ЭКОЛОГИЯ, 2007, № 5, с. 355-361
УДК 574:539.16.047+575.17
ОСОБЕННОСТИ АЛЛОЗИМНОЙ СТРУКТУРЫ ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ ОДУВАНЧИКА В УСЛОВИЯХ РАДИОНУКЛИДНОГО И ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
© 2007 г. Е. В. Антонова, В. Н. Позолотина
Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 E-mail: selena@ipae.uran.ru Поступила в редакцию 07.12.2006 г.
По аллозимным спектрам исследованы ценопопуляции одуванчика лекарственного, произрастающего в условиях химического или радиационного воздействия. Ценопопуляции одуванчика из зон ВУРСа, НТМК и с фоновой территории достоверно различались по качественному и количественному составу аллозимных фенов. Анализ клонального разнообразия свидетельствует о том, что все ценопопуляции феногенетически уникальны. Генезис каждой из них происходил своеобразным путем: разным был набор растений-родоначальников, потомки которых генетически изменялись, размножались, более или менее успешно осваивая территорию, подчиняясь отбору под действием естественных факторов среды и техногенного стресса. Общей особенностью популяций, испытывающих химический или радиационный стресс, можно считать повышенный уровень изменчивости ферментных систем по сравнению с фоновой выборкой и, как следствие, уменьшение клонального разнообразия.
Ключевые слова: радиоактивность, тяжелые металлы, ценопопуляции, Taraxacum officinale s.l., ал-лозимная изменчивость, клональная структура.
Эколого-генетические исследования природных популяций в техногенных зонах направлены на оценку путей адаптации живых организмов к разным типам воздействий. Механизмы адаптации разнообразны, каждая ценопопуляция, произрастающая длительное время в условиях определенного техногенного стресса, проходит многие этапы отбора и приобретает уникальные особенности (Алексеева-Попова, 1991; Безель и др., 2001; Чиркова, 2002). Поскольку поллютан-ты способствуют элиминации чувствительных организмов, обнаруживаются коррелятивные связи между адаптивными признаками (как правило, полигенными) и индивидуальной изменчивостью ферментов (Коршиков, 1996; Динамика..., 2004). В адаптивных реакциях присутствуют как специфические, так и универсальные компоненты. Ранее нами (Позолотина и др., 2006) было проведено сравнение качества семенного потомства одуванчика из ценопопуляций, длительное время произраставших в градиенте радиоактивного (зона Восточно-Уральского радиоактивного следа - ВУРСа) или химического (зона воздействия Нижнетагильского металлургического комбината -НТМК) загрязнения. Установлено, что по мере усиления разных по природе техногенных факторов жизнеспособность семян снижалась. Провокационное воздействие тяжелыми металлами и
у-облучением выявило адаптивные возможности семенного потомства каждой ценопопуляции. Оказалось, что фоновая выборка, сформировавшаяся вне зоны какого-либо загрязнения, была довольно устойчива к облучению и очень чувствительна к тяжелым металлам, т.е. специфичность реакции на два фактора провокации проявилась очень четко. У семенного потомства одуванчика из зон ВУРСа и НТМК адаптивный ответ был сходен как на действие привычного, так и нового фактора. Остался открытым вопрос: обусловлено это сходство металло- и радиорезистентности генетическим родством ценопопуляций и универсальностью адаптивных реакций или в его основе лежит популяционный полиморфизм, и разные группы организмов демонстрируют толерантность к радиационному или химическому воздействию?
Цель настоящей работы - выявить методом аллозимного анализа феногенетическое сходство и различие ценопопуляций одуванчика, произрастающего в условиях химического (НТМК) или радиационного (ВУРС) воздействия.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale s.l.) - многолетнее растение с высокой семенной продуктивностью, распространено практиче-
355
3*
Таблица 1. Суммарная токсическая нагрузка за счет содержания в почвах РЬ, Cd, Zn, Си в зоне НТМК и годовые дозы облучения меристем растений за счет 9С^г и в зоне ВУРСа
Площадка Индекс суммарной токсической нагрузки, отн. ед. Годовая доза, сГр
Фоновая 1 1.4
Буферная-м 8 -
Импактная-м 33 -
Буферная-р - 28
Импактная-р - 2412
ски повсеместно, существует в широком диапазоне экологических условий (Ермакова, 1990).
