Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Генеративная система хвойных растений в благоприятных условиях произрастания и в условиях экологического стресса
Глава 2. Экологическая характеристика района исследований 20
2.1. Природно-климатическая характеристика района исследований 20
2.2. Техногенное загрязнение района исследований 23
Глава 3. Объекты и методы исследований. Схема исследований 32
3.1. Объекты исследований 32
3.2. Методы исследований 3 4
3.3. Схема исследований 40
Глава 4. Спектр аномалий и потенциальная фертильность микроспор и пыльцы сосны обыкновенной 41
4.1. Характеристика начальных этапов микрогаметогенеза и спектра аномалий микроспор и пыльцы сосны 41
4.2. Жизнеспособность морфологически аномальной пыльцы 46
4.3. Особенности микрогаметогенеза и фертильность пыльцы сосны в годы исследований 50
4.4. Фертильность и спектр аномалий микроспор и пыльцы сосны исследуемых насаждений 57
Глава 5. Функциональные показатели зрелой пыльцы сосны обыкновенной 73
5.1. Фертильность и жизнеспособность зрелой пыльцы сосны 73
5.2. Содержание запасных питательных веществ в пыльце сосны 82
5.3. Развитие мицелия грибов на искусственной питательной среде в опыте при проращивании пыльцы 92
Глава 6. Структура взаимосвязей показателей мужской генеративной системы сосны 102
6.1. Особенности структуры взаимосвязей показателей мужской генеративной системы сосны исследуемых насаждений 102
6.2. Формы сосны обыкновенной, различающиеся устойчивостью пыльцы при прорастании к грибам 109
Глава 7. Фенотипическая структура насаждений сосны обыкновенной 116
7.1. Индивидуальная изменчивость показателей мужской генеративной системы сосны 116
7.2. Дифференциация насаждений сосны по показателям мужской генеративной системы 119
Глава 8. Биомониторинг состояния окружающей природной среды при техногенном загрязнении . 138
8.1. Палиноиндикация техногенного загрязнения окружающей природной среды и состояния мужской генеративной системы 139
8.2. Прогноз состояния лесных экосистем, произрастающих при техногенном загрязнении 146
Выводы 151
Список литературы 154
Приложение 174
- Генеративная система хвойных растений в благоприятных условиях произрастания и в условиях экологического стресса
- Природно-климатическая характеристика района исследований
- Характеристика начальных этапов микрогаметогенеза и спектра аномалий микроспор и пыльцы сосны
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Деградационные процессы в природных и искусственных экосистемах, наблюдаемые в различных регионах мира со второй половины 20-го века, во многом обусловлены загрязнением природной среды веществами антропогенного происхождения. Длительное техногенное загрязнение превращается в ведущий экологический фактор, нарушающий природное равновесие и направляющий развитие экосистем.
Леса России являются национальным достоянием, традиционным источником промышленного сырья, но также и мощнейшим фактором стабилизации окружающей среды. В условиях атмосферного загрязнения леса препятствуют дальнему распространению загрязняющих веществ, очищают воздух промышленных зон путем механического осаждения твердых частиц, частичного поглощения и детоксикации (Илькун, Мотрук, 1975; Гудериан, 1979; Смит, 1988). Хвойные леса, также как и лиственные, обладают способностью к задержанию и выведению из атмосферы аэрозольных и пылевых частиц (Грешта, 1970; Илькун, Мотрук, 1975; Гетко и др., 1978; «Загрязнение ...», 1988; Зибцев, 1989; Лебедев и др., 1997). Один га спелого древостоя за летний период может поглотить до 200-250 кг серы, 100-200 кг хлора, 75-100 кг фтора, осадить 40-45 т пыли (Илькун, 1975). Хвойные растения способны поглощать промышленные токсиканты из атмосферы даже при -5С. Концентрация тяжелых металлов в хвое и листьях деревьев, находящихся под длительным техногенным воздействием, в 3-7 раз превышает фоновый уровень (Учватов и др., 1997). Таким образом, хвойные растения вносят значительный вклад в оздоровление атмосферного воздуха промышленных районов.
