The influence of urban environment on pollen grains of the silver birch (Betula pendula Roth) in conditions of Yakutsk

Cover Page

Abstract


This paper studies variability of pollen grains of the silver birch in relation to the quality of urban environment. The material was collected in 12 sites. A total of 1,190 leaves and 24,000 pollen grains were examined and measured. The pollen fertility varied within 69-92%. Statistically significant decrease in fertility was observed in conditions of high-intensity traffic load, in the central area of the city, and where the road surface was in poor condition. Under the same conditions a statistically significant increase in percentage of «relatively fertile» pollen grains is observed. We found significant correlation between the level of fluctuating asymmetry (FA) and the share of fertile and half-fertile pollen grains. For fertility Spearman’s rho was -0,71; and for half-fertility, r = 0,66, p < 0,05. A similarly significant correlation (r = -0,7, p < 0,05) was found between the diameter of pollen grains and traffic load, which indicates a consistent organism response to environment deterioration. From the above, it follows that for assessment of environmental condition such characteristics of pollen grains as fertility, half-fertility, and pollen grain size can be used.

Full Text

Введение Одним из перспективных методов биоиндикации является палинологический, основанный на изучении таксономического состава спорово-пыльцевых спектров, в комплексе с учётом отклонений в морфологическом строении пыльцевых зерен и анализом специфики этих отклонений. Традиционно результаты палинологических исследований используются при палеогеографических и палеогеоэкологических реконструкциях. Сравнительно недавно палиноморфологию начали привлекать для оценки качества окружающей среды современной и прошлых эпох, а также для прогнозирования ряда природных явлений и вероятностных изменений окружающей среды [1, с. 2]. В последнее время большое число работ посвящено изучению влияния экологических условий городской среды на репродуктивную способность растений, а также на оценку качества среды с использованием растений [2, с. 7-21; 3, p. 8-9; 4, с. 7-16; 5, p. 2405; 6, с. 140-141; 7, с. 225-227; 8, с. 69-71; 9, с. 62-92; 10, с. 13-14]. В частности, есть работы, посвященные изучению изменчивости признаков пыльцы у разных видов растений, произрастающих в условиях города и возможностям ее использования для оценки качества среды, в них отмечается понижение фертильности, увеличение количества тератоморфных и стерильных пыльцевых зерен, изменение морфологии, понижение жизнеспособности, а также другие изменения качества пыльцевых зерен [11, с. 10-22; 12, с. 21-23; 13, с. 18-20; 14, с. 90-92; 15, с. 8-10]. Много работ посвящено сравнительному изучению характера изменчивости, размеров пыльцевого зерна и пыльцевой трубки у аборигенных и некоторых интродуцированных видов берез. Отмечается большая стабильность в формировании и проявлении морфо-физиологических признаков пыльцы у аборигенных видов берез, а также повышенная чувствительность к изменению погодно-климатических условий мужского гаметофита у интродуцентов [16, с. 36-37; 17, с. 86-90; 18, с. 92-94]. Целью нашей работы было изучение морфологических и репродуктивных показателей пыльцы березы повислой в зависимости от качества городской среды на примере г. Якутска. Материал и методы Береза повислая самая распространенная из древовидных берез на территории Якутии, которая образует как коренные, так и производные березовые леса и широко используется в озеленении города. Цветет до распускания листьев во второй половине мая - начале июня в зависимости от широты местности. Цветение длится не более 10 дней. Цветки однополые и собраны в сережки. Тычиночные сережки образуются осенью и «торчат» по 2-3 штуки на концах однолетних побегов, рыхловатые, длинные. Пыльцевые зерна трехапертурные, собственно-3-сложноспоровые [19, с. 30-32; 20, с. 127-131]. Материал собран в 2018 г. из 12 точек. Для изучения характерных особенностей пыльцевых зерен