Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика района исследований 13
1.1 Краткая физико-географическая характеристика 13
1.2 Характеристика источника выбросов 13
1.3 Характеристика загрязнения почвы исследуемых участков 16
1.4 Растительность исследуемых участков 16
1.5 Численность и состав опылителей L. flos-cuculi 18
Глава 2. Материал и методы исследования 22
2.1 Характеристика исследуемых видов 22
2.1.1 Lychnis flos-cuculi L 22
2.1.2 Deschampsia cespitosa (L.) Beauv 23
2.1.3. Agrostis capillaris L 24
2.2 Оценка металлоустойчивости D. cespitosa и L. flos-cuculi 25
2.2.1 Сбор материала 25
2.2.2 Тестирование на металлоустоичивость
2.3 Анализ морфологических параметров листьев L. flos-cuculi 26
2.4 Пространственная структура ценопопуляций A. capillaris, D. cespitosa и L. flos-cuculi в импактной зоне 27
2.4.1 Сбор материала 27
2.4.2 Химический анализ 28
2.5 Генетический анализ L. flos-cuculi 30
2.5.1 Сбор материала 30
2.5.2 Генотипирование 2.6 Анализ содержания тяжелых металлов в почве разных зон 33
2.7 Оценка численности и состава опылителей L. flos-cuculi 33
Глава 3. Металлоустоичивость растений из зон промышленного загрязнения тяжелыми металлами: мета-анализ 35
3.1 Обобщение результатов исследований металлоустойчивости растений: постановка задачи 35
3.2 Мета-анализ как инструмент для обобщения в экологии 37
3.3 Мета-анализ металлоустойчивости травянистых растений 39
3.3.2 Условия экспериментов з
3.3.3 Климат 45
3.3.4 Видовые характеристики растений 48
3.3.5 Построение моделей 52
3.4 Результаты моделирования 57
Глава 4. Стратегии адаптации D. cespitosa и L. flos-cuculi к избытку меди 70
4.1 Анализ устойчивости растений к избытку тяжелых металлов: постановка задачи 70
4.2 Мультимодельный подход к анализу зависимостей доза-эффект 73
4.3 Трансформация дозовых зависимостей для модельных видов 76
Глава 5. Пространственная структура ценопопуляций A. capillaris, D. cespitosa и L. flos-cuculi в промышленно загрязненных местообитаниях 83
5.1 Анализ пространственной структуры ценопопуляций растений импактных регионов: постановка задачи 83
5.2 Использование PCNM-компонент в анализе пространственной структуры растительных сообществ и ценопопуляций 84
5.3 Пространственное распределение параметров среды 85
5.4 Обилие и пространственное распределение исследуемых видов 91
5.5 Пространственная автокорреляция исследуемых видов и параметров среды 91
5.6 Моделирование пространственной структуры ценопопуляций исследуемых видов 96
5.6.1 Оценка усредненных коэффициентов регрессии 96
5.6.2 Разбиение пространственной изменчивости 101
5.6.3 Оценка независимого влияния предикторов 101
Глава 6. Популяционно-генетические механизмы адаптации L. flos-cuculi к обитанию в условиях промышленного загрязнения 112
6.1 Генетическая изменчивость в популяциях растений из промышленно загрязненных местообитаний: постановка задачи 112
6.2 Морфологическая дифференциация популяций L. flos-cuculi в градиенте загрязнения 114
6.3 Внутрипопуляционное генетическое разнообразие L. flos-cuculi в
градиенте загрязнения: анализ на основе микросателлитных маркеров 120
6.3.1 Информативность используемой системы генетических маркеров 121
6.3.2 Внутрипопуляционное генетическое разнообразиеL. flos-cuculi 122 6.3.3 Пространственно-генетическая структурированность ценопопуляции L. flos-cuculi 126
6.4 Генетическая дифференциация популяций L. flos-cuculi в градиенте загрязнения 129
6.5 Пластичность репродуктивной системы L. flos-cuculi в градиенте загрязнения 1 6.5.1 Частота самоопыления в градиенте загрязнения 133
6.5.2 Косвенная оценка дефицита пыльцы 139
Выводы 142
Приложения
- Характеристика загрязнения почвы исследуемых участков
- Пространственная структура ценопопуляций A. capillaris, D. cespitosa и L. flos-cuculi в импактной зоне
- Мета-анализ металлоустойчивости травянистых растений
- Мультимодельный подход к анализу зависимостей доза-эффект
Характеристика загрязнения почвы исследуемых участков
Проведена оценка численности и обилия потенциальных опылителей L. flos-cuculi с помощью цветных ловушек Мерике, а также дневных опылителей с помощью визуального учета посещений цветов. Подробно методика оценок изложена в разделе 2.7. Согласно результатам, полученным с помощью ловушек Мерике, спектры потенциальных опылителей L. flos-cuculi различаются между зонами загрязнения (Рисунок 1.3; Таблица А. 6). На фоновых участках представители отр. Hymenoptera составляют около половины особей, попавших в желтые ловушки. На буферной и импактной территории в уловах преимущественно встречены представители отр. Coleoptera и Hemiptera (подотр. Sternoryncha).
