ЭКОЛОГИЯ, 2010, № 6, с. 403-413
УДК 574:539.16.047
ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЦЕНОПОПУЛЯЦИИ ЗВЕЗДЧАТКИ ЗЛАКОВОЙ В ЗОНЕ ВОСТОЧНО-УРАЛЬСКОГО
РАДИОАКТИВНОГО СЛЕДА
© 2010 г. В. Н. Позолотина, Е. В. Антонова, Э. М. Каримуллина
Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 E-mail: pozolotina@ipae.uran.ru Поступила в редакцию 18.01.2010 г.
Изучено семенное потомство звездчатки злаковой, произрастающей в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРСа) и на фоновых территориях. Дозовые нагрузки на растения в зоне ВУРСа на 3 порядка величин выше фоновых значений. Установлена высокая межгодовая изменчивость жизнеспособности семян и их устойчивости к дополнительному острому облучению, причем не выявлено определенной связи показателей с уровнем радиоактивного загрязнения мест обитания. Существенным источником вариабельности жизнеспособности семенного потомства являются погодные условия, но значимое влияние температуры и осадков выявлено только для ценопопу-ляций ВУРСа. Установлено, что доля проростков с морфозами в выборках ВУРСа повышена, выявлению скрытых нарушений способствовало дополнительное облучение. Показана отрицательная корреляция между выживаемостью проростков и содержанием в них низкомолекулярных антиок-сидантов на всех участках. Впервые исследована аллозимная структура ценопопуляций звездчатки. Отмечен направленный сдвиг частот аллелей по локусам Pgi-2 и Fdh в выборках ВУРСа.
Ключевые слова: Восточно-Уральский радиоактивный след, ценопопуляции, Stellaria graminea L., хроническое облучение, семенное потомство, жизнеспособность, радиоадаптация, антиоксиданты, аллозимная структура.
Изучение природных сообществ, обитающих в условиях радиоактивного загрязнения, с одной стороны, позволяет оценить силу воздействия фактора на биоту, а с другой — выявляет скрытые возможности организмов и популяций, позволяющие им стабильно существовать в условиях повышенного радиационного фона. Внутрипопуляци-онная изменчивость в основе своей предполагает реализацию конкретных генотипов в реальных условиях обитания (Schwaegerle й а1., 2000). В зонах радиоактивного загрязнения популяции постоянно подвергаются не только облучению, но и другим как биотическим, так и абиотическим воздействиям, при этом растения максимально используют онтогенетические возможности. Взаимодействие факторов порождает в популяциях изменчивость эффектов, в основе которых могут лежать аддитивность, синергизм или антагонизм (Петин и др., 1998).
Территория Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРСа), образовавшегося в 1957 г. в результате аварии на предприятии "Маяк", представляет собой уникальный природный полигон, на котором живые организмы подвергаются действию ионизирующих излучений более 50 лет. До-зовые нагрузки снизились со времени аварии, но
и сейчас в головной части ВУРСа поглощенные дозы превышают фоновый уровень на несколько порядков величин (Позолотина и др., 2008). Исследования семян растений из зоны ВУРСа, выполненные ранее (Чережанова и др., 1971; Шевченко и др., 1993), показали, что частота хромосомных аберраций у потомства повышена. Опираясь на цитогенетические показатели, авторы выявили радиоадаптацию у растений ВУРСа, т.е. повышение устойчивости к повторному облучению на фоне увеличения митотической активности.
В наших исследованиях растительности ВУРСа превалирует экологический подход, включающий оценку разных типов внутри- и межпопуляцион-ной изменчивости семенного потомства доминирующих видов по комплексу морфогенетических показателей (Позолотина и др., 2008). Уровень воспроизводства полноценного потомства играет ключевую роль в судьбе популяций, поскольку именно репродуктивные способности определяют устойчивое существование популяций не только в пространстве, но и во времени (Попова и др., 1992; Позолотина и др., 2008).
Настоящая работа посвящена изучению последствий длительного воздействия ионизирую-
щих излучении на ценопопуляции звездчатки злаковой (Stellaria graminea L.) в зоне ВУРСа. В ходе исследования были оценены межгодовая и посемейная изменчивость показателей жизнеспособности, мутабильности и радиоустойчивости семенного потомства, сформировавшегося в градиенте загрязнения, а также антиоксидантный статус проростков и аллозимная структура цено-популяций.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Объектом исследований были ценопопуляции звездчатки злаковой (Stellaria graminea L.) — многолетнего растения из сем. Caryophyllaceae Juss. Вид диплоидный (2n = 26), перекрестноопыляе-мый, размножается семенами и вегетативно. Цветет с мая по сентябрь. Семена и вегетативную массу растений собирали в течение четырех лет в конце августа в ценопопуляциях головной части ВУРСа: импактная-1 — на месте отселенной деревни Бердениш, 55°46' с.ш., 60°53' в.д. и импакт-ная-2 — район лежневой дороги, 55°45' с.ш., 60°50' в.д. Кроме того, семена собирали на площадках вне зоны загрязнения: фоновые ценопопуляции были расположены вблизи н.п. Шеелит (56°47' с.ш., 61°18' в.д.) и Рассоха (56°41' с.ш., 61°02' в.д.). Все площадки были сходны по почвенным и геоботаническим характеристикам.