березы повислой материал собирался в период массового пыления. Соцветия собирали у деревьев среднего генеративного возраста (g2), растущих вдоль проезжей части в разных районах города и с различной транспортной нагрузкой. В качестве контроля использованы данные, полученные из точки, расположенной в рекреационной зоне города, на территории Ботанического сада Института биологических проблем криолитозоны СО РАН (ИБПК). Для изучения фертильности пыльцы в каждой точке выбирали по 3-4 дерева, с каждого дерева по 5-6 соцветий с высоты 1,5-2,5 м. В качестве морфологических признаков изучали диаметр и деформированность пыльцевых зерен, а в качестве репродуктивных признаков изучали фертильность, полуфертильность и стерильность зерен. Анализ пыльцы проводили на микроскопе МИКМЕД-5, с увеличением 10 × 15 × 40. Для определения фертильности пыльцевых зерен использовали йодный метод, с окрашиванием раствором Люголя, в основе его лежит определение крахмала при помощи йодной реакции [21, с. 208-212]. Фертильные и стерильные пыльцевые зерна отличаются по содержанию крахмала [21, с. 209]. В каждой точке проанализировано не менее 2000 клеток. Размер пыльцевого зерна измеряли с помощью окуляр-микрометра по 50-60 штук в точке. Для интегральной оценки качества среды г. Якутска использовали показатель флуктуирующей асимметрии (ФА) листовой пластинки березы повислой. Согласно методике, в каждой точке было собрано по 100 листьев, которые промерялись в программе Bio, после сканирования с помощью программы HP Precision Scan на сканере Scanjet 5200 С, линейные измерения производили с точностью до 0,1 мм, и угловые - до 0,1°. Для оценки величины флуктуирующей асимметрии выбирают признаки, характеризующие общие особенности листа, удобные для учета и дающие возможность однозначной оценки [22, с. 36-41]. Всего промерено 1190 листьев. Статистическая обработка результатов проводилась в программах Microsoft Excel и Statistica-9, значимость различий оценивалась с применением критерия Стьюдента, корреляционные связи - с применением рангового коэффициента корреляции Спирмена. Результаты и обсуждение Интегральный показатель нарушения стабильности развития березы повислой на исследованной территории варьировал в пределах 0,041-0,055, т.е. качество городской среды варьирует от «незначительных отклонений от нормы» до «существенных отклонений» (табл. 1). Минимальные показатели ФА наблюдались в контрольной точке и в рекреационной зоне города (0,041-0,042). На территории города во всех точках отмечается повышение уровня ФА листа (0,045-0,055). Максимальные показатели ФА наблюдаются в центральной части города, где интенсивный транспортный поток. Отмечается положительная корреляционная связь между ФА и интенсивностью транспортной нагрузки (ранговый коэффициент корреляции Спирмена 0,6, p < 0,05). Фертильность пыльцевых зерен варьировало от 69 до 92%. В пяти точках обнаружили достоверно отличающуюся низкую фертильность по сравнению с контрольной точкой. К ним относятся точки с максимальным количеством автотранспортной нагрузки (более 2000 авт./час): ул. Автострада 50 лет Октября (83,64%) и ул. Октябрьская (81,39%); точки расположенные в центре города: ул. Орджоникидзе (79,88%) и ул. Дзержинского (72,58%); точка в Строительном округе города со средней автотранспортной нагрузкой, но с плохой обустроенностью проезжей части - ул. Семена Данилова (69,1%) (табл. 1). Полуфертильность пыльцевых зерен варьировала от 2,97 до 25,86%. Почти во всех исследованных точках «условная фертильность» оказалась выше, чем в контрольной точке. В шести точках наблюдается достоверно значимое увеличение показателя по сравнению с контрольной точкой. Максимальный процент наблюдается на ул. Дзержинского и С. Данилова, 25,86 и 24,23 соответственно. От 10 до 20 процентов «условно фертильных» пыльцевых зерен отмечено в четырех точках. В основном, это точки расположенные в центральной части города, а также с интенсивной транспортной нагрузкой. Минимальный процент наблюдался в районе Гимеин (2,97) (табл. 1). Показатель фертильности и полуфертильности статистически значимо