Оценка функциональной активности ядрышковых организаторов хромосом у ели сибирской в различных экологических условиях

По существующим представлениям, ядрышковые организаторы хромосом (ЯОХ) выполняют функции, присущие адаптивным системам. Прежде всего, это участие ЯОХ 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 [6, 8, 10]. Функциональное состояние генов рРНК возможно оценить путем цитологического изучения ядрышек интерфазного ядра, размеры которых находятся в прямой зависимости от степени активности этих генов [5]. Информативным показателем активности белоксинтезирующей системы в клетке является ядерно-ядрышковое отношение [18]. Изменение ядерно-ядрышково-го отношения свидетельствует об изменении уровня биосинтеза белка. Возрастание объема ядрышка, связанное с усилением биосинтетических процессов в клетке, приводит к уменьшению ядерно-ядрышкового отношения за счет увеличения ядрышкового материала в клетке [11]. Поэтому неудивительно, что именно ядрышковая активность оказалась наиболее показательным цитологическим критерием оценки стрессового воздействия на организм при создании шкалы чувствительности для экологического мониторинга [2].

Исследования нуклеолярных районов хромосом у различных видов хвойных достаточно

многочисленны, подобные работы проводились и на примере ели сибирской [3, 9, 12, 13, 16], где авторами, в основном, изучался полиморфизма ядрышкообразующих хромосом. Однако вопросы исследования функциональной активности ЯОХ у ели сибирской в литературе практически не обсуждались. В настоящей работе представлены результаты исследования функциональной активности ЯОХ у ели сибирской, произрастающей в различных экологических условиях на территории Южного Урала: в контрастных природных ландшафтах (высокогорья, равнины, поймы и долины рек), в зонах естественных геохимических аномалий, а также при промышленном загрязнении различной интенсивности в сравнении с контролем.

Материал и методы. В качестве объектов для исследования выбраны средневозрастные естественные насаждения ели сибирской, произрастающие на территории Челябинской области и Башкортостана, всего исследовано 12 пробных площадей (ПП) из различных экологических условий. На выбранных ПП оценивалось жизненное состояние древостоев согласно классификации В.А. Алексеева [1]. При анализе результатов учитывались климатические условия и геохимические особенности районов исследования, а также комплексная характеристика интенсивности загрязненности территорий по состоянию атмосферного воздуха, водоемов и почвенного покрова [7; 15].

Описание пробных площадей. В районе г. Златоуста одна ПП находится на расстоянии 1,5-2 км от промышленной зоны города, вторая ПП расположена на территории свалки промышленных отходов, обе ПП подвержены многолетнему сильному техногенному загрязнению. В районе промышленной зоны г. Златоуста находятся металлургический комбинат, завод металлоконструкций, абразивный завод и ряд других производств. В районе г. Аша ПП находится в черте города, вблизи от железнодорожного полотна, подвержена также поливалентному техногенному загрязнению со стороны промышленных предприятий города - металлургического и химического заводов. В районе г. Сим ПП находится на окраине города, вблизи (200-300 м) от автотрассы. Помимо крупной автомагистрали, источником загрязнения в городе являются выбросы ОАО «Агрегат». Загрязнение этих ПП можно охарактеризовать как умеренное. В районе пос. Вознесенка ПП находится в регионе, который характеризуется сложным геологолитологическим строением и повышенным содержанием в материнских породах редкоземельных элементов (кадмия, стронция, кобальта, селена, марганца, меди, титана, хрома, ванадия и др.). В районе горы Иремель (высота над уровнем моря 1582 м) ПП находится на верхней границе распространения леса и характеризуется суровыми климатическими условиями произрастания (продолжительным низкотемпературным зимним периодом, резкими колебаниями дневных и ночных температур, сильными ветрами, обильными атмосферными осадками). В районе горы Таганай (высота над уровнем моря 1117 м) ПП находится рядом с Откликным гребнем на верхней границе распространения леса и также отличается суровостью климатических условий, характерных для высокогорий. В районе пос. Веселовка ПП находится на расстоянии 20 км южнее г. Златоуста, в долине реки Ай. В районе пос. Точильный ПП находится на расстоянии 30 км северо-восточнее г. Аша в предгорье Воробьиных гор. ПП в районе пос. Караидель и пос. Павловка находятся вблизи Павловского водохранилища на достаточно большом расстоянии от промышленных предприятий. В районе реки Инзер ПП находится на территории Южноуральского заповедника, в долине реки, на расстоянии 20 км от поселка Инзер (высота над уровнем моря 281 м). Эти ПП определены нами как оптимальные, и использованы в качестве контрольных.

Для насаждений при техногенном загрязнении, когда выбросы загрязнителей значительно превышают ПДК, характерно наличие большого числа суховершинных деревьев и деревьев с «ведьмиными метлами», усыхание боковых побегов, пожелтение или покраснение хвои. В этих условиях состояния насаждений охарактеризованы как «сильно ослабленные» и

«ослабленные». Насаждения в районах высокогорий, уже находящиеся в репродуктивном состоянии, характеризуются низкоростлостью и даже карликовостью, имеют резко выраженные признаки угнетенности в виде покореженных верхушечных и боковых побегов, асинхронности побегообразования и отсутствия охвоения в некоторых частях кроны. В оптимальных и контрольных условиях состояния насаждений определены как «здоровые».

В качестве материала для проведения исследований использована меристематическая ткань проростков семян. В качестве методов использовали общепринятые рекомендации окрашивания ядрышек, в том числе адаптированные применительно к хвойным породам [14, 17]. 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 ядерно-ядрышковые отношения. Статистическую обработку результатов проводили общепринятыми методами [4].

Результаты и их обсуждение. Результаты проведенных исследований показали, что среднее число ядрышек на клетку варьирует незначительно и составляет на различных ПП 5-7 ядрышек. Максимальное же число ядрышек на исследованных ПП варьирует от 10 до 16, причем наиболее высокое значение этого показателя наблюдается в условиях сильного техногенного загрязнения и высокогорий. В этих же условиях наблюдаются более низкие значения ядерно-ядрышковых отношений, они на 3-4 единицы ниже, чем в относительно чистых и оптимальных условиях (чем меньше этот показатель, тем больше объем ядрышек), что, несомненно, определяет тенденцию увеличения активности ядрышкообразующей системы у ели сибирской в стрессовых условиях (табл. 1). Полученные данные согласуются с результатами исследований у ели сибирской ядрышкообразующих районов хромосом, анализ которых показывает наличие высокого полиморфизма по числу и частоте встречаемости и особенно локализации вторичных перетяжек в их кариотипах. Так, М.В. Крук-лис [9] отмечает, что у ели сибирской наблюдается большое число вторичных перетяжек, однако только две вторичные перетяжки имеют постоянную локализацию. По данным Н.С. Медведевой и Е.Н. Муратовой [12] у ели сибирской вторичные перетяжки наблюдаются у многих хромосом, но более часто у пяти пар, а по результатам исследований О.С. Владимировой [3]

у 8 пар хромосом. Е.Н. Муратова [13] также отмечает, что у ели сибирской вторичные перетяжки как с постоянной, так и с непостоянной локализацией наблюдаются в 9 хромосомных парах и указывает, что северные популяции характеризуются более высоким их числом, чем южные.

Таблица 1. Показатели ядрышковой активности у ели сибирской в различных экологических условиях

Примечание: * – умеренное загрязнение; ** – сильное загрязнение; *** – геохимические аномалии; **** – высокогорья; без обозначений – контрольные и оптимальные условия

Рис. 1. Микрофотографии меристематических клеток ели сибирской с различным числом ядрышек

Выводы:

• 1.    В стрессовых условиях у ели сибирской наблюдается увеличение функциональной активности ЯОХ, то есть активизируются механизмы, обеспечивающие организмам процессы адаптивных изменений.

• 2.    Ядрышкообразующая система данного вида является одним из важнейших элементов, с помощью которого осуществляется адаптация организмов в экологически неблагоприятных условиях.

• 3.    Исследованные показатели ядрышковой активности могут быть рекомендованы для оценки степени стрессового воздействия на насаждения ели сибирской при мониторинговых наблюдениях.