научная статья по теме ОТДАЛЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ РАСТЕНИЙ ИЗ ЗОН РАДИОАКТИВНОГО И ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ОТДАЛЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ РАСТЕНИЙ ИЗ ЗОН РАДИОАКТИВНОГО И ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ»

РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2010, том 50, № 4, с. 414-422

УДК [57+61]::539.1.04:57.055:58.04

ОТДАЛЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ РАСТЕНИЙ ИЗ ЗОН РАДИОАКТИВНОГО И ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

© 2010 г. В. Н. Позолотина1, Е. В. Антонова, В. С. Безель

Институт экологии растений и животных УрО РАН, Екатеринбург

Проведено сравнительное изучение семенного потомства из ценопопуляций одуванчика, длительное время произрастающего в градиенте радиоактивного (зона Восточно-Уральского радиоактивного следа — ВУРСа) или химического (зона воздействия Нижнетагильского металлургического комбината — НТМК) загрязнения. Выявлено, что жизнеспособность семян сходным образом снижалась по мере усиления разного по природе техногенного стресса. Ценопопуляции одуванчика из зон ВУРСа, НТМК и с фоновой территории достоверно различались по качественному и количественному составу аллозимных фенов. Анализ клонального разнообразия выявил феногенетическую уникальность всех ценопопуляций. Изучение посемейной изменчивости металло- и радиоустойчивости Fj-поколения показало, что семенное потомство из импактной зоны ВУРСа обладало высокой жизнеспособностью, но, по-видимому, имело скрытые повреждения, обусловившие низкую устойчивость к дополнительным техногенным воздействиям. У Fj-поколения из зоны НТМК высокая жизнеспособность семян сочеталась с повышенной устойчивостью к провокационному воздействию облучением и тяжелыми металлами. Значимых различий в ответах на "привычный" и "новый" факторы воздействия, т.е. эффекта преадаптации, в выборках из техногенных зон не обнаружено.

Радиоактивность, тяжелые металлы, ценопопуляции, Taraxacum officinale s.1., аллозимная изменчивость, семенное потомство, жизнеспособность, мутабильность, радиоустойчивость, металлоустой-чивость, череда поколений.

Пути адаптации живых организмов к разным типам техногенных воздействий разнообразны, в них присутствуют как универсальные, так и специфические компоненты, обусловленные природой действующего фактора и биологическими особенностями видов [1, 2]. Большая часть работ, посвященных сравнению биологических эффектов от разных токсических агентов, выполнена на модельных объектах [3—5]. Природные популяции, длительное время обитающие в условиях того или иного техногенного стресса, изучены в работах [6—8]. Можно предполагать, что каждая це-нопопуляция, испытывающая хроническое действие тяжелых металлов (ТМ) или ионизирующей радиации, пройдя многие этапы отбора, приобретает специфические черты. В этом случае элиминация металло- и радиочувствительных организмов приводит к изменению аллозимной структуры ценопопуляций [9]. По данным многих авторов [10, 11], в условиях загрязнения снижается качество семенного воспроизводства, поскольку стадии гаметогенеза, зиготы, первых этапов прорастания семян очень чувствительны к токсическим воздействиям. Между тем, именно жизнеспособное и устойчивое потомство обеспе-

1 Адресат для корреспонденции: 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202, Институт экологии растений и животных УрО РАН; тел.: (343) 260-82-55; факс: (343) 260-65-00; e-mail: pozolotina@ipae.uran.ru.

чивает существование ценопопуляций не только в пространстве, но и во времени.

Цели работы: 1) на примере ценопопуляций одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale s.l.) сравнить жизнеспособность и адаптивный потенциал семенного потомства, сформировавшегося в условиях радиоактивного (зона Восточно-Уральского радиоактивного следа — ВУРСа) или химического (зона воздействия Нижнетагильского металлургического комбината — НТМК) загрязнения;

2) выявить методом аллозимного анализа фе-ногенетическое сходство и различие ценопопуля-ций одуванчика из разных зон;

3) сравнить посемейно отдаленные последствия хронического воздействия ТМ и радиации, проявившиеся у F1-поколения, выращенного в "чистых" условиях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Исследования проводили в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРСа), который сформировался в 1957 г. в результате аварии на ПО "Маяк". В настоящее время основным загрязнителем зоны ВУРСа является 90Sr. Дополнительное загрязнение территории ВУРСа 137Cs произошло в 1967 г. в результате переноса ила и песка с берегов обмелевшего оз. Карачай, использованного как открытое хранилище радиоактив-

Таблица 1. Удельная активность 90$г и 137С8 в 0—5 см слое почвы, а также обусловленные ими дозовые нагрузки [14]

Участок Удельная активность, Бк/кг Поглощенная годовая доза с учетом ЕРФ*, мГр

90Sr 137Cs

Фоновый 15 31 1.02

Буферный-р 648 314 3.68

Импактный-р 80180 4437 241.88

* Поглощенная доза от естественного радиационного фона (ЕРФ) составила 0.876 мГр/год.

ных отходов [12, 13]. Исследовали участки вдоль центральной оси следа на расстоянии 13 и 86 км от эпицентра взрыва (импактная-р и буферная-р ценопопуляции). Удельная активность 908г и 137С8 в поверхностном слое почвы, а также обусловленные ими дозовые нагрузки на плагиотропные части одуванчика, которые заглублены в этот слой, представлены в табл. 1.

