Введение к работе
Актуальность темы. Сохранение и изучение биоразнообразия являются в настоящее время одними из наиболее актуальных проблем современной науки. В общей системе оценки биоразнообразия и устойчивости лесов важное место занимает изучение генетического потенциала формирующих их видов (Буданцев, 1999; Соколова и др., 2007). Одним из путей решения вопросов по сохранению биоразнообразия и повышения устойчивости лесов как важных компонентов биосистемы является интродукция особо значимых в хозяйственном плане древесных растений (Bradshaw, 1995; Мамаев, Махиев, 1996; Исаев и др., 1997; Смирнова, 1997; Рубцов, Самошкин, 1997). Так, к числу ценных инорайонных хвойных видов древесных в условиях средней лесостепи относится лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.) - важная лесохозяйственная порода, широко применяемая в целях озеленения и оздоровления городской среды. Внедрение лиственницы сибирской как вида-интродуцента в культуру на территории Европейской части России, и в т.ч. Центрального Черноземья, имеет значительную экономическую выгоду, которая обоснована разработанной ЦНИИЛГиС (г. Воронеж) в 1990 году «Программой интродукции лесных пород в Европейской части СССР до 2000 года и далее». Относительный экономический эффект, который можно получить при выращивании лиственницы сибирской в зонах оптимального роста в указанном регионе, составляет 124 %, что превышает данный показатель для основных местных лесообразующих древесных пород: дуба черешчатого и сосны обыкновенной (100% для каждого вида) (Болотов и др., 2005). Среди показателей, определяющих успешность интродукции лиственницы сибирской в ЦЧО и, в том числе, выращивания ее в городских условиях, особое значение имеют механизмы поддержания стабильности ее генома в этих условиях, критериями чувствительности которого являются показатели митоза, отражающего особенности протекания ростовых процессов в организме. В плане общего изучения цитогенетики вида - лиственницы сибирской - анализ митоза позволяет получить ценную информацию о состоянии генетического аппарата у вида в норме и при воздействии различных факторов среды. Изучение особенностей протекания митоза у видов-интродуцентов позволит определить норму реакции вида по цитогенетическим показателям в условиях интродукции. Эти вопросы не нашли достаточно полного отражения в имеющейся литературе.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является цитогенетическая характеристика деревьев лиственницы сибирской, произрастающих в условиях интродукции и антропогенного стресса, для выявления интегрального цитогенетического эффекта воздействия этих факторов на состояние генетического аппарата деревьев данного вида.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Отобрать опытные полигоны для проведения цитогенетических
исследований лиственницы (экологически благоприятного, условно экологически чистого и подверженного значительному антропогенному загрязнению);
Осуществить отбор фенотипически лучших деревьев, как предположительно более устойчивых, произрастающих в условиях интродукции и при различном по степени антропогенном загрязнении среды;
Провести отбор проб для цитогенетического анализа, изготовить и проанализировать микропрепараты;
Изучить цитологию митоза у деревьев лиственницы сибирской в экологически благополучном районе (показатели которого можно использовать в качестве контрольных) и в местах с различной степенью антропогенного загрязнения;
Определить пределы изменчивости цитогенетических показателей у лиственницы сибирской в экологически благоприятных условиях существования как норму реакции данных признаков;
Определить возможные цитогенетические механизмы, обеспечивающие гомеостаз лиственницы в условиях интродукции и антропогенного загрязнения;
Провести сравнительное изучение цитологии митоза у лиственницы (как вида-интродуцента) и сосны обыкновенной (как местного вида) при произрастании их в сходных условиях для оценки перспективности использования лиственницы сибирской в качестве тест-объекта для цитогенетического мониторинга;
Оценить перспективы использования наиболее устойчивых к техногенному загрязнению деревьев лиственницы сибирской для лесовосстановления и озеленения крупных промышленных центров в условиях Центральной лесостепи.
Научная новизна работы. Получены новые данные по цитогенетике лиственницы сибирской. Цитогенетика данного вида в условиях ЦЧР при антропогенном загрязнении исследуется впервые. Обнаружены ранее не известные у лиственницы цитологические феномены: цитомиксис и пристеночное расположение ядер. Установлены пределы нормальной изменчивости цитогенетических показателей в экологически благоприятных условиях произрастания, которые могут быть использованы как контроль при мониторинговых исследованиях. Выявлен спектр митотических нарушений у лиственницы сибирской, произрастающей в условиях интродукции. Проведен сравнительный анализ двух видов хвойных древесных - лиственницы сибирской, как интродуцента, и сосны обыкновенной, как местного вида, по основным цитогенетическим показателям (митотической активности, числу и спектру патологий митоза, ядрышковой активности, микроядерному тесту) и выявлено сходство реакций митотического аппарата этих видов в равных условиях произрастания. На основании этого показана целесообразность применения и лиственницы сибирской в качестве тест-объекта для оценки экологической ситуации вблизи крупных промышленных предприятий. Оценка возможности использования лиственницы сибирской в качестве тест-объекта для цитогенетического мониторинга в Воронежской области ранее не проводилась.
Теоретическая и практическая значимость. Установлено, что усиление ядрышковой активности у лиственницы сибирской является одним из механизмов
поддержания гомеостаза вида в условиях интродукции и антропогенного прессинга. Показана возможность отбора наиболее устойчивых деревьев лиственницы сибирской по цитогенетическим показателям для дальнейшего их использования в качестве источников качественного семенного материала местного происхождения. Это особенно важно при реализации программ интродукции ценных лесохозяйственных видов древесных растений в целях поддержания биологического разнообразия, при лесовосстановлении и для зеленого строительства в крупных промышленных центрах Черноземного региона, в частности, в Воронеже и Воронежской области, а также для селекции лиственницы на повышенную устойчивость к антропогенным факторам и продуктивность. Результаты исследований были использованы в учебном процессе при чтении курса лекций по экологической генетике в ВГУ, а также для составления методического пособия по разделу большого практикума "Основы световой микроскопии и цифровой макро- и микрофотографии" для студентов 4 курса дневного и 5 курса вечернего отделений биолого-почвенного факультета Воронежского госуниверситета, специализирующихся по кафедре генетики, селекции и теории эволюции. Исследования выполняли с 1998 по 2004 годы в рамках темы НИР, разрабатываемой на кафедре генетики, селекции и теории эволюции биолого-почвенного факультета Воронежского госуниверситета, НИЧ 1р004 и 3003р5, а также при частичной финансовой поддержке лота по государственному контракту № 02.512.11.2130 на выполнение научно-исследовательских работ" в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России".
Личный вклад. Автором разработана программа исследований, обоснованы цели и задачи, проведен отбор объектов исследования, закладка пробных площадей, сбор, обработка и анализ полевых материалов; обобщены полученные результаты; сформулированы и обоснованы теоретические положения диссертационной работы и выводы. Все опубликованные статьи и тезисы научных докладов написаны лично автором диссертации, или в соавторстве, при его непосредственном участии.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на 14 Международных, Всероссийских, региональных форумах и на внутривузовских научных сессиях: XIX Мичуринских чтениях (Мичуринск, 1999); 4-ом совещании по кариологии и кариосистематике растений (С.Петербург, 1999); Международном симпозиуме "Проблемы повышения экологических функций леса" (Воронеж, 2000); 2-ом съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (С.-Петербург, 2000); конференции, посвященной 80-летию со дня рождения проф., д.с.-х.н. Дерюжкина Р.И. "Лесные культуры, селекция и семеноводство древесных пород в лесостепи" (Воронеж, 2003); научно-практической конференции, посвященной 70-летию Воронежской области "Благополучная среда обитания - залог здоровья населения" (Воронеж, 2004); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Интеграция науки, образования и производства для развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса" (Воронеж, 2004); 5-ом
Международном совещании по кариологии, кариосистематике и молекулярной систематике растений (С.-Петербург, 2005); межрегиональной конференции, посвященной 95-летию со дня рождения проф. Вересина М.М. "Генетика, селекция, семеноводство и разведение лесных пород в лесостепи" (Воронеж, 2005); Международной научной конференции "Современные проблемы интродукции и сохранения биоразнообразия растений" (Воронеж, 2007); научных сессиях Воронежского государственного университета (Воронеж, 2004 - 2008 гг.). Положения, выносимые на защиту.
При интродукции в условиях ЦЧР лиственница сибирская сохраняет нормальный фенотип и поддерживает стабильность генома, что позволяет считать этот вид хвойных перспективным для использования в данном регионе при создании защитных и озеленительных насаждений.
Цитологические показатели митоза могут быть использованы в качестве важных диагностических признаков, как при оценке генетической природы конкретных древесных организмов, в частности, лиственницы сибирской, так и при проведении цитогенетического мониторинга окружающей среды с применением древесных тест-объектов, поскольку они позволяют судить об интенсивности и регулярности ростовых процессов у древесных растений.
Несмотря на то, что лиственница сибирская не является местным видом, наблюдается сходство фенотипического проявления ее цитогенетических реакций на воздействие антропогенных факторов по сравнению с сосной обыкновенной. Однако, она обладает более широкой нормой реакции, что обусловлено уникальным для лиственницы, как хвойного вида, физиологическим явлением - листопадностью, являющейся ее характерной биологической особенностью и обеспечивающей ее большую пыле-, газо- и дымоустойчивость.
Однотипность реакций генома сосны обыкновенной - местного вида, используемого в качестве тест-объекта при цитогенетическом мониторинге в условиях ЦЧР и лиственницы сибирской на антропогенное загрязнение среды, позволяет считать целесообразным привлечение, как сосны, так и лиственницы в качестве тест-объекта для оценки состояния среды.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы, приложения. Библиографический список включает 449 наименований, в том числе 78 на иностранных языках. Работа изложена на 224 страницах текста, содержит 29 таблиц, 100 рисунков.
