Полиморфизм пыльцы Pinus sylvestris L. и Larix sibirica Ledeb. города Мурманска

Экологическая палинология – одно из самых молодых направлений палинологической науки. В условиях экологического стресса полиморфизм пыльцы значительно усиливается: возрастает количество патологий пыльцевых зерен и общий процент тератоморфоза. Загрязнение городской среды по своей специфике представляет постоянно действующий геохимический фактор. Формирующиеся при этом геохимические аномалии обусловливают возникновение неспецифических ответных биологических реакций растений [22], в частности изменения в ходе микроспорогенеза. В последнее время на урбанизированных территориях Северо-Запада России активно проводятся эколого-палинологические исследования [5], [9], [10], [14], однако в городах Мурманской области они пока немногочисленны [2], [8].

Исследования выполнены в г. Мурманске – крупнейшем в мире городе за Полярным кругом (68°58′ с. ш., 33°05′ в. д.). Основные источники загрязнения атмосферы города: Мурманские ТЭЦ, Мурманский морской порт, завод по термической

обработке твердых бытовых отходов, автотранспорт. Специфическими загрязнителями являются сажа, формальдегид, летучие органические соединения, углеводороды [4]. Экологическая ситуация в городе в последние годы стала ухудшаться за счет повышения объемов перевалки угля открытым способом Мурманским морским портом, использования мазута низкого качества местными ТЭЦ, увеличения автотранспортной нагрузки.

Pinus sylvestris L. (сосна обыкновенная) часто встречается в составе зеленых насаждений городов Мурманской области. В Мурманске она произрастает в составе сохранившихся естественных участков притундровых лесов. P. sylvestris высоко чувствительна к техногенному загрязнению, и ее часто используют в качестве тест-объекта состояния окружающей среды [2], [11]. [20]. В условиях экологического стресса у сосны увеличивается число аномалий развития и общий процент тератоморфоза пыльцы [10].

Larix sibirica Ledeb. (лиственница сибирская) в Мурманской области является интродуцированным видом и достаточно широко используется для озеленения городов. В г. Мурманске доля посадок L. sibirica составляет 4–5 % от общего количества зеленых насаждений [3]. Для данного вида характерен высокий уровень полиморфизма пыльцевых зерен, даже при экологическом благополучии он превышает 47 % [7]. В условиях промышленного загрязнения увеличивается процент аномалий пыльцевых зерен [12], [13], [17].

Цель исследования – изучение полиморфизма пыльцы P. sylvestris и L. sibirica г. Мурманска и палиноиндикация качества среды.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования явились пыльцевые зерна P. sylvestris и L. sibirica.

Пыльцевые зерна P. sylvestris – типичные (нормально развитые) двумешковые, гетеропо-лярные, билатерально-симметричные, дисталь-но-однолептомные [19]. Воздушные мешки продолговато-эллиптической формы, резко отделены от пыльцевого зерна и смещены на дистальную сторону. Процесс микроспорогенеза у P. sylvestris взаимосвязан с температурой и влажностью воздуха [24]. Мейоз начинается и протекает весной. Перепады температур во время частых весенних заморозков являются причиной многочисленных нарушений мейоза и деградации пыльцы [23], влажная погода негативно воздействует на микроспорогенез, массовое пыление наступает при установлении сухой и теплой погоды [16]. Пыление P. sylvestris начинается в Мурманске в конце июня – начале июля.

Пыльца рода Larix отличается от пыльцевых зерен других представителей семейства Pinaceae отсутствием воздушных мешков и сфероидальной формой, с одним более или менее выраженным углублением. Экзина тонкая, легко сминающаяся в складки, гладкая, двухслойная [7]. Формирование пыльцы L. sibirica имеет свои особенности: мейоз начинается осенью, развитие микроспороцитов продолжается до стадии диплотены (профазы I) [16]. Завершение мейоза происходит весной следующего года. При неблагоприятной динамике температур воздуха (потепление перед началом пыления и вслед за ним резкое похолодание) мейотические деления идут с многочисленными нарушениями. В результате формируется большое количество аномальной пыльцы как в фоновых, так и в загрязненных районах [17]. Пыление L. sibirica в условиях Мурманской области начинается в конце мая.