Согласно результатам учетов посещаемости цветов L. flos-cuculi установлены основные дневные опылители этого вида на исследуемой территории: представители отр. Lepidoptera (Aporia crataegi L., Coenonympha glycerion Borkh., Ochlodes sylvanus Esp., сем. Hesperiidae, Satyridae), отр. Diptera (в основном сем. Syrphidae), отр. Hymenoptera (надсем. Apoidea, род. Bombus, сем. Chrysididae), отр. Coleoptera (сем. Mordellidae, Trichodes ircutensis Lax., Malachius bipustulatus L.). Спектры дневных опылителей также сильно различаются между зонами загрязнения (Рисунок 1.4; Таблица А.7). На фоновой территории примерно половина посещений L. flos-cuculi осуществляется представителями отр. Lepidoptera, четверть - сем. Syrphidae и 15 % - подотр. Apoidea. Спектры опылителей на загрязненных территориях богаче, чем в фоновой зоне: в буферной-4 км и импактной зонах встречены представители рода Bombus, в импактной зоне - сем. Chrysididae. Различия по составу опылителей между буферной-4 км и импактной территориями также значительны: на участках буферной зоны около 85% посещений приходится па A. crataegi, тогда как в импактной зоне спектр опылителей наиболее выравненный. Абсолютная (а) и относительная (б) посещаемость цветов L. flos-cuculi представителями разных групп насекомых, оцененная с помощью визуальных учетов Для фоновой зоны характерна наименьшая частота посещений цветов L. flos-cuculi опылителями (Таблица 1.4; Таблица А.8). В буферной-4 км и импактной зонах интенсивность посещения сходна между собой и в два раза выше фоновых значений.
Таким образом, согласно исследованию спектров потенциальных и реальных дневных опылителей L. flos-cuculi, а также оценкам частот посещений цветов этого вида в разных зонах загрязнения можно заключить, что интенсивность опыления, а также разнообразие опылителей L. flos-cuculi в загрязненных зонах выше, чем в фоновой.
Кроме того, по нашим наблюдениям в фоновой и буферной зонах одновременно с L. flos-cuculi интенсивно цветут Geranium sylvaticum, Polygonum bistorta, Galium boreale, Potentilla erecta, Alhemilla sp., Geum rivale, Ranunculus spp., Stellaria spp., Myosotis arvensis, Bupleurum longifolium. Следовательно, можно предполагать повышенную конкуренцию между этими видами за опылителей на этих территориях по сравнению с импактной, где L. flos-cuculi -единственный аттрактор опылителей.
Lychnis flos-cuculi L. (сем. Caryophyllaceae) [ITIS № 20309, IPNI № 155082-1; In = 24; синонимы: Silene flos-cuculi (L.) Clairv., Coronaria flos-cuculi (L.) Braun, Coccyganthe flos-cuculi Rchb.] - горицвет обыкновенный - космополит, аборигенный для Европы и России вид, интродуцированный и натурализовавшийся в Северной Америке. Это двулетнее или долгоживущее многолетнее розеточное растение, 20-125 см высотой, характерное для сырых мезотрофных лугов (Chaloupecka, Leps, 2004).
