Использование цитогенетических показателей древесных растений в лесном хозяйстве в целях реинтродукции

Использование цитогенетических показателей древесных растений в лесном хозяйстве в целях реинтродукции

Вострикова Т.В.

В последние годы в практике лесного хозяйства и в селекционных работах рекомендуется использовать наряду с морфологическими глубокие исследования биохимических, генетических, а также цитологических показателей, поскольку они отражают состояние отдельных индивидумов и лесных насаждений в целом. Мы применяли цитогенетический метод для характеристики экологической обстановки в местах произрастания деревьев березы повислой и оценки качества семян (Буторина, Вострикова, 2004). Сейчас в связи с глобальным ухудшением экологической ситуации растения находятся в состоянии стресса. У них появляются дополнительные мутации, повышается уровень спонтанного мутагенеза, что говорит о необходимости изучения действия факторов среды на генетический аппарат при оценке качества семян лесных культур. Действие техногенных загрязнителей (тяжелых металлов, выхлопных газов автотранспорта, промышленных выбросов), обусловливающих химический стресс, и чаще направлено на генетический аппарат клетки, что приводит к цитологическим нарушениям.

В характеристике растений важную роль играют показатели всхожести и энергии прорастания семян. Низкая всхожесть и энергия прорастания, например, говорит о серьезных нарушениях генетического аппарата у семенного потомства, когда его значительная часть элиминируется. Поскольку семенное потомство является вторым поколением, которое отражает состояние хромосомного аппарата, при его использовании в качестве тест-объекта можно отследить изменения в нем самом и в некоторой степени у родительских особей. Большое значение имеют показатели семенной продуктивности, определяющие стабильность численности популяций и их возрастную структуру. Репродуктивные возможности популяций при наличии химического стресса зависят от многих факторов, в том числе влияния окружающей среды (комплекса абиотических и биотических условий), плотности и возрастной структуры ценопопуляции, репродуктивных возможностей растений (Жуйкова и др., 2002).

Мы избрали объектами для цитологического изучения корневые меристемы проростков семян березы повислой (Betula pendula Roth). Выбранный биообъект является высоко полиморфным видом, что позволяет ей приспосабливаться к различным местообитаниям и выживать при экстремальных изменениях окружающей среды. Высокая гетерогенность популяций обеспечивает металлорезистентность, газодругие типы устойчивости к неблагоприятным воздействиям, в частности, к техногенным, не только у березы повислой, но и у других растений: травянистых и древесных (хвойных и лиственных). Одновременно с устойчивостью особи в гетерогенной популяции обладают высокой продуктивностью, что особенно ярко проявляется на техногенно загрязненных территориях (Жуйкова и др., 2002).

Объектами исследований служили деревья березы повислой из Усманского бора (район биостанции ВГУ «Веневитиново»), который находится вдали от промышленных предприятий города и где, по данным Щетинкиной с соавторами (1992), уровень загрязнения химическими и физическими поллютантами не превышает ПДК. Фиксацию материала (проростков семян березы повислой от свободного опыления) проводили в течение суток и готовили постоянные давленные препараты по описанной ранее методике (Буторина, Вострикова, 2004). При исследовании препаратов учитывали общее количество просмотренных клеток на каждом препарате, митотический индекс (МИ), количество делящихся клеток, находящихся в той или иной фазе митоза, количество патологических митозов (ПМ), количество клеток с остаточными ядрышками (ОЯ), то есть ядрышками, присутствующими на стадиях метафазы, анафазы и ранней телофазы. ОЯ выглядят как круглые или каплеобразные тельца, соединенные с хромосомами на этих стадиях (рис. 1). МИ устанавливался на каждый срок фиксации и определялся как отношение между количеством делящихся клеток и общим числом учтенных меристематических клеток.

Средние значения МИ составили: 5,1% (с учетом профазы) и 3,6% (без учета профазы. При сравнении результатов изучения суточной МА у проростков семян, собранных в районе «Веневитиново», с таковыми из лесничества ВГЛТА можно отметить значительное снижение митотического индекса (МИ) в дневные часы, а особенно в пик активности у первых. В ночные часы МИ у семенного потомства из района «Веневитиново» превышает таковой у проростков из лесничества ВГЛТА. Данный факт можно объяснить высоким качеством семенного потомства, собранного с фенотипически лучших деревьев березы из этого района, произрастающих в экологически безопасных условиях, генетически проверенных (по результатам испытания их потомства) и, действительно, являющихся эталонными. Поэтому эти деревья и их семенное потомство имеют более стабильные характеристики. Повышние МИ в ночные часы происходит за счет увеличения доли клеток в стадии профазы, что может свидетельствовать о задержке клеток на данной стадии (Вострикова, 2002). Причиной этого явления могут быть повреждения хромосом, которые не дают клеткам перейти к следующей фазе митоза. Повреждающим фактором может стать и радиационное воздействие, и совокупность антропогенных поллютантов и экстремальных погодных условий. Однако подобные нарушения возникают при достаточно сильном внешнем влиянии.

Этот факт является косвенным доказательством не совсем благоприятной экологической ситуации в районе «Веневитиново». Видимо исходные деревья подвергались действию стресса, которое продолжалось и во время формирования семенного потомства, что отразилось на суточной МА. Ранее было показано, что действие стрессовых факторов в значительной мере проявляется на ранней стадии развития растений (Батыгин, 1986). Под влиянием стрессоров (природно-климатических и антропогенных), по нашему мнению, может происходить растяжение митотического цикла, которое отражается на уровне МА. Подтверждением этого может служить тот факт, что и максимум и минимум МА менее выражены у семенного потомства, собранного на «Веневитиново». Поэтому мы предполагаем, что под действием внешних факторов продолжительность цикла могла увеличиться за счет удлинения по времени стадии профазы, где доля клеток составила 27, 7%.