Сбор образцов для палинологического анализа P. sylvestris проводился в г. Мурманске со 2 по

7 июля 2014 года. Пробные площадки заложены в районах города, где сохранились фрагменты тайги: ул. Шабалина, около больницы «Севрыба», ул. Маклакова, в окрестностях мусоросжигательного завода (ТО ТБО) и в районе Роста. Контрольные образцы собраны на 39-м км Серебрянского шоссе в северном направлении от города.

Сбор проб пыльцы L. sibirica осуществлялся 29 и 30 мая 2014 года. В качестве объектов исследования выбраны 40–50-летние экземпляры L. sibirica , высаженные на территории города в 60–70-е годы ХХ века. В разных районах города весной 2014 года заложено 5 пробных площадей: проспект Героев-североморцев, ул. Книповича, скверы у Драматического театра, кинотеатра «Родина», Мурманской клинической больницы им. Пирогова. В качестве контрольной площадки выбран сквер около церкви Благовещения Пресвятой Богородицы в г. Кола (68°52′59″ с. ш., 33°01′19″ в. д.), находящемся в 12 км от центра Мурманска, где уровень техногенного загрязнения значительно ниже [4].

На всех пробных площадках с 5 деревьев P. sylvestris и L. sibirica взяты пробы микростробил с созревшей пыльцой. Мужские шишки подсушивали и фиксировали в 50 % растворе спирта. Для анализа использовали микроспорофиллы из средней части микростробил, материал окрашивали в 1 % растворе ацетокармина. Исследование пыльцы проводилось с помощью светового микроскопа Арехlab 104/600 при 160-кратном увеличении. Микрофотосъемка выполнялась цифровой камерой DEM 35. При первичном анализе микропрепаратов на основе нарушений развития пыльцы P. sylvestris и L. sibirica , описанных в литературе [5], [16], выделены морфологические аномалии развития пыльцевых зерен. В поле зрения микроскопа фиксировалось наличие нормальной и деструктивной пыльцы, подсчитывалось их количество. С каждой пробной площади изучено не менее 400 пыльцевых зерен. Размеры пыльцы измеряли с помощью окулярмикрометра. Палиноиндикацию городской среды Мурманска проводили на основе содержания нормально развитой пыльцы сосны и лиственницы в образцах по классификации Н. А. Калашник [12]. Согласно данной шкале экологического районирования территорий, пробы пыльцы условно чистых территорий содержат более 90 % нормально развитой пыльцы, умеренно загрязненных – 89,4– 82,9 %, сильно загрязненных – 82,3–75,2 %, критически загрязненных – 68,6–62 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате палинологических исследований P. sylvestris в г. Мурманске обнаружено, что во всех протестированных пробах содержатся как нормальные, так и тератоморфные пыльцевые зерна. Наибольшее содержание нормальной пыльцы (84,4 %) выявлено в пробах контрольной площадки, расположенной на 39-м км Серебрян-ского шоссе, в образцах г. Мурманска ее доля в несколько раз ниже и варьирует в диапазоне от 29,4 до 45,8 % (табл. 1). При этом количество пыльцевых зерен P. sylvestris с нарушениями развития на всех пробных площадках города очень высоко, от 54,2 до 70,6 %. Наибольшее содержание деструктивной пыльцы обнаружено на ул. Маклакова и около больницы «Севрыба» (70 %), в районе Роста (65 %).

В образцах выделено 11 морфологических аномалий развития пыльцы: с редуцированным содержимым, без содержимого, без воздушных мешков, с редуцированными воздушными мешками, одномешковые, двухразномешковые, гипертрофированные с тремя воздушными мешками, с разрывами экзины, карликовые с наростами на экзине, гигантские и карликовые (рис. 1). Большая часть тератоморф представлена неравномерно окрашенной пыльцой с редуцированным содержимым (9–18,6 %) и без содержимого (10,8–28 %). В контроле их доля в несколько раз ниже (см. табл. 1).

