Кариологические особенности ели Тян-Шаньской (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) в условиях антропогенного загрязнения г. Бишкек

Karyological features of the Tien Shan spruce (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) in the conditions of anthropogenic pollution in Bishkek
Цитировать:
Чекиров К.Б., Качыбекова А.К. Кариологические особенности ели Тян-Шаньской (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) в условиях антропогенного загрязнения г. Бишкек // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2020. № 6 (72). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/9516 (дата обращения: 12.11.2024).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

Проведен кариологический анализ клеток меристемы корешков семенного материала ели Тянь-Шаньской (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) г. Бишкек и природной популяции Кегетинского ущелья. Установлена более высокая частота встречаемости патологий митотического деления и хромосомных аномалий у хвойных, произрастающих в г. Бишкек по сравнению с контрольной природной популяцией.

ABSTRACT

A karyological analysis of the rootlet meristem cells of the Tien Shan spruce seed material (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) in Bishkek and the natural population of Kegeti Gorge was conducted. A higher incidence of mitotic division pathologies and chromosomal abnormalities was found in conifers growing in Bishkek compared to the control natural population.

 

Ключевые слова: Ель Тянь-Шаньский, цитогенетические показатели, патологии митоза, хромосомные нарушения.

Keywords: spruce of the Tien Shan, cytogenetic indicators, pathologies of mitosis, chromosomal abnormalities.

 

Введение

Проблема загрязнения атмосферного воздуха крупных городов является одной из актуальных проблем современного мира. В атмосферный воздух городов поступает большое количество таких вредных веществ, как пыль, диоксид серы, оксид и диоксид азота, оксид углерода, формальдегид, тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества. Высокий уровень загрязнения атмосферы г. Бишкек обусловлен за счет следующих загрязняющих источников, таких как: выхлопные газы автомобильного транспорта, загрязнения в результате сжигания для обогрева, загрязнения пылью и другими твердыми частицами.

По данным Национального доклада о состоянии окружающей среды Государственного агентства охраны окружающей среды и лесного хозяйства при Правительстве Кыргызской Республики (ГАООСЛХ), В 2014 году в городе Бишкек выбросы в атмосферный воздух составили 26,4 тыс. тонн загрязняющих веществ или 43,6 % общих выбросов по республике, что в 1,5 раза больше предыдущего года. В 2014 году на одного жителя Кыргызской Республики приходилось 11 кг загрязняющих веществ, что выше аналогичного показателя в 2011, 2012 и 2013 годах. Наибольшие объемы выбросов основных загрязняющих веществ характерны для города Бишкек, где в расчете на одного жителя в 2014 году приходилось 27,8 кг [16].

Загрязнение атмосферного воздуха как экологический стрессовый фактор оказывает негативное влияние на состояние живых организмов. Для мониторинга и оценки влияний негативных факторов окружающей среды на живые организмы в настоящее время все чаще используются растительные организмы. При этом многие исследователи используют цитогенетических методы в мониторинговых наблюдениях как одним из самых чувствительных способов эффективной и адекватной оценки влияния неблагоприятных экологических факторов на окружающую среду [3, 15].

Это обусловлено тем, что, техногенные загрязнения окружающей среды могут вызывать цитотоксический эффект в клетках растений, нарушая нормальное течение митотического цикла. В последние годы в условиях техногенного загрязнения из зеленых насаждений, хвойные виды древесных растений успешно используются в качестве тест-объект в цитогенетическом мониторинге [1-5,8, 9, 12, 13].

В настоящей работе представлены результаты кариологических исследований ели Тянь-Шаньской (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) произрастающей в г. Бишкек и ущелье Кегети Чуйской области.

Материал и методы исследований

В качестве материала для исследований служили семена ели Тянь-шаньской (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) произрастающая в условиях г. Бишкек. В качестве контроля служили семена из естественной популяции Кегетинского лесного хозяйства Чуйской области. Сбор семенных материалов проводились в период с сентября по октябрь 2019 г.

Кариологический анализ проводили на временных препаратах из меристематических тканей корешков семян по общепринятой методике Л.Ф Правдина с некоторыми модификациями [9].

Семена предварительно замачивали в дистиллированной воде в течение 18 часов. Затем проращивали в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге при комнатной температуре 24°-26° до появления проростков длиной 5-10 мм. Кончики корешков прорастающих семян подвергались предфиксационной обработке 1% р-ром колхицина в течение 4-6 часов. Фиксация корешков производилась спиртово-уксусном растворе из расчета 3 части этилового спирта и 1 часть «ледяной» уксусной кислоты (3:1). Фиксированные корешки окрашивали 1% раствором ацетогематоксилина. Подготовленные временные микропрепараты просматривали под микроскопом “Boeko” жана Nikon ECLIPSE 50i при увеличениях 40×10, 100×10. Микрофотографии клеток разных стадий митоза получены с помощью видеокамер Nikon Digital Sight DS‐Fi1. 

Подсчет числа хромосом производился в метафазных клетках, учитывались общее количество делящихся клеток и клетки в стадиях анафазы и телофазы, проведен ана-телофазный анализ хромосомных аберраций. Всего проанализировано 1087 клеток.

Результаты исследований и их обсуждение

Как известно, к числу наиболее часто встречающихся цитогенетических нарушений в соматических клетках хвойных на стадиях анафазы и телофазы митоза относятся хромосомные мосты, фрагменты хромосом, отстающие и забегающие хромосомы, кольцевые хромосомы, В-хромосомы и.т.п [5-8].

В результате цитогенетических исследований препаратов хромосом приготовленных из корешков семян Picea schrenkiana subsp. Tianschanica произрастающих г. Бишкек были обнаружены различные мутации хромосом и аномалии митотического цикла: фрагменты хромосом, кольцевые хромосомы, В-хромосомы, забегающие и отстающие хромосомы, многополюсные митозы и хромосомные мосты.

Весь спектр обнаруженных аномалий хромосом и митотического цикла у исследуемых образцов популяций представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Хромосомные нарушения в популяциях ели Тянь-Шаньской г. Бишкек и ущелье Кегети Чуйской области

Цитогенетические показатели

Место произрастания

г. Бишкек (Парк им.Панфилова, сквер Победы)

Ущелье Кегети, Чуйская область

Число изученных корневых меристем, шт.

60

54

Число изученных клеток, шт.

1087

943

Число клеток с нарушениями, шт/%

43/3.95%

5/0,53%

Типы ана-телофазных нарушений, шт/%

Фрагменты

5/0,45%

3/0.31%

Одиночные мосты

5/0,45%

-

Парные разорванные мосты

1/0.09%

-

Множественные мосты

4/0.36%

-

Разорванные мосты

2/0.18%

-

Забегающие хромосомы

6/0.55%

-

Отстающие хромосомы

5/0.45%

1/0.10%

Выбросы за пределы пластинки

7/0.64%

2/0.21%

Многополюсные митозы

5/0.45%

-

Кольцевые хромосомы

1/0.09%

-

В-хромосомы

2/0.18%

-

 

Как видно из данных таблицы на стадии ана-телофазы в клетках корешков проростков выявлено четыре типа мостов: одинарные (а), парные разорванные (б), множественные (в) и разорванные (г) (рисунок 1). Суммарная доля хромосомных мостов в общем спектре составляла 1.08%. У семенного потомства ели Тянь-Шаньской среди из этих патологий наиболее часто встречаются одиночные и множественные мосты. Образование их может быть связано с наличием в кариотипе дицентрической хромосомы или со слипанием теломерных участков хромосом, однако точно установить причину аномалии не всегда представляется возможным [10].

 

Рисунок 1. Патологии митоза в делящихся клетках корешков семян Picea schrenkiana subsp. Tianschanica, произрастающих в условиях антропогенного загрязнения г.Бишкек:

a-одинарные, б-парные разорванные, в-множественные, г-разорванные мосты

 

В некоторых клетках наряду с мостами наблюдались хромосомные фрагменты (0.45%). Фрагментация хромосом является признаком разрушения их структуры, связанного с лизированием ферментами молекул ДНК и служит показателем нестабильности генома [11].

Неправильное расхождение всех хромосом в анафазе может происходить в результате нарушения функции сократительных белков. Неравномерное и многополюсное расхождение хромосом могут привести к неправильному распределению генетического материала между дочерними ядрами, в результате которого образуются анеуплоидные (гипо- и гиперплоидные) клетки [12].

Всего из изученных клетках дополнительные В-хромосомы (2n=24+1B), найдены в популяциях, произрастающих в г. Бишкек (0.18%), а в образцах контрольной популяции Кегетинского ущелья не обнаружены. Как полагают большинство исследователей, В-хромосомы каким-то образом связаны с повышенной адаптивностью растений к стрессовым городским условиям и могут считаться одним из критериев для цитогенетического мониторинга [13-15].

Также часто отмечались аномалии, связанные с расхождением одиночных хромосом - отставания, забегания и выбросы (рисунок 2). По мнению О.В. Горячкина такие аномалии обусловлены повреждением центромерного участка хромосомы. Отстающие и забегающие хромосомы, как правило, включаются в формирующиеся дочерние ядра на стадии телофазы, однако в некоторых случаях происходит их обособление в микроядра [10].

 

Рисунок 2. Цитогенетические аномалии в клетках меристемы ели Тянь-Шаньской: а-хромосомный фрагмент б-забегающие хромосомы в-отстающие хромосомы г-многополюсный митоз д-выбросы за пределы пластинки е-кольцевая хромосома и В-хромосома

 

Заключение

Проведенные исследования показали, что у семенного потомства ели Тянь-Шаньской (Picea schrenkiana subsp. Tianschanica) произрастающей в г. Бишкек (3.95%) по сравнению с контрольной популяцией (0.53%) наблюдается высокая частота встречаемости нарушений митоза. Наблюдаемая высокая хромосомная изменчивость у ели Тянь-шанской г. Бишкек, видимо, обусловлена генетической адаптацией и ответной реакцией растений к условиям антропогенного и техногенного загрязнения городской среды. Такая кариологическая изменчивость семенного потомства хвойных является показателем цитотоксичности и может быть использована при мониторинге генотоксических эффектов воздушной среды города.

 

Список литературы:
1. Буторина А.К., Калаев В.Н., Карпова С.С. Особенности протекания митоза и ядрышковые характеристики семенного потомства березы повислой в условиях антропогенного загрязнения. // Цитология. — 2002. — Т. 44, No 4. — С. 392–399.
2. Коршиков И.И. Сравнительный анализ цитогенетических нарушений у семенного потомства двух видов хвойных в условиях загрязненной среды // Досягнення і проблеми генетики, селекції та біотехнології: зб. наук. пр. IX з’їзду УГТіС.— Київ.— 2012.— Т. 4.— С. 242–246.
3. Liu Z-L., Cheng Ch., Li J. High genetic differentiation in natural populations of Pinus henriy and Pinus tabuliformis as revealed by nuclear microsatellites // Biochem. Syst. Ecol. 2012. V. 42. P. 1–9. DOI: 10.1016/jbse.2011.07.005
4. Муратова Е.Н. В-хромосомы голосеменных // Успехи соврем. биол. 2000. Т. 120. No 5. С. 452–465.
5. Калашник Н. А. Хромосомные нарушения как индикатор оценки степени техногенного воздействия на хвойные насаждения / Калашник Н. А. // Эколо- гия.— 2008.— No 4.— С. 276–286.
6. Егоркина Г.И. Цитогенетические параметры сосны обыкновенной в Алтайском крае / Егоркина Г. И. // Лесоведение.— 2010.— No 6.— С. 39–45.
7. Седельникова, Т.С. Дифференциация болотных и сухо- дольных популяций видов семейства Pinaceae Lindl. (репродуктивные и кариотипические особенности). Автореф. дис. ... докт. биол. наук : 03.00.05 / Т.С. Седельникова – Красноярск, 2008. – 34 с.
8. Муратова, Е.Н. Цитологическое изучение лиственницы сибирской в антропогенно нарушенных районах г. Красноярска и его окрестностей / Е.Н. Муратова, Т.В. Карпюк, О.С. Владимирова, О.А. Сизых, О.В. Квитко // Вестник экологии, лесоведения и ландшафтоведения. Тюмень: Изд-во Института про- блем освоения Севера СО РАН. – 2008. – No9. – С. 99-108.
9. Правдин Л.Ф., Бударагин В.А., Круклис М.В., Шершукова О.П. Методика кариологического изучения хвойных пород // Лесоведение. — 1972. — No 2. — С. 67–75.
10. Горячкина, О. В., & Сизых, О. А. (2012). Цитогенетические реакции хвойных растений в антропогенно нарушенных районах г. Красноярска и его окрестностей. Хвойные бореальной зоны, 29(1-2).
11. Stevens, J.B. Mitotic cell death by chromosome fragmenta- tion / J.B. Stevens, G. Liu, S.W. Bremer, K.J. Ye, W. Xu, J. Xu, Y. Sun, G.S. Wu, S. Savasan, S.A. Krawetz, C.J. Ye, H.H.Q. Heng // Cancer Research. – 2007. – V. 67. – P. 7686-7694.
12. Алов, И.А. Цитофизиология и патология И.А. Алов. – М.: Медицина, 1972. – 264 с.
13. Владимирова, О. С., & Муратова, Е. Н. (2006). Оценка встречаемости В-хромосом ели сибирской в условиях антропогенного стресса. Хвойные бореальной зоны, 23(3).
14. Квитко, О. В., Муратова, Е. Н., Сизых, О. А., & Владимирова, О. С. (2009). Числа хромосом некоторых видов хвойных. Ботанический журнал, 94(2), 305-307.
15. Муратова, Е. Н., Седельникова, Т. С., Пименов, А. В., & Горячкина, О. В. (2019). Кариологические и цитогенетические исследования хвойных бореальной зоны классическими и новыми методами. Фактори експериментальної еволюції організмів, 25, 74-79.
16. Государственное агентство охраны окружающей среды и лесного хозяйствапри Правительстве Кыргызской Республики /[Электронный ресурс] режим доступа – http://www.ecology.gov.kg/news/view/id/177

 

Информация об авторах

канд. биол. наук, доцент отделения биологии Кыргызско-Турецкого университета “Манас”, Кыргызская Республика, г. Бишкек

candidate of biological sciences, associate professor of Kyrgyz Turkish Manas University, Kyrgyzstan, Bishkek

магистрант, Кыргызско-Турецкий университет Манас, Республика Кыргызстан, г. Бишкек

master student, Kyrgyz-Turkish Manas University, Kyrgyz Republic, Bishkek

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top