Материал: Экзамен радиобиология готовые ответы

- увеличивается проницаемость мембран тканевых клеток;

- происходит деполимеризация высокомолекулярных веществ, что облегчает экстракцию многих компонентов природного сырья;

- благодаря образованию свободных радикалов молекул облучаемого вещества ускоряется реакция окисления с участием кислорода воздуха;

- в облученной ткани происходит активация определенных ферментов, что приводит к ускорению ряда ферментативных процессов.

Типичным примером ускорения медленно идущих процессов является ускорение созревания коньячных спиртов. Для этого коньячный спирт настаивают на дубовых стружках, облученных в дозе 200 кГр, что позволяет через 20 суток получить коньяк, который по ряду показателей занимает место между коньяком 3- и 5-летней выдержки. Радиационное ускорение созревания коньяка обусловлено следующими основными причинами:

1) частичным радиолизом высокополимерных веществ древесины (клетчатки, гемицеллюлозы, лигнина и др.), что приводит к усилению экстракции ряда веществ из дубовых стружек, в том числе и дубильных веществ;

2) образованием свободных радикалов веществ дубовой древесины, которые при доступе воздуха образуют активные перекиси, гидроперекиси и семихионы, ускоряющие процессы окисления;

3) радиолизом лигнина с образованием свободных радикалов лигнина, которые при настаивании спирта взаимодействуют с кислородом, образуя ряд ароматических альдегидов – ванилина, сиреневого альдегида и др.;

4) радиолизом белков древесины и повышенной экстракцией аминокислот;

5) радиолизом простых сахаров и радиационным окислением продуктов гидролиза глюкозидов.

Ионизирующие излучения используют для ускорения ферментативных процессов. При облучении растительного сырья чая и табака гамма-излучением ускоряется процесс ферментации листьев за счет усиления активности ферментов пероксидаз и полифенолоксидаз, поэтому ускоряется послеуборочное созревание и улучшается качество.

В хлебопекарной промышленности для ускорения размножения стимулирующими дозами облучают дрожжи, при этом ускоряется подъем теста, увеличивается высота выпечки и улучшаются вкусовые качества. Облучение дрожжей, плесеней, грибов, бактерий в относительно малых дозах может стимулировать ряд метаболических процессов и, в частности, синтез ценных веществ – аминокислот, ферментов, антибиотиков, которые с успехом используются в пищевой промышленности для разных целей.

37. Использование ионизирующих излучений для предпосевного облучения семян и посадочного материала.

В растениеводстве среди РБТ, основанных на стимулирующем действии ионизирующего излучения, выделяют шесть следующих процессов.

1. Предпосевное облучение семян зерновых, овощных и других, культур, с целью повышения урожая и улучшения качества продукции.

Явление эффекта стимуляции развития можно объяснить образованием в клетках семени биологически активных веществ хиноидной природы, которые в малых концентрациях активизируют рост и развитие путем неспецифической дерепрессии генома, т. е. путем перевода генов в активное состояние. Эти вещества были названы триггер-эффекторами. При этом активизируются определенные зоны ДНК, что способствует в дальнейшем более интенсивному синтезу и активности ферментов, в том числе триптофансинтетазы, которая регулирует синтез триптофана, а также синтез ростового гормона гетероауксина, что ускоряет интенсивность деления клеток, поэтому усиливаются ростовые процессы в проростках. Эффект стимуляции может сохраняться в процессе всего онтогенеза, поэтому ускоряется рост и развитие растений, что в конечном итоге приводит к повышению урожайности (рисунок 7) или проявляться только в начальных стадиях онтогенеза, что не сопровождается ростом урожайности.

Рис. 7. Роль триггер-эффекторов в радиационной стимуляции развития (поэтап­ная передача первичного импульса на последующие стадии онтогенеза): НТЭ – неспецифический триггер-эффектор; ГПВ — гиббереллиноподобные

вещества

Основной эффект предпосевного облучения семян гамма-излучением – это увеличение урожайности. При облучении семян увеличивается не только урожайность, но и улучшается его качество, т. е. повышается содержание белка, витаминов, масла, каротина, крахмала, сахарозы, клетчатки и жиров на 15–30 %.

В настоящее время определены стимулирующие дозы облучения семян для многих культур (таблица 13). Стимуляционный эффект, оцененный по величине урожайности в сравнении с контролем, по приведенным в таблице культурам составляет от 7 до 40 %, при максимальном эффекте у картофеля – 8–40 %, гороха – 15–40 % и огурцов – 10–40 %.

2. Предпосевное гамма-облучение семян овощных культур, выращиваемых в условиях закрытого грунта для более раннего созревания и повышения урожайности. При выращивании овощных культур в тепличных хозяйствах облучаются небольшие партии семян овощных и зеленных культур. Облучение семян способствует более быстрому росту растений и формированию более высокой массы товарной части. Повышение урожайности капусты белокочанной и томатов составляет до 20 %, редиса и салата – до 26 %, сельдерея – до 11 %. Сроки созревания овощных культур сокращаются на 5–10 суток.

