Содержание к диссертации
Введение
1. Леса как важнейший элемент биосферы 11
2. Мониторинг среды. типы мониторинга 13
2.1 . Мониторинг лесных экосистем как подсистема экологического мониторинга. Понятие экологической ситуации 16
2.2. Цитогенетическии мониторинг как составляющая мониторинга лесных экосистем 19
2.3. Критерии цитогенетического мониторинга. Принципы подбора тест-объектов 19
3. Сосна обыкновенная как объект для цитогенетического мониторинга в цчр 23
4. Леса ЦЧР. рекреационная функция лесов 31
5. Материал и методы цитогенетических исследований. статистическая обработка экспериментальных данных 36
6. Характеристика мест проведения исследований и объектов 39
6.1. Характеристика Усманского бора 39
6.2. Характеристика Цнинского бора 46
6.3. Характеристика Советского района г. Воронежа 51
6.4. Характеристика объектов 53
7. Результаты и их обсуждение 54
7.1. Специфика митоза у сосны обыкновенной 54
7.2. Показатели митоза, используемые как критерии цитогенетического мониторинга 58
7.3. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной насаждений Усманского бора 66
7.3.1. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной аутохтонного насаждения Усманского бора 66
7.3.2. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной культур Усманского бора 73
7.3.3. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной насаждений самосева Усманского бора 77
7.3.4. Сравнительный анализ цитогенетических показателей сосны обыкновенной из насаждений различного происхождения из Усманского бора. Оценка экологической ситуации в насаждениях бора 81
7.4. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной из Цнинского бора 86
7.4.1. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной естественных насаждений Цнинского бора 86
7.4.2. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной культур Цнинского бора 90
7.4.3. Сравнительный анализ цитогенетических показателей сосны обыкновенной из насаждений различного происхождения из Цнинского бора. Оценка экологической ситуации в насаждениях бора 95
7.5. Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной из Советского района г.Воронежа. Оценка экологической ситуации в Советском районе г.Воронежа 99
Заключение 104
Выводы 106
Список литературы 108
- Мониторинг лесных экосистем как подсистема экологического мониторинга. Понятие экологической ситуации
- Характеристика Советского района г. Воронежа
- Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной насаждений Усманского бора
- Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной из Цнинского бора
Введение к работе
Актуальность темы. Хозяйственная деятельность человека одновременно воздействует на почвенный покров, атмосферу, поверхностные и подземные воды, что вызывает развитие взаимосвязанных негативных природных процессов: смыв почв, рост оврагов, снижение уровней подземных вод, обмеление рек, ухудшение влагообеспеченности почв, загрязнение атмосферы, природных вод и почвенного покрова.
Изменение среды обитания человека, связанное, прежде всего, с ее загрязнением, влечет за собой ряд негативных последствий, в том числе и рост заболеваемости населения. В этих условиях необходимо проведение комплекса эффективных природоохранительных мероприятий, препятствующих развитию негативных природных процессов. Эффективность такого рода мероприятий можно оценить в процессе проведения экологического мониторинга, предусматривающего наблюдение за состоянием природной среды, контроль и прогнозирование последствий хозяйственной деятельности человека. Особое место в системе экологического мониторинга принадлежит цитогенетическим методам анализа, оценивающим влияние факторов стресса непосредственно на генетический аппарат организма.
Древесные растения являются удобными тест-объектами для цитогенетического мониторинга. Обоснованным является использование местных видов, более приспособленных к условиям произрастания. Важным является изучение внутривидовой изменчивости насаждений, выбранных в качестве тест-системы, в связи, с чем необходимо оценить различные по происхождению лесные массивы для получения целостной картины состояния популяции. Цитогенетические показатели позволяют судить о состоянии популяции, на основании чего можно делать выводы о генетической стабильности вида в целом.
Глобальная роль леса не исчерпывается его влиянием на климат планеты. За годы индустриального развития планеты, начиная с эпохи промышленной революции (примерно с 1800 г.), было истреблено больше половины площади лесов. Более 90% уничтоженных лесов приходится на XX век. Редукция и деградация лесного покрова нашей планеты, происходят со средней скоростью 0,5-0,6% площади лесов в год. Столь стремительное сокращение лесного покрова в связи с трансформацией лесных земель в другие виды землепользования, а, по сути, - уничтожение лесов планеты, привело к переоценке роли лесов в жизни человечества, обнаружив доминирование глобальной и социальной сущности лесов над ресурсной.
Следует отметить и тот факт, что природные первичные (аутохтонные) леса обладают рядом весьма ценных свойств, которые присущи не в полной мере и не всем искусственно создаваемым лесонасаждениям. Поэтому важно правильно оценить значение природных лесов и в соответствии с этим установить надлежащее отношение к ним и способы их восстановления.
Одной из основных лесообразующих пород в ЦЧО является сосна обыкновенная. В Воронежской области стоит отметить участки аутохтонных насаждений в Усманском и Хреновском борах, в Тамбовской области в Цнинском бору. В соответствии с Лесным кодексом РФ они выделены в качестве особо ценных лесов и служат источниками семян для лесовосстановительных работ в Воронежской, Тамбовской и смежных областях. Также в этих борах присутствуют искусственно созданные насаждения различных древесных пород, качество которых оценивается высоко. Цитогенетический мониторинг различных лесонасаждений проводится на кафедре генетики уже более 10 лет, в частности мониторинг Усманского бора на территории Воронежской области, выделенного в категорию особо ценных лесов и поэтому принятого нами за эталон [148; 149]. Настоящая работа служит очередным этапом таких исследований, с одной стороны, а также включает данные цитогенетического мониторинга Цнинского бора. Также мы приводим данные цитогенетического изучения насаждений сосны урбоэкосистемы парка Советского района г.Воронежа, в связи с тем, что эти культурные насаждения выращены из семян, полученных из Усманского бора Очень важно проводить мониторинговое исследование лесов для составления целостной картины состояния лесных ресурсов .нашей страны. Этому и посвящена данная работа.
Цель работы состояла в цитогенетической оценке состояния насаждений различного происхождения сосны обыкновенной из Усманского и Цнинского боров по показателям митоза у семенного потомства произрастающих там деревьев и охарактеризовать экологическую ситуацию в местах их произрастания.
Задачами наших исследований являлось:
1) изучение семенного потомства деревьев сосны обыкновенной из насаждений разного происхождения и условий произрастания на территории Усманского бора по следующим цитогенетическим показателям: митотической активности, патологиям митоза, частоте встречаемости микроядер, ядрышковой активности;
2) изучение цитогенетических характеристик семенного потомства сосны обыкновенной Цнинского бора (по сходной схеме);
3) изучение цитогенетических характеристик семенного потомства сосны на площадях, испытывающих антропогенное воздействие (по тем же показателям);
4) проведение сравнительной оценки изменчивости цитогенетических показателей у семенного потомства сосны из насаждений Усманского и Цнинского боров;
5) оценка состояния аутохтонных насаждений Усманского и Цнинского боров по цитогенетическим показателям семенного потомства деревьев сосны обыкновенной и характеристика экологической ситуации в местах
произрастания исследуемых насаждений (в соответствии с балльной шкалой В.М. Захарова).
6) оценка состояния насаждений урбосистемы (Советский р-н г.Воронежа) в сравнении с насаждениями Усманского бора (в соответствии с балльной шкалой В.М. Захарова).
Научная новизна работы. Впервые дана оценка состояния лесов Цнинского бора по цитогенетическим показателям семенного потомства деревьев сосны обыкновенной. Выполнен сравнительный анализ цитогенетических показателей семенного потомства деревьев из различных по происхождению насаждений сосны из Цнинского бора (аутохтонных и культур) в сравнении с результатами исследования различных по происхождению насаждений сосны из Усманского бора. Получены данные мониторинговых исследований различных по происхождению лесов Усманского бора по цитогенетическим показателям в условиях различной рекреационной нагрузки. Дана оценка состояния насаждений урбосистемы Советского района г. Воронежа в сравнении с насаждениями сосны Усманского бора.
Теоретическая значимость работы. Установлен невысокий уровень цитогенетической изменчивости у деревьев сосны, произрастающих в экологически благопрятных условиях, что служит доказательством, полученным на клеточном уровне, широкой нормы реакции и адаптивности вида к колебаниям внешней среды. Экстремальные условия произрастания -загазованность, загрязнение почвы, сильная рекреационная нагрузка, как показали результаты цитогенетического изучения сосны в городских насаждениях, — вносят основной вклад в процесс ее изменчивости
. Практическая значимость работы. Дана оценка качества семенного материала по его цитогенетическим показателям деревьев сосны обыкновенной Усманского бора из насаждений разного происхождения (аутохтонные, культуры и самосев). Семена, собранные в аутохтонных насаждениях и в культурах высокопродуктивных насаждений, полученных из семян местного происхождения, по цитогенетическим показателям можно оценить как качественные и пригодные для использования в лесовосстановительных работах. Семена деревьев, выросших из самосева сосны, а также из районов с повышенной антропогенной нагрузкой, следует признать нежелательными для лесовосстановительных работ в связи со значительными нарушениями их генетического аппарата.
Показана целесообразность проверки качества семян методами цитогенетического анализа, которые позволяют судить о степени стабильности генома семенного потомства деревьев сосны. На основании изучения полученных цитогенетических данных можно признать состояние насаждений Усманского и Цнинского боров (аутохтонных и культур) удовлетворительным.
Положения, выносимые на защиту
1. По цитогенетическим характеристикам семенного потомства аутохтонных насаждений и культур сосны обыкновенной Цнинского и
Усманского боров можно судить о том, что состояние этих лесных массивов является удовлетворительным, несмотря на то, что присутствие в клетках некоторых индивидов микроядер является сигналом начинающихся негативных изменений их генетического аппарата. Наблюдаемые различия по цитогенетическим показателям у семенного потомства сосны обыкновенной аутохтонных насаждений из Усманского и Цнинского бора находятся в пределах нормальной изменчивости этих показателей, а отсутствие достоверных различий по цитогенетическим показателям семенного потомства культур сосны обыкновенной из Цнинского бора с аутохтонными насаждениями Усманского бора (контроль) свидетельствует о возможности использования таких культур в качестве источников семян.
2. Более низкое значение показателя МИ и более высокое значение показателя ПМ у семенного потомства сосны обыкновенной от самосева в Усманском бору по сравнению с таковыми из естественных насаждений могут быть следствием низкого качества исходного семенного материала, обусловленного, возможно, неблагоприятными погодными условиями в период заложения генеративных органов у материнских деревьев, поскольку урожай семян сосны создается под влиянием комплекса метеорологических условий, воздействующих на различные генетические структуры и этапы развития семени.
3. Наибольшее число цитологических нарушений встречается в клетках семенного потомства сосны обыкновенной паркового насаждения Советского района г. Воронежа, где экологическая ситуация наиболее неблагополучная из исследованных нами районов. Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международном совещании «Кариология, кариосистематика и молекулярная систематика растений» (Санкт-Петербург, 2005), на международном совещании «Современные проблемы интродукции и сохранения биоразнообразия» (2007 г.), а также на научных конференциях ВГУ (2005, 2006 и 2007).
За статью, написанную по материалам диссертации, получен диплом лауреата конкурса Министерства природных ресурсов РФ «Рациональное природопользование и охрана окружающей среды - стратегия устойчивого развития России в XXI веке» (2006).
Часть исследований выполняласьв рамках и при частичной финансовой поддержке НИОКР Федерального агенства по науке и инновациям «Цитогенетические реакции древесных растений (на примере лиственных и хвойных) на стрессовые условия, обусловленные антропогенным загрязнением, и оценка генотоксичности окружающей среды для человека по цитогенетическим показателям древесных растений» (государственный контракт№ 02.512.11.2130).
Публикации. Результаты диссертационной работы представлены в 8 публикациях, в том числе в журналах «Известия РАН» и «Успехи современной биологии».
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы, включающего 306 наименований. Работа содержит 139 страницы, 12 таблиц и 31 рисунок.
Работа выполнена при поддержке Центра экологической политики России при Правительстве РФ в рамках программы «Здоровье среды — здоровье человека».
Автор выражает благодарность научному руководителю Буториной А.К., профессору ВГЛТА Чернодубову А.И. и всему коллективу кафедры генетики, цитологии и биоинженерии Воронежского госуниверситета за помощь в выполнении работы.
Мониторинг лесных экосистем как подсистема экологического мониторинга. Понятие экологической ситуации
Процесс антропогенных изменений:лесньгх экосистем-сопровождается многими нежелательными последствиями: вымиранием, ряда видов1 растений и: животных,; общим; обеднением флоры и фауны, уменьшением биологического разнообразия; снижением;; устойчивости? m продуктивности сообществ; утратой средообразующих; функций- [190; 198]: Это; в свою очередь, влияет m на человека чья жизненная- среда неотделима от окружающешсреды. ,: Мониторинг.лесных;экосистем:-/подсистема.экологического, монито ринга биосферы;, осуществляющая» постоянное слежение за, состоянием и уровнем антропогенных изменений і лесных сообществ: на! фоне естественной; динамики [190]і ; . / При; этом; одним из: наиболее информативных компонентов- может оказаться щитогенетическиШ метод,, позволяющий, отслеживать генетические изменения; до; их проявления в фенотипе [34; 110; 111]1 Задача: лесного; мониторинга состоит прежде; всего; в: том, чтобы вовремя» сигнализировать, обо; всех случаях, когда антропогенные: нагрузки; на лесные ценозы превышают допустимую норму. [241], порог устойчивости,, после которого наступают необратимые: процессы; деградации;: когда возникает опасность резкого- снижения; продуктивности, сообществ, создается; угроза.вымирания редких и ценных видов;растений;и; животных. [257]1 :" До последнего времени мониторинг лесов России рассматривался- как метод решения частных задач, связанных с. оценкой динамики; или состояния лесов и лесного, фонда (охрана лесов: от пожара, лесопатологическре состояние лесов; лесопользование и лесовосстановление; повреждение лесов промышленными выбросами и т.д.) [36; 113; 162]. ,
В конце 70-х - начале 80-х годов XX столетия; предложен новый концептуальный подход к мониторингу лесов, как комплексной многофункцио 17 нальной и разноуровневой системе, базирующейся на средствах аэрокосмической и вычислительной техники [208; 209].
В современных условиях мониторинг лесов России рассматривается в качестве комплексной аэрокосмической системы, объединяющей в единое целое совокупность частных мониторингов [205; 230]. Объединяющим началом (ядром) является единая многоцелевая геоинформационная система (ГИС), имеющая в своем составе картографическую и тематическую информацию [232]. Комплексный мониторинг лесов должен обеспечить решение всего многообразия задач, связанных с получением информации о статике и динамике природной среды в целом [69; 106; 242].
На основе получаемой в результате мониторинговых исследований информации дается оценка экологической ситуации в регионе.
Экологическая ситуация понимается как пространственно-временное сочетание различных, в том числе позитивных и негативных с точки зрения проживания и состояния человека условий и факторов, создающих определённую экологическую обстановку на территории разной степени благополучия или неблагополучия. Под экологической обстановкой понимается конкретное состояние окружающей человека среды, обусловленное взаимодействием природы и хозяйственной деятельности человека.
Экологическая ситуация формируется в результате влияния двух основных факторов - загрязнения среды, ведущего к разрушению ее равновесия, и ее самоочищения (самовосстановления). Оба эти фактора очень изменчивы во времени и в пространстве. При этом если загрязнение зависит от производственно-экономических условий (отраслевая структура хозяйства, масштабы производства, наличие очистных сооружений и другой природоохранной инфраструктуры и т.п.), то самоочищение - это естественная характеристика природной среды, _ определяемая географическим положением, характером атмосферной циркуляции, особенностями климата, рельефа, почвенно-растительного покрова и других природных условий.
Проведение оценки состояния среды необходимо как в пространстве -путем выявления отличий между разными местообитаниями, так и во времени - путем выявления изменений состояния среды в определенном месте в течение, например, нескольких лет [68].
Как отмечают Захаров и соавторы [101; 103], генетические изменения в соматических клетках представляют собой интегральный показатель гомеостаза развития [110; 112]. Наличие генетических нарушений является индикатором стресса, ведущего к появлению аномальных клеток и снижении иммунного потенциала организма элиминировать подобные нарушения [114; 305]. Такие генетические нарушения могут быть выявлены как на хромосомном, так и на молекулярном уровне.
Оценка структурных и числовых изменений хромосом в соматических клетках (включая микроядерный тест) обеспечивает характеристику стрессового состояния организма.
Интегральная характеристика цитогенетическгого гомеостаза нами проводилась с использованием предложенной В.М. Захаровым [104] балльной шкалы оценки:
1. Условно нормальное состояние: частота встречаемости аберрантных клеток или клеток с патологиями митоза - до 3,5%.
2. Низкая степень отклонений: частота встречаемости аберрантных клеток или клеток с патологиями митоза - 3,5-6%.
3. Средняя степень отклонений: частота встречаемости аберрантных клеток или клеток с патологиями митоза — 6-9%.
4. Высокая степень отклонений: частота встречаемости аберрантных клеток или клеток с патологиями митоза - 9-12%.
5. Критическое состояние: частота встречаемости аберрантных клеток или клеток с патологиями митоза — выше 12%. Условно нормальный уровень находится в пределах колебанийспонтанной частоты аберрантных клеток [259]. Это весьма вариабельный показатель, зависимый от вида, возраста, физиологического состояния и генетических особенностей организма. Мы использовали данную шкалу для оценки состояния наших объектов и степени генетических рисков для человека
Характеристика Советского района г. Воронежа
Наряду с оценкой состояния сосновых насаждений ЦЧО мы проводили цитогенетический анализ паркового насаждения сосны обыкновенной на территории Советского района г.Воронежа, как на антропогенно загрязняемой территории [273]. Необходимо подреркнуть, что культуры сосны обыкновенной паркового насаждения Советского района г. Воронежа получены из семян, собранных в Усманском бору. Территория парка (25 га) несет также большую рекреационную нагрузку, здесь есть детская площадка и построен спортивный комплекс.
Парковые насаждения сосны в Советском районе г.Воронежа представляют собой культуры, созданные из семян Усманского бора. Советский район расположен в юго-западной части г. Воронежа и занимает площадь 15 640 га. По данным Комитета по охране окружающей среды г. Воронежа, на территории Советского района размещены свыше 70 предприятий различной формы собственности и отраслей промышленности [135]. Например, имеются крупные заводы машиностроительного профиля -Воронежский механический завод и КБ Химавтоматики; радиоэлектронной отрасли - АО «Риф» и АО «Эталон»; строительной индустрии - АО «Воронежский комбинат строительных материалов» (бывший завод силикатного кирпича), АО «ЖБИ-2», ТОО «Воронежский керамический завод», КПД-2, ЖБК, АБЗ; пищевой промышленности - АО «Тобус», АО «Яблоко» (бывший консервный завод), АО «Воронежрыба», пивзавод «Воронежский», а также молочный и мясоперерабатывающий заводы ОПС, многочисленные автотранспортные предприятия и крупные объекты теплоэнергетики котельные АО Воронежэнерго», МП «Воронежтеплосеть», Дирекции ВАСТ, КП «Рубикон» (бывший тепличный совхоз «Советский») [72]. Так, в 1999 г. вклад производства основных отраслей промышленности в загрязнение окружающей среды Советского района остается на достаточно высоком уровне и обусловлен резким снижением внедряемых природоохранных мероприятий, ростом различных коммерческих структур, арендующих производственной площади без необходимой модернизации оборудования, увеличением количества индивидуального автотранспорта и ростом амортизационного износа автомобилей (70%) [71; 73; 171]. Таким образом, основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха города вносит автотранспорт [74]. В районе имеется немало автотранспортных предприятий: ПАТП-3, ПАТП-4, Автоколонна-1747, АО «Автокомплекс», спецавтобаза по саночистке города и крупных автогаражных кооперативов: «Электрон», «Робот», «Искра», «Новатор», «Чайка» и др. Всего на предприятиях Советского района насчитывается 1497 действующих источников загрязняющих веществ в атмосферу, в том числе организованных неорганизованных - 217. Наибольший вклад в суммарный выброс предприятий района вносят предприятия сельскохозяйственной отрасли 33,7%, промышленности строительных материалов - 25,9%, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности - 13,8%, пищевой промышленности - 7,8%, электроэнергетической - 7,5%, топливной - 3,7%, транспортной - 3,6%, других видов промышленности - менее одного процента [237]. На территории района имеется ряд предприятий, использующих в своем производстве сильнодействующие ядовитые вещества, среди которых: АО «Воронежрыба», мясоперерабатывающий завод ОПС, где в качестве хладоагента используется аммиак, КБ Химавтоматики, где используются компоненты - гептил и амил [75]. Так, обширная палитра производств предприятий Советского района обуславливает и многообразие образующихся отходов. Это и высокотоксичные производственные отходы, такие как гальваношламы и отработанные ртутьсодержащие люминесцентные лампы, легковоспламеняющиеся жидкости, которые в соответствии с требованиями к подобного рода отходам временно хранятся на специально оборудованных площадках предприятий. Расположенные на территории Советского района г.Воронежа культуры сосны произрастают на супесчаных черноземах. Почвы города в целом в разной степени загрязнены тяжелыми металлами, нефтепродуктами [253; 286], однако стоит отметить, что территория Советского района в целом имеет допустимый уровень загрязнения [166; 258]. Загрязнение почв крупных парков города и окрестных лесов представляет особый интерес ввиду того, что оно в интегральной форме отражает загрязнение городской среды в течение длительного отрезка времени [211].
6.4. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ Объектом для данной работы была выбрана сосна обыкновенная - Pinus sylvestris.L. Это одна из основных лесных пород, произрастающих в Цнинском и Усманском борах - уникальных насаждениях Центрально-Черноземного региона, и это дало нам возможность сравнить цитогенетические показатели как деревьев, произрастающих в экологически благоприятных, но геофизически разных в почвенном отношении условиях, а также на территориях, подвергшихся антропогенному загрязнению, так и оценить разницу по цитологическим показателям насаждений разного происхождения.
В Цнинском бору объектами исследований нами были выбраны:
1) деревья естественного происхождения из Перкинского лесзоза -одного из наиболее значимых высокопродуктивных насаждений (120 лет); 2) деревья из Перкинского лесхоза - культуры (30-40 лет).
В Усманском бору это были:
1) Воронежский лесхоз (естественное насаждение, 120-140 лет); 2) Сомовский лесхоз (культуры, деревья 35-70 лет); 5) Воронежский лесхоз (самосев, 15-20 лет).
Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной насаждений Усманского бора
Изучение цитогенетических показателей у семенного потомства сосны обыкновенной из аутохтонных насаждений проводилось по популяционной выборке семян из Воронежского лесхоза, собранных в 2003 и 2004 году (групповой сбор).
Было изготовлено 29 и просмотрено 26 препаратов для выборки 2003 года, для выборки 2004 года было сделано 26 и просмотрено 24 препарата.
Цитогенетические показатели по сосне из аутохтонных насаждений Усманского бора за 2003 и 2004 гг представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.
Как следует из таблиц 1 и 2, которые представляют цитогенетические показатели аутохтонных насаждений Усманского бора в течение двух лет, средние показатели МИ у сосны в годы исследований достаточно близкие и сходны с наблюдаемыми ранее у сосны того же аутохтонного насаждения, среднее значение МИ=7,6±0,1%. [51; 104]. Однако абсолютные значения МИ у отдельных индивидов варьировали от 6,0 до 8,9 % [277]. Характер колебания показателей МИ иллюстрируют рис. 10-11. 70 Показатели ПМ (рис. 12-13) колебались в пределах от 0 до 5,5%. Размах изменчивости по показателю ПМ достаточно широк, но по среднему значению ПМ=1,2±0,2% результаты укладываются в норму для сосны обыкновенной, являясь, таким образом, отражением спонтанного естественного мутационного процесса в насаждении.
Спектр патологий митоза включал обычные для сосны и наиболее часто встречающиеся у других организмов типы патологий митоза: забегание (или преждевременное отхождение хромосом к полюсам) в метафазе, отставание хромосом при расхождении их к полюсам в анафазе, мосты в анафазе и телофазе. Такие нарушения могли быть следствием спонтанного мутационного процесса в результате флуктуации погодных факторов или действия вторичных метаболитов [238; 239], образующихся в ходе нормальных метаболических процессов в организме, которые в большинстве случаев исправляются репарационными системами клетки. Наличие нерепарированных повреждений хромосом приводит к образованию микроядер. В предыдущие годы их не наблюдалось у сосны обыкновенной из аутохтонных насаждений Усманского бора [44; 45; 46]. В настоящее время незначительным их числом (0,02%±0,008) можно еще пренебречь, но это уже свидетельствует о недостаточной работе систем репарации клеток, причиной чему может быть глобальное загрязнение атмосферы, повлиявшее и на лесные массивы, даже удаленные от источника загрязнения. Присутствие микроядер, по данным Ильинских и др. (1992), служит показателем нестабильности генома [108].
Изучение распределения клеток по стадиям показало, что наибольшее их число приходится на метафазу (37,9±1,3%), доля клеток на других стадиях митоза примерно равная. Объединение клеток на стадиях анафазы и телофазы было связано с тем, что позднюю анафазу нередко трудно отличить от ранней телофазы, и таким образом при исследовании можно избежать некоторых погрешностей. Учитывая благоприятные условия среды и нормальный фенотип материнских деревьев, пределы изменчивости ее цитологических показателей можно рассматривать как норму, обеспечивающую поддержание гомеостаза системы [136; 262; 263]. Одной из цитологических особенностей сосны обыкновенной (как и других видов хвойных) является возможность присутствия у нее многих ядрышек (до 12 на клетку). Их число возрастает под действием экстремальных условий: при повышенном радиационном фоне, сильном атмосферном загрязнении, заболоченности [181; 228]. На наш взгляд, об уровне ядрышковой активности следует судить по модальному числу ядрышек. По нашим данным, наиболее часто встречаются клетки с 3-5 ядрышками, что видно на рис. 14, что с учетом тенденции ядрышек к слиянию можно рассматривать как соответствующее трем парам ядрышкообразующих хромосом.
Цитогенетическая характеристика семенного потомства сосны обыкновенной из Цнинского бора
По естественным насаждениям Цнинского бора была получена популяционная выборка семян, собранных в 2006 году. Было сделано 26 препаратов и проанализировано 24. Цитогенетические показатели представлены в таблице 7.
Пределы изменчивости по показателю МИ в данной выборке: от 7,7 до 11,4% (рис.22). Так среднее значение МИ = 8,9±0,2%, это достоверно выше контрольного значения из Усманского бора.
Необходимо отметить, что Цнинский бор расположен севернее Усманского и Хреновского, и погодно-климатические условия для сосны в нем несколько отличны от таковых в Усманском. Однако, сосна обыкновенная - вид в достаточной степени «северный», а сам Цнинский бор по происхождению является наиболее древним из изучаемых нами, что позволяет сделать предположение о том, что полученные данные по показателю МИ в большей степени соответсвуют цитогенетическому оптимуму сосны [44].
Что касается, ПМ, то разброс значений здесь небольшой: от 0 до 3,% (рис. 23). Среднее значение ПМ=1,2±0,3%, что находится в пределах нормы для сосны. Спектр патологий митоза представлен мостами, опережающим движением хромосом и отставанием в анафазе, что относится к наиболее типичным нарушениям протекания митоза.
Важным моментом является отсутствие микроядер в выборке естественных насаждений из Цнинского бора в отличие от принимаемого за контроль Усманского бора. Это может служить относительным показателем благополучной экологической ситуации с естественными насаждениями Цнинского бора.
Видимо, низкое значение уровня ПМ и отсутствие микроядер в выборке позволяет предположить проявление высокой репарационной способности у сосны из данного насаждения [266]. Это согласуется с высокой общей устойчивостью материнских деревьев насаждения и к немного более суровым природно-климатическим условиям и к все более возрастающей суммарной антропогенной нагрузке.
Таблица 7 Цитогенетические показатели семенного потомства сосны обыкновенной из аутохтонных насаждений Перкинского лесхоза Цнинского
Необходимо, конечно, дальнейшее фоновое мониторинговое исследование данного насаждения по цитогенетическим показателям ввиду того, что в пределах ЦЧР Цнинский бор - крупный и ценный лесной массив, а аутохтонные насаждения исследованного Перкинского лесхоза авктивно используются в качестве источников семян для создания культур сосны.
Нами были получены результаты цитогенетического анализа семян сосны обыкновенной из насаждений культур Перкинского лесхоза Цнинского бора. Семена были собраны в 2006 году. Было изготовлено 27 препаратов и проанализировано 24.
Цитогенетические показатели представлены в табл. 8. По показателю МИ выборка достаточно разнородна: от 5,8% до 9,6% (рис. 28).Среднее значение МИ = 7,4±0,2%, что практически совпадает с контрольным значением из Усманского бора. Однако стоит отметить, что значение МИ культур Цнинского бора достоверно ниже значения МИ аутохтонных насаждений того же бора.
Что касается ПМ, то по этому параметру наблюдается небольшой разброс показателей: от 0% до 4,5% (рис. 26). По среднему значению ПМ = 1,8±0,3% данное аутохтонное насаждение находится в рамках нормы для сосны обыкновенной. Спектр ПМ включал ранее описанные типы нарушений, такие как хромосомные мосты в анафазе, отставания и забегания хромосом в анафазе митоза.
Следует отметить, что, хотя по средним значениям цитогенетических параметров изучаемое насаждение характеризуется положительно, но пределы изменчивости по показателям МИ и ПМ значительны, что можно рассматривать как свидетельство наличия в данных насаждениях как устойчивых, так и неустойчивых к условиям произрастания деревьев. Такое явление может быть следствием некорректного подхода в создании культур, а именно отбор семенного материала только по фенотипическим особенностям материнских деревьев без изучения генетических или цитогенетических особенностей их семенного потомства.
Цитогенетические показатели семенного потомства сосны обыкновенной из Перкинского лесхоза Цнинского бора (культуры, 2006)
Необходимо отметить, что в выборке культур, в отличие от выборки аутохтонных насаждений Цнинского бора, обнаруживаются микроядра. Количество их столь же незначительно, как и в контрольном варианте (0,03±0,001%), но это говорит о необходимости более пристального изучения культурных насаждений в целом по Цнинскому бору. Поскольку появление микроядер — признак генетической нестабильности организмов, подтвержается положение о том, что естественные насаждения более устойчивы в сравнении с культурами.
Таким образом, качество данных культур позволяет использовать их семенное потомство в процессе лесовосстановления, однако по крайней мере следует учитывать возможность получения с деревьев этих культур неоднородного потомства.
