Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ЦИТОГЕНЕТИКА СОСНЫ МЕЛОВОЙ (В СВЯЗИ С ВОПРОСАМИ ЭКОЛОГИИ И ТАКСОНОМИИ)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ЦИТОГЕНЕТИКА СОСНЫ МЕЛОВОЙ (В СВЯЗИ С ВОПРОСАМИ ЭКОЛОГИИ И ТАКСОНОМИИ)"

с/

-мель

На правах рукописи

Гришаева Ирина Геннадьевна

ЦИТОГЕНЕТИКА СОСНЫ МЕЛОВОЙ (в связи с вопросами экологии и таксономии)

Специальность: 03.00.16 -Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биолотческих наук

Воронеж 2004

Работа выполнена на кафедре генетики, селекции и теории эволюции биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор

Буторина Анастасия Константиновна

Официальные оппоненты -

доктор биологических ваук, профессор

Федорова Алевтина Ильинична

кандидат биологических наук, Свинцова Валентина Сергеевна

Ведущая организация - Воронежская государственная

лесотехническая академия

Защита состоится»^Уфевраля 2004 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.038.05 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г.Воронеж, Университетская площадь, I, ВГУ, биолого-почвенный факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библио-> В^.^.гжа-ого государственного университета.

Автореферат разослан ^^^^^ года

Ученый секретарь

диссертационного совета, ^ О

кандидат биологических наук '^З^^Д^Л^у Г.И.Г

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Изучение и сохранение генофонда и бноразнообразия основных лесообразующих пород России относится к числу приоритетных научных и хозяйственных задач государственного масштаба. Особого внимания при создании программ по повышению продуктивности, качества и устойчивости лесов заслуживают пенные, но редкие и исчезающие виды и экотипы. К таковым относится, в частности, сосна меловая. Успех разрабатываемых программ зависит от удачного сочетания комплекса фундаментальных и прикладных наук, и в том числе лесоведения, генетики и цитологии. Так, цитогенетические показатели древесных растений позволяют судить о состоянии их генетического аппарата и, опосредованно, о состоянии среды их обитания. Сосна меловая, являющаяся реликтом мелового периода и ценной древесной породой, имеет огромное значение для промышленности как источник древесины, а также может быть использована для облесения меловых обнажений. В Центрально-Черноземной зоне очень актуальна проблема облесения меловых обнажении, занимающих более 1.5 млн. га. Однако до настоящего времени для этого применялся, в основном, опыт создания лесных культур из сеянцев сосны обыкновенной, так как за сосной меловой не закреплен статус самостоятельного вида. По мнению одних ученых (Лыпа, 1955; Кондратюк, 1960; Машкин, 1971; Доронин, 1973; Артамонов, 1989; Орлова, 2001), сосна на мелах — это самостоятельный вид, по мнению других (Козо-Полянский, 1931; Сукачев, 1938; Котов, 1947; Правдив, 1964; Бобров, 1978; Чернодубов, 1998) — почвенный экоткп сосны обыкновенной. Но для составления практических рекомендаций по облесению меловых обнажений, с учетом их эдафических особенностей, необходимо комплексное изучение лесоводстве иных, эколого-физиологнческих, цитогенетических и других показателей у сосны меловой и обыкновенной, произрастающих на меловом субстрате, для оценки характера их взаимодействия с условиями среды. Актуальность проведения при этом цитогенетических исследований определяется возможностью проследить на клеточном и хромосомном уровне реакцию генотипов сосны меловой и обыкновенной на сходные почвенно-климатические условия и уточнить таксономический статус сосны меловой. Именно изучение цитогенетических особенностей сосны меловой способно, на наш взгляд, дать ответ на вопрос о механизмах, обеспечивающих ее успешное

произрастание в нетипичных для видов р.Ртиз эдафических условиях - на меловых обнажениях.

Целью данной работы является цитогенетяческая характеристика разных популяций сосны меловой в сравнительном плане с сосной обыкновенной, произрастающей в типичных для нее условиях обитания и на мелу, для выявления специфики реакции их генотипа на сходные условия обитания, для уточнения таксономического положения сосны меловой и для научного обоснования мер по охране генофонда этого исчезающего доледникового реликта.

В соответствии с целью были намечены следующие задачи:

1- Сравнительная оценка общего состояния насаждений сосны меловой и сосны обыкновенной.

2. Сбор материала для цитогенетических исследований.

3. Цитогенетическое изучение сосны меловой и сосны обыкновенной, произрастающей на песчаном и меловом субстрате по критериям;

а) митотической активности;

б) патологии митоза;

в) ядрышковой активности.

4. Сравнительный анализ данных по цитогенетическому изучению сосны меловой и сосны обыкновенной как основы для решения вопроса о таксономическом статусе сосны меловой и рекомендаций по ее использованию.

5. Оценка характера взаимодействия сосны с основными экологическими факторами среды - почвенными и климатическими по цитогенетическим показателям.

Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция» (гос.номер регистрации 228.5.1) в содружестве с кафедрой лесных культур н селекции Воронежской государственной лесотехнической академии, н в рамках темы научно-исследовательской работы кафедры генетики, селекции и теории эволюции биолого-почве иного факультета Воронежского государственного университета.

