close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102003

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Махнева Светлана Георгиевна
СОСТОЯНИЕ МУЖСКОЙ ГЕНЕРАТИВНОЙ С И С Т Е М Ы
СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ С Р Е Д Ы
.1'
03.00.16 - экология
^|С'
_ |V
Г].
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Екатеринбург 2005
I
^
Работа выполнена
университете
в
Научный руководитель
Уральском
государственном
лесотехническом
доктор биологических наук, профессор
Бабушкина Люция Георгиевна
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук
Менщиков Сергей Леонидович,
кандидат биологических наук, доцент
Радченко Татьяна Александровна
Ведущая организация - Институт биологии Коми научного центра УрО
РАН
Защита состоится
2005 г. в ..IJ " час. на заседании
диссертационного совета Д 004 005.01 при Институте экологии растений
и животных УрО РАН по адресу: 620144 г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии
растений и животных УрО РАН
Автореферат разослан „. S
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор биологических наук
Нифоетова М.Г.
" ШРЛ^/и^ 2005 г.
--
-,
' //1 / \
.', ///^.'
im:±
ltllfA7
МЛЛ
ВВЕДЕ1ШЕ
Актуальность
темы исследования. Сосновые леса Свердловской
области являются традиционным источником промышленного сырья, но
также и мощным фактором стабилизации окружающей природной среды.
Выполняя функции природного фильтра для техногенных аэрополлютантов, хвойные породы, в силу ряда анатомо-морфологических, физиологи­
ческих и биохимических особенностей, испытывают сильное угнетение и
дегенерируют (Красинский, 1937, 1950, Кулагин, 1974, Рожков, Михайло­
ва, 1989, Любашевский и др., 1996 и др). Оптимизация функций лесных
экосистем в промышленных регионах требует проведения комплекса ме­
роприятий по биомониторингу и биоиндикации техногенного загрязнения
и повреждения лесов, сохранению генетического разнообразия лесов, вы­
явлению адаптированных форм, лесовосстановлению на нарушенных зем­
лях, Для решения данных проблем требуется изучение токсического и му­
тагенного действия аэрополлютантов на генеративную систему, опреде­
ляющую успешность репродуктивной деятельности хвойных. Биологиче­
ское значение пыльцы при половом процессе, чувствительность процессов
микрогаметогенеза к факторам внешней среды определяют актуальность
изучения мужской генеративной системы сосны обыкновенной при техно­
генном загрязнении окружающей природной среды.
Цель исследования: изучить состояние мужской генеративной сис­
темы сосны обыкновенной (Pmus sylvestris L.), произрастающей при раз­
личных уровнях техногенного загрязнения среды фторсодержащими аэрополлютантами, определить показатели, пригодные для биоиндикации тех­
ногенного загрязнения окружающей природной среды и отбора адаптиро­
ванных к техногенному загрязнению форм.
Задачи исследования:
1. Представить экологическую характеристику лесных насаждений
района исследований.
foc. НАЦИОНАЛЬНАЯ!
ЛЬНАЯ)
БИБЛИ0ТЕ1
С Пете
09
2. Изучить изменения структурных и функциональных показателей
мужской генеративной системы сосны обыкновенной, произрастающей
при разных уровнях техногенного загрязнения окружающей природной
среды фторсодержащими аэрополлютантами; особенности взаимосвязей
показателей; выявить показатели, пригодные для интегральной оценки со­
стояния мужской генеративной системы сосны.
3 Исследовать
фенотипическую
структуру
насаждений
сосны
обыкновенной по показателям мужской генеративной системы в различ­
ных экологических условиях
4. Выявить биоиндикационные показатели техногенного загрязне­
ния окружающей природной среды фторсодержащими аэрополлютантами
5 Оценить перспективы использования адаптированных к техно­
генному загрязнению форм сосны для лесовосстановления на загрязнен­
ных территориях.
Научная новизна. Впервые изучено состояние мужской генератив­
ной системы сосны обыкновенной с использованием комплекса морфоло­
гических, цитологических и функциональных признаков. Впервые приме­
нен популяционный подход при'проведении цитоэмбриологических и фи­
зиологических исследований состояния мужской генеративной системы
хвойных растений. Выявлены специфические особенности реакции муж­
ской генеративной системы сосны на техногенное загрязнение в зависи­
мости от стадии развития мужского гаметофита, индивидуальных особен­
ностей деревьев и уровня техногенного загрязнения окружающей природ­
ной среды Доказаны различия в фунгицидных свойствах зрелой пыльцы
различных деревьев, а также пыльцы, сформированной при разном уровне
техногенного загрязнения окружающей природной среды
Разработаны критерии для индикации состояния мужской генера­
тивной системы сосны и техногенного загрязнения на основе комплекса
показателей микроспор и пыльцы. Доказано существование адаптирован-
ных, толерантных и неадаптированных форм сосны в различных экологи­
ческих условиях. Рассмотрена возможность использования адаптирован­
ных форм сосны обыкновенной для селекции и лесовосстановления в ус­
ловиях техногенного загрязнения.
Практическая значимость работы. Использованные в работе ме­
тодические приемы и полученные на их основе данные рекомендованы для
биомониторинга окружающей природной среды и индикации состояния
мужской генеративной системы. Выявленная изменчивость деревьев сосны
по устойчивости пыльцы к грибу явилась основанием для выделения ус­
тойчивых форм. Результаты работы позволяют рекомендовать показатели
мужского гаметофита для прогноза состояния хвойных насаждений, науч­
ного обоснования и разработки системы мероприятий по повышению ус­
тойчивости лесов, произрастающих в неблагоприятных экологических ус­
ловиях.