Массовое цветение L. flos-cuculi происходит в мае - июне, продолжается до августа (Серебряков, 1952). Соцветие - плейохазий, состоящий из дихазиев, раскрытие цветков базипетальное (Рисунок 2.1). Цветение происходит на второй год. Цветки протандричные (сначала созревают 5 наружных тычинок, затем - 5 внутренних, затем - 5 рылец). Опыление -преимущественно перекрестное - осуществляется насекомыми из отрядов Hymenoptera (главным образом представителями рода Bombus), Lepidoptera, Diptera (сем. Syrphidae) (Chaloupecka, Leps, 2004; Galeuchet et ah, 2005a; Van Rossum, Tries, 2010). Раскрывание цветов базипетальное (от ветвей верхних узлов к ветвям нижних), внутри ветвей одного узла - по возрастанию порядка (Biere et ah, 1989).
Плодоношение и обсеменение происходит в июле - сентябре (Серебряков, 1952). Плоды - многосемянные коробочки (по 20 - 50 на соцветии), вскрывающиеся зубчиками. Созревшие семена высыпаются посредством болеохории, т.е. при раскачивании стебля (Habitat fragmentation ..., 2008). Семена (примерно по 200 в одном плоде) способны прорастать сразу же после созревания (Biere, 1991а). Всхожесть на свету в течение всего года, как в поле, так и в лаборатории, высокая (более 90%), в темноте - снижается в летнее время до 20%. Способность к прорастанию сохраняется долго, также вид способен постоянно пополнять почвенный банк семян (Milberg, 1994; Chaloupecka, Leps, 2004).
L. flos-cuculi - гемикриптофит, рост листьев продолжается в течение всего года. Главный корень короткий (5-8 см) со слаборазвитыми боковыми корнями. Растение способно к активному вегетативному размножению, однако скорость вегетативного распространения низка (несколько сантиметров в год). Дочерние розетки остаются прикрепленными к подземному побегу, идущему от материнской розетки, более одного вегетационного сезона и формируют клон около 25 см в диаметре (Chaloupecka, Leps, 2004). Листья или семена поедаются личинками чешуекрылых, а также брюхоногими моллюсками. На всех стадиях роста растения подвержены заражению головней {Microbotryum violaceum (Pers.) Demi & Oberwinkler), причем цветы зараженных растений не производят пыльцу (Biere, 1995; Galeuchet et al, 2005b).
D. cespitosa - дерновинное растение 8-20 см в диаметре, высота 20-200 см. Корневая система состоит из множества придаточных корней длиной обычно 15-30 см, иногда достигающих 60-70 см. Продолжительность жизни в среднем составляет 40-50 лет, иногда 70-80 лет. Цветение, как правило, происходит не ранее шестого - седьмого года жизни. Размножение преимущественно семенное. На одном растении насчитывается от 2 до 150 соцветий (семенная продуктивность 1600-280 000 семян на м ). Семена прорастают осенью в год высыпания или следующей весной. В лаборатории длительность прорастания составляет 1.5-2 недели, всхожесть - 75-85 %. В небольшом количестве семена присутствуют в почвенном банке. Вегетативного размножения, как правило, не происходит, в сенильном периоде дерновина достигает 40 см - 1 м в диаметре и распадается на отдельные особи, способные к омоложению (Жукова, 1976; Davy, 1980).
Поскольку этот вид очень пластичен морфологически и физиологически, то разным морфологическим вариантам ранее были присвоены отдельные видовые названия, которые сегодня признаны синонимами или считаются разновидностями (Davy, 1980; Seliskar, 1985; 1985 ; Chiapella, Probatova, 2003).
Для D. cespitosa характерна полиплоидия 2n= 15-26 и 4n = 52. В Европе и Северной Америке выявлены популяции, состоящие исключительно из особей с диплоидным или тетраплоидным набором хромосом {An = 52), а также смешанные. Считается, что диплоидные популяции, как правило, приурочены к лесным местообитаниям, тетраплоидные - к подтопляемым, олиготрофным или нарушенным местам (Kawano, 1966; Nkongolo et al., 2001; Chiapella, Probatova, 2003).
Пространственная структура ценопопуляций A. capillaris, D. cespitosa и L. flos-cuculi в импактной зоне
Таксономическая принадлежность. Исследуемые виды растений принадлежат к шести семействам. Наиболее изучены виды из сем. Роасеае и Caryophyllaceae. Таксономическая принадлежность выше порядка определена по системе «Группы филогении покрытосеменных» (Angiosperm Phytogeny Group, APGIII, www.mobot.org), в соответствии с которой к кладе eudicots принадлежит 8 видов, а к кладе monocots относится 16 видов.
По характеру вегетативного распространения все виды разделены на вегетативно подвижные (так называемые виды-партизаны, {{guerrilla species» по Doust, 1981), растущие в виде плотного клона (по типу «военной фаланги», {{phalanx species»), а также не способные вегетативно размножаться («сидячие», {{sitters»).
По продолжительности жизни виды разделены на одно-, дву- и многолетние. По данному признаку созданы две переменные - минимальная и максимальная продолжительность жизни -поскольку для некоторых видов они существенно различаются.
Микотрофность. По частоте встречаемости грибов арбускулярной микоризы в корнях исследуемые виды были разделены на две категории: 1) виды с постоянно или часто встречающейся микоризой (т.е. микотрофные), 2) виды, для которых, как правило, зарегистрировано отсутствие микоризы или документирована очень низкая интенсивность заражения (т.е. немикотрофные). Такое грубое разделение (только на две категории) обусловлено необходимостью в сбалансированности градаций этого параметра по представленности рассматриваемых видов, а также скудностью информации по степени микоризации некоторых видов из Восточной Азии.
Отметим, что важность арбускулярной микоризы для растений загрязненных местообитаний общепризнана (Toxic effects ..., 2007; Bothe et ah, 2010). Степень колонизации микобионтом растений в условиях загрязнения, как правило, понижена (Role of plants ..., 2000; Трубина, 2002а; b; Бетехтина, Кондратков, 2003; Ruotsalainen et ah, 2007). Известно, что грибной симбионт способен уменьшать интенсивность поглощения растениями тяжелых металлов (за счет их иммобилизации) и, как правило, улучшает поглощение питательных элементов, в частности фосфора (Role of plants ..., 2000; Cadmium accumulation ..., 2008); вместе с тем в условиях загрязнения взаимоотношения симбионтов могут смещаться в сторону паразитизма гриба (Pawlowska et al., 1996). Иными словами, механизмы взаимоотношений грибного симбионта и растений в условиях стресса очень сложны (Онипченко, 2013). Насколько нам известно, вопрос о влиянии микотрофного статуса видов на способность их адаптации к избытку тяжелых металлов пока подробно не рассматривался. Основываясь на том факте, что первые поселенцы загрязненных местообитаний - это, как правило, немикотрофные растения (Allen et al, 1987; Mycorrhizal colonization ..., 2008), мы предполагаем, что преадаптированными к избытку тяжелых металлов должны быть именно немикотрофные виды (т.е. ES немикотрофных видов должен быть меньше, по сравнению с микотрофными).
Самосовместимостъ. По способности к самоопылению мы разделили все виды на самосовместимые {self-compatible) и самонесовместимые {self-incompatible). В первую группу включены виды, со смешанным типом опыления или облигатным самоопылением в природных популяциях, а также виды, для которых зарегистрировано появление жизнеспособных семян после самоопыления (хотя информация о частоте самоопыления в природных популяциях отсутствует). Группа самонесовместимых представлена видами, неспособными производить жизнеспособные зиготы после самоопыления.
Считается, что варьирование частоты самоопыления - это один из механизмов приспособления растений к токсической нагрузке, который обеспечивает выживание популяции в случае недостатка опылителей или элиминации значительной части (чувствительных к загрязнению) особей и позволяет закрепить в популяции аллели, ответственные за благоприятные признаки в новых условиях (например, аллели повышенной металлоустойчивости). Для многих видов даже документирована повышенная частота самоопыления на загрязненных территориях (Antonovics, 1968; McNeilly, Antonovics, 1968; Lefebvre, 1973; Lefebvre, 1970 Cuguen et al, 1989), хотя для Thlaspi caerulescens зарегистрирован противоположный эффект (Genetic structure ..., 2003; Life history variation ..., 2007). Вместе с тем нам не известны работы, посвященные сравнению металлоустойчивости самоопыляющихся и самонесовместимых видов. На наш взгляд, такие исследования перспективны на примере рода Arabidopsis, виды которого различаются как по степени самосовместимости, так и по уровню металлоустойчивости. Так, для A. halleri отмечена естественная устойчивость, для A. arenosa и A. lyrata - адаптация к избытку тяжелых металлов на загрязненных территориях, для A thaliana - отсутствие металлоустойчивых экотипов (Zinc tolerance ..., 2000; Clauss, Koch, 2006; Przedpelska, Wierzbicka, 2007).