Выполняя функции природного фильтра для техногенных эмиссий, лесные экосистемы сами страдают от загрязняющих веществ, особенно кислых токсикантов. Хвойные породы, в силу ряда анатомо-морфологических, физиологических и биохимических особенностей, испытывают сильное угнетение и погибают (Красинский, 1950; Абрамашвили, 1957; Садилова, 1964; Кулагин, 1974; Поповичев, 1980; Рожков, Михайлова; 1989, Михайлова, Бережных, 1995; Любашевский и др., 1996 и др.). Деградация природных экосистем на Урале в настоящее время достигла угрожающих масштабов. За 300-летний период интенсивной хозяйственной деятельности в Свердловской области человеком было преобразовано 80 629 км земель (Горчаковский, Никонова, Фамелис, 2004), составляющих 41,4% территории области. Речь идет не только о потере ценнейшего генофонда хвойных пород, но также о снижении хозяйственной ценности видов-эдификаторов лесных фитоцено-зов, об изменении средообразующей и средостабилизирующей роли лесных экосистем в целом: дегенерация сосновых древостоев способствует нарушениям других ярусов лесного ценоза и травянистого покрова, завершается образованием кустарничковых формаций, а в дальнейшем - промышленной пустоши (Пшибильски, 1988; Трубина, Махнев, 1997; Горчаковский, Никонова, Фамелис, 2004).
Оптимизация функций лесных экосистем в промышленных регионах требует проведения комплекса мероприятий по мониторингу и биоиндикации техногенного повреждения лесов и лесовосстановлению на нарушенных землях.
Многие теоретические и практические вопросы экологического мониторинга лесов до сих пор остаются не решенными. Отсутствие популяцион-ного подхода во многих работах ограничивает возможности использования результатов при экологической оценке экосистем. Слабо изучены последствия совместного действия на экосистемы комплекса физических, химических и биологических факторов, которым характеризуется современная экологическая ситуация (Chorvatovicova, 1987; Ренеклз, 1988; Виленчик, 1991; Ге-раськин и др., 1996; Петин и др., 1999; Гераськин, Евсеева, 2000; Шапошников, 2000). Между тем при диагностике состояния экосистем комплексные исследования, опирающиеся на результаты разных методов, наиболее объективны (Бабушкина и др., 1993; Папулов и др., 2003). Так, было показано, что при использовании только одного из тестов теряется до 20% информации о мутагенных факторах (Жиленко, Андрейко, Богатчук и др., 1987). Отметим отсутствие комплексной оценки состояния генеративной системы растений в зонах техногенного загрязнения.
Согласно литературным данным, селекционное улучшение лесов в отношении их устойчивости к техногенным аэрополлютантам является реальной задачей благодаря высокой генетической гетерогенности лесных популяций (Роне, 1978; Животовский, 1984; Котов, 1997), механизмам преадапта-ции к техногенным стрессам (Жученко, 1985), наследуемости адаптации (Бу-торина, Уваров, 1980; Жученко, 1985; Котов, 1997; Прохорова, Лебедева, 1998). В ходе микроэволюции сформировались популяции, характеризующиеся физиологической специализацией и адаптацией к определенным экологическим условиям. Таким образом, наиболее простым методом повышения устойчивости к техногенному загрязнению будущих лесных насаждений является отбор и использование в лесовосстановлении естественно возникших в природе биотипов, популяций, видов растений-лесообразователей, обладающих устойчивостью к техногенным воздействиям. Однако такой подход к решению задач лесовосстановления ставит перед исследователями ряд проблем, важнейшей из которых является возрастание уровня генетического груза в популяциях растений-лесообразователей. Известно, что мутации вызывают нарушения иммунной системы, обусловливают изменения обмена веществ и преждевременное старение организма. Генетический груз в форме доминантных мутаций проявляется нарушениями развития организма или ранней его гибелью (Инге-Вечтомов, 1989; Дубинин, 1994). Данные многих авторов свидетельствуют о том, что наиболее активно мутации образуются в репродуктивной системе, особенно на гаметофитной стадии развития (Алтухов и др., 1983; Алтухов, 1989; Кальченко, Спирин, 1989; Хромова и др.,
1990; Федорков, 1992, 1994, 1995; Лях, Сорока, 1996; Бахтиярова, 1997). Корреляция частоты аберраций с удаленностью участка произрастания (Шевченко, 1985; Abraham, al., 1991; Федорков, 1998) и с продолжительностью воздействия фактора (Dryanovska, 1987) свидетельствует о неслучайном характере процесса образования аномалий в микроспоро- и -гаметогенезе. Таким образом, пыльца растений является важнейшим источником экологической и генетической информации. Часто мутации в гаметах и зародышевых клетках родительских организмов, обусловленные факторами внешней среды, не элиминируют, а входят в состав мутационной компоненты генетического груза данного и последующих поколений, снижая их жизнеспособность и изменяя генофонд популяций (Алтухов, 1989; Бахтиярова, 1997; Романовский, 1997; Mashkina, 1997; Micieta, Murin, 1997). Следовательно, мутации в генеративных клетках значимы для организма и для биосферы в целом. В связи с этим исследования процессов репродукции лесообразующих видов являются важнейшими в условиях глобального загрязнения окружающей природной среды веществами с токсическими и мутагенными свойствами.
