Качество семян и семенного потомства сосны обыкновенной из зон техногенного загрязнения среды

Качество семян и семенного потомства сосны обыкновенной из зон техногенного загрязнения среды*

С.Г. Махнёва, к.б.н, С.Л. Менщиков, д.с.-х.н., Ботанический сад УрО РАН

В системе контроля за действием факторов внешней среды важное значение имеет исследование генотоксической опасности загрязняющих веществ. Известно, что популяции сосны, произрастающие в условиях техногенного загрязнения среды, характеризуются хромосомной нестабильностью, высокой частотой генных мутаций [1—3]. Опасность мутагенного действия загрязняющих веществ состоит в том, что оно может проявляться не только в поколении, подверженном действию поллютантов — увеличением частоты соматических мутаций и снижением жизнеспособности особей, но также в последующих поколениях — ранней гибелью особей, снижением

их жизнеспособности. Изучение организмов на ранних стадиях развития позволяет диагностировать риски мутагенного и токсического действия загрязняющих веществ.

Состояние лесных экосистем в промышленных центрах Свердловской области исследуется на протяжении последних 20 лет. В настоящей статье приведены результаты первого этапа (1989—1998 гг.) исследований биологических свойств семян и проростков семян сосны обыкновенной, произрастающей в условиях сильного уровня техногенного загрязнения, различаю -щегося по качественному и количественному составу веществ.

Материалы и методы. Исследования проводили на постоянных пробных площадях (ППП) в культурах сосны: в импактной зоне Средне-

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ-Урал

уральского медеплавильного завода (СУМЗ) (ППП 5) — преимущественное загрязнение тяжёлыми металлами (свинцом), газообразными фторидами, неорганической пылью, оксидами серы, углерода и азота, сероводородом, серной кислотой и сульфатами; в импактной зоне Полевского криолитового завода (ППП 1) — преимущественное загрязнение оксидами азота, серы, углерода, фторсодержащими веществами; в фоновых условиях в районе г. Сысерти (ППП К). Культуры сосны были заложены в начале 1960-х годов двулетними саженцами сосны, выращенными в питомниках Полевского и Сысертского лесхозов из семян местного происхождения. На год сбора материала данные по техногенному загрязнению были следующие: валовый выброс в атмосферу загрязняющих веществ предприятий Первоуральско-Ревдинского промышленного центра (ПРПЦ) (и СУМЗа в том числе) составлял 72,9 тыс. т в год; предприятий г. Полевского — 5,8 тыс. т. Уровень загрязнения атмосферы в районе ПРПЦ оксидом серы, оксидом углерода и диоксидом азота превышает таковой в г. По-левском в 27; 2,7 и 2,3 раза соответственно [4]. В выбросах предприятий ПРПЦ отмечено также превышение по содержанию солей тяжёлых металлов, фторидов.

Сбор шишек производили с 14—25 модельных деревьев со всех ППП. Для каждого дерева оценивали вес 1000 шт. семян; энергию прорастания семян на 5-й и 7-й дни в условиях контролируемой температуры; всхожесть семян (доля семян с проростками длиной не менее 0,5 см — на 15-й день, %), выживаемость проростков семян (доля живых проростков в процентах от числа всхожих семян на 30-й день, %). Для цитогенетических исследований проростки семян длиной 7 — 10 мм фиксировали в фиксаторе Карнуа (смесь уксусной кислоты и этилового спирта в соотношении 1:3), корешки проростков окрашивали в ацетокармине [5]. Учёт клеток с цитогенетическими нарушениями проводили на стадиях анафазы и телофазы митоза. Диагности-

ровали структурные перестройки хромосом и нарушения веретена деления [6]. Рассчитывали частоту аномальных анафаз и телофаз к общему их числу, а также частоту клеток с указанными типами нарушений (в %). Для статистической обработки результатов использовали пакет программ Statistics for Windows.

Результаты исследований. Средняя продолжительность жизни хвои изучаемых древостоев составляла 2,59 и 2,63 года на ППП 5 и ППП 1 соответственно и 3,53 года — на ППП К. Установлено, что интенсивность образования шишек на модельных деревьях сосны находится в зависимости от условий произрастания деревьев (рис. 1). Наиболее продуктивным является ППП 1, где высока доля деревьев, формирующих шишки в большом количестве (4—5 баллов). Число модельных деревьев с единичными шишками (1 балл) наибольшее на ППП 5 и ППП К (более 30%).

Показатель веса семян модельных деревьев из зоны сильного загрязнения среды в районе влияния выбросов ПКЗ достоверно выше (р<0,05), чем в импактной зоне СУМЗа и фоновых условиях (рис. 2). Уровень индивидуальной изменчивости не превышает 20%.

