Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние антропогенного загрязнения на цитогенетический полиморфизм семенного потомства берёзы повислой (Betula pendula Roth) в естественных и искусственных древостоях

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние антропогенного загрязнения на цитогенетический полиморфизм семенного потомства берёзы повислой (Betula pendula Roth) в естественных и искусственных древостоях"

На правах рукописи

4854395

Карпова Светлана Сергеевна

ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ СЕМЕННОГО ПОТОМСТВА БЕРЁЗЫ ПОВИСЛОЙ (Betula pendula Roth) В ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ ДРЕВОСГОЯХ

Специальности 03.02.08-экология 03.02.07 - генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 7 0ЕВ 2011

Воронеж-2011

4854395

Работа выполнена в Воронежском государственном университете

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент

Калаев Владислав Николаевич

:: Ч *1 ■ ' V ;' ; ■

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Косиченко Николай Ефимович

доктор биологических наук, профессор Исаков Юрий Николаевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

университет»

Защита диссертации состоится «2» марта 2011 г. в 77 часов на заседании диссертационного совета Д 212.038.05 при Воронежском государственном университете по адресу: г. Воронеж, Университетская пл., 1, биолого-почвенный факультет, аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный университет»

Автореферат разослан «1» февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.И. Барабаш

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Изучение влияния антропогенных факторов на продуктивность и устойчивость лесных экосистем имеет важное значение для оптимизации лесо-образовательного процесса (Матвеев, 2004). Древесные растения - важнейший экологический ресурс планеты, что стимулировало разностороннее изучение морфологии, систематики, физиологии и биохимии наиболее распространенных видов. Однако необходимо расширять наши знания о полиморфизме естественных популяций и искусственных насаждений древесных пород с целью дальнейшего максимального использования их потенциала при разработке и осуществлении комплексных программ по сохранению, воспроизведению и улучшению лесных ресурсов, в том числе и для отбора устойчивых форм древесных растений для создания озеленительных насаждений в городах (Ирошников, 2002). Известно, что все виды лесных древесных пород характеризуются сложной наследственной структурой (Каргов, 1975). Она направлена на оптимальное приспособление популяции к существующим условиям среды и проявляется в существовании групп особей, различающихся по генотипу и имеющих в связи с этим морфологические, физиологические, биохимические и цитологические особенности (Буторина и др., 2001; Кайданов, 1996; Фадеева и др., 1980). К настоящему времени достаточно полно исследован полиморфизм у хвойных видов на уровне ДНК и изофер-ментов (Крутовский, 1987,1988, 2006; Полетов, 2007), по признакам кариотипа (Квитко, 2009; Седельникова, 2008). Известны работы по анализу онтогенетической изменчивости у сосны обыкновенной (Буторина и др., 2000; Дорошев, 2004; Сенькевич, 2007; Черкашина, 2007). Наиболее значимые результаты по использованию ДНК-маркеров для выявления уровня генетического полиморфизма в популяциях лиственных древесных растений были достигнуты в основном зарубежными учеными при изучении видов из родов Populus, Eucaliptus, Quercus (Яковлев, 2002; Balasaiavapan, 2006; Barreneche, 1998; Coelho, 2006; Vornam, 1994). Цитогенетический полиморфизм у лиственных древесных растений является слабо изученным (Kalaev et al., 2010).

Берёза повислая (Betula pendula Roth) является одной из основных лесообразую-щих пород Центрального Черноземья и широко используется для озеленения городов. Этот вид характеризуется значительным полиморфизмом по различным признакам, ю которых достаточно полно изучены морфофизиологические как наиболее доступные (Ветчинникова, 2004; Попов, 2003). В связи с вышеизложенным имеет актуальность исследование разнообразия цитогенетических характеристик семенного потомства в естественных и искусственных древостоях берёзы повислой.

Цитогенегические исследования семенного материала (анализ митотической и яд-рышковой активности, частоты и спектра патологических митозов) позволяют прогнозировать качество насаждений (Буторина, 1989а; Муратова, 1989; Zoldos et al., 1997). Это создает предпосылки для разработки рекомендаций по генетико-селекционному улучшению природных и искусственных популяций берёзы путем отбора материнских деревьев, продуцирующих устойчивое к неблагоприятным факторам среды семенное потомство, и для получения знаний о цитогенетических процессах, протекающих в популяциях древесных растений в связи с усиливающимся антропогенным воздействием. Глубокое знание цитогенетических особенностей популяций древесных растений позволит проводить мониторинг изменений в них и прогнозировать нарушение их стабильного воспроизводства во времени.

Целью работы явилось выявление цитогенетического полиморфизма семенного потомства деревьев берёзы повислой, произрастающих в естественных и искусствен-

ных насаждениях с разным уровнем антропогенного загрязнения.

Для реализации цели определены следующие задачи:

1. Выявить характеристики митотического и ядрышкового аппарата семенной^ потомства деревьев берёзы повислой го естественных древостоев и озеленительных насаждений, находящихся в условиях антропогенного загрязнения.

2. Оценить степень полиморфизма по цитогенетическим показателям семенного потомства берёзы повислой в естественных и искусственных насаждениях с разным уровнем антропогенного воздействия, дать его качественную и количественную характеристику и провести сравнительный анализ выделенных полиморфных групп («мута-бильной», «слабо мутабильной», промежуточных) из различных условий обитания.

3. Установить механизмы поддержания цитогенетического гомеостаза в клетках апикальной меристемы проростков семян березы повислой в выделенных группах.

Научная новизна работы. Впервые проведена комплексная оценка цитогенети-ческих показателей (миготическая и ядрышковая активность, частота и спектр патологических митозов) семенного потомства деревьев березы повислой в естественных й искусственных древосгоях с разным уровнем антропогенного загрязнения и дана сравнительная цитогенетическая характеристика семенного потомства березы из естественных древостоев Хреновского и Усманского боров. Показана высокая гетерогенность семенного потомства березы повислой по показателям митоза и ядрышковым характеристикам. Србди семенного потомства березы выявлены группы с разной стабильностью генетического материала и дана цитогенетическая характеристика выделенных групп. Установлены механизмы поддержания цитогенетического гомеостаза у проростков, различающихся по степени стабильности генетического материала, на клеточном уровне, заключающиеся в изменении активности функционирующих яд-рышковых организаторов, активации латентных ядрышкообразующих районов хромосом, пуфйнге хромосом на стадии метафазы, анафазы, телофазы митоза. Показана зависимость уровня гетерогенности семенного потомства от условий, в которых произрастали материнские деревья (искусственное/естественное насаждение, уровень антропогенного загрязнения).

Теоретическое н практическое значение работы. Экспериментально доказано существование полиморфизма берёзы повислой по цитогенетическим характеристикам семенного потомства. Полученные данные представляют теоретическую ценность для понимания цитогенетических процессов, происходящих в естественных популяциях берёзы повислой и в ее искусственных насаждениях, подверженных воздействию загрязнителей среда. I

Уровень гетерогенности по цитогенетическим характеристикам семенного потомства берёзы повислой может отразиться на результатах исследований по оценке качества окружающей среды при использовании ее в качестве тест-объекта. Результаты исследований полиморфизма цигбгенегических характеристик семенного потомства берёзы повислой могут бьгть использованы дня отбора материнских деревьев, продуцирующих селекционно ценное семенное потомство, устойчивое к неблагоприятным факторам среды.

Результаты исследований использовали при создании интернет-ресурса (www.cytogenetica-trees.vivt.ru), посвященного цитогенетическим исследованиям древесных растений. Материалы диссертационной работы применяются в учебном процессе на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета при подготовке выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций. Они вошли в курс лекций «Экологическая генетика».

На защиту выпосятся следующие положения:

1. Условия произрастания материнских деревьев березы повислой (естественные древостой с экологически благоприятной обстановкой или искусственные древостой, подвергающиеся значительному антропогенному загрязнению) оказывают разнонаправленное влияние как на цитогенетические показатели их семенного потомства, так и на уровень цитогенетической гетерогенности семенного потомства.

2. Среди семенного потомства березы повислой могут быть выделены мугабильные и слабо мугабильные формы, отличающиеся по своим цигогенетическим характеристикам.

3. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства березы может отразиться на результатах оценки качества окружающей среды при использовании ее в качестве тест-обьекта

Личный вклад. Автором разработаны теоретические и методические положения, обоснованы цели и задачи исследования, проведён сбор и анализ экспериментального материала, обобщены результаты исследований. Статьи и научные доклады подготовлены самостоятельно и в соавторстве.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 5-ой международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2002); на международной научной конференции «Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты», посвященной 25-летию кафедры ботаники Сыктывкарского университета (Сыктывкар, 2002 г.) на третьем съезде ВОГиС «Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004); на 5 мевду-народном совещании по кариологии, кариосистематике и молекулярной систематике растений (Санкт-Петербург, 2005 г.); на международной научно-практической конференции «Ботанические сады в 21 веке: сохранение биоразнообразия, стратегия развития и инновационные решения» (Белгород, 2009).

Часть исследований выполнялась в рамках и при частичной финансовой поддержке НИОКР Министерства природных ресурсов РФ «Биогеосферные исследования состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории Центрально-Чернозёмного региона» (государственный контракт № ВК-02-47/301); НИОКР Федерального агенства по науке и инновациям «Цитогенетические реакции древесных растений (на примере лиственных и хвойных) на стрессовые условия, обусловленные антропогенным загрязнением, и оценка гено-токсичности окружающей среды для человека по цитогенегическим показателям древесных растений» (государственный контракт Л» 02.512.11.2130); гранта РФФИ «Анализ и прогнозирование молекулярно-клеточных реакций биосистем на антропогенное загрязнение атмосферы» (грант № 09-04-97503-р-центр-а); государственного контракта № 02.518.11.7176 «Растительные ресурсы мира Интродукция и сохранение генофонда новых и малоизученных растений в Центральном Черноземье». Результаты исследований вошли в научную работу «Оценка генотоксичности окружающей среды в районах г. Воронежа и Воронежской области по цигогенетическим реакциям человека и древесных растений», удостоенную премии администрации Воронежской области для молодых ученых высших учебных заведений в 2002 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа содержит 147 страниц текста, 15 таблиц и 22 рисунка. Список литературы включает 304 источника, в том числе 99 иностранных.

ВВЕДЕНИЕ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы в связи с накошенными к настоящему времени сведениями об изученности проблемы полиморфизма древесных растений по цигогенетическим показателям. Сформулированы цели и задачи исследования.

Глава 1. Обзор литературы

Рассматриваются вопросы необходимости изучения полиморфизма популяций как основы оценкивнутривидового разнообразия и характеристики адаптивного потенциала вида (Алтухов, 2003; Динамика популяционных генофондов ..., 2004; Кайданов, 1996). Приводятся данные о степени изученности генетического полиморфизма в популяциях древесных растений ПО Молекулярным маркерам, по признакам кариотипа и ци-тогенетическим характеристикам (Бугорина, 2007; Владимирова, 2005; Квитко, 2009; Конарев, 2000; Крутовский, 2006; Полигов, 2007; Седельникова, 2008 и др.). Отмечается слабая степень разработки вопроса о белковом и ДНК-полиморфизме в популяциях лиственных древесных растений и недостаточная изученность у них цитогенетического полиморфизма Приводится характеристика биологической специфики древесных растений как объектов генетических и цитогенетических исследований (Бородина, 1982; Каргов, 1975; Петров, 1982). Дается характеристика цитогенетического метода исследования для оценки качества семенного потомства и прогнозирования качества насаждений (Буторина, 1989; Падутов, 2000). Подробно описываются основные цитогенети-ческие характеристики: митотическая активность (Алов, 1972; Гриф, 1994, 1996; СМ", 2002 и др.), уровень и спектр патологических митозов (Алов, 1955, 1964; Казанцева, 1981 и др.), ядрышковая активность (Архипчук, 1990, 1995; Соболь, 2001, Челидзе, 1988 и др.).

Глава 2. Эколого-географическая характеристика районов проведения исследования на территории г. Воронежа и Воронежской области

■ Приводятся сведения об общей эколого-географической характеристике Воронежской области и г. Воронежа и экологической ситуации в районах г. Воронежа, где проводились исследования (табл. 1).

Описывается состояние Хреновского и Усманского боров:

Хреновской: борпредставляет собой островной лесной массив на левом берегу р. Бипог в Бобровском районе Воронежской области, на границе степной и лесостепной зон, где преобладают песчаные почвы низкого плодородия. Отмечается, что берёза не образует насаждений, а входит (в небольшом количестве, в виде куртин) в состав соснового древбстоя (Матвеев, 2004).

Усманский бор представляет собой островной лесной массив, расположенный в Новоусманском районе Воронежской области по левобережью р. Воронеж и ее притокам. Для изучения цитогенетических показателей берёзы повислой нами были выбраны деревья, произрастающие на территории Усманского леса в районе биологического учебно-научного центра Воронежского госуниверсигета «Веневигиново». Содержание контролируемых химических элементов и уровни загрязнения радиоактивными веществами растительного сырья в указанном районе, по данным ряда авторов (Минеральный состав и ..., 1992; Семенова, 2009), не превышали соответствующие ПДК и ВДУ загрязнения растительного сырья и почвы.

Таблица 1

Экологическая ситуация в районах исследования, определяемая антропогенным загрязнением (по данным Воронежской энциклопедии, 2008; Куролапа, 2006; Эколого-__гигиенические основы.... 2002 и др.)_

Район исследования Экологическая ситуация

Левобережный район Район о критической (опасной) эколого-гигиенической ситуацией. Наличие на территории района объектов экологического риска (ТЭЦ-1, АООТ «Воронеж-сингезкаучук», АООТ «Воронежшина», АООТ «Воронежское авиационно-строительное объединение», АО «Рудгормаш» и др.) в сочетании с интенсивной транспортной загруженностью, недостаточным озеленением и слабой рекреацией обусловливает самый высокий в городе риск здоровью населения. Более чем в трети проб обнаружено превышение ПДК загрязнителей в почве и в атмосфере. Основные загрязнители: сернистый ангидрид (превышение ПДК в 1,8 раза), окислы азота (превышение ПДК в 8,75 раз), зсяа (превышение ЦДК в 2 раза), летучие органические соединения (ксилол, толуол, бутадиен, ацетон, бензин) (превышение ПДК в 1,5 - 5 раз).

Ленинский район Район располагается на правобережье р. Воронеж и характеризуется преимущественно старой, ранней застройкой города, отличающейся умеренным техно-геняо-промышленным прессингом на среду обитания, более высоким озеленением, отсутствием очагов высокой концешрацин вредных объектов. В связи с нахождением на территории данного района заводов машиностроительного, пищевого, строительного профиля, этот район нельзя считать вполне безопасным. Основными загрязнителями воодуха здесь являются окись углерода (превышение ЦД К в 3 раза), окислы азота (превышение ПДК в 1,5 раза), формальдегид (превышение ПДК в 1,2 раза). Почвенный покров вследствие длительного периода освоения этого района города имеет высокое загрязнение тяжелыми металлами (в основном свинцово-цинковое) (превышение ПДК в 2 раза).

Глава 3. Объекты и методы исследования

3.1. Характеристика берёзы повислой как объекта для цитогснетических

исследований

Приводится описание (систематика, ареал, биология, цитогенетика) берёзы повислой (Ветчинникова, 2003; Макарова, 1989; Попов, 2004 и др.). Указывается ряд работ, в которых сообщается о влиянии антропогенного загрязнения на изменение цито-генегических характеристик берёзы повислой (Вострикова, 1999,2002,2006,2007; Ка-лаев, 2009; Кормилицына, 2001; Миронов, 2002; Сенькевич, 2008; Семенова, 2009; Ци-тогенетические характеристики семенного ..., 2000). Подчеркивается, что в научной литературе отсутствуют данные о качественном и количественном полиморфизме ци-тогенетических показателей семенного потомства деревьев берёзы повислой, произрастающих в естественных лесонасаждениях и в городских озеленительных зонах.

3.2. Сбор семенного материала. Проращивание семян и фиксация проростков

Для изучения цитогенеггических характеристик семенного потомства берёзы использовали семена, полученные от 6 фенотипически «нормальных» деревьев без видимых признаков повреждения вредителями и грибковыми заболеваниями, произрастающих на каждой из указанных территорий на площади 150 - 200 м2. Выбор небольшого числа деревьев обусловлен требованием компактного их расположения на опытных площадях с целью избегания эффектов, вызванных неравномерным загрязнением опытных территорий. Собранные семена (в равных количествах (по 300 семян) от каждого

дерева) смешивали и помещали в чашки Петри на влажную фильтровальную бумагу; проращивание их производили при комнатной температуре. Проростки с длиной корешка 0,5-1 см фиксировали в ацегоалкоголе (3 части 96 % этилового спирта: 1 часть ледяной уксусной кислоты) в 9 ч утра по летнему времени (в это время отмечается максимум делений в корневой меристеме проростков (Вострикова, 2002)) на 6 день проращивания.

33. Изготовление н анализ микропрепаратов

Изготовление постоянных давленых микропрепаратов корневой меристемы проростков семян осуществляли с использованием в качестве красителя ацетогематокси-лина (Wittmann, 1962).

Для изучения полиморфизма онтогенетических показателей из корешков проростков семян, собранных с деревьев берёзы на территории г. Воронежа и Усманского бора подготовлено 40 препаратов, Хреновского бора - 32 препарата (1 проросток - 1 препарат).

Анализ препаратов проводили на микроскопе LABOVAL-4 (Carl Zeiss, Jena) при увеличении 40x1,5x10 и 100x1,5x10. Фотографии цитологических феноменов делали с использованием видеоокуляра DCM500 (Shangrao TeleView Optical Instruments Co., Ltd.). Определяли митотическую активность, вычисляли долю патологических митозов, долю каждого типа нарушений клеточного деления и долю клеток с остаточными ядрышками на стадии метафазы - телофазы митоза Дня изучения ядрышковых характеристик в клетках корневой меристемы семенного потомства берёзы повислой измеряли диаметр ядрышек с помощью окулярмикрометра (анализировали по 200 клеток на каждом микропрепарате) и высчитывали площадь поверхности ядрышек; учитывали количество клеток с разным числом ядрышек и вычисляли их процентное содержание; определяли процент ядрышек различных типов по классификации, предложенной Челидзе и Зацепиной (1988). Среди клеток с парными ядрышками определяли долю клеток с гомоморфными и гетероморфными ядрышками. Гетероморфными считали такие парные ядрышки, площадь поверхности которых различалась более чем на 3 мкм2 (Архипчук, 1995).

3.4. Статистическая обработка результатов

Статистическую обработку данных проводили на IBM PC/AT с помощью пакетов статистических программ «Stadia» и «Statistica». Процедура группировки данных и их обработка изложены в работе Кулаичева (2006). Цигогенетические характеристики берёзы повислой сравнивали по следующим критериям: частоты встречаемости остаточных ядрышек и патологических митозов - по непараметрическому Х-кригерию рангов Ван-дер-Вардена, митотический индекс и ядрышковые характеристики - по параметрическому t-критерию Стьюденга Сравнение долей различных типов патологий митоза и долей клеток с гомо- и гетероморфными ядрышками проводили с использованием Z-апроксимации для критерия равенства частот. Для определения корреляционных зависимостей использовали коэффициент корреляции рангов Спирмена Os). Дисперсионный анализ проводили с использованием однофакгорного непараметрического анализа Кру-скала-Уоллеса. Силу влияния фактора определяли по Снедекору. Кластерный анализ проводили с использованием метрики «нормированный Евклид», стратегия классификации - группового соседа. В матрицу данных вносили значения следующих цитогенети-ческих показателей каждого проростка: митотический индекс (%), доли клеток на стадии профазы, метафазы, анафазы-телофазы митоза, доли клеток с нарушениями митоза, характеристики ядрышек (площадь поверхности одиночных ядрышек (мкм2); доли клеток с разными типами ядрышек; доля клеток с остаточными ядрышками на стадиях метафазы,

анафазы и теяофазы (в процентах от общего числа клеток на этих стадиях)), доли клеток с двумя, тремя, четырьмя ядрышками в ядре. Достоверность разбиения на классы определяли с помощью дискриминантного анализа на основании критерия Махаланобиса

Глава 4. Результаты и обсуждение 4.1. Особенности изменчивости цитогенетических характеристик в семенном потомстве деревьев берёзы повислой в естественных древостоях

4.1 Л.Цитогеиетнческне характеристики семейного потомства деревьев берёзы повислой из Усманского бора

Выявлено, что средние значения митотической активности и уровня патологических митозов в клетках корневой меристемы проростков (табл. 2) не отличаются от установленных ранее значений, принятых за норму для березы повислой из естественных древосгоев (4 - 8% для митотической активности, 5 % - для патологических митозов) (Вострикова, 2002; Миронов, 2002; Relationship between cytogenetic ..., 2000). О высокой канализованности процесса клеточного деления в условиях Усманского бора позволяет говорить и отсутствие различий по показателям долей клеток на различных стадиях митоза и уровню патологических митозов, подсчитанному как с учетом, так и без учета профазных клеток, что может рассматриваться в качестве признака генетического гомеосгаза популяции.

Обнаружено преобладание мостов в спектрах нарушений митоза в оба года исследования (рис. 1) (в 2001 г. - 100 %), что свидетельствует об активной работе систем репарации для поддержания генетической стабильности в клетках корневой меристемы проростков семян берёзы повислой в условиях Усманского бора (Акопян, 1967; Симаков, 1983).

Изменение характеристик ядрышкового аппарата меристемы проростков семян березы повислой (табл. 2), по-видимому, отражает зависимость метаболических процессов, происходящих при прорастании семян, от условий, влияющих на качество семян при их формировании: в частности, к таким условиям можно отнести погодные. Появление остаточных ядрышек (табл. 2) в метафазе-телофазе митоза свидетельствует о пуфинге рибосомальных генов и непрерывном синтезе РНК на протяжении митоза (Буторина, 1989). Так как мы проводили изучение цитогенетических характеристик семенного потомства берёзы в пик митотической активности (Вострикова, 2002), то появление остаточного ядрышка в митозе у берёзы повислой в экологически благоприятных условиях Усманского бора можно рассматривать как феномен, связанный с компенсаторным синтезом белка для поддержания нормального прохождения митоза в пики митотической активности (подобное указывалось ранее для проростков желудей дуба черешчатого (Butorina, 1998)).

Достоверных различий во встречаемости гетероморфных парных ядрышек в оба года исследований не обнаружено. Отсутствовали различия и по показателям средней суммарной площади поверхности как у гетероморфных, так и у гомоморфных ядрышек (табл. 2). В клетках с гетероморфными парными ядрышками размеры «большого» ядрышка превышали размеры «маленького» в 2,7 - 2,9 раза (табл. 2). Средняя сумма площадей поверхности двух гетероморфных ядрышек больше таковой у гомоморфных ядрышек, но меньше площадей поверхности одиночных ядрышек (Р<0,05). По-видимому, изменения в размерах парных ядрышек отражают процессы структурно-функциональных изменений в ядрышковом аппарате.

Таблица 2

Цитогенетические характеристики семенного потомства деревьев берёзы _повислой в естественных древостоях__

Показатель -ГА Усманский бор | Хреновской бор

2001г. 2003 г.

Коэффициент вариации, % х±Бг Коэффициент вариащш, % Ксеффи-циеят вариации %

Митотическаяактивность,%

с учётом профаз , Л 3,5 ± ОД* 31,6 6,5 ±0,3 26,6 4,5 ±0,3* 40,0

без учета профаз 2,7 ±0,1* 31,7 4,7 ±0,3 35,2 3,5 ±0,3* ' 44,6

Доля клеток (%) на стадии

профазы 21,7 ±1,3 37,0 28,4 ±1,8 39Д 23,3 ±1,8 42,7

метафазы 30,5 ±1,4 27,9 29,8 ±0,9 19,0 30,0±1,6 30,6

анафазы-тепофазы 47,8 ±1,4 18,2 42,0 ±1,6 233 46,7 ±1,9 22,6

Уровень патологических митозов (%)

с учетом профаз 4,3 ±0,7 99,7. 4,0 ±0,5 75,4 5,4 ±0,7 72Д

без учета профаз 5,5 ±0,9 101Д- 5,5 ±0,7 77,5 7Д±0,9 76,6

Частота встречаемости остаточного ядрышка на стадии метафазы-телофазы митоза, % 11,6 ±1,4 74,6 9,5 ± 1,0 67,6 6,4 ±1,4* 122,8

Площадь поверхности (мкм'!)

одиночных яцрышек 1013±1£* 11,1 118Д±2,4 12,7 1ГО,4±2£* 163

ядрышек типа «кора-серццешна» 93,7 ±1,6* 10,8 101,7 ±1,7 юз 91,4±2,1* 13,0

здрышастипа <<кора-«рвдешна>> с вакуолью Ш,0±2,1* 10,8 142,9 ±3,8 16,8 123Д±33" 15,1

Доля клеток (%) о ядрышками

типа «кора-сердцевина» 76,1 ±2,6* 21,9 613±2^ 25Д 66,8 ±ЗД 27,0

типа «кора-сердавшина» свакуолда 23$ ±2,6* 69,9 38Д±23 67,7 ЗЗД±ЗД 543

Доля клеток с 2 дарышками в япре, % 3,8 ±0,4* 72,5 2,4 ±0,3 67,7 3,4 ±0,5* 88,1

ДсшклепжсЗяпрышкамивдпре»% 0,3 ±0,1 183,9 0,2 ±0,1 188,0 ОД ±0,1 188,6

Даля клеток с 4дирьапками в даре, % 0,1 ±0,1 258Д 0,0 ±0,0 441,4 0,1 ±0,1 236,1

Доля клеток с гетеромсрфными парными ядрышками, % 70,6 '62,0 - 74,1

Средняя суммарная площадь поверхности ядрышек в клетках с парными ядрышками, мкм2 : ^.. Т' " '

гетеромсрфными 86,5 ±3,5 42,0 92,7 ±3,6 42Д 1 Т7,0±23* 43,5

гомоморфными 67,3 ±3,5 49,8 67,3 ±4,4 ! 56,0 : 56,9±3,9* 51Д

Площадь поверхности ядрышек в клетках" с гетеромффньми парными адрышками, шас '}

«большого» 63,4 ±1,9 43Д 68,8 ±2,8 43,9 57,9±2Д* 48,4

«маленького» . 23,1 ±0,9 59,7 23,9 ±1,4 63,6 19,1 ±0,8* 54,4

* Различия с показателями Усманского бора (2003 г.) достоверны (Р < 0,05)

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Хрено некой бор, 2003 г.

Усмансхнй бор, 2003 г.

Усыанский бор, 2001г.

И МОСТЫ □ отставание хромосом в метакинеэе

О отставание хромосом в анафазе В агглютинации

■ асимметричный митоз

Рис. 1. Спектры патологических митозов в клетках корневой меристемы проростков семян берёзы повислой из естественных древостоев

Нами отмечено присутствие клеток с тремя и четырьмя ядрышками (табл, 2), причем, чем больше клеток с двумя ядрышками, тем больше число клеток с тремя ядрышками (rs = 0,739 (Р<0,001)) и тем больше клеток с четырьмя ядрышками (rs = 0,595 (Р<0,001)). Это обусловлено тем, что число ядрышек в клетке является «репером» количества активных ядрышкообразующих районов (Лазарева, 1999; Маршак, 1997; Ше-рудило, 1969). В норме для берёзы повислой характерна одна пара хромосом с вторичными перетяжками (Макарова, 1989). Увеличение числа ядрышек - своеобразный механизм компенсации, обеспечивающий клетки нормальным количеством «валовой» продукции ядрышек. Это подтверждается наличием отрицательной корреляционной связи между площадью поверхности одиночных ядрышек и частотой встречаемости клеток с 2 и более ядрышками в ядре (rs = - 0,254 (Р<0,001)).

Для меристемы корня проростков березы характерны два основных типа ядрышек: высокофункциональные ядрышки типа «кора-сердцевина» (преобладают, табл. 2) и вакуолизированные ядрышки типа «кора-сердцевина» с пониженной функциональной активностью. Наибольшие площади поверхности наблюдались у вакуолизирован-ных ядрышек типа «кора-сердцевина» (табл. 2) и они статистически достоверно превышали таковой показатель у ядрышек типа «кора-сердцевина» (Р<0,05). Увеличение площади поверхности у ядрышек типа «кора-сердцевина» с вакуолью, возможно, компенсирует их пониженную функциональную активность и отражает функциональные переходы между вакуолизированными и невакуолизированными ядрышками. При переходе к более функционально активному типу ядрышек происходит также активация латентных ядрышкообразующих районов. На это указывает положительная корреляция уровня высокоактивных ядрышек («кора-сердцевина» без вакуоли) с частотой встречаемости клеток с 2, 3, 4 ядрышками (rs= 0,198 (Р<0,05)) и отрицательная связь с этим показателем - числа клеток с вакуолизированными ядрышками (rs= - 0,201 (Р<0,05)).

Таким образом, степень изменчивости цигогенетических показателей у семенного потомства берёзы, отражающая состояние генетического аппарата, позволяет рекомендовать использование семян берёзы повислой, собранных в Усманском бору в районе Биологического учебно-научного центра В ГУ «Веневигиново» в качестве контрольных значений для дальнейших исследований и, в частности, в работах по цитогенетическому мони-

ториту. Однако необходимо отметить, что по большинству цитогенетических характеристик наблюдаются высокие значения коэффициентов вариации (более 30 %, табл. 2), что свидетельствует о высокой гетерогенности семенного потомства берёзы повислой по ци-тогенегическим показателям.

4.1.2. Ц нтоген етн чески е характеристики семейного потомства берёзы повислой из Хреновского бора

Цитогенегические характеристики семенного потомства деревьев берёзы повислой, произрастающих в условиях Хреновского бора, представлены в табл. 2. Однофакгорный дисперсионный анализ показал достоверное влияние фактора места произрастания деревьев берёзы повислой на показатель митотической активности (табл. 2) в клетках корневой меристемы ее семенного потомства (для показателя с учётом профазных клеток сила влияния по Снедекору - 2,24 %, без учёта профазных клеток - 2,66 % (Р<0,01)). Как вцдно из данных таблицы, уровень митотической активности (как с учётом, так и бет учёта профазных клеток) был выше в корневой меристеме проростков семян берёзы, собранных на территории Усманского бора Однако отсутствие различий по долям клеток на различных стадиях митоза в меристемах проростков берёзы из обоих местообитаний позволяет говорить о высокой консервативности процесса митоза у данного вида древесных растений.

Уровень патологических митозов (как с учётом, так и без учёта профазных клеток), как видно из табл. 2, увеличивается у проростков из Хреновского бора по сравнению с таковыми из Усманского бора, но статистически достоверных различий между указанными показателями не обнаружено, влияние фактора места произрастания деревьев берёзы повислой на данный показатель также не выявлено. В тоже время доля проростков с уровнем патологических митозов, превышающих установленную норму в 5 % для березы повислой (Relationship between cytogenetic ..., 2000), в Хреновском бору составила 47 % (в Усманском бору таких проростков было 35%), Анализ спектра патологических митозов в Хреновском бору (рис. 1) показал, что доля мостов в анафазе-телофазе митоза была в 1,3 раза ниже, а отставаний хромосом в метакинезе в 1,7 раза выше таковых показателей в меристемах проростков из Усманского бора в 2003 г. Это свидетельствует о снижении активности систем репарации и о снижении гаметического отбора на территории Хреновского бора, где в семенном потомстве берёзы повислой преобладают высокомутабильные особи.

Выявлено достоверное уменьшение уровня клеток с остаточными ядрышками на стадии мета-, ана-, телофазы митоза у проростков берёзы из Хреновского бора по сравнению с таковым в Усманском бору (табл. 2), показано достоверное влияние фактора места произрастания деревьев берёзы довислой на данный показатель (сила влияния по Снедекору - 2,76 %, Р<0,05). Существование корреляционных связей между показателями частоты встречаемости остаточных ядрышек в митозе и митотической активностью, подсчитанной как с учётом (rs=0,3942, Р<0,001), так и без учёта профазных клеток (rs=0,3299, Р<0,01), подтверждает предположение, ранее высказанное Буториной (Butorina, Kalaev, 1998), о компенсаторной роли остаточных ядрышек в пик митотической активности.

Площади поверхности ядрышек различных типов в меристеме семенного потомства деревьев берёзы из Усманского бора были больше таковых в Хреновском бору, что позволяет говорить о более высоком уровне синтетической активности в клетках проростков из Усманского бора (табл. 2). Более высокий уровень ядрышковой активности в семенном потомстве берёзы из Усманского бора является следствием влияния на формировавшиеся семена более благоприятных, чем Хреновском бору, экологических факго-

ров. Этим же, возможно, объясняется и более высокий уровень митотической активности, а, следовательно, и энергия роста корневой меристемы проростков из Усманского бора, что подтверждается существованием следующих корреляционных связей: «площадь поверхности ядрышек типа «кора-сердцевина»» и «митотическая активность с учетом профазных клеток» - гз = 0,3839 (Р<0,001); «площадь поверхности ядрышек типа «кора-сердцевина»» и «митотическая активность без учета профазных клеток» - г8 = 0,4072 (Р<0,001); «площадь поверхности ядрышек типа «кора-сердцевина» с вакуолью» и «митотическая активность с учётом профазных клеток» - Гв = 0,5364 (Р<0,001); «площадь поверхности ядрышек типа «кора-сердцевина» с вакуолью» и «митотическая активность без учета профазных клеток» - гз = 0,5645 (Р<0,001).

По частоте встречаемости клеток с двумя и более ядрышками в ядре различий между семенным потомством берёзы из Усманского и Хреновского боров не обнаружено. Однако доля проростков, у которых обнаружены клетки с тремя и более ядрышками в ядре в Хреновском бору составила 34,3 %, а в Усманском бору - 25 %. Для хвойных видов показано, что увеличение числа ядрышек и числа ядрышкообразующих районов в интерфазных клетках представляет собой своеобразный механизм адаптации к стрессовым условиям (Муратова, 1999; Хайдарова, 1999). Поэтому более низкие значения указанного показателя свидетельствуют в пользу большей стабильности функционирования ядрышкового аппарата в клетках проростков семян берёзы повислой из Усманского бора

Анализ коэффициентов вариации цигогенетических показателей (более 40 %, табл. 2) в клетках корневой меристемы проростков семян березы из Хреновского бора позволяет говорить о более значительной вариабельности их цигогенетических показателей, чем в дре-восгоях Усманского бора Однако более низкий уровень митотической и ядрышковой активности, а также повышенная частота патологических митозов с преобладанием в их спектре аномалий, связанных с повреждением хромосом, свидетельствует о худшем качестве семенного материала в Хреновском бору и не позволяет рекомендовать его использование доя целей лесовосстановления и в качестве контроля для мониторинговых исследований

4.2. Цитогенетнческне характеристики семенного потомства

берёзы повислой из озеленительных насаждений г. Воронежа

Патогенетические характеристики семенного потомства деревьев берёзы повислой, произрастающих в озеленительных насаждениях г. Воронежа, представлены в табл. 3.

При изучении показателя митотической активности в клетках корней проростков семян берёзы повислой в озеленительных насаждениях на загрязнённых территориях установлено, что в 2001 г. наблюдались достоверные различия с показателями Усманского бора, принятого за контрольные, что обусловлено стимулирующим действием загрязнителей среды, без изменения скорости прохождения клетками стадий митоза В 2003 г. такие различия отсутствовали. Высокая консервативность митоза даже в условиях загрязнения среды подтверждается отсутствием различий в скорости прохождения клетками стадий митоза По показателю частоты встречаемости патологических митозов (как с учётом, так и без учёта профазных клеток) в корневой меристеме проростков из Левобережного и Ленинского районов (Р<0,05) наблюдалось статистически достоверное превышение контрольных значений, а в последнем уровень патологических митозов совпадал с таковым в Хреновском бору. Сравнение спектров патологических митозов в корневой меристеме проростков семян березы из насаждений г. Воронежа (рис. 2) позволило выявить его значительное расширении в Левобережном районе по сравнению с контролем в 2001 г. и близкие к контрольным значения в Ленинском районе в 2003 г.

Таблица 3

Характеристика митотического режима в корневой меристеме проростков семян берёзы повислой в искусственных насаждениях г. Воронежа_

Показатель Левобережный район, 2001 г Ленинский район, 2003 г.

Значение, Кссффициенг вариации, % Значение, Коэффициент варшцм1,%

Митогическая активность, %

с учетом профаз 4,6 ±0,2 31,0 6,5 ±0,3 27,4

без учета профаз 3,6 ±0,2 35,8 5,3 ±0,3 30,8

Доля клеток на стадии, %

профазы 22,3 ±1,7 47,0 19,4 ±1,5 48,2

метафазы 27,7 ± 1,4 32,5 29,8 ± 1,1 22,5

анафазы-телофазы 50,0 ±1,5 19,4 50,8 ±1,4 17,4

Уровень патологических митоз®, %

с учетом профаз 8,9 ±0,9 60,5 5,4 ± 0,5 61,9

без учета профаз 11,5 ± 1,1 58,5 6,8 ±0,7 61,5

Частота встречаемости остаточного ядрышка на стадии метафазы-телофазы митоза, % 13,4 ±1,2 57,3 14,6 ±1,2 50,3

Площадь поверхности, мкм2

одиночных ядрышек 101,8 ±1,9 11,6 105,5 ±1,5 8,7

вдрышектиш«корасерд| урина» 95,1 ± 1,8 11,6 97,5 ±1,5 9,5

дарлпжтипа «ЕОречзергтешиа» с вакуолио 119,9 ±3,7 13,0 127,6 ±3,8 18,7

Доля клеток с ядрышками, %

типа «кора-сердцевина» 78,1 ±1,9 15,5 76,3 ±2,1 17,8

тала «корасердцавина» с вакуолью 21,9 ±1,9 55,3 23,8 ±2,1 57,1

Доля клеток с 2 ядрышками в ядре, % 1,7 ±0,2 86,8 2,0 ±0,2 71,8

Доля клеток с 5 ядрышками в ядре, % 0,1 ±0,0 378,9 0,1 ± 0,1 235,3

Доля клеток с 4 ядрышками в ядре, % 0,0 ±0,0 632,5 0,0 ±0,0 632,5

Доля клеток с гетероморфными парными ядрышками, % 70,1 - 67,5 -

Средняя суммарная площадь поверхности здрышек в клетках с парными ядрышками, мкм2

гетероморфными 83,2 ±2,9 33,9 79,1 ±2,9 38,2

гомоморфными 56,5 ±3,3 36,5 61,9 ±4,6 52,5

Площадь поверхности ядрышек в клетках с гетероморфными парными ядрышками, мкм2

«большого» 63,4 ±2,4 35,9 60,2 ±2,6 44,4

«маленького» 19,9 ±1,1 54,6 18,8 ±0,9 51,2

Частота встречаемости остаточных ядрышек на стадии метафазы-телофазы митоза в клетках корневой меристемы проростков березы на антропогенно загрязнённых территориях превышала таковые значения в естественных древостоях (Р<0,05). Кроме того, в г. Воронеже доля проростков, у которых обнаружено остаточное ядрышко в митозе (97,5 %), была выше таковой в Усманском (83,8 %), Хреновском борах (56,3 %).