В районе крупного промышленного центра -Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК) на разном удалении от предприятия были заложены две пробные площадки (буферная-м и импактная-м ценопопуляции). Основные ингредиенты выбросов - SO2 и полиметаллическая пыль, в которой присутствуют Cu, Pb, Cd, Zn.
В зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРСа), который сформировался в 1957 г. в результате аварии на производственном объединении "Маяк" (Итоги..., 1990), исследовали участки вдоль центральной оси следа на расстоянии 13 и 86 км от эпицентра взрыва (импактная-р и буферная-р ценопопуляции). Короткоживущие радионуклиды, генерировавшие мощное излучение, распались в первые месяцы после аварии. В настоящее время основным загрязнителем этой зоны является ß-излучатель 90Sr. Дополнительное загрязнение территории ВУРСа (основной загрязнитель 137Cs) произошло в 1967 г. в результате переноса ила и песка с берегов обмелевшего оз. Карачай, использованного в качестве открытого хранилища радиоактивных отходов (Ааркрог и др., 1998).
Фоновая ценопопуляция произрастала вне зоны какого-либо техногенного воздействия. Поч-венно-геоботанические условия на всех участках были сходными. Подробная экологическая характеристика участков опубликована ранее (По-золотина и др., 2006). Здесь мы приводим только интегральные данные об уровнях загрязнения почв металлами, нормированными к фоновому участку, и о годовых дозах облучения, получаемых растениями в природных условиях за счет техногенных радионуклидов 90Sr и 137Cs без учета естественного радиационного фона (табл. 1).
Вегетирующие растения одуванчика отбирали по 50-125 экз. в каждой из пяти ценопопуляций. Аллозимный анализ ADH (E.C.1.1.1.1), FEST (E.C.3.1.1.1), GDH (E.C.1.4.1.2), GOT (E.C.2.6.1.1),
6-PGDH (E.C.1.1.1.44), PGI (E.C.5.3.1.9) и FDH
(E.C.1.2.1.2) проводили на этиолированных листьях материнских растений в 6.4%-ном ПААГ в трис-ЭДТА-боратной системе (Peackok et al., 1965). Гистохимическое окрашивание образцов осуществляли по стандартным методикам (Harris, Hopkinson, 1976). Поскольку в апомиктичных популяциях одуванчика встречаются диплоиды и триплоиды (Кашин и др., 2005; Meirmans et al., 2003), зимограммы анализировали целиком как аллозимные фены (морфы), учитывая весь спектр полос в геле. Клоны (группу растений, обладающую одинаковым мультилокусным алло-зимным фенотипом) выделяли по семи зонам активности: Est, Gdh, Got, 6-Pgdh, Pgi-1, 2 и Fdh. Редкой считали изоморфу, частота встречаемости которой в ценопопуляции не превышала 5%. Кроме того, рассчитывали индекс фенотипического разнообразия ц, который интерпретируется как среднее число фенотипов в ценопопуляции с учетом частоты их встречаемости, а также долю редких морф (Животовский, 1991). Полученные данные обработаны статистически с использованием анализа таблиц сопряженности, кластерного анализа (метод невзвешенной попарной связи частот встречаемости фенов), ¿-критерия Стью-дента в программе STATlSTICA.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Аллозимная структура ценопопуляций одуванчика. Анализ выявил очень широкий диапазон изменчивости разных ферментных систем у одуванчика, мономорфные ферменты практически не встречались, наименьшая изменчивость была у Gdh (два фена), наибольшая - у Got (18 аллозим-ных морф). Ценопопуляциям, произрастающим длительное время в условиях химического или радиационного стресса, присущи качественно различные аллозимные спектры. Большая часть из них (64-69%) встречалась в выборках довольно редко (табл. 2). Важно отметить, что в условиях радиоактивного, а также химического загрязнения в ценопопуляциях одуванчика число редких изоморф ферментов было значительно больше, чем в фоновой выборке. Так, среднее на популяцию число редких морф (Иц) в буферной зоне НТМК составило 30%, а в импактной - 24% при фоновом уровне 17%. Аналогичные данные получены для ценопопуляций из зоны ВУРСа, где в буферной выборке редких морф было 35%, а в импактной - 28%.
Характерной чертой двух ценопопуляций из зоны ВУРСа является доминирование в каждой ферментной системе одного и того же аллозим-ного фена (см. табл. 2). В буферной и импактной выборках из района НТМК в зонах активности Got, Pgi-1 и 6-Pdgh преобладали разные изомор-фы. В фоновой ценопопуляции доминировали те
Таблица 2. Аллозимная структура ценопопуляций одуванчика лекарственного
Зона активности Аллозимный фен Ценопопуляция
фоновая буферная-р импактная-р буферная-м импактная-м
Pgi-1 1 0.06 0.05 0.01 0.06 0.29
Pgi-1 2 0.92 0.88 0.76 0.19 0.55
Pgi-1 3 0.02 0.07 0.23 0.66 0.04
Pgi-1 5 - - - - 0.06
Pgi-1 6 - - - 0.04 0.04
Pgi-1 7 - - - - 0.02
Pgi-1 8 - - - 0.02 -
Pgi-1 9 - - - 0.02 -
Объем выборки 64 120 91 47 49
Pgi-2 1 - 0.01 - - -
Pgi-2 2 0.60 0.95 0.61 0.64 0.57
Pgi-2 3 0.40 0.04 0.30 0.36 0.37
Pgi-2 4 - - 0.01 - -
Pgi-2 5 - - 0.01 - 0.06
Pgi-2 6 - - 0.07 - -
Объем выборки 66 124 92 47 49
6-Pdgh 2 0.19 0.06 0.15 - -
6-Pdgh 3 0.67 0.93 0.61 0.04 0.61
6-Pdgh 4 0.14 0.01 0.22 - 0.10
6-Pdgh 5 - - - 0.04 0.12
6-Pdgh 6 - 0.01 - - -
6-Pdgh 7 - - 0.01 - -
6-Pdgh 8 - - 0.10 - 0.08
6-Pdgh 9 - - - - 0.02
6-Pdgh 10 - - - 0.81 -
6-Pdgh 17 - - - 0.04 -
6-Pdgh 19 - - - - 0.06
6-Pdgh 21 - - - 0.06 -
Объем выборки 52 121 72 47 49
Gdh 1 1.00 1.00 1.00 0.96 1.00
Gdh 2 0.00 0.00 0.00 0.04 0.00
Объем выборки 69 123 93 47 48
Fdh 1 - 0.01 0.06 - -
Fdh 2 0.03 0.03 0.14 0.06 0.18
Fdh 3 0.97 0.96 0.79 0.94 0.80
Fdh 6 - - - - 0.02
Fdh 7 - - 0.01 - -
Объем выборки 64 93 84 47 49
Est 1 0.91 0.99 0.87 0.62 0.65
Est 2 0.09 - 0.11 0.30 0.20
Est 4 - 0.01 0.02 - -
Est 7 - - - 0.02 -
Est 8 - - - - 0.02
Est 10 - - - - 0.04
Est 12 - - - 0.04 -
Est 13 - - - 0.02 -
Est 14 - - - - 0.06
Est 15 - - - - 0.02
Объем выборки 69 124 92 47 49
Таблица 2. Окончание
Зона Аллозимный Ценопопуляция
активности фен фоновая
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.