отрицательно коррелируют между собой (ранговый коэффициент корреляции Спирмена r = -0,96, р < 0,01). Также для обоих показателей выявлена корреляционная связь с показателем флуктуирующей асимметрии (ФА). Для фертильности коэффициент Спирмена составил r = -0,71, а для полуфертильности r = 0,66, p < 0,05), что свидетельствует о согласованности реакций организма на загрязнение среды (рис. 1). Стерильность пыльцевых зерен варьировала от 0,95 до 6,67%, а деформированность - от 0,12 до 4,03%. Почти во всех точках наблюдения процент стерильных и деформированных зерен не имел статистически достоверных различий с контрольной точкой (исключение составляют точки, расположенные на ул. Семена Данилова и в районе Гимеин). Таблица 1 - Изменчивость пыльцы и показатель ФА березы повислой в условиях г. Якутска Точка сбора Стерильность, % Полуфертильность, % Фертильность, % Показатель ФА ул. Автострада 50 лет Октября 5,32 ± 1,39 11,03* ± 1,12 83,64* ± 2,1 0,048* ± 0,0025 ул. Кальвица, 14/1 1,92 ± 0,38 7,48 ± 1,01 90,65 ± 1,21 0,046* ± 0,0019 ул. Октябрьская, 23 3,99 ± 0,66 17,95* ± 1,94 81,39* ± 3,36 0,051* ± 0,0023 ул. Орджоникидзе, 38 3,49 ± 0,49 16,63* ± 2,67 79,88* ± 2,61 0,048* ± 0,0023 ул. Чернышевского, 74 2,74 ± 0,37 7,12 ± 0,85 90,14 ± 0,95 0,049* ± 0,0022 пр. Ленина, 39 2,62 ± 0,48 5,91 ± 0,59 91,47 ± 0,94 0,048* ± 0,0024 ул. Дзержинского, 12 1,57 ± 0,52 25,86* ± 5,98 72,58* ± 5,8 0,055* ± 0,025 ул. Кулаковского, 42 0,95 ± 0,19 8,55 ± 3,58 90,45 ± 3,72 0,048* ± 0,024 ул. Мерзлотная, 36 1,62 ± 0,29 12,65* ± 2,85 85,72 ± 2,88 0,042 ± 0,0019 ул. Семена Данилова, 9 6,67* ± 1,36 24,23* ± 3,38 69,1* ± 4,13 0,053* ± 0,0024 Гимеин (остановка) 5,15 ± 0,57 2,97 ± 0,88 91,92 ± 0,82 0,045 ± 0,0018 Ботанический сад 2,5 ± 0,32 6,6 ± 0,45 90,9 ± 0,57 0,041 ± 0,0018 Примечание. * - различия с контролем статистически значимы. Рисунок 1 - Зависимость показателей пыльцевых зерен и флуктуирующей асимметрии (ФА) листовой пластинки березы повислой Диаметр пыльцевых зерен варьировал от 0,0254 до 0,0318 мм. Минимальный показатель наблюдали на ул. Кальвица, а максимальный - в контрольной точке. На улицах с интенсивной автотранспортной нагрузкой наблюдается достоверно значимое уменьшение размера пыльцевого зерна (рис. 2). Отмечена отрицательная корреляционная связь между размером пыльцы и интенсивностью транспортной нагрузки (ранговый коэффициент корреляции Спирмена 0,7, p < 0,05). В целом показатель фертильности у березы повислой в городских условиях остается достаточно высоким. Достоверно значимые низкие показатели фертильности пыльцы по сравнению с контрольной точкой наблюдали в условиях интенсивной автотранспортной нагрузки, в центральной части города и на участках с высокой запыленностью. В таких же условиях наблюдается статистически значимое повышение процента «условно фертильных» пыльцевых зерен. Тогда как по показателю стерильности пыльцы березы не наблюдалось достоверных различий. Похожие результаты ранее были отмечены у сосны Махневой с соавторами [23, с. 131], что может свидетельствовать о естественном отборе в генеративной сфере на предшествующих этапах развития генеративных органов либо о формировании в насаждениях в зонах техногенного загрязнения специфического генофонда, устойчивого к сильному и среднему уровням загрязнения вследствие элиминации неадаптивных форм и адаптации оставшихся особей. Обнаружены статистически значимые корреляции между показателем ФА и процентом фертильных, полуфертильных пыльцевых зерен. Для фертильности коэффициент Спирмена составило r = -0,71, а для полуфертильности r = 0,66, p < 0,05. Такая же достоверно значимая корреляционная зависимость (r = -0,7, p < 0,05) обнаружена между диаметром пыльцевых зерен и автотранспортной нагрузкой, что указывает на согласованную реакцию организма на ухудшение состояния окружающей среды. Исходя из вышесказанного, для оценки качества среды можно использовать такие характеристики пыльцевого зерна как «фертильность», «полуфертильность» и размер пыльцевых зерен. Рисунок 2 - Зависимость размера пыльцевых зерен березы повислой от автотранспортной нагрузки