3. Предпосевное облучение семян кормовых трав и силосных культур с целью увеличения урожайности зеленой массы и улучшения ее качества. Предпосевное облучение семян многолетних злаковых кормовых трав способствует повышению урожайности зеленой массы на 25 %, а облучение семян клевера приводит к росту урожайности зеленой массы на 25–45 %. В зависимости от почвенно-географических зон и степени окультуренности почвы урожайность зеленой массы кукурузы повышается на 10–18 %. При этом в зеленой массе кукурузы содержание белка, жира и сахаров увеличивается, поэтому количество кормовых единиц возрастает на 25 %. При выращивании подсолнечника на силос урожайность зеленой массы и содержание кормовых единиц увеличивается на 17 %.

4. Предпосевная обработка гамма-излучением или электронным излучением клубней семенного картофеля для повышения его качества и урожайности. Облучение клубней картофеля гамма-излучением в дозе 3 Гр или потоком ускоренных электронов в дозе 1 Гр за 2–6 суток до посадки приводит к выведению из состояния покоя большего количества глазков, потому что быстрее пробуждаются точки роста, в которых начинается интенсивное деление клеток, что в конечном итоге способствует более интенсивному корнеобразованию и более высокой кустистости наземной массы с повышенной фотосинтетической активностью. Повышение фотосинтетической активности наземной массы растений способствует лучшему образованию клубней и повышению их урожайности на 18–25 %. В клубнях картофеля также повышается содержание крахмала, белков и витамина С на 15–30 %.

5. Предпосевная обработка семян корнеплодов (сахарной свеклы, брюквы, турнепса, кормовой свеклы), семян технических культур (льна, хлопка, джута, кенафа), корневищ лекарственных растений (мяты, солодки и др.) и луковиц луковичных растений (лука, чеснока, цветочных луковичных растений) с целью повышения содержания ценных веществ, ускорения процессов развития, повышения урожайности и сокращения времени выгонки луковичных культур. Урожайность корнеплодов сахарной свеклы увеличивается на 25 %, а содержание сахара в корнеплодах повышается от 0,2 до 1 %. Выход волокна у технических культур возрастает на 10–15 %. Выгонка луковичных культур сокращается на 5–10 дней.

6. Предпосевная обработка рассады и черенков для ускорения приживаемости, устранения несовместимости привоя и подвоя в плодоводстве и увеличения выхода полноценных прививок. Предпосадочное облучение черенков плодовых культур приводит к усиленному образованию и росту корневой системы. Это способствует увеличению выхода полноценных саженцев и их лучшему укоренению. Облучение черенков винограда, сливы, яблони, крыжовника, черной и красной смородины повышает их способность к укоренению на 15–20 %, улучшает ростовые процессы корней, увеличивает длину и количество побегов, площадь листьев и увеличивает интенсивность фотосинтеза. В последующем стимуляционный эффект от облучения черенков наблюдается у плодоносящих кустов черной и красной смородины, крыжовника, где урожай ягод повышается на 40–60 %. В практике виноградарства часто наблюдаются процессы несовместимости подвоя и привоя, поэтому в производственных условиях может выбраковываться до 75 % привитых саженцев винограда.

Одним из эффективных способов преодоления тканевой несовместимости при прививках является применение ионизирующего излучения. При гамма-облучении в определенном интервале доз отмечается ослабление тканевой несовместимости, что увеличивает выход качественных прививок. В основе преодоления барьера несовместимости лежит подавление иммунных свойств образовательных тканей под действием определенных доз и сроков облучения.

Вторым важным и трудоемким процессом в технологии производства привитых саженцев винограда является процесс «ослепления» глазков на черенках перед прививкой, которая обычно проводится ручным способом. Проведение «ослепления» основывается, во-первых, на том, что между развитием глазков и каллусообразованием на апикальной части черенка-подвоя существует прямая зависимость, которая выражается в том, что развивающиеся глазки на подвое резко тормозят процессы каллусообразования в верхней части черенка. Отсутствие кругового каллуса на подвое приводит к недостаточному образованию сосудов и плохому их срастанию между привоем и подвоем, что в конечном итоге обуславливает значительную часть гибели прививок. Во-вторых, проведение «ослепления» основывается на том, что наибольшей радиочувствительностью обладают делящиеся клетки меристем, в частности, и меристемы глазков. Поэтому можно подобрать невысокие дозы облучения для «ослепления» глазков подвоя, которые не будут повреждать основные ткани черенка. Высокая проникающая способность гамма-излучения позволяет проводить эту операцию одновременно на большом количестве черенков, упакованных в пакеты или связанных в пучки. Для снижения дозы облучения и повышения качества «ослепления» глазков, а также регенерирующей и корнеобразующей способности черенков применяют комбинированное воздействие гамма-излучения и регуляторов роста (гибберилиновая и индолилуксусная кислоты), которые усиливают деление клеток, т. е. способствуют активации меристем конусов нарастания глазков, что повышает радиочувствительность их клеток. В то же время регуляторы роста усиливают корнеобразовательную способность черенков. Таким образом, комбинированный метод обработки черенков подвоя винограда вызывает эффективное подавление способности почек к прорастанию при отсутствии раневой реакции в местах повреждения тканей глазков. При этом способе обработки сохраняется каллусообразующая способность прививок, нормально протекают регенерирующие процессы и образование корней. Радиационный способ предпрививочной обработки существенно увеличивает сроки отрастания подвойной поросли на виноградных кустах в 5–10 раз. Облучение черенка или подвоя виноградной лозы в дозах 10–30 Гр увеличивает выход полноценных прививок на 11–34 %.