Вторая зона исследования расположена в районе крупного промышленного центра — Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК). На различном удалении от предприятия было заложено две пробных площадки (буфер-ная-м и импактная-м ценопопуляции). Основные ингредиенты выбросов — 802 и полиметаллическая пыль. Суммарная токсическая нагрузка за счет содержания в почвах ТМ представлена в табл. 2. Фоновые ценопопуляции произрастали вне зоны какого-либо техногенного воздействия. Почвенно-геоботанические условия на всех участках были сходными.

Объектом исследования являлись ценопопуляции одуванчика лекарственного — многолетнего травянистого поликарпика из семейства Аз1ег-асеае [15]. Одуванчик — факультативный апо-микт, зародыши развиваются часто из неоплодотворенных нередуцированных яйцеклеток, без участия отцовских хромосом [16, 17].

Следовательно, семена одного растения представляют собой фактически семью или клон.

Вегетирующие растения одуванчика отбирали по 50—125 экземпляров в каждой из пяти ценопо-пуляций. Анализ ферментных систем 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 [18]. Гистохимическое окрашивание образцов осуществляли по стандартным методикам [19]. Поскольку в апо-миктичных популяциях одуванчика встречаются диплоиды и триплоиды, зимограммы анализировали целиком как аллозимные фены (морфы), учитывая весь спектр полос в геле. Клоны (группу растений, обладающую одинаковым мультило-кусным аллозимным фенотипом) выделяли по семи зонам активности: Est, Gdh, Got, 6-Pgdh, Pgi-1, Pgi-2 и Fdh. Редкой считали изоморфу, частота встречаемости которой в ценопопуляции не превышала 5%.

В опытах исследовали семенное потомство материнских растений (Р-поколение), непосредственно сформировавшееся в зонах ВУРСа, НТМК и на фоновых участках, а также их потомство (поколение F1), полученное в результате культивирования Р-растений на "чистой" почве. Жизнеспособность семян оценивали по комплексу критериев — выживаемости проростков, числу проростков с настоящим листом и длине корней.

В экспериментах с Р-поколением использовали смесь семян из каждой ценопопуляции. Анализ поколения F1 вели посемейно, используя по 10 семей из каждой ценопопуляции (буферная-р и импактная-р из зоны ВУРСа и буферная-м и импактная-м из зоны НТМК), а также 25 семей из фоновой зоны. Для оценки жизнеспособности F1-потомства и его устойчивости к дополнительному воздействию ТМ и у-излучению было проведены эксперименты, каждый из которых включал три блока: 1) контроль — семена из разных по-

Таблица 2. Концентрация тяжелых металлов в почвах зоны НТМК, мкг/г

Участок Концентрация металлов Коэффициент суммарной токсической нагрузки

Cu Zn Pb Cd

Фоновый 12.3 19.4 7.9 0.05 1.0

Буферный-м 151.5 152.7 49.6 0.4 8.4

Импактный-м 113.2 901.7 193.9 2.7 33.0

Таблица 3. Показатели жизнеспособности семенного потомства одуванчика лекарственного (Р-поколение) из зон радиоактивного и химического загрязнения

Параметр Фоновая ВУРС НТМК

буферная импактная буферная импактная

Выживаемость, % Число проростков с листьями, % Длина корня, мм 84.0 ± 7.5 67.9 ± 5.8 17.2 ± 1.9 78.7 ± 6.3 68.6 ± 7.8 20.8 ± 6.6 50.7 ± 12.4* 44.2 ± 8.12* 13.5 ± 3.7* 76.0 ± 10.4 61.4 ± 6.2 18.9 ± 9.0 53.3 ± 7.8* 41.6 ± 6.4* 14.8 ± 0.5*

* Значимость различий с фоновой выборкой, p < 0.05.

пуляции посемеино выращивали в сосудах, содержащих суспензию "чистой" почвы в дистиллированной воде в пропорциях 1 : 50; 2) условия аналогичны первому, но семена тех же самых семей перед посевом дополнительно подвергали воздействию у-излучения 60Со на установке "Исследователь" в дозе 250 Гр; 3) для проращивания по той же схеме использовали почву, в которой содержание Си, Сё, РЬ, Zn в 10 раз превышало контрольный уровень.

Проростки культивировали методом рулонной культуры в течение трех недель при температуре +24°С в условиях 12-часового светового дня, ежедневно рандомизируя и доливая воду в сосуды для восстановления начальных условий разведения. Определяли выживаемость проростков, скорость формирования настоящих листьев и длину корней. Сравнивая по ключевым показателям варианты с дополнительным воздействием ТМ или

% к 140 120 100 80 60 40 20 0

контролю без воздействия

TM TM TM TM 250 Гр 250 Гр

250 Гр 250 Гр 250 Гр TM

Фоновая Буферная-м Импактная-м

Буферная-р

Импактная-р

Рис. 1. Основные показатели жизнеспособности проростков одуванчика из разных ценопопуляций (Р-поколение) в условиях провокационного воздействия ТМ и облучения: 1 — выживаемость проростков; 2 — число проростков с настоящим листом; 3 — длина корня.

облучения с контролем, определяли металло- и радиоустойчивость каждой семьи во всех исследованных ценопопуляциях. В каждом варианте было по три повторности.

Полученные данные были обработаны статистически с использованием метода R.G. New-combe [20] для анализа пропорций и E.B. Wilson [21] — для независимых выборок. Кроме того, для провер

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»