Загрязняющие вещества снижают продуктивность растений

Елена Бадьева

Растения реагируют на загрязнение окружающей среды снижением своей продуктивности. Известно, что основная доля загрязняющих веществ накапливается в вегетативных органах, но и репродуктивная система – особенно в критические периоды своего развития – также уязвима к воздействию загрязнителей. Негативное действие загрязнителей на репродуктивную систему проявляется в нарушении начальных этапов образования пыльцевых зерен и зародышевого мешка и далее – в дефектах эмбриогенеза.

Никого не удивит утверждение, что химические соединения антропогенного происхождения наносят ущерб природной среде. Наблюдение за наиболее чувствительными к загрязняющим веществам видами-индикаторами иногда дает более объективную интегральную оценку уровня деградации экосистемы. Биоиндикация – оценка качества среды по состоянию биоты - часто использует флору и отдельные виды растений, так как растения весьма чувствительны к загрязнению вплоть до полного исчезновения видов из измененных местообитаний. Если растения все же выживают в загрязненных местообитаниях, то наиболее явственно дефекты проявляются в изменении морфологии вегетативных органов. Состояние растений оценивают, например, по морфометрическим показателям: длине и ширине листовых пластин и черешка листа, длине хвои, величине годичного прироста веток, расстоянию между основаниями жилок второго порядка листовых пластин и т.д. Также определяют долю листьев с особыми заболеваниями, вызванными неблагоприятными условиями среды – хлорозом или некрозом; важны и другие показатели: форма кроны, соотношение размеров частей дерева, параметры, близкие к эстетическим, такие как золотая пропорция, ритм, симметрия, фрактальность. Для промышленных центров отмечены особые видоизменения, схожие с растениями засушливых местообитаний: уменьшение размеров листьев, измельчание клеток, утолщение эпидермиса, кутикулы и сужение устьиц.

Органы размножения растений и семена защищены от воздействия сторонних факторов лучше, чем вегетативные, к тому же изменения репродуктивной системы не столь явственны, соответственно им уделено меньше внимания в общем ряду исследований. Впрочем, репродуктивная система также может служить критерием экологического благополучия. Так, процессы формирования и развития пыльцы чувствительны к воздействию техногенной нагрузки. Палинологический анализ, учитывающий соотношение нормальных, уродливых (тератоморфных) и стерильных пыльцевых зерен, является важным методом мониторинга окружающей среды. Для разных регионов предпочтительны свои тест-объекты, например, для Воронежской обл. – дуб, для Карелии – береза, а для Красноярского края – пихта. Под действием загрязнителей снижается количество шишек хвойных деревьев и уменьшается число нормально развитых семян. Тем не менее, работ, посвященных изучению антропогенного влияния на репродукцию растений, сравнительно немного.

Дефектная пыльца сем. Вересковые (стрелками и кругами показаны патологические рубцы). Фотографии из статьи Дзюба О.Ф. «Изучение пыльцы из поверхностных проб для оценки качества окружающей среды»

Статья К.П. Глазуновой, сотрудницы биофака МГУ, и ее коллеги из Нюренберга М.П. Солнцевой является систематизированным обзором европейских исследований по изучению репродукции семенных растений в условиях антропогенных воздействий.

Авторы отмечают, что вычленение конкретного загрязняющего вещества, индуцирующего аномалии в репродуктивной сфере, затрудняется разнесением во времени негативного стимула и реакции репродуктивных структур. В частности, в средней полосе закладка половых органов андроцея и гинецея в бутонах многолетников происходит осенью, а цветение и плодоношение – весной, а у сосны период от закладки репродуктивных органов до вылета зрелых семян из шишки занимает еще больше времени – почти два года.

Рассматриваемые в статье исследования сгруппированы по органам-мишеням антропогенного воздействия.

В цветке загрязняющие факторы могут вызвать изменение размеров и числа лепестков, срастание цветков, уменьшение их количества в соцветиях. Высокие концентрации тяжелых металлов, например, свинца и кадмия, меняют окраску цветков всем известной мать-и-мачехи с желтой на красную.

В техногенных ландшафтах у сосны варьирует строение и численность микроспорофиллов, т.е. чешуек мужских шишек. У цветковых растений варьирует число тычинок, степень изменчивости зависит от видовой принадлежности растения. Под воздействием загрязнителей атрофируются пыльники тычинок, особенно на ранних этапах своего развития. При образовании пыльцы происходят характерные нарушения цитоскелета, например, сбои при мейозе, связанные с проблемами деления цитоплазмы, с цитокинезом или с аномальным расхождением хромосом. В результате нарушается формирование микроспор, возникают многоядерные или разноплоидные стерильные пыльцевые зерна. Под микроскопом дефектную пыльцу легко отличить по внешнему виду: она состоит из смятых клеток неправильной формы с нарушенной оболочкой, со сгустками разрушенной цитоплазмы или вообще без цитоплазмы, она может быть слишком мелкой или гигантской. Прорастание пыльцы при высоком уровне загрязнения снижается более чем на 70%.

Женская репродуктивная система менее восприимчива к воздействию загрязнителей, но и здесь возможны нарушения цитокинеза во время формирования макроспор и семян. Эндосперм цветковых растений относительно стабилен за счет своей триплоидности, однако в нем тоже регистрируются сильные нарушения.

Отмечена большая уязвимость корня зародыша по сравнению с другими его частями: это связано, по-видимому, с тем, что корень прорастает первый, и в его клетках метаболизм более интенсивен. Нужно заметить, что и для других активно делящихся тканей – меристем также установлено интенсивное поступление токсических соединений.

Несмотря на низкое по сравнению с другими органами растений содержание токсических веществ в семенах, их вес, размер, количество и всхожесть уменьшается в условиях техногенной нагрузки.

В статье подчеркивается, что резистентность различных видов растений к антропогенному воздействию не одинакова; растения, произрастающие на территории промышленного производства, могут вырабатывать устойчивость к присутствию загрязняющих веществ.

Авторы акцентруют внимание на существовании критических периодов развития репродуктивной системы, когда стороннее негативное воздействие может принести наибольший ущерб (описание периодов при образовании пыльцы: «Микроспорогенез и формирование пыльцевого зерна у Dioscorea nipponica») Однако в настоящее время теория, постулирующая общие закономерности развития растений, в том числе включающие и репродукцию, далека от завершения. Этим объясняется отсутствие полных и планомерных исследований негативных антропогенных воздействий на растения.