About the authors

Viktoria Yurievna Soldatova

M.K. Ammosov North-Eastern Federal University


candidate of biological sciences, associate professor of Biology Section

Algystaana Petrovna Samsonova

M.K. Ammosov North-Eastern Federal University


student of Biology Section

References

  1. Дзюба О.Ф., Кочубей О.В., Федосеева С.В., Марков В.Е., Гильдин С.М. Палинологические исследования в практике инженерно-экологических изысканий // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2013. Т. 8, № 2. С. 1-21.
  2. Сарбаева Е.В. Биоэкологические особенности туи западной (Thuja occidentalis L.) в условиях городской среды: автореф. дис. … канд. биол. наук. Нижний Новгород, 2005. 22 с.
  3. Franiel I. Fluctuating asymmetry of Betula pendula Roth leaves - an index of environment quality // Biodiversity: Research and Conservation. 2008. Vol. 9-10. P. 7-10.
  4. Валетова Е.А. Влияние техногенного загрязнения на репродуктивную способность сосны обыкновенной: автореф. дис. … канд. биол. наук. Барнаул, 2009. 17 с.
  5. Wuytack T., Wuyts K., Dongen S., Baeten L., Kardel F., Verheyen K., Samson R. The effect of air pollution and other environmental stressors on leaf fluctuating asymmetry and specific leaf area of Salix alba L. // Environmental Pollution. 2011. Vol. 159, is. 10. P. 2405-2411.
  6. Луцкан Е.Н., Шадрина Е.Г. Биоиндикационная оценка состояния окружающей среды города Алдана на основе анализа флуктуирующей асимметрии березы плосколистной // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 8-2. С. 139-142.
  7. Рунова Е.М., Гнаткович П.С. Экологическая оценка рекреационных зон города Братска методом флуктуирующей асимметрии березы повислой // Фундаментальные исследования. 2013. № 11-2. С. 223-227.
  8. Петункина Л.О., Сарсацкая А.С. Берёза повислая как индикатор качества городской среды // Вестник Кемеровского государственного университета. 2015. № 4 (64), Т. 3. С. 68-71.
  9. Солдатова В.Ю., Шадрина Е.Г. Оценка качества среды территории г. Якутска по показателю нарушения стабильности развития березы плосколистной (Betula platyphylla Sukazc.): монография. Якутск: Издательский дом СВФУ, 2016. 112 с.
  10. Солдатова В.Ю., Самсонова А.П. Влияние экологических условий городской среды на качество семян и морфологические показатели листовой пластинки березы повислой Betula pendula Roth // Проблемы региональной экологии. 2018. № 6. С. 12-15.
  11. Елькина Н.А. Состав и динамика пыльцевого спектра воздушной среды г. Петрозаводска: автореф. дис. … канд. биол. наук. СПб., 2008. 24 с.
  12. Ерохина И.С., Елькина Н.А., Марковская Е.Ф. Палиноиндикация природной среды г. Костомукши // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2011. № 6. С. 20-23.
  13. Ерещенко О.В., Хлебова Л.П. Влияние погодных условий на изменчивость признаков пыльцы березы повислой (Betula pendula Roth) // Известия Алтайского гос. ун-та. 2012. № 3/2 (75). С. 17-20.
  14. Хлебова Л.П., Ерещенко О.В. Качество пыльцы березы повислой (Betula pendula Roth) в условиях Барнаула // Известия Алтайского государственного университета. 2012. № 3/1. С. 89-92.
  15. Василевская Н.В., Петрова Н.В. Морфологическая изменчивость пыльцы Pinus sylvestris L. в условиях промышленного города (на примере г. Мончегорска) // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2014. № 4. С. 7-12.
  16. Исаков И.Ю., Мациева М.А. Определение размеров и жизнеспособности пыльцы местных и интродуцированных видов берез // Лесотехнический журнал. 2015. № 3. С. 33-41.
  17. Николаевская Т.С., Ветчинникова Л.В., Лебедева О.Н., Кузнецова Т.Ю. Морфофизиологическая характеристика пыльцы различных видов березы в условиях Восточной Фенноскандии // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2008. № 14. С. 84-91.
  18. Николаевская Т.С., Ветчинникова Л.В., Титов А.Ф., Лебедева О.Н. Изучение пыльцы у аборигенных и интродуцированных в условиях Карелии представителей рода Betula L. // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2009. № 4. С. 90-95.
  19. Тимофеев П.А. Деревья и кустарники Якутии / отв. ред. А.П. Исаев. Якутск: Бичик, 2003. 64 с.
  20. Сладков А.Н. Введение в спорово-пыльцевой анализ. М.: Наука, 1967. 270 с.
  21. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1988. 271 с.
  22. Захаров В.М., Баранов А.С., Борисов В.И., Валецкий А.В., Кряжева Н.Г., Чистякова Е.К., Чубинишвили А.Т. Здоровье среды: методика оценки. М.: Центр экологической политики России, 2000. 66 с.
  23. Махнева С.Г., Бабушкина Л.Г., Зуева Г.В. Состояние мужской генеративной сферы сосны обыкновенной при техногенном загрязнении среды. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т; Изд-во Урал. ун-та, 2003. 154 с.

Statistics

Views

Abstract - 38

PDF (Russian) - 9

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Soldatova V.Y., Samsonova A.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies