Стерильность пыльцы некоторых тест - растений, как показатель качества среды

· на многие виды воздействия стандарты  отсутствуют;

· многие стандарты разработаны  на основе приблизительных данных (недостаточно проверенных, неточных или неполных) и, таким образом, их область применения ограничена;

· стандарты основаны на представлении о "пороговом воздействии", в то время как многие виды воздействия (например, ионизирующее излучение) не имеют порогового значения: не исключено, что их влияние проявляется при сколь угодно малых величинах;

· стандарты не всегда годятся для учета непрямых, кумулятивных воздействий, синергетического действия нескольких факторов;

· стандарты редко применимы  для учета уникальных условий, характерных  для конкретной ситуации.

Очень близок к сравнению со стандартами  метод оценки значимости, основанный на сравнении величины воздействия с усредненными значениями данного параметра для рассматриваемой местности. Такой метод вносит в оценку значимости элемент "контекста", учета местной ситуации. К этому типу методов относится сравнение параметров состояния окружающей среды с фоновыми значениями. Сравнение величины воздействий со стандартами или с характерными значениями является "объективным" методом оценки значимости воздействий (хотя стандарты, конечно, могут рассматриваться как субъективная величина) [1].

1.1.2 Биологические методы оценки и биотестирование

Оценка степени загрязнения  может быть проведена с использованием физико-химических и биологических  методов. Биологические методы оценки - это характеристика состояния экосистемы по растительному и животному населению.

Любая экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет  сложную систему подвижных биологических  связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологический метод оценки состояния системы позволяет решить задачи, разрешение которых с помощью физических и химических методов невозможно. Рекогносцировочная оценка степени загрязнения по составу бионтов позволяет быстро установить его санитарное состояние, определить степень и характер загрязнения и пути его распространения в экосистеме, а также дать количественную характеристику протекания процессов естественного самоочищения.

Биотестирование - использование в  контролируемых условиях биологических  объектов (тест-объектов) для выявления  и оценки действия факторов (в том  числе и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную  функцию или систему организмов.

Наиболее полно методы биотестирования  разработаны для гидробионтов и  позволяет использовать их для оценки токсичности загрязнений природных  вод, контроля токсичности сточных  вод, экспресс - анализа в санитарно-гигиенических  целях, для проведения химических анализов в лабораторных целях и решения целого ряда других задач.

В зависимости от целей и задач  токсикологического биотестирования  в качестве тест - объектов применяются  различные организмы: высшие и низшие растения, бактерии, водоросли, водные и наземные беспозвоночные и другие.

Например, при сбросе в водоем токсических  веществ, содержащихся в промышленных сточных водах, происходит угнетение  и обеднение фитопланктона. При  обогащении водоемов биогенными веществами, содержащимися, например, в бытовых стоках, значительно повышается продуктивность фитопланктона. При перегрузке водоемов биогенами возникает бурное развитие планктонных водорослей, окрашивающих воду в зеленый, сине-зеленый, золотистый, бурый или красный цвета ("цветение "воды). "Цветение" воды наступает при наличии благоприятных внешних условий для развития одного, редко двух-трех видов. При разложении избыточной биомассы, выделяется сероводород или другие токсичные вещества. Это может приводить к гибели зооценозов водоема и делает воду непригодной для питья. Многие планктонные водоросли в процессе жизнедеятельности нередко выделяют токсичные вещества. Увеличение в водоемах содержания биогенных веществ в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождаемые чрезмерным развитием фитопланктона, называют антропогенным эвтрофированием водоемов [1].

Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает  выявление уже состоявшегося  или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Постепенные же изменения видового состава формируются в результате длительного отравления водоема, и явными они становятся в случае в случае далеко идущих изменений. Таким образом, видовой, видовой состав гидробионтов из загрязняемого водоема служит итоговой характеристикой токсикологических свойств водной среды за некоторый промежуток времени и не дает ее оценки на момент исследования [2].

Помимо этого возможно проводить мониторинг состояния окружающей среды с помощью пыльцы растений. Стерильная и фертильная пыльца растений отличаются по содержанию крахмала. Нормальное содержание крахмала соответствует стадии завершения формирования спермиев. Фертильные пыльцевые зерна целиком заполнены крахмалом, а стерильные – его не содержат или имеют только следы крахмала. При действии раствора йода, фертильные пыльцевые зерна окрашиваются в охристо-коричневый цвет различной «плотности», а стерильные или совсем не окрашиваются, или окрашиваются фрагментарно на 20-30%, приобретая слабый, почти прозрачный желтый тон.

