Л.В. Частоколенко

Популяционно-генетический мониторинг некоторых районов Государственного природного заповедника "Тунгусский" с помощью растительных тест-обьектов

       Целью данной работы является определение экологического со­стояния исследуемых районов через изучение феногенетического статуса и воспроизводительного потенциала растений. Задача заключается в создании базы мониторинга заповедника с учётом экологической напряженности природного и антропогенного характера на ос­новании популяционно-генетических исследований выбранных тест-объек­тов.

      Устойчивая популяция растений обладает набором генетически детер­минированных признаков, которые выявляются на феногенетическом уровне простыми морфологическими гестами. Среди таких тестов наиболее перспек­тивными для мониторинга растительных сообществ являются признаки, свя­занные с воспроизводством. Среди них могут быть и морфологические, к при­меру, показатели стерильности соцветий, бутонов, число недоразвитых завя­зей, количество стерильных клонов и отдельных растений и цитогенетические, куда относятся пыльцевой и хромосомный анализы генеративных клеток. Показатели стерильности и уровня семенного воспроизводства позволяют до­статочно быстро, на уровне скрининга, дать оценку относительной экологи­ческой устойчивости любого исследуемого района.

        В последние годы в целях экологического мониторинга стал широко использоваться метод флуктуирующей асимметрии [Захаров, Кларк, 1993]. Генетическая стабильность существования популяции любого вида является свидетельством оптимального протекания процессов развития и поддержива­ется сложной системой гомеостаза [Яблоков, 1982]. Анализ флуктуирующей асимметрии раскрывает возможность для популяционно-феногенетического подхода в биомониторинге районов с элементами экологического стресса. Ис­ходя из этого, мы предприняли попытку использовать некоторые феногенетические признаки горошка мышиного (Ficia cracca L.) и метод флуктуирующей асимметрии на примере берёзы широколистной (Betula plathyphylla) для пред­варительной оценки ряда районов Государственного природного заповедника "'Тунгусский". Материал для анализа собирали в 1997 г., частично использова­ли данные, полученные в 1996 г.

Структура семенного воспроизводства горошка мышиного и некоторые феногеметические показатели изучались в следующих точках, обозначенных как Чургим, Пристань, избы Кулика, Острая, Ванавара.

         Чургим, район водопада на ручье. Клоны Vicia cracca L. небольшие, много растений с элементами стерильности. Около русла растительность от­носительно богатая, чаще других встречаются следующие растения: василёк, заячья капуста, золотой корень, осока, яснотка, спирея, кипрей. Кипрей в ос­новном с засохшими, недоразвитыми соцветиями. Хорошо развитые растения встречаются в отдельных низинках и расщелинах.

Пристань, пойма р. Хуилма. В районе пристани клоны V. cracca L. не­посредственно у реки очень большие, но в основном вегетативные, чуть выше больше плодоносящих. Покров здесь таёжный, преобладают брусника, тавол­га, голубика, багульник. У реки больше травянистых форм. Около 40% расте­ний кипрея не имеют соцветий, встречаются растения с недоразвитыми кистя­ми.

Избы Кулика, центр, 300-500 м от изб. V. cracca L. здесь имеет клоны средней величины, до 30% растений - вегетативные, много стерильных расте­ний. Кипрей тоже дал высокий процент стерильных и вегетативных форм (до 60%). Следует отметить, что территория вблизи изб Кулика считается районом с антропогенным загрязнением, здесь неучтённо в разное время выбрасыва­лись химические реактивы, район загрязнён и бытовыми отходами, поэтому непосредственно в районе изб мы старались материал не брать.

Гора Острая (Чирвинского). Район сбора V. cracca L. ограничен под­ножием горы (на уровне стоянки). Растительность здесь смешанная, представ­лена и болотными и луговыми видами. Клоны горошка практически отсутству­ют, встречаются в основном одиночные растения, чаще всего вегетативные. Плодов, по сравнению с1996 г., намного меньше. Кипрей представлен тоже в основном вегетативными формами (до 60%). Встречаются компактные расте­ния (мутация, связанная с укорочением междоузлий), есть типичные карлико­вые формы и растения с уродливыми соцветиями.