Особое значение такие исследования приобретают для хвойных растений, и сосны обыкновенной, в частности, для которых в природных условиях неизвестен иной способ воспроизводства, кроме полового процесса. Успешность репродуктивной деятельности сосны обыкновенной во многом определяется структурной и функциональной полноценностью мужских и женских генеративных структур. Эмбриологами отмечена строгая зависимость развития женских генеративных структур сосны обыкновенной от опыления: развитие женского гаметофита стимулируется только пыльцой, прорастающей на нуцеллусе семяпочки; при отсутствии опыления и оплодотворения семяпочки сосны обыкновенной дегенерируют (Козубов, 1974; Singh, 1979; Некрасова, 1983; Хромова, 1985, 1986; Мошкович, 1991; Романовский, Рябо-конь, Хромова, 1991; Романовский, 1997).. Одной из важнейших причин отсутствия опыления и оплодотворения семяпочек сосны и снижения посевных качеств семян является низкое качество пыльцы. Биологическое значение пыльцы при половом процессе, уязвимость процессов микрогаметогенеза к факторам внешней среды определяют актуальность изучения мужской генеративной системы хвойных растений, особенно в неблагоприятных условиях произрастания.
Цель исследования: изучить состояние мужской генеративной системы сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей при различных уровнях техногенного загрязнения среды фторсодержащими аэрополлютан-тами, определить показатели, пригодные для биоиндикации техногенного загрязнения окружающей природной среды и отбора адаптированных к техногенному загрязнению форм.
Задачи исследования:
Представить экологическую характеристику лесных насаждений района исследований.
Изучить изменения структурных и функциональных показателей мужской генеративной системы сосны обыкновенной, произрастающей при разных уровнях техногенного загрязнения окружающей природной среды фторсодержащими аэрополлютантами; особенности взаимосвязей показателей; выявить показатели, пригодные для интегральной оценки состояния мужской генеративной системы сосны.
Исследовать фенотипическую структуру насаждений сосны обыкновенной по показателям мужской генеративной системы в различных экологических условиях.
Выявить биоиндикационные показатели техногенного загрязнения окружающей природной среды фторсодержащими аэрополлютантами.
Оценить перспективы использования адаптированных к техногенному загрязнению форм сосны для лесовосстановления на загрязненных территориях.
Научная новизна. Впервые изучено состояние мужской генеративной системы сосны обыкновенной с использованием комплекса морфологических, цитологических и функциональных признаков. Впервые применен по-пуляционный подход при проведении цитоэмбриологических и физиологических исследований состояния мужской генеративной системы хвойных растений. Выявлены специфические особенности реакции мужской генеративной системы сосны на техногенное загрязнение в зависимости от стадии развития мужского гаметофита, индивидуальных особенностей деревьев и уровня техногенного загрязнения окружающей природной среды. Доказаны различия в фунгицидных свойствах зрелой пыльцы различных деревьев, а также пыльцы, сформированной при разном уровне техногенного загрязнения окружающей природной среды.
Разработаны критерии для индикации состояния мужской генеративной системы сосны и техногенного загрязнения на основе комплекса показателей микроспор и пыльцы. Доказано существование адаптированных, толерантных и неадаптированных форм сосны в различных экологических условиях. Рассмотрена возможность использования адаптированных форм сосны обыкновенной для селекции и лесовосстановления в условиях техногенного загрязнения.
Практическая значимость работы. Использованные в работе методические приемы и полученные на их основе данные рекомендованы для биомониторинга окружающей природной среды и индикации состояния мужской генеративной системы. Выявленная изменчивость деревьев сосны по устойчивости пыльцы к грибу явилась основанием для выделения устойчивых форм. Результаты работы позволяют рекомендовать показатели мужского гаметофита для прогноза состояния хвойных насаждений, научного обоснования и разработки системы мероприятий по повышению устойчивости лесов, произрастающих в неблагоприятных экологических условиях.
Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы использованы в научных отчетах Проблемной научно-исследовательской лаборатории УГЛТУ (1991-1993, 1997-2000). Полученные в процессе выполнения работы выводы рекомендованы Правительству Свердловской области (Государственный доклад .., 1997). Результаты исследования и методические приемы могут быть использованы при обучении студентов в лекционном курсе и практикуме по экологии и генетике растений, а также при изучении предметов «Общая экология», «Региональная экология», «Генетика и селекция растений», «Лесоведение» в учебном процессе УГСХАиУГЛТУ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Техногенное загрязнение разных уровней действует на насаждения со сны обыкновенной специфическим образом, что проявляется изменением ци- томорфологических и функциональных показателей мужского гаметофита.
Воздействие фторсодержащих аэрополлютантов на насаждение сосны в зоне сильного уровня техногенного загрязнения превышает пределы толерантности мужской генеративной системы, что приводит к достоверно значимому снижению значений структурных и функциональных показателей микроспор и пыльцы, по сравнению с насаждениями из зоны среднего уровня загрязнения и фоновых условий. Мужская генеративная система сосны обыкновенной насаждения из зоны среднего уровня техногенного загрязнения адаптирована к действующим уровням аэрополлютантов.
Под влиянием техногенного загрязнения изменяется структура взаимосвязей цитоморфологических и функциональных показателей мужской генеративной системы сосны и фенотипическая структура насаждений сосны по показателям мужской генеративной системы.
Выявленные особенности состояния мужской генеративной системы сосны обыкновенной в зонах техногенного загрязнения обусловлены мутагенным и эмбриотоксическим действием аэрополлютантов, изменением гене- тической структуры насаждений вследствие элиминации неадаптивных форм и отбора устойчивых форм.
5. Цитоморфологические и функциональные показатели микроспор и пыльцы сосны обыкновенной могут быть использованы для биоиндикации техногенного загрязнения, состояния процессов репродукции, прогноза состояния насаждений и селекции устойчивых к техногенному загрязнению форм.
Благодарности. Выражаю глубокую благодарность своим учителям профессору Л.Г. Бабушкиной, доценту Г.В. Зуевой за огромную помощь и всемерную поддержку в проведении исследовательской работы, обобщении полученных результатов и представлении работы к защите.
Генеративная система хвойных растений в благоприятных условиях произрастания и в условиях экологического стресса
Эмбриологические и цитоэмбриологические параметры развития генеративных органов хвойных растений, и сосны обыкновенной в том числе, к настоящему времени подробно изучены на светооптическом и электронно-микроскопическом уровнях (Некрасова, 1960, 1983; Козубов, 1974; Singh, 1978; Третьякова, 1990; Мошкович, 1991 и др.). Исследованы физиолого-биохимические процессы в генеративных побегах и органах хвойных (Размо-логов, 1963; Козубов, 1974; Артемов, 1981).
Литературные данные свидетельствуют о том, что мужская генеративная система сосны, как и многих голосеменных видов растений, отличается от покрытосеменных сложностью строения, большой длительностью и мно-гостадийностью формирования и развития репродуктивных структур. Весь период от начала заложения примордиев чешуи в апикальной меристеме до созревания семян у сосны обыкновенной занимает четыре года (Некрасова, 1960; Михалевская, 1963). В развитии генеративной системы голосеменных выделяют три основных этапа: заложение генеративных органов от образования флоральных меристем до формирования генеративных почек; дифференциация тканей генеративных органов - до образования гамет; оплодотворение, образование зиготы и формирование зародыша (Козубов, 1985). За два года до опыления в конце вегетационного периода формируются примордия чешуи, обособляющих новую почку (Некрасова, 1960; Михалевская, 1963). Заложение зачатков микростробилов происходит в пазухах кроющих чешуи в июне - июле года, предшествующего опылению (Некрасова, 1960; Михалевская, 1963; Третьякова, 1990). Спустя две-три недели начинается дифференциация микроспорофиллов, в течение августа-сентября - дифференциация микроспорангиев (Третьякова, 1990). Микростробилы занимают место у основания побега, дифференцируются от основания мужской шишки к апексу, выше по побегу замещаются брахибластами (Третьякова, 1990; Романовский, 1997). В конце вегетационного периода микроспорангии состоят из следующих видов клеток: эпидермальные (1 слой), субэпидермальные (1-2 слоя), выстилающие - тапетум (1 слой), многочисленные микроспороциты (Козу-бов, 1974).
Весной, в год пыления, в археспории микроспорангиев сосны обыкновенной продолжаются митозы. В конце апреля - начале мая митозы прекращаются, спорогенные клетки обособляются, что совпадает по времени с началом в них профазы мейоза (Козубов, 1974). Сроки начала мейоза, продолжительность отдельных его фаз варьируют в зависимости от экологических условий внешней среды (Козубов, 1974; Третьякова, 1990 и др.). Микроспоры в тетрадах сосны образуются симультантно, изобилатерально (Козубов, 1974). Спустя 5-7 дней после освобождения из тетрад в микроспорах сосны начинаются проталлиальные деления. До начала пыления в микроспорах проходят три последовательных деления, в результате образуются две проталлиальные клетки, которые, как правило, сразу дегенерируют, а также генеративная и сифоногенная клетки (Цингер, Размологов, 1972; Singh, 1978). Таким образом, зрелое пыльцевое зерно сосны обыкновенной двуклеточное. Дальнейшее развитие мужского гаметофита сосны продолжается после опыления на нуцеллусе семяпочки: пыльцевое зерно прорастает пыльцевой трубкой. Вегетативное ядро входит в пыльцевую трубку и останавливается перед его разветвлением. Пыльцевая трубка прекращает рост примерно через 1 месяц после опыления, достигая длины 200 мкм, в двуядерном состоянии зимует. В результате четвертого деления, происходящего в начале следующего вегетационного периода, образуются базальная и стебельковая клетки. Ядро стебельковой клетки опускается в пыльцевую трубку, теряя при этом цитоплазму. Базальная клетка делится (пятое деление мужского гаметофита) с образованием двух спермиев, один из которых оплодотворяет яйцеклетку (Некрасова, 1960; Козубов, 1974).
Генеративные процессы у хвойных растений, в том числе сосны обыкновенной, были изучены в различных экологических и географических условиях произрастания: в маргинальных популяциях (Яковлев, 1978, 1979), в условиях Севера (Sarvas, 1967; Козубов, 1974), в условиях Восточной и Западной Сибири (Сунцов, 1982; Некрасова, 1983; Третьякова, 1990), при пониженных температурах - в экспериментальных работах (Артемов, 1981; Сунцов, 1982), при переувлажнении (Мамаев, 1973; Рождественский, 1975; Се-дельникова, Муратова, 1991, Петрова, Санников, 1996), при засухе (Седель-никова, 2003; Тихонова, 2005), в высокогорье (Бажина, 1997; Третьякова, 1997). Авторы отмечали, что условия внешней среды влияют на время начала, темпы и продолжительность периода заложения, детерминации и дифференциации как мужских, так и женских генеративных органов, начало и продолжительность пыления, прорастания пыльцевой трубки, оплодотворения, обилие микростробил и урожайность и др., а также вызывают разнообразные нарушения репродуктивной деятельности вплоть до полного ее прекращения.
Многочисленными работами последнего времени была показана высокая чувствительность генеративной системы хвойных растений к техногенным факторам - загрязнению окружающей природной среды аэрополлютан-тами и радиацией (Шкарлет, 1974; Тихомиров и др., 1978; Алтухов и др., 1983; Федотов и др., 1983; Негруцкая, 1983; Шевченко, 1983; Mejnartowicz, Lewandowski, 1985; Спэрроу и др., 1986; Ругузов и др., 1986; Скоблин, Кли-менчук, 1987; Бигалиев, Охмат, 1989; Кальченко, Спирин, 1989; Третьякова, 1990, 1997; Ставрова, 1990; Артемов и др., 1990; Козубов и др., 1990; Хромова и др., 1990; Погосян и др., 1991; Романовский, Рябоконь, 1991; Бессонова, 1992; Федорков, 1992, 1994; Горовая и др., 1995; Бажина, 1997; Аникеев, 1996; Бахтиярова, 1997; Mashkina, 1997; Micieta, Murin, 1997; Осколков, 1998). Авторы отмечали возрастание частоты генных мутаций, хромосомных аномалий в мейозе и гаметогенезе, увеличение частоты стерильной и нежизнеспособной пыльцы, а также цитогенетические нарушения в митозе в меристеме корешков проростков семян, угнетение пролиферативной активности клеток и задержку роста проростков семян.
Анализ приведенных литературных данных свидетельствует о том, что мужская генеративная система сосны обыкновенной характеризуется сложным анатомическим строением, большой длительностью и многостадийно-стью развития структур и связанными с ними структурными и функциональными нарушениями в неблагоприятных экологических условиях.
При исследовании мужской генеративной системы растений, произрастающих в различных экологических условиях, наибольшее внимание, как правило, уделяли процессу мейоза (Chira, 1967; Николаева, 1974; Козубов, 1974; Рождественский, 1974, 1975; Лаура, 1978; Яковлев, 1978; 1979; Артемов, 1981; Бигалиев, Охмат, 1989; Бондарь, Частоколенко, 1990; Бессонова, 1992; Романовский, 1997). Выявленные авторами цитогенетические, физиологические и фенологические особенности мейоза у растений позволили считать период мейоза доступной и информативной системой, отражающей состояние процессов репродукции растений в различных условиях внешней среды. Однако результаты других исследований свидетельствуют о том, что уровень нарушений в генеративной системе, определяемый лишь по частоте аберраций в мейозе, существенно занижен (Хромова, 1972; Артемов, 1972; Козубов, 1974; Гусейнова, Ахундова, 1982; Савченко, Резникова, 1982). Таким образом, объективная оценка состояния мужской генеративной системы требует изучения последующих этапов развития мужского гаметофита - этапов формирования и развития пыльцевого зерна, его прорастания, формирования пыльцевой трубки.
Природно-климатическая характеристика района исследований
Район исследований расположен на восточном склоне Среднего Урала, в наиболее низкой его части, в верховьях реки Чусовой и определяется как низкогорный (Колесниковым, 1969). Преобладающими горными породами являются кристаллические сланцы, граниты, диабазы, которые часто выходят на поверхность даже в пониженных частях рельефа (Фирсова, 1977). Средние высоты местности - 300-400 м и менее, преобладают пологие и очень пологие, но длинные склоны, редко - россыпи.
Климат. Климат Свердловской области формируется под воздействием воздушных масс трех типов: западных атлантических - влажных и прохладных, северных арктических - холодных и относительно сухих, южных и юго-западных - теплых и сухих континентальных (Колесников, 1969). Западный макросклон испытывает преимущественное влияние трансформированных атлантических масс воздуха, которые заметно повышают общую увлажненность Предуралья и горной полосы Урала (Колесников, Зубарева, Смоло-ногов, 1973). Восточный макросклон Урала чаще подвергается вторжениям холодного и сухого арктического воздуха, вследствие чего увлажненность предгорий снижена. Климат области в западной ее части характеризуется как субконтинентальный, тогда как в восточных предгорьях как континентальный (Колесников, Зубарева, Смолоногов, 1973).
Анализ данных гидрометеоцентра показал, что наибольшее количество осадков в районе исследований выпадает в июне-августе, наименьшее - в январе-марте; максимальная средняя высота снежного покрова в феврале-марте 37-38 см, в отдельные годы - до 90 см; появление устойчивого снежного покрова по среднемноголетним данным наблюдается 16 ноября, разрушение его - 9 апреля, хотя возможны значительные отклонения от средномного-летнего уровня в отдельные годы до 10-ти - 20-ти дней, продолжительность периода с устойчивым снежным покровом в среднем 171 день; глубина промерзания почв составляет в среднем 70-100 см (Бюллетень..., 1990 - 1995).
Зимой преобладающими ветрами являются южные и юго-западные, летом - западные, северо-западные и северные (Колесников, 1969). Среднегодовая температура воздуха около 2С, средняя температура января -16С, июля - +17С. Сумма положительных среднесуточных температур за май-сентябрь составляет 2000С. Средняя продолжительность периода со среднесуточной температурой выше +10С - 117 дней, с 16 мая до 11 сентября. Продолжительность вегетационного периода со среднесуточной температурой выше +5С - 187 дней, с 24 апреля по 10 октября (Бюллетень..., 1990 -1995).
Почвы. Увалистый тип рельефа Свердловской области формирует сложную мозаику местных климатов и соответственно пестроту почвенного и растительного покрова (Фирсова, 1969). Преобладают дерново-подзолистые и средне-подзолистые почвы, местами встречаются буроземо-видные и серые лесные на суглинках; в понижениях обычны луговочерно-земные почвы на глинах, а также торфянистые и торфяные (Фирсова, 1977). Всего автором было выделено 19 типов почв. Почвы склонов неглубокие, щебнистые на делювии плотных горных пород, нередко отмечают оглеен-ность нижних горизонтов. По механическому составу преобладают почвы суглинистые, по влажности - свежие и периодически влажные (Фирсова, 1977). В районе исследований в наибольшей степени распространены серые лесные почвы разной степени оподзоленности и бурые горно-лесные почвы (Бабушкина и др., 1993). Таким образом, климат района исследований характеризуется коротким вегетационным периодом с малым числом ясных дней, частыми ранними осенними и поздними весенними заморозками.
