Функциональная активность ядрышковых организаторов хромосом у сосны обыкновенной в условиях техногенного загрязнения

Ядрышковые организаторы хромосом участвуют в жизненно важной функции организма – механизме белкового синтеза. В основе интенсификации любых биосинтетических процессов лежит изменение активности генома, в том числе, той его части, которая ответственна за синтез рРНК. Функциональное состояние генов рРНК возможно оценить путем цитологического изучения ядрышек интерфазного ядра, размеры которых находятся в прямой зависимости от степени активности этих генов [7, 8, 12, 22]. В связи с тем, что ядрышковые организаторы хромосом несут функции, присущие адаптивным системам, именно, ядрышковая активность оказалась наиболее показательным цитологическим критерием оценки стрессового воздействия на организм при создании шкалы чувствительности для экологического мониторинга [5].

Исследования нуклеолярных районов хромосом у различных видов хвойных достаточно многочисленны, подобные работы проводились и на примере сосны обыкновенной [1, 2, 4, 10, 15, 17, 20, 23, 24], где авторами, в основном, изучался полиморфизм кариотипа данного вида из различных частей ареала с учетом изменчивости ядрышкообразующих районов хромосом. Однако вопросы исследования функциональной активности ядрышковых организаторов хромосом у сосны обыкновенной в литературе обсуждались крайне редко, а работы по изучению ядрышковой активности данного вида в условиях промышленного загрязнения практически отсутствуют.

В настоящей работе представлены результаты исследования функциональной активности ядрышковых организаторов хромосом у сосны обыкновенной, произрастающей в различных экологических условиях (при промышленном загрязнении различной интенсивности в сравнении с контролем).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В качестве объектов для исследования выбраны средневозрастные естественные насаждения сосны обыкновенной, произрастающие на территории Челябинской области и Башкортостана. Всего исследовано 12 пробных площадей (ПП), в том числе из условий

критического промышленного загрязнения – 2, сильного промышленного загрязнения – 4, умеренного промышленного загрязнения – 2, контрольных и фоновых условий – 4. На выбранных ПП оценивалось жизненное состояние древостоев согласно классификации В.А. Алексеева [3]. При анализе результатов учитывалась комплексная характеристика интенсивности загрязненности территорий по состоянию атмосферного воздуха, водоемов и почвенного покрова [18, 11].

Описание пробных площадей . В г. Карабаш ПП находится на расстоянии 2 км от медеплавильного комбината. Экологическое состояние данной территории можно определить как критическое, поскольку выбросы Карабашского медеплавильного комбината в течение двухсот лет загрязняют окружающую среду и составляют в среднем около 100 тыс. т/год, например по сернистому ангидриду – до 70 т, по свинцу – около 2 тыс. т, по мышьяку – больше 1 т/год. Превышение нормативных значений загрязнителей в районе ЗАО «Карабашмедь», даже после проведения комплекса профилактических мероприятий, составляет по диоксиду серы – 8.4 ПДК, по взвешенным веществам – 3.5 ПДК, по оксиду углерода – 1.6 ПДК, по свинцу – 32.2 ПДК. Кроме того, исследуемая ПП находится на территории Кыштымского лесхоза, земли которого загрязнены радионуклидами ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs вследствие ряда радиационных аварий на объединении «Маяк». Древостой ПП представлен сильно ослабленными и отмирающими деревьями. Для насаждения характерно наличие большого числа суховершинных деревьев и деревьев с «ведьмиными метлами».

В районе г. Сатки ПП расположена на расстоянии 2-3 км от промышленной зоны, основными загрязнителями насаждения являются комбинат «Магнезит» и чугунолитейный завод, общие выбросы которых в годы исследований варьировали в пределах 25–50 тыс. т загрязняющих веществ в год. В течение многих десятков лет насаждение подвергалось загрязнению магнезитовой пылью, выброс которой составлял до 65 т/сут. Магнезитовая пыль, образуя при контакте с водой гидрат окиси магния, сильно подщелачивает почву, кроме того, она обладает цементирующим эффектом, что оказывает пагубное влияние на все живое. В насаждении наблюдаются большое число суховершинных деревьев, усыхание боковых побегов, пожел- тение хвои. В целом древостой по жизненному состоянию классифицирован как отмирающий. Экологическое состояние данной территории также можно определить как критическое.