Ванавара, пойма р. Подкаменная Тунгуска. Точка сбора растений на­ходится в незаливной пойме реки в 5 км от п. Ванавара. Клоны горошка здесь средней величины, чисто вегетативных клонов мало, число вегетативных рас­тений в клоне колеблется от 5 до 30%. Популяции кипрея с хорошо развитыми клонами, до 5% растений с укороченными соцветиями. Растительность здесь типично луговая.

        В качестве условного контроля (Томск) мы использовали материал, взя­тый в пойме р. Басандайка в относительно экологически чистом районе

        Анализ структуры семенного воспроизводства (табл. I) у растений V. cracca L. свидетельствует о том, что на обследованной территории действу­ет единый, не исключено, что климатический, фактор. Особенно это подчёр­кивает сравнение показателей за разные годы, однако на этом фоне реакция популяций оказывается различной. Например, резкое снижение числа струч­ков на кисти в популяциях Чургима и горы Острой. Меняется и соотношение нормальных семян и числа эмбриональных деталей и недоразвитых семян.

Таблица 1

Структура семенною воспроизводства у горошка мышиного 

      Феногенетические показатели, несмотря на их отличия по годам (табл. 2), более однозначно выделяют район горы Острой, здесь выше число вегетатив­ных клонов, выше общая стерильность растений. Высокая стерильность рас­тений в 1997 г. отмечается в районе водопада Чургим. Стабильно высокие по­казатели стерильности и в районе изб Кулика. 

Таблица 2

Некоторые феногенетические показатели популяций горошка мышиного (% растений) 

Материал, полученный в 1996 г. при изучении пыльцы V. cracca 1.. по­зволяет наметить пути дальнейшего исследования непосредственных при­чин возникновения стерильности растений (табл. 3). 

Таблица 3

Анализ состояния пыльцы растений V. cracca L. в некоторых районах заповедника 

Изучение генеративной сферы растений, в том числе пыльцевой ана­лиз, дают возможность оценить состояние не только конкретного объекта ис­следования, но и всей популяции данного вида. А единство самой генетичес­кой программы позволяет экстраполировать, с известной долей условности, полученные выводы и на другие виды, обитающие в данном районе.

          В 1985 г. при изучении микроспорогенеза Vicia cracca L. из популяций с химическим и радиоактивным загрязнением нами была проанализирована и одна популяция из района заповедника. Материал был предоставлен В. Кувшинниковым, собран в районе, считающимся эпицентром взрыва (табл. 4). Несмотря на давность проведённых исследований, полагаем умест­ность приведения их в данной работе.

Таблица 4

Анализ нарушений микроспорогенеза V. cracca L. (в процентах) из

популяций, находящихся в условиях экологического стресса 

        Патологии мейоза хромосомные и хроматидные в анателофазах наблю­даются как хорошо идентифицируемые мосты, одиночные и двойные, с фраг­ментами и без таковых. Иногда вместо двухполюсного деления идёт формиро­вание трёх полюсов. В метафазах чаще всего обнаруживаются хромосомы и их фрагменты, лежащие вне метафазиой пластинки, в дальнейшем некоторые из них формируют микроядра. Среди патологий пыльцы мы отмечали стериль­ные пыльцевые зёрна, деформированные, увеличенные или резко уменьшен­ные, гидратированные и пыльцевые зёрна с гетеропикнозом ядер. Кроме стан­дартного набора достаточно типичных патологий, обнаруживались и аномалии, трудно поддающиеся классификации, к таковым, к примеру, можно отнести образование мегахромосом, похожих на политенные, явление карио- и цитомиксиса.

        Vicia cracca L. - достаточно удобный объект наблюдения. С одной сторо­ны, этот вид относительно устойчив к действию экологических стрессов как естественного, так и антропогенного характера, с другой стороны, он обладает набором хорошо выявляемых признаков, реагирующих на стресс. Так, в слу­чае экологической напряженности, клоны горошка мышиного переходят с се­менного воспроизводства на вегетативное. Это сопровождается высокой об­щей стерильностью растений, изменением соотношения нормальных и недоразвитых семян. По сути, в 1997 г. мы и выявили элементы такой ответной реакции. Однако важно отметить, что изученные популяции обладают различ­ными адаптационными возможностями и на действие общего фактора, напри­мер, неблагоприятных погодных условий, в рамках своего, ранее сформиро­ванного генотипа, отвечают по-разному. По этим показателям необходимо вести многолетние наблюдения, чтобы на фоне климатических колебаний естествен­ного характера, выявить действие каких-то дополнительных факторов, таких как антропогенные загрязнения или действие Тунгусского феномена.

          Второй частью нашего достаточно целенаправленного поиска наиболее подходящих показателей для мониторинга было изучение флуктуирующей асимметрии растений. Симметрия как вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в единое целое, является одним из наиболее широких понятий [Вейль, 1968]. Само по себе явление флуктуирующей асимметрии в строгом смысле, как единый признак генетически не детерминирован, т.е. гена, ответственного непосредственно за симметрию, нет, но наследуется норма ре­акции генотипа, поэтому и часто га и величина различий между сторонами на­ходится под генетическим контролем [Захаров, 1987]. Кроме того, морфологи­ческий подход обладает набором достоинств, важных при скромных возможностях существования заповедников: он достаточно прост в сборе ма­териала, не требует дорогого оборудования для камеральной обработки, вмес­те с тем позволяет довольно точно оценить воздействие различных поллюантов. Феногенетический подход в принципе основан на оценке внутри индивидуальной изменчивости повторяющихся гомологичных структур или оценке уровня отклонения от условной нормы (некоего идеального состояния) [Тимофеев-Ресовский и др., 1973]. Под флуктуирующей асимметрией понима­ют мелкие ненаправленные отклонения от идеального симметричного состоя­ния [Захаров, 1979].

Для анализа природных популяций растений мы остановились на изу­чении листьев берёзы широколистной, достаточно распространённого вида на территории заповедника. Для оценки стабильности развития проводили срав­нение размеров левой и правой половинок листа растений. Промеры проводи­ли по следующей схеме: измерялись размеры 1, 2, 3 и 4-й жилок, начиная от первой длинной жилки от черешка; измерялось наружное и внутреннее рас­стояние между 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5-й жилками; затем измерялась ширина каждой половинки листа в самом широком месте. Итого, для каждого листа проводилось 26 промеров. Для выявления интегрального показателя асиммет­рии листьев берёзы использовали 25 (иногда больше) листьев, близких но раз­мерам, взятых с нескольких (5-10) деревьев близкого возраста и одинакового уровня расположения листьев на дереве. Всего для анализа использовали 15 популяции берёзы широколистной.

          Точки сбора: гора Фаррингтон (на середине подъёма); Избы Кулика (район центра, примерно 300 м от изб Кулика); гора Острая (Чирвинского, середина подъёма); Камень Джона (гора Стойкович); пойма ручья Чургим (вблизи водопада);

Пристань (пойма р. Хушма); Ванавара (пойма р. Подка­менная Тунгуска, 5 км от посёлка Ванавара); район, известный как Эпизолотов\ побережье озера Чеко; посёлок Муторай (восточная окраина посёлка, правый берег р. Чуни, где возможно антропогенное загрязнение). Несколько точек было взято в пойме р. Кимчу: Кимчу-l (Шкутов, ниже устья ручья Молешко, левый берег); Кимчу-2 (Аксёнов, правый берег р. Кимчу, 8 км выше устья Кимчугана и 4 км ниже Нара); Кимчу-3 (Кимчуган, левый берег); Кимчу-4 (Загон, левый берег р. Кимчу, 500 м выше ручья Нижний Огне). Матери­алы, собранные в точках Чеко, Муторай, Кимчу 1-4, предоставлены группой А. Черникова.

           Условные единицы, характеризующие уровень флуктуирующей асим­метрии, определяли по общепринятой методике с небольшой модификацией (мы взяли большее число промеров). Суть методики сводится к получению интегрального показателя дисперсии асимметрии всех признаков. Для устра­нения зависимости значения асимметрии от величины самого признака, ис­пользуется дисперсия относительной величины асимметрии (различие в про­мерах слева и справа, отнесённое к их сумме). В дальнейшем можно сравнивать полученные данные по любой методике. Мы остановились на сравнении сред­них величин и по частоте встречаемости величины асимметрии по группам. Полученные материалы отражены в табл. 5 и 6. Предлагаемый показатель - средняя величина асимметрии на признак, рассчитанный для ряда нескореллированных между собой по величине асимметрии признаков, характеризует уровень гомеостаза развития и позволяет оценить состояние организма и его возможные изменения как в пространстве, так и во времени [Кряжева, Чистя­кова. 1996]. 

