Сравнительная радиочувствительность семян
При остром и хроническом облучении
Радиобиологические эффекты растений
Основное назначение семян – сохранение до всходов генетической информации вида. После облучения семян ионизирующим излучением изучают ростовые реакции проростков и вегетирующих растений на разных фазах их развития, т. е. от всходов до полного созревания.Радиобиологические реакции семян зависят от многих факторов, среди которых наибольшее значение имеютдоза облучения, условия и способы облучения и биологические особенности семян.Облучение семян в малых дозах (десятые доли грея) отрицательных последствий не вызывает. При облучении дозой от 1 до 25 Гр наблюдается стимуляция ростовых процессов в результате ускорения клеточного деления и роста растений. Облучение в повышенных дозах (30–50 Гр и более) вызывает задержку ростовых процессов, которая может быть кратковременной или длиться весь период вегетации. Облучение дозами более 100 Гр приводит к полной потере способности клеток меристем к делению, поэтому проростки растут только за счет растяжения клетки. Согласно классификации Е.И. Преображенской, семена по радиочувствительности разделяются на три группы:
1-я группа–радиочувстительные семена (1–25 Гр);
2-я группа–среднерадиочувствительные семена (25–100 Гр);
3-я группа–высокорадиоустойчивые семена (более 100 Гр).
В этой классификации радиочувствительность оценивалась по критерию выживаемости растений к концу вегетационного периода.
При одинаковой величине дозы облучения и одинаковой мощности дозы облучения максимальные радиобиологические эффекты у семян наблюдаются при облучении их альфа- и бета-излучением. При фракционировании дозы радиоустойчивость снижается, потому что усиливается поражение клеток зародыша.
Большое влияние на радиочувствительность семян оказывают их влажность, температура, наличие кислорода и пострадиационные условия питания. Для прорастания семян необходимо наличие воды, поэтому при облучении влажных семян создаются условия для большего выхода свободных радикалов Но и ОНо и их активного взаимодействия с кислородом. Следовательно, с увеличением влажности семян их радиочувствительность возрастает. Максимальная радиоустойчивость отмечается у семян, находящихся в воздушно-сухом состоянии, т. е. в состоянии покоя. Семена, облученные в атмосфере кислорода, повреждаются сильнее, чем облученные в атмосфере азота, инертного газа и в вакууме. Это связано с проявлением кислородного эффекта. Кислородный эффект характеризуется, с одной стороны, усилением поражения клеток зародыша, а с другой – увеличением интенсивности процессов репарации. При наличии кислорода по причине образования большего количества перекисных соединений усиливается поражение клеток зародыша. При нагревании семян в клетках зародыша уменьшается содержание воды и кислорода, поэтому повышается их радиоустойчивость. Максимальная радиочувствительность семян проявляется при облучении в оптимальной температуре и при оптимальной влажности. Установлено, что облучение семян при температуре сухого льда (-78 оС) приводит к меньшему поражению клеток зародыша, чем облучение при нормальной температуре (20 оС). При прорастании облученных семян на радиочувствительность может оказывать влияние наличие в питательной среде основных элементов питания. Установлено, что повышенное содержание азота способствует ускорению деления клеток и повышению радиочувствительности. В то же время оптимальное содержание фосфора, калия и кальция способствует повышению радиоустойчивости.
Среди биологических особенностей наибольшее влияние на радиочувствительность семян оказывают филогенез, состояние зародыша, набор и объем хромосом в клетках зародыша, возраст, размер и биохимический состав семян.Установлено значительное влияние на радиочувствительность семян филогенеза, или эволюционного развития. Максимальная радиочувствительность отмечена у семян голосеменных растений. Семена покрытосеменных растений более радиоустойчивы. Среди цветковых более древние примитивные формы имеют повышенную радиочувствительность (семена семейств магнолиевых и лилейных), чем более поздние. Семена древесных и кустарниковых форм более радиочувствительны, чем травянистых. Радиочувствительные и среднерадиочувствительные семена имеют растения класса однодольных. Семена двудольных растений по радиочувствительности равномерно распределены по трем группам. Связь радиочувствительности с филогенезом наблюдается не только в пределах семейств и родов, но и в пределах вида. Например, для рода Triticum (пшеница) виды, возникшие в более ранние периоды эволюции, более радиочувствительны. Согласно данным табл. 2 для Triticum monocoсcum, имеющей более раннее эволюционное происхождение, полулетальная доза (ЛД50) составляет 150–200 Гр, а для Triticum aestivum, которая имеет более позднее происхождение, полулетальная доза составляет более 600 Гр. Виды пшеницы различаются по количеству хромосом. Для Triticum monocoсcum 2n = 14; для Triticum dicoccum 2n = 28; для Triticum spelta, Triticum compactum, Triticum сpaerococcum и Triticum aestivum 2n = 42. Поэтому здесь подтверждается закономерность, указывающая на то, что чем больше хромосом, тем выше радиоустойчивость, или чем меньше хромосом, тем выше радиочувствительность.
Т а б л и ц а 2. Радиочувствительность видов рода Triticum
| Вид пшеницы | Полулетальная доза (ЛД50), Гр |
| Triticum monocoсcum | 150–200 |
| Triticum dicoccum | 250–300 |
| Triticum spelta | |
| Triticum compactum | Более 350 |
| Triticum сpaerococcum | Более 500 |
| Triticum aestivum | Более 600 |
У семейства бобовых близкородственные формы имеют одинаковые фенотипические и генотипические изменения, вызванные облучением. Кроме видового полиморфизма у многих растений выявлен сортовой и внутрисортовой полиморфизм по радиочувствительности. При этом сортовое различие составляет от 1,5 до 5 раз, а внутрисортовое различие (между линиями сорта) доходит до 3 раз. На радиочувствительность семян оказывает влияние состояние зародыша в момент облучения. На семенах зерновых культур установлено, что семена, облученные в состоянии неполной зрелости, т. е. в фазах молочной и восковой спелости, более радиочувствительны, чем семена, находящиеся в фазе полной спелости. Это объясняется тем, что в фазе полной спелости зародыш хорошо развит и полностью сформирован, а в фазах молочной и восковой спелости зародыш недоразвит и поэтому более радиочувствителен. Хромосомы, находящиеся в зародышевых клетках семени, при облучении семян также повреждаются. При этом повреждение семян зависит от степени повреждения хромосом. Выявлено, что чем больше объем ядерных хромосом, тем выше радиочувствительность семян. В то же время чем выше плоидность (или чем больше хромосом в клетках), тем выше радиоустойчивость семян. У большинства видов семена тетраплоидных форм более устойчивы к облучению, чем семена диплоидных форм.
С увеличением возраста семянили длительности их хранения радиочувствительность возрастает. Это доказано при анализе частоты хромосомных аберраций в клетках меристем проростков. Например, при хранении семян пшеницы 13–17 лет в клетках меристем регистрировалось на 40 % больше хромосомных нарушений, чем при хранении семян в течение 2–3 лет. Зависимость радиочувствительности семян от их размераносит случайный характер. При этом в некоторых случаях установлено, что с увеличением размера семян возрастает их радиочувствительность. Это четко прослеживается на семенах бобовых культур, у которых в зависимости от размера значительно изменяется величина полулетальной дозы (ЛД50). При этом выявлено, что чем крупнее семена, тем меньше величина полулетальной дозы (табл. 3).
Т а б л и ц а 3. Радиочувствительность семян бобовых культур
| Культура | Полулетальная доза (ЛД50), Гр |
| Бобы | 40–60 |
| Горох | 120–270 |
| Маш | 300–500 |
| Клевер | 500–700 |
| Люцерна | 700–900 |
Согласно данным таблицы, 50 % семян бобов погибает при дозе 40–60 Гр, а люцерны – при дозе 700–900 Гр. Разница радиочувствительности семян между бобами и люцерной составляет 15 раз.
На радиочувствительность оказывает влияние биохимический состав семян.Семена с повышенным содержанием жира (ненасыщенных жирных кислот), аскорбиновой кислоты, ауксинов, аминокислот, железа, кальция, бора, а также веществ, имеющих в составе сульфгидрильную группу, выделяются высокой радиоустойчивостью.
В качестве критериев радиочувствительности семяниспользуют энергию прорастания и лабораторную всхожесть семян, полевую всхожесть, выживаемость проростков, процент поврежденных клеток в меристемах проростков, процент хромосомных аберраций в клетках меристем проростков, снижение митотической активности в клетках меристем и нарушение роста и развития проростков.