Научная новизна

Впервые выполнено сравнительное исследование семенного потомства четырех популяций сосны меловой и двух популяций сосны обыкновенной, произрастающих в естественных для нее (на песке), экологических условиях и на мелах, по характеру прохождения митоза, ядрышковой и митотической

активности, а также с использованием микроядерного теста. Показана изменчивость цитологических характеристик у сосны в зависимости от эдафических условий в местах ее произрастания. Установлены достоверные различия между соской меловой и сосной обыкновенной по норме реакции признака ядрышковой активности, отражающей уровень метаболических процессов и адаптационные возможности видов. Полученные данные могут служить аргументом в пользу видовой самостоятельности Р.сге1асеа Ка1етсгепко.

Практическая значимость работы заключается в научном обосновании перспективности использования сосны меловой для решения проблемы повышения продуктивности и устойчивости насаждений сосны на меловых обнажениях, которых только в ЦЧР насчитывается свыше 1.5 млн. га, а также важности сохранения генофонда лесообразующих пород России, особенно редких, исчезающих видов, форм и экотипов, к которым относится и сосна меловая.

Результаты исследования внедрены в учебные курсы по генетике и селекции древесных растений ВГЛТА.

Обоснованность и достоверность результатов исследований обусловлены использованием адекватных методик, большим объемом экспериментального материала, обеспечивающим репрезентативность выборок, применением современных методик математического анализа и ПЭВМ для решения поставленных задач.

Положения, выносимые на защиту:

1, Экологические факторы оказывают существенное влияние на проявление цитогенетических характеристик, таких как патология митоза и ядрышковая активность у сосны меловой и обыкновенной.

2, Цитогенетические показатели могут быть использованы при уточнении таксономического положения сосны.

3, Сходство между сосной меловой и сосной обыкновенной по числу хромосом и показателям митотического индекса свидетельствует о их несомненном генетическом родстве.

4, Предлагается новый подход для выявления генетических различий между сосной меловой и обыкновенной по норме реакции признака ядрышковой активности с учетом полной пенетрантности, но варьирующей экспрессивности рибосомных генов.

5. Установленные различия по норме реакции признака ядрышковой активности (более узкая у сосны меловой и более широкая у сосны обыкновенной) могут рассматриваться как аргумент в пользу видовой самостоятельности сосны меловой,

6. Более узкая норма реакции по признаку ядрышковой активности свидетельствует о более экономном расходовании энергетических ресурсов у сосны меловой на мелу по сравнению с сосной обыкновенной, произрастающей на этом же субстрате.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы были представлены на Международном симпозиуме «Радикальное повышение, экологических функций леса в XXI веке» (Воронеж, 1999), на Международной конференции «Биологические эффекты малых доз радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, 2001), на VII Международной научно-практической экологической конференции «Приспособления организмов к действию экстремальных экологических факторов» {Белгород, 2002), на Международном конгрессе «Emerging Trends in Plant Chromosome Research» (Patiala , 2003, India), на конференции, посвященной 80-летию профессора, д.с.-х.н. Р.И.Дерюжкина (Воронеж, 2003), на научных конференциях Воронежского госуниверситета (Воронеж, 1999, 2001), на заседаниях кафедры генетики, селекции и теории эволюции Воронежского госуниверситета (1998-2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 124 страницах, состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы, включающего 221 источник, в том числе 55 на иностранных языках. В работе приводится 5 таблиц и 16 рисунков.

Обзор литературы

В данном разделе рассматриваются вопросы систематики видов p.Pinus, специфика таксономического положения сосны меловой, ее происхождение, ареал, биология, генетика и цитология, хозяйственное значение.

Большое хозяйственное значение сосны меловой отражается в работах многих авторов (Сукачев, 1938; Фомин, 1940; Каппер, 1951; Котов, 1953; Голицын, 1970; Машкин, 1971; Правдин, 1971, 1978; Александрович, 1977; Мацкевич, 1987; Чернодубов, 1995 и др.).

Несмотря на многочисленные таксономические ревизии (Endlicher, 1847; Engelmann* 1880; Koehne, 1893; Shouv, 1914; Pilger, 1926; Mirov, 1967; Little,

Critchfield, 1969; Landry, 1974; 1995), в систематике рода Pinus существует множество спорных вопросов, особенно затрагивающих таксоны наиболее широко распространенного вида - Р. sylvestris L. Значительный интерес для науки и практики представляет сосна, растущая на мелу, которая может быть использована для облесения меловых обнажений.

До сих пор вопрос о систематическом положении сосны меловой является дискуссионным. По мнению одних авторов (Козо-Полянский, 1931; Сукачев, 1938; Котов, 1947; Правдин, 1964; Бобров, 1978; Чернодубов, 1998), сосна меловая — почвенный экотип сосны обыкновенной и представляет результат влияния климатических факторов ледникового периода и длительной изоляции на меловом субстрате на специфику ее морфолого-биологических особенностей. По мнению других ученых (Лыпа, 1955; Кондратюк, 1960; Машккн, 1971; Доронин, 1973; Артамонов, 1989), сосна на меловых обнажениях — это самостоятельный вид - Pinus cretacea Kaien. Относительно происхождения сосны меловой также существуют различные гипотезы. Первая гипотеза, «реликтовая», была выдвинута Д.И.Литвиновым (1891), который рассматривал меловые боры как наследие ледникового периода. Вторая гипотеза, «синантродная», предложенная В.И.Талиевым (1895), допускает молодой возраст меловых боров. Существует и другое предположение (Криштофович, 1953; Ушаков, Ясаннинов, 1984), согласно которому, меловые боры являются центрами расселения сосны на равнины и переселения ее на пески. Такого же мнения придерживался и В.И.Сукачев (1938).

О территориальном размещении меловых сосняков упоминается в работах таких исследователей, как Кеппен, 1885; Талиев, 1896; 1897; 1904; 1912; 1914; Сукачев, 1902; Мальцев, 1907; Келлер, 1921; Алехин,. 1926; Козо-Полянский, 1927, 1928, 1931; Лавренко, 1928; Камышев, 1948; Виноградов, Голицын, Доронин, 1960.

Сосна меловая обладает специфическими особенностями

морфологических и анатомических признаков, отличающих ее от сосны обыкновенной. Крона сосны меловой имеет приплюснутую, кудрявую форму и короткую хвою. Длина и диаметр шишек у меловой сосны имеют меньшие показатели и коэффициенты вариации, чем у сосны обыкновенной. Изучению изменчивости семян и их посевных качеств посвящены работы Курдиани, 1908, 1910, 1932; Соболева, 1908; Самофала, 1924; Тольского, 1927; Правдина, 1931, 1958, 1964 и др. Существуют отличия в корневой системе, а также в анатомическом строении хвои и стебля сосны меловой (Доронин, 1973).

Спороношенне у меловой сосны начинается и заканчивается на 2 дня раньше обыкновенной сосны. Размер пыльцы у сосны меловой гораздо больший, чем у сосны обыкновенной (Кондратюк, 1960).

Меловые боры, по оценке ЮА.Доронина (1973), обладают большей жизнестойкостью древостоя, чем песчаные.

Вопросы генетики сосны меловой частично отражены в работах Г.Г.Гончаренко с соавторами (1993) и А.И.Чернодубова (1998). Они касаются результатов изофермеитиого анализа монотерпенов эфирных масел.

Основное различие между кариотипами разных видов сосны проявляется по наличию и локализации вторичных перетяжек (Аазз, 1957; Ка£ага]ап, ОЬЬа, Этак, 1961; ЭауЬг, 1964; Правдин, 1964). У сосны меловой так же, как и у сосны обыкновенной в диплоидном наборе 24 хромосомы (2п = 24). (Машкин и др., 1973, 1974; Машкин, Буторина, 1975; Машкин, 1976, 1985). По данным этих же авторов, отличия между кариотипами сосны меловой и обыкновенной проявились по количеству и локализации вторичных перетяжек.

Однако, наблюдаемая вариабельность по числу хромосом со вторичными перетяжками между популяциями сосны меловой и даже в пределах популяции делает этот признак недостаточным для уточнения таксономического положения и предполагает необходимость поиска новых критериев. Это определило цель настоящей работы.

Объекты, материал и методика исследования

Исследования проводились с 1997 по 2002 год на кафедре генетики, селекции и теории эволюции биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.

Объектами исследований послужили естественные насаждения сосны меловой из Бекарюковского бора, урочищ Ржевка, Шебекино Белгородской области, Острогожского района Воронежской области, а также культуры сосны обыкновенной, произрастающей на мелу в Бекарюковском бору. В качестве контроля изучали сосну обыкновенную из Усманского бора Воронежской области. Таким образом, исследования проводились на популяционном уровне.

Меловые боры в связи со спецификой географических, почвенно-геолопических особенностей, истории формирования обладают присущими только им внешними чертами.

На Среднерусской возвышенности самый крупный участок, площадью 50 га — «Б екарюковс кий бор» Шебехинского лесхоза Белгородской области (координаты; 50 30' с.ш. и 36 58' в.д,), представлен травяно-степным

сосняком, произрастающим на голых или покрытых светло-серыми суглинками меловых южных правых склонах, крутизной 35-45° реки Нежеголь. Сосна в возрасте около 160-180 лет имеет среднюю высоту 14-16 м, диаметр 44 см, класс бонитета V. Подрост отсутствует, в подлеске — дрок красильный (Cytisus ruthenicus L.), ракитник русский (Genista tinctoria L.), боярышник (Crataegus sanquinea Pall.).

В Острогожском лесхозе Воронежской области сохранилось одно маточное дерево сосны в возрасте 130-140 лет, высотой 13 м, диаметром 45 см. На правом берегу реки Потудань произрастает обильный подрост в возрасте 2-40 лет, занимающий площадь 1.2 га, расположенную на северо-западной экспозиции склона крутизной 36-38".

Культуры сосны обыкновенной на мелу произрастают в Бекарюковском бору в квартале 70 урочища «Бекарюковский бор», занимают площадь 0.35 га на меловом рухляке в нижней части северо-восточного склона крутизной до 42°. Возраст деревьев около 100 лет, произрастают по 1 бонитету, В 1963 году был проведен посев семян сосны обыкновенной в открытый грунт с заделкой на глубину 1.5 см. Норма высева составляет 100 семян на один погонный метр.

По оценке исследователей (Доронин, 1973), сосна на смытых перегнойно-карбонатных почвах и меловом рухляке не гибнет и имеет хорошее состояние, но характеризуется значительно меньшей семенной продуктивностью, чем естественные насаждения сосны меловой, а произрастание ее на сплошных меловых обнажениях (плиточный мел) невозможно.

Исследуемая сосна обыкновенная произрастает в Усманском бору Воронежской области.

Усманский бор (51 51*с.ш.и 39 30'в.д.)~ один из крупнейших лесных островов в европейской лесостепи. Он располагается на западной окраине Окско-Донской равнины, на водоразделах рек Воронеж и Усмань, между населенными пунктами Усмань, Ступино, Отрожка, Репное, Воля, Малая Приваловка, Девица. Площадь Усманского бора составляет 61 ты с. га.

Находящаяся в непосредственной близости от Воронежа, южная половина леса, является зоной отдыха. Остальная часть входит в состав Воронежского государственного заповедника.

Растительность Усманского бора отличается большим многообразием типов леса, что связано со сложным микрорельефом, неодинаковым залеганием грунтовых вод, особенностями почвенного покрова. К первой и второй

надпойменным террасам р.Воронеж приурочены, главным образом, три типа леса: сухой бор, свежий бор и свежая суборь.

В настоящее время древостой урочищ дубово-зеленомошно-разнотравных сосняков в заповедной части бора имеет возраст от 100 до 150 лет. Первый ярус образуют прямоствольные сосны высотой до 30 м и диаметром 38 см. Второй ярус составляет дуб высотой 23 м, диаметром до 24 см. В более влажных местах к дубу примешивается береза. В кустарниковом покрове произрастает рябина, бересклет бородавчатый, ракитник. Отмечается хорошо развитый подрост сосны и дуба. В напочвенном покрове - осока верещатниковая, вероника седая, кошачья лапка, зеленые мхи.

Урочища сосняков зеленомопшиков {свежих боров) по занимаемой площади стоят на втором месте.Они произрастают на подзолистых почвах в заповедной части Усманского бора. В первом ярусе деревья сосны имеют высоту до 33 м н диаметр 52 см. Местами примешивается береза. Возраст деревьев - более 100 лет. Подлесок развит слабо. В напочвенном покрове преобладают зеленые мхи Шребера, дикранум, также встречаются грушанка, брусника, земляника, герань кровяно-красная, вейник, типчак (Дроздов, Хмелев, 1983).

Таким образом, Усманский бор является одним из крупнейших массивов Черноземного Центра, с преобладанием сосны, как основной древесной породы.

Материалом для исследования служили корешки проростков семян с 5-7 типичных деревьев из каждой популяции. Для проведения цитогенетических исследований готовились давленно-постоянные препараты по методике A.K.Butorina, N.P.Evstratov (1986). Просмотр приготовленных микропрепаратов проводили на микроскопе «Laboval» (Carl Zeiss, Jena) при увеличении 40 х 2.5 х 10.

На микропрепаратах -сосны меловой и сосны обыкновенной, произрастающей на меловом и песчаном субстрате, учитывали общее количество просмотренных клеток (в каждом препарате в среднем около 700 клеток), количество делящихся клеток, число клеток, имеющих патологию митоза, клетки с определенным количеством ядрышек, число клеток с микроядрами. Общее число проанализированных клеток на каждый вариант составило по сосне обыкновенной из Усманского бора 36144; по сосне обыкновенной из Бекарюковского бора — 20130; по сосне меловой из Р^евкн — 33052; из Бекарюковки - 35 J 94, из Шебекино -19820, из Острогожска -15000.

На основе полученных в результате анализа мнкропрепаратов данных определяли митотическую активность, показателем которой является ¡митотический индекс Ml, т.е. отношение числа делящихся клеток к общему |чнслу меристематических клеток на препарате, в процентах; количество клеток с патологией митоза - от общего числа делящихся клеток, в процентах; процент клеток на разных стадиях митоза; ядрышковую активность — как число клеток с определенным числом ядрышек (от 1 до 12). Возрастание количества клеток с большим числом ядрышек рассматривали как повышение ядрышковой активности и возрастание количества клеток с меньшим числом ядрышек как снижение ядрышковой активности. При подсчете ядрышек в клетках учитывали также их размер.

j Обработку полученных экспериментальных данных проводили на ПЭВМ (IBM PC/AT 486 с использованием статистического пакета программ «Statistiса». Процедура группировки данных и их обработка изложены в работе В .П.Боровикова (1997). Сравнение выборок по показателям «митотический индекс», % профазных, метафазных, анафазно-телофазных клеток, частоте встречаемости ядрышек в ядре, патологии митоза проводили по t-критерию Стьюдента, дисперсии, по F-критерию Фишера. Влияние фактора на цитогенетические показатели оценивали путем - однофакторного дисперсионного анализа. Силу влияния фактора определяли по Снедекору. Проверку равенства долей осуществляли поГ.Ф.Лакину(1990).

Результаты и обсуждение

Цито генетическая характеристика сосны обыкновенной, произрастающей на песчаных почвах и на мелах

Результаты цитогенетических исследований сосны обыкновенной, произрастающей на песчаной почве и на мелу представлены в таблице 1.

У сосны обыкновенной отмечены два пика митотнческой активности - в 9 и 21 ч, т.е. существует два синхронизированных пула делящихся клеток (Буторина и др., 2001). Митотическая активность определяет энергию роста. Выражением митотической активности является митотический индекс. Показатель митотического индекса сосны обыкновенной на мелу совпадает с таковым у сосны обыкновенной, произрастающей в типичных для нее условиях, и составляет 7.3 %. Это свидетельствует об устойчивости популяции сосны обыкновенной.

