7.4. Влияние техногенного загрязнения почв на формирование структуры урожая ячменя

Исследованиями прошлых лет (1996-98 гг.) установлен характер мутагенного действия на геном растения компонентов техногенных почв Якутии (Алданский улус – золотодобывающая промышленность) и идентичность их влияния с действием ауксиноподобных веществ на растение (Скрыбыкина, 1996).

В свою очередь, устойчивость растений к некоторым ауксиноподобным препаратам объясняется различной их способностью к образованию коньюгатов этих веществ с аминокислотами и белками (Земская и др., 1995), различной степенью инактивациии в реакциях с сахарами (Романовская и др., 1982), отношениями в скорости поступления и транспорта веществ в растении также степенью их детоксикации (Пикуш, 1985). Высказывается еще одно оригинальное мнение по поводу различной устойчивости культурных растений к мутагенам, заключающееся в разном соотношении доминантных и рецессивных генов (Герасименко и др., 1973; Матвиенко, 1971).

Сопряженность в наследовании приобретенных признаков имеет при этом разную причинную связь. Здесь можно, прежде всего, выделить плейотропный эффект гена. Плейотропный же эффект разделяется на две группы: прямая плейотропия, обусловленная на метаболизме или «физиологическую среду» генов, детерминирующий второй признак и опосредованная плейротропия, т.е. эффект первого признака на проявление или экспрессию второго признака посредством чисто количественных взаимоотношений. Общепризнанная корреляционная зависимость между компонентами структуры урожая в большинстве случаев представляет собой не что иное, как опосредованную плейротропию, отражающую наличие обратной связи между развитием признака по генетической программе, скорректированной условиями внешней среды (Асфандиярова, 1979; Топорнина, 1971).

Известно, что при постоянном введении ауксиноподобных веществ в агроценозы они становятся компонентами среды и в силу их активного влияния на функции ядра клетки растения могут быть мутагенными факторами, вносящими необратимые изменения в геном растений (Хангильдин и др., 1979). Естественно возникает вопрос: ограничивается ли мутагенное действие техногенного загрязнения почв одной репродукцией или сохраняется в последующих поколениях.

На этот вопрос мы попытались ответить при постановке многолетних полевых экспериментов проведенных в 1997,1999,2001 и 2002 гг.

В качестве модельного тест-объекта был выбран ячмень шестирядный сорта Тамми (сорт районирован в РС (Я)).

При выборе тест-объекта решающую роль сыграло, наряду с удобством ячменя для генетических исследований, расширение, за последние годы, посевов ячменя в Республике.

Ячмень в Якутии является теперь основной зернофуражной культурой. При откорме животных он дает наиболее высокий эффект, особенно при дефиците белковых добавок. Так при откорме животных на 1 кг прироста расходуется 4,0-4,3 кг зерна ячменя, а пшеницы: 6,0-6,7 (Иванова, 2000). Последнее объясняется тем, что белок других зерновых культур менее полноценен, чем белок ячменя, который лучше сбалансирован по аминокислотному составу, у него больше нуклеиновых кислот, в частности лизина, недостаток которого снижает приросты у животных. Применение ячменя в виде добавки в комбикорм способствует также повышению удоя молока и выносливости крупного рогатого скота в период длительного зимнего стойлового содержания в условиях Севера (Мярикянов, 1981).

В отношении генетического изучения - ячмень, по сравнению с другими культурными злаками, является наиболее удобным и интересным растением. Причиной тому:

- закрытое цветение, когда колос еще находится во влагалище листа;

- малое количество хромосом, которое насчитывается у всех культурных форм этого весьма полиморфного вида, только 7 (Петропавловский, 1936);

- клетки корневой меристемы проростков ячменя удобны как объект для изучения цитогенетического действия химического агента (Блиновский и др., 1999).

Исходный семенной материал для опытов выращен в техногенных землях Алданского улуса (Устье р. Селигдар. Поле зерновых. Степень техногенного загрязнения почв – средняя). Семена популяций I, II, III, IV семенного поколений выращены на фоновом участке.

В качестве фонового выбран участок, расположенный на территории Якутского ботанического сада (среднее течение р. Лена – Долина Туймаада).

Выбор участка обоснован сравнительным экологическим благополучием его почвенной среды по содержанию элементов, входящих в перечень токсикантов - компонентов техногенных почв (золотодобывающая промышленность): Ti, Zn, Co, Ni, Pb, Cr, Cu (табл. 7.4.1).

Как следует из табл. 7.4.1 в загрязненных почвах содержание названных элементов значительно превышает, чем в почвенной среде фонового участка. При этом содержание Ti в загрязненных почвах колеблется от 3000 до 5000 мг/кг, что в 1,5 раза выше фонового показателя.

