Эколого-генетическая характеристика звездчатки злаковой и дремы белой из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа

Каримуллина, Элина Миннулловна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эколого-генетическая характеристика звездчатки злаковой и дремы белой из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Эколого-генетическая характеристика звездчатки злаковой и дремы белой из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа"

/М/"

Каримуллина Элина Миниулловна

На правах рукописи

ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВЕЗДЧАТКИ ЗЛАКОВОЙ И ДРЕМЫ БЕЛОЙ ИЗ ЗОНЫ ВОСТОЧНО-УРАЛЬСКОГО РАДИОАКТИВНОГО СЛЕДА

03.02.08 - экология

1 И

•что

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Екатеринбург-2012 005042516

005042516

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте экологии растений и животных Уральского отделения РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук Позолотина Вера Николаевна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Гераськин Станислав Алексеевич доктор биологических наук, доцент Жуйкова Татьяна Валерьевна

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра УрО РАН

Защита состоится 25 мая 2012 г. в _П часов на заседании диссертационного совета Д 004.005.01 при Институте экологии растений и животных УрО РАН по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202. Факс: (343)260-82-56. E-mail: dissovetfwipae.uran.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и животных УрО РАН.

Автореферат разослан "J_8" апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук

Золотарева Н.В.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. С момента открытия искусственных радионуклидов прошел относительно небольшой период времени. Однако в результате деятельности ядерных предприятий, мощных аварий, испытаний ядерного оружия природная среда все в большей степени подвергается негативному воздействию техногенной радиации (Международный Чернобыльский проект ... , 1991; Крышев, Рязанцев, 2000; Крупные ... , 2001; Охрана ... , 2003; Cesium-137 ... , 2011; UNSCEAR, 2011). Это обусловливает неуклонное возрастание актуальности исследований действия радиации на живые организмы и их сообщества, особенно :ронического облучения в малых дозах.

Влияние малых доз радиации на живые организмы изучено в многочисленных кспериментах. Показано, что они могут вызывать нестабильность генома (Новые 1спекты ... , 1999; Рождественский, 1999; Мазурик, Михайлов, 2001; Little, 1999; iaverstock, 2000), трансгенерационный перенос некоторых свойств (Бычковская, 1986; Dubrova, 2003; Позолотина, 2003; Воробцова, 2006; Nomura, 1982), ювышенный мутагенез (Дубинин и др., 1988; Попова и др., 1990; Евсеева, ^ераськин, 2001), стимуляцию процессов роста и развития (Кузин, 1995), даптивный ответ (Нестабильность генома ... , 1996; Клеточный состав ... , 2003; ividence ... , 1990; Crawford, Davies, 1994; Adaptive response ... , 2009). ¡акономерности, установленные в экспериментах, находят подтверждение в [риродных сообществах в зонах радиоактивного загрязнения (Вудвелл, Остин, 1968; Гережанова и др., 1971; Шевченко и др., 1998; Козубов, Таскаев, 2004; Позолотина, !003; Современное состояние ..., 2008; Удалова, Гераськин, 2011; Woodhead, 2003).

Уникальным природным полигоном для изучения популяций и экосистем в условиях радионуклидного загрязнения является Восточно-Уральский 1адиоактивный след (ВУРС), который сформировался в 1957 г. в результате аварии [а ПО "Маяк". Многие поколения живых организмов в зоне ВУРСа испытывают юздействие ионизирующих излучений. Проведенные здесь исследования стали |дним из первых опытов работы в зоне крупномасштабного радиоактивного агрязнения (Экологические ... , 2001; Пристер, Алексахин, 2008). Результаты этих [сследований были востребованы в ходе проведения работ в зоне аварии на 1ернобыльской АЭС и важны для прогнозов развития ситуации в других регионах, агрязненных радионуклидами.

Цель работы: комплексное изучение эколого-генетических особенностей звездчатки злаковой (Stellaria gramínea L.) и дремы белой (Melandrium album (Mill.) Garcke), произрастающих в градиенте радионуклидного загрязнения зоны ВУРСа.

Задачи исследования:

1. Провести анализ жизнеспособности, мутабильности и антиоксидантного статуса семенного потомства звездчатки злаковой и дремы белой из зоны ВУРСа. Выявить взаимосвязи основных характеристик качества семенного потомства с уровнем радиоактивного загрязнения участков и динамикой погодных условий.

2. Изучить адаптивный потенциал семенного потомства двух модельных видов (используя провокационное облучение) с учетом уровня загрязнения участков и изменчивости погодных условий.

3. На основе аллозимного анализа выявить генетическое разнообразие в ценопопуляциях звездчатки злаковой и дремы белой, произрастающих в градиенте радиоактивного загрязнения.

Научная новизна. Впервые в эколого-генетические исследования вовлечены ценопопуляции звездчатки злаковой и дремы белой из зоны ВУРСа, а также изучен полиморфизм ферментных систем у вида S. gramínea в целом и хронически облучаемых ценопопуляций, в частности. Впервые выявлены особенности ферментной изменчивости у М. album в зоне радиоактивного загрязнения. Определены основные значения внутри- и межпопуляционной вариабельности показателей жизнеспособности, радиочувствительности и мутабильности семенного потомства изученных видов. Выявлена межгодовая изменчивость этих показателей в зависимости от сочетанного действия радиации и климатических факторов. Впервые дана оценка суммарного содержания низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО) в проростках звездчатки и дремы в зависимости от уровня загрязнения мест произрастания материнских растений.

Теоретическое и практическое значение.

Полученные нами данные вносят вклад в изучение отдаленных последствий хронического облучения в малых дозах в ценопопуляциях, расширяют имеющиеся представления о механизмах адаптации природных систем к радиоактивному загрязнению. Эти данные можно рассматривать как базовые при прогнозировании восстановления растительных сообществ в зоне ВУРСа, а также использовать при организации экологического мониторинга в других районах, загрязненных долгоживущими радионуклидами. Результаты работы используются в лекционном курсе «Радиоэкология с основами радиобиологии», читаемом в ФГАОУ ВПО

Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (г. Екатеринбург).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Stellaria gramínea и Melandriiun album отличаются высокой изменчивостью жизнеспособности семенного потомства без определенной связи с уровнем загрязнения местообитаний родительских растений. Межгодовая изменчивость обусловлена сочетанным действием радиации и других факторов среды, в первую очередь осадков и температуры. Семенное потомство обоих видов растений из зоны ВУРСа характеризуется повышенной частотой морфозов, причем дополнительное облучение способствует выявлению скрытых нарушений.

2. Эффекта радиоадаптации, т.е. стабильного повышения радиоустойчивости организмов, длительное время обитающих в радиоактивно-загрязненной среде, у S. gramínea и М album не выявлено. Как правило, высокое качество семенного потомства обеспечивает повышенную радиоустойчивость, независимо от радиационной нагрузки на материнские растения.

