.8 6.31Ш).35**Ф 20.2 68.27
II 33.90tO.65*** 24.19± 0.64 71.3 9.7б±0.42*** 28.7 58.38
Примечание: отличия от контроля достоверны при * - р _ 0.1; ** - р _ 0.05; *** - р „ и.сми
Из представленных в таблице данных видно, что в зонах интенсивного движения автотранспорта регистрировалось незначительное увеличение общего количества плодовых веточек в соцветии - в 1.12 и 1.24 (р >0.1) раза по сравнению с контролем. Возможно, данное явление связано с индивидуальными отличиями деревьев в устойчивости к аэротсхногсиному загрязнению, заключающимися в увеличении числа цветов в соцветии и сохранении высоких показателей продукции плодов. Однако при этом уменьшалось количество плодов на них. Так. в зоне I количество плодов в соцветии уменьшалось на 8.93% (р < 0.001) по сравнению с контролем, во II зоне исследования - на 17.43% (р < 0.001) соответственно (рис. 5).
Следовательно, по мере увеличения автотранспортной нагрузки и. как следствие, повышении эмиссии загрязняющих веществ, наблюдалось снижение процесса плодообразования. результатом чего явилось снижение семенной продуктивности соцветий популяций клен остролистного, произрастающих вдоль автострад
□ плодовые веточки соцветия е модами
□ плодовые веточки соцветия бе$ плодов
3.
Рис. 3 Количество плодовых (веточек с плодами и без плодов) н соцветиях популяций Acer platcmoidcs. произрастающих в экологически чистой зоне (1) и вдоль автострад (2. 3)
Популяции Acer platanoides в норме характеризуются довольно высоким показателем семенной продуктивности. В экологически благоприятных условиях закладывается в среднем 89% развитых плодов. Однако параметры структуры урожая женской генеративной системы достоверно снижались у популяций Acer plaUmoides, произрастающих вдоль автострад с различной интенсивностью движения. В соцветиях увеличивалось количество плодовых веточек, но сокращался выход развитых семян. Следовательно, показатели структуры урожая соцветий у клена остролистного претерпевали значительные колебания в зависимости от условий произрастания. В зонах повышенной автотранспортной нагрузки увеличивалась продукция стерильных семян.
ВЫВОДЫ
1. Мужская генеративная сфера популяций Acer platanoides оказалась чувствительной к воздействию аэрополлютантов. о чем свидетельствует повышение продукции стерильной пыльцы, резкое снижение коэффициента чувствительности органов репродукции, увеличение процента абортивной пыльцы.
2. В районах с высокой и очень высокой интенсивностью движения автотранспорта регистрируется снижение семенной продуктивности соцветий и повышенная продукция стерильных семян. Анализ фертильных семян выявил довольно высокий показатель их жизнеспособности.
3. Процессы микроспорогенеза и плодоношения Acer platanoides могут использоваться для фитоиндикации качества окружающей среды.
Список литерату ры
1 Евсеева Т.П.. Майстренко Т.А . Гераськин СЛ. Белых Г.С.. Кашкова П.В. Токсические и цитогс!готические
эффекты, ивд^цируемые v Allium сера ничкими концентрациями Cd и ~'~Th Цитология и генетика. 2005. № 5
-С. 73-80.
2. Бочаров В. JL. Иванов Ю. В. Эколого-геохимические методы оценки загрязнённости атмосферы малых городов
"Вести, Воронеж, ун-та. Сер. геол. - 1997 - № 4, - С. 137-145
3. Moslehuddin Abu Zofar. Laizoo Sal ma. Egashira Kazuhio Heavy metal pollution of soils along three major highways in Bangladesh J. Fac. Agr. Kyushu Univ. - 1998. -42. № 3-4. C. 503-508.
4. Тютюнник Ю.Г. Зависимость содержания гяжелых металлов в урбаночемах от у|К1вня загрязнения атмосферного воздуха Геогр. и природ, ресурсы 1997. № 2 С. 63-67
5. Ибрагимова Э.Э. Влияние аэротехногенного -загрязнения среды на репродуктивные органы плодовых растений Ученые записки Таврического национального университета им. В. II Вернадского. Серия «.Биология, химия». Т 19 (58). - 2006. Ш1 - С. 43-49
6. Mohan B.S.. I losetti В В. Potential phototoxicity of lead and cadmium to Lemma minor grown in sewage stabilization ponds Environ. Pollut. 1997.-98. №2. C.233-238
7. Xiong Z.-T.. Ни H.-X.. Wang Y.-X. Fu G.-H.. Tan Z.-Q.. YanG.-A. Comparative analyses of soil contaminant levels and plant species diversity at developing and disused oil well sites in Qianjiang oilfield. China Bull. Environ. Contain, and Toxicol. 1997. - 58. № 4. C. 667-672.
8. Mikhailova I A.. Berezhnaya N.S.. Anziferova L.V. The diagnostics of physiological state of tree stands in the Baikal region polluted with industrial emissions Annu. Symp. "Phys. Chem Basis Plant Physiol.", Penza. Febr. 5-8. 1996: Abstr. -Puschino. 1996. С 137
9. Бессонова В.П.. Юсыпива Т II. Влияние шгряшения природной с|х;ды на плодоношение древесных растений Лес. \-во. 1998 №2. С. 39-40.
It). Zau fal Teresa flowering biology of Vaccinium myrtillus and Vaccininni vitis-ideae in the industrially |Killuted environment Acta biol. silcs. - 2000. - 34. - C.64-81
11. Degen В.. Scholz F Ecological genetics in forest ecosystems under stress as analyzed by the simulation model ECO-GENE 7 Chemosphere. - 1998. - 36. №4-5. -C. 819-824
12. Федша A.M.. Козлов А Н. Исследование уорвня генетической безопасности городского населения Цитология и генетика .-2005.-№ 4. - С. 41-44
13 Паушева 3 П. Практикум по цитологии растений. М Колос. 1980. - 304 с.
14. Третьяков 11.11. Карнаухова Т В.. Паничкин Л. А. и др. Практикум по физиологии растений М : Агропромиздат. РЖ). 271 с
15. Т|)етьякова 11.Н Репродуктивные процессы у пимы сибирской в нарушенных лесных экосистемах гор Южной Сибири Успехи современной биологии. Т. 117. Вып. 4.- 1997. - С. 480-495.
16. Методические указания к практическим занятиям но kvi>cv «Основы экологии» Сост Э.Э. Куртсеитова Симферополь; Ш1Ц КГИПУ. 2Ш5 С. 52-53
17. Мерков А. М.. Поляков JI Е. Санитарная статистика М.; Медицина. 1974 — 384с
18. Куликова Т.Н. Влияние автотранспорта на состояние атмосферного воздуха в г. Балашове Marepia.'in II Шжнародно! науково-црактично1 конференци "Сучасш наукой дослиження 2006". - Т. 18. Еколоия Дншропетровськ: Паука i осв1та. 2006. С. 53-56.
19. Банникова В.П.. Хведынич O A. Основы эмбриологии растений. Киев: Наук, думка. 1981 -1(>4с.
20. Кшдрук М.О.. Слюсаренко O.K.. Г ему В. Л. "Здоров я" нлешня та шляхи його поли мнения у гграктищ наинницгва Вгсн. аграр. науки. 1998.1.-С. 17-20.
Поступит в редакцию 20.04.2006 г.