38. Использование ионизирующих излучений для получения мутантных форм растений.

Действие мутагенов на наследственные структуры клеточного ядра неодинаково, поэтому возникают различные мутации трех типов, вызванные изменением количества хромосом, изменением структуры хромосом и изменением структуры гена.

Мутации также разделяются на морфологические, физиологические и биохимические. Они могут изменять проявление любого внешнего признака, влиять на функции отдельных органов, рост и развитие организма, вызывать различные изменения химического состава клеток и тканей.

По проявлению мутации бывают доминантные и рецессивные, при этом рецессивные мутации возникают значительно чаще, чем доминантные. Мутационный процесс, как правило, идет от доминантности к рецессивности. Доминантные мутации проявляются сразу же в гетерозиготном состоянии, рецессивные – только тогда, когда мутированный ген окажется в гомозиготном состоянии.

По относительному влиянию на жизнеспособность и плодовитость организма мутации делятся на полезные, нейтральные и вредные. Полезные мутации повышают устойчивость организма к неблагоприятным факторам внешней среды (к повышенной или пониженной температуре, возбудителям болезней и т. д.). Вредные мутации задерживают рост, развитие, вызывают гибель организма. Летальные мутации бывают доминантные, которые проявляются в первом поколении и быстро удаляются из популяции естественным отбором, и рецессивные, которые накапливаются в генотипе и проявляются в последующих поколениях.

Совокупность всех мутаций, возникающих у организма под действием мутагенного фактора, называют спектром мутаций. Большое разнообразие мутаций указывает на широкий спектр мутагенеза, а однотипные мутации – на узкий спектр.

Мутационная изменчивость происходит на разных этапах развития организма и во всех его клетках. Мутации, возникающие в половых клетках в гаметах и клетках, из которых образуются организмы, называются генеративными. Мутации, возникающие в соматических клетках организма, называются соматическими. По своей природе генеративные и соматические мутации ничем не отличаются, так как их возникновение связано с изменением структуры хромосом, и образуются они примерно с одинаковой частотой. Однако, по характеру проявления и значимости для эволюции и селекции различия между этими видами мутаций очень существенны. Генеративные мутации при половом размножении передаются следующим поколениям организмов. При этом доминантные мутации проявляются уже в первом поколении, а рецессивные – только во втором и последующих поколениях при переходе их в гомозиготное состояние. Соматические мутации возникают в диплоидных клетках, поэтому проявляются только по доминантным генам или по рецессивным генам в гомозиготном состоянии. Они имеют большое значение для эволюции организмов с вегетативным размножением.

Все мутации по степени их фенотипического проявления делят на два класса: крупные (или видимые) и малые. Крупные мутации легко обнаруживаются по появлению различных наследственных морфологических аномалий. Малые мутации проявляются через незначительные изменения физиологических, морфологических и любых количественных признаков. Крупные мутации выделяют путем отбора отдельных измененных растений во втором мутантном поколении (М₂). Малые мутации выявляют в результате математической обработки данных изменчивости изучаемого признака по семьям растений в третьем мутантном поколении (М₃). Благодаря малым мутациям создается огромная наследственная изменчивость различных признаков в популяциях растений, что имеет большое значение в селекции и эволюции вида. Крупные мутации, за редким исключением, не дают начала новым сортам и видам, потому что по причине низкой адаптации к внешним условиям удаляются естественным отбором.

От мутаций следует отличать морфозы или фенотипическое проявление признаков, которые являются одной из форм ненаследственной индивидуальной изменчивости организма, поэтому в последующих поколениях они не проявляются.

Для получения хозяйственно-ценных мутаций облучают от 2 до 4 тысяч семян. Отбор мутантных форм чаще всего проводят в М₂. В связи с тем, что в М₂ выявляются не все мутации, отбор проводят и в М₃. Иногда отбор мутаций начинают проводить в М₁, при этом отбирают доминантные мутации по интересующему признаку (например, высокопродуктивные растения) для последующего отбора всех полезных мутаций. Для ускорения и облегчения выделения полезных мутаций все выделенные в М₁ растения высевают как индивидуальные потомства отдельных растений (семьи) для получения второго мутантного поколения. В М₂ отбирают мутанты с хорошо выраженными хозяйственно-ценными признаками и растения для получения малых мутаций в М₃. В дальнейшем из ценных мутантов формируются новые улучшенные популяции, их используют в селекции (при скрещивании друг с другом или с другими сортами). Эффективность селекции повышается при обязательном экологическом испытании мутантов.