Влияние аэротехногенного загрязнения на фотосинтетический аппарат растений Scorzonera glabra Rupr

Карабашский медеплавильный комбинат (КМК) «Карабашмедь» – предприятие, которое на протяжении длительного времени является мощным источником поллютантов. Большая часть аэральных выбросов комбината состоит из газов и пыли: SO2 (около 90 %), NO2, CO, оксиды металлов (Zn, Cu, Pb, Fe, As) [2]. Многолетняя деятельность предприятия привела к серьезным экологическим последствиям. Значительные объемы техногенных выбросов с осадками попадали в почву, что способствовало существенному увеличению концентрации ксенобиотиков в пробах почвы в окрестностях КМК. В результате естественный почвенный покров вблизи комбината практически деградирован и трансформирован эрозионными преобразованиями в техногенный субстрат. Изменения произошли в структуре фитоценозов: почти полностью уничтожен древесный ярус, а многолетние травянистые растения (петрофитные и луговые мезофиты) формируют пятна и куртины небольших размеров, не образующие сомкнутого покрова [12]. В таких условиях преимущество приобретают виды стресс-толерантной стратегии – многолетники, которые характеризуются небольшой скоростью роста и продуктивностью, не требовательны к ресурсам и способны переживать стрессовые условия.

Фотосинтетический аппарат растений, имеющий большую площадь контакта с воздушной средой, первым реагирует на токсическое воздействие поллютантов. Структурно-функциональные особенности ассимиляционного аппарата, такие как толщина листовой пластинки, мезофилла листа, эпидермиса, размеры клеток ассимиляционной паренхимы и хлоропластов, их количество в единице площади листа, содержание и соотношение фотосинтетических пигментов, отражают приспособленность вида к условиям среды. От функционирования ассимиляционного аппарата зависит эффектив-

ность процесса фотосинтеза, продуктивность и выживаемость вида в целом. В отечественной и зарубежной литературе описаны структурнофункциональные особенности листьев растений, произрастающих на территориях вблизи источников аэротехногенного загрязнения [8], [17], [19], [20]. Кроме того, в литературе имеются сведения о воздействии Карабашского медеплавильного комбината на растительные объекты. Например, А. Г. Мумбер с соавторами выполнили комплексную оценку воздействия выбросов КМК на состояние подроста сосны, включающую анализ накопления тяжелых металлов в различных органах, а также морфометрических показателей побегов и линейных размеров хвоинок [13]. Е. В. Коротеева с соавторами исследовали флоры лесных сообществ района г. Карабаш и показали значительное увеличение доли скальных видов и видов рудеральной стратегии. Установлены особенности строения травянистых растительных группировок, в том числе уникальных, с участием редкого плейстоценового реликта – Scorzonera glabra [4], [5]. Изучено накопление тяжелых металлов в биомассе растений и проведен анализ флуктуирующей асимметрии листа березы повислой в зависимости от расстояния от медеплавильного комбината [6]. Результаты экспресс-оценки состояния вегетативных и генеративных органов травянистых растений, обитающих на данной территории, проведенной нами в 2014 году, позволили выделить виды, обладающие устойчивостью к техногенному загрязнению [16]. В их числе редкий вид – козелец гладкий, для которого отмечено отсутствие достоверных изменений в содержании и соотношении фотосинтетических пигментов в листьях, а также показателей фертильности пыльцы в условиях высоких техногенных нагрузок. Scorzonera glabra в естественных местообитаниях произрастает в виде изолированных малочисленных ценопо-пуляций, формируя растения с небольшим числом побегов, цветоносов и листьев. В условиях техногенных нагрузок в отсутствие фитосреды он является главным ценообразователем, образуя надземную массу с большим количеством генеративных побегов [10]. Перечисленные факты послужили причиной для выбора Scorzonera glabra в качестве объекта нашего исследования.

Целью данной работы было изучение влияния выбросов Карабашского медеплавильного комбината на мезоструктуру листьев и содержание фотосинтетических пигментов в них у растений Scorzonera glabra Rupr.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили летом 2015 года в районе г. Карабаш Челябинской области на территории вблизи КМК (ЗАО «Карабашмедь»). Растительный материал собирали со склонов горы

Золотая, относящейся к Карабашскому горному массиву (55°29.16’ N, 60°15.22' E) [14].

