Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Характеристика района исследования. Материал и методы.
1.1. Физико-географическая характеристика района исследования 8
1.2. Экологическая характеристика района исследования 11
1.3. Характеристика участков исследования 12
1.4. Характеристика сезонов исследования 14
1.5. Характеристика объекта исследования - одуванчика лекарственного 15
1.6. Методический аспект работы 20
Глава 2. Особенности функционального состояния мужского гаметофита Taraxacum officinale s.l. в условиях токсического загрязнения среды.
2.1. Особенности пыльцы растений в условиях экологического стресса (обзор проблемы) 28
2.2. Морфологические особенности и оплодотворяющая способность пыльцы Т. officinale s.l. из ценопопуляций, произрастающих в градиенте токсической нагрузки
2.2.1. Наличие и обилие пыльцы 34
2.2.2. Фертильность пыльцы 35
2.2.3. Размеры пыльцы 40
2.2.4. Дефектность пыльцы 43
2.2.5. Взаимосвязь фертильности и размеров пыльцы 44
2.3. Жизнеспособность пыльцы Т. officinale s.l. в условиях токсического загрязнения среды 45
Глава 3. Характеристика семенной продуктивности Taraxacum officinale s.l., произрастающего в условиях токсического загрязнения.
3.1. Семенная продуктивность и ее зависимость от факторов з среды (обзор проблемы)
3.1.1. Понятие и основные критерии семенной продуктивности... 48
3.1.2. Влияние промышленных токсикантов на показатели семенной продуктивности растений 53
3.1.3. Влияние погодных условий на семенную продуктивность растений 58
3.2. Характеристика морфологических показателей репродуктивной сферы двух форм одуванчика 58
3.3. Характеристика семенной продуктивности Т. off f. dahlstedtii и Т. off f. pectinatiforme, произрастающих в градиенте химического загрязнения
3.3.1. Число генеративных побегов 61
3.3.2. Общее количество семян в корзинке 65
3.3.3. Количество выполненных семян в корзинке 67
3.3.4. Количество неполноценных семян в корзинке 70
3.3.5. Средняя семенная продуктивность особи 72
3.3.6. Реальная семенная продуктивность (количество выполненных семян на растение) 77
3.3.7. Масса 1000 штук выполненных семян 79
3.4. Различия между морфологическими формами Т. officinale s.l.
по показателям семенной продуктивности 81
3.5. Различия между вегетационными сезонами исследований по показателям семенной продуктивности одуванчика лекарственного 82
Глава 4. Оценка жизнеспособности семенного потомства Taraxacum officinale s.l., произрастающего в условиях химического загрязнения среды
4.1. Жизнеспособность семенного потомства растений природных популяций (обзор проблемы)
4.1.1. Понятие и основные критерии жизнеспособности 87
4.1.2. Влияние зафязнения окружающей среды на показатели жизнеспособности семенного потомства 90
4.2. Оценка показателей начальных этапов онтогенеза проростков двух морфологических форм Taraxacum officinale s.l. из ценопопуляций, в разной степени подверженных химическому загрязнению 94
4.3. Оценка ростовых критериев проростков Т. off. f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme из биотопов, характеризующихся разным уровнем загрязнения тяжелыми металлами
4.3.1. Длина корня 107
4.3.2. Листообразование 113
4.4. Нарушения развития проростков Т. off f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme, произрастающих в градиенте токсической нагрузки 117
4.5. Различия между морфологическими формами Т. officinale s.l. - по показателям жизнеспособности семенного потомства 122
4.6. Различия между вегетационными сезонами по показателям жизнеспособности семенного потомства Т. officinale s.l 124
Заключение 128
Выводы 131
Литература 133
Приложение 159
- Методический аспект работы
- Взаимосвязь фертильности и размеров пыльцы
- Количество неполноценных семян в корзинке
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема устойчивости природных популяций к токсическому загрязнению окружающей среды особенно остро стоит в условиях функционирования таких отраслей промышленности как черная и цветная металлургия, химическая промышленность и др. Несомненно, воздействие выбросов данных отраслей промышленности должно негативно сказываться на одной из центральных функций жизни - воспроизводстве (Мамаев, Шкарлет, 1971; Поповичев, 1980; Федотов и др., 1983; Черненькова, Сизов, 1986; Ставрова, 1990а; Комплексная..., 1992; Mrkva, 1969; Houston, Dochinger, 1977; Thoumbis, 1990). Устойчивость природных популяций в условиях техногенного загрязнения среды обеспечивается адаптационными возможностями как отдельных организмов, так и популяционными механизмами в целом (Алексеева-Попова и др., 1983, 1984; Безель и др., 1994; Wong, 1982). Последнее может реализовываться через репродуктивную сферу, реакция которой на химический стресс в конечном счете и определяет стабильное функционирование популяций. Семенная продуктивность - один из наиболее важных показателей, характеризующих роль вида в фитоценозе. Величина семенной продуктивности является выражением адаптации растений к условиям среды (Ходачек, 1970).