Плоидностъ. Хорошо известно, что для многих видов растений зарегистрировано более чем одно количество наборов хромосом, т.е. полиплоидия, возникающая путем удвоения генома или путем гибридизации с последующей дупликацией. Вопрос о роли полиплоидии в эволюции растений остается актуальным уже многие десятилетия (Rothera, Davy, 1986; Nkongolo et al., 2001; Madlung, 2013; Serpentine ecotypic ..., 2014). Наличие, по крайней мере, двух уровней плоидности отмечено для 9 видов из нашей базы данных, наиболее длинный полиплоидный ряд характерен для С. epigejos. Максимальный уровень плоидности (8) отмечен для четырех видов из сем. Роасеае. Таблица 3.3 - Характеристики видов, включенных в базу данных для мета-анализа металлоустойчивости
Мета-анализ металлоустойчивости травянистых растений
Трансформацию зависимостей доза-эффект можно интерпретировать с разных точек зрения. С позиций физиологии адаптация к избытку Си у D. cespitosa может базироваться на дополнительных механизмах устойчивости, которые включаются только при экстремальных уровнях токсиканта. Примерами таких механизмов могут быть внутриклеточные репарационные процессы (Hall, 2002). Для L. flos-cuculi из загрязненных местообитаний характерны механизмы защиты, усиленно (по сравнению с базовым уровнем) работающие во всем диапазоне неблагоприятных концентраций. К ним можно отнести процессы поддержания гомеостаза концентрации Си в клетке (сниженное поступление ионов, их активный отток из клетки, компартментализация в вакуолях), которые были выявлены у устойчивых к избытку Си ЛИНИЙ родственного вида Silene vulgaris (Mechanisms of heavy ..., 2001). Интересно, что анализ устойчивости (с помощью последовательного корневого теста в диапазоне концентраций Си 0.01-20 мг/л) популяций этого вида из местообитаний с фоновым, промежуточным и высоким содержанием Си в почве привел к результатам, сходным с нашими (Increased resistance ..., 1991): адаптация S. vulgaris к Си сопровождается одинаковым увеличением всех ЕСХ; соответственно этому форма кривой доза-эффект постоянна в градиенте загрязнения (меняется только ее положение в диапазоне концентраций).
С позиций эволюционной генетики чувствительность характеризует уровень фенотипической пластичности: чем она больше, тем ниже пластичность генотипа (Weltje, 2003). При такой интерпретации адаптация D. cespitosa реализуется за счет увеличения пластичности механизмов металлоустойчивости, тогда как для L. flos-cuculi характерна стратегия адаптации, при которой фенотипическая пластичность остается на прежнем уровне, но увеличивается средний уровень металлоустойчивости. Это подтверждают и косвенные данные: с одной стороны, по результатам изучения морфологической изменчивости исследуемых видов в широком спектре экологических условий показано, что D. cespitosa -очень пластичный вид (Davy, 1980; Seliskar, 1985), причем уровень физиологической пластичности особей из разных местообитаний может быть различен (Tieszen, Helgager, 1968). С другой стороны, фенотипическая пластичность L. flos-cuculi по отношению к множеству факторов низка, и генотипы с разными экологическими оптимумами роста и размножения обладают сходными уровнями пластичности (Biere, 1995).
При сравнении дозовых зависимостей L. flos-cuculi из фоновой и буферной зон можно было бы ожидать трансформацию по типу IV, поскольку теоретически такой тип трансформации может быть промежуточным вариантом при переходе от фоновой популяции к импактной. Соответствие типу IV свидетельствовало бы о наличии дополнительных механизмов устойчивости у растений из буферной зоны при умеренно неблагоприятных уровнях токсиканта. Главная особенность таких механизмов - низкая «детоксикационная емкость», как например у металлотионеинов, однако роль последних в детоксикации металлов второстепенна (Evolution of copperolerance ..., 2003). Нами установлено, что форма дозовых кривых сходна в буферной и импактной зонах в популяциях обоих видов; следовательно, вне зависимости от уровня токсиканта в среде, тип трансформации дозовой зависимости - это видовая константа. Это подтверждают и результаты других исследований (Increased resistance ..., 1991; Macnair etal, 1993; Evolution of copperolerance ..., 2003).