Внедрение результатов
исследования. Результаты диссертацион­
ной работы использованы в научных отчетах Проблемной научноисследовательской лаборатории УГЛТУ (1991-1993, 1997-2000). Получен­
ные в процессе выполнения работы выводы рекомендованы Правительст­
ву Свердловской области (Государственный доклад ., 1997). Результаты
исследования и методические приемы могут бьпъ использованы при обу­
чении студентов в лекционном курсе и практикуме по экологии и генетике
растений, а также при изучении предметов «Общая экология», «Регио­
нальная экология», «Генетика и селекция растений», «Лесоведение» в
учебном.процессе У Г С Х А и УГЛТУ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Техногенное загрязнение разных уровней действует на насаждения
сосны обыкновенной специфическим образом, что проявляется изменени­
ем цитоморфологических и функциональных показателей мужского гаме­
тофита.
2. Воздействие фторсодержащих аэрополлютантов на насаждение со­
сны в зоне сильного уровня техногенного загрязнения превышает пределы
толерантности мужской генеративной системы, что приводит к достоверно
значимому снижению значений структурных и функциональных показате­
лей микроспор и пыльцы, по сравнению с насаждениями из зоны среднего
уровня загрязнения и фоновых условий. Мужская генеративная система
сосны обыкновенной насаждения из зоны среднего уровня техногенного
загрязнения адаптирована к действующим уровням аэрополлютантов.
3. Под влиянием техногенного загрязнения изменяется структура
взаимосвязей цитоморфологических и функциональных показателей муж­
ской генеративной системы сосны и фенотипическая структура насажде­
ний сосны по показателям мужской генеративной системы.
4 Выявленные особенности состояния мужской генеративной систе­
мы сосны обыкновенной в зовах техногенного загрязнения обусловлены
мутагенным и змбриотоксическим действием аэрополлютантов, изменени­
ем генетической структуры насаждений вследствие элиминации неадап­
тивных форм и отбора устойчивых форм.
5. Цитоморфологические и функциональные показатели микроспор и
пыльцы сосны обыкновенной могут быть использованы для биоиндикации
техногенного загрязнения, состояния процессов репродукции, прогноза со­
стояния насаждений и селекции устойчивых к техногенному загрязнению
форм.
Апробация работы. Материалы, составляющие основу диссертации,
были гфедставлены на Всесоюзной научно-технической конференции
"Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресур­
сов"
(Москва,
1991), Областных
научно-технических конференциях
"Вклад ученых и спехщалистов в развитие химико-лесного комплекса"
(Екатеринбург, 1993, 1997), Международных совещаниях "Биологическая
рекультивация нарушенных земель" (Екатеринбург, 1996, 2003), Научно-
практической конференции "Леса Башкортостана: современное состояние
и перспективы" (Уфа, 1997), Всероссийском совещании "Экологический
мониторинг лесных экосистем" (Петрозаводск, 1999), Научно-технических
конференциях "Экологические проблемы промышленных регионов" (Ека­
теринбург, 2000, 2003), Всероссийской конференции "Адаптация биологи­
ческих систем к естественным и экстремальным факторам среды" (Челя­
бинск, 2004), «Наука и образование - аграрному производству» (2005).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 12 работ.
Структура
и объем диссертации Диссертация состоит из введе­
ния, восьми глав и выводов. Работа изложена на И*/ страницах печатного
текста, содержит 29 таблиц, 28 рисунков, 38 микрофотографий, 4 прило­
жения. Библиографический указатель включает 272 названия.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Г Е Н Е Р А Т И В Н А Я С И С Т Е М А Х В О Й Н Ы Х Р А С Т Е Н И Й
В БЛАГОПРИЯТНЫХ УСЛОВИЯХ ПРОИЗРАСТАНИЯ
И В УСЛОВИЯХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТРЕССА
Приводится обзор работ отечественных и зарубежных авторов, по­
священных исследованию генеративной системы хвойных растений. Ос­
новное внимание уделено анализу литературных данных о состоянии муж­
ской генеративной системы сосны обыкновенной при техногенном
зафязнении
среды.
Отмечена
биологическая
значимость
и
чувствительность мужской генеративной системы при репродукции сосны
обыкновенной, рассмотрены симптомы, причины аномалий пыльцы
Подчер1а1ута недостаточная изученность мужской генеративной системы
сосны обыкновенной в условиях техногенного загрязнения среды, в том
числе фторсодержащими аэрополлютантами.
Глава 2. Э К О Л О Г И Ч Е С К А Я Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А
РАЙОНА И С С Л Е Д О В А Н И Й
2.1. Природно-климатическая характеристика района исследова­
ний.
Исследовали насаждения сосны обыкновенной Полевского и Сы-
сертского лесхозов, произрастающие на территории Свердловской облас­
ти. На основании литературных данных приведена характеристика клима­
та, рельефа, почв района исследований. Отмечено соответствие природноклиматических условий района исследований эколого-биологическим
■ свойствам хвойных пород. Среди хвойных лесов наиболее распространены
сосновые (59,6% покрытой лесом площади) (Государственный доклад
.,
2003). Лесные экосистемы района исследований видоизменены, а часто
практически разрушены вследствие влияния промышленных выбросов.
2.2. Техногенное загрязнение района исследований. Основными ис­
точниками промышленных выбросов в районе исследований являются Полевской криолвтовый завод (ПКЗ) и Северский трубный завод; преобла­
дающими и наиболее токсичными компонентами техногенных аэрополлютантов являются фторсодержащие вещества (табл. 1).
Глава 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.
СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Объектами исследований были одновозрастные насаждения со­
сны обыкновенной (в дальнейшем - сосны), произрастающие на различном
удалении от источника техногенных эмиссий Исследуемые территории
характеризуются ухудшением лесорастительных свойств почв, деградащ!ей сосновых насаждений вблизи заводов, ослаблением жизненного состоя­
ния насаждений, удаленных от источников загрязнения, снижением ремен­
ной продуктивности (Бабушкина и др., 1991, 1992,1993, Аникеев, Бабуш­
кина, Зуева, 2000).