Таблица 5

Оценка состояния популяций берёзы широколистной по уровню показателя флуктуирующей асимметрии 

 Таблица 6

 Частота встречаемости (%) листьев берёзы широколистной по группам с определённой величиной показателя асимметрии

         Анализ полученного материала показал, что максимальная асимметрия листьев берёзы широколистной выявляется в районе горы Острой, в районе, обозначенном как Эпизолотов, и в районе посёлка Муторай. Следующая груп­па точек: избы Кулика, Чургим, Ванавара и р. Чуня. Наибольшая стабильность развития отмечалась в точках Кимчу-1 и Кимчу-2. Определённый интерес пред­ставляют данные по размаху варьирования показателя флуктуирующей асим­метрии. Максимальные показатели в точках: избы Кулика, Ванавара, Эпизоло­тов, Муторай, Кимчу-2 и Кимчу-3. Минимальный размах варьирования в вы­борке с побережья озера Чеко. Значительную помощь в анализе полученного материала оказывают таблица частоты встречаемости растений в группах с определёнными показателями асимметрии и таблица распределения растений относительно контрольного показателя, который по литературным источни­кам равен 0,055 [Кряжева, Чистякова, 1996]. Цифры выше 0,055 считаются показателем достаточно высокой асимметрии, и большое число растений, пре­вышающих этот показатель, характеризуют феногенетическое состояние по­пуляции как напряженное. Из литературных данных известно, что в зонах силь­ного экологического стресса средняя величина этого показателя может дости­гать 0,075. Больше всего листьев с высокой асимметрией выявляется в районе горы Острой (Червинского), в районе пос. Ванавара и в популяции Эпизоло­тов.

            Однозначная интерпретация полученных данных затруднена, необходи­ма серия выборок, взятых в этих точках в течение ряда лет (т.е. нужна оценка в пространстве и времени). Несомненно, что обнаружение популяций с показа­телями флуктуирующей асимметрии 0,050 и выше является свидетельством значимых изменений состояния растений, составляющих такую популяцию. Причинами таких изменений могут быть естественные, в том числе и клима­тические факторы, антропогенные (химические и физические) и факторы, свя­занные с другими явлениями, к примеру, это может быть и влияние Тунгусско­го феномена. Так или иначе, но мы можем сказать, что ряд популяций отлича­ются по реакции на один и тот же климатический фактор. Важным свойством используемой методики является то, что мы выявляем отклонения, не связан­ные с существенными патологиями, влияющими на жизнеспособность орга­низма, но вычленяем генотипы, остро реагирующие на изменение среды, что позволяет осуществлять длительный мониторинг.

Таким образом, полученный нами материал свидетельствует о том, что в некоторых исследуемых точках заповедника идут процессы с элементами деструктивных явлений в популяциях, эти районы требуют особого внимания, как потенциальные для идентификации дополнительных факторов экологического стресса, которые дестабилизируют развитие организмов, существующих здесь. Полученные данные закладывают возможность мониторинговых работ в уже зафиксированных точках по любой из использованных методик, либо в комплексе, дополняющих друг друга. Осуществление широкомасштабного биомониторинга на территории заповедника позволит в дальнейшем надёжно отслеживать как природные экологические стрессы, так и носящие антропо­генный характер. 11е исключено, что это позволит более чётко очертить грани­цы влияния Тунгусского феномена и выявить биологические эффекты, если таковые имеются.

Литература

          Вейль Г. Симметрия. М.: Наука, 1968. 191 с.

Захаров В.М. Флуктуирующая асимметрия билатеральных структур животных в природных популяциях: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. М., 1979. 19 с.

Захаров В.М. Асимметрия животных (популяционно-феногенетический подход). М.: Наука, 1987. 215 с.

Захаров В.М., Кларк Д.М. Биотест (интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов). М., 1993. 67 с.

Кряжева Н.Г., Чистякова Е.К. Мониторинг состояния природных популяций растений по гомеостазу растений // Тр. Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 1996. С. 2-9.

Тимофеев-Ресовский Н.В., Яблоков А.В., Глотов Н.В. Очерк учения о популяциях. М.: Наука, 1973. 278 с.

Яблоков А.В. Состояние исследования и некоторые проблемы фенетики популяций// Фенетика популяций. М.: Наука, 1982. С. 3-14.