Исследования нарушений митоза позволяют выявлять ранние изменения онтогенетической системы организма и прогнозировать возможные изменения

состояния растения. Как видно из таблицы 1, у сосны обыкновенной, произрастающей на мелу, нарушений в митозе больше (5 %), чем у сосны на песке (3.4 %). Это объясняется, видимо, непривычным для сосны субстратом, хотя и в том, и в другом случае эти показатели находятся в пределах нормы.

Таблица I

Результаты сравнительного анализа цнтогенетических показателей сосны обыкновенной, произрастающей на песчаном и меловом субстрате

Признаки Сравниваемые популяции

Усма некий бор Бекарюковский бор

1 2 3

Количество просмотренных 36144 20130

леток

Митотический индекс, % 7.3 ± 1.2 7.3 ± 1.1

Число нарушений, (%) 3.4 ±0.6 5.0 ± 0.9*

Количество ядрышек, (%):

1-2 12.0 ±0.8 28.8 ± 0.4*

3-4 43.3 ±1.4 32.0 ± 0.5*

5-6 40.2 ± 1.6 24.1 ±0.5*

7-8 4.0 ± 0.4 13.7 ±0.1*

9-10 0.3 ± 0.01 0.7 ±0.01*

11-12 0.2 ± 0.01 0.7 ±0.02*

* - Р < 0.05

У сосны обыкновенной наблюдались следующие типы аномалий митоза: опережающее движение хромосом в метафазе, задержка при расхождении хромосом в анафазе и мосты, обусловленные частичным слипанием хромосом в тел оф азе. Данные типы патологий митоза характерны для сосны обыкновенной обеих изучаемых популяций.

Другим важным цитогенетическим показателем, позволяющим составить представление о состоянии организма, является ядрышковая активность.

О ней можно судить по числу ядрышек и их размерам, определяющим их общую активную поверхность.

Между популяциями сосны обыкновенной, произрастающими на различных субстратах, установлены достоверные различия по количеству ядрышек, которые свидетельствуют о различных уровнях метаболической активности у сосны как своеобразном механизме адаптации к условиям обитания. У сосны обыкновенной, произрастающей на мелу, можно предположить повышение уровня метаболической активности.

Сравнительные характеристики ядрышковой активности у сосны обыкновенной из разных популяций представлены на рисунке 1.

Модальное число ядрышек на клетку у сосны обыкновенной составляет 6, что соответствует 3 парам хромосом с ядрышко в ымн организаторами. Следует отметить, что величина ядрышек возрастает с уменьшением их числа в клетке: крупные — 3-5 мкм, мелкие — 1-2 мкм. Данные выполненных исследований позволяют предположить адаптивный характер признака ядрышковой активности у сосны.

Одним из методов изучения воздействия факторов окружающей среды на живой организм является микроядерный тест (Захаров, Кларк, 1995). У

3-4 М ?«»■)» 1М1

ЧмелрщисИф1

И .«жвГшптвр (мт>

Е5} - СОСИ Ю бср*<№ «у)

сосны обыкновенной з изучаемых популяциях количество выявленных микроядер в клетках составляет ~ 0.01 %. На основе полученных данных возможно сделать вывод, что анализируемые объекты минимально подвержены действию мутагенных факторов окружающей среды или их воздействие находится в пределах допустимого, что позволяет репзративным системам организмов восстанавливать возникающие повреждения.

Цнтогенетическое изучение сосны меловой

Проводилось цитогенетическое исследование четырех популяций сосны меловой. Результаты попарного сравнения показателей митотического индекса, патологии митоза, числа ядрышек в интерфазных клтках сосны меловой из Бекарюковского бора, урочищ Ржевка, Шебекино Белгородской области в Острогожска Воронежской области представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты попарного сравнения цитогенетнческнх показателей популяций сосны меловой

Сравниваемые популяции

Признаки РЖПКА. Ржев »сл» Ржевка- Бск&р.6ор. Бскир.бор- Ше&екннэ*

Бекзр.бор Шебекино Острогожск Шебекнно Острогожск Острогожск

МитотическиЯ нндекс -1.9 -0.64 -1.68 0.78 0.62 -0.72

Число

нарушений -0.5 -0.22 -0.38 0.08 0.11 -0.25

в митозе

Кол-во

ядрышек: 1-2 -2,17* -12.3* 3.33* -4.83* 4.95* -4.75*

3-4 -1.7 -1.63 -1.58 0.012 0.018 0.024

5-6 -4.35* 2.3* -3.48* 3.87* 2.52* -4.25*

7-8 6.27* 3.88* 4.22* -0.26* -0.24* 3.58*

9-10 -0,94 -0.5 -0.8 -2.05 -1.99 -1.1

+ - Р < 0.05

и

Как показывают данные таблицы, по митотическому индексу между популяциями сосны меловой достоверных различий не установлено. По числу и спектру нарушений в митозе также не существует достоверных отличий. Для всех анализируемых популяций сосны меловой преобладающими являются следующие типы патологий митоза; опережающее движение хромосом в метафазе, задержка при расхождении хромосом в анафазе и мосты, обусловленные частичным слипанием хромосом в телофазе.

Выявленные достоверные различия по ядрышковой активности между популяциями сосны меловой заслуживают особого внимания, поскольку по показателям ядрышковой активности можно судить об уровне метаболизма клетки в целом (Челидзе, 1988; Муратова, 1993).