□ мосты Я отставание хромосом в метакинезе О отставание хромосом в анафазе ¡9 агглютинации ■ асимметричньй митоз □ рассеивание хромосом в метафазе И трехполюсный митоз_

Рис. 2. Спектры патологических митозов в клетках корневой меристемы проростков семян берёзы повислой из озеленительных насаждений г. Воронежа

Анализ изменения ядрышковых характеристик на территории опытных районов г. Воронежа позволил установить, что площади поверхности одиночных ядрышек и ядрышек различных типов в Левобережном районе в 2001 г. не отличались от таковых в Усманском бору, а в Ленинском районе в 2003 г. соответствовали значениям, наблюдаемым в Хреновском бору, и были ниже уровня данных показателей в Усманском бору. Снижение ядрьшпеовой активности в корневой меристеме проростков в Ленинском районе могло быть вызвано накоплением на данной территории загрязнителей, ингиби-рующих работу ядрышкового аппарата.

Отмечается снижение числа клеток с двумя и более ядрышками в ядре в меристемах проростков в искусственных древостоях, по сравнению с естественными (Р < 0,05). По-видимому, ведущая роль в нормальном обеспечении клеток необходимым количеством продукции ядрышек в условиях подавления синтетической активности загрязнителями среда принадлежит механизмам, регулирующим морфо-функциональные изменения в клетках с одним ядрышком, а не активации латентных ядрышкообразую-щих районов хромосом.

Различий по частотам встречаемости гегеро- и гомоморфных парных ядрышек в клетках корневой меристемы проростков семян берёзы в искусственных и естественных древостоях не обнаружено. В клетках с гетероморфными парными ядрышками размеры «большого» ядрышка превышали размеры «маленького» в 3,2 раза, т.е. более значительно, чем в естественных древостоях, и в связи с этим можно предположить, что активация транскрипции рибосомальных генов происходит не за счёт равномерной активации двух ядрышкообразующих районов, а за счёт усиления работы одного из них.

Таким образом, показано, что у семенного потомства деревьев берёзы повислой, произрастающих на территориях, подвергающихся значительному антропогенному загрязнению, происходит изменение цитогенетического гомеостаза её семенного потомства по сравнению с показателями, характерными для семенного потомства в естественных древостоях. Степень изменчивости цитогенетических характеристик семенного потомства отражает уровень антропогенной нагрузки и позволяет оценить качество семенного потомства в искусственных насаждениях берёзы повислой как онтогенетически нестабильное. Также, как и в семенном потомстве из естественных древостоев, в

проростках семян березы из озеленительных насаждений г. Воронежа наблюдаются высокие значения коэффициентов вариации (более 30 %, табл. 3) по большинству цито-генетических характеристик, что свидетельствует о высокой гетерогенности семенного потомства березы повислой по цитогенетическим показателям.

43. Цитогенегический полиморфизм семенного потомства деревьев берёзы повислой в естественных и искусственных древостоях

Проанализировав дендрограммы, построенные с использованием методов кластерного анализа по совокупности цитогенетических показателей проростков и представленных на рис. 3, мы выделили в каждом из изученных районов по четыре группы проростков. Характеристики митотического и ядрышкового аппаратов выделенных групп проростков представлены в табл. 4-7.

На каждой из обследованных территорий среди семенного потомства деревьев березы выделяется одна группа проростков (группа № 1), характеризующаяся повышенной (в зеленых насаждениях города - 5,2 - 12,2 %, в естественных древостоях - 5,5

- 12,5 %) по сравнению с другими группами частотой встречаемости патологи ческих митозов (Р < 0,05) (табл. 4), которая может рассматриваться как «мутабильная», с высоким уровнем цитогенетической нестабильносш. Повышенный показатель частоты встречаемости патологий митоза в этой группе проростков сопровождается увеличением площадей поверхности одиночных ядрышек в интерфазных клетках (т8 = 0,291, Р < 0,05), которое может быть обусловлено как возможной амплификацией рибосомальных генов и/или усилением их транскрипционной активности, так и нарушением выхода продуктов транскрипции рибосомальных генов из ядра вследствие воздействия неблагоприятных факторов на растительный организм (Челидзе,1988; Соболь, 2001).

Для «мутабильной» группы проростков характерны пониженные (4,7 - 9,1 %) в естественных древостоях, а на загрязненных территориях, наоборот, повышенные (17,1

- 18,4 %) значения частоты встречаемости клеток с остаточными ядрышками на стадии метафазы-теяофазы митоза. При этом выявляется следующие связи: чем больше интерфазных клеток с высокоактивными ядрышками типа «кора-сердцевина», тем меньше остаточных ядрышек на стадиях метафазы - телофазы митоза (тз= - 0,410, Р < 0,01), и чем больше доля клеток в интерфазе с умеренноакгивными ядрышками типа «кора-сердцевина с вакуолью», тем выше частота встречаемости клеток с остаточными ядрышками в митозе (г3= 0,414, Р < 0,01). Следовательно, появление остаточных ядрышек на стадиях метафазы, анафазы, телофазы митоза можно рассматривать как механизм компенсации синтетических функций клетки при делении в условиях недостаточного функционирования ядрышкового аппарата в интерфазе.

Наличие положительной корреляционной связи между долей клеток с 2, 3, 4 ядрышками в ядре и долей клеток с ядрышками типа «кора-сердцевина» (гд= 0,466, Р < 0,01) и отрицательной - с долей ядрышек типа «кора-сердцевина с вакуолью» (г$= -0,458, Р < 0,01) позволяет говорить о возможных структурно-функциональных переходах в ядрышковом аппарате меристемы березы повислой в «мутабильной» группе проростков и указывает на активацию латентных ядрышкообразующих районов хромосом при переходе к более функционально активному типу ядрышек («кора-сердцевина»). Это, вероятно, можно рассматривать как компенсаторный механизм, обеспечивающий высокий уровень синтеза белка клеткой в неблагоприятных условиях, а также как еще одну отличительную характеристику «мутабильной» группы проростков.

»и»»«» ^ааихиии »!»>»И1Ш!!)| :11Ш1»Я111)4x11!»!

ч---' У <•-V-'V____

ГИ&)М 1Р!Ш»М< гцилМ г^упиШ

Усманский бор, 2001 г.

Усманский бор, 2003 г.

I - №1фОрОС1Х8

группа № 4 группа >6 3 группа № 1 группа № 2

Хреновской бор, 2003 г.

т»»11ш;я1м|)т»а|!|)|1!»»11»11Е«111Л11!!31И1т)111

* грузи Ш

щаа «1 щтШ доп№ гцпи»« И™*2 Т!™™ 41™'«

Левобережный район, 2001 г. Ленинский район, 2003 г.

Рис. 3. Дендрограммы кластерных расстояний, построенные по цигогенетическим показателям семенного потомства березы повислой на обследованных территориях (группа № 1 - «мугабильная», группа № 4 - «слабомутабильная», группа № 2 и группа № 3 - промежуточные)

Таблица4

Характеристики миготического и ядрышкового аппарата проростков семян берёзы _повислой в «мутабильной» группе_

Показатели 2001 г. 2003 г.

Левобережный район Усманский бор Ленинский район Усманский бор Хреновской бор

Количество проростков в группе, шт. 8 16 6 6 8

Митотический индекс, % 4,2 ±0,2 3,7 ±0,3 5,4 ±0,9 6,3 ±0,7 2,5 ±0,4

Доля клеток на стадии митоза, %

профаза 19,3 ±3,4 25,0 ±2,0 29,3 ±5,3 23,8 ±4,0 32,5 ±2,7

метафаза 31,4 ±2,5 31,4 ±2,1 24,6 ±1,7 31,6 ±2,2 31,4 ±4,2

анафаза-телофаза 49,2 ±1,8 43,7 ±1,8 46,1 ±5,2 44,6 ±3,9 36,2 ±3,2

Патологические иитозы, % 12,2 ±1,5 6,0 ±1,3 5,2 ±1,2 5,5 ±1,1 12,5 ±2,3

Частота «лрзаемххи остнпмяьриирышас, % 18,4 ±3,3 9,1 ±1,7 17,1 ±2,7 8,8 ±2,1 4,7 ±4,1

Площадь поверхности язрышек, мк^

одиночных 120,7 ±3,0 103,6± 1,5 100,7±3,2 141,2 ±5,5 93,5 ±2,9

«кора-сердцевина» 108,3 ±5,6 101,3 ±1,7 89,2 ±1,7 113,6 ±5,9 89,7 ±3,1

«кора-сердцевина» с вакуолью 145,7 ±5,2 126,1 ±2,4 120,0 ±2,5 184,5 ±8,3 113,7 ±4,0

Доля ядрышек, %

«кора-сердцевина» 67,8 ±3,9 86,1 ±2,1 63,9 ±8,4 60,8 ±9,0 83,6 ±2,6

«кора-сердцевина» с вакуолью 32,2 ±3,9 13,9 ±2,1 36,2 ±8,4 39,2 ±9,0 16,4 ±2,5

Количество проростков (доля штгер-фазных клеток (%)), имеющих клетки с

2 ядрышками в ядре 6 (1.4) 15(3,8) 6(1,8) 5(1,9) 2,7 ±1,2

3 и более ядрышками в ядре 0 16 (0,8) 3 (0,3) 2 (0,3) 1(0,1)

Таблица 5 Характеристики миготического и ядрышкового аппарата проростков семян берёзы повислой в «слабомутабильной» группе

Показатели 2001 г. 2003 г.

Левобережный район Усманский бор Летшский район Усманский бор Хреновской бор

Количество проростков в группе, шт. 5 7 6 9 6

Митотический индекс, % 3,7 ±0,4 4,0 ±0,4 6,5 ±0,9 5,7 ±0,6 3,4 ±0,5

Доля клеток на стадии митоза, %

профаза 42,4 ±3,7 21,7 ±0,9 21,6±4,9 44,7 ±2,0 14,7 ±1,9

мепфаза 19,3 ±2,3 28,1 ±3,5 27,8 ±2,0 25,3 ±1,2 31,2 ±2,9

анафаза-телофаза 38,4 ±1,9 50,2 ±2,7 50,6 ±4,8 30,9 ±2,9 54,1 ±2,8

Патологические митозы, % 6,0 ±1,9 2,6 ±0,7 5,2 ±2,0 1,9 ±0,8 3,4 ±1,1

Частота вартгалкшсстшсчмоцъиккУо 7,0 ±2,4 8,9 ±2,7 12,5 ±2,3 12,0 ±2,8 6,2 ±2,3

ИлгавддьговерхносгаяарьшЕцмкиГ

одиночных 97,1 ±0,8 109,3 ±3,7 114,2 ±5,8 103,5 ±4,1 111,1 ±2,2

«кора-сердцевина» 88,8 ±2,4 87,8 ±2,0 111,7 ±5,1 96,9 ±2,8 96,9 ±1,6

«кора-сердцевина» с вакуолью 118,7 ±2,0 130,7 ±4,0 123,9 ±25,4 121,2 ±5,2 136,8 ±4,6

Доля ядрышек, %

«кора-сердцевина» 73,1 ±6,9 49,5 ±2,9 93,0 ±2,4 77,2 ±5,8 63,5 ±2,1

«кора-сердцевина» с вакуолью 26,9 ±6,9 50,2 ±3,2 7,0 ±2,4 22,8 ±5,8 36,4 ±2,1

Количество проросла» (цоля икгер-фазных клеток (%)), имеющих клетки с

2 ядрышками в ядре 5(3,5) 7(4,7) 6(1,3) 9 (2,2) 6,2 ±1,3

3 и более ядрышками в ядре 2 (0,2 ) 1 (0,3 ) 0 3(0,2) 2(0,5)

Таблица 6

Характеристики митотического и ядрышкового аппарата проростков семян берёзы _повислой в «промежуточной» группе № 1_

Показатели 2001 г. 2003 г.

Левобережный район Усманский бор Ленинский район Усманский бор Хреновосой бор

Количество проростков в >рупле, шт. 12 11 11 10 6

Митотический индекс, % 5,2 ±0,4 3,0 ±0,3 6,6 ±0,5 6,7 ±0,7 . 2,5 ±0,5

Доля клеток на стадии митоза, %

профаза 17,9 ±1,6 15,8 ±1,8 16,9 ±2,3 21,9 ±1,9 20,7 ±3,9

метафаза 22,2 ±1,6 27,8 ±2,6 30,5 ±2,5 29,4 ±2,3 23,6 ±2,1

анафаза-теп офаза 59,9 ±1,5 56,4 ±1,9 52,6 ±2,1 48,7 ±2,7 55,7 ±3,9

Патологические митозы, % 6,8 ±1,1 3,5 ±1,1 5,3 ±1,1 4,8 ±1,0 3,7 ±1,3

Часгсоаворетгасстасштыювфыаэ^ 10,9 ± 1,9 15,8 ±3,0 12,2 ±2,8 7,4 ±1,8 5,2 ±2,4

Площадь поверхности ялрыпвк, мкм2

одиночных 99,6 ±1,3 104,5 ±1,7 111Д± 1,8 112,9 ±2,5 80,1 ± 1,6

«кора-сердцевина» 93,2 ±1,3 94,7 ±2,0 99,2 ±1,9 96,4 ±3,0 76,2 ±1,5

«кора-сердцевина» с вакуолью 120,2 ±2,4 128,4 ±2,6 135,2 ±2,2 129,3 ±2,7 97,0 ±2,5

Доля ядрышек, %

«кора-сердцевина» 75,2 ±2,3 69,2 ±2,2 66,7 ±1,1 50,4 ±2,1 84,2 ±3,5

«кора-сердцевина» с вакуолью 24,8 ±2,3 30,8 ±2,2 33,3 ±1,1 49,6 ±2,1 15,8 ±3,5

Количество проростков (цоля иигер-фазных клеток (°/о)Х имеющих клетки с

2 ядрышками в ядре 10(1,8) 11 (2,6) 10(1,8) 9(2,5) 1,6 ±0,7

3 и более ядрышками в ядре 0 0 0 1 (0,1) 0

Таблица 7 Характеристики митотического и ядрышкового аппарата проростков семян берёзы повислой в «промежуточной» группе № 2

Показатели 2001 г. 2003 г.

Левобережный район Усманский бор Ленинский район Усманский бор Хреновской бор

Количество проростков в группа, шт. 15 6 17 15 12

Митотический индекс, % 4,6 ±0,4 3,0 ±0,3 7,0 ±0,4 6,9 ±0,3 2,5 ±0,3

Доля клеток на стадии митоза, %

профаза 20,7 ±1,7 23,4 ±3,1 16,7 ±1,3 24,8 ±1,7 27,4 ±2,7

метафаза 32,8 ±2,3 36,3 ±2,8 31,8± 1,5 32,0 ±1,1 28,0 ±2,7

анафаза-тслофаза 46,5 ±2,3 40,3 ±1,0 51,5 ± 1,8 43,3 ± 1,4 44,5 ±3,6

Патологические митозы, % 9,8 ±1,7 3,0 ±1,4 5,6 ±0,7 4,1 ±0,7 7,3 ± 1,7

Частом влр«о.1оаиосшсти,к)врь«ш;% 14,8 ±1,7 13,7±4,4 15,9 ± 1,6 9,6 ±1,6 4,9 ±2,5

Площадь поверхности ядрышек мкм'

одиночных 94,9 ±2,1 80,3 ±2,3 100,4 ±0,9 121,3 ±1,6 87,8 ±2,5

«кора-сердцевина» 91,7 ±2,0 78,7 ±2,5 94,2 ±0,9 103,3 ±1,5 83,9 ±2,6

«кора-сердцевина» с вакуолью 113,8 ± 3,1 102,3 ±5,0 126,6 ±1,9 148,3 ±1,9 106,6 ±3,4

Доля ядрышек, %

«кора-сердцевина» 87,6 ±1,9 93,3 ±1,5 80,9 ±1,7 60,6 ±1,8 83,9± 2,0

«кора-сердцевина» с вакуолью 12,4 ±1,9 6,7 ± 1,5 19,1 ± 1,7 39,4 ±1,8 16,1 ±2,0

Количество проростков (доля интерфазных клаюк (%)), имеюцих клетки с

2 ядрышками в царе 13 (1,2) 6(5,0) 16 (2,4) 15 (2,8) 2,2 ±0,7

3 и более ядрышками в ядре 2(0,1) 2 (0,3) 4(0,2) 6(0,3) 6(0,2)

При рассмотрении спектра патологических митозов (рис. 4) в «мутабильной» группе проростков следует отметить, что наибольшую часть аномальных митозов (97 %) составляют нарушения, связанные с повреждением хромосом. Более широкий спектр патологических митозов, так же как и высокий процент их встречаемости по сравнению с другими группами, можно считать признаком «мутабильной» группы проростков.

Мутабильная группа

Промежуточная группа №1

Промежуточная группа №2

Слабомутабильная группа

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Ш мосты Н отставание хромосом в метакинезе О отставание хромосом в анафазе И агглютинации ■ асимметричный митоз □ рассеивание хромосом в метафазе И трехполюсный митоз__

Рис. 4. Спектры патологических митозов в клетках корневой меристемы в выделенных группах семенного потомства берёзы повислой

На каждой из изученных территорий выявляется «слабомутабильная» группа проростков (группа № 4), в которой значения частоты встречаемости патологических митозов являются наименьшими (в искусственных насаждениях - 5,2 - 6,0 %, в естественных древостоях - 1,9 - 3,4 %) по сравнению с другими группами (Р < 0,05) (табл. 5).

Отрицательная корреляционная связь между частотой встречаемости патологических митозов и частотой встречаемости клеток с остаточными ядрышками на стадии метафазы-телофазы митоза (г8 = - 0,368, Р < 0,05) свидетельствует о компенсаторной роли остаточных ядрышек в митозе, которая заключается в поддержании синтеза необходимых клетке белков в стрессовых условиях и тем самым, возможно, ведет к снижению частоты встречаемости патологий митоза.

В данной группе наблюдается противоположная обнаруженной в «мутабильной» группе проростков зависимость между частотой встречаемости клеток с 2, 3, 4 ядрышками в ядре и частотой встречаемости клеток с ядрышками различных типов, а именно: отрицательная корреляция с долей клеток с ядрышками типа «кора-сердцевина» (г3 = -0,312, Р < 0,05) и положительная - с долей клеток с вакуолизированными ядрышками «кора-сердцевина» (г8= 0,322, Р < 0,05). То есть, для «слабомутабильной» группы проростков характерно уменьшение числа клеток с несколькими ядрышками в ядре при возрастании доли клеток с одним высокоактивным ядрышком типа «кора-сердцевина», и, наоборот, при возрастании числа клеток с умеренноактивными ядрышками типа «кора-сердцевина вакуолизированные» происходит активация латентных ядрышкообра-зующих районов хромосом. Описываемая зависимость отражает механизмы поддержания синтетической активности в интерфазных клетках на стабильном уровне в «слабомутабильной» группе проростков семян березы повислой.

«Слабомугабильная» группа проростков характеризуется также преобладанием мостов в спектре патологических митозов (рис. 4), что свидетельствует об активной работе систем репарации.

Две оставшиеся группы проростков (группы № 2, 3 на дендрограммах, рис. 3) на каждой из исследованных территорий характеризуются промежуточными значениями цитогенетических характеристик между краевыми группами, т.е. «мутабильной» и «слабомутабильной» (табл. 6 - 7), Основное различие между промежуточными группами наблюдается по наличию в них проростков, имеющих клетки с 2 и более ядрышками в ядре: в «промежуточной группе Л® 1» присутствуют клетки только с 1 и 2 ядрышками в ядре, что согласуется с данными о наличии у берёзы повислой одной пары хромосом с ядрышковыми организаторами (Макарова, 1989); в «промежуточной группе Л® 2 обнаружены клетки с 1, 2, 3, и даже 4 ядрышками в ядре, что может свидетельствовать об активации латентных ядрышкообразующих районов хромосом.

Как в естественных древостоях на экологически благоприятных территориях, так и в озеленительных насаждениях березы на загрязненных территориях, выделенные группы (мутабильные, слабомутабильные и промежуточные) не различались между собой по показателям митотической активности, что позволяет говорить о высокой резистентности данного показателя к внешним воздействиям. Кроме того, отсутствовали также и различия в скорости прохождения клетками стадий митоза. Клеточное деление - высоко канализованный процесс, играющий значительную роль в онтогенезе организмов, а потому отсутствие межгрупповых различий по указанным характеристикам в каждой из изученных популяций можно рассматривать как показатель сбалансированности популяций - их гомеостаза.

Таким образом, проведенные исследования позволили выделить на опытных территориях в естественных и искусственных древостоях по четыре группы проростков: «мутабильную», «слабомутабильную» и две промежуточные по своим характеристикам группы. «Мутабильная» группа характеризуется высокими значениями нарушений митоза (до 5,2-12,5%); широким спектром патологий с преобладанием нарушений, связанных с повреждением хромосом (до 97 %), что свидетельствует о низкой интенсивности репа-ративных процессов; уменьшение частоты встречаемости клеток с остаточными ядрышками на стадии метафазы - телофазы митоза на «чистой» территории (до 4,7-9,1 %) и ростом их числа на антропогенно загрязненных территориях (до 17,1-18,4 %); возрастанием доли высокоактивных ядрышек «кора-сердцевина» (до 60,8-86,1 %) на фоне увеличения частоты встречаемости клеток с 2 и более ядрышками в ядре (до 1,4-4,6 %). «Сла-бомутабильная» группа проростков обладает следующими цитогенетическими характеристиками: низкими значениями нарушений митоза (до 1,9-6,0 %); преобладанием в спектре нарушений мостов (до 71,7%), что свидетельствует об активной работе систем репарации; сравнительно низкими значениями частоты встречаемости клеток с остаточными ядрышками на стадии метафазы - телофазы митоза (до 6,2-12,5 %); возрастанием доли умеренноакгивных ядрышек «кора-сердцевина» с вакуолью (до 7,0-50,2%) на фоне увеличения частоты встречаемости клеток с 2 и более ядрышками в ядре (до 1,3-5,1 %).

В семенном потомстве естественных древостоев березы повислой преобладает группа «мутабильных» проростков (25 - 40 % от числа проанализированных проростков на обследованной территории), доля «слабомутабильных» проростков здесь составляет 15 - 20 %. В семенном потомстве березы из искусственных насаждений (на загрязненных территориях) преобладающей является группа «слабомутабильных» проростков (27 - 30 %), доля «мутабильных» проростков здесь - 20 - 30 %. Полученные

данные о размерах выделенных групп свидетельствуют о снижении эффективности га-метического и зиготического отбора в популяциях березы повислой из природных популяций, где выживают особи из группы чувствительных к неблагоприятным факторам среды проростков. В то же время на загрязненных территориях преимуществом в выживании обладают особи Йз группы «слабомутабильных» проростков.

Степень изменчивости цитогенетических характеристик семенного потомства отражает степень благоприятности экологических факторов в местах произрастания материнских деревьев березы повислой и позволяет оценить качество семенного потомства в изученных популяциях березы повислой, выстроив ряд от цитогенетически более стабильного к менее стабильному: Усманский бор - Хреновской бор - Ленинский район г. Воронеж^ - Левобережный район г. Воронежа.

Результаты проведенных исследований необходимо учитывать при использовании древесных растений в качестве тест-объектов цитогенетического мониторинга состояния окружающей среды для определения достаточных размеров исследуемой выборки и адекветной интерпретации полученных результатов. Полученные данные о качественном и количественном полиморфизме цитогенетических характеристик могут быть использованы для разработки рекомендаций по отбору мугабильного и слабому-табильного семенное потомство для лесной селекции.

ВЫВОДЫ

1. Изменения цитогенетических характеристик (митотической активности, скорости прохождения клетками фаз митоза, уровня и спектра нарушений митоза, площади поверхности ядрышек, их типа, количества в ядре) семенного потомства березы повислой зависят от условий произрастания материнских деревьев (естественные древостой с экологически благоприятной обстановкой или искусственные древостой, подвергающиеся значительному антропогенному загрязнению).

2. Анализ использованной совокупности цитогенетических показателей позволяет говорить о высокой гетерогенности (полиморфизме) семенного потомства березы повислой на исследованных территориях и выделить четыре различные по стабильности генетического материала группы проростков: «мугабильную», «слабомутабильную» и две промежуточные.

3. Проведенный анализ уровня гетерогенности позволяет утверждать, что размеры «мугабильной» и «слабомутабильной» групп проростков в популяциях березы повислой зависят от условий окружающей среды, в которой произрастают материнские деревья. Преобладание в естественных древосгоях группы «мугабильных» проростков (25-40 % от общей выборки) свидетельствует о снижении гамегического и зиготического отбора на экологически чистых территориях, где выживают особи из группы «мугабильных» (чувствительных) к неблагоприятным факторам среды проростков. В то же время в искусственных древосгоях та загрязненных территориях преимуществом в выживании обладают особи из группы «слабомутабильных» (резистентных) проростков, доля которых здесь составляет 27-30 %.

4. Поддержание цитогенетического гомеостаза в группах семенного потомства березы повислой, различающихся по степени устойчивости генетического материала, достигается за счет компенсаторных морфофункциональных взаимодействий между митотическим и синтетическим аппаратами клеток, заключающихся в поддержании стабильности протекания митоза за счет высокой пластичности ядрышковых показателей. Последняя может выражаться в изменении активности уже существующих ядрышковых организаторов; активации латентных ядрышкообразующих районов хромосом; пуфинге хромосом на стадиях метафазы, анафазы, телофазы митоза

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи

1. Kalaev V.N., Kaipova S.S., Artyukhov V.G. Cytogenetic characteristics of weeping birch (Betula pendula Roth) seed progeny in different ecological conditions // Bioremediation, Biodiversity and Bioavailability. - 2010. - V. 4, Special Issue 1 (Tree and Forest Biodiversity). - P. 77-83.

2. * Карпова С. С. Цитогенетическая изменчивость семенного потомства деревьев березы повислой (Betula pendula Roth) в естественных древосгоях Хреновского бора // Вестник ВГУ. Серия химия, биология, фармация. - 2010. - № 2. - С. 79-86.

3. *Калаев В.Н., Игнатова ИВ., Карпова С.С., Попова А А, Преображенский А.П., Львович ИЯ Интернет-ресурс, посвященный циго генетическим исследованиям древесных растений // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2010. - Т. 6, №8.-С. 94 - 97.

Материалы конференций

4. Карпова С.С. Мониторинг антропогенного загрязнения окружающей среды с использованием цитогенегических характеристик семенного потомства березы повислой // Высокие технологии в экологии: тр. 5 международ науч. пракгич. конференции (22 - 24 мая, г. Воронеж). - Воронеж, 2002. - С. 264-268.

5. Калаев В.Н., Карпова С.С. Использование ядрышковых характеристик клеток проростков семян березы повислой для биоивдикации антропогенного загрязнения атмосфдэного воздуха// Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты: тез. докл. международной научной конференции, посвященной 25-летию кафедры ботаники Сыктывкарского университета (18 - 21 сентября 2002 г., Сыктывкар). - Сыктывкар, 2002. - С. 119120.

6. Карпова С.С., Калаев В.Н. Мониторинг состояния окружающей среды с использованием комплекса цитогенегических показателей семенного потомства древесных растений и человека // Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы развития: тез. докл. 3 съезда ВОГиС (Москва, 6-12 июня 2004 г.). - М, 2004. - Т. 2. С. 460.

7. Карпова С.С., Калаев В Н. Полиморфизм цитогенегических показателей семенного потомства березы повислой (Betula pendula Roth) на экологически чистых и загрязненных территориях // Кариология, кариосистемахика и молекулярная филогения растений: тез. докл. и стендовых сообщений 5 международ совещания и школы молодых ученых'по кариологии, кариосистематике и молекулярной систематике растений (г. Санкт-Петербург, 12 - 15 октября 2005 г.). - СПб.: ЛЭЩ 2005. - С. 44^5.

8. Калаев ВН., Карпова С.С. Цитогенегические показатели семенного потомства деревьев березы повислой (Betula pendula Roth) в естественных древосгоях // Ботанические сады в 21 веке: сохранение биоразнообразия, стратегия развития и инновационные решения: матер, международ научн.-пракгач. конф. (Белгород, 18-21 мая 2009 г.). - Белгород: Полигерра, 2009,- С. 190-195.

2 работы (отмеченные знаком*) опубликованы в изданиях, соответствующих списку ВАК РФ для публикации материалов диссертаций по биологическим наукам (2,3).

«Роза ветров»

Тел.: (4732) 51-24-33.

Изд. лиц. ИД 00103. Издательство ООО «Новый взгляд». Подписано в печать 21.01.2011 г. Усл. псч. л. 1. Бумага офсетная. Заказ 1101021. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Карпова, Светлана Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Полиморфизм как основа оценки внутривидового разнообразия и характеристика адаптивного потенциала вида.

1.1.1. Понятие о популяционном полиморфизме.

1.1.2. Наследственный полиморфизм белков у растений.

1.1.3. Полиморфизм по ДНК-маркерам в популяциях растений.

1.1.4. Полиморфизм популяций растений по кариологическим и ци-тогенетическим характеристикам.

1.2. Древесные растения как объекты генетических и цитогенетических исследований.

1.3. Цитогенетический анализ при оценке качества семенного материала

1.4. Характеристика основных цитогенетических показателей, используемых при оценке качества семян.

1.4.1. Изучение митотической активности.

1.4.2. Оценка уровня и спектра патологических митозов.

1.4.3. Изучение ядрышковых характеристик.

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ

Г. ВОРОНЕЖА И ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ.

2.1. Характеристика Воронежской области.

2.2. Характеристика экологической ситуации в г. Воронеже.

2.3. Усманский бор.:.

2.4. Хреновской бор.

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

3.1. Характеристика берёзы повислой как объекта для цитогенетических исследований.

3.1.1. Систематика.

3.1.2. Ареал распространения и особенности биологии.

3.1.3. Цитогенетика березы повислой.

3.2. Сбор семенного материала. Проращивание семян и фиксация проростков.

3.3. Изготовление и анализ микропрепаратов.

3.4. Статистическая обработка результатов.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

4.1. Особенности изменчивости цитогенетических характеристик в семенном потомстве деревьев березы повислой в естественных древостоях.

4.1.1.Цитогенетические характеристики семенного потомства деревьев березы повислой из Усманского бора.

4.1.2. Цитогенетические характеристики семенного потомства берёзы повислой в условиях Хреновского бора.

4.2. Цитогенетические характеристики семенного потомства берёзы повислой из озеленительных насаждений г. Воронежа.

4.3. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства деревьев берёзы повислой в естественных и искусственных древостоях.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Влияние антропогенного загрязнения на цитогенетический полиморфизм семенного потомства берёзы повислой (Betula pendula Roth) в естественных и искусственных древостоях"

Актуальность темы. Изучение влияния антропогенных факторов на продуктивность и устойчивость лесных экосистем имеет важное значение для оптимизации лесообразовательного процесса (Матвеев, 2004). Древесные растения - важнейший экологический ресурс планеты, что стимулировало разностороннее изучение морфологии, систематики, физиологии и биохимии наиболее распространенных видов. Однако необходимо расширять наши знания о полиморфизме естественных популяций и искусственных насаждений древесных пород с целью дальнейшего максимального использования их потенциала при разработке и осуществлении комплексных программ по сохранению, воспроизведению и улучшению лесных ресурсов, в том числе и для отбора устойчивых форм древесных растений для создания озеленительных насаждений в городах (Ирошников, 2002). Известно, что все виды лесных древесных пород характеризуются сложной наследственной структурой (Каргов, 1975). Она направлена на оптимальное приспособление популяции к существующим условиям среды и проявляется в существовании групп особей, различающихся по генотипу и имеющих в связи с этим морфологические, физиологические, биохимические и цитологические особенности (Буторина и др., 2001; Кайданов, 1996; Фадеева и др., 1980). К настоящему времени достаточно полно исследован полиморфизм у хвойных видов на уровне ДНК и изоферментов (Крутовский, 1987, 1988, 2006; Политов, 2007), по признакам кариотипа (Квитко, 2009; Седельникова, 2008). Известны работы по анализу цитогенетической изменчивости у сосны обыкновенной (Буторина и др., 2000; Дорошев, 2004; Сенькевич, 2007; Черкашина, 2007). Наиболее значимые результаты по использованию ДНК-маркеров для выявления уровня генетического полиморфизма в популяциях лиственных древесных растений были достигнуты в основном зарубежными учеными при изучении видов из родов Роргйиз, ЕисаНрШБ, Ошгсиб (Яковлев, 2002; ВаЬэагауапап, 2006; ВаггепесИе, 1998; СоеШо, 2006; Уогпаш, 1994). Цитогенети-ческий полиморфизм у лиственных древесных растений является слабо изученным (Ка1аеу е1 а1., 2010).

Берёза повислая (Betula pendula Roth) является одной из основных ле-сообразующих пород Центрального Черноземья и широко используется для озеленения городов. Этот вид характеризуется значительным полиморфизмом по различным признакам, из которых достаточно полно изучены морф о физиологические как наиболее доступные (Ветчинникова, 2004; Попов, 2003). В связи с вышеизложенным, имеет актуальность исследование разнообразия цитогенетических характеристик семенного потомства в естественных и искусственных древостоях берёзы повислой.

Цитогенетические исследования семенного материала (анализ митоти-ческой и ядрышковой активности, частоты и спектра патологических митозов) позволяют прогнозировать качество насаждений (Буторина, 1989а; Муратова, 1989; Zoldos et al., 1997). Это создает предпосылки для разработки рекомендаций по генетико-селекционному улучшению природных и искусственных популяций берёзы путем отбора материнских деревьев, продуцирующих устойчивое к неблагоприятным факторам среды семенное потомство, и для получения знаний о цитогенетических процессах, протекающих в популяциях древесных растений в связи с усиливающимся антропогенным воздействием. Глубокое знание цитогенетических особенностей популяций древесных растений позволит проводить мониторинг изменений в них и прогнозировать нарушение их стабильного воспроизводства во времени.

Целью работы явилось выявление цитогенетического полиморфизма семенного потомства деревьев берёзы повислой, произрастающих в естественных и искусственных насаждениях с разным уровнем антропогенного загрязнения.

Для реализации цели определены следующие задачи:

1. Выявить характеристики митотического и ядрышкового аппарата семенного потомства деревьев берёзы повислой из естественных древостоев и озеленительных насаждений, находящихся в условиях антропогенного загрязнения.

2. Оценить степень полиморфизма по цитогенетическим показателям семенного потомства берёзы повислой в естественных и искусственных насаждениях с разным уровнем антропогенного воздействия, дать его качественную и количественную характеристику и провести сравнительный анализ выделенных полиморфных групп («мутабильной», «слабомутабильной», промежуточных) из различных условий обитания.

3. Установить механизмы поддержания цитогенетического гомеостаза в клетках апикальной меристемы проростков семян березы повислой в выделенных группах.

Научная новизна работы. Впервые проведена комплексная оценка цитогенетических показателей (митотическая и ядрышковая активность, частота и спектр патологических митозов) семенного потомства деревьев березы повислой в естественных и искусственных древостоях с разным уровнем антропогенного загрязнения и дана сравнительная цитогенетическая характеристика семенного потомства березы из естественных древостоев Хренов-ского и Усманского боров. Показана высокая гетерогенность семенного потомства березы повислой по показателям митоза и ядрышковым характеристикам. Среди семенного потомства березы выявлены группы с разной стабильностью генетического материала и дана цитогенетическая характеристика выделенных групп. Установлены механизмы поддержания цитогенетического гомеостаза у проростков, различающихся по степени стабильности генетического материала, на клеточном уровне, заключающиеся в изменении активности функционирующих ядрышковых организаторов, активации латентных ядрышко-образующих районов хромосом, пуфинге хромосом на стадии метафазы, анафазы, телофазы митоза. Показана зависимость уровня гетерогенности семенного потомства от условий, в которых произрастали материнские деревья (искусственное/естественное насаждение, уровень антропогенного загрязнения).

Теоретическое и практическое значение работы. Экспериментально доказано существование полиморфизма берёзы повислой по цитогенетиче-ским характеристикам семенного потомства. Полученные данные представляют теоретическую ценность для понимания цитогенетических процессов, происходящих в естественных популяциях берёзы повислой и в ее искусственных насаждениях, подверженных воздействию загрязнителей среды.

Уровень гетерогенности по цитогенетическим характеристикам семенного потомства берёзы повислой может отразиться на результатах исследований по оценке качества окружающей среды при использовании ее в качестве тест-объекта. Результаты исследований полиморфизма цитогенетиче-ских характеристик семенного потомства берёзы повислой могут быть использованы для отбора материнских деревьев, продуцирующих селекционно ценное семенное потомство, устойчивое к неблагоприятным факторам среды.

Результаты исследований использовали при создании интернет-ресурса (www.cytogenetica-trees.vivt.ru), посвященного цитогенетическим исследованиям древесных растений. Материалы диссертационной работы применяются в учебном процессе на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета при подготовке выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций. Они вошли в курс лекций «Экологическая генетика».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Условия произрастания материнских деревьев березы повислой (естественные древостой с экологически благоприятной обстановкой или искусственные древостой, подвергающиеся значительному антропогенному загрязнению) оказывают разнонаправленное влияние как на цитогенетические показатели их семенного потомства, так и на уровень цитогенетической гетерогенности семенного потомства.

2. Среди семенного потомства березы повислой могут быть выделены мутабильные и слабомутабильные формы, отличающиеся по своим цитогенетическим характеристикам.

3. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства березы может отразиться на результатах оценки качества окружающей среды при использовании ее в качестве тест-объекта.

Личный вклад. Автором разработаны теоретические и методические положения, обоснованы цели и задачи исследования, проведён сбор и анализ экспериментального материала, обобщены результаты исследований. Статьи и научные доклады подготовлены самостоятельно и в соавторстве.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 5-ой международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2002); на международной научной конференции «Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты», посвященной 25-летию кафедры ботаники Сыктывкарского университета (Сыктывкар, 2002 г.) на третьем съезде ВОГиС «Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004); на 5 международном совещании по кариологии, кариосистематике и молекулярной систематике растений (Санкт-Петербург, 2005 г.); на международной научно-практической конференции «Ботанические сады в 21 веке: сохранение биоразнообразия, стратегия развития и инновационные решения» (Белгород, 2009).

Часть исследований выполнялась в рамках и при частичной финансовой поддержке НИОКР Министерства природных ресурсов РФ «Биогеосферные исследования состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории ЦентральноЧернозёмного региона» (государственный контракт № ВК-02-47/301); НИОКР Федерального агенства по науке и инновациям «Цитогенетические реакции древесных растений (на примере лиственных и хвойных) на стрессовые условия, обусловленные антропогенным загрязнением, и оценка генотоксичности окружающей среды для человека по цитогенетическим показателям древесных растений» (государственный контракт № 02.512.11.2130); гранта РФФИ «Анализ и прогнозирование молекулярно-клеточных реакций биосистем на антропогенное загрязнение атмосферы» (грант № 09-04-97503-р-центр-а); государственного контракта № 02.518.11.7176 «Растительные ресурсы мира. Интродукция и сохранение генофонда новых и малоизученных растений в Центральном Черноземье».

Результаты исследований вошли в научную работу «Оценка генотоксичности окружающей среды в районах г. Воронежа и Воронежской области по цитогенетическим реакциям человека и древесных растений», удостоенную премии администрации Воронежской области для молодых ученых высших учебных заведений в 2002 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа содержит 147 страниц текста, 15 таблиц и 22 рисунка. Список литературы включает 304 источника, в том числе 99 иностранных.

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Карпова, Светлана Сергеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили выделить в естественных и ис-кусстенных древостоях по четыре группы проростков: «мутабильной», «сла-бомутабильной» и две промежуточные по своим характеристикам группы. Основные критерии выделения «мутабильной» и «слабомутабильной» групп проростков при изучении полиморфизма цитогенетических показателей семенного потомства берёзы повислой представлены в табл. 4.15. Спектры патологических митозов в обобщенных «мутабильной», «слабомутабильной» и «помежуточных» группах представлены на рис. 4.20.