Исследонания проводили на постоянных пробных площадях (111 ill),
заложенных в 1986 г. в насаждениях сосны на расстоянии 2 км от ПКЗ в
северо-восточном направлении (111111 1) - зона сильного уровня загрязне­
ния), 3,5 км в северо-восточном направлении (111111 2) - зона среднего
уровня загрязнения и 26 км в юго-восточном направлении (ППП 3) - зона
слабого уровня загрязнения. В качестве фонового (условного контроля)
выбрано насаждение сосны на территории Сысертского лесхоза ( П П П К),
Таблица 1
Накопление фтор-иона в компонентах лесных насаждений
Объект
исследований
Снеговой
покров
(март), кг/га **
Расстояние до ПКЗ, км
1,5-2,0
3,5-4,0
7,5
26,0
2,5
1,2
0,5
0,08
231,4
183,3
92,0
6,5
Хвоя второго года
жизни, мг/кг **: весна
лето
осень
395,0
52,7
136,6
74,7
46,6
33,7
12,8
10,2
12,0
Кора сосны
мг/кг **
12,9
Нет
дан­
ных
1300,0
1032,0
162,5
9,2
Лесная
мг/кг **
подстилка.
(лето).
40,0
Нет
дан' ных
Нет
дан­
ных
Нет
дан­
ных
Нет
дан­
ных
'
Хвоя второго года
жизни, мг/кг ***:
121,0
Нет дан­
Нет дан­
Нет
6,6
Весна
Лето
110,4
ных
ных
дан­
7,1
Осень
53,86
ных
6,5
* (Коваленко, Бабушкина, 2003), ** (Бабушкина, Зуева, Луганский и
др., 1993), *** («Биохимические ..., 1997).
где экологическая ситуация признана условно удовлетворительной (Карта
экологической ситуации ..., 1993). По лесорастительным условиям и гид­
ротермическому режиму исследуемые насаждения сосны примерно одина­
ковы: сосняки разнотравные, почвы серые лесные суглинистые разной сте­
пени оподзоленности. Состав древостоя ЮС с единичным включением бе­
резы. Изучали состояние мужской генеративной системы 121-го дерева со-
сны. предметом исследования служила пыльца сосны на разных стадиях ее
развития. Всего за период исследований бьшо просмотрено 4324 препарата
пыльцы и 1589,5 тыс. микроспор и пыльцевых зерен.
3.2. Методы исследований. Сбор и подготовка материала к'иссле­
дованию. Микростробилы отбирали с нижней части кроны на южной ее
стороне, с побегов второго - четвертого порядков. Для определения фертильности микроспор и пыльцы мужские шишки собирали с момента ос­
вобождения их от покровных чешуи до начала пьшения, фиксировали в уксусно-этиловой смеси (1:3), хранили в 70% спирте при температуре + 4'С
(Паушева, 1970). Для изучения функциональных показателей пыльцы
мужские шишки сосны собирали в момент начала пьшения. Пыльцу хра­
нили в стеклянных бюксах над прокаленным хлористым кальцием при
+4°С.
Цитоморфологические исследования пыльцы для определения ее
фертильности проводили на фиксированном и свежем материале с исполь­
зованием ацетокарминовой окраски (Паушева, 1970), Размеры элементов
микроспор и пыльцевых зерен измеряли на временных давленных препа­
ратах (Моносзон-Смолина, 1949, Паушева, 1970).
Гистохимические исследования включали выявление в пьшьце сосны
крахмала реактивом Люголя, липидов - Суданом Ш (Дженсен, 1965, Паламарчук, Веселова, 1969, Паушева, 1970) по модифицированной нами мето­
дике: временные давленные препараты пьшьцы, окрашенные ацетокармином, дополнительно обрабатывали раствором Люголя и раствором Судана
Ш или Судана В (Махнева, Бабушкина, Зуева, 2000). Уровень содержания в
пьшьце запасных питательных веществ определяли по принятой нами 4-х
балльной шкале: 1 балл - нет накопления, 2-4 балла - слабый, средний и
сильный уровни накопления соответственно. Активность фермента сукцинатдегидрогеназы определяли в свежесобранной зрелой пыльце. Жизне­
способной является пьшьца со слабой или сильной активностью фермента.
которую выявляли по интенсивности образования кристаллов формазана с
использованием раствора 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого (Дженсен,
1965). Для количественной оценки образования кристаллов формазана ис­
пользовали трехбалльную шкалу.
Микрофенологические исследования. Стадию развития мужского гаметофита определяли на временных давленных препаратах, окрашенных
ацетокармином, с дополнительной обработкой препаратов пыльцы раство­
рами Люголя и Судана В, по признакам: размер микроспоры (пыльцевого
зерна), форма тела, степень развития воздушных мешков, уровень накоп­
ления липидов и крахмала, число клеток в мужском гаметофите .
Физиологические исспедоваиия. Жизнеспособность пыльцы опреде­
ляли ее проращиванием на искусственной
питательной
среде ( 1 -
процентный агар-агар на 2,5%-растворе сахарозы) по методу Д.А. Транковского (Паушева, 1970) Проращивание пьшьцы осуществляли при по­
стоянной температуре +27°С, максимальная продолжительность проращи­
вания - пять суток. Проросшими считали пыльцевые зерна, сформировав­
шие пыльцевую трубку длиной не менее двух диаметров пьшьцевого зер­
на. Показатель частоты прорастания (в дальнейшем - прорастания) пыль­
цы определяли на пятые сутки опыта как отношение числа проросших
пьшьцевых зерен к общему числу просмотренных пыльцевых зерен. Длину
пьшьцевых трубок (в мкм) измеряли на третий и пятый дни опыта.