В районе г. Златоуста ПП находится в условиях сильного загрязнения, так как расположена на расстоянии нескольких сот метров от промышленной зоны, в которую входят металлургический комбинат, завод металлоконструкций, абразивный завод и ряд других производств. Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников в г. Златоусте в годы исследований составляли 8–10 тыс. т/год, при высоком уровне загрязнения атмосферы (ИЗА–7.6). Превышение нормативных значений загрязнителей составляет по формальдегиду – 1.7 ПДК, по взвешенным веществам – 1.3, по диоксиду азота – 1.8, по без(а)пирену – 1.6. ПП представлена несколькими отдельными уцелевшими деревьями с признаками карликовости и повреждениями в виде пожелтевшей хвои. Данное насаждение по жизненному состоянию классифицировано как сильно ослабленное.

В районе пос. Магнитка обе ПП находятся в условиях сильного промышленного загрязнения, поскольку в течение длительного времени находились под воздействием выбросов обогатительного производства. ПП Магнитка 1 находится на суходоле, а ПП Магнитка 2 заложена в районе болота. Для насаждений характерно наличие суховершинных деревьев и деревьев с пожелтевшей хвоей. По жизненному состоянию древостоя первое насаждение отнесено к классу сильно ослабленного, второе – к классу отмирающего.

В районе оз. Чебаркуль ПП расположена между городами Миасс и Чебаркуль (выброс загрязняющих веществ соответственно – около 10 и 1 тыс. т/год), находится в зоне умеренного загрязнения, так как удалена от производственных предприятий на 10–20 км. У древостоя данной ПП уже имеются признаки угнетенности, жизненное состояние древостоя определено как ослабленное.

В районе пос. Новоандреевка ПП расположена между г. Карабаш и г. Миасс, от производственных предприятий удалена на 15-20 км. Загрязнение данной территории определено нами как умеренное, так как незначительное удаление от столь сильных источников загрязнения не позволяет полностью исключать влияние на насаждение воздушных поллютантов, однако отсутствие у деревьев видимых повреждений позволяет использовать данную ПП в качестве контроля. Жизненное состояние древостоя определено как здоровое.

В районе г. Учалы ПП находится на расстоянии 2 км от Учалинского горно-обогатительного комбината, функционирующего более 40 лет. Однако за этот сравнительно небольшой период окружающая его среда подверглась достаточно сильному загрязнению. В почвах, залегающих в зоне техногенного воздействия комбината, наблюдается высокое содержание многих токсичных элементов – ванадия, марганца, железа, меди, сурьмы, теллура, цезия, бария, вольфрама, свинца, висмута [18]. Серьезных видимых повреждений в исследуемом нами средневозрастном насаждении не наблюдается, древостой представлен в основном здоровыми деревьями. Однако у располо- женных рядом с насаждением молодых культур сосны обыкновенной обнаружены множественные новообразования, напоминающие «ведьмины метлы» и являющиеся, по-видимому, результатом нарушения апикального доминирования вследствие мутаций.

В районе поселков Кирябино, Ургуново, Сафаро-во, Ахуново ПП находятся на расстоянии 20-30 км от г. Учалы и не подвержены влиянию выбросов каких-либо других промышленных производств. В насаждениях видимых повреждений у деревьев не наблюдается, состояние древостоев определено как здоровое, что позволило нам использовать их в качестве контрольных.