3. Аллозимный полиморфизм ценопопуляций S. gramínea и М. album, подверженных хроническому облучению, отличается от такового фоновых выборок. Установлен направленный сдвиг частот аллелей некоторых ферментных систем у обоих видов и увеличение числа редких аллелей у S. gramínea в выборках ВУРСа. Феномены могут быть обусловлены высоким уровнем мутаций и направленным отбором, кроме того, возможны изменения эпигенетических механизмов регуляции генома в условиях повышенного радиационного фона.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы федставлены на Всероссийских (Озерск, 2007; Екатеринбург, 2007, 2008, 2009; Н. Гагил, 2008; Сыктывкар, 2010) и Международных (Донецк, 2007; Харьков, 2008; Ганкт-Петербург, 2008; Апатиты, 2009; Сыктывкар, 2009; Киев, 2011) сонференциях; на Всероссийском популяционном семинаре (Ижевск,- 2008); "одичном собрании общества физиологов растений (Апатиты, 2009); Съезде по тдиационным исследованиям (Москва, 2010); Crimean Meeting: Third International ;onference, dedicated to N.V. Timofeeff-Ressovsky; Readings after V.l. Korogodin and /.A. Shevchenko (Alushta, 2010).

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-04-96098 и >7-05-00070), Программы развития ведущих научных школ (НШ-5286.2006.4, НШ-1022.2008.4, НШ-5325.2012.4), Междисциплинарных проектов УрО РАН (№09-М-¡4-2001, 12-М-24-2016), Проекта ориентированных фундаментальных исследований

УрО РАН (№11-4-01--ЯЦ), Программы Научно-образовательных центров (контракт 02.740.11.0279), Программы Президиума РАН «Биоразнообразие и динамика генофондов», гранта для молодых ученых и аспирантов УрО РАН (№10-4-НП-265).

Личный вклад автора. Автор лично участвовала в сборе полевого материала и выполняла лабораторные исследования (проращивание семян, аллозимный анализ, измерение НМАО). Математический анализ данных, интерпретация и обобщение материалов выполнены автором лично или при его непосредственном участии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 169 страницах, содержит 10 таблиц, 33 рисунка. Список литературы включает 352 источника, из них 150 - на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает благодарность д.б.н. В.Н. Позолотиной и к.б.н. Е.В. Антоновой за помощь и поддержку на всех этапах проведения исследований; сотрудникам лаборатории молекулярной экологии растений ИЭРиЖ УрО РАН во главе с д.б.н. B.JI. Семериковым за помощь в интерпретации первичных данных аллозимного анализа (аллелограмм).

Глава 1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ХРОНИЧЕСКИ ОБЛУЧАЕМЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В данной главе проанализированы имеющиеся в научной литературе материалы и теоретические обобщения об эффектах действия радиации на растения на различных уровнях биологической иерархии. Обсуждаются основные следствия радиационного воздействия в малых дозах: мутагенный эффект, нестабильность генома, эффект гормезиса, радиоадаптация и их проявление в природных сообществах в условиях радиоактивного загрязнения.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1 История формирования и современное состояние Восточно-Уральского радиоактивного следа

Проанализирован ход событий после аварии на ПО «Маяк» в 1957 г.: образование ВУРСа, вклад Карачаевского инцидента (1967 г.), увеличившего радиоактивное загрязнение зоны. Приведена современная характеристика уровней

загрязнения центральной оси следа и его периферийных участков (Итоги ... , 1990; Трапезников и др., 2000; Молчанова и др., 2003; Современное состояние ... , 2008). 2.2 Характеристика реперных участков

На территории ВУРСа выбраны 4 участка, три из которых расположены в головной части следа (импактные) и один - в промежуточной (буферной) зоне, три фоновых участка расположены вне зоны загрязнения (табл. 1). В разделе приводится краткое описание фитоценозов на каждом участке.

Таблица 1 - Содержание 903г и 137Сб в 0-5 см слое почвы1 и дозовые нагрузки на

растения2 за счет этих радионуклидов3 в зоне ВУРСа и на фоновых территориях

Участок Географические координаты [9°Sr] ± SE (Бк/кг сух. м.) [1,7Cs]± SE (Бк/кг сух. м.) Stellaria gramínea (мкГр/ч) Melandr'mm album (мкГр/ч)

Фоновый 1 (Ф-\) 56°4Гс.ш„ 61°02' в.д 6.5±1.3 28.0±8.7 0.0056 0.0045

Фоновый 2 (Ф-2) 56°47' с.ш., 61 °18' в.д. 6.3±1.45 19.8±10.6 0.0047 0.0030

Фоновый J (Ф-3) 57°33'с.ш„ 62°42'в.д. 4 4 4 4

Буферный (Б) 55°50' с.ш., 60°52' в.д. 588±335 320±77.6 0.26 0.11

Импактный 3 (11-3) 55"49'с.ш., 60"55'в.д. 10320±7871 405±206 0.41 1.28

Импактный 2 (11-2) 55°46'с.ш„ 60"53'в.д. 85434±11158 3564±625 3.44 38

Импактный 1 (11-1) 55°45' с.ш., 60°50' в.д. 214948±40971 12667±3488 9.10 30

Примечания

1 число повторностей п-5 25

2 расчет учитывает дозы на поверхности почвы, р-излучение с высотой ослабевает согласно кспоненциальной функции: у = 97.27е"° 015\ R2 = 0.979

расчет дозовых нагрузок выполнен с помощью программы ERICA Tool без учета естественного вдиационного фона

на участке Фоновый-3 был измерен только у-фон на уровне почвы, он составлял 9-11 мкР/ч, «счеты вклада 90Sr и 137Cs в дозовую нагрузку не проводили

2.3 Методологические подходы в дозиметрии и оценка дозовых нагрузок ia ценопопуляции звездчатки злаковой и дремы белой в зоне ВУРСа

Описываются методологические подходы к оценке дозовых нагрузок на биоту ta примере программных пакетов R&D128/SPla (Impact assessment ... , 2001; 2003) i ERICA Tool (An integrated approach ... , 2007; The ERICA ... , 2008; Larsson, 2008). 'асчеты поглощенных доз показали, что с учетом естественного радиационного зона (ЕРФ) дозовые нагрузки на буферном участке превосходят фоновые в 2 раза, а ia импакных участках - в 60-300 раз.

Глава 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Описание объектов исследования

В качестве модельных объектов выбраны два вида из семейства "aryophyllaccae Juss.: звездчатка злаковая (Stellaria gramínea L.) и дрема белая

(Melandrium album (Mill.) Garcke). Данные виды встречаются повсеместно в зоне ВУРСа, характеризуются высокой семенной продуктивностью, семена легко прорастают в лабораторных условиях. Важным аргументом при выборе этих видов послужила их высокая способность накапливать радионуклиды (Современное состояние ..., 2008).

3.2 Описание методов исследования

Отбор проб почв, растений и их семян проводили в конце августа в течение 4 лет. Для аллозимного анализа отбирали листья с 50 растений в каждой ценопопуляции. Для экспериментальных проращиваний собирали смесь семян с 50 растений в каждой ценопопуляции. Для оценки индивидуальной изменчивости в пределах каждой ценопопуляции собирали семена с 10 отдельно взятых растений. Такая выборка считается репрезентативной для оценки ценопопуляции (Wright, Freeland, 1960).

