Влияние антропогенного загрязнения на цитогенетический полиморфизм семенного потомства берёзы повислой (Betula pendula Roth) в естественных и искусственных древостоях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат биологических наук Карпова, Светлана Сергеевна

• Карпова, Светлана Сергеевна
• кандидат биологических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Карпова, Светлана Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Полиморфизм как основа оценки внутривидового разнообразия и характеристика адаптивного потенциала вида.

1.1.1. Понятие о популяционном полиморфизме.

1.1.2. Наследственный полиморфизм белков у растений.

1.1.3. Полиморфизм по ДНК-маркерам в популяциях растений.

1.1.4. Полиморфизм популяций растений по кариологическим и ци-тогенетическим характеристикам.

1.2. Древесные растения как объекты генетических и цитогенетических исследований.

1.3. Цитогенетический анализ при оценке качества семенного материала

1.4. Характеристика основных цитогенетических показателей, используемых при оценке качества семян.

1.4.1. Изучение митотической активности.

1.4.2. Оценка уровня и спектра патологических митозов.

1.4.3. Изучение ядрышковых характеристик.

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ

Г. ВОРОНЕЖА И ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ.

2.1. Характеристика Воронежской области.

2.2. Характеристика экологической ситуации в г. Воронеже.

2.3. Усманский бор.:.

2.4. Хреновской бор.

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

3.1. Характеристика берёзы повислой как объекта для цитогенетических исследований.

3.1.1. Систематика.

3.1.2. Ареал распространения и особенности биологии.

3.1.3. Цитогенетика березы повислой.

3.2. Сбор семенного материала. Проращивание семян и фиксация проростков.

3.3. Изготовление и анализ микропрепаратов.

3.4. Статистическая обработка результатов.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

4.1. Особенности изменчивости цитогенетических характеристик в семенном потомстве деревьев березы повислой в естественных древостоях.

4.1.1.Цитогенетические характеристики семенного потомства деревьев березы повислой из Усманского бора.

4.1.2. Цитогенетические характеристики семенного потомства берёзы повислой в условиях Хреновского бора.

4.2. Цитогенетические характеристики семенного потомства берёзы повислой из озеленительных насаждений г. Воронежа.

4.3. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства деревьев берёзы повислой в естественных и искусственных древостоях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние антропогенного загрязнения на цитогенетический полиморфизм семенного потомства берёзы повислой (Betula pendula Roth) в естественных и искусственных древостоях»

Актуальность темы. Изучение влияния антропогенных факторов на продуктивность и устойчивость лесных экосистем имеет важное значение для оптимизации лесообразовательного процесса (Матвеев, 2004). Древесные растения - важнейший экологический ресурс планеты, что стимулировало разностороннее изучение морфологии, систематики, физиологии и биохимии наиболее распространенных видов. Однако необходимо расширять наши знания о полиморфизме естественных популяций и искусственных насаждений древесных пород с целью дальнейшего максимального использования их потенциала при разработке и осуществлении комплексных программ по сохранению, воспроизведению и улучшению лесных ресурсов, в том числе и для отбора устойчивых форм древесных растений для создания озеленительных насаждений в городах (Ирошников, 2002). Известно, что все виды лесных древесных пород характеризуются сложной наследственной структурой (Каргов, 1975). Она направлена на оптимальное приспособление популяции к существующим условиям среды и проявляется в существовании групп особей, различающихся по генотипу и имеющих в связи с этим морфологические, физиологические, биохимические и цитологические особенности (Буторина и др., 2001; Кайданов, 1996; Фадеева и др., 1980). К настоящему времени достаточно полно исследован полиморфизм у хвойных видов на уровне ДНК и изоферментов (Крутовский, 1987, 1988, 2006; Политов, 2007), по признакам кариотипа (Квитко, 2009; Седельникова, 2008). Известны работы по анализу цитогенетической изменчивости у сосны обыкновенной (Буторина и др., 2000; Дорошев, 2004; Сенькевич, 2007; Черкашина, 2007). Наиболее значимые результаты по использованию ДНК-маркеров для выявления уровня генетического полиморфизма в популяциях лиственных древесных растений были достигнуты в основном зарубежными учеными при изучении видов из родов Роргйиз, ЕисаНрШБ, Ошгсиб (Яковлев, 2002; ВаЬэагауапап, 2006; ВаггепесИе, 1998; СоеШо, 2006; Уогпаш, 1994). Цитогенети-ческий полиморфизм у лиственных древесных растений является слабо изученным (Ка1аеу е1 а1., 2010).