В качестве материала для проведения исследований использована меристематическая ткань проростков семян. В качестве методов использовали как общепринятые рекомендации окрашивания ядрышек [19], так и адаптированные применительно к хвойным породам [14]. Давленые препараты изучали при помощи микроскопа ЛЮМАМ Р8, используя объективы х40 или х100. Исследовали с каждой пробной площади не менее 100 клеток (микрофотографии клеток с ядрышками представлены на рис. 1). В результате исследований определяли максимальное и среднее число ядрышек на клетку, а также показатели ядерно-ядрышковых отношений по весу их проекций на бумагу [9]. Статистическую обработку результатов проводили общепринятыми методами [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты проведенных исследований показали, что среднее число ядрышек на клетку варьирует незначительно (от 4,01 + 0,13 до 6,51 + 0,23) и, в основном, составляет 5-6 ядрышек. Максимальное же число ядрышек на исследованных ПП варьирует от 8 до 12, причем наиболее высокие значения этого показателя наблюдаются в условиях критического и сильного техногенного загрязнения. В этих же условиях наблюдаются более низкие значения показателей ядер-но-ядрышковых отношений, они на 2-3 единицы ниже, чем в относительно чистых условиях (чем меньше этот показатель, тем больше объем ядрышек), что, несомненно, определяет тенденцию увеличения активности ядрышкообразующей системы у сосны обыкновенной в стрессовых условиях (табл., рис. 2).

Полученные данные в некоторой степени согласуются с результатами исследований у сосны обыкновенной ядрышкообразующих районов хромосом, анализ которых показывает наличие высокого полиморфизма по числу, частоте встречаемости и локализации вторичных перетяжек в кариотипах [1, 2, 4, 10, 13, 1517, 20, 23, 24]. Так, в хромосомных наборах сосны обыкновенной в различных частях ареала авторами обнаружено от трех до семи пар хромосом со вторичными перетяжками. Исключением явилась болотная экоформа сосны обыкновенной, у которой вторичные перетяжки обнаружены у 12 пар хромосом [16]. Также большое число вторичных перетяжек обнаружено у сосны обыкновенной, произрастающей в районе верхового болота – до 34 перетяжек на диплоидный набор [15], в условиях высокогорий – до 18 [24], а в условиях промышленного загрязнения – до 11 [21] постоянных и непостоянных вторичных перетяжек на кариотип. То есть, у сосны обыкновенной в экологически неблагоприятных условиях наблюдается тенденция увеличения активности ядрышковых органи заторов хромосом, что, вероятно, связано с процессами ее адаптации к этим условиям.

Таблица. Показатели ядрышковой активности у сосны обыкновенной в различных экологических условиях

Местонахождение пробной площади	Число ядрышек на клетку			Ядерно-ядрышковое отношение
	максимальное значение	среднее значение +ошибка	коэффициент вариации	среднее значеие +ошибка	коэффициент вариации
г. Карабаш ***	11	5,62+0,16	28,47	6,90+0,17	24,64
*** г. Сатка	10	5,78+0,19	32,87	7,37+0,23	31,21
г. Златоуст **	11	6,44+0,17	26,40	7,12+0,21	29,49
пос. Магнитка (1) **	11	6,35+0,18	28,35	7,01+0,26	37,09
пос. Магнитка (2) **	12	5,77+0,14	24,26	6,50+0,23	35,38
оз. Чебаркуль *	10	5,12+0,15	29,30	8,09+0,25	30,90
пос. Новоандреевка	8	6,51+0,23	35,33	9,89+0,31	31,34
г. Учалы **	10	4,01+0,13	32,42	7,59+0,19	25,03
пос. Кирябино	9	5,18+0,17	32,82	8,66+0,27	31,18
пос. Ургуново	8	5,76+0,15	26,04	9,03+0,27	29,90
пос. Сафарово	9	5,14+0,17	33,07	9,19+0,44	47,88
пос. Ахуново	8	5,32+0,16	30,08	9,60+0,34	35,42

Прим.: * - умеренное загрязнение; ** - сильное загрязнение; *** - критическое загрязнение; без обозначений - контроль ные и фоновые условия

Рис. 1. Микрофотографии меристематических клеток сосны обыкновенной с различным числом ядрышек

Рис. 2. Показатели ядрышковой активности сосны обыкновенной из условий промышленного загрязнения и контроля

ВЫВОДЫ

• 1.    В условиях промышленного загрязнения у сосны обыкновенной наблюдается увеличение функциональной активности ядрышковых организаторов хромосом, то есть активизируются механизмы, обеспечивающие организмам процессы адаптивных изменений.

• 2.    Исследованные показатели ядрышковой активности (число ядрышек на клетку и значения ядерно-ядрышковых отношений) могут быть рекомендованы для оценки степени техногенного воздействия на насаждения сосны обыкновенной при мониторинговых наблюдениях.