Материал: Экзамен радиобиология готовые ответы

В качестве корпускулярного излучения используют различные частицы и ядра химических элементов. Широко используются бета-частицы непрерывного энергетического спектра в виде электронов и позитронов, которые возникают при распаде ядер нестабильных атомов. Источниками бета-частиц являются фосфор-32, сера-35 и тритий. Радиоактивные изотопы фосфор-32 и сера-35 используются в виде солей, которые хорошо растворяются в воде. Водные растворы этих изотопов вводят в питательную среду или в почву, откуда изотопы через корни поступают в растения. Растворами этих изотопов опрыскивают вегетирующие растения или отдельные их органы, а семена замачивают в них перед посевом. Для облучения отдельных органов растений используют специальные аппликаторы, т. е. пластинки, с нанесенными на них радиоактивными изотопами. Кроме бета-излучения используют нейтроны и заряженные частицы с величиной энергии от сотых долей до миллионов электронвольт. Потоки нейтронов получают в ядерных реакторах и на специальных нейтронных генераторах, где нейтроны возникают при ядерных реакциях или в цепной реакции деления урана-235. Из активной зоны реактора нейтроны выводятся через специальные каналы. В качестве источника нейтронов используют также трансурановый элемент калифорний-252, который наносят на аппликатор или на иглу. Заряженные частицы используют в виде потоков ускоренных протонов, дейтронов, альфа-частиц (ядра гелия) и ядер других элементов, которые получают в ускорителях (бетатронах, циклотронах, синхротронах, синхрофазотронах и линейных ускорителях). В качестве источников альфа-излучения используют следующие радиоактивные изотопы: радий-226, полоний-210, плутоний-239.

Радиобиологические эффекты растений зависят не только от величины дозы и вида излучений, но и от способа облучения, потому что со способом облучения связано время накопления дозы. При облучении растений используют различные способы облучения.

Первый способ – острое однократное облучение. Растения получают дозу за сравнительно «короткий» промежуток времени.

Второй способ – острое фракционированное облучение. Растения получают дозу за несколько фракций, которые могут быть эквивалентные и неэквивалентные при разном или одинаковом времени между фракциями.

Третий способ – пролонгированное облучение, которое может быть фракционированное и нефракционированное. Растения получают дозу за время, существенно превышающее «короткий» промежуток времени.

Четвертый способ – хроническое внешнее облучение, т. е. непрерывное облучение, когда мощность дозы сохраняется постоянной или изменяется на протяжении всей жизни растений.

Пятый способ – хроническое внутреннее облучение от инкорпорированных радионуклидов, которые находятся в структуре тканей растений.

15. Радиочувствительность растений. Летальная, полулетальная и критическая доза. Факторы, влияющие на радиочувствительность. Критерии радиочувствительности.

На радиочувствительность растений оказывают влияние следующие факторы, которые разделяются на три группы.

Первая группа – факторы, связанные с филогенезом, которые нельзя изменить (семейство, класс, вид, морфология, плоидность, объем ядра, объем хромосом и др.).

Вторая группа – факторы, характеризующие состояние клетки и генома (этап онтогенеза, наличие естественных радиопротекторов, антиоксидантов и способность клеток к репарации). Установлено, что радиочувствительность клеток зависит от фазы клеточного цикла, содержания в клетках воды, степени защищенности ДНК белками, наличия естественных радиопротекторов, концентрации кислорода и способности клеток к репарации и регенерации, т. е. к восстановлению и самообновлению. Самая низкая радиоустойчивость отмечается при прорастании семян, а также при переходе растений от вегетативного состояния к генеративному и в гаметогенезе.

Третья группа – факторы внешней среды и условия облучения (температура, свет, влажность, условия питания, методы и способы облучения растений). Максимальное поражение растений наблюдается при облучении альфа- и бета-излучением, а также при фракционировании дозы облучения. При облучении растений при оптимальной температуре (18–20 ^оС) радиоустойчивость понижается. Повышение и понижение температуры способствует повышению радиоустойчивости растений, потому что замедляется деление меристемных клеток. На радиочувствительность также оказывают влияние до- и пострадиационные условия: улучшенное минеральное питание, повышенная освещенность и влажность. Наличие кислорода также способствует повышению радиочувствительности. Особое влияние на радиочувствительность оказывают эколого-географические факторы. Популяции растений с широким ареалом распространения более радиоустойчивы, чем популяции с узким ареалом распространения. Радиочувствительны редкие и исчезающие виды растений.

Для количественной оценки радиочувствительности чаще используют летальную дозу (Л₁₀₀), полулетальную дозу (ЛД₅₀) и критическую дозу (ЛД₇₀). Летальная доза – это доза, при облучении которой погибает 100 % растений. Полулетальная доза – это доза, при облучении которой погибает 50 % растений. Критическая доза – это доза, при облучении которой погибает 70 % растений. У большинства сельскохозяйственных культур величина доз, вызывающих гибель 50 и 70 % растений, приводит к полной потере продуктивности. Поэтому при облучении растений используют дозу, вызывающую снижение урожайности на 50 % (УД₅₀). Разница между ЛД₅₀ и УД₅₀ для одного и того же вида растений может составлять 10–30 раз и более. В зависимости от цели исследования применяют также дозы УД₁₀ и УД₃₀.

Лучевое поражение растений зависит от дозы облучения и проявляется в виде замедления роста и развития, нарушений репродуктивной системы, снижения урожайности и гибели растений. Радиобиологические эффекты растений в зависимости от величины дозы приведены в таблице 2.