1.2 Микроспорогенез и развитие мужского гаметофита

1.2.1 Образование микроспор

Дифференциация тычинок в цветковых  почках происходит на самых ранних фазах их образования. Бугорок тычинки представляет комплекс меристематических клеток и сначала не дифференцирован на тычиночную нить и пыльник. В дальнейшем из нижней части бугорка тычинки развивается тычиночная нить, а верхняя часть дает начало пыльнику.

Меристематические клетки в бугорке пыльника бывают изодиаметричной формы и имеют крупные ядра и густую цитоплазму. В периферических слоях бугорка пыльника начинают развиваться отдельные комплексы клеток, вследствие чего пыльник приобретает четырехлопастную форму. В каждой из лопастей закладывается гнездо пыльника – микроспорангий. В период развития микроспор эти гнезда объединяются между собой в результате разрушения промежуточных слоев клеток. Клетки, составляющие гнездо пыльника, начинают усиленно делиться и увеличиваться в размерах. Комплексы этих клеток образуют спорогенную ткань и часто называются археспорием пыльника. Обычно они бывают крупнее остальных клеток пыльника и имеют более густую цитоплазму и крупные ядро и ядрышко. Эти клетки, носящие название первичных клеток археспория, претерпевают одно или несколько делений, в результате которых каждая из клеток образует внешнюю, прилегающую к эпидермису, постенную клетку и внутреннюю клетку вторичного археспория, преобразующуюся впоследствии в материнскую клетку микроспор [3].

При изучении развития и строения стенок пыльника в онтогенезе видно, что внешний его слой формируется в покровную ткань – эпидермис, состоящую из одного слоя несколько сдавленных, таблитчатых клеток. Далее за ним у многих покрытосеменных растений возникает так называемый фиброзный (волокнистый) слой, или эндотеций. Клетки этого слоя на боковых стенках имеют утолщения в виде особых поясков, облегчающих растрескивание пыльника продольной щелью. Непосредственно за фиброзным слоем лежат три слоя постенных клеток, лизирующихся по мере развития пыльника; среди них сохраняется лишь самый внутренний слой, идущий на образование тапетума пыльника. В более редких случаях тапетум возникает из клеток первичного археспория. Тапетум, как и постенные клетки является преходящим образованием; вскоре после мейоза (в фазе распада тетрад микроспор) клетки тапетума начинают уже резорбироваться. В процессе формирования пыльцы тапетуму принадлежит значительная роль: все пластические вещества, предназначенные для питания спорогенной ткани и материнских клеток микроспор, поступают через него [4].

Описаны три типа деления ядер клеток тапетума.

1. Нормальный митоз без цитокинеза – положение ядер сближенное, деление протекает обычным путем. Клетки двухъядерные, реже четырехъядерные.
2. Задержанный тип деления – неправильное расхождение хромосом в анафазе и образование мостов из отстающих хромосом, приводящее к возникновению гантелевидных ядер. Этот тип деления был описан Купером (1933) у лилейных (Liliaceae).
3. Эндомитоз, или внутреннее деление ядра, при сохранении ядерной оболочки и ядрышка. В результате все образовавшиеся хромосомы остаются в ядре и клетки тапетума имеют тетраплоидные ядра. Этот тип деления был описан Мейером (1925) у сложноцветных, Броуном (1949) у пасленовых и Уиткусом (1945) у шпината (Spinacia oleracea).

Первый тип деления ядер в  клетках тапетума является наиболее распространенным [3].

У покрытосеменных  растений различают два типа тапетума: 1) секреторный, или железистый, когда клетки сохраняют свое положение, разрастаясь в продольном направлении, а ядра гипертрофированы, и 2) тапетальный (амебоидный) периплазмодий, когда стенки клеток тапетума частично растворяются в конце мейоза в материнских клетках микроспор и их протопласты врастают в полость пыльника, внедряясь между материнскими клетками микроспор (нетипичный периплазмодий). Описан и другой тип периплазмодия – типичный, когда протопласты отдельных клеток сливаются в общую массу.

У покрытосеменных  растений наиболее распространен секреторный  тип тапетума.

Процесс формирования микроспор из материнских клеток называется микроспорогенезом.

Во время  микроспорогенеза происходит мейоз, состоящий  из двух делений (I и II деления), в результате образуются тетрады микроспор [4].

Известны  три типа образования тетрад микроспор: сукцессивный (последовательный), промежуточный и симультанный (одновременный).

При сукцессивном типе развития после первого деления  мейоза возникает перегородка из фрагмопласта веретена, которая, деля материнскую клетку на две дочерние, образует диаду клеток. После второго деления мейоза снова закладывается перегородка в каждой из сестринских клеток, в результате чего протопласт материнской клетки последовательно образует тетраду микроспор.