Содержание 137Cs и 90Sr в образцах почв и растений определяли общепринятыми, сертифицированными методами (Молчанова и др., 2006). Анализы выполнены сотрудниками лаборатории общей радиоэкологии ИЭРиЖ (Современное состояние ... , 2008). Для оценки погодных условий в разные годы рассчитывали индекс аридности, разработанный Г.Т. Селяниновым, который учитывает суммы эффективных температур и количество осадков (The encyclopedia ... , 2005; Селянинов, 1928). Семена проращивали в лаборатории при постоянной температуре и освещенности методом рулонной культуры (ISTA, 1999). Эксперименты проведены в 3-8 повторностях по 25-50 семян в каждой. Для характеристики жизнеспособности семенного потомства использовали следующие показатели: всхожесть семян, выживаемость проростков, длина корня, наличие боковых корней и скорость листообразования. Для оценки адаптивного потенциала семена облучали перед посевом у-лучамн 137Cs в диапазоне доз 100-400 Гр на установке «Игур». Анализируя данные за несколько лет, выявили межгодовую изменчивость жизнеспособности и радиочувствительности семенного потомства обоих видов в изученных ценопопуляциях. Мутабилыюсть оценивали по частоте встречаемости в выборках проростков с аномалиями формы семядолей, корней, листьев, гипокотиля (Лутова и др., 2000). Учитывали некрозы корней и семядолей. Хлорофильные нарушения классифицировали по Определителю (Калам, Орав, 1974). За 4 года исследований изучено 43700 проростков.

Стандартными методами исследован полиморфизм 9 ферментных систем (хорошо идентифицируется 2 мономорфных и 7 полиморфных локусов) у звездчатки и 12 систем (хорошо идентифицируется 4 мономорфных и 10 полиморфных локусов) у дремы. Для изученных ген-ферментных локусов рассчитаны основные показатели генетической изменчивости. Общее число

исследованных образцов - 456 шт. Определение суммарного содержания НМАО в растениях основано на окислении антиоксидантов FeCl3 (Ермаков и др., 1987). Оценено 234 пробы.

Для проверки гипотез были использованы критерии непараметрической и параметрической статистики. Анализ данных проведен в программах BIOSYS-1 (Swofford, Selander, 1981), TFPGA 3.1 (Miller, 1997), STATISTICA 6.0 (StatSoft, 2001), StatPlus 2009 (AnalystSoft Inc., StatPlus 2009) и GraphPad Prism Software 2009 (Motulsky et al., 1994).

Глава 4. ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ ЗВЕЗДЧАТКИ ЗЛАКОВОЙ ИЗ ЗОНЫ ВУРСА 4.1 Жизнеспособность семенного потомства звездчатки злаковой в градиенте радиоактивного загрязнения

В 2005 г. в градиенте загрязнения у звездчатки наблюдалось снижение выживаемости проростков и скорости листообразования ((/-тест, п=3, р=0.020-0.049), а также угнетение роста корней (F (2, 303)=174.2,р<0.001) (рис. 1). В 2007 г. выборки семян двух фоновых участков не различались между собой по всем показателям ([/-тест, п=4, />=0.06-0.08), однако они были значимо ниже по сравнению с характеристиками импактных ценопопуляций ([/-тест, п=4, р=0.0004). В 2008 г. жизнеспособность потомства фоновых выборок была близка ([/-тест, п=10, >=0.074-0.12). Наибольшее количество проростков с настоящим листом зафиксировано в выборках Буферная и Импактная-2, различия с фоновыми показателями значимы ([/-тест, и=10, р=0.021). В 2009 г. семенное потомство с наиболее загрязненного участка имело самые высокие значения выживаемости проростков и скорости формирования листьев, различия были значимы по сравнению со всеми остальными выборками ([/-тест, п=4, р=0.015; р=0.004). Выборка Илтактная-1 характеризовалась угнетением роста корней в 2 раза, а 1мпактная-2 - в 5-6 раз по сравнению с фоновыми ценопопуляциями (Фишер LSD-ест,р<0.001). Фоновые выборки не имели значимых различий между собой.

Статистически значимое влияние погодных условий на качество семенного потомства звездчатки злаковой выявлено только для ценопопуляций зоны ВУРСа (рис. 2). Фоновые ценопопуляции в изменчивых погодных условиях демонстрируют высокую вариабельность показателей жизнеспособности и отсутствие определенной зависимости от температуры и количества осадков.

2005 г.

60 40 20 0

100 80 -60 -40 -20 -0 -

И-2 2008 г.

■ц-

- I

г 25 100 -|

- 20 80 -

-15 60 -

10 40 -

- 5 20

0 0

Г 15 100 80 -

- 10 60 -

20 -0 0

Г 15

Ф-1 Ф-2 И-3 И-2 И-1 2009 г.

Г 45

- 40

- 35

- 30

- 25

- 20

- 15

- 10 - 5

• О

Ф-2 Ф-3

И-1

1 - выживаемость проростков, 2 - листообразование, 3 - длина корней (вспомогательная шкала)

Рисунок 1 - Основные показатели жизнеспособности семенного потомства звездчатки злаковой из разных ценопопуляций

х Фоновые

ВУРС

ЧО 0х

¡5 б»

о о

S 50

20 10 0

у(ф)=-6.5 8х+75.94 /? 2=0.045,р =0.65

у(В)=-18.67х+122.05 R 2=0.598,р =0.005

3,0 3,5

Индекс Селянинова

Рисунок 2 - Зависимость выживаемости семенного потомства фоновых (Ф) и импактных (В) популяций

звездчатки от суммы эффективных температур и количества осадков за 4 года исследований

Установленный факт может быть следствием прямого действия малых доз радиации. Вероятно, это связано также с проявлением эффектов синергизма и антагонизма при взаимодействии радиации с другими экологическими факторами. Подобные данные были получены при изучении ценопопуляций одуванчика. В условиях загрязнения тяжелыми металлами чувствительность к колебаниям погодных условий у Taraxacum officinale f. pectinatiforme повышалась (Жуйкова, Безель, 2009).

4.2 Радиочувствительность семенного потомства звездчатки злаковой в градиенте радиоактивного загрязнения

В 2005 г. выживаемость проростков фоновой ценопопуляции при облучении во всем диапазоне доз не отличалась от необлученного контроля (х2=0.267, df= 4, р=0.992). Радиочувствительность семенного потомства из зоны ВУРСа была выше, чем в фоновой выборке (¿>=0.048-0.001 - снижение значений для всех показателей жизнеспособности при дополнительно облучении). В 2007 г. наблюдалась противоположная картина - фоновые выборки оказались самыми чувствительными к дополнительному облучению (Каримуллина, Антонова, 2008). В 2008 г. зависимости радиочувствительности от уровня загрязнения местообитаний не выявлено. Зафиксирована высокая индивидуальная изменчивость жизнеспособности и содержания НМАО у проростков. Дополнительное облучение в дозе 300 Гр показало, что в каждой выборке велика доля групп (группа - потомки одного растения), у которых после провокационного облучения содержание НМАО увеличилось (в фоновой выборке - 77%, в Импактной-З - 56%, в Импактной-2 -40%), в остальных группах показатели уменьшились (Позолотина и др., 2010; Антонова и др., 2011; Antonova et al., 2010). Максимальный разброс значений наблюдался в выборке с наиболее загрязненного участка (СУ=49%), а минимальный - в фоновых (CV= 24%). Таким образом, устойчивого эффекта радиоадаптации в ценопопуляциях звездчатки из зоны ВУРСа не обнаружено.