Несмотря на многочисленные исследования, посвященные вопросам влияния техногенных воздействий на растительность, проблема эта остается актуальной. Сведения, касающиеся состояния репродуктивного воспроизводства представителей травянистой флоры в зонах промышленного загрязнения, нельзя считать исчерпывающими. Ограничена и информация об адаптационных возможностях и устойчивости отдельных видов, а также и о характере реакции природных популяций на антропогенный пресс.
В связи с этим целью данного исследования было изучение репродуктивных особенностей Taraxacum officinale s.l., произрастающих в условиях техногенного загрязнения среды.
Задачи исследования:
Оценка функционального состояния мужского гаметофита Taraxacum officinale s.l. в условиях химического загрязнения среды.
Характеристика семенной продуктивности двух морфологических форм Taraxacum officinale s.l., произрастающего в условиях токсического загрязнения.
Оценка жизнеспособности семенного потомства Taraxacum officinale s.l. в условиях градиента химического загрязнения.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование репродуктивных особенностей Taraxacum officinale s.l., произрастающих в градиенте токсической нагрузки. Выявлены стратегии адаптации популяций одуванчика лекарственного к техногенному загрязнению среды. Показаны особенности сезонной динамики репродуктивных показателей Taraxacum officinale s.l. при различном уровне загрязнения.
Практическая значимость работы. Выявленные механизмы приспособления растений к токсическому стрессу необходимы для выдвижения предположений о путях развития растительного покрова в загрязненных районах и разработки подходов к его сохранению. Материалы работы могут быть использованы при подготовке спецкурсов в высших учебных заведениях.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Семенная продуктивность и жизнеспособность семенного потомства
одуванчика лекарственного, произрастающего в условиях максимального
загрязнения в отдельные годы значительно выше по сравнению с фоновыми
популяциями, в другие сезоны - не отличается от таковых. Для популяций
импактных территорий характерна дифференциация особей на высоко - и
низкопродуктивные, а также неоднородность семенного потомства.
2. Выявлены различия между морфологическими формами одуванчика:
показатели семенной продуктивности и жизнеспособности потомства в
7 градиенте токсической нагрузки у особей Т. off. f pectinatiforme выше по сравнению с Т. off f dahlstedtii.
3. Репродуктивная сфера приспособленных к химическому загрязнению ценопопуляции в меньшей степени реагирует на изменение погодных условий сезона, чем фоновых.
Выражаю огромную благодарность своему научному руководителю д.б.н., профессору Безелю Виктору Сергеевичу за неоценимую помощь и поддержку при подготовке и написании диссертации. Признательна зав. кафедрой биологии Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии к.б.н. Жуйковой Татьяне Валерьевне за помощь в ходе проведения исследований и конструктивные замечания при написания работы.