При этом типе развития микроспор между первым и вторым делениями мейоза наступает интерфаза. В зависимости от погодных условий в период микроспорогенеза интерфаза может быть довольно продолжительной.

При симультанном типе развития микроспор разделение цитоплазмы материнской клетки на четыре микроспоры осуществляется без участия веретена первого и второго делений мейоза. При этом у периферии протопласта материнской клетки, содержащего четыре ядра (после двух делений мейоза), образуются борозды, одновременно разделяющие содержимое клетки на четыре равные части. Перешнуровывание протопласта материнской клетки на четыре отдельные микроспоры происходит от периферии к центру. При этом типе развития микроспор интерфаза между первым и вторым делением мейоза обычно бывает сокращена.

Сукцессивный  тип развития тетрад микроспор чаще наблюдается у однодольных растений, симультанный – у двудольных. Реже симультанный тип образования микроспор встречается у некоторых однодольных растений (ситниковых, осоковых, орхидных), а сукцессивный – у некоторых двудольных (например, у ластовневых). Полагают, что сукцессивный тип – более прогрессивный, а симультанный более примитивный. Кроме этих двух основных типов, у некоторых видов растений (например, у многоплодниковых – семейство магнолиевые) описан промежуточный тип образования тетрад микроспор, который характеризуется заложением неполной перегородки после первого деления мейоза, а дальнейший процесс развития микроспор происходит чаще по симультанному типу [3].

Микроспоры  в тетрадах пыльцы могут располагаться  различным образом. Установлены следующие пять типов: тетраэдрический, изобиллатеральный, крест-накрест, Т-образный и линейный.

При сукцессивном типе развития микроспоры обычно располагаются изобиллатерально, в крайне редких случаях встречается  Т-образное, у кирказона (Aristolochia), или линейное расположение, например, у взморника (Zostera). При симультанном типе микроспоры часто располагаются в форме тетраэдра.

Микроспоры у некоторых видов  покрытосеменных растений продолжают оставаться соединенными в тетрады  в течение всего гаметогенеза, образуя так называемую сложную пыльцу. Формирование ее наблюдалось в семействах вересковые (Ericaceae), ситниковые (Juncaceae), у некоторых орхидных (Orchidaceae), мимозовых (Mimosaceae) и ластовневых (Asclepiadaceae). Иногда микроспоры склеиваются между собой в пыльцевые комки, называемые поллиниями (у орхидных, мимозовых) [4].

1.2.2 Гаметогенез

После растворения оболочки материнской  клетки вокруг микроспоры начинает возникать  собственная оболочка и микроспора превращается в пыльцевое зерно. Вначале пыльцевое зерно имеет густую цитоплазму без ясно выраженной вакуолизации и ядро помещается в центре клетки. По мере усиления обмена веществ в цитоплазме пыльцевого зерна постепенно формируется вакуоль; вначале образуется несколько мелких вакуолей, которые, сливаясь между собой в одну крупную, оттесняют первичное ядро пыльцевого зерна к клеточной стенке [3].

В зависимости от условий произрастания  растений длительность интерфазы первичного ядра пыльцевого зерна колеблется в  самых широких пределах. Так, у растений тропиков и субтропиков интерфаза пыльцевого ядра продолжается в течение нескольких часов, у однолетних растений умеренного климата она длится от одних суток до нескольких дней или недель: у подсолнечника от 18 до 24 часов, у традесканции от 4 до 5 дней, у древесных (орешник, ольха, береза) от 2 до 3 недель; у представителей семейства орхидных этот период бывает более продолжительным – от 2 недель до 1 месяца.

Вокруг микроспоры образуются две  оболочки: внешняя – экзина и внутренняя – интина, предохраняющие содержимое клетки от потери воды. Формирование этих новообразований обычно начинается на ранних стадиях развития мужского гаметофита, вскоре после распада тетрады микроспор. Экзина состоит из клетчатки, в состав которой входит углевод – полленин (С₉₀Н₁₄₄О₂₄), чрезвычайно стойкое вещество, не растворяющееся в серной кислоте. Иногда для большей непроницаемости экзина бывает еще и кутинизирована.

У многих видов покрытосеменных растений внешняя поверхность экзины часто имеет хорошо выраженную шероховатость, исчерченность, обусловленную присутствием на ней зубчиков, шипиков, сетчатых утолщений, углублений, пластинок. Рисунок внешней поверхности экзины является отличительным морфологическим признаком для различных семейств, родов и видов. Поэтому строение экзины имеет большое значение в палеоботанике для определения систематических групп растений. На характеристике структурных особенностей экзины построен пыльцевой анализ ископаемых форм [5].