ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2013, № 1, с. 16-22
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630Х46: 630*17:582.475.4
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СУПЕРМУТАГЕНОВ НА ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАДИАЛЬНЫХ ПРИРОСТОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ*
© 2013 г. И. В. Тихонова1, О. С. Машкина2 3, Ю. Н. Исаков2
1 ФГБУН Институт леса им.В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50/28 2ФГУП НИИ лесной генетики и селекции 394087Воронеж, ул. Ломоносова, 105 3 "Воронежский государственный университет " 394006 Воронеж, Университетская пл., 1 E-mail: selection@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 20.08.2011 г.
Исследована изменчивость радиальных приростов ранней и поздней древесины полусибсов в 17-летних культурах сосны обыкновенной, подверженных однократной обработке химическими супермутагенами при проращивании семян. Установлено достоверное влияние мутагенов на изменчивость приростов деревьев и разная чувствительность к ним у полусибсов. Отмечено, что с возрастом культур увеличивается синхронность динамики приростов в вариантах опыта с контролем, наряду со снижением мутагенного эффекта возрастает доля межсемейных различий в изменчивости приростов. Выявлена признакоспецифичность в реакции деревьев на влияние экологических факторов роста.
Химические супермутагены, сосна обыкновенная, радиальные приросты.
В условиях возрастающего глобального загрязнения окружающей среды в любом месте планеты сегодня можно обнаружить токсичные продукты нашей цивилизации: тяжелые металлы, пестициды и другие токсичные органические и неорганические соединения, в том числе мутагены, вызывающие генные, хромосомные и геномные мутации, нарушения процессов воспроизводства здоровых клеток и организмов.
Главная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами заключается в том, что вновь возникающие мутации отрицательно влияют на жизнеспособность любых организмов на разных стадиях развития. И если поражение зародышевых клеток может привести к росту числа носителей мутантных генов и хромосом, то при повреждении генов соматических клеток возможно возрастание числа раковых заболеваний, снижение устойчивости организмов к заболеваниям и общее снижение продолжительности жизни. Более того, сов-
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ (№№11-04-98008-р_сибирь-а и 11-04-92226-Монг_а).
местное влияние различных загрязнителей ведет к значительному усилению биологических эффектов. Особенно это касается долгоживущих древесных растений, у которых загрязнения накапливаются. В то же время эта экологическая проблема возникла не так давно и поэтому плохо изучена.
Большинство исследований в этой области связано с выявлением хромосомных аномалий клеток, снижения качества семян и пыльцы, образования терат, ухудшения состояния деревьев. Однако мутагены могут опосредованно влиять и на устойчивость деревьев к естественным экологическим факторам.
Поэтому целью нашей работы было изучение влияния некоторых химических супермутагенов на изменчивость радиальных приростов сосны обыкновенной в культурах Воронежской области.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в испытательных культурах сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), созданных сотрудниками Научно-иссле-
довательского Института лесной генетики и селекции (ФГУП "НИИЛГиС") в Рамонском лесничестве Воронежского лесхоза, трехлетними сеянцами в 1993 г. [8, 12]. Схема посадки -3 х 1 м, густота - 5500 деревьев на 1 га.
В работе анализируются семьи, выращенные из семян от свободного опыления пяти материнских деревьев и представляющие собой полусиб-сы. Семена обработаны тремя супермутагенами: нитрозометилмочевиной (НММ), нитрозодиме-тилмочевиной (НДММ) и диметилсульфатом (ДМС) в концентрациях 0.05 и 0.1%, в течение 24 ч. В качестве контрольных служили семена тех же деревьев, замоченные в воде на 24 ч.
У потомства каждого из 5 полусибсов (выборка 5 деревьев) брали керны на высоте 30-40 см от земли. Подготовка кернов осуществлялась по стандартной методике [1]. Измерения проводились с использованием микроскопа МБС-10, с точностью 0.01 мм. Измеряли ширину годичных колец, ранней и поздней древесины. Всего проанализировано 122 хронологии.
Статистическую обработку данных проводили с помощью программ Excel и Statistica. Считали их среднее значение, ошибку, коэффициент вариации. Достоверность различий определяли с помощью однофакторного дисперсионного анализа.
Коэффициент чувствительности, дающий оценку относительных различий по ширине соседних колец, вычисляли по формуле:
t = n—1 — /
n-1 ^
Kr = ■
t=1
2(xi + 1 - xt)
it+1
+ Xt
где х - ширина годичного кольца, или индекс прироста за год t, п - длительность ряда (лет).
Коэффициент синхронности для оценки сходства сравниваемых рядов рассчитывали по формуле:
Kc = n'
100
-1,
где п - число совпавших по направлению годичных отрезков кривой, п - длительность сравниваемого интервала времени (лет) [21, 23].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Действие мутагенов вызывает увеличение частоты возникновения мутаций, что ведет к росту так называемого генетического груза, выражающегося в увеличении наследственной патологии. Мишенью действия мутагенов в клетке являются, главным образом, ДНК и, возможно, некоторые
белки. К последним относят белки, играющие как структурную, так и регуляторную роль в организации генома или принимающие участие в фундаментальных матричных процессах: репликации, рекомбинации или репарации ДНК.