Микологические исследования. Устойчивость пыльцы сосны к разви­
тию мицелия грибов пор. Plectascale.s определяли в соответствии с разра­
ботанной нами методикой (Махнева, Бабушкина, Зуева, 2000) при прора­
щивании пыльцы на искусственной питательной среде. Степень развития
мицелия оценивали на третий и пятый дни опыта по четырехбалльной
шкале.
Статистическая обработка. Результаты исследований обрабатыва­
ли методами вариационной статистики (Лакин, 1990), многомерными ме-
10
тодами (Иберла, 1980, Олдендерфер, Блэшфилд, 1989, Клекка, 1989) Дос­
товерность различий между насаждениями сосны определяли по критери­
ям Стьдента и -^ (Лакин, 1990). Расчеты были проведены с использовани­
ем пакета программ «Statistica for Windows»
i.5. Схема исследований. В разделе приведена схема исследований.
Глава 4. СПЕКТР АНОМАЛИЙ И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ФЕРТИЛЬНОСТЬ МИКРОСПОР И П Ы Л Ь Ц Ы СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
4.1. Характеристика
начальных этапов микрогаметогенеза и
спектра аномалий микроспор и пыльцы сосны. Цитоэмбриологическими
исследованиями были выявлены структурно-функциональные особенности
мужского гаметофита сосны на разных этапах его развития и выделены
следующие типы аномалий: 1. Мелкие микроспоры и пыльцевые зерна: а)
цитологически нормальные, б) дегенерирующие. 2. Микроспоры и пыль­
цевые зерна с аномальными воздушными мешками- а) цитологически нор­
мальные, б) отстающие по стадии развития, в) дегенерирующие 3. Мор­
фологически нормальные микроспоры и пыльцевые зерна с начальными
признаками дегенерации (некробиоза) ядра и цитоплазмы. 4 Микроспоры
и пыльцевые зерна с признаками некроза (дегенерированные), деформиро­
ванные. 5. Крупные микроспоры и пыльцевые зерна. 6 Аномальные тетра­
ды. 7 Пьшьцевые зерна с неидентифицированными и редкими наруше­
ниями. Микроспоры (пыльцевые зерна) без названных нарушений считали
потенциально фертильными. Потенциальную фертильность (в дальнейшем
- фертильность) и спеетр аномалий оценивали на двух последовательных
стадиях микрогаметогенеза: микроспор (включает фазы освобождения
микроспор из тетрад, роста микроспор и подготовки к проталлиальным де­
лениям) и пыльцевых зерен до пыления (включает фазы проталлиальных
делений). Стерильными считали микроспоры и пыльцевые зерна, имеющие
одно или несколько структурно-функциональных нарушений.
и
4.2. Жизнеспособность морфологически аномальной пыльцы. Ак­
тивность фермента сукцинатдегидрогеназы выявлена в 75,09% морфоло­
гически нормальных пыльцевых зерен, 3,05% мелких пыльцевых зерен,
24,94% пыльцевых зерен с аномальными воздушными мешками; щггенсивность окраски и количество кристаллов формазана в морфологически
аномальной пыльце, как правило, меньше. Приведенные факты указывают
на их нежизнеспособность (и, следовательно, стерильность).
4.3. Особенности микрогаметогенеза и фертильность
пыльцы
сосны в годы исследований. Установлено, что существенные различия
температурного и водного режимов весенних месяцев и июня разных лет
не оказали влияния на показатель фертильности пьшьцы (CV<5%). Разли­
чия в качестве пыльцы насаждений сосны могут быть обусловлены прежде
всего воздействием разного уровня техногенного зафязнения.
4.4. Фертильность
и спектр аномалий микроспор и пыльцы со­
сны исследуемых насаждений. Установлено, что насаждения сосны, про­
израстающие при техногенном загрязнении и в фоновых условиях, не раз­
личаются по показателю фертильности микроспор (92,30-95,08%) (х^
=0,34-3,95 при х^табл = 5,99, р<0,05, к=2). Значительное возрастание частоты
аномальной пыльцы в насаждениях в зонах техногенного загрязнения на­
блюдали в период проталлиальных делений в мужском гаметофите. Раз­
личия по показателю фертильности пыльцы перед пылением сосны между
насаждениями из зон техногенного загрязнения и фоновых условий досто­
верно значимы (х^=11,43-15,10 при х^табл=5,99, р<0,05, к=2). Отсутствуют
различия по данному показателю между насаждениями сосны из зон раз­
ных уровней техногенного загрязнения среды (х^=0,20-1,00). Таким обра­
зом, показатель фертильности пыльцы является информативным для выяв­
ления техногенного загрязнения фторсодержащими вешествами в среде
обитания родительских форм, но не позволяет диагностировать уровень
техногенного загрязнения. Проведенными исследованиями показана высо -
12
кая чувствительность мужской генеративной системы сосны к влиянию
малых уровней техногенного загрязнения, проявляющаяся возрастанием
частоты цитоморфологических нарушений пыльцы и уменьшением пока­
зателя фертильноста пыльцы до его значений в зонах среднего и сильного
уровней загрязнения.
Глава 5. Ф Е Р Т И Л Ь Н О С Т Ь И Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н Ы Е П О К А З А Т Е Л И
ЗРЕЛОЙ П Ы Л Ь Ц Ы С О С Н Ы О Б Ы К Н О В Е Н Н О Й
5.1. Фертильность
и жизнеспособность зрелой пыльцы сосны.