Растительность. Климат области способствует росту и размножению хвойных и мелколиственных древесных растений — основных лесообразую-щих пород района исследований. Сосновые леса Урала сформировались уже в начале послеледникового периода (в голоцене) и существуют не менее 10000 лет (Архипова, 1984). Современный растительный покров области практически не сохранил преемственности с многовидовыми хвойными и хвойно-широколиственными (смешанными) лесами, покрывавшими в конце третичного периода горную полосу и предгорья Среднего Урала (Колесников, 1969). Район исследований представляет собой типичную лесную территорию, испытавшую длительное и интенсивное воздействие хозяйственной деятельности человека.
Процесс освоения лесных богатств охватил всю территорию южной и центральной частей современной Свердловской области с конца 17-го века и распространялся в течение 18 - 19-го веков на леса северных районов (Колесников, 1969). По мнению автора, многие лесные площади вблизи наиболее старых населенных пунктов области с начала 18-го века проходились сплошными рубками не менее двух - трех раз. На территории Свердловской области коренные леса в настоящее время сохранились только в горах Северного Урала и на заболоченных междуречьях крупных рек (Колесников, 1969). Подавляющая часть их, по данным автора, представлена низкопродуктивными насаждениями 4-5 класса бонитета и ниже.
В настоящее время общая площадь лесного фонда составляет 15 772,0 тыс. га (Государственный доклад ..., 2003). На долю площади, покрытой лесной растительностью, приходится 13 133,4 тыс. га (83,3% площади лесного фонда). Доля искусственных насаждений составляет 802,4 тыс. га (7,2%) от покрытой лесом площади. Основными лесообразующими породами являются сосна и береза, на долю которых приходится соответственно 35,9 и 33,0% площади, покрытой лесной растительностью. Среди хвойных лесов наиболее распространены сосновые (59,6% площади). Сосновые насаждения области представлены преимущественно молодняками (30,6%), средневозрастными (32,0%) и спелыми (29,3% площади сосняков) насаждениями (Государственный доклад ..., 2003). Характерными типами леса района исследований являются сосняки ягодниковые, разнотравные, занимающие около 80% площади; сосняки лишайниково-брусничные занимают 1,6% площади.
На территории области преобладают леса лесопарковой зоны, которые составляют 51,4% общей лесной площади, эксплуатационные леса промышленного потребления составляют лишь 17,2%. Большие площади бывших лесных территорий в настоящий момент заняты городскими и промышленными застройками, что не позволяет расширять площади лесных насаждений. Сложившаяся ситуация диктует необходимость сохранения и восстановления экологической и эстетической ценности лесных экосистем, в том числе на городских и пригородных территориях в окрестностях заводов, на которых лесные насаждения видоизменены, а часто практически разрушены вследствие влияния промышленных выбросов.
Характеристика начальных этапов микрогаметогенеза и спектра аномалий микроспор и пыльцы сосны
Исследования ряда авторов показали, что у сосны в любых условиях ее произрастания формируется гетерогенная пыльца: микроспоры и пыльцевые зерна различаются по размерам тела, размерам и числу воздушных мешков, содержанию запасных питательных веществ, структуре цитоплазмы и ядра (Некрасова, 1983; Ругузов и др., 1986; Третьякова, 1990). В связи с этим возникла проблема диагностики нарушений микроспор и пыльцы на разных этапах развития мужского гаметофита. Для ее решения нами, на основании собственных и литературных данных и цитоэмбриологических исследований, была разработана схема развития мужского гаметофита сосны обыкновенной (Приложение 1). Критериями для выделения фаз микрогаметогенеза служили цитоэмбриологические особенности структур микроспор и пыльцевых зерен: размер, форма, расположение и состояние ядер, состояние цитоплазмы, размер воздушных мешков, качественный и количественный состав запасных питательных веществ, форма и размер тела микроспоры (пыльцевого зерна) (Приложение 2, 3). Сходство отдельных фаз микрогаметогенеза сосны по названным признакам позволило сгруппировать их в две стадии: 1) стадия микроспор — включает фазу освобождения микроспор из тетрад, фазы роста микроспор и подготовки к проталлиальным делениям (Men 1 - Men 5); 2) стадия пыльцевых зерен до пыления - включает фазы проталлиальных делений (Пз1 -Пз4).
Знание особенностей строения микроспор и пыльцевых зерен сосны на каждом этапе их развития позволило нам выявить следующие признаки нарушений микрогаметогенеза:
Морфологические - определяли по изменениям формы и размеров тела микроспоры и пыльцевого зерна, воздушных мешков и спородермы.
Цитологические - выявляли по изменениям в структуре ядра (карио-рексису, пикнозу, хроматолизу, фрагментации и вакуоляризации ядра, пульверизации хромосом) и цитоплазмы (плазмолизу, фрагментации, гомогенному окрашиванию красителями). Названные признаки встречались в клетках мужского гаметофита сосны, как правило, одновременно. В зависимости от степени нарушения структур клеток они были объединены нами под названием некробиоза или некроза. Данные термины были использованы ранее в литературе для обозначения начальных необратимых физиологических изменений в клетке, обусловленных цитологическими аномалиями (некробиоз) или омертвления клеток (некроз) (Насонов, Александров, 1940; Авцын, Шах-ламов, 1979). Авторы отмечали, что названные изменения наблюдаются в клетке в течение некоторого периода времени, т.е. развиваются постепенно, и обусловлены эндогенными (генетическими, метаболическими) и экзогенными факторами.
Физиологические — выявляли по отсутствию или малому содержанию в микроспорах и пыльце на каждой стадии их развития запасных веществ (крахмальных зерен и липидных капель), отставанию в развитии мужского гаметофита. Известно, что пыльцевые зерна даже в пределах одного микроспорангия могут находиться на разных стадиях развития, т.к. с момента обособления микроспороцитов между ними практически не существует "прямой связи" (Козубов, 1974; Яковлев, 1979). Однако структурно-функциональные различия между микроспороцитами в норме не могут быть значительными, так как пыльник - это высокоинтегрированная система, функционирование составных частей которой взаимозависимо (Резникова, 1984). Так, формирование пыльцы во многом зависит от деятельности тапетума, который синтезирует вещества, необходимые для формирования спородермы и развития микроспор в микроспорангии (Козубов, 1974; Рождественский, 1974; Резникова, 1984). Структурные элементы тапетума со временем подвергаются деструкции и элиминируют, что, вероятно, может препятствовать развитию «запаздывающих» микроспор. Поэтому микроспоры и пыльцевые зерна, которые отличались размерами тела и воздушных мешков, либо их строением от морфотипа микроспоры и зрелого пыльцевого зерна сосны на конкретной стадии микрогаметогенеза, были отнесены нами к аномальным.
В процессе изучения нами было установлено, что микроспоры и пыльцевые зерна сосны с морфологическими нарушениями могут иметь или не иметь цитологических и физиологических нарушений. Поэтому дальнейшая классификация аномалий мужского гаметофита сосны была проведена нами с учетом всех рассмотренных нарушений. Наиболее распространенными типами аномалий микроспор и пыльцевых зерен сосны исследуемых насаждений были следующие:
Мелкие микроспоры и пыльцевые зерна (Приложение 4.1-4.4). а) Цитологически нормальные микроспоры и пыльцевые зерна, имеющие все структурные элементы, характерные для большинства пыльцевых зерен на данной стадии развития, но мельче их в 1,5-4,0 раза. Воздушные мешки у них могут быть нормальными или недоразвитыми. Запасные вещества в цитоплазме, как правило, отсутствуют либо накапливаются в меньшем количестве, б) Мелкие дегенерирующие микроспоры и пыльцевые зерна - отстающие по стадии развития, имеющие признаки некробиоза, некроза и морфологические нарушения. Липиды в таких микроспорах накапливались, а крахмал, как правило, отсутствовал.
Микроспоры и пыльцевые зерна, имеющие «нормальные» размеры, соответствующего стадии их развития, с аномальными воздушными мешками (Приложение 4.5-4.12). Аномалии воздушных мешков выявляли по нарушениям их числа (от одного до восьми равного или неравного размера) и формы (меньшего размера; окружающие тело пыльцевого зерна в виде бахромы; «кольцевые» или «воротничковые» воздушные мешки; деформированные воздушные мешки при сильно развитом гребне). Микроспоры и пыльцевые зерна с аномальными воздушными мешками были: а) цитологически нормальными, б) отставшими по стадии развития, в) дегенерирующими - с признаками некробиоза.
