Стійкість та мінливість сосни звичайної (Pinus sylvestris L.) у техногенно забруднених умовах південного сходу України

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

СТІЙКІСТЬ ТА МІНЛИВІСТЬ СОСНИ ЗВИЧАЙНОЇ (PINUS SYLVESTRIS L.) В ТЕХНОГЕННО ЗАБРУДНЕНИХ УМОВАХ ПІВДЕННОГО СХОДУ УКРАЇНИ

03.00.16. - екологія

ВЕЛИКОРИДЬКО Тетяна Іванівна

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі промислової ботаніки Донецького ботанічного саду НАН України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Коршиков Іван Іванович, Донецький ботанічний сад НАН України, завідувач відділом промислової ботаніки

Офіційні опоненти : доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Коцюбинська Надія Петрівна, Дніпропетровський національний університет, кафедра фізіології та екології рослин, професор

доктор біологічних наук, професор Бессонова Валентина Петрівна, Запорізький державний університет, кафедра ботаніки та екології, завідвач

Провідна установа: Національний ботанічний сад ім.М.М.Гришка НАН України, м.Київ

Захист відбудеться "10" квітня 2002 г. о 16:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 з присудження вченого ступеня доктора біологічних наук в Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, університет, біолого-екологічний факультет, корп. 17, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету (49050, м. Дніпропетровськ, вул. Казакова, 8)

Автореферат розісланий "4" березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат біологічних наук, доцент А.О. Дубина

АНОТАЦІЇ

Великоридько Т.І. Стійкість та мінливість сосни звичайної (Pinus sylvestris L.) у техногенно забруднених умовах південного сходу України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 - екологія. Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2002.

Проведені комплексні порівняльно-моніторингові дослідження мінливості морфометричних, репродуктивних показників, життєвого стану рослин та структурно-спадкових ознак Pinus sylvestris L. в соснових лісах південного сходу України, які підпадають під вплив емісій хімічних підприємств Рубіжансько-Северодонецької промагломерації. Встановлено, що деревостани Pinus sylvestris, дигресують, а поблизу джерел забруднення вже деградовані, незважаючи на зниження обсягів викидів цих підприємств в останні роки. Токсічні емісії хімкомбінатів у сукупності з природно-кліматичними умовами викликають часткову дефоліацію крони і погіршення життєвого стану рослин, але не призводять до відчутного пригнічення статевої репродуктивної функції рослин. У найбільш деградуючої популяції середні показники генетичного поліморфізму порівняно з непошкодженою популяцією нижче: кількість алелів на локус - на 18%, генотипів на локус - на 13%, гетерозиготність наявна - на 12% та очікувана - на 9%. Група стійких дерев, що виділена, характеризується більшим рівнем спадкової різноманітності, ніж група нестійких до емісій рослин. Стійкі до емісій хімкомбінатів дерева Pinus sylvestris, які характеризуються високим числом повноцінного насіння, можуть бути використовані лісогосподарськими організаціями як вихідні рослини для формування регіональних ділянок масового насіннєвого розмноження, селекційного поліпшення та створення багаторічних насаджень в умовах антропогенно трансформованого середовища південного сходу України.

Ключові слова: сосна звичайна, аеротехногенне забруднення, стійкість, насіннєва продуктивність, популяційно-генетична мінливість.

Великоридько Т.И. Устойчивость и изменчивость сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в техногенно загрязненных условиях юго-востока Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 - экология. Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2002.

Проведены комплексные сравнительно-мониторинговые исследования изменчивости морфометрических, репродуктивных показателей, жизненного состояния растений и структурно-наследуемых признаков Pinus sylvestris L. в сосновых лесах на юго-востоке Украины, подверженных влиянию эмиссий химических предприятий Рубежанско-Северодонецкой промагломерации. Установлено, что древостои Pinus sylvestris продолжают дигрессировать, а вблизи источников загрязнения - деградированы, несмотря на снижение объемов выбросов этих предприятий в последние годы. Эмиссии химкомбинатов в совокупности с неблагоприятными природно-климатическими условиями, вызывают повреждаемость хвои, сокращение сроков ее жизни, снижение охвоенности и частичную дефолиацию кроны, однако не приводят к заметному угнетению половой репродуктивной функции растений. Урожай женских шишек и семенная продуктивность в расчете на шишку отличались нестабильностью и в отдельные годы наблюдений были выше в зоне “стресса”, нежели в зоне фонового уровня загрязнения. Опыляемость и выживаемость семяпочек за период гаметофитного и эмбрионального развития Pinus sylvestris во всех исследуемых древостоях была высокой, а различия между популяциями зоны “стресса” и фонового уровня загрязнения по этим показателям, как правило, были несущественными, что свидетельствует о высокой жизнеспособности семяпочек и пыльцы в условиях техногенной нагрузки. Для определения уровня аллозимной изменчивости и дифференциации популяций Pinus sylvestris, в разной степени подверженных влиянию поллютантов, проанализировано 9 ферментных систем и идентифицировано 22 аллозимных локуса, 82 % которых находится в полиморфном состоянии, а каждое дерево в среднем гетерозиготно по 22,3 % своих генов. В наиболее деградирующей популяции средние показатели генетического полиморфизма в сравнении с популяцией, не испытывающей аэротехногенные воздействия, были ниже: число аллелей на локус - на 18 %, генотипов на локус - на 13 %, наблюдаемая гетерозиготность - на 12 % и ожидаемая - на 9 %. Изучаемые популяции слабо дифференцированы, коэффициенты генетической дистанции варьировали в пределах 0,004 - 0,014, составив в среднем 0,008. Выделены группы деревьев по устойчивости к поллютантам и между ними установлены различия по показателям аллозимной изменчивости. Группа устойчивых деревьев в количестве 16 особей характеризуется большим уровнем наследственного разнообразия, чем группа неустойчивых деревьев. Выяснены особенности в аллозимной изменчивости групп деревьев, существенно различающихся по показателям семеношения (число полных, пустых или недоразвитых семян в расчете на одну женскую шишку). Группа растений с высоким числом полных семян отличалась от альтернативной более высоким аллельным и генотипическим разнообразием и более низким уровнем гетерогенности. Устойчивые к эмиссиям химкомбинатов растения Pinus sylvestris с высоким количеством полноценных семян могут быть использованы лесохозяйственными организациями как исходные для формирования региональных участков массового семенного размножения и создания долговечных насаждений в условиях антропогенно трансформированной среды юго-востока Украины.

