Лісівничо-фізіологічні особливості життєдіяльності соснових насаджень в зоні відчуження Чорнобильської АЕС

Відношення вмісту суми хлорофілів (а+b) до кількості каротиноїдів у дослідних насаджень сосни звичайної залежить від дози поглинутої радіації та періоду проведення досліджень. Так, в одно- і дворічної хвої сосни слабкого ступеня радіаційного опромінення в листопаді 1994 року цей показник не відрізнявся від контрольного, який в різні періоди спостереження становив 3,75…5,69 (однорічна хвоя) і 4,14…6,43 (дворічна). У 1995 році він суттєво (на 19,6...24,3 %) перевищував контроль. У період вегетації в серпні 1993 і 2000 років відношення суми хлорофілів до вмісту каротиноїдів у насадженні слабкого радіаційного впливу виявилось достовірно (на 9,6...11,4 %) нижчим від контролю.

Одно- і дворічна хвоя сосни контрольного насадження в порівнянні з радіаційно ураженими виділяється більш інтенсивним поглинанням квантів сонячного світла на всьому видимому спектрі. В області синьо-фіолетових променів максимальне поглинання сонячного світла в хвої контрольних дерев становить близько 63 % (однорічна хвоя) і 82 % (дворічна), у сосни слабкого радіаційного ураження ці показники відповідно становлять ? 57 і 72 %, середнього ? 61 і 73 % та сильного ? 42 і 62 %. В області червоних променів максимуми поглинання відповідно становить 48 і 68 %, 43 і 55 %, 46 і 58 % та 28 і 43 %. Необхідно також відзначити, що серед дерев сосни звичайної, які зазнали середнього і сильного радіаційного впливу в період аварії на Чорнобильській АЕС та тривалий період зростають в умовах хронічного радіаційного опромінення, можна виділити екземпляри, які за вмістом фотосинтезуючих пігментів не відрізняються від контрольних.

Дисперсійний аналіз показав, що в період вегетаційного розвитку в серпні 1993 року F-критерій Фішера для вмісту хлорофілів і каротиноїдів у хвої коливався від 12,91 до 15,82 при F₀₅=2,78. Частка радіаційного фактора у формуванні пігментного фонду становила 40,9...48,9 %. У серпні 2000 року вплив радіації на біосинтез пігментів, порівняно з аналогічним періодом 1993 року, посилився. Фактичні значення F-критерія Фішера зросли до 11,98...23,20, а сила впливу радіаційного опромінення становила 64,2...77,6 %. Це пов'язано з пониженням життєвих функцій радіаційно уражених дерев сосни звичайної. У період знаходження дерев сосни в стані спокою (листопад 1994 і 1995 років) радіаційний фактор також істотно впливає на нагромадження фотосинтезуючих пігментів (F_ф> F₀₅).

Півсібсові потомства. Чотиримісячні сіянці радіаційно уражених дерев сосни характеризуються інтенсивним нагромадженням пігментів у листовому апараті. Вміст хлорофілів у них коливався в межах 7,18...7,87, а каротиноїдів - 1,48...1,59 мг/г абс. сух. маси. Найменшу кількість хлорофілів (7,18 мг/г абс. сух. маси) і каротиноїдів (1,48 мг/г абс. сух. маси) синтезують контрольні рослини. Зі збільшенням ступеня радіаційного ураження материнських дерев зростає вміст зелених та жовтих пігментів, досягаючи максимальних значень у потомств дерев сублетальної дози опромінення (107,4…109,6 %).

Радіаційне опромінення материнських дерев значною мірою впливає і на співвідношення пігментів у потомств, що зумовлює специфіку поглинання пластидами спектрів сонячного світла. Загалом зберігається тенденція до зменшення співвідношення хлорофілів a/b і збільшення відношення (a+b)/с зі зростанням дози поглинутої радіації материнськими деревами сосни звичайної.

При досягненні дослідними потомствами трирічного віку відмінності між ними і контролем за біосинтезом пігментів зменшуються і стають не суттєвими.

Культури сосни звичайної. Вміст хлорофілів і каротиноїдів у хвої культур сосни на середньо і сильно радіаційно уражених ділянках в період вегетації становив 48,4...96,4 % від контролю. Особливо низькими показниками вмісту фотосинтезуючих пігментів відзначаються культури на ділянці середнього радіаційного ураження. На ділянці слабкого радіаційного впливу значне зменшення біосинтезу пігментів (на 6,2…17,3 %) виявлено на початку і в кінці вегетації, а в середині вегетаційного розвитку їх вміст виявився на рівні контролю. При цьому хлорофіл а перевищував хлорофіл b у хвої культур в 3,1...4,1 рази. Таке співвідношення зелених пігментів на дослідних ділянках виявилось, як правило, до 32,3 % вищим порівняно з контролем і особливо зростає у дворічної хвої. Водночас відношення суми хлорофілів до кількості каротиноїдів у контрольних рослин було на 2,4...17,1 % вищим, ніж в радіаційно уражених культур. Отримані дані вказують про порушення в біосинтезі пігментів у хвої культур сосни, що ростуть в умовах радіаційного впливу.

У період глибокого (листопад) і вимушеного спокою (початок квітня) культури сосни на ділянці слабкого ураження характеризуються на 2,2…24,9 % вищим вмістом хлорофілів і на 15,9 % - каротиноїдів. Вміст зелених пігментів у хвої культур сосни на ділянках середнього радіаційного ураження становив 74,6…85,6 % від контролю, а сильного - 95,0…96,7 %. Відмінності між контролем та культурами на цих ділянках за концентрацією каротиноїдів є, як правило, незначними.

Результати дисперсійного аналізу показують, що величина впливу радіаційного опромінення на біосинтез пластидних пігментів культурами сосни є значною і залежить від періоду вегетації. Загалом, фактичне значення F-критерія Фішера для вмісту хлорофілів і каротиноїдів у одно- і дворічній хвої становило 3,59...46,45 при F₀₅=3,26. На початку вегетації множинний коефіцієнт кореляції (R) між радіаційними показниками та кількістю хлорофілів і каротиноїдів у хвої становив 0,507...0,560 (F_ф=1,38...1,83; F₀₅=3,60), в середині ? 0,543...0,776 (F_ф=1,67...6,04), а в кінці - 0,750...0,807 (F_ф=8,37...12,15), тобто тіснота кореляційної залежності біосинтезу пігментів від радіаційного впливу зростає протягом сезону від середньої до високої.