Для оценки радиочувствительности растений при остром и хроническом облучении используют различные критерии:

1) всхожесть (полевая и лабораторная); 2) длина зародышевых корешков у проростков; 3) рост и развитие растений; 4) количество образовавшихся органов (число стеблей, соцветий и т. д.); 5) число завязавшихся семян (на одном растении или на одном репродуктивном органе); 6) масса плодов и семян с растения; 7) выживаемость растений в фазах развития; 8) выживаемость растений к концу вегетационного периода; 9) частота морфозов органов; 10) частота хлорофильных мутаций; 11) частота хромосомных аберраций в клетках; 12) стерильность растений и пыльцы; 13) продуктивность растений; 14) урожайность (масса растений с 1 м² , с 10 м² и с 1 га).

Т а б л и ц а 2 – Радиобиологические эффекты растений в зависимости

От величины дозы облучения

На практике чаще используют выживаемость растений к концу вегетационного периода. Этот критерий характеризует реакцию всей популяции на облучение.

16. Радиочувствительность семян. Факторы, влияющие на радиочувствительность.

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 имеют доза 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. 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. 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.

Т а б л и ц а 3 – Радиочувствительность видов рода Triticum

С увеличением возраста семян или длительности их хранения радиочувствительность возрастает. Это доказано при анализе частоты хромосомных аберраций в клетках меристем проростков. Зависимость радиочувствительности семян от их размера носит случайный характер. При этом в некоторых случаях установлено, что с увеличением размера семян возрастает их радиочувствительность.

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 семян используют 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.

17. Радиочувствительность растений в разные фазы развития. Радиобиологические эффекты облучения.

Радиобиологические эффекты растения во многом зависят от того, в какой фазе развития растение облучалось. Радиочувствительность растений изменяется в зависимости от периода развития, потому что различные периоды развития отличаются качеством клеток и тканей и физико-биохимическими процессами. Установлена закономерность у растений: фазы развития с активным обменом веществ и высокой интенсивностью деления клеток наиболее радиочувствительны.

Для большинства растений максимальная радиочувствительность наблюдается при прорастании семян, при переходе растений от вегетативного состояния к генеративному и в гаметогенезе. Наиболее радиоустойчивы растения в период созревания и в период физиологического покоя семян. Наиболее радиочувствительные фазы называются критическими.

Рассмотрим радиочувствительность растений в разные фазы развития на примере облучения злаковых культур. Весь период развития злаковых от всходов до полной спелости разделяется на девять фаз: всходы, фаза 3–4 листьев, кущение, выход в трубку, колошение, цветение, молочная спелость, восковая спелость, полная спелость. Злаковые культуры наиболее радиочувствительны в фазы выхода в трубку (максимальная радиочувствительность), кущения, колошения и молочной спелости. В восковой спелости устойчивость к облучению повышается, достигая максимума в фазе полной спелости. Облучение злаковых в разные фазы развития приводит к различным радиобиологическим эффектам.

Облучение в фазе всходов и в фазе 3–4 листьев вызывает нарушение митоза в апикальной меристеме, поэтому наблюдается снятие апикального доминирования и образование дополнительных боковых побегов. Нарушение роста и развития растений приводит к снижению их продуктивности. Облучение на ранних этапах развития повышает выход хлорофильных мутаций, а также выход карликовых растений с морфозами стебля и измененной окраской стебля.

Облучение в фазе кущения вызывает замедление роста, снятие апикального доминирования и гибель главного побега, усиление вторичного кущения за счет активации деления инициальных клеток (покоящихся) узла кущения. При этом могут формироваться растения с более поздним колошением и различными морфозами колоса (безостые или остистые, вильчатые, мутовчатые, фуркатные и др.).

Облучение в фазе выхода в трубку вызывает замедление роста, уменьшение высоты стебля в 1,5–2 раза (по причине повреждения узловой меристемы), отмирание главного колоса, изменение окраски растений до желто-соломенного цвета, позднее колошение, длительный период вегетации, отсутствие полной спелости. Стерильность цветков, колосков и колосьев приводит к снижению (или отсутствию) оплодотворения, поэтому завязывается щуплое, нежизнеспособное зерно и снижается продуктивность растений.

Облучение в фазе колошения приводит к снижению высоты растений, удлинению периода вегетации, стерильности растений и снижению продуктивности.

Облучение в фазе цветения в момент формирования пыльцы, т. е. в начале четвертого этапа сперматогенеза, приводит к стерильности пыльцы в сформировавшихся колосьях. Дополнительные побеги, которые появляются в более позднее после облучения время, не формируют колосьев, что в конечном итоге приводит к формированию стерильных растений. В конце четвертого этапа, когда одноядерная пыльца уже сформировалась, повышается устойчивость растений к облучению, поэтому стерильность пыльцы может составлять до 50 %, что обеспечивает формирование нормально развитых зерен.

Облучение в молочной и восковой спелости приводит к повреждению зародышевых клеток семени. При хранении такие семена теряют жизнеспособность и всхожесть. В зерне нарушаются процессы обмена веществ, консистенция зерновки изменяется до желеобразного состояния и приобретает необычную светло-розовую окраску.

Облучение в фазе полной спелости изменений не вызывает.

Таким образом, облучение растений в ранние фазы развития приводит к угнетению ростовых процессов, а в более поздние фазы – к повышению стерильности и нарушению процесса оплодотворения. Совокупность повреждений во всех фазах развития растений в конечном итоге приводит к снижению продуктивности.