Таблица 1

Нормальные и тератоморфные пыльцевые зерна Pinus sylvestris L. на территории г. Мурманска (доля, %)

Типы пыльцевых зерен	Места взятия проб (площадки)
	Серебрян-ское шоссе (контроль)	Район Роста	Район завода ТО ТБО	Улица Маклакова	Больница «Севрыба»	Улица Шабалина
Нормальные	84,4	35,2	37,1	29,4	30,3	45,8
Тератоморфные пыльцевые зерна Из них:	15,6	64,8	62,9	70,6	69,7	54,2
Редуцированное содержимое	5,5	14,8	15,7	17,7	18,6	9,0
Без содержимого	3,4	10,8	16,9	23, 3	28,0	27,2
Двухразномешковые	0,6	6,0	9,2	4,1	3,9	2,9
Редуцированные пыльцевые мешки	2,2	15, 1	6,8	1,1	11,7	7,1
Одномешковые	0,0	1,2	1,5	2,0	0,7	1,3
Без пыльцевых мешков	0,9	1,5	3,0	3,8	1,3	0,6
Гипертрофированные с тремя воздушными мешками	0,0	1,2	0,9	0,6	0,3	0,0
Карликовые с наростами на экзине	0,0	4,8	0,0	0,0	0,0	0,0
С разрывами экзины	0,9	5,4	3,9	4,4	2,3	1,3
Карликовые	1,5	2,7	4,8	2,9	1,6	4,2
Гигантские	0,6	1,2	0,3	0,9	1,3	0,6

Рис. 1. Микрофотографии пыльцевых зерен сосны обыкновенной:

1 – нормальное, 2 – без содержимого, 3 – неравномерно окрашенные с редуцированным содержимым, 4 – гипертрофированное с тремя воздушными мешками, 5 – с редуцированными воздушными мешками, 6 – без воздушных мешков, 7 – с одним воздушным мешком, 8 – разномешковое, 9 – гигантское, 10 – карликовое, 11 – с разрывами экзины, 12 – карликовое с наростами на экзине. Масштабная линия на микрофотографиях соответствует 20 мкм

Во всех протестированных пробах обнаружены пыльцевые зерна P. sylvestris с аномалиями в развитии воздушных мешков (см. рис. 1, табл. 1). Часто встречается пыльца с их редукцией, в контроле ее доля составляет 2,2 %, на территории города варьирует от 7,1 до 15,2 %. Пыльцевые зерна с такими нарушениями развития обладают очень низкой парусностью, поскольку редуцированные воздушные мешки имеют незначительный объем. Максимальное содержание пыльцы с редукцией воздушных мешков выявлено в образцах района Роста (15,2 %) и пробной площади у больницы «Севрыба» (11,7 %).

Часть пыльцы (0,64–3,8 %) не имеет воздушных мешков, что практически исключает возможность ее участия в опылении. Во всех образцах выявлена двухразномешковая пыльца (2,9–9,2 %), в пробах из окрестностей мусоросжигательного завода ее доля составляет 9,2 %, из района Роста – 6 %. Содержание одномешковых зерен значительно меньше (0,7–2 %). Особенностью палино-тератного комплекса P. sylvestris г. Мурманска является гипертрофированная пыльца с тремя воздушными мешками (см. рис. 1.4), небольшие количества которой (0,33–1,2 %) выявлены в пробах четырех площадок (см. табл. 1). В целом следует отметить, что выше всего встречаемость пыльцы P. sylvestris с аномалиями развития воздушных мешков в образцах пробных площадок в окрестностях мусоросжигательного завода (21,4 %) и района Роста (24,7 %), на территории которого находятся 35-й судоремонтный завод АО ЦС «Звездочка» и база РТП «Атомфлот», где осуществляется переработка и временное хранение жидких и твердых радиоактивных отходов.

Во всех пробах обнаружены карликовые пыльцевые зерна (1,6–4,8 %). Самая высокая встречаемость такой пыльцы выявлена вблизи мусоросжигательного завода (4,8 %) и на ул. Шабалина (4,2 %). На наш взгляд, присутствие карликовой пыльцы обусловлено техногенными нагрузками [5], [20]. В то же время Г. М. Левковская [15] отмечает, что максимум ультракарликовых зерен отмечается в северной части тундровой зоны, где максимален и нанизм самих растений. В образцах г. Мурманска выявлена пыльца с разрывами экзины (0,9–5,4 %), наибольшее ее содержание в пробах из района Роста (5,4 %), с улицы Маклакова (4,4 %) и окрестностей мусоросжигательного завода (3,9 %). Разрывы и расслоение экзины наблюдаются при неблагоприятной динамике температур воздуха (потепление перед началом пыления и вслед за ним резкое похолодание) [16]. В пробах, взятых в районе Роста, обнаружен особый тип патоморфоза – карликовая пыльца с сим- метричными наростами на экзине в области воздушных мешков (см. рис. 1.12), ее доля составляет 4,8 %. Схожие мутации описываются О. Ф. Дзюба [6] в образцах пыльцы P. sylvestris в г. Сосновый Бор и его окрестностях, где расположена Ленинградская атомная станция.