Значения показателей фертильности и прорастания зрелой пыльцы насаж­
дений сосны, произрастающих при техногенном загрязнении, ниже тако­
вых фонового насаждения (рис. 1). Различия между ППП 1 и другими ППП
достоверны как по показателю фертильности пыльцы (3^2=304-12,58 при
Х^табя=5,99, р<0,05, к=2), так и по показателю прорастания (х^= 10,60-20,56
при х^табл='7,82, р<0,05, к=3). Отсутствуют различия по названным показа­
телям между ППП 2 и ППП К (xW=1.33 и X прор=2,48) Наибольшие сред­
ние значения показателя длины пыльцевой трубки на всех этапах опыта
отмечены для ППП К (рис. 2), различия с ГОШ 1 достоверны на третий
(Х^=15,10 при х^тзбл.=7,82, р<0,05) и пятый (х^=15,82 при х^табл.=9,49, р<0.05)
дни опыта. Отсутствуют различия по показателю длины пьшьцевой трубки
между ППП 2 и ППП К (х^з день=0,63 и х^5 деиь=2,19). Приведенные данные
свидетельствуют о негативном влиянии сильного уровня техногенного за­
грязнения окружающей природной среды на показатели жизнеспособности
пыльцы сосны.
5.2. Содержание запасных питательных
веществ в пыльце сосны.
Установлено, что содержание липидов в пьшьце уменьшается уже при
среднем уровне загрязнения, а при сильном уровне оно наименьшее (рис.
3). Различия достоверно значимы между ППП 1 и ППП К (х^=10,30 при
X табл='7,82, р<0,05). Содержание крахмала в пыльце сосны не зависит от
уровня техногенного загрязнения среды (х^=0,02-0,74) (см. рис. 3). Приве-
13
^
^
О
s S
л 2
е;
Й
S
iL-* i
1
1
1
а
со«|Диае
1
м
!i
■Ё"
^
I
I
1
интерв.
—Г- :tAOBep
авшиб. среднего
§•
а.
Е
ппп1
ППП2
ппп к
1
1
ппп 1
ппп к
ппп 2
фертильность
прорастание
Рис. 1. Фертильность пыльцы и ее прорастание
на искусственной питательной среде
я
о
II
280
260
240
220
20О
ISO
160
140
120
100
1
. .
1
— ■■
]
-
W
^
- b^ d
" Т 1 ^доаср. имтвра.
i
!
ппп 1
*
ппп к
ср«Ан«е
пппI
ппп к
ппп 2
ппп 2
3-й день
5-й день
Рис. 2. Длина пыльцевой трубки пыльцы при прорастании
на питательной среде на 3-й и 5-й дни опыта
-
3.9
_|
3.6
3 3
о
S «3
| §
О Си
3
2.7
2.4
2.1
1.8
I
■ L ^ J■
■5*^i
1—
B B
1
— r - ^adovep. и^л-ер*.
1 ^зошибка cpttAH.
■
ср«дм*«
1
ппп1
1
ппп 2
i
ппп к
ппп 1
1фахмал
ппп 2
ппп к
липиды
Рис. 3. Содержание крахмала и липидов в зрелой пыльце
II
1!
4.4
3.8
3.2
2.6
■
—■
щU B р
^п
ППП 1
ппп к
ппп2
Рис
—t—
--
,.,
1
ллолер. интерв.
■ ■ 1 зошиб. среднего
"
среднее
ппп 1
—
ппп к
ппп2
3-й день
5-й день
4. Развитие гриба на искусственной питательной среде
14
денные результаты свидетельствуют о чувствительности липидного обме­
на к техногенному загрязнению и указывают на важные физиологические
и адаптивные функции липидов и крахмала в мужской генеративной сис­
теме сосны.
5.3, Развитие мицелия грибов на искусственной
питательной
среде в опыте при проращивании пыльцы. Одновременно с изучением
показателей жизнеспособности пыльцы нами были исследованы фунгицидные свойства пыльцы. Установлено, что развитие мицелия грибов по­
рядка Plectascales на препаратах пыльцы сосны ГШП 1 наблюдается в бо­
лее ранний период формирования пыльцевых трубок и в большей степени,
чем на препаратах пыльцы других ГШП (рис. 4). Различия между вариаци­
онными рядами ППП 1 и других насаждений по степени развития мицелия
на препаратах пыльцы достоверны на всех этапах опыта (х^=13,76-16,50
при х^табя=7,82, р<0,05) Отсутствуют различия между ППП 2 и П П П К {х
з_5=1,60-3,57). Во всех исследуемых насаждениях были выявлены деревья
сосны, пыльца которых на стадии прорастания ингибирует развитие мице­
лия на искусственной питательной среде.
Установлены
достоверные различия по комплексу показателей
пыльцы между насаждением сосны из зоны сильного уровня загрязнения с
другими исследуемыми насаждениями (р<0,01), различия между 111111 2 и
ППП К недостоверны (р=0,22). Различия между насаждениями определя­
ются преимущественно содержанием липидов в зрелой пыльце, длиной
пыльцевой трубки и развитием грибов.