У сосны меловой из Ржевки модальное число ядрышек на клетку составляет 8, из Бекарюковки и Острогожска — 6, из Шебекино - 3-4, В последнем случае можно предположить снижение уровня метаболической активности. Таким образом, у сосны на мелах наблюдалось варьирование числа ядрышкообразующих районов хромосом. Сравнительная характеристика ядрышковой активности у сосны меловой представлена на рисунке 2.

Различия между популяциями сосны меловой по признаку «ядрышковая активность» можно рассматривать как способ адаптации к специфике их экологических условий, проявляющийся в характере изменчивости этого признака в пределах нормы реакции. Модальное число ядрышек в интерфазных клетках, как правило, соответствует и модальному числу хромосом с ядрышковыми организаторами, локализованными в районах вторичных перетяжек. Ядрышки могут быть автономными и в таком случае незначительными по размерам, но могут и сливаться попарно и даже по несколько штук, принимая при этом более крупные размеры, что, однако, < способствует уменьшению их общей активной поверхности и снижению уровня клеточного метаболизма.

Результаты однофакторного дисперсионного анализа межпопуляционной изменчивости сосны меловой, представленные в таблице 3, показывают достоверное влияние эдафического фактора на признак ядрышковой активности сосны меловой в пределах нормы реакции,

Таблица 3

Результаты однофакторного дисперсионного анализа межпопуляционной изменчивости сосны меловой

Признаки F h\ %

Митотический индекс 2.45

Число нарушений в митозе 0.53

Количество ядрышек, в %:

1-2 7.45* 4.63

3-4 10.25* 89.1

5-6 12.49* 35.6

7-8 35.79* 71.0

9-10 3,63* 15.6

Примечание: * - Р < 0.05;

Р - критерий Фишера; Ь2 — степень влияния фактора. При обсуждении данных цитогенетических исследований необходимо учитывать, главным образом, почвенные, а также климатические условия, позволяющие судить о взаимодействиях в системе «генотип-среда».

Меловые субстраты, на которых произрастают изучаемые популяции сосны меловой, отличаются по механическому составу, мощности гумусовых горизонтов, что обеспечивает разные эдафические условия для насаждений сосны.

Так, Еекарюковскнй бор Нежегольского лесничества располагается на правом берегу реки Нежеголь на голых или покрытых светло-серыми суглинками склонах до 42 Другая популяция сосны меловой из Шебекино произрастает на деградированном темно-сером суглинке с близким залеганием мела, входящим в качестве господствующей породы в первый ярус, в непосредственной близости от нее находится мелоизвестковый .комбинат и комбинат бытовой химии, производственная деятельность которых имеет специфическое влияние на общее состояние древостоя в этом районе. В Ржевском лесничестве - под слоем подстилки (до 2 см) формируется гумусовый горизонт темно-серой окраски, мощность которого колеблется в пределах 19-30 см. Ниже этой границы резко снижается содержание мелкозема, а гумусовая прокраска нижележащего слоя практически отсутствует и он приобретает цвет меловой породы, представленной плитчатым мелом,

В Острогожском лесхозе Воронежской области, граничащей с Белгородской с востока, почвенный покров под меловым бором представлен примитивными перегнойно-карбонатными почвами или меловым рухляком (Александрович, 1977).

Существенным фактором является и уровень в почве, который в

различных районах составляет 0.1-0.7 Ки/км1.

Немаловажны и климатические факторы. В изучаемых районах замечены отличия по следующим параметрам: максимальной и минимальной температуре; вегетационному периоду; количеству часов солнечного сияния; максимальной температурной амплитуде; количеству сухих и влажных дней; дням с осадками (Атлас Воронежской области, 1994; Атлас Белгородской области, 1968,1994; Атлас географический справочный, 1986).

Таким образом, выявленные различия между популяциями сосны меловой говорят о ее биологической пластичности в специфических условиях произрастания. Именно вариабельностью почвенно-климатических факторов можно объяснить некоторые различия между популяциями сосны меловой по цитогенетическим показателям.

Данные микроядерного теста, проводимого во всех четырех популяциях сосны меловой показали, что частота встречаемости клеток с микроядрами

невелика, составляет ~ 0.01 %, следовательно, данные популяции мало подвержены воздействию негативных факторов окружающей среды.

Сравнительный цито генетический анализ сосны меловой и обыкновенной

Результаты анализа цитогенетических показателей сосны меловой в сравнении с сосной обыкновенной представлены в таблице 4,

Как видно из таблицы, достоверных различий по мнтотическому индексу между популяциями сосны меловой и сосны обыкновенной не наблюдается. Изменчивость показателей митотического индекса у сосны меловой (от 6.8 до 7.5 % при среднем значении 7.1 %, тогда как у контрольной популяции сосны обыкновенной составляет 7.3 %) свидетельствует о достаточной приспособленности сосны меловой к специфическому субстрату и значительной устойчивости ее популяции.

По числу и спектру патологий митоза между популяциями сосны меловой и сосны обыкновенной также различий не обнаружено.

Митотические аномалии могли быть вызваны колебаниями факторов окружающей природной среды. Следует отметить, что процент нарушений невелик (от 3.6 до 4.0 % в популяциях сосны меловой), что свидетельствует о стабильном состоянии цитогенетической системы в изучаемых популяциях.