Отже біосинтез пігментів у хвої культур сосни звичайної в умовах хронічного опромінення, характеризується низкою особливостей. Зокрема, дерева на ділянках сильного і середнього ступеня радіаційного впливу синтезують значно меншу кількість зелених і жовтих пігментів, ніж на контролі. Причому біосинтез зелених пігментів в умовах радіаційного впливу є явно зміщеним в сторону утворення хлорофілу а порівняно з хлорофілом b. Їх співвідношення в період вегетації у дерев на сильно забрудненій території становить 3,4...4,1, на менш забрудненій ? лише 2,0...2,5.

Фотосинтез сосни звичайної

Материнські дерева. Найбільш високою інтенсивністю фотосинтезу відзначається контрольне насадження (рис. 3). Слабо і середньо опромінені лісостани порівняно з контролем асимілюють протягом дня на 17,5...21,6 % меншу кількість СО₂. Найнижчим цей показник виявився у деревостані сильного ступеня радіаційного ураження (близько 41 % від контролю). Проведений однофакторний дисперсійний аналіз підтверджує істотний вплив радіаційного опромінення на інтенсивність асиміляції СО₂ (F_ф=45,55 при F₀₅=3,10). Індивідуальна мінливість дерев за інтенсивністю фотосинтезу у контрольному насадженні становила 39,1…51,8 мг СО₂/г·год., слабкого радіаційного впливу - 32,1…39,6 мг СО₂/г·год., середнього - 27,7…39,6 і сильного - 13,8…23,4. У денній динаміці високі значення інтенсивності фотосинтезу та найбільші відмінності між варіантами відмічено у ранковий період (8⁰⁰...11⁰⁰ год.) - рис. 4.

В цей період інтенсивність фотосинтезу в дерев контрольного насадження становила 75,4...80,2 мг СО₂/г·год., слабкого і середнього радіаційного ураження -54,6...64,3 мг СО₂/г·год. і сильного - 28,6...36,3 мг СО₂/г·год. В середині дня (12...14 год.) спостерігається різкий спад інтенсивності фотосинтезу (на контролі і дерев слабкої дози поглинутої радіації до 14,4…32,7 мг СО₂/г·год, середньої ? 13,7…25,3 і сильної ? 6,0…12,8). Невелике збільшення асиміляції СО₂ відмічено о 16⁰⁰ годині, коли його інтенсивність у контролю, дерев слабкого і середнього радіаційного опромінення зростає до 17,5...19,8 мг СО₂/г·год., а в сосни сильного радіаційного ураження - до 8,0 мг СО₂/г·год. Дослідження кореляційної залежності інтенсивності фотосинтез у дерев сосни різного ступеня радіаційного опромінення з мікрокліматичними показниками свідчить про визначальну роль в цьому процесі інтенсивності світла. Коефіцієнт кореляції між цими показниками виявився тісним (0,888...0,947) незалежно від дози поглинутої радіації деревами сосни.

Рис. 5. Потенційна інтенсивність фотосинтезу чотиримісячних потомств дерев сосни звичайної різного ступеня радіаційного ураження, серпень 1996 року: К ? контроль; Сл ? слабка доза поглинутої радіації материнськими деревами; Ср ? середня; Сн ? сильна

Півсібсові потомства. Радіаційний фактор призводить не тільки до соматичних ефектів у дерев, а впливає і на їх генетичну сферу, що викликає певні відхилення у функціонуванні потомств. Потомства радіаційно уражених дерев, які ростуть на чистій від радіонуклідів території, у 4-місячному віці за потенційною інтенсивністю фотосинтезу на 12...21 % перевищують контрольні (рис. 5). При цьому найвищими показниками фотосинтезу характеризуються потомства дерев зі слабким і середнім рівнями поглинутих доз радіації, але з найвищою питомою активністю ¹³⁷Cs в хвої. У денному аспекті потенційна інтенсивність фотосинтезу сіянців відзначається чітко вираженим, характерним для другої половини вегетаційного періоду, денним піком, який припадає на 11...13 год. У цей період відмінності між дослідними і контрольними рослинами за потенційною інтенсивністю фотосинтезу є найвищими і досягають 27...52 %. Зранку (до 10 години) і в другій половині дня (після 14...15 год.) різниця між варіантами різко зменшується. Інтенсивність фотосинтезу в трирічних півсібсових потомств сосни звичайної, які ростуть на радіаційно забрудненій території, великою мірою визначається впливом хронічного опромінення. В умовах хронічного радіаційного впливу вони порівняно з потомствами, що ростуть на чистій від радіонуклідів території, асимілюють у 1,8…2,0 рази більшу кількість СО₂ (117,1…140,0 проти 65,4…69,5 мг СО₂ /г·год.). Підвищення інтенсивності фотосинтезу в сильно уражених дерев пов'язане, очевидно, з використанням асимілятів на енергозатратні процеси репараційного відновлення.

Встановлено також, що фотосинтез можна використовувати як маркер для відбору радіостійких форм деревних порід. Серед радіаційно уражених материнських дерев сосни звичайної і їх потомств виділяються такі, що характеризуються високим ступенем успадкування інтенсивності фотосинтезу.

Культури сосни звичайної. Культури сосни звичайної на контролі у різні періоди вегетаційного розвитку асимілюють достовірно більшу кількість CO₂, ніж на ділянках слабкого, середнього і сильного ступеня радіаційного ураження (рис. 6). Так, інтенсивність фотосинтезу на початку вегетаційного періоду (21...25.05.99 р.) у дослідних дерев становила 64,9...74,7 %, а в середині (2...5.08.99 р.) - 57,8...65,7 % від контролю. При цьому, між ступенем радіаційного ураження та інтенсивністю асиміляції СО₂ у різні періоди вегетації, як правило, спостерігається тісний обернений зв'язок. Необхідно також відзначити, що в кінці вегетаційного періоду інтенсивність асиміляції СО₂ у культур сосни звичайної незалежно від ступеня радіаційного ураження значно зростає, порівняно з початком та серединою вегетації (див. рис. 6). Результати дисперсійного аналізу підтверджують істотний вплив хронічного радіаційного опромінення на асиміляцію СО₂ культурами сосни звичайної у різні періоди вегетації (F_ф=10,67...24,43; F₀₅=3,16...3,89).