Глава 6. С Т Р У К Т У Р А В З А И М О С В Я З Е Й П О К А З А Т Е Л Е Й
МУЖСКОЙ ГЕНЕРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ СОСНЫ
6.1. Особенности структуры взаимосвязей показателей мужской
генеративной системы сосны исследуемых насаждений Выявленная
нами обратно пропорциональная зависимость между показателями содер­
жания крахмала и липидов в пыльце ППП К позволяет предположить, что
15
зрелые пыльцевые зерна данного насаждения, как правило, имеют запас
веществ (либо крахмала, либо липидов) На ППП 2 формируется пыльца
либо с высоким уровнем содержания крахмала и липидов, либо с малым
уровнем тех и других одновременно; на ППП 1 возможны различные ком­
бинации содержания крахмала и липидов - от отсутствия тех и/или других
до обилия их в пыльце. Для всех насаждений характерно расположение в
составе разных компонент показателей жизнеспособности и содер'жания
крахмала и липидов в зрелой пыльце, что позволяет согласиться с мнением
некоторых авторов (Некрасова, 1978, Кравченко, Свирид, 1982) о том, что
пыльцой используются при прорастании и иные источники пластических
веществ и энергии. Различия между насаждениями сосны выявлены также
в структуре взаимосвязей показателей жизнеспособности пыльцы и разви­
тия мицелия гриба на искусственной питательной среде. Анализ данных
свидетельствует о том, что пыльцевые трубки пыльцы многих деревьев
ППП 1 не способны препятствовать развитию грибного мицелия, но могут
развиваться на питательной среде совместно с гифами грибов, т t'. толерантны к ним. Для ППП 2 и ППП К была выявлена обратно пропорцио­
нальная зависимость между данными показателями, что позволяет отме­
тить аллелопатическое взаимодействие пыльцевых трубок и мицелия, воз­
можную конкуренцию за питательные ресурсы и способность пыльцы ряда
деревьев сосны ингибировать развитие мицелия на питательной среде
6.2. Формы сосны обыкновенной, различающиеся устойчивостью
пыльцы при прорастании к грибам. В насаждениях были выделены четы­
ре формы сосны, различающиеся по устойчивости их пыльцы при прорас­
тании к развитию мицелия на питательной среде: устойчивые, условно ус­
тойчивые, толерантные и неустойчивые. Частоты указанных форм сосны в
насаждениях зависят от уровня техногенного загрязнения природной сре­
ды. Характерными формами для 111111 1 являются толерантнь1е и неустой­
чивые (их частота 51,7% и 41,4% соответственно). На ППП 2 толе-
16
рантные формы редки (менее 10%), тогда как частота устойчивых форм
наибольшая среди всех насаждений (52,4%), высока также частота неус­
тойчивых форм (более 37%). Для ППП К выявлено наибольшее разнообра­
зие форм - с частотой 25-40% отмечены устойчивые, неустойчивые и то­
лерантные формы. Различия значительны между ППП 1 и ППП К (х^з-5
=7,78-13,78 при х^табл=7,82, р<0,05), ППП 1 и ППП 2 (х^.5=16,08-16,15), не" достоверны между ППП 2 и ППП К (х^з-5=3,01-3,81). Приведенные данные
позволяют говорить о различных стратегиях адаптации: в зоне среднего
уровня загрязнения реализуется способность противодействовать негатив­
ным факторам, в зоне сильного уровня - толерантности к ним.
Глава 7. Ф Е Н О Т И П И Ч Е С К А Я С Т Р У К Т У Р А Н А С А Ж Д Е Н И Й
СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
7.1. Индивидуальная изменчивость показателей музкской генера­
тивной системы сосны. Установлено, что амплитуда индивидуальной
изменчивости зависит от типа показателя и уровня техногенного загрязне­
ния среды обитания материнских форм (рис. 5). Для ГШП 1 выявлено воз­
растание индивидуальной изменчивости показателей фертильности и жиз­
неспособности, содержания липидов в пыльце и снижение индивидуаль­
ной изменчивости показателя развития гриба на питательной среде Уста­
новлены достоверные различия между ППП 1 и ППП К по варьированию
всех показателей (кроме содержания липидов) (tst=2,06-3,87 при 1габл= 2,00,
р<0,05); между ППП 1 и ППП 2 - по варьированию показателей фертиль­
ности, прорастания пыльцы, развития мицелия гриба на пятый день опыта
(t5,=2,61-3,23 при 1табл= 2,02, р<0,05). Между ППП 2 и ППП К различия от­
сутствуют (tst=0,07-l,97 при 1табл= 2,02, р<0,05).
7.2. Дифференциация насаждений сосны по показателям муж­
ской генеративной системы. Методом кластерного анализа в насаждени­
ях сосны было выделено по три группы деревьев, различающихся значе­
ниями показателей жизнеспособности (рис. 6, 7). Результаты исследования
17
свидетельствуют о дифференциации всех насаждений по устойчивости
мужской генеративной системы сосны к экологическим условиям произра­
стания материнских деревьев. Следует отметить, что значения показателей
жизнеспособности пыльцы аналогичных групп деревьев разных насажде­
ний уменьшаются при возрастании уровня техногенного загрязнения. Та­
ким образом, существующие механизмы элиминации и адаптации микро­
спор, пыльцы и деревьев сосны оказываются неэффекгивными для под­
держания на высоком уровне функциональных показателей мужского гаметофита сосны из зоны сильного уровня загрязнения. Для насаждения из
зоны среднего уровня загрязнения не выявлено достоверно значимых раз­
личий с фоновым насаждением по функциональным показателям мужско­
го гаметофита, что свидетельствует об адаптации сосны к условиям произ­
растания.
! ♦ Ш1111
S?
о
ф
в
а
Д
0П1Ш2
^
т
ДГШПК
*
^
Щ
ш
4
5
в
D
л
♦
^
Л
Показатели
Рис. 5. Значения коэффициентов вариации
показателей мужской генеративной системы
1 - фертильность, 2 - прорастание, 3 - длина пыльцевой трубки на 3й день, 4 - длина пыльцевой трубки на 5-й день, 5 - содержание
крахмала, 6 - содержание липидов, 7 - развитие гриба на 3-й день, 8
- развигае гриба на 5-й день
Глава 8. Б И О М О Н И Т О Р И Н Г С О С Т О Я Н И Я О К Р У Ж А Ю Щ Е Й
ПРИРОДНОЙ С Р Е Д Ы П Р И Т Е Х Н О Г Е Н Н О М З А Г Р Я З Н Е Н И И
18
Длина пыльц.