Благодарна всем сотрудникам лаборатории популяционной экотоксикологии ИЭРиЖ УрО РАН за всестороннюю помощь и содействие при проведении исследований.
Выражаю признательность заведующей лаборатории
экспериментальной экологии ИЭРиЖ УрО РАН д.б.н. Позолотиной Вере Николаевне за ценные советы в ходе выполнения исследований и аспирантке Ульяновой Елене Валерьевне за моральную поддержку.
Благодарю коллектив кафедры биологии и студентов химико-биологического факультета Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии за помощь и советы при проведении экспериментальных работ и написании диссертации. В частности выражаю признательность к.б.н. Прушинской Н.М. за помощь при освоении методик определения качества пыльцы и ценные советы; студентке Гилимшиной Л.Л. за помощь при проведении полевых работ и лабораторных экспериментов.
Методический аспект работы
В период массового цветения (I декада июня) у 25 - 30 растений каждой морфологической формы Т. officinale s.l., произрастающих в градиенте токсической нагрузки, были собраны цветочные корзинки, находящиеся в одной фазе цветения, для дальнейшего анализа фертильности и жизнеспособности пыльцы.
Для выявления наличия и обилия пыльцы, ее стряхивали с отдельного соцветия на предметное стекло. Визуально оценивали ее обилие. Было выделено три градации обилия пыльцы: низкое, среднее и высокое.
Фертильность (оплодотворяющую способность) свежесобранной пыльцы определяли в лабораторных условиях с использованием стандартной ацетокарминовой методики (Дженсен, 1965; Абрамова, Карлинский, 1968; Паушева, 1974). Пыльцу стряхивали с отдельного соцветия на предметное стекло, капали каплю ацетокармина, накрывали покровным стеклом. Препарат подогревали на спиртовке. Определение доли фертильных пыльцевых зерен осуществляли под микроскопом Unico. Хорошо окрашенные в темно-красный и бардовый цвет пыльцевые зерна относили к фертильным. Подсчет количества фертильных и стерильных пыльцевых зерен с одной корзинки проводили в 10 полях зрения при увеличении 15x8. Всего было проанализировано 10,5 тыс. полей зрения. Размеры пыльцы определяли с помощью окуляр - микрометра при увеличении 120. В каждом варианте измеряли не менее 40 зерен. Всего было проанализировано около 14 тыс. пыльцевых зерен.. Методика определения дефектности пыльцы При определении степени дефектности пыльцы исследуемые пыльцевые зерна в соответствии с размерами, формой и интенсивностью окраски относили к одному из типов (табл. 1.5), согласно методике, предложенной С.С. Хохловым с соавторами (1978) и М.А. Нечкиной, B.C. Журковым(1997).
При оценке полученных результатов использовали показатель степени дефектности пыльцы (СПД), равный 11%. Данный уровень соответствует пограничной величине между нормальной и дефектной пыльцой (Куприянов, Жолобова, 1975). 1.6.3. Методика определения жизнеспособности пыльцы
Жизнеспособность пыльцы определяли в лабораторных условиях путем ее проращивания на искусственных и естественных средах. В ходе работы использовали несколько способов. 7. Метод висячей капли (Паушева, 1974; Шварцман, 1986). Свежесобранную пыльцу растений Т. off. f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme, а также других исследуемых видов {Achillea millefolium L., Linaria vulgaris Mill., Melilotus albus Medik., Plantago media L., Trifolium medium L., Vicia cracca L.) стряхивали на каплю сахарозы различной концентрации (10, 15 и 20%), находящуюся в центре покровного стекла, края которого смазаны вазелином. Затем покровное стекло переворачивали каплей вниз и накладывали над лункой предметного стекла или камеры Ван-Тигема. Для стимуляции прорастания пыльцы Т. officinale s.l. проводили аналогичное проращивание с добавлением в раствор сахарозы лимонной или борной кислот в различных концентрациях (табл. 1.6). 2. Проращивание в чашках Петри (Абрамова, Карлинский, 1968). Для определения жизнеспособности пыльцы использовали среду, содержащую 1% агар-агар и 10% сахарозу. Среду наносили на предметные стекла, на нее стряхивали свежесобранную пыльцу растений каждой морфологической формы Т. officinale s.l. Препараты помещали в чашки Петри, на дне которых находилась влажная фильтровальная бумага. 3. Метод определения жизнеспособности пыльцы по прорастанию ее на рыльце пестика (Абрамова, Карлинский, 1968). В связи с тем, что гинецей одуванчика очень мелкий и затрудняет использование данного метода, мы воспользовались пестиками других видов растений, а именно Malus domestica Borkh., Veronica chamaedrys L. и Convallaria majalis L. Пыльцой Т. off. f. dahlstedtii и Т. off f. pectinatiforme опыляли рыльца 20 — 25 пестиков каждого из вышеперечисленных видов. Через 1-3 часа после опыления рыльца пестиков осторожно отрезали и переносили в каплю ацетокармина на предметное стекло. Закрывали # покровным стеклом и рассматривали под микроскопом.
В каждом варианте экспериментов использовали пыльцу 3-4 соцветий, собранных с 30-50 растений Т. off. f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme. Проращивание проводили при 22 - 25С. Препараты просматривали под микроскопом при увеличении 15 40 каждые 30 минут в течение 4-5 часов. В случае отсутствия проросших зерен оставляли препараты на 24 часа.
Взаимосвязь фертильности и размеров пыльцы
Большое число исследователей указывают на то, что химическое загрязнение приводит к морфологической разнокачественности пыльцы, образованию сморщенных, линзовидных, разрушенных, мелких и гигантских зерен (Шкарлет, 1972; Бессонова, 1992; Masaru, 1976; Beda, 1982). По мнению С.С. Хохлова с соавторами (1978) мелкой считается пыльца, диаметр которой в полтора раза меньше среднего, крупной та, диаметр которой в полтора раза больше среднего. Мелкая и крупная пыльца является дефектной. Нормальными считаются хорошо окрашенные пыльцевые зерна среднего размера.
Для исследуемых форм одуванчика определено значение предельно допустимого показателя степени дефектности пыльцы (отношение количества зерен с дефектами к общему их количеству в поле зрения), выраженное в процентах и соответствующее индексу 11 (Нечкина, Журков, 1997). Дефектными пыльцевыми зернами считали такие, у которых наблюдаются признаки дегенерации внутреннего содержимого, проявляющиеся в неоднородности окрашивания; неокрашенные зерна; зерна, имеющие морфологические нарушения (сморщенные, линзовидные, разрушенные), а также мелкие и гигантские пыльцевые зерна.
Установлено, что показатель дефектности пыльцы у исследуемых форм Т. officinale s.l. в условиях минимального загрязнения составляет в среднем 8 - 9% и не выходит за рамки предельно допустимого уровня дефектности пыльцы. При среднем уровне токсической изучаемый показатель нагрузки варьирует от 16 до 50%, при максимальном загрязнении достигает 55 - 60%. Степень дефектности пыльцы у растений буферных и импактного участков значительно превышает предельно допустимый уровень. Аналогичные данные были получены в работах А.И. Сафонова (1999), А.З. Глухова с соавторами (2001) и И.Н. Остапко с соавторами (2001).
Малоизученным в современной литературе остается вопрос о связи между оплодотворяющей способностью пыльцы и ее размерами. Для установления подобной связи на примере исследуемых форм одуванчика проведен корреляционный анализ. Но поскольку прямая зависимость фертильности пыльцы от ее размера не может быть определена, то мы оплодотворяющую способность рассматриваем как функцию от средних размеров пыльцы на растение, при этом считаем, что показатель среднего размера зависит от доли крупных зерен. Установлена положительная корреляция между изучаемыми признаками у обеих форм на всех участках исследования (рис. 2.6).
Для Т. off f. dahlstedtii коэффициент корреляции Пирсона равен 0,14, для Т. off. f. pectinatiforme г=0,73 . Таким образом, у Т. off. f. dahlstedtii фертильность пыльцы слабо зависит от ее размеров, у второй формы подобная зависимость ярко выражена.
Жизнеспособность пыльцы Т. officinale s.l. в условиях токсического загрязнения среды
Кроме морфологических характеристик чувствительным показателем к действию промышленного загрязнения является процесс прорастания пыльцы, т.е. ее жизнеспособность.
При оценке жизнеспособности пыльцы одуванчика параллельно для сравнения поводился анализ жизнеспособности пыльцы других видов растений: Achillea millefolium L., Linaria vulgaris Mill., Melilotus albus Medik., Plantago media L., Trifolium medium L., Vicia cracca L Результаты представлены в табл. 2.3.
При использовании метода висячей капли (различные концентрации глюкозы 10, 15 и 20%) отмечено, что нежизнеспособной остается пыльца исследуемых форм Т. officinale s.l. и Achillea millefolium L. Однако пыльца последнего вида прорастает на среде агар-агар + сахароза, в то время как пыльцевые зерна 71 off f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme, собранные с того же участка, остаются нежизнеспособными (Северюхина, Жуйкова, 2003).
В работах ряда авторов (Васильев, 1941; Школьник, 1974; Дробков, 1958; Дементьева, 1970; Голубинский, 1974) показано, что процесс прорастания пыльцы может стимулироваться различными кислотами, например, борной или лимонной. В экспериментах с добавлением в питательную среду различных концентраций вышеназванных кислот (15; 10; 5; 1; 0,1; 0,01%) отмечено отсутствие стимулирующего действия на прорастание пыльцы морфологических форм Т. officinale s.l. из ценопопуляций с различным уровнем химического загрязнения.
Количество неполноценных семян в корзинке
По мере снижения числа полноценных семянок в корзинке возрастает доля невыполненных. Увеличение доли недоразвитых семян по мере роста загрязненности территории находит отражение в исследованиях Е. Пельца (Pelz, 1961: цит. по Антипову, 1970), В.А. Осколкова (19886), Н.И. Ставровой (1990а), А.Б. Савинова (1998). Количество пустых семянок в корзинках варьирует от 0 до 240 шт. В сезон 2000 года максимальное количество невыполненных семян у обеих форм выявлено на участках фоновой и импактной зоны, минимальное на участках буферной зоны. В ценопопуляциях фонового участка у Т. off І pectinatiforme количество невыполненных семян немного больше, чем у растений из импактной ценопопуляции (Жуйкова, Северюхина, 2001).
На рис. 3.4 представлено процентное отношение выполненных и невыполненных семян к общему количеству семян в корзинке, которое было принято за 100% у Т. off. f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme. Установлено, что процент выполненных семян в корзинке может колебаться от 67 до 98%. У Т. off f dahlstedtii на участках фоновой и буферных зон с увеличением загрязнения доля полноценных семян возрастает. Однако отмечено значительное снижение исследуемого показателя у этой формы на участке с максимальным загрязнением. Доля невыполненных семян в корзинке у Т. off. f. dahlstedtii на максимально загрязненном участке возрастает до 20%. У Т. off f. pectinatiforme процент выполненных семян на импактном участке значительно ниже, чем на всех остальных, что подтверждено методом множественных сравнений Шеффе (Р 0,01). На участках фоновой и буферных зон количество полноценных семян у исследуемой формы самое высокое и достигает в среднем 90 - 100%.
Подобная картина отмечена и в последующие вегетационные сезоны. Увеличение относительного количества невыполненных семян по градиенту загрязнения может свидетельствовать о повреждающем действии токсикантов на женские генеративные структуры (Влияние промышленного..., 1990).