Содержание же Zn, Co, Ni, Pb, Cr, Cu в техногенных почвах оказалось выше фонового в 1,5 – 4,7 раза. Почва участка – мерзлотная лугово–черноземная супесчаная, со средним содержанием элементов минерального питания (Петрова и др., 2000).

Опыты заложены по зяблевой вспашке и весенней перепашке с боронованием. Семена высеяны четырехрядковыми делянками площадью 5 м² - четырьмя блоками. Норма высева – 400 зерен на 1м².

Растительные пробы на сноповой и биохимический анализы брали, с двух средних рядов делянки, в фазу полной спелости. В лаборатории определяли биологический урожай воздушно - сухой наземной массы растений и массы его корневой системы. Определяли также воздушно- сухую массу отдельных частей растений: зерна (в период полной спелости), остей, соломы, листьев; общее количество побегов, в том числе продуктивных, определяли массу 1000 зерен по методике Блиновского и др. (1999).

Таблица 7.4.1.

Содержание микроэлементов в почвах фонового опытных участков, мг/кг. Исследования 1996-97 гг.

N	Наименование участков	Элементы
		Be	Ti	Zn	Co	Ni	Pb	Cr	Cu
1	Фоновый (Долина Туймаады. Якутский ботанический сад)	не обнаружено	2000	70	7	20	15	50	20
2	Опытный (Устье р. Селигдар Алданский улус)5	3	3000	200	30	30	70	100	50
3	ПДК	-	5000	1101	30	35	фон + 201, 204	1002	231, 4
4	Кларк мировых почв	64	40004		104	404	104	200	204
5	Нормальное содержание	1,73	4300	10-1403	8	27-403	213	2-2003	253

Примечание: 1. ПДК Pb – фон принят равным 12 мг/кг (Соколов и др., 1999), (19);

2. Загрязняющие вещества…, 1991 (6);

3. данные по Кабата – Пендиас и др. (1989) (9);

4. данные по Саввинову Д.Д. и др. (1992) (18);

5. Устье р. Селигдар. Поле зерновых. Степень техногенного загрязнения почв – средняя.

Известно, что у ячменя к наиболее изменчивым признакам относятся: число зерен на растении, кустистость, масса зерна с растения. К более константным, с низким коэффициентом изменчивости принадлежат следующие признаки: длина стебля, длина колоса, количество зерен в колосе. При оценке наследуемости признаков именно этим признакам уделяют основное внимание, так как различия между особями одной популяции в большей степени зависят от их наследственности, чем от условий среды (Топорнина, 1971).

Длина стебля. При использовании моносомно-генетического анализа было сделано предположение о том, что длина стебля контролируется одним сильным рецессивным геном и несколькими генами с более слабым эффектом (Глинный, 1935; Примак и др.,1978).

Нашими исследованиями прошлых лет (1996-1997 гг.) установлено, что снижение длины стебля, отмеченное у ячменя, выращенного на фоне техногенного загрязнения почв поллютантами золотодобывающей промышленности (Алданский улус) может передаваться в популяции первого семенного поколения (F₁) (табл.7.4.2). При этом средняя длина стебля контрольных растений равнялась 63,30±1,50 см, F₁ – 59,30 ± 0,75 (разница в показателях - 4,00 см).

Интересно отметить, что эта разница передавалась в популяциях II и III семенных поколений (F_2, F₃), разница в показателях и здесь колебалась в пределах 4,41-5,61 см (табл. 7.4.3).

В популяциях IV поколения (F₄) (табл. 7.4.3) разница в показателях резко возросла (опыт – 43,50±1,3; контроль – 51,90±1,7) и достигла 8,4 см.

Длина колоса. Как следует из табл. 7.4.2 отмечено уменьшение длины колоса растений первого семенного поколения (F₁) на фоне техногенного загрязнения почв (длина колоса опытных растений составила 3,9±0,24 см, контроля – 4,40 ±0,16 см). Изменения длины колоса опытных растений передавались в популяции второго поколения.

При пересеве семян растений F_{2 ЭТИ ИЗМЕНЕНИЯ СОХРАНЯЛИСЬ ПОЛПУЛЯЦИЯХ} F₃, F_4.

Количество зерен в колосе. В популяциях первого поколения зарегистрированы достаточно четкие нарушения в формировании зерна у ячменя на фоне техногенного загрязнения почв (табл. 7.4.2). Так, если количество зерен в колосе контрольных растений равнялось 38,00±1,45; то у опытных растений образовалось 33,00±1,10 штуки зерен.