Различные формы аномалий пыльцы сосны

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ - филиал

федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(ИАТЭ НИЯУ МИФИ)

Отчет

По научно-исследовательской работе магистранта

«Различные формы аномалий пыльцы сосны обыкновенной при хроническом облучении»

Обнинск, 2012

1. Пыльца в качестве тест-объекта биоиндикации

Сосна обыкновенная - один из основных лесообразующих видов, из-за высокой чувствительности к загрязнению широко применяется в качестве тест-объекта. При этом изучаются физиолого-биохимические процессы, идущие в вегетативных тканях [1, 2], и прежде всего показатели фотосинтеза [3, 4 ]. Исследуются морфологические признаки показателей роста хвои и побегов и их состояние , приводятся цитогенетические характеристики , а также анализируются показатели генеративной сферы [ 5].

Пыльца у сосны продуцируется в огромных количествах. В разреженных молодняках сосны может образоваться до 350 кг/га пыльцы в год и более. пыльца сосна облучение биоиндикация

Для всех видов рода Pinus число хромосом 2n=24. Результаты исследования из гербарного материала показали, что пыльцевые зёрна этого вида полиморфны даже в условиях относительного экологического благополучия (1883-1924 гг.). Спонтанная частота абортивных пыльцевых зерен всех видов составляет 3-7%. В норме пыльцевое зерно сосны обыкновенной имеет тело и 2 воздушных мешка (в.м.), образующихся в результате расхождения слоёв экзины, пространство между которыми у сформированного зерна заполнено воздухом. Мешки симметрично расположены и одинаковы по размеру.

У сосны обыкновенной процесс формирования микроспорофиллов заканчивается во второй половине лета, процессы микроспорогенеза и формирования пыльцы протекают весной следующего года: при повышении среднесуточных температур в результате высокой митотической активности клетки археспория дифференцируются, в микроспороцитах идут мейотические деления, формируются пыльцевые оболочки, микроспоры претерпевают три проталлиальных деления. Прорастание микроспор начинается уже в микроспорангиях, и зрелая пыльца рассеивается на 4-х клеточной стадии, после образования двух проталлиальных, одной вегетативной и одной генеративной клеток. Проталлиальные клетки вскоре отмирают и превращаются в мертвые дисковидные образования, прилегающие к оболочке микроспоры. Вегетативная клетка формируется при прорастании в пыльцевую трубку. Генеративная клетка делится на две: стерильную клетку, или клетку-ножку (иногда ее называют дислокатором), и сперматогенную клетку (называемую часто клеткой-телом), которая дает начало двум мужским гаметам. Пыление в условиях Сибири проходит, как правило, в начале - середине июня при сумме эффективных температур 224-253,6 град.-дней [5]. Дальнейшее развитие мужского гаметофита продолжается уже в семяпочке и завершается образованием двух спермиев-клеток. Основными показателями биологического состояния пыльцы растений, в том числе и хвойных, является процент проросших пыльцевых зёрен на питательных средах, её фертильность, выражаемая длиной пыльцевых трубок, в мкм, и энергией её прорастания, в %.

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 [6, 7]. 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.

2. Стерильность пыльцы

Помимо изучения тератоморфных форм пыльцы, в 2013 г. проводилось исследование фертильности пыльцевых зёрен сосны обыкновенной для определения влияния радиоактивного загрязнения на уровень её стерильности. Определение оптимального объёма выборки для показателя «частота стерильной пыльцы» показало достаточность даже 32 препаратов на участок при относительной вероятной ошибке е=0,25 и 95%-ной доверительной вероятности.

Частота встречаемости стерильной пыльцы в контрольных популяциях составляет 6,8±0,7 и 7,0±0,7%. На радиоактивно загрязнённых участках уровень стерильных пыльцевых зерен меняется в пределах от 4,4±0,4% до 20,1±1,8% (рис. 13). Частота стерильных п.з. не имеет корреляции с годовой дозой (r=-0,45). Интересно, что частота встречаемости стерильной пыльцы коррелирует с частотой тератоморфной пыльцы (r=0,88 p<0,05) и п.з. линзовидной формы (r=0,95 p<0,01), хотя стерильность не является аномалией.

Известно, что качество пыльцы сильно меняется в зависимости от многих факторов: погодных условий, состояния и генотипических особенностей дерева [7], а также от сроков сбора пыльцы [8]. В нашем исследовании пыльцы в 2013 г., наиболее вероятно, вышеперечисленные факторы оказали большее влияние, чем радиационное воздействие. Возможно, что данный объект изучения недостаточно чувствителен и специфичен для малого уровня радиационного загрязнения. По-видимому, качественные характеристики пыльцы могут отражать состояние сосны только в условиях крайнего стресса, в других случаях на них в большей степени влияют погодные условия года и стадия пыления.