Основываясь на методиках изучения семенной продуктивности, предложенных Т. А. Работновым (1950), И.В. Вайнагием (1974) и Е.А. Ходачек (1970), были проанализированы изложенные выше данные и оценена условно-реальная (в последующем ее называем средней семенной продуктивностью) и реальная семенная продуктивность (раздел 3.3.6) двух форм Т. officinale s.l. В работе из-за методических сложностей не учитывалось число семяпочек, следовательно, не была определена потенциальная семенная продуктивность.
Средняя семенная продуктивность растений напрямую зависит от количества генеративных побегов и от числа семян в корзинке, формируемых особью. У обеих форм одуванчика наблюдается закономерное увеличение средней семенной продуктивности с ростом числа цветоносов (рис. 3.5).
Зависимость средней семенной продуктивности морфологических форм одуванчика от количества цветоносов на растении
Минимальное значение показателя у Т. off. Ї. dahlstedtii и Т. off. і. pectinatiforme выявлено при 3-6 цветоносах. У Т. off. f. pectinatiforme максимального значения данный показатель достигает при 25-29 цветоносах. У второй формы максимальные значения показателя выявлены при 19-24 цветоносах.
Анализ средней семенной продуктивности показал, что общее число семян на растение варьирует у обеих форм в разные вегетационные сезоны в среднем от 800 до 3000 штук на особь (табл. 3.7).
Выявлена зависимость средней семенной продуктивности от уровня химического загрязнения. Методом двухфакторного дисперсионного анализа показано достоверное увеличение исследуемого показателя в градиенте токсической нагрузки в 2000 г. для обеих форм (рис. Зависимость средней семенной продуктивности у Т. off. f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme от токсической нагрузки в 2000 г.
В менее благоприятный вегетационный сезон 2001 г. у Т. off. f. dahlstedtii сохраняется тенденция к увеличению показателя средней семенной продуктивности с ростом химического загрязнения, у второй формы подобной зависимости не выявлено. В последующий сезон 2002 г. методом множественных сравнений Шеффе показано, что общее количество семянок на растение достоверно выше на фоновом и минимально загрязненных участках у обеих форм. В 2003 г. у Т. off Ї. dahlstedtii и Т. off. f pectinatiforme вновь отмечается тенденция к увеличению исследуемого показателя в градиенте токсической нагрузки.
Различия между формами одуванчика по исследуемому показателю наиболее ярко проявляются в менее благоприятные вегетационные сезоны. Число семян, продуцируемых одной особью, на всех участках у Г. off f.pectinatiforme достоверно выше, чем у Т. off. f. dahlstedtii (Р 0,05), что подтверждено методом однофакторного дисперсионного анализа. В более благоприятные годы подобная картина наблюдается только в условиях максимального загрязнения.
В целом, при обобщении данных многолетних исследований установлено, что средняя семенная продуктивность у Т. off f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme на участках буферной и импактной зон достоверно выше, чем на остальных {Р 0,05). Аналогичное увеличение семенной продуктивности одуванчика лекарственного в условиях техногенного загрязнения показано в работе А.Б. Савинова (1998).
Повышение среднего значения общего количества семян на растение в градиенте токсической нагрузки может быть обеспечено за счет увеличения доли высокопродуктивных растений в ценопопуляциях. Анализ частоты встречаемости растений с различной семенной продуктивностью на фоновых и импактных участках показал, что в условиях максимального химического загрязнения в ценопопуляциях обеих форм выявлена дифференциация выборки по средней семенной продуктивности. Наряду с низкопродуктивными особями встречаются и высокопродуктивные (рис. 3.7).
Можно предположить, что в фоновой ценопопуляции представлен весь спектр растений, различающихся по этому показателю. Стрессовые воздействия, связанные с химическим загрязнением, вероятно, привели к элиминации низкопродуктивных растений, увеличивая долю высокопродуктивных (Жуйкова и др., 2002).
