Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Кариологические исследования, позволяющие получить информацию о структурной организации хромосомного аппарата (числе, величине и форме хромосом), являются основополагающими в современной систематике и филогении при построении естественных систем, особенно при решении сложных вопросов в этой области, касающихся установления эволюционных взаимосвязей между таксонами различного ранга, сопряженности структурных преобразований кариотипов и изменений морфологических признаков, внутривидовой дивергенции и адаптивной эволюции. Кариологические методы позволяют глубже и детальнее (чем морфологические, с помощью которых ранее изучалась флора Беларуси) познать внутривидовое биоразнообразие, генофонд природной флоры, облегчить оптимальное решение вопросов рационального использования и охраны природных ресурсов.
Важное значение приобретают кариологические исследования в связи с возрастанием антропогенной нагрузки на природный комплекс. Одним из наиболее опасных ее проявлений является загрязнение окружающей природной среды в результате хозяйственной деятельности. Многие загрязнители как сами по себе, так и при комплексном действии являются мутагенно активными. Они способны вызывать не только генные, но хромосомные и геномные мутации, которые могут приводить к структурным преобразованиям кариотипов и явиться предпосылкой для их закрепления в процессе эволюции. Не исключена также вероятность в будущем различных по своим масштабам природных катаклизмов, которые могут сопровождаться аналогичными последствиями. В связи с этим сведения о структуре кариотипов определенных представителей природных сообществ на данной территории необходимы для использования их в качестве контрольных при оценке последствий воздействия неблагоприятных факторов. В этом отношении наибольшее значение имеет изучение видов, обитающих в условиях наименьшей антропогенной нагрузки, что характерно для охраняемых природных территорий. Одним из аспектов таких исследований является долгосрочный цитогенетический мониторинг, позволяющий выявить временную и пространственную динамику мутационных процессов, определить величину мутационного груза и косвенно оценить состояние окружающей среды. Другой их аспект - выявление микроэволюционных преобразований кариотипов и связанных с ними процессов внутривидовой дивергенции, формо- и видообразования.
Велика роль кариологической Информации при необходимости вовлечения представителей природной флоры в селекционный процесс как источника ценного генетического материала. В настоящее время возможности и перспективы исследований в этом направлении значительно расширились в связи с развитием генетической инженерии. Следует подчеркнуть, что достаточно репрезентативное кариологическое изучение флоры Беларуси проведено нами впервые.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с плановыми темами лаборатории флоры и систематики
растений Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича 11ЛІ Беларуси: «Изменение флоры под влиянием антропогенных (техногенных) факторов) (1976-1982 гг.), № гос. per. 76901011; «Провести оценку степени антропогенной транс формации разнотипных природных комплексов и состояния естественного генофонда г связи с разработкой территориальной схемы комплексного использования природны ресурсов и охраны природы Белоруссии» (1981-1985 гг.), № гос. per. 81101919; «Флорі заповедных территорий (современное состояние, динамика и охрана редких видов)) (1983-1987 гг.), № гос. per. 01. 830008969; «Биосистематическое изучение флоры охра няемых территорий» (1988-1991 гг.), № гос. per. 01. 88. 0041479; «Флора Беларуси (так сономический состав, морфология, биология, география и хозяйственное значение рас тений» (1992-1996 гг.), № гос. per. 1999716.
Цель и задачи исследования. Основная цель работы заключалась в том, чтобь представить кариологическую характеристику флоры Беларуси, отражающей основпы черты флоры умеренной зоны Северного полушария. Для ее решения были поставлень следующие задачи:
-
Определить хромосомные числа (ХЧ) у различных представителей природної флоры Беларуси и получить иллюстрации кариотилов (микрофотографии, рисунки) отображающие их структурную организацию.
-
Для кариологически дифференцированных на территории Беларуси видов расте ний показать возможность и целесообразность присвоения внутривидовым хромосом ным расам определенного таксономического ранга.
-
На основе анализа литературных и собственных результатов исследования вы явить ключевые модельные объекты, дальнейшее изучение которых могло бы внест наибольший вклад в познание путей, механизмов и закономерностей адаптивных эволю ционных изменений морфологических и кариологических признаков в их взаимосвязи.
-
Определить кариологическую структуру флоры, показать ее связь с флорогене зом и выявить роль геномных мутаций в ее генезисе.
-
В связи с важным значением цитогенетических исследований для оценки состоя ния природной среды уточнить и модифицировать методические подходы проведенії: цитогенетического мониторинга с учетом кариологической характеристики видов. Вы делить наиболее подходящие виды растений для использования их в качестве модельны: объектов при проведении цитогенетического мониторинга в Беларуси и в сопредельны: регионах.
-
Представить кариологическую характеристику флоры Березинского биосферноп заповедника как модельного исторически сложившегося природного комплекса, в паи меньшей мере подверженного воздействию антропогенной нагрузки, с целью использо вания полученных данных в качестве контрольных для выявления возможных измене ний в структуре кариотипов при воздействии экстремальных факторов.
-
Выявить цитогенетические последствия вызванного Чернобыльской катастрофо: хронического облучения природных популяций растений, и отразить микроэволюцион ную роль радиационного фактора.
Объект и предмет исследования. Объектом исследований послужил
широкий спектр видов из различных сие тематических групп, в достаточной мерс отражающий таксономическую структуру флоры Беларуси. Изучению подверглись 724 вида растений (из 2315 местообитаний), относящихся к 84 семействам и 360 родам. Предметом исследований явились кариотипы растений (число, форма и величина хромосом). На основе полученных данных определялась кариологнческая структура флоры, анализировались особенности ее генезиса и выяснялась роль геномных мутаций в ее формировании. У кариологически дифференцированных видов на гербарном материале и в природных условиях изучались фенотипические особенности циторас. При изучении эффектов зозлействия радиоактивного загрязнения предметом исследования явились цитогенети--іеские аномалии в процессе митоза, морфологические (радиоморфозы) и физиологиче-;кие отклонения.
Методология и методы проведения исследования. В основу методологии поло-кек выбор современных методов исследований в соответствии с выше поставленной ценно и задачами. При изучении кариотипов использовалась общепринятая цитологиче-кая методика, заключающаяся в предобработке исследуемого материала с целью со-'.ращения и достижения хорошего разброса хромосом, его фиксации, окраске и изготов-снии препаратов. Изучение мутагенеза проводилось с использованием ана-телофазного іетода, основные этапы которого аналогичны предыдущему методу. Параметры хромо-ом исследованы на основе рекомендаций, изложенных в работе Агаповой, Грифа 1982). Обработка цифрового материала проводилась с помощью методов вариационной татистики. Анализ полученных результатов основан на системном подходе, позволяю-ієм выявить структурную организацию кариотипов и особенности протекания изучае-ых процессов на клеточном, организменном, популяциояном и видовом уровнях.
Научная новизна и значимость полученных результатов. В настоящей работе первые представлена кариологнческая характеристика флоры Беларуси как представи-гля флоры умеренной зоны Северного полушария и отражена роль геномных мутаций в : генезисе. Полученные данные дополняют и расширяют существующие представления кариологических особенностях видов растений (кариологической константности или іменчивости и ее формах) на территории их обширных ареалов, что является основой ільнсйших целенаправленных биосистематических исследований по построению есте-венных систем в конкретных таксономических группах. Впервые установлена карио-)гнческая структура флоры Беларуси (определена доля различающихся по уровню пло-шости видов) в связи с ее генезисом.
Основываясь на собственных соображениях и литературных данных, модифициро-ны и уточнены методические подходы, способствующие оптимальному проведению [тогенетического мониторинга с учетом кариологической характеристики видов, что в ловиях все возрастающего антропогенного прессинга имеет важное значение для енки состояния природной среды и выявления возможных эволюционных преобразо-шій кариотипов (Дмитриева, Парфенов, 1991). В связи с этим представлена кариоло-ческая характеристика 515 видов растений Березинского биосферного заповедника как
4 особо охраняемой территории; полученные данные могут быть использованы в качестве контрольных при оценке последствий воздействия экстремальных факторов на кариотипы растений.
Получены обстоятельные оригинальные данные о биологических (главным образом цитогенетических) эффектах воздействия радиоактивных выбросов Чернобыльской катастрофы. Они отражают динамику хромосомных мутаций в последовательных поколениях растений, особенности протекания адаптогенеза, а также свидетельствуют о генетической опасности воздействия повышенного радиационного фона. Полученные в этой области данные уникальны и неповторимы.
Практическая значимость полученных результатов. Данные о ХЧ, полученные в процессе выполнения работы, включены в справочник «Хромосомные числа флоры Советского Союза» (Агапова и др., 1990, 1993). Они также используются при подготовке к изданию фундаментального труда «Флора Беларуси» и будут использованы при подготовке запланированного издания «Биологическая флора» этого региона.
Материалы по кариологии флоры используются в курсе лекций и практических занятий по цитогенетике в Томском государственном университете и могут быть включены в учебные программы других ВУЗов биологического профиля.
Сведения о кариотипах необходимы при использовании генофонда природной флоры в качестве источника ценного генетического материала. В этом случае они определяют выбор наиболее оптимальных путей и методов селекционного процесса.