Берёза повислая (Betula pendula Roth) является одной из основных ле-сообразующих пород Центрального Черноземья и широко используется для озеленения городов. Этот вид характеризуется значительным полиморфизмом по различным признакам, из которых достаточно полно изучены морф о физиологические как наиболее доступные (Ветчинникова, 2004; Попов, 2003). В связи с вышеизложенным, имеет актуальность исследование разнообразия цитогенетических характеристик семенного потомства в естественных и искусственных древостоях берёзы повислой.

Цитогенетические исследования семенного материала (анализ митоти-ческой и ядрышковой активности, частоты и спектра патологических митозов) позволяют прогнозировать качество насаждений (Буторина, 1989а; Муратова, 1989; Zoldos et al., 1997). Это создает предпосылки для разработки рекомендаций по генетико-селекционному улучшению природных и искусственных популяций берёзы путем отбора материнских деревьев, продуцирующих устойчивое к неблагоприятным факторам среды семенное потомство, и для получения знаний о цитогенетических процессах, протекающих в популяциях древесных растений в связи с усиливающимся антропогенным воздействием. Глубокое знание цитогенетических особенностей популяций древесных растений позволит проводить мониторинг изменений в них и прогнозировать нарушение их стабильного воспроизводства во времени.

Целью работы явилось выявление цитогенетического полиморфизма семенного потомства деревьев берёзы повислой, произрастающих в естественных и искусственных насаждениях с разным уровнем антропогенного загрязнения.

Для реализации цели определены следующие задачи:

1. Выявить характеристики митотического и ядрышкового аппарата семенного потомства деревьев берёзы повислой из естественных древостоев и озеленительных насаждений, находящихся в условиях антропогенного загрязнения.

2. Оценить степень полиморфизма по цитогенетическим показателям семенного потомства берёзы повислой в естественных и искусственных насаждениях с разным уровнем антропогенного воздействия, дать его качественную и количественную характеристику и провести сравнительный анализ выделенных полиморфных групп («мутабильной», «слабомутабильной», промежуточных) из различных условий обитания.

3. Установить механизмы поддержания цитогенетического гомеостаза в клетках апикальной меристемы проростков семян березы повислой в выделенных группах.

Научная новизна работы. Впервые проведена комплексная оценка цитогенетических показателей (митотическая и ядрышковая активность, частота и спектр патологических митозов) семенного потомства деревьев березы повислой в естественных и искусственных древостоях с разным уровнем антропогенного загрязнения и дана сравнительная цитогенетическая характеристика семенного потомства березы из естественных древостоев Хренов-ского и Усманского боров. Показана высокая гетерогенность семенного потомства березы повислой по показателям митоза и ядрышковым характеристикам. Среди семенного потомства березы выявлены группы с разной стабильностью генетического материала и дана цитогенетическая характеристика выделенных групп. Установлены механизмы поддержания цитогенетического гомеостаза у проростков, различающихся по степени стабильности генетического материала, на клеточном уровне, заключающиеся в изменении активности функционирующих ядрышковых организаторов, активации латентных ядрышко-образующих районов хромосом, пуфинге хромосом на стадии метафазы, анафазы, телофазы митоза. Показана зависимость уровня гетерогенности семенного потомства от условий, в которых произрастали материнские деревья (искусственное/естественное насаждение, уровень антропогенного загрязнения).

Теоретическое и практическое значение работы. Экспериментально доказано существование полиморфизма берёзы повислой по цитогенетиче-ским характеристикам семенного потомства. Полученные данные представляют теоретическую ценность для понимания цитогенетических процессов, происходящих в естественных популяциях берёзы повислой и в ее искусственных насаждениях, подверженных воздействию загрязнителей среды.