Длина пыльц
трубки/ 3-й день трубки/ 5-й день
Рис. 6. Значения показателей фертильности и
жизнеспособности пыльцы выделенных групп
деревьев
Группа
Содержание
липидов
Развитие гриба Развитие гр1Йа/
5-й день
/3-й день
-А-П1Ш1 -а-штг
■пппк
Рис. 7 Значения функциональных показателей пыльцы
выделенных групп деревьев
19
^.7. Палиноиндикация техногенного загрязнения окружающей
природной среды и состояния мужской генеративной системы. В каче­
стве интегральных показателей уровня техногенного загрязнения с^^еды и
состояния генеративной системы растений могут быть рекомендованы по­
казатели длины пыльцевых трубок пыльцы при ее прорастании на искусст­
венной питательной среде; содержания в зрелой пыльце липидов. Уста­
новлено также, что основной вклад в стерильность пыльцы перед пыдением на 111111 3 вносят мелкие дегенерирующие пыльцевые зерна, морфоло­
гически нормальные пыльцевые зерна с признаками некробиоза и дефор­
мированные некротизированные; на 111111 2 - мелкие дегенерирующие
пыльцевые зерна; на 111111 1 - мелкие дегенерирующие и пыльцевые зерна
с аномалиями воздушных мешков Указанные типы аномалий могут быть
использованы для палиноиндикации уровня техногенного загрязнения сре­
ды фторсодержащими веществами. Представленные результаты свиде­
тельствуют о перспективности пыльцевого анализа для биоиндикации тех­
ногенного загрязнения.
8.2. Прогноз состояния лесных экосистем, произрастающих при
техногенном загрязнении. Одним из аспектов биологического монито­
ринга является оценка отдаленных генетических последствий загрязнения
среды мутагенами. Результаты исследования свидетельствуют о возмож­
ности адаптации части деревьев сосны из зоны среднего уровня техноген­
ного загрязнения к условиям произрастания. Интенсивность элиминации
мужских гаметофитов сосны из зоны сильного уровня загрязнения на каж­
дой последующей стадии их развития остается высокой, а значения функ­
циональных показателей пыльцы достоверно ниже фонового уровня. Это
свидетельствует об увеличении генетического груза в данном насаждении.
Результаты исследования позволили заключить, что действующие в зоне
сильного уровня техногенного загрязнения концентрации аэрополлютантов являются критическими для мужской генеративной системы сосны
20
Приведенные факты свидетельствуют об огромном риске для генофонда
сосны обыкновенной, произрастающей на Среднем Урале. Следовательно,
использование для лесовосстановления семенного материала из зон техно­
генного загрязнения требует глубокого и всестороннего анализа возмож­
ных последствий. Анализ гаметофитных стадий онтогенеза сосны является
информативным компонентом биомониторинга техногенного загрязнения,
состояния процессов репродукции и генофонда популяций.
ВЫВОДЫ
1. Мужская генеративная система сосны обыкновенной уязвима к воздей­
ствию техногенного загрязнения окружающей природной среды фторсодержащими аэрополлютантами.
2. Каждая фаза развития пыльцевого зерна характеризуется изменением
комплекса структурных и функциональных признаков, которые следует
учитывать при диагностике его фертильностн.
3 Выявленные особенности спектров аномалий микроспор и пыльцы со­
сны различных насаждений позволили отметить преимущественно му­
тагенный характер воздействия аэрополлютантов в зоне слабого уровня
техногенного загрязнения, уменьшение мутагенного потенциала зафязняющих веществ при снижении уровня техногенного загрязнения
от сильного к слабому, сочетанное мутагенное и эмбриотоксическое
действие аэрополлютантов в зоне сильного уровня техногенного за­
грязнения. Специфическая реакция мужской генеративной системы со­
сны исследуемых насаждений на комплекс действующих в них факто­
ров позволяет использовать ее для диагностики уровня техногенного
загрязнения среды.
4. Насаждение сосны в зоне сильного уровня техногенного загрязнения
характеризуется достоверно значимым снижением структурных и
функциональных показателей мужской генеративной системы, по срав­
нению с насаждениями из зоны среднего уровня загрязнения и фоновых
21
условий. Приведенные факты свидетельствуют об истощении защитных
механизмов и снижении неспецифической устойчивости деревьев к не­
благоприятным факторам внешней среды. Действующие в данном на­
саждении уровни техногенного загрязнения являются критическими для
мужской генеративной системы сосны обыкновенной.
5. Насаждение сосны в зоне среднего уровня техногенного загрязнения
характеризуется высокими значениями структурных и функциональных
показателей пыльцы, сравнимыми с таковыми фонового насаждения,
что свидетельствует об адаптации сосны данного насаждения к услови­
ям произрастания.
6 Выявленные особенности содержания запасных веществ в пыльце со­
сны, произрастающей при техногенном загрязнении, по сравнению с
фоновыми условиями, свидетельствуют о чувствительности липидного
обмена к фактору загрязнения и указывают на важные физиологические
и адаптивные функции крахмала и липидов в мужской генеративной
системе сосны.
7. Проявление фунгицидных свойств пыльцы сосны зависит от генетиче­
ских свойств деревьев и уровня техногенного загрязнения окружающей
природной среды. На препаратах пьшьцы деревьев из зоны сильного
уровня загрязнения развитие мицелия наблюдается в более ранний пе­
риод формирования пыльцевых трубок и в достоверно большей степе­
ни, чем на препаратах пыльцы других насаждений сосны. В фоновом
насаждении с приблизительно равной частотой отмечены деревья, фор­
мирующие устойчивую, неустойчивую и толерантную к грибу пыльцу.