Ключевые слова: сосна обыкновенная, аэротехногенное загрязнение, устойчивость, семенная продуктивность, популяционно-генетическая изменчивость.

морфометричний репродуктивний сосна рослина

Velikoridko T.I. Tolerance and variation of Pinus sylvestris L. under industrially polluted conditions of the Ukrainian south-east. - Manuscript.

Thesis for conferring on a candidate's degree in biology, specification 03.00.16. - ecology. Dnepropetrovsk state university. Dnepropetrovsk, 2002.

The results of comparative-and-monitoring studies of variation of morphometric, reproductive indices, a life state of plants and structural-and-hereditory elements in populations of Pinus sylvestris L. have shown, that pine forests of the south - eastern Ukraine which are exposed to emissions of the Rubizhansk-Severodonetsk industrial junction chemical plants toxic are in a state of digression and in particular zones of pollution are also in a state of degradation, in spite of decrease of emissions' volumes in recent decades. The impact of chemical plants toxic emissions that together with the natural climatic conditions cause decrease of needles' amount and partly a crown's defoliation do not call significant inhibition of sexual reproductive function of plants. The mean values of genetic polymorphism are lower in the most degrading population compared to the undamaged one: an amount of alleles- by 18%, of genotypes - by 13%, observed heterozygosity - by 12% and expected - by 9%. A group of tolerant plants, that has been defined, has a higher level of hereditory diversity compared to the group of plants intolerant to emissions. Pinus sylvestris trees, tolerant to chemical plants' emissions, and characterised by high full value seeds productivity are recommended for use as initial plants for forming of regional seed reproduction fields and of long-living plantings under anthropogenously transformed environmental conditions of the Ukrainian south-east.

The key words: Pinus sylvestris L., industrial air pollution, tolerance, seed productivity, population-and-genetic variation.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В промислових локальних районах степової і лісостепової зон України вплив аеротехногенних забруднень на лісові екосистеми нерідко досягає критичного рівня (Илькун, 1978), викликаючи незворотні порушення функціональних системоутворюючих зв'язків та зміни в їх структурі (Коршиков, 1996). Дослідження структурно-популяційних параметрів видів рослин в екологічно кризисних районах необхідні для розробки науково обгрунтованих підходів щодо збереження біологічної різноманітності - глобальної і складної проблеми сучасної цивілізації, що гостро стоїть в Україні стосовно лісових екосистем (Шеляг-Сосонко, 1999). Для визначення екологічно залежних і адаптивно-значущих реакцій виду теоретичну важливість набувають дослідження структурних особливостей та ступеня мінливості кількісних морфометричних та спадкових ознак в маргінальних популяціях. Несприятливі природно-кліматичні умови існування на периферії ареалу в поєднанні з забруднювачами середовища можуть сприяти повному вираженню адаптивного потенціалу виду. Ефективна оцінка структури і диференціація природних популяцій можливі лише на підставі вивчення спадкових ознак, з котрих найчастіше використовують ізоферменти (Алтухов,1989).

З цих позицій актуальним є вивчення стійкості, ступеня збереження статевої репродуктивної функції та структури популяцій основної лісоутворюючої породи в Україні - сосни звичайної (Pinus sylvestris L.) у промислових регіонах степової зони (Пастернак, Ворон, 1993). Такі дослідження в локальних популяціях сосни звичайної в Рубіжансько-Северодонецькій промагломерації раніше були проведені І.І.Коршиковим (1988-1991 рр.) в період максимального завантаження виробничих потужностей хімічних комбінатів з виробництва азотних добрив і пластмас як основних джерел забруднення середовища. В зв'язку з помітним зниженням обсягів викидів хімкомбінатів у період 1995-1997 рр. і зменшенням їх токсичної дії на рослини з'явилася можливість більш об'єктивної оцінки спрямованості адаптивних змін у сосни звичайної на індивідуальному і популяційному рівнях. Фактично ці порівняльні багаторічні дослідження являють собою широкомасштабний експеримент щодо вияснення індивідуально-популяційної стійкості сосни звичайної при дії високотоксичних, а в окремих випадках - сублетальних (1988-1991 рр.) і пошкоджуючих (1995-1997 рр.) концентрацій аерополютантів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі промислової ботаніки Донецького ботанічного саду НАН України протягом 1995-2001 рр. Дисертація безпосередньо пов'язана з плановими дослідженнями відділу за бюджетними темами: "Вивчення адаптації деревних рослин до техногенно забрудненого середовища в зв'язку з їх популяційно-генетичною мінливістю" (1992-1997 рр.), № ДР 0193U024298, Інв. № 0398U005537; "Вивчення популяційно-генетичних механізмів стійкості хвойних в зв'язку з проблемами охорони їх генофонду, лісорозведенням і фітомоніторингом в Україні” (1998-2002 рр.), № ДР 0198U002101.