Полученные результаты по ядрышковой активности свидетельствуют о различных уровнях метаболической активности у сосны из разных популяций как об определенном механизме адаптации к условиям произрастания. Из таблицы 4 видно также наличие прямой корреляции между значением митотического индекса и частотой встречаемости клеток с минимальным числом ядрышек. Это может рассматриваться как еще одно доказательство цитогенетической стабильности данных популяций, поскольку в экстремальных условиях, которые, в частности, обеспечиваются меловым субстратом, число клеток с увеличенным количеством ядрышковых организаторов возрастает.

Результаты выполненных исследований позволяют предположить наличие генетически обусловленных различий между сосной меловой и обыкновенной по норме реакции признака ядрышковой активности. Норма реакции шире у сосны обыкновенной (число ядрышек на клетку у нее достигает 12) и уже у сосны меловой (число ядрышек на клетку — не более 10). Вероятно,

с этим связано обитание сосны меловой и обыкновенной в разных эдафических условиях и их четкая приспособленность к ним.

Таблица 4

Результаты анализа цитогенетическнх показателей сосны меловой в сравнении с сосной обыкновенной

Сравниваемые популяции

Признак Сосна обыкновенная Сосна меловая

УсмянскнЯ бор {контооль1 Острогожск Ржевка ЕгкярюкокскнЯ Сор Шебеки но

Количество

просмотренных 36144 15000 33052 35194 19820

клеток

Митотический индекс, % 7.3 ± 1.2 7.0 ± 0.8 6.8 ±1.3 7.2 ± 1.5 7.5 ±0,8

Число

нарушений в 3.4 ±0.6 4.0 ± 0,3 3.7 ±0.5 3.6 ±0.6 3.9 ± 1.4

митозе, %

Количество

ядрышек, %: 1-2 12.0 ±0.8 3.7 ±0.1* 4.0 ±0.1* 6,0 ± 0.4 28.6 ± 0.5*

31.6 ±

3-4 43.3 ± 1.4 15.8 ±0.4* 14,2 ±0.7* 8.2 ± 0.6* 1.2*

5-6 40.2 ± 1.6 60.3 ± 1.1* 33.3 ± 1.3 66.1 ±0.9* 24.3 ± 0.8

7-8 4.0 ± 0.4 19.6 ±0,5* 48.2 ± 1.8* 19,4± 0.8* 14.9 ± 0.5*

9-10 0.3 ±0.01 0.4 ± 0.02 0.3 ± 0.02 0.3 ±0.02 0.6 ± 0.08*

11-12 0.2 ±0.01 0 0 0 0

* - Р < 0.05

Анализируя данные микроядерного теста можно сделать предположение о незначительном действия мутагенных и кластогенных факторов на исследуемые популяции, так как число клеток с микроядрами как у сосны обыкновенной, так и у сосны меловой во всех четырех популяциях минимально 0,01 %).

Таким образом, выполненные исследования выявили отличие между популяциями сосны меловой и сосны обыкновенной по признаку ядрышковой активности. Данные различия позволяют предположить их генетическую обусловленность.

Установленные различия по ядрышковой активности между популяциями сосны меловой и обыкновенной, наряду с их сходством по числу и морфологии хромосом, можно рассматривать как наследственно обусловленные по широте нормы реакции признака их адаптивности, что может свидетельствовать и об определенной направленности обменных процессов в различных эколого-климатических условиях в процессе адаптации сосны к этим условиям.

Выводы

1. По визуальной оценке и результатам цитогенетического изучения общее состояние насаждений сосны меловой и культуры сосны обыкновенной на мелах удовлетворительное и стабильное.

2. При цитогенетическом исследовании сосны меловой из четырех ее популяций в Белгородской и Воронежской областях по митотическому индексу, числу и спектру нарушений в митозе достоверных различий не установлено. Они были отмечены только по ядрышковой активности: у сосны меловой из Ржевки модальное число ядрышек на клетку составляет 8, из Бекарюковки и Острогожска - 6, из Шебекино - 3-4, Различия между популяциями сосны меловой по данному признаку можно рассматривать как способ адаптации к специфике их экологических условий, проявляющийся в характере изменчивости показателя ядрышковой активности в пределах нормы реакции. Число клеток с микроядрами в исследуемых популяциях составляет = 0.01 %, что свидетельствует о слабой, подверженности популяций сосны меловой мутагенным факторам среды.

3. Цитогенетические показатели семенного потомства сосны тесно связаны с экологическими условиями, в которых произрастают материнские популяции. Решающими факторами при этом являются состав почвы и климат. Меловые субстраты, на которых произрастают изучаемые популяции

сосны меловой, отличаются по механическому составу, мощности гумусовых горизонтов, а также уровню |ЗТСз в почве. Существуют различия и в климатических условиях. Именно вариабельностью почвенно-климатических факторов можно объяснить некоторые различия между популяциями сосны меловой по цитогенетическим показателям.

4. Выявленные различия по цитогенетическим показателям между исследованными популяциями сосны меловой говорят о ее биологической пластичности в специфических условиях произрастания.

5. В связи со спорным вопросом о таксономическом положении сосны меловой цитогенетические исследования были выполнены в сравнительном плане с сосной обыкновенной, произрастающей на песчаной почве и на мелу.