Трансформация по типу III, также не выявленная в данной работе, подразумевает индуцирование новых механизмов устойчивости при незначительных уровнях токсиканта, однако в отличие от типов IV и I их эффективность нелинейно возрастает с увеличением концентрации Си. Такая стратегия адаптации более вероятна у видов, испытывающих сезонные колебания токсичности среды, например у гидрофитов.
Изменчивость показателей металлоустойчивости в фоновой популяции D. cespitosa велика и свидетельствует о наличии в ней металлоустойчивых генотипов. Повышенная токсикотолерантность у части особей на фоновой территории (см. Рисунок 4.4) может быть обусловлена высоким естественным уровнем пластичности ее физиологических признаков. Сходный феномен был показан для этого вида в отношении температуры (Tieszen, Helgager, 1968). В противоположность этому внутрипопуляционная изменчивость металлоустойчивости L. flos-cuculi в фоновой зоне низка по сравнению с популяциями из загрязненных зон, что подразумевает низкую фенотипическую пластичность в отношении токсического фактора.
В выборках обоих видов из загрязненных местообитаний, помимо металлоустойчивых, обнаружены генотипы с низкими уровнями устойчивости, что и обусловливает высокий уровень изменчивости. Это достаточно неожиданно, так как принято считать, что под действием токсического пресса происходит элиминация неустойчивых генотипов (Meerts, Van Isacker, 1997). Между тем токсичность почвы загрязненных местообитаний определяется не только содержанием тяжелых металлов, но и многими другими параметрами, например рН, содержанием соединений Р, органического вещества, и может характеризоваться высокой пространственной гетерогенностью даже в микромасштабе (Hogan, Courtin, 1977b; Воробейчик, Позолотина, 2003). Такая пространственная неоднородность токсичности субстрата на уровне микромасштаба может стать причиной больших различий в металлоустойчивости особей, растущих в непосредственной близости друг от друга (Bradshaw, 1959), и соответственно обусловить высокую изменчивость этого признака в популяции. Также необходимо учитывать, что популяции импактных регионов формируются под действием множества экстремальных условий среды, а не только избытка тяжелых металлов (особый температурный и влажностный режим, недостаток одних питательных элементов и избыток других, нехватка опылителей, ослабление конкуренции и т.д.). По этой причине не совсем корректно характеризовать популяции из загрязненных местообитаний только как металлоустойчивые, хотя это и принято в работах по эволюционной генетике (Ducousso et al, 1990; Genetic diversity and heavy ..., 2001; Antonovics, 2006).
Таким образом, анализ зависимостей доза-эффект для двух видов, совместно произрастающих при разных уровнях промышленного загрязнения, показал, что при адаптации к избытку Си в среде трансформация дозовой зависимости исследуемых видов различна: для L. flos-cuculi характерен «параллельный перенос», при котором форма кривой не меняется, тогда как у D. cespitosa снижается чувствительность к Си, а устойчивость увеличивается только в области максимальных концентраций. Разные типы трансформации дозовой зависимости свидетельствуют о разных стратегиях адаптации к токсической нагрузке. Таким образом, виды, успешно произрастающие в течение одинакового времени в одних и тех же загрязненных местообитаниях, демонстрируют разные механизмы приспособления к загрязнению.
Поскольку изучаемая территория, помимо Си, также значительно загрязнена Pb, Zn, Cd (см. Таблица 1.1), можно предположить наличие устойчивости у растений из исследуемых популяций и к этим элементам. Тем не менее, выявленные особенности трансформации зависимости доза-эффект, полученные для Си, нельзя напрямую экстраполировать на другие элементы, так как свидетельства функционирования универсальных механизмов детоксикации (котолерантность) немногочисленны. Особенно редки случаи котолерантности к Си у ЛИНИЙ, устойчивых к другим металлам. Более подкреплены предположения о множественной устойчивости, т.е. о совместном существовании нескольких металлоспецифичных механизмов защиты (Hall, 2002).
Результаты данного раздела нашей работы демонстрируют преимущества использования в исследованиях металлоустойчивости растений математического аппарата, разработанного в классической токсикологии для анализа зависимостей доза-эффект. Этот подход позволяет исключить потерю информации о металлоустойчивости на разных участках диапазона концентраций токсиканта, а также о чувствительности к нему и внутрипопуляционной изменчивости токсикометрических параметров в градиенте загрязнения.
Мультимодельный подход к анализу зависимостей доза-эффект
Трансформацию зависимостей доза-эффект можно интерпретировать с разных точек зрения. С позиций физиологии адаптация к избытку Си у D. cespitosa может базироваться на дополнительных механизмах устойчивости, которые включаются только при экстремальных уровнях токсиканта. Примерами таких механизмов могут быть внутриклеточные репарационные процессы (Hall, 2002). Для L. flos-cuculi из загрязненных местообитаний характерны механизмы защиты, усиленно (по сравнению с базовым уровнем) работающие во всем диапазоне неблагоприятных концентраций. К ним можно отнести процессы поддержания гомеостаза концентрации Си в клетке (сниженное поступление ионов, их активный отток из клетки, компартментализация в вакуолях), которые были выявлены у устойчивых к избытку Си ЛИНИЙ родственного вида Silene vulgaris (Mechanisms of heavy ..., 2001). Интересно, что анализ устойчивости (с помощью последовательного корневого теста в диапазоне концентраций Си 0.01-20 мг/л) популяций этого вида из местообитаний с фоновым, промежуточным и высоким содержанием Си в почве привел к результатам, сходным с нашими (Increased resistance ..., 1991): адаптация S. vulgaris к Си сопровождается одинаковым увеличением всех ЕСХ; соответственно этому форма кривой доза-эффект постоянна в градиенте загрязнения (меняется только ее положение в диапазоне концентраций).
С позиций эволюционной генетики чувствительность характеризует уровень фенотипической пластичности: чем она больше, тем ниже пластичность генотипа (Weltje, 2003). При такой интерпретации адаптация D. cespitosa реализуется за счет увеличения пластичности механизмов металлоустойчивости, тогда как для L. flos-cuculi характерна стратегия адаптации, при которой фенотипическая пластичность остается на прежнем уровне, но увеличивается средний уровень металлоустойчивости. Это подтверждают и косвенные данные: с одной стороны, по результатам изучения морфологической изменчивости исследуемых видов в широком спектре экологических условий показано, что D. cespitosa -очень пластичный вид (Davy, 1980; Seliskar, 1985), причем уровень физиологической пластичности особей из разных местообитаний может быть различен (Tieszen, Helgager, 1968). С другой стороны, фенотипическая пластичность L. flos-cuculi по отношению к множеству факторов низка, и генотипы с разными экологическими оптимумами роста и размножения обладают сходными уровнями пластичности (Biere, 1995).
При сравнении дозовых зависимостей L. flos-cuculi из фоновой и буферной зон можно было бы ожидать трансформацию по типу IV, поскольку теоретически такой тип трансформации может быть промежуточным вариантом при переходе от фоновой популяции к импактной. Соответствие типу IV свидетельствовало бы о наличии дополнительных механизмов устойчивости у растений из буферной зоны при умеренно неблагоприятных уровнях токсиканта. Главная особенность таких механизмов - низкая «детоксикационная емкость», как например у металлотионеинов, однако роль последних в детоксикации металлов второстепенна (Evolution of copperolerance ..., 2003). Нами установлено, что форма дозовых кривых сходна в буферной и импактной зонах в популяциях обоих видов; следовательно, вне зависимости от уровня токсиканта в среде, тип трансформации дозовой зависимости - это видовая константа. Это подтверждают и результаты других исследований (Increased resistance ..., 1991; Macnair etal, 1993; Evolution of copperolerance ..., 2003).