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - визначити ступінь впливу викидів хімічних підприємств Рубіжансько-Северодонецької промагломерації на сосну звичайну та її стійкість до аерополютантів на основі аналізу мінливості показників життєвого стану, статевої репродукції дерев та особливостей структури популяцій залежно від відстані до джерел промислових емісій. Для досягнення цієї мети були поставлені такі задачі:

- порівняти ступінь пошкодженості рослин за умов високого і зниженого обсягу емісій хімкомбінатів;

- оцінити характер і ступінь впливу емісій хімкомбінатів на статеву репродуктивну функцію сосни звичайної;

- визначити особливості структури маргінальних популяцій сосни звичайної, що зазнають різного ступеня дії викидів хімкомбінатів;

- виділити найбільш і найменш стійкі до аерополютантів групи рослин за показниками життєвого стану, порівняти їх за спадковою різноманітністю;

- з'ясувати особливості, якісні відмінності за спадковими ознаками рослин, що відрізняються за показниками насіннєвості в умовах техногенного забруднення.

Наукова новизна одержаних результатів. Проведена індивідуальна і популяційна оцінка пошкодженості та життєвого стану сосни звичайної у популяціях, що зазнають різного ступеня емісійних впливів хімкомбінатів м. Северодонецька. Визначений ступінь впливу емісій хімічних виробництв на насіннєву продуктивність, а також на смертність і виживання насінних зачатків на прогамному і сингамному етапах розвитку. Вперше був виконаний порівняльний аналіз рівня алозимної мінливості особливостей генетичної структури та ступеня диференціації дигресивних популяцій сосни звичайної в зоні дії аерополютантів хімічних виробництв та степової популяції, що не зазнає такого впливу. Вперше виявлені відмінності стійких груп дерев від нестійких до дії емісій хімкомбінатів за показниками білкового поліморфізму. Подібний аналіз виконаний щодо груп дерев, котрі істотно відрізняються за продуктивністю повного, порожнього і недорозвиненого насіння.

Практичне значення одержаних результатів. Проведений моніторинг стану і генетичної різноманітності популяцій сосни звичайної на техногенно забруднених територіях південного сходу України. Визначені чутливі до дії аерополютантів показники сосни звичайної, котрі можуть бути використані для оцінки життєвого стану окремих рослин і популяцій, для екологічної індикації стану навколишнього середовища, для встановлення меж негативної дії аерополютантів. Проведений індивідуальний відбір і генетична інвентаризація стійких до аерополютантів рослин сосни звичайної, котрі можна використовувати лісогосподарським організаціям для масового розмноження і селекційного поліпшення з метою створення синтетичних сортів-популяцій.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота - самостійне завершене дослідження виконане автором за програмою експериментальних робіт, спланованих, проведених і узагальнених протягом 1995-2001 рр. У наукових роботах, написаних у співавторстві, автор є повноправним членом творчого колективу. Права співавторів не порушені.

Апробація результатів дисертації. За результатами виконаних досліджень зроблені доповіді на міжнародних конференціях: "Екологія і здоров'я людини" (м. Слов'янськ, 12 червня 1997 р.); "Промислова ботанiка: стан та перспективи розвитку" (м. Донецьк, 3-6 вересня 1998 р.); на науково-практичних регіональних конференціях: "Проблеми екології і охорони природи в техногенному регіоні" (м. Донецьк, 13 квітня 1998 р.); ”Проблеми сучасної екології" (м. Запоріжжя, 20-22 вересня 2000 р.), а також на засіданнях лабораторії фізіології стійкості рослин ім. В.П.Тарабріна, відділу промислової ботаніки і вченої ради Донецького ботанічного саду НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 робіт, включаючи 6 статей в періодичних наукових спеціальних виданнях України, що входять до переліку, затвердженого ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, заключення, висновків, списку використаних джерел (300 публікацій, в тому числі - 76 іноземних) і додатку. Дисертація викладена на 247 сторінках машинопису, з яких 38 сторінок займають 40 таблиць, 7 сторінок - 7 ілюстрацій, 33 сторінки - список використаних джерел, 30 сторінок - додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Роль мінливості у стійкості рослин до умов техногенно забрудненого середовища (огляд літератури)

Огляд літератури складається з двох підрозділів, у яких розглядається роль мінливості в стійкості та пристосуванні рослин до умов техногенно забрудненого середовища.

Характеристика району, об'єкти і методи досліджень

Як об'єкти досліджень використані рослини популяцій сосни звичайної на пробних площах, закладених І.І. Коршиковим у 1988-1989 рр. Природне походження даних популяцій підтверджено документами лісовпорядження. Пробні площі А, Б і Г віддалені відповідно на 0,3, 2 і 15 км від великих хімічних комбінатів з виробництва азотних добрив ВО “Азот” м. Северодонецька Луганської області і заводу “Склопластик”. Пробна площа В знаходиться у 2 км від Рубіжанського ВО ”Барвник”. Досліджувані популяції розташовані на другій боровій терасі річки Сіверський Донець. Ліси представлені чистими сосняками в основному 70-100-річного віку. За даними Л.Л. Зятькова (1984), грунти у районі наших досліджень чорноземно-лугові, наносні, глинисто-піщані на древньоалювіальних відкладеннях. Вміст гумусу 4,6-5,6%, рН 7,2-7,4, засолення відсутнє.

Виробництво продукції хімкомбінатів супроводжується викидами в атмосферу токсикантів, серед яких більше аміаку, окислів азоту та вуглецю. Сумарні максимальні викиди у 1996 р. досягали 4,266 тис.т/рік, у тому числі 0,935 тис.т/рік склали тверді речовини та 3,330 тис.т/рік - газоподібні. Пошкодження сосни звичайної емісіями хімкомбінатів, насіннєвість і структуру цих популяций вивчали на 25-56 рослинах кожної з даних пробних площ. В Ізюмскому лісництві Харківської області була закладена контрольна пробна площа ІХ з антропогенно непорушеною структурою.

При вивченні популяційної мінливості користувалися положеннями теорії вибірок (Животовский, 1991). Пошкодження хвої полютантами і її збереження оцінювали за шкалою Є. Яагера (Jager, 1980) у нашій модифікації, життєвий стан рослин і популяцій визначали за шкалою В.А. Алєксєєва (1990). Лінійні розміри жіночих шишок і показник насіннєвості в розрахунку на шишку вивчали на 5-20 шишках дерев сосни звичайної на пробних площах А, Б, В і Г. Успішність запилення насінних зачатків оцінювали за відношенням суми повного, порожнього і недорозвиненого насіння до кількості насінних зачатків у шишці (Некрасов, 1986), а запліднення - за відношенням загальної кількості повного і порожнього насіння до кількості насінних зачатків у шишці. Виживання насінних зачатків на прогамному і сингамному етапах статевої репродукції визначали за М. Г. Романовським (1989). Повторність всіх вимірів і оцінок була десятикратною.

Для вивчення генетичної структури популяцій як генетичні маркери використовували ізоферменти. Ферменти екстрагували із гаплоїдних ендоспермів насіння материнських рослин. Електрофорез виконували у вертикальних пластинках 7,5% - поліакриламідного геля на приладі ЕЛФ-2 конструкції К.А. Трувелєра, М. Н. Нефедова (1974). Гістохімічне проявлення зон активності 9 ферментів проводили за стандартними методиками (Гончаренко та ін., 1989).

При аналізі рівня генетичної мінливості використовували стандартні методи і показники, що застосовують в популяційно-генетичних дослідженнях: частота алелів; очікувана (He) і наявна (Ho) гетерозиготність, середнє число алелів на локус (A), частка поліморфних локусів за 95 % - (Р95%) і 99 %- ним (Р99%) критеріями. Подібність генетичного і генотипового складу при порівнянні популяцій і груп рослин з альтернативними ознаками оцінювали за показником ідентичності ( r ) за Л.А. Животовським (1979 ), за допомогою параметрів F-статистики С. Райта і G- статистики. Міжвибіркову гетерогенність частот алелів і генотипів оцінювали за критерієм c2. Коефіцієнт генетичної дистанції визначали за М. Неєм (1975 ). Результати досліджень статистично обробляли на ІВМ РС з використанням стандартних комп'ютерних програм.

Хронографічні зміни морфометричних показників у сосни звичайної в умовах різного аеротехногенного навантаження

Однією з найбільш типових ознак пригнічуючої дії емісій промислових виробництв на хвойні є зменшення лінійних розмірів хвої (Ярмишко, 1997; Jager, 1980). У рослин пробної площі Б відмічено зменшення лінійних розмірів хвої як порівняно з рослинами пробної площі А, так і з умовним контролем - Г. У найбільш пошкоджених емісіями хімкомбінатів рослин пробної площі А спостерігається зворотний ефект: хвоя була довшою, ніж у рослин зони фонового рівня забруднення, як у роки високого аеротехногенного навантаження, так і в роки істотного зниження валових викидів хімкомбінатів. Можливо цей ефект пов'язаний з тим, що промислові викиди, які вміщують азот, можуть бути позакореневим підживленням (Коршиков, 1996).

Найвище пошкодження хвої було властиве рослинам зони “стресу”, розташованої за 0,3 і 2 км від хімкомбінатів, а найменше пошкоджується хвоя фонової зони забруднення. Істотне скорочення валового обсягу аеротехногенних викидів хімкомбінатів у 1997 р., порівняно з 1991 р., сприяє помітному зниженню пошкодження хвої сосни звичайної. Тривалість життя хвої у рослин зони “стресу” у 1989-1991 рр. не перевищувала двох років (Коршиков, 1996). У роки зниження обсягу викидів (1995-1997 рр.) на бокових ростових пагонах рослин усіх трьох пробних площ зберігалася хвоя третього року життя, хвоя четвертого року - лише у рослин зони фонового рівня забруднення. Якщо у 1991 р. різниця в охвоєнні дворічних пагонів між рослинами пробних площ А і Г була явною, то у 1995-1997 рр. вірогідні відмінності мали місце лише стосовно трирічної хвої. В цілому, у рослин зони фонового рівня забруднення збереження трирічної хвої на бокових пагонах було у 3,1-13,3 рази вище, ніж у рослин зони гострої дії полютантів. При 50 % зниженні потужностей хімкомбінатів рівень забруднення повітря їх емісіями залишався ще досить високим, що сприяло скороченню природних термінів тривалості життя хвої навіть у зоні фонового рівня забруднення.

Коефіцієнт охвоєння сосни звичайної, розрахований як співвідношення річної кількості хвої бокових пагонів до загальної її маси, у всі роки спостережень, як і слід було очікувати, був нижче у рослин фонового рівня забруднення (табл. 1). В середньому, за три роки спостережень охвоєння рослин (згідно значень аналізованого коефіцієнту) було нижче у деревостанах А на 32,5 % і Б - на 28,6 %, ніж в умовно контрольному деревостані Г.

Таблиця 1. Зміни коефіцієнтів охвоєння та дефоліації бокових пагонів сосни звичайної в районах різного аеротехногенного навантаження

Коефіцієнт темпів дефоліації, розрахований як відношення кількості хвоїнок на 1 см довжини пагону другого і наступних років життя до кількості хвоїнок на 1 см однорічного пагону, показує, що найвищі темпи дефоліації також властиві кронам рослин пробних площ А і Б, а найнижчі - рослинам пробної площі Г.

Найбільший річний приріст плагіотропних пагонів був відмічений у найменш пошкоджених полютантами рослин зони фонового рівня забруднення у всі роки спостережень.

Згідно шкали П.А.Алєксєєва (1996), рослини пробної площі А слід віднести до класу пошкоджених, ослаблено-відмираючих: більше 36% дерев суховерхі, 46,3% - сильно пошкоджені. Усихання нижніх скелетних гілок характерне для рослин пробної площі Б (клас пошкоджено-ослаблені): 43,6% рослин - сильно-пошкоджені, 51,3% - слабко-пошкоджені. Природне відновлення в цих деревостанах відсутнє. Рослини пробної площі Г оцінені як пошкоджені, суховерхість чи загибель скелетних гілок у них не відмічено, є відновлення.

В мінливості значень коефіцієнтів варіації досліджуваних морфометричних показників у популяціях південного сходу України, як правило, не простежується певний взаємозв'язок з рівнем впливу забрудненого середовища на ці популяції.

Вплив викидів хімкомбінатів на статеву репродуктивну функцію сосни звичайної

Генеративні структури хвойних, розвиток яких ступеневий і розтягнутий у часі, чутливі до аеротехногенного забруднення (Шкарлет, 1974; Ставрова, 1990). Згідно наших спостережень, гострі впливи емісій хімкомбінатів не викликають помітних змін у морфометрії жіночих шишок сосни звичайної.

Характерною особливістю досліджуваних нами деревостанів є те, що врожай жіночих шишок у зоні “стресу” (А і Б) як у роки наших спостережень, так і в 1991 р. був вище, ніж у зоні фонового рівня забруднення середовища (Г).

Вихід повного насіння в розрахунку на одну шишку у рослин, що знаходяться поблизу хімкомбінатів (А), був дещо вище, ніж у рослин, віддалених на 15 км від нього (Г) (табл. 2). Такий же ефект раніше був відмічений І.І.Коршиковим (1996) в період 1989-1991 років спостережень.

Рослинам зони фонового рівня забруднення (Г) властивий, як правило, більш високий вміст порожнього насіння у шишках, в порівнянні з рослинами, що зазнають прямої дії емісій (А), та на пробній площі Б. В шишках рослин пробної площі Б відмічена найбільша кількість недорозвиненого насіння. Зниження обсягів викидів хімічних комбінатів, а значить і негативного впливу на рослини, не призвело до збільшення насіннєвої продуктивності сосни звичайної в розрахунку на шишку у всіх деревостанах, що вивчались. Це досить чітко видно з даних таблиці 2 щодо кількості повного насіння в шишках рослин у врожаю 1989 і 1996 років.

Таблиця 2. Мінливість кількості насінних зачатків в фертильному ярусі шишок та кількості насіння у одній шишці сосни звичайної за умов різного аеротехногенного навантаження

Примітка: відмінності достовірні: * за tСт. при Р < 0,05;· за F при P < 0,05 і при Р < 0,01 між А, Б з Г.

Показники запилювання і виживання насінних зачатків свідчать, що атмосферні викиди хімкомбінатів м. Северодонецька не викликають помітних негативних змін у режимі пилкування сосни звичайної. Середня багаторічна запиленість або гаметофітне виживання за перший вегетаційний період (W1g), за М.Г. Романовським (1989), була максимальною у рослин фонового рівня забруднення (Г) і складала 70 %. Для насаджень сосни звичайної вважається нормальним, коли середнє запилення зачатків досягає 40-50 % (Некрасова 1986; Brown, 1971). Виживання насінних зачатків сосни звичайної за другий період їх розвитку в усіх досліджених древостанах було високим, максимум - 91% для рослин, що зазнають найбільшого техногенного впливу (пробна площа А). В цілому, виживання запилених насінних зачатків за весь період гаметофітного розвитку (Wg) було вище у рослин зони фонового рівня забруднення, склавши за результатами шестирічних спостережень 61 %, що на 2 % вище, ніж у рослин пробної площі А і на 12,6% - пробної площі Б. Мінімальні значення гаметофітного виживання насінних зачатків за всі роки спостережень були відмічені у 1996 р., варіюючи в межах 41 % (Б) - 50 % (Г) (табл. 3). Виживання насінних зачатків за період ембріонального розвитку (Wz) було вище взагалі у рослин зони “стресу”, ніж у рослин зони фонового рівня забруднення. Це свідчить про те, що насінні зачатки рослин сосни звичайної, які піддаються гострому впливу емісій хімкомбінатів, запилюються досить життєздатним пилком. Можна констатувати, що токсична дія емісій хімкомбінатів в сукупності з природно-кліматичними умовами на південній межі ареалу сосни звичайної не призводять до надлишкової смертності насінних зачатків на прогамному та сингамному етапах розвитку.