Рис. 6. Інтенсивність фотосинтезу культур сосни звичайної на ділянках різного ступеня радіаційного ураження: К - контроль; Сл - слабкий ступінь радіаційного ураження; Ср - середній; Сн - сильний

Денні ритми фотосинтетичної активності культур сосни на радіаційно уражених територіях залежать як від величини радіаційного впливу, так і від періоду вегетації. На початку вегетаційного періоду денна динаміка інтенсивності фотосинтезу носить більш вирівняний характер, ніж в середині і в кінці. Період вегетації обумовлює також характер впливу мікрокліматичних факторів на денну динаміку асиміляції СО₂ культурами сосни звичайної. На початку вегетаційного періоду фотосинтез у сосни середнього і сильного радіаційного ураження тісно залежить від температури і вологості повітря та слабо від інтенсивності світла. Водночас, фотосинтетична активність дерев контрольного насадження та культур слабкого радіаційного ураження значною мірою визначається інтенсивністю світла. В середині вегетації між мікрокліматичними показниками та інтенсивністю фотосинтезу культур на контролі та ділянках різного ступеня ураження проявляється, як правило, середня залежність. .В кінці вегетаційного періоду спостерігається висока залежність фотосинтезу культур сосни всіх дослідних варіантів від світлового режиму.

Біосинтез терпенових вуглеводнів деревами сосни звичайної та їх потомствами

Материнські дерева. У виділених екстрактах хвої сосни звичайної ідентифіковано 24 терпенових вуглеводні, які відносяться до монотерпенів та кисневмісних монотерпенів і сесквітерпенів та їх кисневмісних похідних.

Найбільш представленими серед терпенових вуглеводнів хвої сосни є монотерпенова і сесквітерпенова фракції. Вміст монотерпенів у дослідних варіантів коливається в межах 46,81...57,63 %. Кількість сесквітерпенів становить 41,31...52,09 %. Водночас, сума кисневмісних монотерпенів складає близько 1 %. Серед монотерпенів високим вмістом виділяються б-пінен і Д³-карен. Вміст б-пінену становить 27,68...33,86 %, а Д³-карену - 6,52...16,65 %. Особливо низьким вмістом в екстрагованій фракції характеризуються трициклен (0,01...0,07 %), і г-терпінен (0,01...0,11 %). У сесквітерпеновій фракції високий вміст характерний для д+г-кадінену (20,76...27,72 %), середній і низький для капаен-ілангену (3,63...4,78 %), в-кадінолу (1,53...3,24 %), г-муролену (2,80...4,56 %), б-колокорену (2,61...5,03 %), лонгіфолену (4,84...8,16 %).

Радіаційне опромінення істотно вплинуло на біосинтез терпенових вуглеводнів. Вміст монотерпенів у радіаційно уражених дерев сосни знизився на 10...11 %, а біосинтез сесквітерпенів відповідно зріс. Зниження кількості монотерпенів відбулось, в основному, за рахунок Д³-карену. В радіаційно опромінених дерев сосни кількість Д³-карену коливається від 6,52 до 12,85 %, а б-пінену від 27,68 до 35,38 %.

Серед сесквітерпенів найбільші зміни під дією радіаційного опромінення відбулися у біосинтезі г-муролену, д+г-кадінену, б-колокорену і в-кадінолу. Вміст г-муролену в радіаційно уражених дерев зріс до 3,67…4,56 %, д+г-кадінену ? до 24,51…27,72 %, б-колокорену ? до 4,07…5,03 %, а в-кадінолу -до 2,18…3,24 %.

Результати однофакторного дисперсійного аналізу показують, що вплив радіаційного фактора носить складний характер і залежить, як від дози поглинутого гострого радіаційного опромінення, так і від хронічного інкорпорованого. Показники F-критерія Фішера для більшості терпенових компонентів становлять 0,41...2,29 при F₀₅=3,10. Тільки для б-гумулену його значення дорівнює 3,56. Отримані дані показують, що зниження біосинтезу монотерпенів у дерев сосни сильного радіаційного ураження зумовлені більшою мірою високою дозою поглинутої радіації у період аварії на Чорнобильській АЕС і меншою ? інкорпорованими радіоактивними речовинами. Зменшення кількості монотерпенів у дерев слабкої і середньої доз поглинутої радіації більшою мірою зумовлене, основним чином, інкорпорованим опроміненням. У зв'язку з цим сильно уражені дерева у постчорнобильський період характеризуються зниженою життєвістю, а слабо і середньо опромінені відновили свій функціональний стан і за морфологічними ознаками не відрізняються від неопромінених дерев сосни звичайної.

Півсібсові потомства. Потомства радіаційно опромінених дерев ростуть на чистій від радіонуклідів території і не зазнають хронічного радіаційного впливу. Тому дослідження терпенових сполук у них дозволяють на біохімічному рівні встановити віддаленні спадкові наслідки радіаційного опромінення материнських дерев.

Встановлено, що у потомств зберігаються такі ж тенденції у біосинтезі терпенових вуглеводнів, як і в материнських дерев. Відмічено зростання на 3,68...3,80 % біосинтезу монотерпенів у потомств дерев сосни середнього і сильного радіаційного ураження. В потомств дерев, які поглинули слабку дозу радіації їх кількість виявилась на 2,40 % меншою від контролю.

У складі монотерпенової фракції у потомств, як і в материнських дерев, переважають б-пінен (35,90...43,17 %) і Д³-карен (4,85...9,06 %). Родини радіаційно уражених дерев характеризуються на 0,55...7,27 % вищим вмістом б-пінену. Потомства сосни слабкого і середнього радіаційного впливу відзначаються на 0,90...3,03 % меншим вмістом Д³-карену, а сильного - на 1,18 % вищим. Необхідно також відмітити значне зниження біосинтезу лімонену і в-феландрену до у потомств радіаційно уражених дерев сосни звичайної (до 0,79…0,93 % при 4,19 % на контролі).

У біосинтезі сесквітерпенів найбільші зміни спостерігаються в потомств сосни сильної дози поглинутої радіації. Тут їх вміст знизився відносно контролю на 3,98 %. У потомств дерев середньої дози поглинутої радіації їх кількість синтезується на рівні контролю, а слабкої - зріс на 1,77 %.