3. Жизнеспособность пыльцы

В качестве показателей жизнеспособности в настоящем исследовании планировалось рассматривать процент проросших пыльцевых зерен, длину пыльцевых трубок и частоту нарушений в их развитии. Однако оценить эти показатели не удалось как в интактных образцах, так и в препаратах, подвергнутых острому облучению, т.к. мужские гаметофиты сосны обыкновенной со всех экспериментальных полигонов (как референтных, так и радиоактивно загрязненных) продемонстрировали практически полную стерильность. Встречались единичные случаи прорастания пыльцы - от 0 до 2 пыльцевых трубок на препарат. В отдельные годы (2000, 2004, 2006, 2007) Н.Е. Носкова и И.Н. Третьякова также наблюдали полную стерильность пыльцы сосны обыкновенной на всех исследованных ими участках в других регионах России . Это явление может быть обусловлено неблагоприятными погодными условиями, несоответствующими условиями хранения или транспортировки используемого материала или же другими непредвиденными факторами.

В своей монографии Козубов Г.М. рассказывает, что молодые микро- и макростробилы сосны в период острого облучения весной 1986 г. погибли на всех экспериментальных участках, поглощённые дозы на которых превышали 2,5 - 4 Гр, но с годами обильное пыление восстанавливалось; и в 1989 г. цветение среднего обилия наступило уже как на участках с поглощёнными дозами в 1986 г. 20 - 25 Гр, так и на границах сублетальной и летальной зон (поглощенные дозы до 100 Гр и выше). Также он определил, что частота хромосомных аномалий в процессе мейоза не всегда коррелирует с общей радиационной нагрузкой, а снижение жизнеспособности пыльцы при повышении уровня радиоактивного загрязнения также не проявляет прямой связи с поглощённой дозой даже при достаточно высоких уровнях облучения, имевших место в первый период после Чернобыльской аварии.

Изучение пыльцы хвойных деревьев в условиях хронического радиационного воздействия проводилось в единичных исследованиях. Авторы известных нам работ, однако, выявили зависимость жизнеспособности пыльцы сосны от мощности дозы. При изучении территории Брянской области, пострадавшей при аварии на ЧАЭС, Глазун И.Н. и Скок выявили снижение жизнеспособности и увеличение числа аномальных пыльцевых зерен у сосны обыкновенной при возрастании МЭД в пределах 35-800 мкР/ч. Их коллега Алёшин И.В. [4] обнаружил достоверное увеличение количества п.з. с аномальными трубками у ели при МЭД 672 и 612 мкР/ч.

Изучаемые в настоящей работе популяции сосны произрастают на территориях с более низкими уровнями МЭД (максимальные значения - 172 мкР/ч), поэтому отсутствие влияния радиоактивного загрязнения на показатели тератогенеза, жизнеспособности и фертильность пыльцы сосны не противоречат данным группы исследователей, возглавлявшейся И.Н. Глазуном . Очевидно, однако, что необходимо более длительное и глубокое изучение состояния репродуктивной сферы хвойных растений в условиях радиоактивного воздействия.

4. Влияние острого облучения на жизнеспособность и тератогенез пыльцы

Для изучения явления радиоадаптации сосны обыкновенной пыльца была облучена в дозе 150 Гр при мощности 400 Гр/ч. По исследованиям Целлеса , данная радиационная нагрузка приводит к угнетению роста пыльцевых трубок сосны в 2 раза, снижение роста начинается с 30 Гр, хотя при 5-15 Гр происходит стимуляция. При наличии радиоадаптации в популяциях сосны, подвергающихся хроническому радиационному воздействию, можно было ожидать снижение негативного влияния острого облучения на показатели жизнеспособности. Но в связи с полной стерильностью пыльцы в 2012 г на экспериментальных участках подтвердить нашу гипотезу не удалось.

Изучение тератогенеза в образцах пыльцы, подвергшихся острому облучению, показало, что частоты аномалий всех типов в референтных популяциях К и К1 составляют 33,1 ± 2,3% и 31,2 ± 3,0%, соответственно (табл. 7). Частота аномальных пыльцевых зерен в образцах из импактных популяций (произрастающих на радиоактивно загрязнённых участках) меняется в пределах от 17,7±3,4% до 39,0±3,4% но корреляции с годовой дозой не имеет (r=0,39). Частота аномалий зёрен линзовидной формы на радиоактивно загрязнённых участках возрастает с уровнем облучения (r=0,95 p<0,05).

Пыльца, получившая острое облучение 150 Гр, характеризуется возрастанием редких аномалий, за счет резкого увеличения количества п.з. с частично вытекшим содержимым (48 п.з.) относительно необлучённой (6 п.з.).

Дополнительное острое облучение пыльцы не вызвало достоверных изменений в уровне тератогенеза по сравнению с интактными образцами; единственное исключение - существенное снижение после острого облучения частоты аномальных п.з. в варианте контроля К (p=0,02), вероятно, вследствие индивидуальных характеристик популяции.

Таким образом, острое облучение в дозе 150 Гр на уже сформированную пыльцу не приводит к возникновению деформации тела и воздушных мешков. Данный опыт подтверждает зависимость роста частоты пыльцы линзовидной формы на радиоактивно загрязнённых участках, ранее обнаруженную у пыльцы, не подвергшейся дополнительному острому облучению, от годовой дозы. Вопрос наличия эффекта радиоадаптации в популяции сосны обыкновенной на примере пыльцы остаётся открытым, создавая перспективу для дальнейших исследований.

В исследованиях, проведенных на территории Брянской области, пострадавшей в результате аварии на ЧАЭС, показана высокая вариабельность аномальной пыльцы в зависимости от года и опытного участка. Корреляция частоты тератоморфной пыльцы от годовой дозы присутствует только у пыльцы линзовидной формы на радиоактивно загрязнённых участках. Уровень остальных аномалии не проявил подобной зависимости, видимо, вследствие большего влияния погодных условий, состояния и генотипических особенностей дерева, либо стадии пыления пыльцы. В целом можно отметить, что мониторинг на основе палиноморфологических исследований позволяет дать оценку состояния генеративной системы растительных сообществ.

Заключение

Радиоактивное загрязнение - один из факторов, привлекающих особое внимание экологов в России, Беларуси и Украине. При этом большую научную ценность имеют данные, позволяющие понять, какие биологические эффекты могут проявиться в природных популяциях растений и животных, длительное время и, может быть даже на протяжении многих поколений, испытывающих хроническое облучение в невысоких дозах в естественной среде обитания. Уникальные условия для изучения таких эффектов существуют на территориях, подвергшиеся радиоактивному загрязнению в результате крупных радиационных аварий, таких как Чернобыльская.

Близкая радиочувствительность клеток сосны и человека, широкий ареал распространения, информативность, технологичность и чувствительность методик тестирования выдвинули сосну обыкновенную в число основных природных тест-объектов эколого-генетического мониторинга. Использование пыльцы в качестве биоиндикаторов мутагенности и тератогенеза также имеет ряд достоинств. Одним из них является высокая чувствительность, обусловленная гаплоидным состоянием, при котором все летальные мутации, влияющие на развитие пыльцы, сразу видны. Большое количество пыльцы обеспечивает достаточную выборку для количественной оценки результатов. Метод оценки тератоморфной пыльцы является чувствительным и очень экономичен.

Список литературы

1. Гераськин, С.А. Универсальный характер закономерностей индукции цитогенетических повреждений низко дозовым облучением и проблема оценки генетического риска // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1999. - Т. 39. - Вып. 1. - С. 35-40.

2. Фуксман, И.Л. Содержание б-пинена в хвое сосны как оптимальный индикатор состояния древостоев в условиях техногенного загрязнения // Экология. - 1999. - №4. - С. 251-256.

1. Бучельников, М.А. Замедленная флуоресценция хлорофилла в биоиндикации воздушных загрязнений. / Автореф. дис. … канд. биол. наук. Красноярск, 1998. - 23 с.

2. Григорьев Ю.С. Оперативное тестирование загрязнения водной и воздушной среды методом регистрации флуоресценции хлорофилла / Ю.С. Григорьев, Н.В. Пахарькова, А.В. Рудь // Международная конференция «Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» Тез. докл. Томск. - 2001. - С. 330.

3. Третьякова, И.Н. Эмбриология хвойных. - Новосибирск: Наука, 1990. - 157 с.

4. Козубов, Г. М. Биология плодоношения хвойных на севере. - Л., 1974. - 136 с.

5. Романовский, М.Г. Формирование урожая семян сосны в норме и при мутагенном загрязнении. - М.: Наука, 1997. - 112 с

6. Третьякова, И.Н. О способности пыльцы сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) прорастать до пыления // Изв. СО АН СССР. Сер. Биол. - 1987. - Вып. 2. - № 14. - С. 11-17.

Размещено на Allbest.ru