Таблиця 3. Мінливість виживання насінних зачатків у сосни звичайної за умов різного аеротехногенного навантаження

Примітка: відмінності достовірні: * за tСт. при Р < 0,05; за F при P < 0,05 і при Р < 0,01 між А, Б з Г.

В роки значного спаду обсягів викидів хімкомбінатів (1995-1997 рр.) більшість досліджуваних показників статевої репродукції сосни звичайної змінювалися у всіх трьох деревостанах мало і були близькі до показників тих років, коли комбінати працювали на повну виробничу потужність (1989-1991 рр.).

У вибірках дуже пошкоджених і відмираючих дерев, в порівнянні з найбільш стійкими в межах пробної площі А, також не відбувається наявного пригнічення статевої репродуктивної функції рослин.

Таким чином, на південній межі ареалу сосни звичайної, незважаючи на значні пошкодження рослин викидами хімічних виробництв, зберігається висока насіннєва продуктивність у розрахунку на шишку, що свідчить про великий ступінь надійності репродуктивної функції цього виду в екстремальних умовах існування.

Внутрішньо- і міжпопуляційна мінливість сосни звичайної на південному сході україни

В цих дослідженнях були використані п'ять популяцій - три раніше зазначені А, Б, Г і ще В (Рубіжне) та ІХ (Харківська обл.). Для визначення генетичної структури цих популяцій як генетичні маркери використували ізоферменти 9 ферментних систем. Ізоферменти певною мірою можна розглядати як дискретні фенотипічні ознаки виду (Созинов, 1985).

При електрофоретичному розділенні в пластинках акріламідного гелю 9 ферментних систем отримане стабільне виявлення зон ферментної активності та задовільна генетична інтерпретація 22 ізоферментних локусів.

Різниця між досліджуваними популяціями за основними структурними показниками - складом і частотами алелів - стосувалася головним чином рідкісних електрофоретичних варіантів. Судячи за характером змін частот алелів, у цих популяціях не відбувається спрямованого однолокусного добору залежно від ступеня дії емісій.

З 68 алелів поліморфних локусів, що виявлені у аналізованих 225 дерев, 55 були представлені в об'єднаній вибірці рослин популяцій А і Б, а 62 - в популяціях В, Г і ІХ. У п'яти досліджуваних популяціях виявлено 92 генотипи. При цьому менше їх число - 69 було представлено у популяціях зони “стресу” (А, Б), а в умовно контрольних популяціях (Г, В, ІХ) - 81 генотип. Достовірна міжпопуляційна алельна гетерозиготність за стандартним c2-тестом встановлена для чотирьох, а генотипова - для шести з 18 поліморфних локусів.

Середнє число алелів на локус у популяції А, що деградує, було таким же, як у популяції Г і близьке до В, що знаходиться у зоні фонового рівня забруднення. Середні значення очікуваної і наявної гетерозиготностей у пошкоджено-сильноослаблених популяціях А і Б були нижче відповідно на 7,4 % і 16,8 %, а алельне і генетичне представництво в розрахунку на локус у порівнюваних популяціях - на 11,9 % і 16,5 % відповідно менше, ніж у трьох популяціях, що не зазнають прямої дії полютантів (пробні площі В, Г, ІХ). Для контрольних популяцій у середньому був відмічений надлишок гетерозигот, а для пошкоджено-деградованих популяцій - деяка їх нестача. В цілому відмінності між наявною (Но) і очікуваною (Не) гетерозиготністю за стандартним c2-тестом у досліджуваних популяцій були неістотними. Таким чином, популяції А і Б, що деградують від дії емісій, поступаються за найбільш адаптивно-значимим показником - середнім рівнем гетерозиготності - перед популяціями фонового рівня забруднення (В і Г) і популяцією, що не зазнає дії полютантів (ІХ) (табл. 4). Це може бути пов'язано з передчасною елімінацією високогетерозиготних дерев у популяціях, що деградують.

Таблиця 4. Значення основних показників генетичного поліморфізму сосни звичайної в популяціях, що зазнають впливу емісій хімкомбінатів (А, Б), знаходяться у зоні фонового забруднення (В, Г) та не зазнають дії полютантів (ІХ)

Коефіцієнти F-статистики Райта (Fis і Fit), що розраховані для п'яти досліджених популяцій, підтверджують стан їх рівноваги за правилом Харді- Вайнберга, а невисокі значення коефіцієнтів підрозділеності (Fst і Gst) свідчать про низький ступінь міжпопуляційної диференціації. Так, на міжпопуляційну генетичну мінливість сосни звичайної на південному сході України приходиться всього лише 1,5 % всієї мінливості. Невисокий ступінь генетичної диференціації популяцій сосни звичайної підтверджують низькі значення коефіцієнтів генетичної дистанції за Неєм, середнє значення яких склало всього 0,008. Ступінь диференціації популяцій наочно проілюстровано на дендрограмі. Все це свідчить про близькість генофондів популяцій, що досліджували, та високий запас генетичної мінливості сосни звичайної, що забезпечує цьому виду достатню екологічну пластичність для виживання в екстремальних умовах забрудненого середовища.

Основні показники алозимної мінливості груп рослин, що відрізняються за стійкістю до полютантів і рівнем насіннєвої продуктивності

В деревостанах зони “стресу” на основі багаторічних спостережень за одними і тими ж рослинами виділено три групи дерев, що істотно відрізнялись за станом пошкодженності хвої та крони, - умовно стійкі (С), сильнопошкоджені (СП) і суховерхі (СУХ). Умовно стійкі (далі - стійкі) склали 31,4 %, сильнопошкоджені - 21,6 % і суховерхі - 27,5 % від загальної вибірки рослин зони “стресу” (51 дерево). Для цих трьох проаналізованих груп дерев виявлені відмінності за основними параметрами алозимної мінливості.

Найбільша кількість генотипів - 50, або 80,6 % від числа генотипів у загальній вибірці, виявлена у групі стійких дерев. У групі СП виявлено 40 (64,5 %) генотипів, а в групі СУХ - 44 (71 %). Достовірні відмінності за частотами генотипів такі, як і у випадку алельних частот, зустрічалися всього у двох випадках між групами рослин С і СП.

Показник подібності (r) за генотипічним складом між вибірками дерев С і СП склав 0,968, а значення коефіцієнту генетичної дистанції за Неєм між трьома досліджуваними вибірками змінювалося у межах 0,011-0,017. На міжгрупову мінливість припадає 1 % всієї мінливості.

За більшістю критеріїв мінливості група стійких дерев характеризується відносно більшим поліморфізмом, ніж груп СП і СУХ. Для груп дерев С і СП, на відміну від СУХ, був властивий рівень гетерозиготності дещо вищий, ніж середньопопуляційний (табл. 5). Таким чином, група дерев У характеризується більшою алельною різноманітністю і вищим рівнем гетерозиготності.

Таблиця 5. Значення основних показників мінливості різних за життєвим станом груп дерев сосни звичайної

В популяціях, що вивчали, були виділені альтернативні групи дерев, котрі відрізнялися в два і більше разів щорічно стабільно високим і низьким числом повного, порожнього або недорозвиненого насіння у одній шишці.

Кількість цього насіння в шишках виявлених дерев очевидно має генетичну зумовленість. У зв'язку з цим альтернативні групи рослин за числом названих категорій насіння були використані для вияснення відмінностей щодо рівня алозимної мінливості. За кількістю генотипів і алелів поліморфних локусів у альтернативних вибірках мали місце відмінності. Вибірка дерев з високим числом повного насіння у шишці відрізнялася від вибірки з низьким числом насіння, меншим рівнем гетерозиготності (табл. 6). У груп дерев з низьким числом порожнього насіння у шишці частка поліморфних локусів і середнє число алелів на локус були вищі, ніж у дерев з високим числом порожнього насіння. За рівнем гетерозиготності ці групи практично не відрізнялись. Вибірка рослин з високим числом недорозвиненого насіння відрізнялася від альтернативної вищою гетерозиготністю. Коефіцієнт генетичної дистанції за Неєм між альтернативними вибірками дерев за числом повного і аномального насіння у шишці змінювався у межах 0,011-0,018, а показник подібності за генотипічним складом - 0,968-0,970.

Таблиця 6. Значення основних показників мінливості у групах рослин сосни звичайної з високим і низьким числами насіння

ВИСНОВКИ

1. В результаті комплексних порівняльно-моніторингових досліджень мінливості морфометричних, репродуктивних показників, життєвого стану рослин і структурно-спадкових ознак Pinus sylvestris в популяціях, що зазнають впливу токсичних емісій хімічних підприємств Рубіжансько-Северодонецької промагломерації, встановлено, що ці популяції дигресують, а поблизу джерел забруднення - вже деградовані, незважаючи на зниження обсягів викидів цих підприємств в останні роки.

2. Пошкодженість хвої, тривалість її життя і відносне охвоєння бокових ростових пагонів найбільш об'єктивно відображають індивідуальну реакцію Pinus sylvestris на аеротехногенне забруднення. Ці показники рекомендовані як основні для індикаційної оцінки життєвого стану окремої рослини і популяції в цілому, а також для визначення меж негативної дії аерополютантів на деревостани.

3. Токсичні емісії хімкомбінатів з виробництва азотних добрив і пластмас в сукупності з несприятливими природно-кліматичними умовами викликають часткову дефоліацію крони і погіршення життєвого стану рослин, але не призводять до відчутного пригнічення статевої репродуктивної функції рослин. Врожай жіночих шишок і насіннєва продуктивність у розрахунку на шишку відрізнялися хронографічною нестабільністю і в окремі роки спостережень були вищі у популяцій зони “стресу”, ніж у зоні фонового рівня забруднення.

4. Запилення та виживання насінних зачатків за період гаметофітного і ембріонального розвитку у Pinus sylvestris у всіх досліджуваних деревостанах були високими, а відмінності за цими показниками між популяціями зони “стресу” і фонового рівня забруднення були неістотними, що свідчить про високу життєздатність насінних зачатків і пилку в умовах високого аеротехногенного навантаження.

5. Відмічена висока індивідуальна і хронографічна мінливість репродуктивних показників у Pinus sylvestris. У всіх досліджених популяціях виявлені групи особин, котрі протягом всього періоду спостережень стабільно відрізнялися більше, ніж у два рази за числом повного, порожнього або недорозвиненого насіння на одну жіночу шишку.

6. Вияснені особливості алозимної мінливості груп дерев Pinus sylvestris, що істотно відрізняються за кількістю повного, порожнього або недорозвиненого насіння у розрахунку на одну шишку. Група рослин з високою кількістю повного насіння відрізнялась від альтернативної більшою алельною і генотиповою різноманітністю та меншим рівнем гетерозиготності. Для групи дерев з високою кількістю недорозвиненого насіння характерний більший рівень гетерозиготності порівняно з групою дерев з низькою кількістю такого насіння в шишці.

7. В популяціях Pinus sylvestris на південному сході України з 22 вивчених алозимних локусів 82 % знаходиться у поліморфному стані, а кожне дерево у середньому гетерозиготне за 22,3 % своїх генів. Основні показники алозимного поліморфізму у популяціях, що найбільш деградовані, були на 7,9 - 16,7 % нижчі, ніж у непошкоджених або тих, що не зазнають аеротехногенних впливів емісій хімкомбінатів.

8. Вивчені п'ять популяцій Pinus sylvestris, незважаючи на різний ступінь деградації, слабо диференційовані. Коефіцієнти генетичної дистанції були у межах 0,004 - 0,014, склавши у середньому 0,008.

9. В популяціях Pinus sylvestris, що деградують, спостерігаються зростання амплітуди мінливості морфометричних показників і певні відмінності рослин за ступенем стійкості до полютантів. Виділена в цих популяціях група стійких дерев відрізнялась від менш стійких до емісій і більш пошкоджених груп рослин більшим рівнем генетичної різноманітності і гетерозиготності.

10.Стійкі до емісій хімкомбінатів дерева, що характеризуються високою кількістю повноцінного насіння, можуть бути використані лісогосподарськими організаціями як вихідні рослини для формування регіонального банку насіння для розмноження та селекційного поліпшення Pinus sylvestris в умовах антропогенно трансформованого середовища південного сходу України.

СПИСОК НАУКОВИХ РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Великоридько Т.И. Изменчивость морфологических признаков и репродук-тивных показателей у сосны обыкновенной // Интродукция и акклиматизация растений. - 1998. - Вып. 30. - С. 174-179.

2. Великоридько Т.И. Семеношение Pinus sylvestris L. в зоне воздействия эмиссий химических комбинатов // Там же.- 1999.- Вып. 32.- С. 159-164.

3. Коршиков И.И., Бутыльская Л.А., Бычков С.А., Великоридько Т.И., Пирко Я.В., Скидан Е.М., Тунда С.Н. Генетический полиморфизм малатдегидрогеназы у некоторых представителей рода Pinus L. // Вiсник Днiпропетров. ун-ту. Бiологiя. Екологiя. - 1999. - Вип. 6.- С. 119-123.

4. Коршиков И.И., Терлыга Н.С., Бутыльская Л.А., Бычков С.А., Великоридько Т.И., Коба В.П., Скидан Е.М., Пирко Я.В., Тунда С.Н., Фоменко Г.Е. Анализ сцепления аллозимных локусов GOT и GDH у коренных представителей рода Pinus L. в Украине // Бюл. Никит. ботан. сада. - 2000. - Вып. 76. - С. 75-77.

5. Коршиков И.И, Великоридько Т.И., Терлыга Н. С., Бычков С.А., Пирко Я.В., Калафат Л.А., Скидан Е.М., Тунда С.Н., Чемерис Е.В., Фоменко Г.Е. Генетический полиморфизм формиатдегидрогеназы у пяти представителей рода Pinus L. // Вiсник Днiпропетров. ун-ту. Бiологiя. Екологiя. - 2000. - Вип. 8.- С. 44-49.

6. Коршиков И.И., Калафат Л.А., Пирко Я.В., Великоридько Т.И. Генетическая дифференциация Pinus sylvestris L. в разных геоботанических районах Украины // Доп. НАН України.- 2001.- № 4.- С. 179-182.

7. Бутыльская Л.А., Великоридько Т.И., Фоменко Г.Е. Полиморфизм изоферментов диафоразы сосны обыкновенной на Украине // Тез. докл. конф. молодых ученых и специалистов ”Актуальные вопросы ботаники и экологии” (5-7 июня 1996, Харьков). - Харьков, 1996. - С. 26.

8. Korshikov I.I., Ignatenko A.A., Butilskaya L.A., Velikoridko T.I. The hametophyte survival of seed - buds in populations and stand of the scotch pine in Ukraine // Sustainable development: system analysis in ecology. 2nd Practical Conference. September 9-12, 1996. - Sevastopol, 1996. - P. 108-109.

9. Коршиков I.I., Бутильська Л.О., Великоридько Т.І. Фоменко Г.Є. Генетична мінливість Pinus sylvestris L. в природних популяціях та штучних насадженнях на території України // Проблеми ботанiки i мiкологiї на порозi третього тисячолiття: Матер. X з'їзду Укр. ботан. т-ва. - Київ-Полтава, 1997. - С. 137.

10. Коршиков И.И., Великоридько Т.И., Фоменко Г.Е., Скидан Е.М. Влияние про-мышленных эмиссий на сосну обыкновенную на юго-востоке Украины // Промислова ботанiка: стан та перспективи розвитку. Матер. третьої мiжнародної конференцiї, 3-5 вересня 1998 р. - Донецьк, 1998. - С. 257-258.

11. Коршиков И.И., Великоридько Т.И., Бутыльская Л.А., Тунда С.Н. Генетическое разнообразие как фактор надежности краевых популяций в условиях усиливающегося антропогенного прессинга // Там же. - С. 258-263.

12. Коршиков И.И., Великоридько Т.И. Сравнительный анализ генетической измен

чивости разных по устойчивости групп деревьев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях промышленного загрязнения // Проблеми сучасної екології. Матер. конф., 20-22 вересня 2000 р. - Запоріжжя, 2000. - С. 23.

Размещено на Allbest.ru