В складі сесквітерпенової фракції екстрактів хвої півсібсових потомств радіаційно уражених дерев переважають д+г-кадінен (13,76...17,62 %), б-колокорен (5,05...10,06 %), капаен та ілонген (3,31...4,45 %), лонгіфолен (2,42...2,96 %) і г-муролен (2,15...2,52 %). Встановлено зниження біосинтезу д+г-кадінену в потомств різного ступеня радіаційно уражених дерев на 2,44...3,86 %. Водночас родини дерев слабкої і середньої доз поглинутої радіації і найвищої активності хвої серед дослідних варіантів синтезують на 0,66...0,92 % більшу кількість капаену та ілангену і на 2,39...3,72 % - б-колокорену. сосна реакція радіаційний вплив

Сума кисневмісних монотерпенів у потомств порівняно з материнськими деревами зростає в 2,7…6,7 рази (до 2,69...6,73 %). Такі закономірності в біосинтезі кисневмісних монотерпенів у потомств пов'язані перш за все з віковими особливостями. Вони в основному зумовлені збільшенням біосинтезу борніл-ацетату в молодих дерев. Інші компоненти цієї фракції становлять десяті, або соті частки відсотка і за кількістю не відрізняються від материнських дерев.

Переважна кількість потомств незалежно від ступеня радіаційного ураження материнських дерев добре успадковують кількісний склад терпенових вуглеводнів. Коефіцієнти кореляції між материнськими деревами і їх потомствами за габітусом хроматограм, як правило, перевищують 0,8.

ЕЛЕКТРОФІЗІОЛОГІЧНА ОЦІНКА СТАНУ НАСАДЖЕНЬ СОСНИ ЗВИЧАЙНОЇ

Біоелектричні потенціали

Материнські дерева. Дослідження біоелектричних потенціалів (БЕП) на 8...15-й роки після аварії на ЧАЕС свідчать про значні відхилення в метаболізмі сосни різного ступеня радіаційного ураження (рис. 7). Вони визначаються як величиною та тривалістю хронічного радіаційного впливу, так і періодом вегетаційного розвитку. На 8-ий рік після аварії на ЧАЕС (серпень 1993 р.) величина БЕП кореневої шийки у дерев контрольного насадження та сосни слабкої дози поглинутої радіації становила -49,4...-50,1 мВ. У сосни сильного ураження цей показник за абсолютним значенням виявився істотно (на 14,4 %) вищим, ніж на контролі. У вересні 1995 року абсолютні значення БЕП кореневої шийки всіх дослідних варіантів суттєво перевищували контроль. Вони зумовлені високою інтенсивністю ростових процесів у сосни сильного ураження та репараційними процесами у слабо, середньо і сильно опромінених дерев. У серпні 2000 року відмінності між насадженнями за величиною БЕП кореневої шийки виявились неоднозначними. Їх абсолютні значення у сосни слабкої та сильної доз поглинутої радіації були достовірно нижчими, ніж у контролю. Біоелектрична активність сосни середнього радіаційного ураження виявилась на рівні контрольного насадження.

Абсолютні показники біоелектричних потенціалів на висоті дерев 2 м в контрольного насадження сосни звичайної завжди перевищували дослідні варіанти. Водночас контрольне насадження, незалежно від періоду спостережень, характеризується, як правило, нижчими показниками різниці біоелектричних потенціалів, ніж опромінені дерева (див. рис. 7). Причому, модельні дерева сосни середньої і сильної доз поглинутої радіації істотно перевищують контроль за цим показником, що свідчить про високу інтенсивність проходження в них метаболічних процесів.

Проведений однофакторний дисперсійний аналіз показує, що хронічне радіаційне опромінення суттєво впливає на біоелектричну активність дерев сосни звичайної. З часом цей вплив посилюється. Якщо у 1993 році F_ф становив 2,60...6,64, то в наступні періоди він зріс до 8,73...60,51 (F₀₅=2,77…3,22).

Суттєві відмінності між контрольними і дослідними насадженнями відмічені також за характером денної динаміки БЕП. Більш високою мінливістю денних змін різниці біоелектричних потенціалів характеризуються дерева на контролі і в насадженні сильного радіаційного ураження порівняно з деревами слабкої і середньої доз поглинутої радіації. Очевидно нагромадження радіонуклідів у поставарійний період має вирішальний вплив на особливості функціонування деревних рослин і денну динаміку їх біопотенціалів. Високий вміст ¹³⁷Cs і ⁹⁰Sr в різних органах дерев слабкого і середнього радіаційного впливу визначає характер метаболізму дерев і зменшує рівень їх генетично зумовленої мінливості за величиною БЕП. Дерева високої дози гострого опромінення нагромаджують у хвої невелику кількість радіонуклідів і за рівнем денних змін біоелектричної активності наближаються до контролю.

Півсібсові потомства. Встановлено, що середньоденна величина БЕП кореневої шийки півсібсових потомств на радіаційно забрудненій території коливається в межах -41,6...-52,2 мВ. У потомств дерев слабкої і середньої доз поглинутої радіації вона виявилась на 4,6...16,7 % нижчою, а в сильної - на 5,2 % вищою від контролю. Абсолютна величина біоелектричних потенціалів вершин дерев у потомствах знизились до -28,0...-33,8 мВ. Істотних відмінностей між дослідними варіантами та контролем не виявлено.

Більш значна диференціація потомств на радіаційно забрудненій території спостерігається за різницею біоелектричних потенціалів. Цей показник у них коливався від 13,5 до 21,0 мВ. У потомств дерев слабкої і середньої доз поглинутої радіації різниця біоелектричних потенціалів виявилась на 37 % нижчою від контролю, а потомств дерев сильно уражених радіацією на 12 % вищою.

Загалом дослідження показали, що диференціація потомств за біоелектричною активністю на радіаційно забрудненій території зумовлена величиною гострого радіаційного ураження материнських дерев та їх реакцією на хронічне радіаційне опромінення. Низькими показниками БЕП кореневої шийки і різниці біоелектричних потенціалів характеризувались півсібсові потомства дерев слабкої і середньої доз гострого радіаційного опромінення. Це вказує на те, що в поставарійний період на функціонування деревних рослин та проходження у них генеративних процесів більшою мірою впливає хронічне інкорпороване опромінення, ніж гостре, поглинуто деревами в період аварії на ЧАЕС. Потомства слабо і середньо опромінених дерев, що ростуть в умовах хронічного радіаційного ураження і поглинають значну кількість радіонуклідів, характеризуються низьким життєвим потенціалом. Більшою життєвістю відзначаються потомства сильно уражених дерев сосни, які в постчорнобильський період відзначаються відносно низькою питомою активністю радіонуклідів в надземних органах.

Середньоденні біопотенціали кореневої шийки потомств радіаційно опромінених дерев сосни звичайної, які ростуть на чистій від радіонуклідів території, становили - -50,2…-56,4 мВ і були на 3,4…20,7 % вищими, ніж на забруднених радіацією ділянках. У потомств сосни слабкого і середнього радіаційного впливу абсолютні значення біопотенціалів кореневої шийки дерев виявились на рівні контролю, а в сильного - на 9,9 % були вищими. Більш значні відмінності спостерігались за величиною БЕП вершини дерев і різницею біопотенціалів. На вершині дерев величина біопотенціалів у потомств становила 7,6…27,0 мВ, а різниці БЕП - 56,7…78,3 мВ. Найнижчими вони виявились у потомств дерев середньої дози поглинутої радіації. БЕП на вершині у них знизились на 70 %, а різниці біопотенціалів - на 26 %. Значне зниження цих показників (на 18…28 %) спостерігалось також у потомств сильно опромінених дерев сосни. Водночас біоелектрична активність потомств слабо уражених радіацією дерев залишалась на рівні контрольного варіанту.

Найбільшою мірою на біоелектричну активність потомств опромінених дерев сосни звичайної на рівні кореневої шийки впливає температура і вологість повітря, найменшою ? інтенсивність світла. Коефіцієнти кореляції між температурою і БЕП коливаються в межах 0,859…0,932, між вологістю повітря і БЕП ? ?0,775…?0,876 і між інтенсивністю світла і БЕП ? 0,049…0,223.

Таким чином, радіаційне опромінення материнських дерев істотно впливає на біоелектричну активність півсібсових потомств. У 3…5-річних потомств дерев середньої дози поглинутої радіації і найвищої питомої активності радіонуклідів у хвої біоелектричні потенціали виявились нижчими від контролю, а сильної дози - вищими. У потомств слабо опромінених дерев сосни величина біопотенціалів знаходиться на рівні контролю Ступінь радіаційного ураження не вплинув на характер денних змін біоелектричних потенціалів потомств. Виявлена висока і дуже висока кореляційна залежність біоелектричної активності потомств опромінених дерев від температури і вологості повітря та дуже слабка і слабка з інтенсивністю світла.

Культури сосни звичайної. Протягом досліджень (1997…1999 рр.) виявлено значні зміни в біоелектричній активності культур у зв'язку з радіаційним ураженням, що вказує на порушення в них загальних закономірностей протікання метаболічних процесів. В період активної вегетації культури сосни звичайної на радіаційно уражених ділянках характеризувались підвищеною біоелектричною активністю. Так, в травні абсолютні середньоденні величини біоелектричних потенціалів кореневої шийки дослідних варіантів перевищували контроль на 36...73 %, в липні ? на 62...64 % і в серпні - на 27...78 %. Причому серед дослідних варіантів найвищими абсолютними величинами БЕП на початку і в середині вегетації виділяються середньо і сильно уражені культури. В кінці вегетації (вересень) абсолютні величини БЕП кореневої шийки в них зменшились до 77...85 %, а у слабо опромінених культур сосни збільшились на 28 % відносно контролю. Високий рівень абсолютних значень біоелектричних потенціалів у сильно і середньо уражених культур і їх низька інтенсивність росту за висотою і діаметром вказують на те, що у період активного функціонування ростових меристем значна кількість пластичних речовин у них витрачається не на ростові, а на репараційні процеси. Слабкі дози хронічного радіаційного опромінення, навпаки, проявляють стимулюючий ефект на ріст культур сосни за висотою і діаметром.

В цілому радіаційне ураження апікальних меристем призводить до зниження меристематичної і метаболічної активності в кроні дерев. Для уражених рослин характерний значний відтік пластичних речовин у стовбур до більш радіостійкого камбію та кореневих систем, які виступають більш потужними атрагуючими центрами. У зв'язку з цим різниця БЕП у культур середнього радіаційного ураження є на 50 % вищою, ніж в екземплярів сильного радіаційного впливу. Загалом фактичне значення F-критерія Фішера, яке характеризує вплив радіаційного фактора на біоелектричну активність культур сосни звичайної, досягає значних величин і становить 5,80...39,73 при F₀₅=2,78...3,2.

Істотні відмінності між контрольними і дослідними варіантами культур сосни звичайної виявлено за характером денної динаміки БЕП. У середньо і сильно уражених рослин рівень окисно-відновних процесів у ростових меристемах є вищим, ніж у слабо опромінених і контрольних варіантів. На початку вегетаційного періоду ці процеси у середньо і сильно опромінених культур особливо швидко зростають у першій половині дня і пов'язані вони з інтенсивним використанням продуктів фотосинтезу як на ростові, так і відновлювальні потреби дерев. У середині і в кінці вегетації характер денних біопотенціалограм культур сосни різного ступеня радіаційного ураження та контрольних рослин, як правило, є ідентичним.

З напруженістю мікрокліматичних факторів біоелектричні потенціали уражених культур найбільш чітко пов'язані в середині вегетаційного періоду. Між температурою і вологістю повітря та величинами БЕП в цей період спостерігається, як правило, високий кореляційний зв'язок, а з інтенсивністю світла він коливається від слабкого до високого.

Отже, радіаційний фактор у різні періоди вегетаційного розвитку по-різному впливає на біоелектричну активність культур сосни звичайної. Найбільший його вплив відмічено на початку вегетації. У цей період сезонного розвитку під впливом іонізуючого випромінювання у дерев змінюється не тільки абсолютна величина БЕП, але і характер їх денної динаміки. В середині і в кінці вегетаційного періоду значні відмінності між контрольними і дослідними варіантами більшою мірою проявляються за величиною абсолютних значень БЕП.

Дослідження кореляційних зв'язків між біометричними показниками (висотою, діаметром, поточним лінійним приростом) дерев у культурах на радіологічному профілі з абсолютними величинами БЕП кореневої шийки показало, що ростові процеси в умовах сильного радіаційного впливу слабо зв'язані з інтенсивністю проходження фізіолого-біохімічних процесів. Коефіцієнт кореляції між біоелектричною активністю і ростом дерев виявився слабким і помірним (-0,342...0,315), що свідчить про значний вплив радіаційного фактора на життєдіяльність культур.