Уровень гетерогенности по цитогенетическим характеристикам семенного потомства берёзы повислой может отразиться на результатах исследований по оценке качества окружающей среды при использовании ее в качестве тест-объекта. Результаты исследований полиморфизма цитогенетиче-ских характеристик семенного потомства берёзы повислой могут быть использованы для отбора материнских деревьев, продуцирующих селекционно ценное семенное потомство, устойчивое к неблагоприятным факторам среды.

Результаты исследований использовали при создании интернет-ресурса (www.cytogenetica-trees.vivt.ru), посвященного цитогенетическим исследованиям древесных растений. Материалы диссертационной работы применяются в учебном процессе на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета при подготовке выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций. Они вошли в курс лекций «Экологическая генетика».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Условия произрастания материнских деревьев березы повислой (естественные древостой с экологически благоприятной обстановкой или искусственные древостой, подвергающиеся значительному антропогенному загрязнению) оказывают разнонаправленное влияние как на цитогенетические показатели их семенного потомства, так и на уровень цитогенетической гетерогенности семенного потомства.

2. Среди семенного потомства березы повислой могут быть выделены мутабильные и слабомутабильные формы, отличающиеся по своим цитогенетическим характеристикам.

3. Цитогенетический полиморфизм семенного потомства березы может отразиться на результатах оценки качества окружающей среды при использовании ее в качестве тест-объекта.

Личный вклад. Автором разработаны теоретические и методические положения, обоснованы цели и задачи исследования, проведён сбор и анализ экспериментального материала, обобщены результаты исследований. Статьи и научные доклады подготовлены самостоятельно и в соавторстве.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 5-ой международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2002); на международной научной конференции «Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты», посвященной 25-летию кафедры ботаники Сыктывкарского университета (Сыктывкар, 2002 г.) на третьем съезде ВОГиС «Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004); на 5 международном совещании по кариологии, кариосистематике и молекулярной систематике растений (Санкт-Петербург, 2005 г.); на международной научно-практической конференции «Ботанические сады в 21 веке: сохранение биоразнообразия, стратегия развития и инновационные решения» (Белгород, 2009).

Часть исследований выполнялась в рамках и при частичной финансовой поддержке НИОКР Министерства природных ресурсов РФ «Биогеосферные исследования состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории ЦентральноЧернозёмного региона» (государственный контракт № ВК-02-47/301); НИОКР Федерального агенства по науке и инновациям «Цитогенетические реакции древесных растений (на примере лиственных и хвойных) на стрессовые условия, обусловленные антропогенным загрязнением, и оценка генотоксичности окружающей среды для человека по цитогенетическим показателям древесных растений» (государственный контракт № 02.512.11.2130); гранта РФФИ «Анализ и прогнозирование молекулярно-клеточных реакций биосистем на антропогенное загрязнение атмосферы» (грант № 09-04-97503-р-центр-а); государственного контракта № 02.518.11.7176 «Растительные ресурсы мира. Интродукция и сохранение генофонда новых и малоизученных растений в Центральном Черноземье».

Результаты исследований вошли в научную работу «Оценка генотоксичности окружающей среды в районах г. Воронежа и Воронежской области по цитогенетическим реакциям человека и древесных растений», удостоенную премии администрации Воронежской области для молодых ученых высших учебных заведений в 2002 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа содержит 147 страниц текста, 15 таблиц и 22 рисунка. Список литературы включает 304 источника, в том числе 99 иностранных.

Заключение диссертации по теме «Экология (по отраслям)», Карпова, Светлана Сергеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили выделить в естественных и ис-кусстенных древостоях по четыре группы проростков: «мутабильной», «сла-бомутабильной» и две промежуточные по своим характеристикам группы. Основные критерии выделения «мутабильной» и «слабомутабильной» групп проростков при изучении полиморфизма цитогенетических показателей семенного потомства берёзы повислой представлены в табл. 4.15. Спектры патологических митозов в обобщенных «мутабильной», «слабомутабильной» и «помежуточных» группах представлены на рис. 4.20.