Для насаждения из зоны сильного уровня загрязнения характерны толе­
рантные и неустойчивые формы. Для насаждения из зоны среднего
уровня загрязнения установлена наибольшая частота устойчивых форм.
8 Структура взаимосвязей показателей фертильности и жизнеспособности
пыльцы не зависит от уровня техногенного загрязнения, что свидетель-
22
ствует о жесткой генетической детерминированности данных показате­
лей. Изменения структуры взаимосвязи других показателей (степени
развития на препаратах пыльцы грибного мицелия и жизнеспособности
пыльцы; содержания в пыльце крахмала и липидов) в условиях техно­
генного загрязнения могут иметь адаптивное значение, обеспечивая оп­
ределенный уровень жизнеспособности пыльцы деревьев и популяции в
целом, но могут также свидетельствовать о дезинтеграции свойств
мужской генеративной системы.
9 Во всех насаждениях были выделены группы деревьев с относительно
высокими, средними и малыми для данного насаждения значениями по­
казателей жизнеспособности пыльцы. Деревья первой группы считали
адаптированными, деревья третьей группы - неадаптированными к
уровню техногенного загрязнения. При сравнении аналогичных'групп
деревьев разных насаждений выявлено снижение значений исследуе­
мых показателей мужской генеративной системы при возрастании
уровня техногенного загрязнения.
10 Анализ гаметофитных стадий онтогенеза является перспективным ме­
тодом биоиндикации техногенного загрязнения, состояния процессов
репродукции, прогноза состояния насаждений и селекции адаптирован­
ных форм для лесовосстановления в зонах техногенного загрязнения В
качестве краткосрочных интегральных показателей уровня техногенно­
го загрязнения среды рекомендованы показатели длины пыльцевых
трубок пыльцы при ее прорастании на искусственной питательной сре­
де и содержания липидов в зрелой пыльце.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО Т Е М Е ДИССЕРТАЦИИ
1.
Зуева Г.В., Бабушкина Л.Г., Махнева С.Г Использование цитогенетического анализа в селекции сосны обыкновенной при лесовосстановлении в зоне промышленного загрязнения // Охрана лесных экосистем
23
И рациональное использование лесных ресурсов Тез. докл. Всесоюз­
ной научно-технической конференции. М.: МЛТИ 1991 Ч. 3 С 79-80
2
Махнева С.Г,, Зуева С Г Микроспорогенез и фертильность пыльцы
как критерий состояния репродуктивного процесса сосны обыкновен­
ной в условиях промышленного загрязнения атмосферы // Вклад уче­
ных и специалистов в развитие химико-лесного комплекса. Тез докл
науч.-техн. конф. Екатеринбург, УГЛТИ. 1993. С. 49-50.
3
Зуева Г.В , Махнева С.Г Фертильность пыльцы сосны обыкновенной
в условиях промышленного загрязнения атмосферы // Леса Урала и
хозяйство в них. Екатеринбург, 1993. УЛТИ. С. 225-237
4
Махнева С Г , Бабушкина Л.Г. Состояние репродуктивной системы
сосны обыкновенной как интегральная характеристика толерантности
растений к антропогенным нагрузкам // Биологическая рекультивация
нарушенных земель. Тез. докл. Междунар. совещ. Екатеринбург, 26-29
августа 1996 г. Екатеринбург, УО РАН, 1996. С. 101.
5
МахневаС Г , Зуева Г В., Бабушкина Л.Г Цитоэмбриологические критерпи отбора толерантных форм сосны обыкновенной для лесовосстановлення в условиях техногенного загрязнения // Леса Башкортостана
современное состояние и перспективы Материалы науч -практич
конф. Уфа, 1997. С. 136.
6
Махнева С Г , Зуева Г В. Качество пыльцы сосны обыкновенной в ус­
ловиях антропогенного загрязнения среды // Леса Урала Екатерин­
бург, УГЛТА, 1998. С. 37 - 43
7.
Махнева С Г Индуцированные цитогенетические аномалии - индика­
торы техногенного загрязнения // Экологический мониторинг лесных
экосистем: Тез. докл. Всерос. Совещ. 6-10 сентября 1999 г. Петроза­
водск, 1999 С. 51.
24
8
Махнева С.Г. Селекция сосны на устойчивость к техногенному за­
грязнению среды аэрополлютантами // Биологическая рекультивация
нарушенных земель. Екатеринбург. УрО РАН, 2003 г. С 299-310.
9
Махнева С.Г. Качество пьшьцы и особенности микрогаметогенеза со­
сны обыкновенной при техногенном загрязнении среды // Экологиче­
ские проблемы промышленных регионов. Екатеринбург, 2000 С. 117,
10 Махнева С Г. Генеративная сфера сосны обыкновенной в биомонито­
ринге состояния природной среды // Экологические проблемы про­
мышленных регионов. Екатеринбург, 2003. С. 186.
11. Махнева С.Г., Бабушкина Л.Г,, Зуева Г.В. Состояние мужской генера­
тивной сферы сосны обыкновенной при техногенном загрязнении сре­
ды. Екатеринбург: УГЛТА, Изд-во Урал, ун-та, 2003 154 с.
12 Махнева С.Г. Гетерогенность форм сосны обыкновенной по устойчи­
вости пыльцы к грибу // Адаптация биологических систем к естест­
венным и экстремальным факторам среды. Матер. Всерос. науч. конфер. 11-15 октября 2004 г, Челябинск Изд-во ЧГПУ, 2004. С. 46-51
Подписано в печать 7 99 Pf
. Объем 1 п.л.. Заказ № 345. Тираж 100.
Уральский государственный лесотехнический университет.
Отдел оперативной полиграфии.
620032. г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37.
»г^760
Р Н Б Русский фонд
2006-4
21622
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 019 Кб
Теги
bd000102003
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа