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

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

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