Для устранения первичных повреждений генетических структур, вызванных мутагенами, в клетке существует ряд систем репарации (или восстановления) генетических повреждений [3, 14]. Однако в ходе репарации часть первичных повреждений может остаться и привести к возникновению мутаций. В этой связи особый интерес представляет длительное последействие однократной обработки семян супермутагенами на изменчивость радиальных приростов деревьев.
Известно также, что химические супермутагены используют для расширения генетического разнообразия форм культурных растений и как специфические стимуляторы роста и развития организмов [18]. С помощью мутагенов можно разорвать сцепленно наследуемые признаки, преодолеть нескрещиваемость между отдаленными формами и стерильность собственной пыльцы. При использовании более низких концентраций мутагенов индуцируются микромутации, затрагивающие изменение отдельных признаков продуктивности, качества, раннеспелости, некоторых биохимических показателей организма [4]. ДМС, например, может вызвать специфическое расщепление гуанина в ДНК посредством разрушения имидазоль-ного цикла [20]. НММ является цитостатическим (препятствующим росту клеток) алкилируюшим соединением [22]. Причем, используемые в нашей работе химические супермутагены относятся к сильным (особенно ДМС) алкилирующим (в том числе, и метилирующим) соединениям, модифицирующим молекулу ДНК путем присоединения алкильной группы (метила - СН3, этила - С2Н5 и др.) к азотистому основанию [6]. В этом случае, наряду с генными мутациями (в результате возникновения апуриновых и апиримидиновых брешей с последующей заменой оснований или сдвигом рамки считывания), появлением хромосомных аберраций, может иметь место и эпигенетическая изменчивость. Одним из ее механизмов является метилирование ДНК вследствие изменения структуры хроматина без изменения первичной структуры ДНК, что влияет на экспрессию генов (программу развития) и фенотип организма. Последняя способна наследоваться митотиче-ски (в ряду клеточных поколений, в онтогенезе), а в ряде случаев в процессе мейоза - потомками следующих поколений. В этом случае наследуются особенности регуляции экспрессии генов, не связанные непосредственно с изменением
п
V
Ч>' ч1 ч1 ч7 ^ —•—1
--О-- 4 —ж— 5
Рис. 1. Динамика среднего радиального прироста сосны в контрольном варианте (1) и вариантах опыта (ДМС 0.05 - 2, ДМС 0.1 - 3, НММ 0.05 - 4, НДММ 0.05 - 5, НДММ 0.1 - 6).
нуклеотидной последовательности ДНК [2, 10]. Все это свидетельствует, что длительная реакция древесных растений на воздействие супермутагенов может иметь место.
Результаты обобщенного анализа (по вариантам опыта) показали, что за период с 1995 по 2007 г. годичные приросты древесины сосны варьировали от 0.6 до 12.3 мм. Средний радиальный прирост в контроле составил 4.72 мм. Рис. 1 показывает, что динамика годичных приростов в вариантах опыта в целом повторяет ход кривой приростов в контрольном варианте. Причем согласованность изменения приростов постепенно повышается с увеличением возраста деревьев. В разных вариантах опыта по сравнению с контрольным наблюдалось как уменьшение, так и увеличение средней величины годичного радиального прироста, из них достоверное: между контролем и вариантами ДМС 0.1 и НДММ 0.05, а также между вариантами ДМС 0.1 и ДМС 0.05, ДМС 0.05 и НДММ 0.05.
Коэффициенты межсезонной изменчивости приростов у отдельных деревьев в разных вариантах опыта изменялись от 10.6 до 89.5%. При этом в большинстве вариантов наблюдалось отклонение от контрольного в сторону увеличения индивидуальной изменчивости этого показателя. Достоверные отклонения от контрольного значения по коэффициенту изменчивости приростов отмечены для вариантов ДМС 0.05 и НММ 0.1. Такую реакцию можно считать неспецифической, проявляющейся у деревьев в ответ на стресс, так как повышение изменчивости признаков в условиях стресса, в том числе в связи с загрязнением воздуха, отмечалось для многих видов растений, включая древесные [5, 13, 15, 18, 19]. При этом
лучшим состоянием в условиях лесостепи отличались деревья со средней и ниже среднего чувствительностью годичных приростов [16].
Такой же анализ был проведен отдельно для ранней и поздней древесины деревьев опыта. Средняя ширина ранней древесины у контрольных деревьев составила 3.87 мм. Так же, как и с радиальным приростом, между вариантами отмечено как увеличение (в варианте с НММ 0.1), так и уменьшение средней ширины ранней древесины (в вариантах ДМС 0.1 и НДММ 0.05 различия достоверны). Средняя ширина поздней древесины в контроле равнялась 0.85 мм, или около 18% от средней величины прироста. Достоверные различия по ширине поздней древесины отмечены между: контрольными де
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.