Семенное потомство сосны обыкновенной, произрастающей на мелу, достоверно отличается от такового у сосны обыкновенной, растущей на песке, по числу нарушений в митозе и по ядрышковой активности. Частота встречаемости патологии митоза у культуры сосны обыкновенной на мелу составляет 5.0 ± 0.9 %, тогда как у сосны обыкновенной на песке — 3.4 ± 0.6 %; более высокая ядрышковая активность отмечена у сосны на мелу: число клеток с 9-12 ядрышками составляет 1.0 ± 0.04 %, а у сосны обыкновенной на песке -0.3 ± 0.01 %, Это свидетельствует о невысокой экологической толерантности сосны обыкновенной к меловому субстрату, более предпочтительном для нее песчаном, и адаптивном характере признака ядрышковой активности, отражающем уровень метаболизма при смене условий произрастания.

6. Длительная изоляция сосны меловой на меловом субстрате, влияние климатических факторов ледникового периода, и более позднее происхождение сосны обыкновенной позволяют предположить генетическую обусловленность различий по норме реакции признака ядрышковой активности, более широкой у сосны обыкновенной и более узкой у сосны меловой, что проявляется в присутствии в интерфазных клетках у сосны обыкновенной до 12 ядрышек, а у сосны меловой —не более 10.

7. У сосны обыкновенной, растущей на мелах, количество клеток с максимальным числом ядрышек возрастает. Это свидетельствует о том, что при невысокой толерантности к меловому субстрату сосна обыкновенная вынуждена затрачивать большее количество энергии для поддержания гомеостаза, активизируя свой метаболизм, в то время как сосне меловой требуются прн этом меньшие энергетические затраты. Соответственно, можно ожидать, что энергия роста у сосны обыкновенной и меловой на меловом

субстрате- будет различной. Полученные нами данные по норме реакции признака ядрышковой активности у сосны меловой и обыкновенной (более узкая у сосны меловой и более широкая у сосны обыкновенной) можно рассматривать как довод в пользу видовой специфичности сосны меловой.

8. Сформировавшаяся в течение длительного промежутка времени в конкретных почве нно-клнматических условиях сосна меловая предпочтительнее при облесении меловых обнажений, о чем свидетельствует и сравнительный анализ литературных данных по росту культур и установленная нами более узкая норма реакции по признаку ядрышковой активности; говорящая о ее обусловленной спецификой метаболизма более четкой приспособленности к данным эяафическим условиям, чем у сосны обыкновенной, адаптированной к песчаным почвам. Поэтому именно соска меловая способна дать устойчивое к меловому субстрату потомство.

9, Сосна меловая, имеющая уникальную генетическую природу и являющаяся реликтом мелового периода, нуждается в охране как часть природного богатства России и необходимого компонента ее биоразнообразия.

Список рабом, опубликованных по теме диссертации,

1. Еуторина А.К, Цитогенетические исследования сосны меловой,/ AJC.EyropHHa, И.Г.Мозгалина (Гришаева)// Проблемы повышения экологических функций леса: Мат. Международного симпозиума, 21-25 июня 1999 г., Воронеж. -Воронеж, 2000. -С.88-90.

2. Буторина А.К. Влияние уровня шСз в почве на цитогенетические показатели сосны,/ А.К.Буторина, ИГ.Мозгалина (Гришаева)// Биологические эффекты малых доз радиации и радиоактивное загрязнение среды: Мат. Международной конференции, 20-25 марта 2001 г., Сыктывкар - Сыктывкар.

2001, -С.46-47.

3. Буторина А.К. Цитогенетические особенности экотипа сосны меловой,. А-К.Буторина, ИГ.Мозгалина (Гришаева), А.ИЧернодубов.// Лесоведение. •

2002. - № 2. -С,42-46.

4. Мозгалина И.Г. (Гришаева), Влияние дефицита почвы ш цитогенетические особенности сосны меловой./И.Г.Мозгалина, А.К.Буторина/ Приспособления организмов к действию экстремальных экологически: факторов: Мат. VII Междукародн. научно-практич. экологической конф., 5-< ноября 2002 г., Белгород, - Белгород, 2002.-С. 120,

5. Мозгалина И.Г. (Гришаева). Цито генетика сосны на меловых обнажениях./ И.Г.Мозгалина, А.К.Буторина// Лесные культуры, селекция, семеноводство древесных пород в лесостепи: Мат. Конф., посвящ. 80-летию со дня рожд. профессора, доктора сельскохоз.наук Р.И.Дерюжкина, 2003 г. Воронеж. — Воронеж, 2003. — С.36-38.

6. Мозгалина И.Г. (Гришаева). Экология и генетика сосны меловойУ И.Г.Мозгалина// Лес. Наука. Молодежь 2003: Сб. мат-лов по итогам НИР молод.ученыхза 2002-2003 уч.год.- Воронеж, 2003. - С. 157-164.

7. Butorina А.К. Cytogenetic mechanisms of forest tree species adaptation to different types of stressors./ Butorina A.K.. E.V.Bogdanova, S.A.Doroshev, I.G.Mosgalina (Grishaeva) and I.A.Kritskaja// Emerging Trends in Plant Chromosome Research. - Patiala, 2003. - P.S0-S1.

8. Буторина A.K. Особенности цитогенетических показателей сосны меловой и сосны обыкновенной./ А.К.Буторина, И.Г.Мозгалина (Гришаева)// Экология.—2004. — № 3 — принята к печати.

Заказ Ni 29 от 16.01.2004 г. Тир. 100 экз. Лаборатория оперативной полиграфии ВГУ

í/ly

*■ t/3о