С целью документации результатов кариологических исследований собрано около 5000 образцов гербария.
Показана реальная возможность и целесообразность оценки современной экологической ситуации в Беларуси с помощью цитогенетических методов на основе растительных объектов. Полученные при этом данные о мутагенной активности выбросов Чернобыльской катастрофы при невысоких дозовых нагрузках (малых дозах), имеющих место за пределами 30-километровой зоны, являются основанием для разработки путей рационального использования загрязненных территорий и включены в ряд практических предложений.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Кариологическая характеристика видов растений и выявленная на ее основе ка-риологическая структура флоры в целом.
-
Роль геномных мутаций в генезисе флоры Беларуси, отражающей основные черты флоры умеренной зоны Северного полушария.
-
Методические подходы к проведению цитогенетических исследований в области контроля состояния природной среды и эволюционных преобразований кариотипов.
-
Цитогенетические эффекты воздействия повышенного радиационного фона, обусловленного Чернобыльской катастрофой и роль радиационного фактора в микроэволюционных преобразованиях кариотипов.
Личный вклад соискателя. В основу работы положены исследования, выполненные за период 1975-1998 гг. Сбор материала в природе проводился преимущественно
самим автором в составе комплексных экспедиций или групповых поездок сотрудников лаб. флоры и систематики и ралнепко.чопш. За указанный период собрано свыше 5000 образцов гербария, документирующего кариологическне исследования. Ка-риологический анализ (определение ХЧ, получение иллюстраций кариотипов) проведен лично автором. Исследованию подвергнуты образцы 724 видов из 2315 местообитаний. Основная часть исследований в области цитогенетнческого мониторинга в связи с последствиями Чернобыльской катастрофы выполнена автором. Анализ и обобщение полученных данных проведены автором.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации доложены на 26 республиканских, всесоюзных, международных совещаниях, конференциях, съездах: I-IV совещ. по кариологии и кариосистематике растений (Минск, 1986, Новосибирск, 1989, Санкт-Петербург, 1992, 1999); на заседании лаборатории изменчивости и систематики растений Института ботаники Академии наук Польши (Краков, 1987), I-IV координац. совещ. по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС (Пущино, 1987, 1988, 1990, Сыктывкар, 1989), республ. науч.-практ. конф. по радиобиологии и радиоэкологии (Минск, 1988, 1990 гг.), I и II радиобиологических съездах (Москва, 1989, Пущино, 1993 г), III съезде по радиационным исследованиям (Киев, 1997), I Между нар. конф. «Биологические и радиоэкологические аспекты последствий аварии на Чернобыльской атомной станции» (Зеленый мыс, 1990), Всесогоз. конф. «Радиобиологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС» (Минск, 1991), IV Всесоюз. науч. конф. «Экологическая генетика растений и животных» (Кишинев, 1991), Всесоюз. конф. ((Проблемы прикладной радиобиологии» (Чернигов, 1990), VIII Москов. совещ. по филогении растений (Москва, 1991 г.), VI съезде Всесоюз. о-ва генетиков и селекционеров (Минск, 1992 г.), IV рабоч. совещ. по сравнительной флористике (Березинский заповедник, 1993 г.), Междунар. рабоч. совещ. по Чернобыльской экологии, исслед. сети (Минск, 1995), Междунар. конф. «Ближайшие и отдаленные последствия ядерных катастроф: Хиросима, Нагасаки и Чернобыль» (Минск, 1994 г.), V науч. конф. памяти проф. А. А. Уранова (Кострома, 1996), Междунар. науч. конф. «Фундаментальные и прикладные аспекты радиобиологии...» (Минск. 1998). Результаты работы также неоднократно докладывались на ботаническом семинаре института.
Опубликоваиность результатов. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 59 работах; из них 3 монографии, 20 статей, 28 тезисов докладов. В материалах съездов и конференций опубликовано 8 работ. Общее количество страниц опубликованных материалов - 508.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, основной части, представленной 4 главами, заключения, списка ис-гользованных источников и приложений. Общий объем диссертации составляет 486 ;тр., из которых 12 стр. занято 14 таблицами, 4 стр. - 5 иллюстрациями, 88 стр.- списком іспользованньїх источников, 170 стр. - приложениями. Приложения включают краткую колого-географическую характеристику исследуемых образцов с указанием их коллек-[ионного номера, фамилий коллекторов и года сбора, а также ряд таблиц вспомогатель-
пою харакгера. Здесь же приведена 151 иллюстрация (микрофотографии и рисунки) кариотипов 108 видов растений. Список использованных источников включает 1542 наименования, в том числе 1025 иностранных.