Воронежский государственный университет

Эта работа опубликована в сборнике научных трудов «Проблемы и перспективы современной науки» (2008 год, выпуск 2), под редакцией проф., д.м.н. Ильинских Н.Н. Посмотреть титульный лист сборника

Древесные растения, используемые для озеленения городов, нуждаются в постоянном обогащении и регулярном обновлении своего ассортимента. Эти проблемы могут быть решены более успешно благодаря привлечению в зеленые насаждения города растений-интродуцентов, в том числе и древесных. Сохранение естественных и искусственных зеленых массивов и создание новых устойчивых в городской среде насаждений является важнейшей проблемой для крупных промышленных городов, к числу которых относится и Воронеж. Загрязнение почв, выбросы автотранспорта и промышленных предприятий создают стрессовые условия для живых организмов, в том числе и древесных интродуцированных видов, испытывающих их хроническое воздействие. В таких условиях происходит развитие вегетативной и генеративной сферы у деревьев в городских насаждениях. Поэтому важна как характеристика качества среды посредством оценки видового разнообразия и его изменения, необходимая для получения информации о благополучии среды и ее комфортности для человека, так и необходимо проводить отбор на повышенную экологическую устойчивость древесных растений. Целенаправленный отбор на наследственно обусловленную повышенную экологическую устойчивость древесных видов, в том числе и видов-интродуцентов будет способствовать улучшению качества зеленых насаждений в городах, особенно промышленных. В природе растения подвергаются целому комплексу природных и антропогенных факторов, поэтому в экологическом смысле важны не только механизмы действия отдельных стрессоров, но и общие последствия их комплексного воздействия (Захаров и др., 2000; 2001 и др.). Стрессорные факторы наряду с общей фитотоксичностью могут обладать и генотоксичностью, повреждая генетический материал мейотических и митотических клеток, что приводит к нарушениям процессов деления. Поэтому среди характеристик хромосомного аппарата в мейозе и митозе важно выявить те, которые могут поддерживать гомеостаз интродуцируемых видов и способствовать повышенной устойчивости видов в экстремальных условиях. Выяснение цитогенетических характеристик гомеостаза конкретных интродуцируемых видов важно как для ускоренной оценки отобранных деревьев, так и для ранней диагностики наследственных свойств их потомства, поскольку при этом можно наблюдать ответные реакции клеток и их генетического аппарата. В связи с этим целью данного исследования явилась цитогенетическая характеристика состояния устойчивых древесных растений в условиях комплексного воздействия стрессорных факторов (условий интродукции и антропогенного прессинга) и оценка их гомеостаза на основе цитогенетических характеристик.
Материал и методика
Объектами исследования были устойчивые в городской среде такие древесные растения - интродуценты, как вяз мелколистный – Ulmus pumila (L.) и ель колючая – Picea pungens Engelm.
Материалом при изучении мейоза служили мужские генеративные почки. Материалом для кариологических исследований, в зависимости от поставленной задачи, были вегетативные почки индивидуальных деревьев или корешки проростков семян популяционных сборов. Вегетативные почки ели колючей фиксировали непосредственно в природных и лабораторных условиях (со срезанных побегов). Перед фиксацией вегетативные почки ели колючей выдерживали в 1% растворе колхицина. Семена проращивали в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге в термостате при t + 25˚C. Проростки с корешками семян до 1 см также подвергали предобработке 1% водным раствором колхицина. Генеративные и вегетативные почки фиксировали спиртово – уксусной смесью (3 части 96˚ этилового спирта + 1 часть ледяной уксусной кислоты) 1 сутки. После фиксации генеративные и вегетативные почки окрашивали ацето-железо-гематоксилином по методике Топильской с соавт., (1976). Затем отмывали дистиллированной водой и использовали для приготовления давленых препаратов.
Микропрепараты изучали при помощи микроскопа LABOVAL–4 (Carl Zeiss, Jena), в основном, при увеличении 40 х 2,5 х 10. Для кариологического анализа просмотр микропрепаротов, отбор метафазных пластинок с удовлетворительной степенью   разброса   хромосом   осуществлялся при увеличении 100 х 2,5 х 7 и 40 х 2,5 х 7.
Статистическая обработка результатов исследований проводилась на IBM PC / AT с помощью пакета статистических программ «STATISTICA». Экспериментальные данные обрабатывали методом однофакторного непараметрического дисперсионного анализа Kruskal-Wallis.
Результаты и обсуждение
В зеленых насаждениях г. Воронежа были отобраны деревья вяза мелколистного - Ulmus pumila L. и ели колючей – Picea pungens Engelm. Среди деревьев вяза, используемых в зеленых насаждениях г. Воронежа, четыре дерева растут в наиболее чистых экологических условиях на окраине города, вдали от автомагистралей и промышленных предприятий – это район санатория им. Горького. В Центральном районе также отобраны четыре дерева вяза,  произрастающие по ул. К. Маркса. Наибольшее влияние на формирование экологической ситуации в Центральном районе оказывают предприятия автомобильного транспорта, топливной и пищевой промышленности. Четыре дерева вяза растут недалеко от Воронежского Механического завода и автодороги в одном из самых загрязненных районов города – Советском. Основной вклад в загрязнение окружающей среды, в данном районе, вносит автотранспорт (Мамчик и др., 1997; «Доклад о состоянии …, 1999; Доклад об использовании …, 2001). Учитывая информативность мейоза для познания генетической природы организмов и определения влияния на их репродуктивную сферу различных экологических и метеорологических факторов, в задачу исследования входило изучение мейоза при микроспорогенезе у отобранных деревьев вяза, растущих на территории г. Воронежа в местах с разной степенью антропогенной нагрузки; а также выявление генетических механизмов, обеспечивающих гомеостатичность отобранных экземпляров к экстремальным условиям. Особенности мейоза при микроспорогенезе изучали с 1999 по 2001г. на примере 12 отобранных деревьев вяза. Мейоз у вяза в условиях г. Воронежа ранее не изучался. Хотя особенности мейоза при микроспорогенезе у видов рода ильмовых ранее изучали Santamour, (1971); Чернявская, (1979); Буторина, (1989). В годы исследования были установлены сроки прохождения мейоза: с 8 по 14 марта в 1999 г.; с 21 по 27 февраля в 2000 г. и с 23 января по 1 февраля в 2001 г. Начало мейоза провоцировалось длительным повышением температуры воздуха выше +50С. Статистическая обработка данных (непараметрический ранговый дисперсионный анализ Kruskal-Wallis) показала, что место произрастания (то есть характер и степень антропогенной нагрузки) не влияют на частоту встречаемости   патологий   мейоза   (p > 0,05) у исследованных деревьев вяза. Это связано с тем, что вяз мелколистный, по-видимому, имеет широкую норму реакции по признаку устойчивости к неблагоприятным факторам и поэтому способен адаптироваться к разной степени антропогенной нагрузки. Однако выявлены достоверные различия (p < 0,05) по частоте встречаемости патологий между стадиями мейоза у изученных деревьев вяза. Значительный разброс по количеству аномалий на разных стадиях мейоза у конкретных деревьев вяза, особенно выраженный в MI и AI, обусловлен особенностями их генотипа. Установленные аномалии мейоза у отобранных деревьев вяза мелколистного свидетельствуют об их гибридной природе. Это прежде всего такие нарушения мейоза, как преждевременно и несинхронно расходящиеся хромосомы бивалентов в MI (как следствие снижения частоты хиазм при конъюгации). Униваленты у разных деревьев вяза встречались с частотой от 13,5 до 30,5% и нарушали синхронность дальнейших стадий мейоза; неравномерное расхождение хромосом к полюсам в AI (частота встречаемости таких патологий изменялась от 7,2 до 32,5%) приводило к формированию гамет, несбалансированных по числу хромосом. Полиплоидные микроспороциты можно было видеть на всех стадиях деления. Учитывая, что основное направление использования гибридов – это создание озеленительных посадок, то межвидовые гибриды F1 можно рекомендовать для этих целей. У отобранных форм вяза мелколистного установлено образование нередуцированных гамет (2n). Наличие нередуцированных гамет открывает возможности для получения в их потомстве полиплоидных (3n) форм, характеризующихся, как правило, эффектом соматического гетерозиса и более высоким уровнем устойчивости.
В центре г. Воронежа (Центральный район) в условиях высокой интенсивности движения автотранспорта произрастает насаждение ели колючей - Picea pungens Engelm. Перспективность использования данного вида, исключительно декоративного в городских озеленительных насаждениях, побудила нас изучить цитогенетические механизмы, поддерживающие его гомеостаз в условиях Воронежской области, что могло бы способствовать направленному получению высокоустойчивых форм. Было обращено внимание на то, что некоторые деревья обильно формируют шишки и семена, у других же наблюдается разная степень переходного состояния по этому признаку вплоть до полного отсутствия семеношения. У отобранных растений изучался кариотип материнских деревьев и семенного потомства. У 10 деревьев в клетках меристемы хвои посчитано число хромосом. 8 деревьев имели во всех исследованных клетках по 1 B - хромосоме дополнительно к типичному для этого вида набору хромосом (2n=24+1B). B - хромосомы ни в одной метафазной пластинке не были обнаружены у 2 деревьев ели, но у них наблюдались наряду с диплоидными и тетраплоидные клетки. Частота встречаемости таких клеток составляла 3,8 % от числа учтенных метафаз. В корешках проростков семян было обнаружено по 1-2 B-хромосомы: (2n=24+1B) и (2n=24+2B). Затем аналогичные данные были получены в работе Владимировой, Муратовой (2005). Проведенный авторами кариологический анализ клеток меристемы хвои ели сибирской Picea obovata Ledeb. из природной популяции Красноярского края и нескольких районов г. Красноярска показал, что во всех городских насаждениях наряду с типичным числом хромосом (2n = 24) были обнаружены 1 – 2 добавочные хромосомы. В природной популяции B – хромосом не было выявлено.
Полагаем, что гомеостаз отдельных материнских деревьев ели колючей и их семенного потомства в условиях интродукции, отягощенных антропогенным стрессом, обусловливает присутствие В-хромосом. Гомеостатичность деревьев без В-хромосом в меристеме хвои определяется оптимальным соотношением клеток разной плоидности.
На основании полученных результатов установлены общие и видоспецифические механизмы, обеспечивающие устойчивость древесных растений к условиям комплексного воздействия стрессорных факторов. К механизмам общего тип относятся: 1) гибридность организмов - расширяющая норму реакции видов; 2) миксоплоидия, повышающая стабильность генетической системы (за счет полиплоидизации геномов отдельных клеток), в то же время миксоплоиды более пластичны, так как представлены и диплоидными клетками. Видоспецифическим механизмом, поддерживающим гомеостаз, у ели колючей является присутствие В-хромосом. Повышенная частота образования нередуцированных гамет (2n) у изученных деревьев вяза позволяет использовать их в качестве ценного исходного материала для получения полиплоидного и миксоплоидного потомства, отличающегося большей устойчивостью.
Таким образом, изучение возможных генетических механизмов, поддерживающих устойчивость, является обязательным условием осуществления интродукции древесных растений на селекционно–генетической основе. Использование при интродукции древесных растений гибридных, миксоплоидных и других форм, будет расширять спектр растений, используемых для целей озеленения городов и способствовать повышению устойчивости интродуцируемых видов в новых условиях.
Выражаем благодарность заведующему кафедрой биологии и экологии растений В.А. Агафонову за помощь в уточнении систематического положения ели колючей

Литература
1.    Буторина А.К. Цитогенетика лесных древесных растений (в связи с вопросами их эволюции и селекции): Дисс. … д – ра биол. наук / А.К. Буторина. – Воронеж, - 1989а. – 386 с.
2.    Владимирова О.С. Кариологические особенности ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в условиях антропогенного загрязнения г. Красноярска / О.С. Владимирова,  Е.Н.  Муратова // Экологическая генетика. – 2005. Т. III, № 1. – С. 18-23.
3.    Доклад о состоянии окружающей природной среды города Воронежа в 1998 году / Под ред. Н.В. Стороженко. – Воронеж: Истоки, 1999. – 35 с.
4.    Доклад об использовании природных ресурсов и состоянии окружающей среды Воронежской области в 2000 году / Под ред. Н.В. Стороженко. – Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 2001. – 143с.
5.    Захаров В.М. Здоровье среды: методика оценки / В.М. Захаров, А.С. Баранов, В.И. Борисов, А.В. Валецкий, Н.Г. Кряжева, Е.К. Чистякова, А.Т. Чубинишвили. М., Центр экологической политики России. 2000. 68с.
6.    В.М. Захаров. Мониторинг здоровья среды на охраняемых природных территориях / В.М. Захаров, А.Т. Чубинишвили. М., Центр экологической политики России. 2001. 148с.
7.    Мамчик Н.П. Экология и мониторинг города Воронежа / Н.П. Мамчик, С.А. Куролап, О.В. Клепиков. Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та. 1997. 180 с.
8.    Топильская Л.А. Методика приготовления ацетогематоксилиновых препаратов / Л.А. Топильская, С.В. Лучникова, Н.П. Чувашина // Цитологические исследования плодовых и ягодных культур. – Мичуринск, 1976. – С. 58-60.
9.    Чернявская Т.А. О микроспорогенезе у разных форм вяза приземистого (Ulmus pumila L.) / Т.А. Чернявская // Биологические науки. – 1979. № 4. – С. 77-79.
Santamour F.S. A triploid elm (Ulmus pumila x U. rubra) and its aneuploid progeny / F.S. Santamour // Bulletin   of   the   Torrey  Botanical Club. – 1971. – V. 98,