Таким образом, в результате влияния стрессовых факторов могут изменяться как ритм деления, так и количество клеток на различных стадиях митотического цикла. Клетки способны задерживаться не только в профазе, но и на других стадиях, что также может рассматриваться как показатель внешнего воздействия. Нами было отмечено, что действие промышленных поллютантов приводит к увеличению длительности различных фаз митотического цикла, и как следствие — возрастанию времени прохождения клеткой всего митотического цикла (Буторина и др., 2000). Такой эффект может быть обусловлен действием стресса на формирующееся семенное потомство. В результате возможно изменение интенсивности метаболических процессов. Одним из показателей интенсивности метаболизма считается ядрышковая активность. Ее частным случаем можно назвать наличие остаточного ядрышка (ОЯ) при делении клеток. В норме ядрышко исчезает в стадии профазы и вновь восстанавливается в поздней телофазе. Появление ОЯ в митозе служит показателем увеличения интенсивности метаболических процессов и стрессового воздействия на семенное потомство, т. е. может рассматриваться адаптационный механизм на клеточном уровне. Повышение числа клеток с ОЯ наблюдалось нами в антропогенно загрязненных районах (Буторина, Вострикова, 2004). Поэтому обращает на себя внимание высокое количество клеток с остаточными ядрышками, которое составило 13,1%. Однако уровень ПМ 2,50,6% не превысил спонтанного. цитогенетический экологический береза поллютант Так как мы наблюдали растяжение митотического цикла за счет задержки клеток в стадии профазы у проростков семян березы повислой, можно предположить, что потомство березы сформировалось под воздействием стрессовых факторов. Причиной тому может быть повышение рекреационной нагрузки в районе «Веневитиново», где находится база отдыха студентов и сотрудников ВГУ, и, как следствие, увеличение антропогенного прессинга на деревья березы повислой в сочетании с колебаниями погодных условий, которые в определенных случаях также могут вызвать стресс. Поэтому район «Веневитиново» можно рассматривать только как условно чистый. Однако семена, собранные с деревьев березы повислой в данном районе, можно использовать в озеленеии территории предприятий, городской зоны, создания полезащитных насаждений, парковых массивов, а также в экологических и мониторинговых работах.

В качестве адаптивных реакций зеленых растений на стресс, направленных на лучшую выживаемость, рассматривают, с одной стороны, увеличение массы корневой системы и емкости корней по сравнению с надземной частью растения (Ярмишко, 1997), усиление семенной продуктивности (увеличение количества семян, массы выполненных семян), увеличение количества генеративных побегов и доли высокопродуктивных растений в популяции, ускорение метаболических процессов, стимуляция цитогенетических показателей наряду с увеличением числа нарушений (Буторина и др., 2000). С другой стороны, отмечается противоположная тенденция — замедленный тип развития (Евсеева и др., 2002).

Хотя в данных популяциях, произрастающих в условиях техногенной нагрузки, отмечается снижение семенной продуктивности, замедление динамики проростания, отбор в пользу таких особей обеспечивает их высокую выживаемость за счет снижения выхода нарушений у проростков.

В настоящее время требуется искусственное лесовосстановление, повышение биоразнообразия, выращивание растений с последующей реинтродукцией их в природу, где экологическая обстановка также не всегда благоприятна. В связи с этим мы не рекомендуем выбраковывать низкорослые особи, характеризующиеся медленным ростом, низкой семенной продуктивностью, поскольку они могут быть более устойчивы и лучше приспособлены к стрессовым условиям, т. е. будут обладать большей выживаемостью.

Батыгин Н. Ф. Онтогенез высших растений. — М.: Агропромиздат, 1986. — 100 с.

Буторина А.К., Вострикова Т. В. Влияние экологической обстановки в местах произрастания материнских деревьев на качество семенного потомства березы повислой // Лесное хозяйство. — 2004. — № 5. — С. 20−23.

Буторина А.К., Калаев В. Н., Вострикова Т. В., Мягкова О. Е. Цитогенетическая характеристика семенного потомства дуба черешчатого (Quercus robur L.), сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), березы повислой (Betula pendula Roth.) в условиях антропогенного загрязнения города Воронежа // Цитология. — 2000. — Т. 42, № 2. — С. 196−201.

. Вострикова Т. В. Использование цитогенетического метода при оценке качества семян. В кн.: Генетические основы селекции: Материалы межрегиональной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения профессора, докт. биол. наук Сергея Ивановича Машкина. — Воронеж, 2002. — С. 120−123.

Жуйкова Т.В., Безель В. С., Позолотина В. Н., Северюхина О. А. Репродуктивные возможности растений в градиенте химического загрязнения среды // Экология. 2002. № 6. С. 432−437.

Евсеева Т.И., Гераськин С. А., Фролова Н. П., Храмова Е. С, Использование природных популяций Taracsacum officinale Wigg. для оценки состояния техногенно нарушенных территорий // Экология. — 2002. — № 5. — С. 393−396.

Щетинкина Н.А., Пашков А. Н., Немых В. Н. Минеральный состав и загрязненностьрадиоактивными веществами некоторыхтравянистых растений пригородной зоны г. Воронежа // Состояние и проблемы экосистем Усманского бора. — Воронеж, 1992. — С. 209−219.

Ярмишко В. Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. — СПб.: Изд. НИИХ СПбГУ, 1997. — 210 с.