Оценка чувствительности цитогенетических методов при мониторинговых исследованиях состояния хвойных насаждений

В настоящее время в качестве индикаторов экологической нагрузки на территорию довольно часто используется оценка состояния растительных объектов, определяемая различными методами. Использование цитогенетических методов в мониторинговых наблюдениях некоторые исследователи считают одними из самых чувствительных способов эффективной и адекватной оценки влияния неблагоприятных экологических факторов на окружающую среду [3, 15]. Это мнение подтверждено анализом уровня хромосомных аберраций в меристематических клетках растений в условиях поливалентного техногенного загрязнения [2, 6]. Высокая чувствительность цитогенетических биоинди-кационных тест-систем дается авторами как при оценке общего мутационного фона [5] так и радиационного [4]. Цитогенетические исследования в условиях техногенного загрязнения успешно проводятся и на хвойных видах [8, 9, 12, 13].

В настоящей работе представлены результаты исследования уровня аномалий, выявленных в соматической и генеративной тканях четырех видов хвойных – сосны обыкновенной, лиственницы Сукачева, ели сибирской и пихты сибирской, произрастающих на территории Южного Урала в условиях различного по характеру и интенсивности поливалентного промышленного загрязнения в сравнении с относительно чистыми, контрольными условиями.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В качестве объектов для исследования выбраны средневозрастные естественные насаждения хвойных видов, произрастающие на территории Челябинской области и Башкортостана. Всего исследовано 24 пробные площади, в том числе сосны обыкновенной из 10, ели сибирской из 6, лиственницы Сукачева из 3, пихты сибирской из 5 местообитаний.

Исследованы насаждения в условиях различного техногенного загрязнения - многолетнего критического и сильного в районах медеплавильного (г. Карабаш), горнообогатительного (г. Сатка), металлургического (г. Златоуст), горнодобывающего (г. Учалы) производств, когда превышение предельно допустимых концентраций загрязнителей в воздухе, воде, почве доходило до десятков и даже сотен раз, а также из условий умеренного поливалентного загрязнении (г. Миасс, г. Аша, г. Сим, пос. Магнитка, пос. Чебаркуль), в сравнении с относительно чистыми контрольными условиями. Исследуемые насаждения в условиях загрязнения были расположены на незначительном удалении (от нескольких сот метров до 2,5 км) от источников техногенных выбросов, контрольные пробные площади находились от них, как правило, на расстоянии 15-20 км. Пробные площади, расположенные на более значительном расстоянии от источников загрязнения, рассматривались нами как «фоновые». В связи с тем, что для насаждений из экстремальных экологических условий характерно наличие большого числа суховершинных деревьев и деревьев с «ведьмиными метлами», усыхание боковых побегов, пожелтение и покраснение хвои, на выбранных пробных площадях оценивалось жизненное состояние древостоев согласно классификации В.А. Алексеева [1]. При анализе результатов учитывалась комплексная характеристика интенсивности загрязненности территорий по состоянию атмосферного воздуха, водоемов и почвенного покрова в районе исследований.

При помощи комплекса цитогенетических методов исследовались соматическая (меристема проростков семян) и генеративная (мужской гаметофит) ткани хвойных видов, определялись частоты хромосомных мутаций на различных стадиях митотического (метафаза, ана-телофаза) и мейоти-ческого (метафаза I и метафаза II, ана-телофаза I и ана-телофаза II) циклов, а также оценивалась аномальность и фертильность пыльцевых зерен [10, 11]. При исследовании выявлялись следующие типы аномалий: на стадии метафазы митоза – фраг-

менты, кольцевые, дицентрические и дополнительные хромосомы, анеуплоидные и полиплоидные клетки; на стадии ана-телофазы митоза - мосты, фрагменты, кольцевые хромосомы, отставания и забегания хромосом, многополюсность; на стадиях мейоза - фрагменты, мосты, кольца, отставания и забегания хромосом, выбросы и слипания хромосом, триады микроспор; в процессе гаметогенеза -стерильные, мелкие, гипертрофированные пыльцевые зерна и пыльцевые зерна с аномалиями воздушных мешков. Достоверность различий между исследуемыми пробными площадями хвойных видов по уровню выявленных аномалий определяли по критерию х 2 [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследования уровня хромосомных нарушений в соматической ткани хвойных видов описанных пробных площадей показали, что в условиях загрязнения у всех из исследованных видов увеличивается процент аномалий (рис.1).

Так, уровень хромосомных нарушений выявленных у хвойных видов на стадии ана-телофазы

10,25-11,69 раза, в условиях сильного и умеренного загрязнения в 1,05-5,06 раза выше, чем в относительно чистых условиях. Уровень хромосомных нарушений выявленных у хвойных видов на стадии метафазы митоза в условиях критического загрязнения в 7,5-16,05 раза, в условиях сильного и умеренного загрязнения в 1,25 - 3,50 раза выше, чем в фоновых условиях.

В результате попарного сравнения уровня хромосомных нарушений выявленных на стадии ана-телофазы митоза у хвойных видов из условий разного по интенсивности техногенного загрязнения и условий контроля с использованием критерия х 2 , в основном, установлена достоверность различий этих показателей при различных уровнях значимости. В результате сравнения уровня хромосомных нарушений выявленных на стадии метафазы митоза установлена достоверность различий только между пробными площадями сосны обыкновенной из условий контроля и условий загрязнения, а также между одной из пробных площадей пихты сибирской из условий сильного загрязнения и условий контроля (табл. 1).

митоза в условиях критического загрязнения в

Таблица 1. Показатели критерия X по уровню аномалий, выявленных в процессе митоза.

Сравниваемые пробные площади Стадии митоза метафаза ана-телофаза Сосна обыкновенная Карабаш*** - Новоандреевка 192,88 338,79 Сатка*** - Новоандреевка 42,79 148,00 Златоуст** - Ургала 2,91 25,83 Магнитка* - Ургала 2,91 27,55 Чебаркуль* - Ургала 2,08 21,67 Учалы** - Кирябино 83,20 21,19 Учалы** - Ургун 83,20 36,01 Ель сибирская Златоуст** - Веселовка 1,05 12,08 Златоуст (свалка)** - Веселовка 1,68 13,93 Аша* - Вознесенка 1,33 2,32 Сим* - Вознесенка 0,21 1,67 Лиственница Сукачева Златоуст** - Веселовка 2,06 17,92 Миасс* - Веселовка 0,12 0,05 Пихта сибирская Златоуст** - Веселовка 2,46 5,97 Златоуст (свалка)** - Веселовка 3,53 12,57 г. Аша* - пос. Веселовка 0,12 2,71 Сим* - Веселовка 0,00 0,27 условия критического загрязнения условия сильного загрязнения условия умеренного загрязнения контрольные и «фоновые» условия Х2> X2st при р = 0,001 Х2> X2st при р = 0,05

Х²> X² st при р= 0,1

Прим.:

***

**

*

без обозначений

Рис. 1. Аномалии, выявленные в процессе митоза.

Рис. 2 . Аномалии, выявленные в процессе мейоза и гаметогенеза.

Таблица 2. Показатели критерия χ² по уровню аномалий, выявленных в процессе мейоза и гаметогенеза

Сравниваемые пробные площади Стадии мейоза Пыльцевые зерна метафаза I ана-телофаза I метафаза II ана-телофаза II Сосна обыкновенная г. Карабаш*** – пос. Новоандреевка 66,78 40,32 1,16 84,96 139,87 г. Сатка*** – пос. Новоандреевка 22,22 17,11 0,88 15,66 78,62 г. Златоуст** – пос. Новоандреевка 18,36 13,37 0,03 12,80 49,21 пос. Магнитка* – пос. Новоандреевка 0,34 0,24 4,90 6,41 12,36 г. Учалы** – пос. Кирябино 0,39 5,60 21,99 20,20 144,53 Ель сибирская г. Златоуст** – пос. Веселовка 5,37 11,97 3,62 41,84 14,40 г. Златоуст (свалка)** – пос. Веселов-ка 6,27 14,57 6,27 42,82 15,75 г. Аша* – пос. Веселовка 1,29 4,22 1,29 3,18 1,48 г. Сим* – пос. Веселовка 0,67 0,07 0,20 0,17 0,06 Лиственница Сукачева г. Златоуст** – пос. Веселовка 3,58 20,22 4,01 33,27 91,11 г. Миасс* – пос. Веселовка 0,00 1,40 2,00 5,22 15,16 Пихта сибирская г. Златоуст** – пос. Веселовка 4,03 8,40 5,37 24,67 35,34 г. Златоуст (свалка)** – пос. Веселов-ка 4,03 12,35 2,79 36,10 82,84 г. Аша* – пос. Веселовка 1,94 5,54 2,00 6,22 7,25 г. Сим* – пос. Веселовка 2,59 5,54 0,67 1,10 2,07 Прим.: ***                 условия критического загрязнения **                  условия сильного загрязнения *                   условия умеренного загрязнения без обозначений      контрольные и «фоновые» условия – χ2 > χ2st при ρ = 0,001 – χ2 > χ2st при ρ = 0,01 – χ2 > χ2st при ρ= 0,1 следованными уровнями загрязнения, в основном, при высоких уровнях значимости, наиболее эффективными из использованных методов – определение аномальности пыльцевых зерен, а также оценка уровня хромосомных нарушений на стадии ана-телофазы митоза и стадиях ана-телофаза I и ана-телофаза II мейоза.