Сопоставление результатов палинологического анализа P. sylvestris г. Мурманска c данными проведенных ранее исследований в г. Мончегорске [2] показало, что в этих городах встречаются схожие тератоморфы пыльцы. Однако в г. Мурманске обнаружены и особые аномалии – гипертрофированная пыльца с тремя воздушными мешками, а также карликовая с наростами на экзине в области воздушных мешков (см. рис. 1). Содержание тератоморф в пробах г. Мурманска гораздо выше (54,2–70,6 %), чем в г. Мончегорске (24–55 %). Возможно, это связано не только с высоким уровнем техногенного загрязнения среды города, но и с тем, что в Мурманске P. sylvestris произрастает на северной границе своего ареала – в сохранившихся притундровых растительных сообществах. Г. Ф. Букреевой и Г. М. Левковской [1] в поверхностных пробах с северных пределов лесных формаций и северных границ ареалов отдельных древесных видов выявлено доминирование палинотератного комплекса с господством палиноморф с многообразными отклонениями от нормы. Г. М. Левковская [15] указывает, что максимум тератоморф с многообразием признаков, отклоняющихся от нормы, у каждого таксона встречается на северном пределе древесной растительности, где усиливаются процессы гибридизации.

В результате исследований пыльцы L. sibirica выявлено, что во всех пробах г. Мурманска содержатся как нормальные, так и тератоморфные пыльцевые зерна (табл. 2, рис. 2). На контрольной площадке г. Кола доля нормальной пыльцы лиственницы составляет 71,7 %, в пробах г. Мурманска она в несколько раз меньше и варьирует в диапазоне от 19,2 до 23,8 %. В образцах выделено 5 морфологических аномалий развития пыльцы L. sibirica : без содержимого (с признаками полной деградации ядра и цитоплазмы, неокрашенные), с редуцированным содержимым (неравномерно окрашенные, со «съежившимся» и отошедшим от стенок содержимым), с нарушениями экзины, гигантские, карликовые (нормальные или деформированные) (см. рис. 2).

В г. Мурманске доля тератоморф пыльцы L. sibirica выше контрольных значений в 2,5–3 раза и варьирует от 76 до 81 %. Исследование образцов из разных районов Санкт-Петербурга также показало, что уровень полиморфизма пыльцы

Таблица 2

Нормальные и тератоморфные пыльцевые зерна Larix sibirica Ledeb. на территории г. Мурманска (доля, %)

Типы пыльцевых зерен	Места взятия проб (площадки)
	г. Кола контроль	Проспект Героев-североморцев	Драматический театр	Улица Книповича	Сквер у к/т «Родина»	МКК им. Пирогова
Нормальные	71,7	21,6	23,8	19,2	19,3	20,3
Тератоморфные пыльцевые зерна Из них:	28,3	78,4	76,2	80,8	80,7	79,7
Редуцированное содержимое	22,8	63,7	57,1	59,8	62,5	57,6
Без содержимого	3,5	11,4	13,4	14,5	13,6	18,2
Гигантские	0,8	0,9	1,3	1,5	0,9	0,9
Карликовые	0,5	1,5	2,3	2,1	1,1	1,5
С нарушениями экзины	0,5	0,9	2,0	3,0	2,6	1,5

Рис. 2. Микрофотографии пыльцевых зерен лиственницы сибирской:

1 – нормальное, 2 – без содержимого, 3 – с редуцированным содержимым, 4 – гигантское, 5 – карликовое, 6 – с нарушениями зкзины. Масштабная линия на микрофотографиях соответствует 20 мкм

L. sibirica превышает 87 % [7]. Максимальное содержание тератоморф в г. Мурманске выявлено в пробах с улицы Книповича и сквера около кинотеатра «Родина» (ул. Ленинградская) – 81 %, сквера Мурманской клинической больницы им. Пирогова (79,7 %), проспекта Героев-североморцев (78,4 %). Большая часть нетипичных зерен представлена пыльцой с редуцированным содержимым, ее доля очень высока в образцах всех пробных площадок г. Мурманска (57,6–63,7 %). Также выявлено значительное содержание пыльцы без содержимого, с признаками деградации ядра и цитоплазмы (11,4–18,2 %), наибольшие ее количества обнаружены в пробах сквера Мурманской клинической больницы им. Пирогова (18,2 %), улицы Книповича (14,6 %), кинотеатра «Родина» и Драматического театра (14 %).

Образование пыльцевых зерен с редуцированным содержимым и признаками деградации, по данным ряда авторов [16], [20], происходит у представителей рода Larix при нарушении развития микроспороцитов зимой, когда во время оттепелей мейоз завершается и формируются пыльцевые зерна с тонкой оболочкой. Последующее понижение температуры приводит к массовой деградации молодых пыльцевых зерен. Такое же явление наблюдается и весной, когда в результате заморозков микроспоры оказываются неспособными формировать мужской гаметофит. Повышенная встречаемость пыльцы с редуцированным содержимым и без него отмечается

Н. А. Калашник [12], [13] в пробах Larix sukacze-vii на территории г. Уфы и Челябинской области. При этом, как и в наших исследованиях, эти аномалии развития более распространены в условиях техногенного загрязнения по сравнению с относительно чистыми, контрольными условиями. Однако содержание такой пыльцы в пробах г. Уфы в несколько раз меньше [13], чем в пробах г. Мурманска.

Значительно реже в протестированных пробах встречаются гигантские, карликовые пыльцевые зерна и пыльца с нарушениями экзины. В целом величина исследованной пыльцы L. sibirica варьирует в диапазоне от 25 до 175 мкм, средние размеры нормальной пыльцы – 82,18 ± 3,7 мкм. Карликовые пыльцевые зерна составляют небольшую долю тератоморф L. sibirica г. Мурманска (1,1–2,3 %), их средние размеры 38,81 ± 6,55 мкм. В других регионах России получены данные о частой встречаемости мелкой пыльцы лиственницы. Доля карликовых зерен L. sibirica , произрастающей на севере Архангельской области, – 1,7 % [16], у L. sukaczevii в г. Уфа, в районах с различным уровнем загрязнения, варьирует в диапазоне от 9,5 до 14 % [13]. Некоторые авторы считают, что образование мелких пыльцевых зерен у рода Larix в условиях высоких широт связано с адаптацией к низким температурам и избыточному увлажнению [21].

Средние размеры гигантской пыльцы L. si-birica в исследованных пробах – 120 ± 50,6 мкм.

Доля таких пыльцевых зерен в образцах составляет от 0,85 до 1,48 %, их формирование может объясняться воздействием как неблагоприятных климатических факторов, так и повышенным уровнем загрязняющих веществ. По данным М. В. Сурсо [18], у L. sibirica на севере Архангельской области доля гигантской пыльцы может составлять до 0,2 %, у L. sukaczevii , произрастающей в г. Уфа, варьирует от 3,0 до 6 % [13].

Содержание пыльцевых зерен L. sibirica с разрывами экзины составляет 0,54 % в контроле и от 0,9 до 3,0 % в пробах разных районов г. Мурманска. Разрывы экзины пыльцевого зерна обычно встречаются довольно редко – 0,02 % [16], однако в отдельные годы при неблагоприятной динамике температур воздуха (потепление перед началом пыления и вслед за ним резкое похолодание) количество пыльцевых зерен с разрывами экзины может быть довольно существенным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Палинологический анализ P. sylvestris и L. sibirica г. Мурманска выявил высокий уровень полиморфизма пыльцы хвойных в условиях арк- тического климата и техногенного загрязнения, что проявляется в образовании 11 морфологических аномалий развития пыльцы сосны и 5 аномалий развития пыльцевых зерен лиственницы. Тератоморфизм пыльцы на территории города очень высок и составляет у P. sylvestris 54,2– 70,6 %, у L. sibirica 76–80,7 %. Лиственница сибирская является достаточно сложным объектом для палиноэкологии, поскольку для данного вида характерен повышенный уровень естественного полиморфизма пыльцы. Однако, по мнению ряда авторов [7], пыльцевые зерна лиственницы могут использоваться для получения дополнительной региональной и экологической информации. Результаты, полученные в ходе исследований полиморфизма пыльцы L. sibirica и P. sylvestris в г. Мурманске, сопоставимы, что, на наш взгляд, позволяет сделать вывод о высоком уровне загрязнения среды города. Согласно палинологической шкале экологического районирования территорий Н. А. Калашник [12] (по содержанию нормальной пыльцы), территорию г. Мурманска можно отнести к критически загрязненной.