Культури, які зазнали середнього і особливо сильного радіаційного впливу характеризуються високим рівнем окислювальних процесів. Тому коефіцієнти кореляції між денною динамікою інтенсивності фотосинтезу і абсолютними величинами БЕП у рослин на радіологічному профілі є, як правило, високими, а залежність між ними описується поліноміальним рівнянням: y=а₀+ а₁x+ а₂x².

Пригнічені радіаційним впливом культури на початку вегетації більш чутливо реагують на зміну світлового режиму, ніж температури. У менш радіаційно опромінених дерев проявляється більша чутливість до зміни температури, ніж до інтенсивності світла.

Діелектричні показники сосни звичайної

Материнські дерева. Діелектричні показники (імпеданс і поляризаційна ємність) тканин луба у дерев сосни тісно пов'язані з проходженням життєвих процесів. На 6…7 рік після гострого радіаційного опромінення насадження сосни звичайної знаходились в стані активізації відновлювальних процесів. У цей період вони відзначались на 6,2…13,1 % меншими значеннями імпедансу і на 1,6…17,2 % більшими величинами поляризаційної ємності, ніж контрольні, що свідчить про високу інтенсивність проходження у них фізіолого-біохімічних процесів (рис. 8).

Рис. 8. Діелектричні показники материнських дерев сосни звичайної різного ступеня радіаційного ураження: К - контроль; Сл - слабка доза поглинутої радіації; Ср - середня; Сн - сильна.

Серед дослідних варіантів найнижчими значеннями імпедансу (89 % від контролю) і найвищими поляризаційної ємності (117,2 %) характеризуються дерева сосни сильної дози поглинутої радіації. Вони у постчорнобильський період так і не відновили ростових процесів у пагонах. Однак рівень метаболічної активності в прикамбіальних тканинах лубу у них залишається високим. Зокрема, у вересні 1994 р. величини імпедансу в дерев сосни слабкого і середнього ступеня радіаційного ураження виявились на 6,2…25,5 % вищими, а поляризаційної ємності на 4,5…11,9 % нижчими, ніж у контрольного насадження. Водночас, дерева сосни сильного радіаційного опромінення характеризувались високим ступенем метаболічної активності і відзначались на 6,9 % меншими показниками імпедансу та на 11,9 % вищими параметрами поляризаційної ємності, ніж контрольні дерева (див. рис. 8). В період глибокого спокою (листопад 1995 року) показники імпедансу у дерев середньої і сильної дози поглинутої радіації виявились значно (на 12,6…17,7 %) вищими, а поляризаційної ємності істотно (на 11,5…15,4 %) нижчими від контролю. У дерев слабкої дози поглинутої радіації ці показники, навпаки, були відповідно на 9,2 % нижчими і 15,4 % вищими від контролю.

На 15-ому році високою метаболічною активністю характеризувались дерева сосни слабкої дози поглинутої радіації. В середині вегетації (початок серпня) імпеданс у неї становив 89,2 % до контролю (див. рис. 8). Стан насаджень середнього і особливо сильного радіаційного ураження у цей період суттєво погіршився, в зв'язку з чим імпеданс у них зріс і перевищив контроль на 16,5...19,6 %, а величина поляризаційної ємності знизилась на 21,4 %.

Дисперсійний аналіз показує, що радіаційний фактор значно, або істотно впливає на функціональний стан соснових насаджень. Фактичні показники F-критерія Фішера у період з 1994 по 2000 роки для імпедансу становили 2,27...11,70, а для поляризаційної ємності - 2,99...4,56 при табличному значенні 2,27.

Таким чином, діелектричні параметри виступають надійним показником життєвості деревних рослин. Вони свідчать, що насадження сосни звичайної повною мірою використовують свій внутрішній потенціал на відновлення радіаційно уражених структур. В останній період відмічається зниження життєвого потенціалу дерев сосни звичайної, які поглинули середню і сильну дози радіаційного опромінення. Очевидно процеси радіаційного ураження дерев в умовах високих рівнів хронічного інкорпорованого радіаційного опромінення переважають над процесами їх відновлення.

Півсібсові потомства. Дослідження діелектричних показників у 3-річних півсібсових потомств дерев сосни звичайної різного ступеня радіаційного опромінення показують, що найкращим станом відзначаються потомства контрольного насадження. Величина імпедансу в дослідних варіантів виявилась на 7,4...32,4 % вищою, а поляризаційної ємності на 13,2...33,8 % нижчою, ніж на контролі. При цьому найменші відмінності за діелектричними параметрами виявлено між контрольними потомствами і потомствами дерев сосни сильного ступеня радіаційного опромінення.

На чистій від радіонуклідів території показники імпедансу і поляризаційної ємності півсібсових потомств дерев сосни середнього і сильного радіаційного ураження виявились на рівні контролю. У потомств дерев сосни слабкої дози поглинутої радіації величина імпедансу перевищувала контроль на 17,6 %, а поляризаційна ємність відповідно знизилась на 6,8 %.

Загалом, радіаційне навантаження яке отримали материнські дерева передається через генетичні структури потомству і проявляється на їх функціональному рівні. Потомства контрольних дерев як на чистій від радіонуклідів, так і на радіаційно забрудненій територіях характеризуються більш високим життєвим потенціалом, ніж радіаційно уражених дерев. Серед дослідних варіантів низькою життєздатністю виділяються родини дерев сосни, які поглинули слабку і середню дози радіаційного опромінення. Очевидно, в постчорнобильський період на радіаційно забруднених територіях визначальний вплив проявляє інкорпороване радіаційне опромінення.

Культури сосни звичайної. Дослідження показали, що величина імпедансу і поляризаційної ємності в культур сосни залежить як від ступеня радіаційного ураження, так і від особливостей їх формування та періоду вегетаційного розвитку (рис. 9). Так, в липні 1997 р. за величиною імпедансу культури сосни на радіаційно уражених ділянках перевищували контроль на 4...25 %, а за показниками поляризаційної ємності - відставали на 14...27 %.