Для оценки погодных условий в разные годы рассчитывали индекс аридности, разработанный Г.Т. Селяниновым (The Encyclopedia..., 2005). Индекс Селянинова рассчитывали отдельно для каждого летнего месяца и сезона в целом:
IA =
P х 10
T
12
I
п = 1
где 1А — индекс Селянинова; Р — сумма осадков при эффективных температурах за изучаемый период; 1>Т„ — сумма эффективных температур за тот же период, рассчитанная как ЦУсредносут. — 10°С). Дни со среднесуточной температурой ниже 10°С в расчетах не учитывали. В работе использованы данные двух близких к участкам метеостанций: Екатеринбург (фоновые участки) и Касли (зона ВУРСа).
В лабораторных экспериментах при постоянных температуре (24°С) и освещенности (12-часовой день) исследовали изменчивость жизнеспособности (выживаемость проростков, скорость формирования настоящих листьев и роста корней) и мутабильности (частота встречаемости морфозов) семенного потомства звездчатки. Для оценки радиоустойчивости семян использовали метод предпосевного острого облучения на у-уста-новке "Исследователь" с источником 60Со (мощ-
ность дозы 41.2 сГр/с). Облученные семена проращивали, учитывая комплекс перечисленных выше критериев. Сравнение жизнеспособности в условиях облучения и без него позволило выявить адаптивный потенциал разных выборок. Анализируя данные за несколько лет, оценили межгодовую изменчивость жизнеспособности и радиочувствительности в пределах изученных ценопо-пуляций и сравнили их между собой. Посемейное (10—20 семей) проращивание семян из разных выборок выявило индивидуальную изменчивость их качества внутри ценопопуляций.
Полученные данные были обработаны статистически с использованием метода анализа пропорций R.G. Newcombe (1998) для независимых выборок. Кроме того, для проверки гипотез использовали одно- и двухфакторный дисперсионные анализы, ковариационный анализ, критерий множественных сравнений Фишера. Проверка статистических гипотез проведена в программе STATISTICA 6.0 (StatSoft Inc., 2001).
Для изучения аллозимной структуры в каждой ценопопуляции собирали листья с 50 растений, произрастающих на расстоянии не менее 5—10 м друг от друга. Листья (масса 50—100 мг) растирали в экстрагирующем буфере на холоде и центрифугировали в течение 5 мин при 13 000 об/мин. Были изучены следующие ферментные системы: ADH (E.C. 1.1.1.1), LAP (E.C. 3.4.1.1), NADHDH (E.C. 1.6.5.3), FDH (E.C. 1.2.1.2), GOT (E.C. 2.6.1.1), PGI (E.C. 5.3.1.9), SKDH (E.C. 1.1.1.25), PGM (E.C. 5.4.2.2.), 6-PGD (E.C. 1.1.1.44), DIA (E.C. 1.6.4.3). Электрофорез проводили в 6.4%-ном по-лиакриламидном геле трис-ЭДТА-боратной системы (Peacock et al., 1965). Гистохимическое окрашивание образцов осуществляли по стандартным методикам (Harris, Hopkinson, 1976). Для исследуемых локусов были рассчитаны значения основных показателей генетической изменчивости. Для анализа структуры природных популяций использовали коэффициенты /-статистики Райта. Степень генетической близости между исследованными популяциями рассчитывали по методу, предложенному М. Неи (Nei, 1973). Проверка статистических гипотез была проведена в программах BIOSYS-1 (Swofford, Selander, 1981) и STATISTICA 6.0 (StatSoft Inc., 2001).
Биохимические особенности звездчатки оценивали посемейно по содержанию в проростках низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО). К этой группе относятся вещества разной химической природы, способные обрывать цепи свобод-норадикального окисления, разрушать гидропе-роксиды, распределять энергию возбуждения по структуре молекулы. Протекторная роль НМАО возрастает в условиях хронического облучения (Гуща и др., 2002; Храмова и др., 2006). Определе-
Таблица 1. Удельные активности 9(^г и 137С8 (пределы) в верхнем 0—5 см слое почвы и обусловленные ими поглощенные дозы (с учетом естественного радиационного фона, равного для Уральского региона 0.07 мГр/мес.)
Участок Удельная активность, Бк/кг Мощность поглощенной дозы, мГр/мес.
90Sr 137Cs
Фоновые территории 13.5-15.8 81.5-130.3 0.097-0.110
Импактный-1 98770-141100 5290-5817 24.58-34.63
Импактный-2 214990-298800 12580-19566 53.68-75.11
ние суммарного содержания НМАО основано на окислении антиоксидантов хлоридом железа (III) (Ермаков и др., 1987). Количество антиоксидантов в проростках рассчитывали по формуле
I
HMAO
2 (^эксп ) ^развед ^экстракта
&Ш
где 2нмао — эквивалентная суммарная концентрация антиоксидантов по отношению к стандартному веществу кверцетину, мкг-экв. кверце-тина/г сухой массы; Д,ксп — оптическая плотность исследуемой реакционной смеси; Бк — оптическая плотность раствора сравнения № 1; —
оптическая плотность раствора сравнения № 2; ^развел - объем разведения, мл; ^к^акта - объем экстракта, используемый для анализа, мл; б — молярный коэффициент экстинкции при X = 510 нм, равный 5.28 х 104 М-1 • см-1; т — масса исследуемого материала, г.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Расчет дозовых нагрузок на растения
Данные по содержанию 90^г и 137С8 в почвен-но-растительном покрове опубл
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.