4.3 Мутабилыюсть семенного потомства звездчатки злаковой в градиенте радиоактивного загрязнения

Установлено, что в разные годы спектр морфозов в выборках менялся. Выявлены значимые различия между фоновыми и импактными ценопопуляциями по частоте встречаемости проростков с некрозами корней в 2005 г. (%2=6.3, df= 2, р=0.042) и 2007 г. (%2=8.0, df= 4, р=0.046) (Последствия ... , 2009). В 2008 г. значимых различий по частоте морфозов между всеми выборками не обнаружено. В 2009 г. в выборках из зоны ВУРСа в 1.5-2 раза по сравнению с фоновыми возросла доля проростков со скрученным гипокотилем ({7-тест, п=4, /;=0.002). Можно

заключить, что в большинстве случаев, частота морфозов в выборках ВУРСа превышала фоновый уровень.

4.4 Характеристика аллозимиой изменчивости ценонопуляций звездчатки злаковой

На основе частот аллелей ген-ферментных локусов были рассчитаны значения основных показателей генетической изменчивости вида (табл. 2). В полиморфном состоянии находится 55.6% локусов при 95%-ном критерии оценки и 66.7% — при 99%-ном критерии. Наивысшая изменчивость наблюдалась в наиболее загрязненной ценопопуляции Импактная-1.

Таблица 2 - Основные показатели генетической изменчивости в ценопопуляциях

gramínea

Ценопопуляция Рч5,% Р99, % N Na±S.E. Яо± S.E. Нф S.E. *

Фоновая-1 55.6 66.7 50 2.33±0.44 0.276±0.110 0.239±0.088

Фоновая-2 55.6 66.7 49 2.33±0.44 0.195±0.069 0.271 ±0.083

Импактная-1 55.6 77.8 48 2.11 ±0.26 0.256±0.107 0.209±0.078

Импактная-2 55.6 66.7 48 2.00±0.29 0.332±0.120 0.234±0.076

Среднее 55.6 69.5 48.8 2.2±0.4 0.265±0.101 0.238±0.081

Примечание - Р<ц и Рщ - процент полиморфных локусов при 95%- и 99%-ных критериях полиморфности; N - размер выборки; - среднее число аллелей на локус; Но - средняя наблюдаемая и ЯЕ - средняя ожидаемая гетерозиготность; * - несмещенная оценка

Установлено, что ценонопуляции звездчатки Фоновая-1 и Фоновая-2 характеризовались более высокой изменчивостью частот аллелей и их разнообразием. Аллели />g/'-2106-"2 и Fdhm не встречались у растений ВУРСа. По тем же локусам обнаружена повышенная генетическая дифференциация (FSi=0.076 и Fst=0.101 соответственно), которую можно интерпретировать как свидетельство дизруптивного отбора. Импактные ценопопуляции генетически ближе друг к другу, чем к фоновым, и образуют один кластер. Установлен рост числа редких аллелей в ценопопуляциях ВУРСа (Каримуллина, 2008; Каримуллина и др., 2009).

Глава 5. ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕМЫ БЕЛОЙ

ИЗ ЗОНЫ ВУРСА

5.1 Жизнеспособность семенного потомства дремы белой в градиенте радиоактивного загрязнения

В 2005 г. значимые различия между выборками дремы из разных ценопопуляций проявились по скорости листообразования: в импактных ценопопуляциях она была в 4 раза ниже, чем фоновой и буферной (рис. 3). Наибольшее угнетение роста корней зафиксировано в выборках Буферная и

Импактная-3 (Фишер LSD-тест, ¿><0.001). У проростков импактных ценопопуляций был более высокий аитиоксидантный статус по сравнению с фоновыми (fZ-тест, п=4, р=0.034). Обнаружена отрицательная корреляция (и=16, /"=-0.723, /?=0.001) между показателями выживаемости на стадии листообразования и содержанием НМАО (Каримуллина, Позолотина, 2009; Karimullina, 2008). В 2007 г. наблюдалось снижение (на уровне тенденции) жизнеспособности семенного потомства фоновых выборок по сравнению с импактной. Длина корней проростков в выборке Импактная-1 была значимо выше фоновых показателей (Фишер LSD-tcct, />=0.003— 0.031). В 2008 г. значимых различий по выживаемости и листообразованию проростков между выборками не обнаружено (Я(3, п=38)=2.94; />=0.44-0.67) (Каримуллина, 2010), при этом проростки из ценопопуляций ВУРСа характеризовались большей длиной корней по сравнению с фоновой выборкой (F (3, 1845)=49.87, ¿><0.001). В 2010 г. все исследованные ценопопуляции имели высокий уровень жизнеспособности и не различались значимо между собой по выживаемости проростков (Я (5, и=24)=10.1;/>=0.062).

Статистически значимое влияние комплекса погодных условий на качество семенного потомства дремы выявлено только для ценопопуляций зоны ВУРСа (рис. 4). Величина индекса Селянинова, рассчитанная по месяцам, свидетельствует о том, что качество семян дремы белой из зоны ВУРСа зависит от эффективных температур и суммы осадков в июне (R=-0.10, р =0.016), июле (Л=-0.67, />=0.025) и августе (Л=-0.61, />=0.047). Поскольку направление линии регрессии аналогично влиянию осадков и в июне, и в августе, можно предположить, что именно этот фактор является определяющим в развитии растений и формировании у них семян. Фоновые ценопопуляции дремы демонстрируют высокую вариабельность показателей жизнеспособности и отсутствие определенной зависимости от изменчивых погодных условий.

5.2 Радиочувствительность семенного потомства дремы белой в градиенте радиоактивного загрязнения

Наиболее определенно о радиочувствительности семенного потомства можно судить по скорости листообразования. В 2005 г. в выборке Импактная-2 при облучении в дозе 100 Гр наблюдалась тенденция стимуляции формирования листьев (U-тест, п=4; р=0.057), а в фоновой и буферной выборках, а также в выборке Импактная-3 наоборот - замедление роста (ÍZ-тест, п=4; />=0.021-0.043). Облучение в дозах свыше 200 Гр подавило развитие настоящих листьев у проростков всех исследованных ценопопуляций. В 2007 г. все ценопопуляции были радиоустойчивыми по выживаемости и скорости листообразования. Кривая «доза-

эффект» для выборки Импактная-1 по выживаемости была пилообразной, отмечена стимуляция роста при облучении в дозах 100 и 300 Гр.

60 -40 -20 -

2005 г.

2007 г.

100 г25 100

80 1 \ 3 I \ I 1 ]Л - 20 80

60 - - 15 60

40 - 2 - 10 40

20 - I - ] ■ 5 20

0 - 0 0

25 100 -20 80 --15 60 --10 40 -- 5 20 -0 О-

1-1 Ч

Ф-2 2010 г.

г30

- 25

- 20

- 15

- 10

- 5

- 0

'1-.