Рис. 9. Діелектричні показники культур звичайної на ділянках різного ступеня радіаційного ураження (1997…2000 рр.): К - контроль; Сл - слабкий ступінь радіаційного ураження; Ср - середій; Сн - сильний

У 1999 р. особливо великі відмінності за діелектричними показниками виявлено між контролем і культурами сосни слабкого ступеня радіаційного ураження. Останні протягом сезону характеризувались достовірно (на 41,5...51,7 %) нижчими значеннями імпедансу і на 95,1...110,3 % вищими показниками поляризаційної ємності, тобто проявляли більшу фізіолого-біохімічну активність, ніж контрольні рослини. Високою метаболічною активністю в окремі періоди сезонного розвитку виділяються також культури сосни середнього і сильного радіаційного опромінення. Величина імпедансу і поляризаційної ємності в середньо уражених культур була близькою до контролю в середині, а сильно уражених в кінці вегетації (див. рис. 9).

Дослідження показали, що і в період вимушеного спокою (початок квітня 2000 р.) між культурами різного ступеня опромінення за діелектричними показниками спостерігаються значні відмінності. В культур слабкого радіаційного ураження значення імпедансу виявились на 41 % нижчими, а величина поляризаційної ємності на 71 % вищою від контролю. Культури сосни на середньо і сильно опромінених ділянках, навпаки, характеризувались більшими значеннями імпедансу (на 21…51 %) і меншими поляризаційної ємності (на 23…26 %) порівняно з контролем (див. рис. 9). Встановлено також, що культури сосни звичайної слабкої дози поглинутої радіації, порівняно з контролем та культурами середнього і сильного радіаційного впливу, швидше вступають у фазу вегетаційного розвитку.

Загалом у середньо і сильно радіаційно уражених дерев сосни звичайної в кінці вегетаційного періоду значно швидше, ніж у контрольних наступає зниження фізіолого-біохімічної активності. Дерева слабкого радіаційного опромінення отримують певний стимуляційний вплив. Вони протягом вегетаційного періоду відзначаються низькими значеннями імпедансу і високими поляризаційної ємності. Це свідчить про високу інтенсивність проходження в них метаболічних процесів, які оптимально поєднуються з високою інтенсивністю росту за висотою і діаметром. У сильно уражених дерев сосни підвищена фізіолого-біохімічна активність у першій половині вегетації пов'язана з перерозподілом асимілятів на користь латеральної меристеми та їх інтенсивним використанням на ростові і репараційні процеси.

Проведений однофакторний дисперсійний аналіз також показує, що визначальним фактором, який зумовлює діелектричну активність є ступінь радіаційного ураження. Показники F-критерія Фішера в різні періоди спостереження для імпедансу становили 6,04...73,01, а для поляризаційної ємності - 4,53...71,92 при F₀₅=2,78...3,24. При цьому вплив радіаційного фактора на життєдіяльність культур сосни звичайної зростає з часом, тобто залежить від нагромадження дози хронічного інкорпорованого опромінення.

Отже, вивчення електрофізіологічних показників (біопотенціалів, імпедансу, поляризаційної ємності) свідчить про значний вплив іонізуючого опромінення на метаболізм дерев. Причому інтенсивність проходження метаболічних процесів виявилась значно вищою у дослідних насаджень, ніж на контролі. Очевидно, у радіаційно уражених рослин в умовах хронічного опромінення (особливо інкорпорованого) проходять значні деструктивні процеси. У їх метаболізмі задіюються енергозатратні механізми репараційного відновлення клітинних структур, які в кінцевому рахунку приводять до зменшення життєвості опромінених насаджень.

ВІДБІР РАДІОРЕЗИСТЕНТНИХ ФОРМ СОСНИ ЗВИЧАЙНОЇ

Відбір дерев високої радіорезистентності доцільно проводити в насадженнях зі щільністю забруднення ґрунту радіонуклідами вище 100…200 Кі/км². В таких умовах найбільшою мірою проявляється індивідуальна морфофізілогічна реакція дерев сосни звичайної на радіаційне опромінення. При цьому необхідно враховувати, що різні функціонально-організаційні структури та фізіолого-біохімічні процеси в рослин по різному реагують на радіаційне опромінення. Одні показники практично не змінюються навіть в найбільш критичних умовах радіаційного впливу, а інші проявляють високу радіореактивність вже на слабке радіаційне ураження.

Кластерний аналіз реакції 29 основних морфофізіологічних показників дерев сосни звичайної на радіаційне опромінення показав, що найбільше реагує на радіаційну дію площа поверхні хвої, кількість продихів на одиниці площі поверхні хвої, кількість шишок на дереві, повнозернистість насіння та висота однорічних півсібсових потомств опромінених дерев сосни (рис. 10, кластер І). Ці показники найбільше віддалені від інших морфофізіологічних параметрів. Високим ступенем реакції на радіаційну дію відзначаються також абсолютні показники біоелектричних потенціалів кореневої шийки, інтенсивність фотосинтезу, вміст моно- і сесквітерпенів, довжина хвої і шишок (ІІІ кластер). Зазначені показники найбільш доцільно використовувати для відбору радіорезистентних форм сосни звичайної. Водночас велика кількість різних показників проявила однотипний характер реакції на радіаційне опромінення. До них відносяться: поточний радіальний приріст, маса шишок і насіння, площа поперечного перетину хвої, вміст зелених і жовтих пігментів, біосинтез окисних монотерпенів, імпеданс і поляризаційна ємність та інші (кластер ІІ, див. рис. 10).

Морфофізіологічні показники

Рис. 10. Дендрограма зв'язків між середніми морфофізіологічними показниками дерев сосни звичайної різного ступеня радіаційного ураження (метод повного зв'язування): 1 - довжина шишки, мм; 2 - ширина шишки, мм; 3 - маса шишки, мг; 4 - кількість шишок на дереві, шт.; 5 - маса шишок на дереві, кг; 6 - довжина насінини, мм; 7 - ширина насінини, мм; 8 - маса 1000 насінин, г; 9 - маса насіння на дереві, г; 10 - повнозернистість насіння, %; 11 - довжина хвої, мм; 12 - площа поперечного перетину хвої, мм²; 13 - площа поверхні хвої, мм²; 14 - ширина ЦПС, мм; 15 - товщина ЦПС, мм; 16 - кількість смоляних каналів на поперечному перетині хвої, шт.; 17 - кількість продихів на 1 мм² хвої; 18 - вміст хлорофілу а, мг/г абс. сух. маси; 19 - вміст хлорофілу b, мг/г абс. сух. маси; 20 - вміст каротиноїдів, мг/г абс. сух. маси; 21 - вміст монотерпенів, %; 22 - вміст окисних монотерпенів, %; 23 - вміст сесквітерпенів, %; 24 - потенційна інтенсивність фотосинтезу, мг СО₂/г абс. сух. маси; 25- абсолютні показники БЕП кореневої шийки, мВ; 26 - імпеданс, кОм; 27 - поляризаційна ємність, нФ; 28 - радіальний приріст дерев, мм; 29 - висота однорічних півсібсових потомств дерев сосни звичайної, мм

На першому етапі відбору радіостійких форм сосни звичайної в першу чергу необхідно враховувати врожайність дерев та їх здатність формувати в умовах радіаційного впливу повнозернисте і життєздатне насіння. В зоні сублетального радіаційного ураження на межі з летальною зоною в насадженнях залишилось не більше 15...20 % дерев сосни звичайної. Всі вони характеризуються високою радіостійкістю, оскільки у постчорнобильський період відновили життєві функції після сильного гострого радіаційного опромінення і пройшли відбір в умовах тривалого комбінованого пролонгованого опромінення. Під їх наметом успішно росте молоде потомство. Проте тільки окремі дерева в цих умовах здатні формувати велику кількість шишок і життєздатне насіння.

Кластерний аналіз також показав високу індивідуальну мінливість дерев сосни звичайної за морфофізіологічними показниками та особливостями насіннєношення незалежно від ступеня радіаційного ураження (рис. 11).

За даними 1994…1995 років (параметри 1…20, 25…28, див. рис. 10) модельні екземпляри розділились на п'ять кластерів (груп), до яких ввійшли дерева різного ступеня радіаційного ураження (див. рис. 11). Першу групу утворили моделі 1, 5, 7, 15 слабкого ступеня радіаційного ураження, 2, 5, 9, 11 - сильного і 11, 14 - контрольного насадження. Вони за своїми параметрами значно відрізняються від представників другої групи, яка представлена моделями 2, 8, 9, 11 слабкої дози поглинутої радіації, 8 - середньої, 10 - сильної і 4 - контролю. Проте, ці дві групи проявлять певну спорідненість між собою за морфолого-анатомічними і фізіолого-біохімічними показниками та особливостями насіннєношення і об'єднуються в більш крупний кластер. Вони істотно відрізняються від представників 3…5 груп, до яких потрапили в основному дерева середнього ступеня радіаційного ураження та більшість моделей сильної дози поглинутої радіації і контролю (див. рис. 11).

Рис. 11. Дендрограма зв'язків між деревами сосни звичайної різного ступеня радіаційного ураження на 9…10 роки після аварії на ЧАЕС (метод повного зв'язування): 1...15 - модельні дерева контрольного насадження; 1...15 - модельні дерева насадження слабкої дози поглинутої радіації (1...2 Гр); 1...15 - середньої (6...10 Гр); 1...15- сильної (11...20 Гр)

Таким чином, дерева контрольного насадження представлені у всіх групах. Однак у перших трьох групах їх кількість становить по 1…2 дерева, тоді як в четвертій і п'ятій - по 4…6 моделей. Такий розподіл дерев у 1995 році зумовлений впливом на їх життєдіяльність більшою мірою інкорпорованих радіонуклідів, ніж гострого радіаційного ураження в 1986 році. Причому дерева першої і другої груп характеризуються особливою реакцією на радіаційну дію, яка пов'язана з підвищенням фізіолого-біохімічної активності. Необхідно відзначити, що активність радіонуклідів в надземних органах дерев слабкого і середнього радіаційного ураження перевищувала показники сильно уражених дерев в 7…10 разів.

Роль внутрішнього радіаційного впливу на життєдіяльність деревних рослин та їх стан на забруднених радіоактивними речовинами територіях залишається основною. Через 10…12 років після аварії на ЧАЕС стан дерев сосни на радіаційно забруднених територіях значно змінився. У дерев слабкого і середнього радіаційного ураження при високому інкорпорованому радіаційному ураженні спостерігається активізація відновлювальних процесів, а в сильно уражених - проходить зниження окремих життєвих функцій. Однак, розподіл дерев з урахуванням морфофізіологічних показників 1999…2000 рр. за результатами кластерного аналізу показує, що процеси життєдіяльності в сосни відзначаються високою консервативністю (рис. 12).

Рис. 12. Дендрограма зв'язків між деревами сосни звичайної різного ступеня радіаційного ураження на 14…15 роки після аварії на ЧАЕС (метод повного зв'язування): 1...15 - модельні дерева контрольного насадження; 1...15 - модельні дерева насадження слабкої дози поглинутої радіації (1...2 Гр); 1...15 - середньої (6...10 Гр); 1...15- сильної (11...20 Гр).

В цілому дерева за морфолого-анатомічними та фізіолого-біохімічними показниками, як і за даними 1994…1995 рр., утворили п'ять однорідних груп, де представлені моделі різного ступеня радіаційного ураження та активності асимілюючих органів. В перший кластер потрапили дерева сильного ступеня радіаційного ураження (дерево 2), середнього - (14) і слабкого (2, 9, 10), які є достатньо спорідненими з представниками другої групи (дерева 8, 10 контрольного насадження, 8 - слабкої дози поглинутої радіації і 6, 11 - середньої) та істотно відрізняються за своїми параметрами від дерев 3…5 груп (див. рис. 12). Вони характеризуються, як правило, середніми і високими морфолого-анатомічними показниками хвої, вмісту фотосинтезуючих пігментів, інтенсивності фотосинтезу, значень біоелектричних потенціалів і поляризаційної ємності та низькими і середніми показниками імпедансу. Можна вважати, що дерева першої і другої груп характеризуються високою радіостійкістю. Вона зумовлена компенсаторними механізмами, які забезпечують підвищення фізіолого-біохімічної активності.

У третьому кластері переважають дерева сильного ступеня радіаційного ураження (4, 5, 13), в четвертому ? порівну представлені дерева сильної (9, 10) і середньої доз поглинутої радіації (8, 10), а в п'ятому - контролю (4, 5, 11) ? див. рис. 12. Всі вони відзначаються низькими морфолого-анатомічними параметрами хвої та рівнем фізіолого-біохімічної активності.