КМК – один из крупнейших источников загрязняющих веществ, действующий на территории Челябинской области еще с 1910 года. Максимальные объемы его выбросов достигали 360 тыс. тонн в год. Аэральные выбросы несут широкий спектр тяжелых металлов (ТМ): Cu, Zn, Pb, Cd и др. Дожди, проходя через шлейф газопылевых выбросов, образуют высокотоксичные осадки сульфатно-хлоридно-кальциевого типа с преобладанием катионной части металлов и повышенной минерализацией [3]. Они вызывают существенные изменения в химическом составе почвенного субстрата на данной территории. Индекс токсической нагрузки импактной территории составляет 20 условных единиц [6].

В нашем исследовании в качестве относительного контроля (фоновой зоны) рассматривали район горы Егоза, находящийся в южной части Среднего Урала, в 40 км северо-восточнее г. Ка-рабаш. Гора Егоза относится к Сугомакскому горному массиву (55°45.06' N, 60°26.95' Е) и представляет собой самую высокую точку горной цепи западной стороны Кыштыма [14]. Эта территория по комплексу эдафических и орографических факторов оптимально подходит в качестве фоновой зоны. Уровень инсоляции и увлажнения субстрата, характер подстилающих пород в этом районе аналогичны наблюдаемым на территории вблизи КМК. Обе зоны принадлежат к ультраосновным массивам, для которых свойственны схожие геохимические особенности. Однако концентрации ряда ТМ в образцах почвы с Ка-рабашского массива в несколько раз, а иногда и на порядки, превышают значения в почвах горы Егоза. Так, например, по данным А. Ю. Тептиной с соавторами, кратность превышения валового содержания по меди, кадмию, цинку и железу в пробах с территории вблизи КМК составила 60, 23, 15 и 4 раза соответственно [14].

Scorzonera glabra Rupr. ( S. ruprechtiana Lipsch. et Krasch.) – козелец гладкий, сем. Asteraceae , редкий вид, плейстоценовый реликт. В Челябинской области широко распространен по восточному склону Южного Урала в окрестностях Карабаша, Кыштыма и Миасса. Произрастает на обнажениях (гипсовых, известняковых), осыпях, скалистых останцах каменистых остепненных склонов, преимущественно на основных и уль-траосновных породах [9]. Гемикриптофит, стержнекорневой каудексообразующий травянистый многолетник, ксеромезофит.

На территории импактной зоны вид образует монодоминантные сообщества с проективным покрытием 2–6 %, с преобладанием генеративных и, в меньшей степени, сенильных особей. В типичных местообитаниях при отсутствии техногенной нагрузки встречаемость S. glabra незначительная. Вид обладает выраженным по- лиморфизмом [10] и может служить удобной моделью для изучения адаптации растений к техногенному стрессу.

С пробных площадок, расположенных на расстоянии 10–20 м друг от друга, собирали по 5–10 полностью сформированных неповрежденных листьев с 10–15 генеративных особей.

Анализ показателей мезоструктуры фотосинтетического аппарата проводили согласно методике [21], используя листья, фиксированные в глутаровом альдегиде (3,5 %) в фосфатном буфере (pH = 7,2). Поперечные срезы листа получали на замораживающем микротоме М3-2 (Россия). Толщину листа, мезофилла и эпидермиса измеряли на поперечных срезах (n = 20) с использованием объект- и окуляр-микрометров с использованием светового микроскопа Meiji MT 4300L с цветной цифровой камерой CAM V400/1.3M. Подсчет количества клеток и хлоропластов (n = 20), а также определение их размеров (n = 30) проводили с использованием специализированного комплекса для анализа изображений Simagis Mesoplant (ООО «СИАМС», Россия).

Содержание фотосинтетических пигментов определяли спектрофотометрически в этанольной вытяжке (n = 9) согласно общепринятой методике [22] на спектрофотометре PD 303 UV Apel (Япония).

Первичная обработка данных осуществлялась в MS Excel 2016. Достоверность различий параметров оценивали при уровне значимости p < 0,05 при помощи критерия Манна – Уитни для непараметрической оценки в программе Statistica 8.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Листья растений S. glabra имели гомогенный тип строения мезофилла. Клетки ассимиляционной паренхимы листа не дифференцированы, отмечено наличие только губчатого мезофилла. Листья неопушенные, выражена кутикула.

Сравнительный анализ параметров мезоструктуры S. glabra показал, что по толщине листа растения из импактной и фоновой зон достоверно не отличаются (табл. 1). В среднем этот показатель составил 355 мкм, коэффициент вариации не превышал 15 %. Имеющиеся по этому вопросу в литературе данные противоречивы. С одной стороны, исследователи указывают на изменение данного показателя у растений при действии аэ-ральных выбросов [16], [17], [18]. С другой стороны, модельные исследования, проведенные А. А. Кулагиным и Н. Г. Кужлевой на растениях тополя бальзамического, свидетельствуют, что действие сублетальных концентраций токсичных металлов и влияние металлов-макроэлементов на структуру листа имеют сходные эффекты. По мнению этих авторов, толщина листовой пластинки не может быть использована как биоинди-кационный признак [8].

В наших исследованиях установлено, что у растений S. glabra , произрастающих в зоне воздействия аэральных выбросов КМК, не происходит значительных изменений в толщине мезофилла, но существенно (на 25 %) увеличивается толщина эпидермиса (см. табл. 1), то есть проявляются признаки ксероморфности листьев. Многие авторы отмечают аналогичные изменения в условиях загрязнения и связывают их с усилением барьерной функции покровных тканей [3], [8], [18], [19], [20].

Результаты наших исследований показали, что у растений из импактной зоны объем мезофильных клеток и их количество в единице площади листа было выше, чем у растений из фоновой зоны (см. табл. 1). Известно, что в условиях загрязнения среды происходит увеличение объемов

Таблица 1

Параметры мезоструктуры листа растений Sorzonera glabra

Показатели	Импакт	Фон
Толщина листа, мкм
среднее	357,7 ± 10,2	349,0 ± 12,0
мин – макс	288,0–417,0	263,0–482,0
дисперсия	2079,        1	2902,7

Толщина мезофилла, мкм

среднее	284,5 ± 9,5	294,8 ± 12
мин – макс	217,0–342,0	211,0–420,0
дисперсия	1802,5	2880,2

Толщина эпидермиса, мкм

среднее	73,2 ± 2,059*	55,1 ± 2,286*
мин – макс	59,0–93,0	39,0–74,0
дисперсия	84,8	104,5

Количество клеток мезофилла, тыс./см2

среднее	417,0 ± 15,3*	239,5 ± 9,4*
мин – макс	322,7–526,5	186,8–305,7
дисперсия	2,71	1,0

Объем клеток мезофилла, тыс. мкм3

среднее	20,1 ± 1,4*	16,2 ± 2,1*
мин – макс	11,0–38,3	6,5–50,2
дисперсия	72,8	135,0

Количество хлоропластов, млн/см2

среднее	10,0 ± 0,4*	5,8 ± 0,2*
мин – макс	7,8–12,7	4,5–7,3
дисперсия	2,7	1,0

Объем хлоропластов, мкм3

среднее	46,6 ± 2,2*	59,4 ± 2,3*
мин – макс	29,5–72,1	36,6–82,3
дисперсия	154,5	160,0

Примечание. Приведены средние значения ± ошибка среднего; * – различия признака достоверны при уровне значимости p < 0,05.

клеток ассимиляционной паренхимы, обусловленное, скорее всего, активным накоплением в них ТМ [3], [15]. Эти особенности строения листьев S. glabra , произрастающих на территории КМК (большее число более крупных клеток мезофилла), могут рассматриваться как защитно-приспособительные реакции фотосинтетического аппарата к высоким концентрациям поллютантов.

Анализ изменчивости таких признаков, как толщина листа, толщина мезофилла и объем клеток (по диапазону «min – max» и величине дисперсии), показал, что у растений из импакт-ной зоны они варьируют в меньшей степени, чем из фоновой. Это может свидетельствовать о том, что в условиях почти столетнего воздействия аэ-ротехногенных выбросов на склон горы Золотой вблизи КМК естественный отбор сохранил более устойчивые к поллютантам генотипы, характеризующиеся определенными адаптивными чертами строения листьев.

Адаптивные перестройки фотосинтетического аппарата могут затрагивать изменения фо-тоактивной поверхности, в частности размеры и число пластид в клетке [15]. В результате нашего исследования установлено, что у растений им-пактной зоны размеры хлоропластов меньше (на 25 %), а их количество в единице площади листа в 2 раза больше, чем у растений фоновой зоны (см. табл. 1). Такие изменения приводят к росту внутренней ассимиляционной поверхности, что является способом поддержания необходимого уровня фотосинтеза в этих условиях.

Хорошо известно, что функционирование фотосинтетического аппарата растений в условиях стресса в значительной степени определяется количеством пигментов и их соотношением [7]. Сравнительный анализ пула фотосинтетических пигментов в листьях S. glabra показал, что содержание хлорофилла a было выше у растений из импактной зоны по сравнению с растениями фоновой зоны (табл. 2). Известно, что такие металлы, как железо и медь, участвуют в процессе синтеза пигментов, следовательно, увеличение их содержания в среде может влиять на процессы синтеза и деградации пигментов в листьях [15]. Показано, например, что на начальных этапах воздействия медью накопление хлорофиллов в листьях происходит интенсивнее, чем в ее отсутствие [1].

Ранее рядом авторов отмечено усиление синтеза антенных пигментов в листьях растений под действием некоторых тяжелых металлов [7], [11], [17]. В нашей работе установлено, что в листьях растений S. glabra из импактной зоны содержание каротиноидов достоверно выше (см. табл. 2), чем в листьях растений фоновой зоны. Эта реакция пигментного аппарата может рассматриваться как адаптивная, поскольку известно, что каротиноиды, помимо антенной функции, выполняют

Таблица 2

Содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений Sorzonera glabra

Показатели	Импакт	Фон
Хлорофилл a , мг/г сух. веса
Среднее	5,903 ± 0,396*	4,404 ± 0,381*
макс	7,351	5,992
мин	4,174	3,287

Хлорофилл b , мг/г сух. веса

Среднее	3,118 ± 0,317	2,860 ± 0,546
макс	4,780	6,528
мин	1,954	1,324

Каротиноиды, мг/г сух. веса

Среднее	1,614 ± 0,082*	1,332 ± 0,116*
макс	2,077	1,983
мин	1,353	0,953

Хл а/Хл b + каротиноиды

Среднее	1,283 ± 0,024*	1,113 ± 0,044*
макс	1,400	1,285
мин	1,191	0,918

Примечание. Приведены средние значения ± ошибка среднего; * – различия признака достоверны при уровне значимости p < 0,05.

также роль антиоксидантов, активно участвуя в инактивации свободных радикалов.

Одним из важных показателей состояния фотосинтетического аппарата в стрессовых условиях является отношение хлорофилла a к сумме добавочных пигментов (хлорофилла b и каротиноидов). Этот показатель используют также для оценки устойчивости растений к внешним стрессорам [23]. В наших исследованиях у растений импактной зоны отмечено увеличение данного соотношения, и это, наряду с данными о содержании хлорофилла а в листьях козельца, указывает на высокую устойчивость его пигментного аппарата к техногенному загрязнению (см. табл. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование показало, что в условиях долговременного стресса, вызванного токсическими выбросами медеплавильного завода, в листьях растений Scorzonera glabra происходят адаптивные изменения фотосинтетического аппарата: увеличение толщины эпидермиса усиливает его барьерную функцию при проникновении аэрополлютантов в лист; увеличение размеров клеток позволяет накапливать в них большее количество ТМ, являющихся главными компонентами выбросов КМК; рост числа хлоропластов в см² поверхности листа – компенсаторное поддержание фотосинтетической функции в стрессовых условиях.

Установлено, что пигментный аппарат листьев растений Scorzonera glabra , произрастающих в условиях аэрогенного загрязнения , устойчив к стрессовому воздействию. Увеличение содержания хлорофилла a и каротиноидов в листьях способствует большей эффективности использования световой энергии благодаря увеличению количества реакционных центров и антенных форм пигментов в фотосинтезирующих тканях.

Таким образом, установлено, что у растений Scorzonera glabra, произрастающих на территории Карабашского медеплавильного комбината в условиях аэротехногенного загрязнения, про- изошли изменения фотосинтетического аппарата, которые имеют очевидную адаптивную направленность. Эти изменения в значительной степени определяют эффективность протекания фотосинтетических процессов, возможность успешного роста и развития растений, а также формирование их высокой устойчивости к условиям техногенного стресса.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность П. С. Леж-нину, Н. А. Кутлуниной и Т. Ф. Шарниной за помощь в работе.

*Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 15-04-08380 А и программы 211 Правительства Российской Федерации, соглашение № 02.A03.21.0006.