Трансформация по типу III, также не выявленная в данной работе, подразумевает индуцирование новых механизмов устойчивости при незначительных уровнях токсиканта, однако в отличие от типов IV и I их эффективность нелинейно возрастает с увеличением концентрации Си. Такая стратегия адаптации более вероятна у видов, испытывающих сезонные колебания токсичности среды, например у гидрофитов.
Изменчивость показателей металлоустойчивости в фоновой популяции D. cespitosa велика и свидетельствует о наличии в ней металлоустойчивых генотипов. Повышенная токсикотолерантность у части особей на фоновой территории (см. Рисунок 4.4) может быть обусловлена высоким естественным уровнем пластичности ее физиологических признаков. Сходный феномен был показан для этого вида в отношении температуры (Tieszen, Helgager, 1968). В противоположность этому внутрипопуляционная изменчивость металлоустойчивости L. flos-cuculi в фоновой зоне низка по сравнению с популяциями из загрязненных зон, что подразумевает низкую фенотипическую пластичность в отношении токсического фактора.
В выборках обоих видов из загрязненных местообитаний, помимо металлоустойчивых, обнаружены генотипы с низкими уровнями устойчивости, что и обусловливает высокий уровень изменчивости. Это достаточно неожиданно, так как принято считать, что под действием токсического пресса происходит элиминация неустойчивых генотипов (Meerts, Van Isacker, 1997). Между тем токсичность почвы загрязненных местообитаний определяется не только содержанием тяжелых металлов, но и многими другими параметрами, например рН, содержанием соединений Р, органического вещества, и может характеризоваться высокой пространственной гетерогенностью даже в микромасштабе (Hogan, Courtin, 1977b; Воробейчик, Позолотина, 2003). Такая пространственная неоднородность токсичности субстрата на уровне микромасштаба может стать причиной больших различий в металлоустойчивости особей, растущих в непосредственной близости друг от друга (Bradshaw, 1959), и соответственно обусловить высокую изменчивость этого признака в популяции. Также необходимо учитывать, что популяции импактных регионов формируются под действием множества экстремальных условий среды, а не только избытка тяжелых металлов (особый температурный и влажностный режим, недостаток одних питательных элементов и избыток других, нехватка опылителей, ослабление конкуренции и т.д.). По этой причине не совсем корректно характеризовать популяции из загрязненных местообитаний только как металлоустойчивые, хотя это и принято в работах по эволюционной генетике (Ducousso et al, 1990; Genetic diversity and heavy ..., 2001; Antonovics, 2006).
Таким образом, анализ зависимостей доза-эффект для двух видов, совместно произрастающих при разных уровнях промышленного загрязнения, показал, что при адаптации к избытку Си в среде трансформация дозовой зависимости исследуемых видов различна: для L. flos-cuculi характерен «параллельный перенос», при котором форма кривой не меняется, тогда как у D. cespitosa снижается чувствительность к Си, а устойчивость увеличивается только в области максимальных концентраций. Разные типы трансформации дозовой зависимости свидетельствуют о разных стратегиях адаптации к токсической нагрузке. Таким образом, виды, успешно произрастающие в течение одинакового времени в одних и тех же загрязненных местообитаниях, демонстрируют разные механизмы приспособления к загрязнению.
Поскольку изучаемая территория, помимо Си, также значительно загрязнена Pb, Zn, Cd (см. Таблица 1.1), можно предположить наличие устойчивости у растений из исследуемых популяций и к этим элементам. Тем не менее, выявленные особенности трансформации зависимости доза-эффект, полученные для Си, нельзя напрямую экстраполировать на другие элементы, так как свидетельства функционирования универсальных механизмов детоксикации (котолерантность) немногочисленны. Особенно редки случаи котолерантности к Си у ЛИНИЙ, устойчивых к другим металлам. Более подкреплены предположения о множественной устойчивости, т.е. о совместном существовании нескольких металлоспецифичных механизмов защиты (Hall, 2002).
Результаты данного раздела нашей работы демонстрируют преимущества использования в исследованиях металлоустойчивости растений математического аппарата, разработанного в классической токсикологии для анализа зависимостей доза-эффект. Этот подход позволяет исключить потерю информации о металлоустойчивости на разных участках диапазона концентраций токсиканта, а также о чувствительности к нему и внутрипопуляционной изменчивости токсикометрических параметров в градиенте загрязнения.