Семена сосны обыкновенной начинают прорастать на 4-5-й день в оптимальных условиях температуры и влажности. Нами не выявлено различий между древостоями сосны по показателю энергии прорастания семян как на 5-й, так и на 7-й день. Следует отметить высокий уровень индивидуальной изменчивости показателя энергии прорастания семян всех древостоев (Kv = 45,03—94,51%). Наиболее низкий уровень всхожести семян был установлен для ППП 5 (рис. 3). Различия с фоновым древостоем достоверны (р<0,05).

Выживаемость проростков семян сосны определяли как отношение числа живых проростков на 30-й день опыта к значению показателя всхожести семян, что позволило оценить жизнеспособность сформированных проростков. Уста-

4

3,5

3

2,5

Балл 2

1,5

1

0,5

0

ППТТ 5

ППП

ППП К

Рис. 1 - Обилие шишек на модельных деревьях сосны, баллы

ППП 5 ППП Рис. 2 - Вес 1000 шт. семян, г

новлено, что значения показателя выживаемости проростков семян на ППП 5 в 1,9 раза меньше, чем проростков семян фонового древостоя и на ППП 1 (различия недостоверны вследствие высокого уровня индивидуальной изменчивости показателя на всех ППП).

На основании результатов проведённого исследования выявлена тенденция возрастания значений показателей посевных качеств семян и жизнеспособности проростков семян в ряду ППП 5 — ППП 1 — ППП К и отсутствие достоверных различий между ППП 1 и ППП К по изучаемым показателям.

Число выявленных нами видов структурных перестроек хромосом (хромосомных аберраций), наблюдаемых в клетках меристемы проростков семян сосны в анафазе и телофазе митоза, сравнительно невелико: фрагменты, кольцевые хромосомы, мосты. Нарушения функционирования веретена деления диагностировали по следующим признакам: многополюсный (трёх — четырёхполюсный) митоз, асимметричный митоз, асинхронный митоз (неодновременное расхождение хромосом в анафазе и телофазе митоза), отставание хромосом и хромосомных ассоциаций на экваторе и полюсе веретена деления в фазах митоза. Нередко в одной клетке наблюдали оба типа нарушений.

Наиболее высокая суммарная частота клеток с цитогенетическими нарушениями всех типов (9,24%) установлена для проростков семян деревьев на ППП 1, наиболее низкая (3,55%) — на ППП 5 (рис. 4). Различия между ППП 5 и другими ППП достоверны (р < 0,01).

Для проростков семян на ППП 5 установлена достоверно более низкая частота клеток как со структурными нарушениями хромосом, так и с нарушениями веретена деления по сравнению с другими древостоями (различия достоверны при р<0,01). При сравнении проростков семян на ППП 1 и ППП К была выявлена тенденция возрастания частоты аберрантных клеток в проростках семян из зоны техногенного загрязнения, однако достоверные различия между ППП 1 и ППП К по цитогенетическим параметрам проростков семян не выявлены.

Таким образом, в корешках проростков семян из наиболее загрязнённого аэрополлютантами древостоя в импактной зоне СУМЗа частота клеток с цитогенетическими нарушениями в 2,2 раза ниже, чем в фоновых условиях, и в 2,6 раза ниже, чем в менее загрязнённой импактной зоне ПКЗ.

Изучение взаимосвязи показателей семян и проростков проводили с использованием корреляционного анализа. Приведённые в таблице

Рис. 3 - Качество семян и проростков семян сосны

Суммарная частота клеток с цитогенетическими нарушениями Рис. 4 - Цитогенетическая характеристика проростков семян сосны

Коэффициенты корреляции между показателями качества семян и проростков семян сосны

шш Показатель* 2 3 4 5 6 7 8

1 0,850** 0,639 0,698 0,083 0,035 -0,028 0,089

2 1 0,850 0,567 -0,152 -0,030 -0,126 0,089

3 1 0,404 -0,196 0,437 0,474 0,207

п = 14 4 5 1 -0,014 1 0,202 -0,075 0,107 -0,042 0,220 -0,079

6 1 0,750 0,903

7 1 0,420

1 0,574 0,542 0,551 -0,221 -0,489 -0,505 -0,332

2 1 0,791 0,466 -0,280 -0,347 -0,382 -0,237

3 1 0,499 -0,402 -0,114 -0,194 0,008

п = 25 4 5 1 -0,253 1 -0,390 -0,223 -0,518 0,150 -0,201 -0,424

6 1 0,821 0,771

7 1 0,269

1 0,855 0,682 0,500 0,190 0,037 -0,025 0,078

2 1 0,870 0,359 0,466 0,252 0,145 0,305

3 1 0,246 0,449 0,361 0,34 0,348

п = 17 4 5 1 0,316 1 0,293 0,059 0,130 0,010 0,368 0,075

6 1 0,912 0,974

7 1 0,801

*Показатель:

1. Энергия прорастания на 5-й день, %

2. Энергия прорастания на 7-й день, %

3. Всхожесть семян, %

4. Выживаемость проростков семян, %

5. Вес 1000 шт. семян, г

6. Частота клеток с цитогенетическими нарушениями, %

7. Частота клеток со структурными перестройками, %

8. Частота клеток с нарушениями веретена деления, %

** Тёмный шрифт — коэффициент корреляции достоверно значим при р < 0,05

данные свидетельствуют о том, что выживаемость проростков семян из зон загрязнения тем выше, чем дружнее прорастают семена в первые дни развития. Результаты анализа указывают на возможность прогноза жизнеспособности проростков семян из зон техногенного загрязнения по энергии прорастания семян и всхожести. Для древостоя из фоновых условий достоверно значимая корреляция между указанными показателями семян отсутствует. Не установлено однозначной достоверно значимой взаимосвязи между показателем веса семян и их посевными качествами.

Выявлены отрицательные значения коэффициентов корреляции между посевными качествами семян деревьев на ППП 1 и частотой клеток с хромосомными нарушениями. Наиболее тесная связь показана для частоты клеток с цитогенетическими нарушениями и энергией прорастания в ранние сроки развития проростков — чем выше частота клеток с хромосомными нарушениями, тем ниже энергия прорастания семян. Показатель всхожести семян всех древостоев не связан с частотой клеток с хромосомными нарушениями; выживаемость проростков семян на ППП 1 тем выше, чем ниже частота клеток со структурными перестройками хромосом. Для других древосто-ев не выявлено достоверно значимых связей

между цитогенетическими параметрами клеток меристемы корешков проростков и функциональными показателями семян и проростков.

Анализ собственных и литературных данных позволяет предположить влияние нескольких факторов на относительно низкую частоту мутаций в корешках проростков семян из насаждения в импактной зоне СУМЗа по сравнению с фоновыми условиями. Следует отметить прежде всего возможность элиминации клеток, «нагруженных» хромосомными аберрациями, в процессе развития гаметофитов, эмбрионов и проростков семян. Одним из доказательств значительной токсической и кластогенной нагрузки в указанном районе является низкая энергия прорастания и достоверно более низкая всхожесть семян и выживаемость проростков по сравнению с семенами из фоновых условий. Вероятно, элиминация повреждённых клеток, низкая митотическая активность в меристеме корешков проростков семян сосны на ППП 5 могут быть причиной уменьшения частоты цитогенетических нарушений в митозе.

Также состояние древостоев сосны на ППП 5 существенно отличалось от такового на ППП 1 и ППП К. В древостое импактной зоны СУМЗа преобладали вегетирующие, с изменённой морфологией кроны

деревья сосны с малыми приростами, короткой хвоей. Число репродуктивных особей сосны на ППП 5 было значительно меньше, чем на ППП 1 и в фоновых условиях. Вероятно, в древостое импактной зоны СУМЗа в стадию репродукции вступали деревья, характеризующиеся определённой устойчивостью к действию поллютантов. Этот феномен мы рассматриваем как один из путей освобождения популяции от нежизнеспособных в конкретных условиях произрастания генотипов.

Выводы. Результаты исследования свидетельствуют о необходимости разностороннего изучения семенных потомств деревьев, произрастающих в зонах техногенного загрязнения, поскольку их высокие посевные характеристики могут сопровождаться высоким уровнем генетического груза. Исследование структурных и функциональных показателей семенного потомства растений актуально как с точки зрения теоретической — для понимания механизмов повреждения и процессов адаптации растений в условиях техногенеза, так и практической — для определения потенциальной способности деревьев из зон загрязнения к формированию

полноценного потомства, решения проблем биомониторинга, снижения ущерба лесным биогеоценозам, оптимизации нарушенных земель.

Изменение уровня техногенного загрязнения среды аэрополлютантами, наблюдаемое на протяжении последних лет, привело к существенному изменению состояния древостоев сосны на изучаемых пробных площадях. Оценка их репродуктивного потенциала в современных условиях — задача следующего этапа исследований.

Литература

1. Дубинин Н.П., Кальченко В.А. Мутагенез и уровни радиации в местах обитания популяций // Известия АН СССР. Серия «Биология». 1984. № 5. С. 645-652.

2. Романовский М.Г. Формирование урожая семян сосны в норме и при мутагенном загрязнении. М.: Наука, 1997. 112 с.

3. Micieta K., Murin G. The use of Pinus sylvestris L. and Pinus nigra Arnold as bioindicator species for environmental pollution // Cytogenetic studies of forest trees and shrub species. Zagreb, 1997. P. 253-264.

4. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 2000 г. Екатеринбург: «Аква-пресс», 2001. 268 с.

5. Паушева З.И. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1970. 255 с.

6. Алов И.А. Цитофизиология и патология митоза. М.: Медицина, 1972. 264 с.