70 60 50 40 30 20 - 10 0

Ф-1 Ф-2

И-3 И-2 И-1

1 — выживаемость проростков, 2 — листообразование, 3 - длина корней (вспомогательная шкала)

Рисунок 3 — Основные показатели жизнеспособности семенного потомства дремы белой из разных ценопопуляций

105

►д

О 65

ш 55

л 45

х Фоновые

ВУРС

у(В)=-6.53х+82.17 Л2=0.38,р=0.04

у(Ф)=-2.79х+71.37 Л2=0.046,р=0.65

Рисунок 4 - Зависимость выживаемости семенного потомства фоновых (Ф) и импактных (В) популяций

дремы от суммы эффективных температур и количества осадков за 4 года исследований

2 3 4

Индекс Селянинова

Однако длина корней проростков в этой выборке после облучения была самой низкой. Согласно двухфакторному дисперсионному анализу, оба фактора - уровень загрязнения местообитания и острое облучение семян - влияют на скорость роста корней (F (#i=2, df2=4; 1795)=11.31 и 62.37, />«0.001), взаимодействие факторов также значимо (F (8, 1795)=3.57,/>=0.0004). В 2008 г. исследовали индивидуальную изменчивость радиочувствительности по выживаемости проростков. Во всех выборках наблюдалась значимая взаимосвязь между исходной выживаемостью и устойчивостью к дополнительному облучению (R2=0.9, /?<<0.001). Индивидуальная изменчивость содержания НМАО в проростках дремы белой была относительно невысока. Облучение в дозе 200 Гр не оказало значимого влияния на содержание НМАО в проростках. Возможно, это объясняется волновым характером изменчивости этого параметра после облучения (Levels ... , 2003).

5.3 Мутабильность семенного потомства дремы белой в градиенте радиоактивного загрязнения

В 2005 г. в ценопопуляциях дремы из зоны ВУРСа доля проростков с некрозами корней и нарушениями формы семядолей значительно превышала фоновый уровень (х2=30.0-32.8, <#=3, /><0.01). В 2007 г. количество проростков с нарушенным гелиотропизмом в наиболее загрязненной выборке Импактная-1 было значимо выше, чем в фоновых ценопопуляциях ([/-тест, «i=16, и2=8; />=0.048). В 2008 г. доля проростков с некрозами корней в фоновой ценопопуляции составила в среднем 7%, а в хронически облучаемых выборках показатель достигал 56% ([/-тест, п\=9, «2=27; р=0.024). Дополнительное облучение выявило скрытые повреждения: возросло количество проростков с хлорофильными аномалиями семядолей в буферной ценопопуляции ([/-тест, «=10; />=0.002), увеличилась в 1.5-3 раза доля проростков с некрозами корней в выборках Буферная и Импактная-1 ([/-тест, «=10; р=0.007-0.023). В 2010 г. в зоне ВУРСа обнаружены растения с обоеполыми цветками, в то время как в норме у этого двудомного вида четко выражен половой диморфизм. У проростков из зоны ВУРСа чаще встречались нарушения формы семядолей и гипокотиля. Значимые различия с фоновыми выборками зафиксированы для каждой импактной ценопопуляции ([/-тест, «i=8, п2= 4; р=0.007-0.009).

5.4 Характеристика аллозимной изменчивости ценопопуляций дремы белой

На основе частот встречаемости аллелей ген-ферментных локусов были рассчитаны значения основных показателей генетической изменчивости М. album (табл. 3). В полиморфном состоянии находится 50% локусов (при 95%-ном критерии) и 54.3% (при 99%-ном). Наибольший полиморфизм (64 и 71% соответственно) обнаружен в популяции Импактная-1.

Таблица 3 - Основные показатели генетической изменчивости в ценопопуляциях М. album

Ценопопуляция N Na± S.E. HtjtS.E. Нф S.E. *

Фоновая-1 42.9 50.0 46 1.93±0.32 0.164±0.082 0.181±0.068

Фоновая-2 42.9 50.0 52 1.93±0.32 0.120±0.059 0.154±0.060

Фоновая-3 50.0 50.0 56 1.79±0.24 0.121±0.051 0.169±0.056

Импактная-1 64.3 71.4 55 2.00±0.21 0.127±0.044 0.193±0.052

Импактная-2 50.0 50.0 52 2.07±0.35 0.146±0.059 0.180±0.060

Среднее 50.0 54.3 52.2 1.94±0.29 0.137± 0.059 0.175±0.059

Примечание - Р<>з и Рщ - процент полиморфных локусов при 95%- и 99%-ных критериях полиморфности; N - размер выборки; ЛГд - среднее число аллелей на локус; Н0 - средняя наблюдаемая и Не- средняя ожидаемая гетерозиготность; * - несмещенная оценка

По результатам анализа 12 ферментных систем было установлено, что в импактных ценопопуляциях дремы белой наблюдается повышение генетической изменчивости (Каримуллина, Антонова, 2009). Анализ аллельного разнообразия выявил аллели (Mdh-З104, Pgi-2106, Lap105, Mdh-296 и Dia94), присущие только выборкам из зоны ВУРСа. В результате возрос полиморфизм ген-ферментных локусов в ценопопуляциях дремы из загрязненной зоны. Разделение хронически облучаемых популяций с фоновыми выборками по генетическим дистанциям (Nei, 1978) зафиксировано по локусу Nadhdh.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнение двух изученных видов из сем. Caryophyllaceae, произрастающих в градиенте радионуклидного загрязнения, выявило ряд общих закономерностей. Так, для обоих видов была характерна высокая межгодовая изменчивость жизнеспособности семенного потомства, которая в значительной мере обусловлена погодными условиями. В ценопопуляциях обоих видов в условиях радиоактивного

загрязнения повышена частота встречаемости морфозов. Не смотря на то, что оба вида принадлежат одному семейству, выявленные изменения аллозимного полиморфизма в ценопопуляциях ВУРСа были специфичны, при этом в каждом случае проявился ряд признаков (сдвиг частот аллелей некоторых локусов, увеличение доли редких аллелей), свидетельствующих о влиянии хронического облучения.

ВЫВОДЫ

1. Жизнеспособность семенного потомства звездчатки злаковой характеризовалась высокой межгодовой изменчивостью показателей как в зоне ВУРСа, так и на фоновых территориях. В ходе мониторинговых исследований зафиксированы подавляющий (выживаемость в градиенте загрязнения снижена), стимулирующий (показатели жизнеспособности семян из зоны ВУРСа выше, чем в фоновых выборках) и индифферентный (без значимых различий с контролем) эффекты.

2. Жизнеспособность семенного потомства дремы белой варьировала в меньшей степени, чем звездчатки злаковой. Подавляющий эффект в градиенте загрязнения проявился только в 2005 г. В последующие годы по выживаемости проростков не обнаружено достоверных различий между импактными и фоновыми выборками.

3. Качество семенного потомства обоих исследованных видов в ценопопуляциях ВУРСа в значительной мере определялось влиянием погодных условий в период вегетации. В фоновых выборках за 4 года исследований четкой зависимости выживаемости от динамики погодных условий не выявлено.

4. Устойчивого феномена радиоадаптации в выборках звездчатки злаковой и дремы белой из зоны ВУРСа не обнаружено. Высокая жизнеспособность семенного потомства у обоих видов обеспечивала повышенную устойчивость к дополнительному облучению независимо от уровня радиоактивного загрязнения местообитания родительских растений.

5. Частота встречаемости аномалий в развитии проростков в выборках звездчатки злаковой и дремы белой из зоны ВУРСа в большинстве случаев была значимо выше, чем в фоновых популяциях. Только в зоне ВУРСа встречались растения дремы белой с обоеполыми цветками, в то время как в норме у этого двудомного вида четко выражен половой диморфизм. Приведенные факты

указывают на генетические повреждения, вызванные малыми дозами радиации. Дополнительное облучение способствовало выявлению скрытых генетических нарушений.

6. Впервые исследована аллозимная структура ценопопуляций звездчатки злаковой. Установлен направленный сдвиг частот аллелей по локусам Pgi-2 и Fdh, а также рост числа редких аллелей в выборках ВУРСа.

7. В ценопопуляциях дремы белой из зоны ВУРСа наблюдалось увеличение частоты встречаемости не только уникальных гомозиготных, но и гетерозиготных генотипов. Максимальная генетическая дифференциация выборок дремы, оцененная по FST, зафиксирована между сравниваемыми парами, состоящими только из фоновых и импактных растений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Позолотина В.Н., Молчанова И.В., Караваева E.H., Михайловская JI.H., Антонова Е.В., Каримуллина Э.М. Анализ современного состояния наземных экосистем на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа // Вопр. радиац. безопасности. 2007. Спецвып. "Восточно-Уральскому радиоактивному следу -50 лет". С. 32-44.

2. Позолотина В.Н., Антонова Е.В., Каримуллина Э.М., Харитонова О.В., Пустовалова Л.А. Последствия хронического действия радиации для флоры Восточно-Уральского радиоактивного следа // Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49, №1. С. 97-106.

3. Позолотина В.Н., Антонова Е.В., Каримуллина Э.М. Эколого-генетическая характеристика звездчатки злаковой в условиях радиоактивного загрязнения // Экология. 2010. №6. С. 459^t68.

В других изданиях:

4. Каримуллина Э.М., Антонова Е.В., Позолотина В.Н. Оценка качества семенного потомства дикорастущих видов растений на территории ВУРСа // Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы: четвертая молодеж. науч.- практ. конф.: тез. докл. Озерск, 2007. С. 130-132.

5. Антонова Е.В., Позолотина В.Н., Каримуллина Э.М. Эколого-генетический мониторинг качества семенного потомства дикорастущих видов растений из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа // Промислова

боташка: стан та перпективи розвитку: материли м1жнар. наук. копф. Донецьк, 2007. С. 29-34.

6. Каримуллина Э.М., Антонова Е.В. Скршшнговые исследования травянистых растений в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа // Экология: от Арктики до Антарктики: материалы конф. молодых ученых, 2007. Екатеринбург, 2007. С. 131-136.

7. Молчанова И.В., Позолотина В.Н., Караваева E.H., Михайловская, Л.Н. Антонова Е.В., Каримуллина Э.М., Лобанова Л.В. Радиоэкологические исследования почвенно-растителыюго покрова Восточно-Уральского радиоактивного следа // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин: сб. науч. тр. Екатеринбург, 2007. Вып. U.C. 320-346.

8. Каримуллина Э.М., Антонова Е.В., Позолотина В.Н. Оценка качества семенного потомства дремы белой из ценопопуляций зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа // Экологические системы: фундаментальные и прикладные исследования: сб. материалов 2 Всерос. науч.-практ. конф. Нижний Тагил, 2008. С. 170-173.

9. Каримуллина Э.М. Изменчивость ферментных систем в ценопопуляциях звездчатки злаковой // Биосфера Земли: прошлое, настоящее, будущее: материалы конф. Молодых ученых, 21-25 апр. 2008. Екатеринбург, 2008. С. 94-103.

10. Karimullina Е.М. The impact of radiation factor on the low molecular weight antioxidants content in Melandrium album and Bromopsis inermis // ECOBALTICA'2008: The Intern. Youth Sei. Environ. Forum. June 26-28. 2008, St.-Petersburg, 2008. P. 121125.

11. Каримуллина Э.М., Антонова E.B., Позолотина В.Н. Антиоксидантный статус и жизнеспособность семенного потомства растений в условиях радиоактивного загрязнения // Современное состояние и пути развития популяционной биологии: материалы X Всерос. популяц. семинара. Ижевск, 2008. С. 274-276.

12. Каримуллина Э.М., Антонова Е.В. Качество семенного потомства звездчатки злаковой и кровохлебки лекарственной из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа // Бюлопя: шд молекули до бюсфери: матер1али III М1ждупар. Конф. молодих науковщв. Хармв. 2008. С. 322-323.

13. Каримуллина Э.М., Позолотина В.Н. Низкомолекулярные антиоксиданты у травянистых растений в условиях радионуклидного загрязнения // Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера: тез. докл. Годич. собр. о-ва физиологов растений России и Междунар. науч. конф. Апатиты, 2009. С. 152-153.

14. Каримуллина Э.М., Антонова Е.В., Позолотина В.Н. Аллозимная изменчивость ценопопуляций звездчатки злаковой и подорожника большого из зоны ВУРСа // Биологическое разнообразие северных экосистем в условиях изменяющегося климата: тез. докл. Междупар. науч. конф. Апатиты, 2009. С. 37-38.

15. Каримуллина Э.М., Антонова Е.В. Генетические, биохимические и экологические особенности хронически облучаемых популяций дремы белой // Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды: тез. докл. Межд. конф. Сыктывкар, 2009. С. 61-64.

16. Каримуллина Э.М. Качество семенного потомства дремы белой из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа // Актуальные проблемы биологии и экологии: сб. материалов XVII Всерос. молодежной науч. конф. Сыктывкар, 2010. С. 152-154.

17. Antonova E.V., Pozolotina V.N., Karimullina Е.М. Natural coenopopulations of Stellaria graminea from East-Ural Radioactive Trace: effects of radiation and weather conditions // Crimean Meeting: Third International conference, dedicated to N.V.Timofeeff-Ressovsky «Modern problems of genetics, radiobiology, radioecology, and evolution»; Third Readings after V.I. Korogodin and V.A. Shevchenko; NATO Advanced Research Workshop «Radioecological issues pertaining to environmental security and ecoterrorism»: Abstr., Papers by Young Sci. Dubna, 2010. P. 120.

18. Позолотина B.H., Антонова E.B., Каримуллина Э.М. Эколого-генетическая характеристика травянистых растений в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа // тез. докл. VI Съезд по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность): М., 2010. Т. 1 (секции I-VII). С. 162.

19. Антонова Е.В., Позолотина В.Н., Каримуллина Э.М. Эколого-генетическая последствия действия радиации на растения Восточно-Уральского радиоактивного следа // Двадцать пять лет Чернобыльской катастрофы. Безопасность будущего: междунар. конф. Киев, 2011. С. 45^17.

Подписано в печать 06.02.2012 г. 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. Печ. JI. 1,0 Тираж 150 экз. Заказ №15^ &

Отпечатано в ООО "Типография "Махаон" 620026, г. Екатеринбург, ул. Тверитина, 38/3

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Каримуллина, Элина Миннулловна, Екатеринбург

61 12-3/1171

Российская академия наук Уральское отделение Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экологии растений и животных УрО РАН

На правах рукописи

Каримуллина Элина Миннулловна

03.02.08 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор биологических наук В. Н. Позолотина

Екатеринбург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ХРОНИЧЕСКИ ОБЛУЧАЕМЫХ

ПОПУЛЯЦИЯХ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..................................10

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ.........................40

2.1 История формирования и современное состояние Восточно-Уральского радиоактивного следа...........................................................................................40

2.1.1 Кыштымская авария...............................................................................41

2.1.2 Карачаевский инцидент......................................................................... 43

2.2 Характеристика реперных участков.............................................................44

2.3 Методологические подходы в дозиметрии и оценка дозовых нагрузок на

растения в зоне ВУРСа.........................................................................................49

Глава 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................57

3.1 Описание объектов исследования.................................................................57

3.2 Описание методов исследования...................................................................60

3.2.1 Сбор полевого материала.....................................................................60

3.2.2 Определение радионуклидов в почвах и растениях...........................62

3.2.3 Характеристика климатических факторов..........................................62

3.2.4 Экспериментальное проращивание семян...........................................63

3.2.5 Оценка адаптивного потенциала семенного потомства..................... 64

3.2.6 Оценка мутабильности семенного потомства.....................................65

3.2.7 Изучение ферментного полиморфизма растений...............................66

3.2.8 Определение суммарного содержания низкомолекулярных антиоксидантов в проростках........................................................................67

3.2.9 Математическая обработка данных......................................................70

Глава 4. ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ ЗВЕЗДЧАТКИ ЗЛАКОВОЙ ИЗ ЗОНЫ ВУРСА..........71

4.1 Жизнеспособность семенного потомства звездчатки злаковой в градиенте радиоактивного загрязнения................................................................................71

4.2 Радиочувствительность семенного потомства звездчатки злаковой в градиенте радиоактивного загрязнения..............................................................79

4.3 Мутабильность семенного потомства звездчатки злаковой в градиенте радиоактивного загрязнения................................................................................87

4.4 Характеристика аллозимной изменчивости ценопопуляций звездчатки

злаковой..................................................................................................................90

Глава 5. ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ ДРЕМЫ БЕЛОЙ ИЗ ЗОНЫ ВУРСА..............................98

5.1 Жизнеспособность семенного потомства дремы белой в градиенте радиоактивного загрязнения................................................................................98

5.2 Радиочувствительность семенного потомства дремы белой в градиенте радиоактивного загрязнения..............................................................................106

5.3 Мутабильность семенного потомства дремы белой в градиенте радиоактивного загрязнения..............................................................................115

5.4 Характеристика аллозимной изменчивости ценопопуляций дремы белой

...............................................................................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................130

ВЫВОДЫ.............................................................................................................133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Со времени открытия явления радиоактивности и получения первых искусственных радионуклидов прошел относительно небольшой период времени, однако человечество научилось применять источники ионизирующего излучения, как в мирных, так и в военных целях. С одной стороны, пользу, которую приносит развитие, к примеру, атомной энергетики трудно переоценить. С другой стороны, природная среда все больше подвергается негативному воздействию техногенной радиации (Эйзенбад, 1967; Алексахин, 1982; Крышев, Рязанцев, 2000; Крупные ... , 2001). Авария на Чернобыльской АЭС превзошла по масштабности все предыдущие ядерные инциденты и ясно продемонстрировала глобальный характер радиоактивного загрязнения (Радиоактивное ... , 1987; Алексахин, 1993; Охрана ... , 2003; Cesium-137 ... , 2011; UNSCEAR, 2011). Сейчас на АЭС в Фукусиме разворачивается не менее драматическая ситуация, в результате которой в окружающую среду уже поступили миллионы Ки делящихся материалов, и продолжают поступать. Повышение уровня радиоактивного загрязнения зарегистрировано в разных регионах Северного полушария (Bol-sunovsky, Dementyev, 2011; Cesium-137 ..., 2011; Reardon, 2011).

Фундаментальные исследования радиобиологических эффектов показали, что ионизирующие излучения оказывают подавляющее воздействие на выживаемость, рост и развитие живых организмов (Бреславец, 1946; Ли, 1963; Преображенская, 1971; Савин, 1991; Позолотина, 2003а, 20036; Some factors ... , 1961-1962), на их плодовитость и мутабильность (Гродзинский, 1989; Шевченко и др., 1992; Ichikawa, Sparrow, 1967; Nayar, Sparrow, 1967).

Важно подчеркнуть, что биологически значимыми могут быть также низкие дозы облучения, их влияние изучено в многочисленных исследованиях. Показано, что малые дозы могут вызывать нестабильность генома (Спит-ковский, 1992; Новые аспекты ... , 1999; Рождественский, 1999; Мазурик, Михайлов, 2001; Little, 1999; Baverstock, 2000), повышенный мутагенез (Дубинин и др., 1988; Попова и др., 1990; Сарапульцев, Гераськин, 1993; Евсее-

ва, Гераськин, 2001а, 20016; Nothel, 1987), стимуляцию процессов роста и развития (Кузин, 1977, 1995; Подколзик, Гуревич, 2002), адаптивный ответ (Нестабильность ... , 1996; Клеточный состав ... , 2003; Evidence ... , 1990; Crawford, Davies, 1994; Adaptive response ... , 2009). При воздействии радиации в малых дозах возможна индукция устойчивого повышения частоты гибели клеток в популяциях (Бычковская, 1986; Бычковская и др., 2002) и трансгенерационный перенос некоторых свойств и признаков (Некоторые особенности ... , 1974; Позолотина, 2003а; Воробцова, 2006; Nomura, 1982; Vorobtsova et al., 1988; Vorobtsova, 2000; Dubrova, 2003). Закономерности, установленные в лабораторных экспериментах, подтверждаются исследованиями природных сообществ из зон радиоактивного загрязнения (Вудвелл, Остин, 1968; Чережанова и др., 1971; Шевченко и др., 1992, 1999; Козубов, Таскаев, 1994; Позолотина, 20036; Современное состояние ..., 2008; Удалова, Гераськин, 2011; Woodhead, 2003).

Мировая ядерная промышленность продолжает развиваться, увеличивая загрязнение биосферы. В связи с этим неуклонно возрастает актуальность оценки отдаленных биологических последствий действия хронического облучения в природных сообществах. Уникальным природным полигоном для изучения популяций и экосистем в условиях радионуклидного загрязнения является Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС), который сформировался в 1957 г. в результате аварии на ПО "Маяк". Многие поколения живых организмов в зоне ВУРСа испытывают воздействие низкоинтенсивного ионизирующего излучения. Проведенные здесь исследования стали одним из первых опытов работы в зоне крупномасштабного радиоактивного загрязнения (Экологические ... , 2001; Пристер, Алексахин, 2008). Результаты этих исследований были востребованы в ходе проведения работ в зоне аварии на Чернобыльской АЭС и важны для прогнозов развития ситуации в других регионах, загрязненных радионуклидами.

Цель работы: комплексное изучение эколого-генетических особенностей звездчатки злаковой (Stellaria gramínea L.) и дремы белой (.Melandrium

album (Mill.) Garcke), произрастающих в градиенте радионуклидного загрязнения зоны ВУРСа.

Задачи исследования:

1. Провести анализ жизнеспособности, мутабильности и антиоксидант-ного статуса семенного потомства звездчатки злаковой и дремы белой из зоны ВУРСа. Выявить взаимосвязи основных характеристик качества семенного потомства с уровнем радиоактивного загрязнения участков и динамикой погодных условий.

Научная новизна. Впервые в эколого-генетические исследования вовлечены ценопопуляции звездчатки злаковой и дремы белой из зоны ВУРСа, а также изучен полиморфизм ферментных систем у вида S. graminea в целом и хронически облучаемых ценопопуляций, в частности. Впервые выявлены особенности ферментной изменчивости у М. album в зоне радиоактивного загрязнения. Определены основные значения внутри- и межпопуляционной вариабельности показателей жизнеспособности, радиочувствительности и мутабильности семенного потомства изученных видов. Выявлена межгодовая изменчивость этих показателей в зависимости от сочетанного действия радиации и климатических факторов. Впервые дана оценка суммарного содержания низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО) в проростках звездчатки и дремы в зависимости от уровня загрязнения мест произрастания материнских растений.

Теоретическое и практическое значение.

Полученные нами данные вносят вклад в изучение отдаленных последствий хронического облучения в малых дозах в ценопопуляциях растений,

расширяют имеющиеся представления о механизмах адаптации природных систем к радиоактивному загрязнению. Эти данные можно рассматривать как базовые при прогнозировании восстановления растительных сообществ в зоне ВУРСа, а также использовать при организации экологического мониторинга в других районах, загрязненных долгоживущими радионуклидами. Результаты работы используются в лекционном курсе «Радиоэкология с основами радиобиологии», читаемом в ФГАОУ ВПО Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (г. Екатеринбург).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Stellaria gramínea и Melandrium album отличаются высокой изменчивостью жизнеспособности семенного потомства без определенной связи с уровнем загрязнения местообитаний родительских растений. Межгодовая изменчивость обусловлена сочетанным действием радиации и других факторов среды, в первую очередь осадков и температуры. Семенное потомство обоих видов растений из зоны ВУРСа характеризуется повышенной частотой морфозов, причем дополнительное облучение способствует выявлению скрытых нарушений.

2. Эффекта радиоадаптации, т.е. стабильного повышения радиоустойчивости организмов, длительное время обитающих в радиоактивно-загрязненной среде, у S. gramínea и М. album не выявлено. Как правило, высокое качество семенного потомства обеспечивает повышенную радиоустойчивость, независимо от радиационной нагрузки на материнские растения.

ния эпигенетических механизмов регуляции генома в условиях повышенного радиационного фона.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Всероссийских (Озерск, 2007; Екатеринбург, 2007, 2008, 2009; Н. Тагил, 2008; Сыктывкар, 2010) и Международных (Донецк, 2007; Харьков, 2008; Санкт-Петербург, 2008; Апатиты, 2009; Сыктывкар, 2009; Киев, 2011) конференциях; на Всероссийском популяционном семинаре (Ижевск, 2008); Годичном собрании общества физиологов растений (Апатиты, 2009); Съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2010); Crimean Meeting: Third International conference, dedicated to N.V. Timofeeff-Ressovsky; Readings after V.l. Korogodin and V.A. Shevchenko (Alushta, 2010).

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-0496098 и 07-05-00070), Программы развития ведущих научных школ (НШ-5286.2006.4 и НШ-1022.2008.4, НШ-5325.2012.4), Междисциплинарных проектов УрО РАН (№09-М-24-2001, 12-М-24-2016), Проекта ориентированных фундаментальных исследований УрО РАН (№11-4-01-ЯЦ) и Научно-образовательных центров (контракт 02.740.11.0279), Программы Президиума РАН «Биоразнообразие и динамика генофондов», гранта для молодых ученых и аспирантов УрО РАН (№10-4-НП-265).

Личный вклад автора. Автор лично участвовала в сборе полевого материала и выполняла лабораторные исследования (проращивание семян, ал-лозимный анализ, измерение НМАО). Математический анализ данных, интерпретация и обобщение материалов выполнены автором лично или при его непосредственном участии.

Благодарности. Выражаю благодарность д.б.н. В.Н. Позолотиной за чуткий индивидуальный подход при научном руководстве и к.б.н. Е.В. Антоновой за неоценимые помощь и поддержку на всех этапах проведения исследований.

Признательна сотрудникам лаборатории молекулярной экологии растений ИЭРиЖ УрО РАН: д.б.н. Семерикову В.Л., к.б.н. Семериковой С.А., к.б.н. Беляеву А.Ю. за помощь в интерпретации первичных данных и дискуссии о применении аллозимного анализа в экологических исследованиях, а также за консультации и ценные советы по оформлению данных генетических исследований.

Благодарю д.б.н. И.В. Молчанову и к.б.н. Л.Н. Михайловскую за предоставленные данные об уровнях радионуклидного загрязнения почв на участках; к.б.н. О.В. Харитонову и к.б.н. М.В. Модорова за помощь в сборе материала; инженера Т.Е. Беляеву за помощь в подготовке и проведении экспериментальных работ.

Глава 1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ХРОНИЧЕСКИ ОБЛУЧАЕМЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Среди факторов окружающей среды, действующих на живые организмы, ионизирующие излучения занимают особое место. Это связано с их большой проникающей способностью и особым способом взаимодействия с веществом посредством ионизации молекул и образованием свободных радикалов, вызывающих негативные эффекты у биоты (Кузин, 1991; Эйдус, 2001; Бурлакова и др., 2003; Москалев, Шапошников, 2009). Повышенный интерес к оценкам влияния радиации на живые организмы привел к созданию международных сообществ научного, правового и социального характера. Результаты сотрудничества представлены в виде баз данных, основными из которых являются FASSET Radiation Effects Database (FRED) и ERICA Effects Database. При их составлении в расчет принимается, главным образом, прикладная задача - необходимость ответить на вопрос: можно ли на основе научных результатов прогнозировать уровень облучения, при котором радиобиологические эффекты не будут проявляться (no effect level).

Исследований по хроническому действию радиации на растения относительно немного. Несмотря на то, что имеются полевые исследования природных экосистем в условиях радиоактивного загрязнения, большинство учтенных работ выполнено в условиях лабораторных экспериментов (Сор-plestone et al., 2008). По комплексу признаков (подробное описание в статьях методики эксперимента, статистическая обработка данных, наличие дозиметрических оценок) значительное количество публикаций не включается в базы данных. Составление баз основано на формализованном понимании проблемы влияния малых доз радиации - определении уровня, повреждающего живые системы (Методология ... ,2010; First derivation ... , 2006). Между тем, длительное воздействие малых доз может вызывать сложные и неоднозначные эффекты, которые проявляются не только у облученных организмов, но и их потомков (Позолотина, 2003а; Воробцова, 2006; Averbeck, 2010).

В основе биологического действия радиации лежат процессы, развивающиеся на молекулярно-клеточном уровне. Физико-химический этап поглощения энергии является, по сути дела, пусковым механизмом для последующего развития биологических эффектов (Савин, 1981). Н.В. Тимофеев-Ресовский (Тимофеев-Ресовский и др., 1969) наиболее четко сформулировал базовое определение: первопричиной экологических изменений в популяциях и сообществах на радиоактивно загрязненных территориях являются радиобиологические эффекты у целостных организмов, которые в свою очередь обусловлены процессами, протекающими в клетках и субклеточных структурах. Подчеркивая взаимосвязь процессов на всех уровнях организаций живого необходимо учитывать также принцип эмерджентности: целое всегда больше суммы его частей и всегда имеет особые свойства, которых нет у составляющих компонентов, не объединенных системными связями (Реймерс, 1994). Учитывая это обстоятельство, переносить закономерности, установленные для молекул и клеток, на более высокие уровни организации живого сл

Информация о работе

Каримуллина, Элина Миннулловна
кандидата биологических наук
Екатеринбург, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Эколого-генетическая характеристика звездчатки злаковой и дремы белой из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы