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

По мнению многих исследователей, ядрышковые организаторы хромосом несут функции, присущие адаптивным системам, поскольку 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 [12, 19, 21]. Функциональное состояние генов рРНК возможно оценить путем цитологического изучения ядрышек интерфазного ядра, размеры которых находятся в прямой зависимости от степени активности этих генов [11]. Информативным показателем активности белоксинтезирующей системы в клетке является ядерно-ядрышковое отношение [36]. Изменение ядерно-ядрышкового 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 [22]. Следует также отметить, что именно ядрышковая активность оказалась наиболее показательным цитологическим критерием оценки стрессового воздействия на организм при создании шкалы чувствительности для экологического мониторинга [8].

Исследования нуклеолярных районов хромосом у различных видов хвойных достаточно многочисленны, подобные работы проводились на примере сосны обыкновенной [1, 2, 4, 17, 24, 29, 34, 37, 38], ели сибирской [9, 20, 23, 26, 31], лиственницы Сукачева [25, 26, 32], где авторами, в основном, изучался полиморфизм ядрышкообразующих хромосом. На примере этих же хвойных видов проводились исследования функциональной активности ядрышковых организаторов хромосом [14-16]. По пихте сибирской имеются лишь единичные результаты исследования структуры кариотипа в различных частях ареала и условиях произрастания [5-7, 13]. Ядрышкообразующая система у пихты сибирской практически не изучалась, в связи с чем исследования в этом направлении, безусловно, являются актуальными.

Цель работы: исследовать функциональную активность ядрышковых организаторов хромосом у

пихты сибирской, произрастающей в различных экологических условиях на территории Южного Урала: в контрастных природных ландшафтах (равнины, возвышенности, предгорья, поймы и долины рек), а также при промышленном загрязнении различной интенсивности в сравнении с контролем.

Материал и методы. В качестве объектов для исследования выбраны средневозрастные естественные насаждения пихты сибирской, произрастающие на территории Челябинской области и Башкортостана, всего исследовано 9 пробных площадей (ПП) из различных экологических условий. На выбранных ПП оценивалось жизненное состояние древостоев согласно классификации В.А. Алексеева [3]. При анализе результатов учитывались особенности климатических условий районов исследования, а также комплексная характеристика интенсивности загрязненности территорий по состоянию атмосферного воздуха, водоемов и почвенного покрова [18, 30].

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 Национального парка «Таганай» ПП находится в предгорье горы Таганай на незначительном удалении от г. Златоуст. 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. Веселовка ПП находится на расстоянии 20 км южнее г. Златоуста, в долине реки Ай. В районе пос. Точильный ПП находится на расстоянии 30 км северовосточнее 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. Эти

ПП определены нами как оптимальные, и использованы в качестве контрольных.

В целом, для насаждений из условий техногенного загрязнения, когда выбросы загрязнителей значительно превышают ПДК, характерно наличие большого числа суховершинных деревьев, усыхание боковых побегов, пожелтение, а чаще покраснение хвои. В этих условиях состояния насаждений охарактеризованы как «сильно ослабленные» и «ослабленные». 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 [33], в том числе адаптированные применительно к хвойным породам [27]. Давленые препараты изучали при помощи микроскопа БИМАМ Р 13, используя окуляры х7, объективы х25 или х40, насадку х1.6 или х 2.5. 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. Статистическую обработку результатов проводили общепринятыми методами [10].

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

Примечание: * - умеренное загрязнение; ** - сильное загрязнение; *** - предгорья; без обозначений - контрольные и фоновые условия

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

Результаты и их обсуждение. Результаты проведенных исследований показали, что среднее число ядрышек на клетку варьирует незначительно и составляет на различных ПП 4-5 ядрышек. Максимальное же число ядрышек на исследованных ПП варьирует от 8 до 14, причем наиболее высокое значение этого показателя наблюдается в условиях сильного и умеренного техногенного загрязнения . В этих же условиях наблюдаются более низкие значения ядерно-ядрышковых отношений, они на 1-2 единицы ниже, чем в относительно чистых и оптимальных условиях (чем меньше этот показатель, тем больше объем ядрышек), что, несомненно, определяет тенденцию увеличения актив- ности ядрышкообразующей системы у пихты сибирской в стрессовых условиях (таблица). Полученные данные согласуются с результатами многочисленных исследований ядрышкообразующих районов хромосом других хвойных видов (сосны обыкновенной, ели сибирской и лиственницы Сукачева), анализ которых показывает наличие высокого полиморфизма по числу, частоте встречаемости и локализации вторичных перетяжек в их кариотипах [1, 2, 4, 9, 17, 20, 23-26, 29, 31, 32, 34,37,38]. Кроме того, некоторые исследователи отмечают отчетливую тенденцию увеличения числа нуклеолярных районов хромосом в экологически неблагоприятных условиях (болота, высокогорья, север- ные широты, промышленное загрязнение) [24, 26, 28, 35, 38]. Приведенные результаты исследования функциональной активности ядрышковых организаторов хромосом у пихты сибирской согласуются с данными полученными нами ранее на примере сосны обыкно- венной, ели сибирской и лиственницы Сукачева, которые также свидетельствуют о повышении ядрышковой активности в природных экстремальных условиях и условиях техногенного загрязнения [14-16].

Рис. 2. Показатели ядрышковой активности пихты сибирской в различных экологических условиях

Выводы:

• 1.    В стрессовых условиях у пихты сибирской наблюдается некоторое увеличение функциональной активности ядрышковых организаторов хромосом, то есть активизируются механизмы, обеспечивающие организмам процессы адаптивных изменений.

• 2.    Ядрышкообразующая система у исследованного вида является одним из важных 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 пихты сибирской при мониторинговых наблюдениях.