Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы .12
1.1. Современное состояние проблемы гормезиса и парадоксальных эффектов у растений 12
1.2. Исследованные эколого-морфологические и физиолого-биохимические показатели растений в условиях химического загрязнения окружающей среды .22
1.2.1. Перекисное окисление липидов .22
1.2.2. Пероксидазная активность 25
1.2.3. Фотосинтетические пигменты 26
1.2.4. Содержание общего белка и сульфгидрильных групп защитных пептидов 28
1.2.5. Линейные размеры растений и биомасса 30
1.2.6. Флуктуирующая асимметрия листа .30
1.2.7. Показатели семенного размножения .32
1.2.8. Фенологические показатели 33
1.3. Автотранспортное загрязнение в условиях урбанизированных территорий 35
1.4. Природно-географическая и экологическая характеристика г. Нижнего Новгорода .36
2. Материалы и методы 40
2.1. Исследование показателей состояния растений в условиях города 40
2.2. Исследование влияния поллютантов на состояние растений в условиях эксперимента 56
3. Результаты и их обсуждение 61
3.1. Многолетний анализ зависимости биоиндикационных эколого морфологических и физиолого-биохимических показателей B. pendula, T. cordata и T. officinale от уровня автотранспортного загрязнения .61
3.1.1. Зависимость показателей состояния B. pendula от интенсивности автотранспортного загрязнения .61
3.1.2. Связь между содержанием некоторых тяжелых металлов (свинца, марганца) в листе B. pendula и величиной его ФА, состоянием перекисного гомеостаза и содержанием пигментов .79
3.1.3. Зависимость показателей состояния T. cordata от интенсивности автотранспортного загрязнения .82
3.1.4. Зависимость показателей состояния T. officinale от интенсивности автотранспортного загрязнения 95
3.2. Изменение величины флуктуирующей асимметрии, интенсивности перекисного окисления липидов и содержания фотосинтетических пигментов в онтогенезе листа B. pendula при действии различного уровня автотранспортного загрязнения 108
3.3. Изменение показателей состояния защитных систем (пероксидазной активности, содержания общего белка и суммарного количества сульфгидрильных групп защитных пептидов) у B. pendula и T. cordata при действии автотранспортного загрязнения 115
3.4. Изменение эколого-морфологических и физиолого-биохимических показателей
T. aestivum и P. sativum при изолированном хроническом воздействии поллютантов
различной химической природы в широком диапазоне доз в условиях эксперимента
128
3.4.1. Показатели состояния T. aestivum при действии поллютантов .128
3.4.2. Показатели состояния P. sativum при действии поллютантов
3.5. Возможный механизм развития гормезиса и парадоксальных эффектов у растений при действии химического загрязнения в широком диапазоне значений .144
3.6. Новые подходы к выбору биоиндикационных показателей, учитывающие концепцию гормезиса и парадоксальных эффектов у растений 150
Заключение .152
Выводы .155
Список литературы
- Фотосинтетические пигменты
- Автотранспортное загрязнение в условиях урбанизированных территорий
- Исследование влияния поллютантов на состояние растений в условиях эксперимента
- Зависимость показателей состояния T. cordata от интенсивности автотранспортного загрязнения
Фотосинтетические пигменты
Таким образом, способность различных абиотических, антропогенных и биотических факторов среды вызывать немонотонные ответы у растений, указывает на универсальность и неспецифичность гормезиса и парадоксальных эффектов. Тезис о том, что гормезис относится к общебиологическим явлениям, выдвинут рядом авторов (Эйдус, 2005; Calabrese, 2008), подобные же представления высказывались и в отношении парадоксальных эффектов (Schatz, 1999).
Следует указать, что в настоящее время практически неизученным остается вопрос о связи между гормезисом и парадоксальными эффектами особенно у растений. Могут ли данные явление наблюдаться в пределах одной зависимости доза-эффект? Лежат ли в основе этих феноменов общие закономерности и механизмы?
В настоящее время механизмы и закономерности, лежащие в основе немонотонных ответов биосистем, особенно у растений (Hashmi et al., 2014), остаются неизвестными (Calabrese, 2013), в связи с этим существует достаточно большое количество различных гипотез. В частности, показано, что у животных во время разных фаз гормезиса действующий агент может влиять на различные типы (субтипы) клеточных рецепторов или разные сигнальные пути клетки, что и приводит (как полагают) к возникновению двухфазной горметической зависимости (Подколзин, Гуревич, 2002; Calabrese, 2013).
Предполагают, что развитие парадоксальных эффектов при действии химических веществ может быть связано с разной проницаемостью клеточной мембраны для различных концентраций агента, либо образованием комплексов разной токсичности при действии различных доз ингибиторов (Schatz et al., 1964).
Предлагаемые гипотезы рассматривают механизм развития немонотонных ответов биосистем только на молекулярном и клеточном уровнях. В то же время общепризнано, что гормезис и парадоксальные эффекты имеют адаптивный характер (Эйдус, 2005; Calabrese, 2008; Schatz, 1999). Так, например, стимулирующий эффект в первую фазу гормезиса предлагают рассматривать как явление сверхкомпенсации, то есть избыточной активации защитных систем организма (Calabrese, 2008). Данное положение подтверждается результатами ряда экспериментальных исследований. Так, например, показано, что активация роста растений при гормезисе, вызванная свинцом, сопровождается увеличением активности ферментов антиоксидантной системы (аскорбатпероксидазы, супероксидисмутазы), а также повышением содержания белков теплового шока (Wang et al., 2010).
Организм представляет собой единую систему, в том числе и у растений (Полевой и др., 2001), не имеющих столь жесткой интеграции подсистем организма, как животные. В связи с этим мы полагаем, что для понимания общих принципов и закономерностей возникновения немонотонных зависимостей доза-эффект необходимо рассматривать эти явления на уровне целого организма аналогично тому, как это было сделано в свое время в отношении стрессовой реакции организма (Селье, 1972). В свою очередь, если рассматривать немонотонные ответы биосистем как результат неспецифической адаптивной реакции на уровне организма, то возникает вопрос: как же соотносятся гормезис и парадоксальные эффекты с теорией стресса? В настоящее время, не смотря на значительный интерес к немонотонным ответам биосистем, этот вопрос остается малоизученным. Предполагают, что стимулирующая фаза гормезиса может вызываться слабыми и умеренными стрессирующими воздействиями (Calabrese, 2008). Еще Г. Селье было отмечено, что разные по силе стресс-факторы могут вызвать разные варианты стресса. По Г. Селье умеренные стресс-факторы оказывают положительное влияние на организм и вызывают эустресс, характеризующийся увеличением резистентности организма без признаков его повреждения. Сильные стрессирующие воздействия приводят к развитию дистресса, при котором увеличение резистентности организма происходит за счет нарушения функционирования и строения систем, не участвующих в процессе адаптации к действию стрессового фактора (Селье, 1972; Панин, 1983).
Еще в 70-е гг. прошлого века Л.Х. Гаркави с соавторами (1998) была предложена концепция, согласно которой кроме стресса, существуют еще две неспецифические адаптивные реакции организма – тренировка и активация. Сильные повреждающие воздействия вызывают стресс, средние – реакцию активации, а слабые – реакцию тренировки. При стрессе повышение резистентности организма всегда достигается за счет нарушения структуры и функций систем, не актуальных для выживания в экстремальных условиях (понятие стресса Л.Х. Гаркави соответствует дистрессу Г. Селье). Тренировка и активация близки к вариантам нормы, так как увеличение резистентности организма не сопровождаются его повреждением. Кроме того, при реакции активации может наблюдаться избыточная активность защитных систем, то есть так называемое явление сверхкомпенсации по Calabrese (2008). Реакция активации соответствует эустрессу Г. Селье (Гаркави и др., 1998). Кроме того, при изучении воздействия различных физических и химических факторов на млекопитающих в широком диапазоне значений Л.Х. Гаркави с соавторами было показано, что организм имеет множество адаптационных уровней функционирования (уровней реактивности по Гаркави Л.Х.), что обусловлено постепенным вовлечения защитных механизмов в процесс фенотипической адаптации при увеличении силы воздействия. На каждом уровне наблюдается триада неспецифических защитных реакций – тренировка, активация и стресс, которые развиваются, соответственно, в ответ на слабые, средние и сильные (на пределе переносимости) для данного уровня воздействия (Гаркави и др., 1990). Стресс вызывает вовлечение в процесс адаптации дополнительных защитных механизмов, что приводит к переходу на следующий уровень с большими адаптивными возможностями, на котором вновь повторяется триада – тренировка, активация, стресс и так далее вплоть до исчерпания адаптационных возможностей и развития фазы истощения, заканчивающейся гибелью. Следует указать, что другими авторами высказывались предположения о существовании у растений, кроме стресса, других адаптационных состояний организма (Веселова и др., 1993).
На наш взгляд вышеуказанные представления о множественности уровней функционирования и существовании различных неспецифических адаптационных реакций организма могут быть перспективными для создания единой теории, объясняющей немонотонные ответы биосистем, в том числе и у растений, поскольку они постулируют «колебательный» характер изменения состояния организма при возрастании интенсивности фактора. Точнее в отношении биосистем более уместен термин квазиколебательные изменения их параметров, так как характеристики подобных «колебаний» никогда не являются постоянными. Известно, что парадоксальные эффекты достаточно часто представляют собой полимодальные зависимости, то есть зависимости, имеющие несколько максимумов (или минимумов) (Подколзин, Гуревич, 2002). Такие зависимости фактически имеют ход близкий к колебаниям.
В заключении хотелось бы указать, что, пока, к сожалению, в экологии проблеме гормезиса и парадоксальных эффектов при действии различных факторов среды на растения, в том числе и антропогенных, уделяется крайне мало внимания, не смотря на значительные достижения в изучении данных феноменов у животных в области радиобиологии, токсикологии и фармакологии, признания немонотонных ответов биосистем в качестве общебиологического широко распространенного явления, а также чрезвычайной важностью этих феноменов для теоретической и прикладных аспектов экологических исследований. Так, например, до сих в фитоиндикации при выборе параметров организма растений пригодных для оценки уровня загрязнения окружающей среды не учитывается возможность возникновения немонотонных зависимостей доза-эффект, что может привести к неадекватной оценке качества окружающей среды. В то же время, делаются первые попытки применить горметическую модель для описания зависимостей доза-эффект при действии различных экологических факторов на животных (Costantini et al., 2010), для объяснения стимулирующих эффектов токсикантов на состояние дафний (Гершкович, 2012).
Автотранспортное загрязнение в условиях урбанизированных территорий
Различные показатели семенного размножение растений изучаются при действии химического загрязнения окружающей среды и находят применение в биоиндикации (Евсеева и др., 2002; Савинов, 2003; Джамбетова и др., 2005 и др.). При этом наиболее часто используется средняя семенная продуктивность – среднее число семян на одну особь или генеративный побег (Левина, 1981), масса семян, среднее количество выполненных и невыполненных семян на одно соплодие (Жуйкова и др., 2001).
В то же время анализ литературных данных показывает, что изменение данных показателей семенного размножения растений при действии химического загрязнения является неоднозначным. Широко распространенны представления об угнетении семенной репродукции растений в стрессовых условиях среды (Левина, 1981), выражающейся в снижении семенной продуктивности, в том числе при действии химических поллютантов (Солнцева, Глазунова, 2010). Показано, что угнетение семенного размножения выявляется у древесных растений – деревьев и кустарников (Zvereva et al., 2010), в том числе у голосеменных растений (сосны обыкновенной) (Носкова, Третьякова, 2006) Имеются экспериментальные данные о снижении семенной продуктивности у травянистых растений при воздействии озона, диоксидов серы и азота (Laurence, Weinstein, 1981). Показано, что у азиатской фасоли озон не только снижал семенную продуктивность, но и уменьшал массу семян (Ahmed, 2009). В то же время другой поллютант – никель в эксперименте снижал семенную продуктивность сои, но не влиял на массу семян (Malan, Farrant, 1998). Обнаружено отрицательное воздействие на семенную продуктивность растений летучих органических поллютантов, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, в частности этилена (Cape, 2003).
Однако в условиях химического загрязнения у одуванчика обнаружена активация семенного размножения, приводящая к увеличению количества семян (Савинов, 1998; Жуйкова и др., 2002). Выявлено увеличение семенной продуктивности растений также при действии некоторых концентраций диоксидов серы и азота, этилена в эксперименте (Laurence, Weinstein, 1981; Cape, 2003). Показано, что в условиях города также может наблюдаться увеличение семенной продуктивности у березы повислой и липы мелколистной при действии повышенного содержания диоксидов серы и азота, аммиака в воздухе (Турмухаметова, Сарбаева, 2009). При этом у древесных и травянистых растений снижается качество семян, выражающееся в уменьшении масса семени и энергии прорастания (Савинов, 1998; Жуйкова и др., 2002; Турмухаметова, Сарбаева, 2009).
Стрессовые факторы среды, в том числе воздействие химических поллютантов приводит к нарушению фенологических ритмов растений, что выражается в изменении сроков наступления фенофаз и их продолжительности. Фенофаза представляет собой регулярно и закономерно повторяющиеся явления роста и развития растения и его отдельных органов. Цикл прохождения фенофаз составляет 1 год. Этот год делится на 2 основных периода: вегетация и покой. У листопадных растений периоды вегетации и покоя выражены достаточно четко. Период вегетации начинается с набухания почек и завершается листопадом. Период вегетации у листопадных растений имеет следующие фенологические фазы: распускание почек, цветение, рост побегов, вызревание тканей, закладка и дифференциация цветковых почек, рост и развитие плодов, листопад (Шульц, 1981).
Показано, что высокий уровень химического загрязнения в условиях мегаполиса может приводить к укорочению фенофаз и даже отсутствию некоторых из них у Artemisietea vulgaris, Galio-Urticetea and Molinio-Arrhenatheretea (Andreucci et al., 2006). Подобный эффект выявлен и при воздействии озона на Briza maxima в эксперименте (Sanz et al., 2011). Хотя другими авторами продемонстрировано удлинение фенофаз и замедление наступления цветения и появления плодов при действии меди в эксперименте на Rumex dentatus (Huang et al., 2011), а также замедление наступления цветения у растений, подвергнутых воздействию диоксида азота (Honour et al., 2009).
Установлено, что химическое загрязнение может приводить к замедлению распускания почек у древесных растений – Betula pendula и Betula pubescens в среднем на 1-4 дня (Антипов, 1957), Cotoneaster lucidus (Ситникова, 1990), Platanus acerifolia (Vonsury, Fluckiger, 1991), а также у травянистых видов (Brun et al., 2003; Ryser, Sauder, 2006). В то же время другие авторы обнаружили более раннее наступление распускания почек у Betula pubescens (на 2-4 дня по сравнению с контролем) в условиях химического загрязнения (Sandberg et al., 1982). Кроме того, ряд авторов выявили отсутствие изменения фенологических показателей при действии химических поллютантов (Kozlov, Berlina, 2002; Pal et al., 2002), в том числе и в отношении скорости выхода из состояния зимнего покоя у древесных растений (Kozlov et al., 2007). Установлено, что на загрязненных территориях более поздний выход из состояния зимнего покоя у березы сопровождается соответственно более ранним наступлением листопада (Антипов, 1957), что, возможно, обусловлено ускорением старения листа. Так, показано, что хроническое воздействие в эксперименте на растения монооксида и диоксида азота ускоряло старение листа у древесных и травянистых растений – Lolium perenne and Phleum pratense (Lane, Bell, 1984), Picea abies (Viskari et al., 2000), Quercus ilex (Gratani et al., 2000) и ряда других видов (Saxe et al., 1994).
Некоторыми авторами продемонстрирована поливариантность фенологических ритмов в условиях техногенной нагрузки у Betula pendula и Tilia cordata, приводящая к образованию разных феноритмогрупп в популяциях данных видов: первая феноритмогруппа характеризовалась ранней и продолжительной вегетацией (средневозрастные генеративные особи В. pendula и Т. cordata и старые генеративные особи Т. cordata); вторая феноритмогруппа – поздней и непродолжительной вегетацией (молодые и старые генеративные особи В. pendula и молодые генеративные особи Т. cordata) (Турмухаметова, 2005). Полагают, что ритмологическая поливариантность онтогенеза повышает степень биоразнообразия фрагментов локальной популяции изученных видов и способствует их адаптации к неблагоприятным климатическим факторам и загрязнению окружающей среды (Турмухаметова, 2005).
Анализ литературных данных показал, что все вышеуказанные параметры растений при действии химических поллютантов могут изменяться в различных направлениях по сравнению с контролем или их изменение может отсутствовать, что может быть обусловлено на наш взгляд немонотонным характером зависимостей доза-эффект. Для некоторых из указанных параметров состояния растений (интенсивности перекисного окисления липидов, содержания фотосинтетических пигментов и общего белка, линейных размеров растений и биомассы) уже выявлены гормезис и парадоксальные эффекты при изолированном и комбинированном воздействии некоторых поллютантов. Кроме того, ряд литературных данных указывает на видоспецифичность развития немонотонных ответов у растений в условиях химического загрязнения и неодинаковую реакцию разных органов растений, в частности, корневой системы и побега. Таким образом, изучение распространения и закономерностей развития гормезиса и парадоксальных явлений для различных показателей состояния растений в условиях химического загрязнения окружающей среды является актуальной проблемой современной экологии.
Исследование влияния поллютантов на состояние растений в условиях эксперимента
Активность гваякол-зависимых пероксидаз (общая пероксидазная активность) была оценена по Ridge I. и Osborn D.J. (1971) в модификации Шевяковой Н.И. с соавт. (2002). 1 г листовых пластинок гомогенизировали в ступке, вмороженной в лед, с 17 мл 0.066 M K,Na фосфатного буфера (pH=7.4), который был охлажден и содержал поливинилпирролидон. В центрифужные пробирки добавляли 1 мл 0.066 M K,Na фосфатного буфера (pH=7.4) и 1 мл гомогената. Пробирки центрифугировали в течение 15 мин при 10000 g. Реакционная смесь содержала 80 мМ гваякол и 10 мМ H2O2 в 0.066 M фосфатном буфере (pH=7.4). Реакцию в кювете запускали добавлением 0.1 мл супернатанта к 3 мл реакционной смеси. Временную динамику изменения оптической плотности при 470 нм регистрировали в течение 3 мин каждые 2 сек на спектрофотометре СФ 2000, используя программу «Кинетика». Пероксидазную активность выражали в изменении оптической плотности в минуту на г сырой ткани листа (E мин-1 г-1 сырой ткани листа).
Содержание сульфгидрильных групп определяли согласно методике Ellman (1959) с незначительными модификациями. Фрагменты 30-35 листовых пластинок каждого дерева (0.3 г) объединяли и гомогенизировали в 3 мл 0.1М трис-HCI (pH=7.8-8) буфера в ступке, вмороженной в лед. В центрифужные пробирки добавляли 1.5 мл гомогената и 1.5 мл 0.1М трис-HCI (pH=7.8-8) буфера. Пробирки цетрифугировали в течение 15 мин при 10 000 g. Затем добавляли к 0.3 мл надосадочной жидкости 2 мл 0.1М трис-HCI буфера и 0.3 мл додецилсульфата натрия. Измеряли оптическую плотность раствора при 412 нм на спектрофотометре СФ 2000 (ОКБ Спектр, Россия), используя программу «Сканирование». Затем в пробирки вносили 0.2 мл 50 мкМ реактива Элмана (5-5-дитио-бис (2 нитробензоной кислоты)) и измеряли оптическую плотность при 412 нм после инкубации пробирок при 370 С в течение 1 ч. Находили разность оптической плотности проб после инкубации и до внесения реактива Элмана. Концентрацию сульфгидрильных групп определяли, используя коэффициент молярной экстинкции 13.6 мМ-1см-1. Содержание сульфгидрильных групп выражали в мкМ/г белка в сырой ткани листа. Содержание общего белка определяли по методике Bradford (1976). 0.1 мл супернатанта, полученного согласного методике определения SH-групп (см. выше), добавляли в пробирки, содержащие 5 мл краски Кумасси. Через 6 минут определяли оптическую плотность раствора при 595 нм против Кумасси с добавлением буфера на спектрофотометре СФ 2000 (ОКБ Спектр, Россия) в программе «Сканирование». В качестве стандарта использовали сывороточный бычий альбумин.
Фенологические показатели. Выход из состояния зимнего покоя оценивали по доле распустившихся почек в объединенной выборке почек для 10 деревьев каждого участка в апреле – мае в течение 5 лет (2010-2014 гг.). Для определения доли распустившихся почек учитывали состояние 100 почек в средней и нижней части кроны каждого из 10 деревьев участка, обращенной к автодороге (100 почек х 10 деревьев; n=1000). Почку считали распустившейся, если лист полностью вышел из почечных чешуй. В объеденной выборке из 1000 почек 10 деревьев участка находили долю распустившихся почек для ценопопуляции B. pendula, произрастающей на данном участке.
Окончание вегетации определяли по доле узлов побегов без листьев, которую рассчитывали в объединенной выборке для 10 деревьев каждого участка (100 узлов х 10 деревьев; n=1000) в разгар листопада в сентябре – октябре в течение 5 лет (2010-2014 гг.). Учет проводили в нижней и средней части кроны, обращенной к автодороге. У каждого из 10 деревьев данного участка оценивали состояние 100 узлов побегов (как укороченных и удлиненных). Далее в объеденной выборке из 1000 узлов 10 деревьев участка находили долю узлов без листьев для ценопопуляции B. pendula, произрастающей на данном участке.
Данные методики оценки фенологических показателей древесных растений были разработаны нами (Ерофеева, 2010; Ерофеева, 2011; Erofeeva, 2014a), в связи с тем, что при изучении типа зависимостей показателей феноритмов от уровня автотранспортного загрязнения с помощью регрессионного анализа было проблематично использовать фенодаты окончания и начала фенофаз, которые обычно определяются в фенологических исследованиях.
Показатели семенного размножения. Для оценки семенной продуктивности B. pendula использовали показатель относительной семенной продуктивности, ранее предложенный нами (Erofeeva, 2014b). Относительная семенная продуктивность ценопопуляции представляет собой процент органов (или частей органов) растения с соплодиями от максимальной семенной продуктивности, при которой соплодия развиваются на всех частях растений, имеющих генеративные или вегетативно-генеративные почки.
В данном случае береза повислая имеет вегетативно-генеративные почки только на укороченных побегах. В связи с этим в июле (когда начинается созревание семян, но они еще не опадают) у каждого из 10 деревьев участка в нижней и средней части кроны со стороны автодороги определяли состояние 100 укороченных побегов (имеются соплодия или они отсутствуют, количество соплодий не учитывали). Далее в объединенной выборке укороченных побегов для всей ценопопуляции данного участка (100 побегов х 10 деревьев; n=1000) рассчитывали долю укороченных побегов с соплодиями (относительную семенную продуктивность).
T. cordata. В течение ряда лет изучали зависимость некоторых физиолого-биохимических и морфологических показателей T. cordata от уровня автотранспортного загрязнения: интенсивности ПОЛ в листе (в течение 5 лет – 2010-2014гг.), содержания в листе фотосинтетических пигментов (в течение 4 лет – 2010-2013гг.), содержания общего белка и сульфгидрильных групп защитных пептидов в листе (в течение 4 лет – 2010-2013гг.), общей пероксидазной активности в листе (2014г.), семенной продуктивности (в течение 5 лет – 20102014гг.), фенологических показателей (в течение 5 лет – 2010-2014гг.) и флуктуирующей асимметрии листа T. cordata (в течение 4 лет – 2010-2013). Для определения интенсивности ПОЛ, содержания пигментов, общего белка и сульфгидрильных групп, пероксидазной активности, ФА листа сбор листьев проводили во второй половине июля, когда большинство листьев достигает зрелого состояния. Листовые пластинки собирали со стороны автодороги с незатененных участков нижней части кроны деревьев генеративного возраста. Определение показателей феноритмов, осуществляли в мае и сентябре, семенной продуктивности в последней декаде июля-первой декаде августа (в период, когда начинается созревание семян, но они еще не опадают).
Сбор листьев проводили на 9 участках (Табл. 9-11), расположенных на расстоянии 1-4 м автомагистралей нагорной части города с разным уровнем нагрузки во второй половине июля. Контрольный участок находился в нагорной части города на территории лесопарка «Щелковский хутор». Сбор листьев T. cordata проводили у деревьев генеративного возраста со стороны автомагистрали с незатененных участков кроны. Оценку изученных показателей и потока автотранспорта проводили согласно методикам указанным для B. рendula. Для определения ФА листа T. cordata использовали только 1-4 промеры листа, представленные на схеме для B. pendula (рис. 4). Другими авторами установлено, что данные признаки листа T. cordata имеют ФА (Velikovi, 2010; Хузина, 2011; Baranov, 2014). При определении семенной продуктивности определяли долю узлов с соплодиями у удлиненных побегов аналогично методике описанной для B. pendula, так у липы семена образуются на удлиненных побегах текущего сезона вегетации.
Зависимость показателей состояния T. cordata от интенсивности автотранспортного загрязнения
В крупных городах России, в том числе и г. Нижнем Новгороде, отмечается превышение ПДК свинца в почвах вдоль автомагистралей, что обусловлено медленным самоочищением почвы от этого поллютанта лет (период полуудаления свинца из почвы – от 740-5900 лет) (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), а также продолжающимся использованием этилированного бензина (Денисов, Рогалев, 2005). Свинец может приводить к нарушению содержания пигментов и роста у растений (Титов и др., 2008), оказывать прооксидантное действие (Сергеев, Иванов, 2001) в том числе путем подавление поглощения и транспорта важнейшего микроэлемента растений - марганца (Титов и др, 2008), который, в отличие от ксенобиотика свинца, входит в состав антиоксидантных ферментов, участвует в фотосинтезе. В отличие от свинца марганец не является загрязнителем придорожных территорий (Денисов, Рогалев, 2005). Показано, что B. pendula относится к видам, нуждающимся в значительных количествах марганца (Сафонов и др., 2013). В связи с этим нами была изучена связь содержания свинца и марганца в листе B. pendula с величиной ФА данного органа растения и интенсивностью ПОЛ в нем, а также содержанием пигментов при действии автотранспортной нагрузки.
Объектом исследования являлась B. pendula, произрастающая на территории 10 участков, расположенных вдоль автомагистралей нагорной части г. Нижнего Новгорода с разной величиной потока автотранспорта, а также контрольного участка (0 авто/ч) – за пределами города. Исследования проводили во второй половине июля 2007 г. Корреляционный анализ по Спирмену выявил существование сильной положительной связи между содержанием свинца в листе B. pendula и содержанием в ней всех исследованных продуктов ПОЛ, кроме МДА, а также хлорофилла a и каротиноидов (Табл. 15). Учитывая многочисленные данные о прооксидантном действии тяжелых металлов на растения, в том числе и свинца (Серегин, Иванов, 2001; Shalini, Durbey, 2003; Лиу и др., 2008; и др.) можно утверждать, что выявленная корреляция, скорее всего, обусловлена влиянием данного тяжелого металла на состояние перекисного гомеостаза B. pendula. Положительная корреляция уровня свинца с пигментами может быть вызвана повышенной потребностью растения в энергетических ресурсах для процесса фенотипической адаптации к загрязнению. При изучении зависимости содержания пигментов у березы от потока автотранспорта нами не однократно было зафиксировано повышение содержания хлорофиллов и каротиноидов. Аналогичные данные были получены нами и при действии некоторых поллютанов на уровень пигментов у растений в эксперименте. В то же время статистически значимой корреляции между величиной ФА листа B. pendula и содержанием в ней свинца выявлено не было (Табл. 15). Возможно, данный факт обусловлен тем, свинец способен оказывать влияние на величину ФА листа только во время роста данного органа. В зрелом же листе содержание данного поллютанта может не соответствовать этому показателю растущего органа аккумуляции свинца, но и, возможно, изменения его поступления из других частей растения. В связи с этим связь между величиной ФА зрелого листа и содержанием в нем свинца не обнаруживается.
Содержание марганца в листовой пластинке березы не было статистически значимо связано ни с одним из исследованных физиолого-морфологических показателей листа (Табл. 15). В отличие от свинца марганец в количестве не более 1 мкмоль/ г сухой ткани необходим растениям и поэтому относится к микроэлементам (Медведев, 2004). Токсическое действие марганца как тяжелого металла проявляется в более высоких концентрациях. Согласно нашим данным содержание данного металла в листе березы, произрастающей во всех исследованных участках г. Нижнего Новгорода было существенно (в 2,5 - 5,5 раз) меньше максимальной физиологической концентрации этого элемента у растений и в 5-10 раз ниже, по сравнению с уровнем растений контрольного участка. Таким образом, можно скорее говорить о снижении количества марганца в листе березы при действии автотранспортного загрязнения.
Нами была выявлена сильная обратная корреляция (r= - 0.87; p=0.001) между содержанием свинца и марганца в листе B. pendula. Возможно, подобная связь обусловлена, способностью свинца подавлять поглощение растениями марганца из почвы и его передвижение в побеги (Титов и др., 2008)
Таким образом, несмотря на низкое содержание свинца в зрелом листе B. pendula (от 1 до 2 мг/кг сухого веса листа), произрастающей в исследованных участках, существуют достаточно сильные корреляции между количеством данного металла и уровнем марганца, а также и интенсивностью ПОЛ и содержанием пигментов в листе B. pendula. При этом прооксидантный эффект свинца, возможно, опосредован снижением поступления марганца в лист B. pendula. Содержание свинца в зрелом листе не связано с величиной его ФА. Таблица 15 Результаты корреляционного анализа по Пирсону при изучении связи показателей листовой пластинки B. pendula с содержанием в ней тяжелых металлов
В течение 5 лет наблюдения (2010-2014 гг.) были выявлены только немонотонные зависимости от величины автотранспортного загрязнения для интенсивности ПОЛ, оцененной по содержанию МДА в листе, которые соответствовали различным вариантам парадоксальных эффектов (Рис. 20,21). Зависимость на Рис. 20а также считали парадоксальным эффектом, хотя формально она описывается линейной функцией, поскольку сначала уровень МДА был меньше контрольного значения, а затем нормализовался.
Во все годы наблюдения (2010-2014 гг.) с помощью регрессионного анализа для содержания хлорофиллов и каротиноидов в листе липы не были выявлены зависимости от интенсивности потока автотранспорта (данные не представлены на рисунках).
В течение 4 лет наблюдения (2010-2013 гг.) для асимметрии листа только в 2010 и 2013 гг. были получены зависимости от величины техногенной нагрузки. Происходило монотонное снижение данного показателя по сравнению с контролем при возрастании уровня загрязнения (Рис. 22).
Вместо ФА нами использован термин «асимметрия», так как для некоторых изученных морфологических признаков листа липы нами была выявлена направленная асимметрия, изменение которой, как известно, обусловлены ФА (Захаров, 1987). При этом величину ФА, наблюдающуюся на фоне направленной асимметрии, не определяли. Была рассчитана величина асимметрии в целом для всех изученных морфологических признаков листа T. cordata.
В течение 5 сезонов наблюдения (2010-2014 гг.) фенологические показатели (доля распустившихся почек и опавших листьев) имели в большинстве случаев немонотонные зависимости от величины автотранспортного загрязнения, которые представляли собой гормезис (Рис. 23б,а; Рис. 25б), либо парадоксальный эффект (Рис. 23а; Рис. 24а; Рис. 25а,в). Гормезисом считали двухфазную зависимость, в первую фазу которой доля распустившихся почек (опавших листьев) выше контрольного значения (стимулирующий эффект), а вторую – менее контрольной величины (ингибирующий эффект), так как для березы было выявлено монотонное снижение данных показателей при увеличении техногенной нагрузки, что можно считать проявлением ингибирующего эффекта. И только в 2014г. было выявлено линейное уменьшение доли распустившихся почек по сравнению с контролем при увеличении техногенной нагрузки (Рис. 24в). В 2013-2014гг. не удалось выявить зависимость доли опавших листьев от потока автотранспорта (Рис. 26).