При пересеве облученных семян в первом мутантном поколении наблюдается более позднее появление всходов, угнетение роста и развития, появление растений с различными морфологическими аномалиями (низкорослые, высокорослые, с повышенной способностью к кущению), гибель растений. Среди количественных признаков у злаковых культур наиболее часто изменяется длина соломины, продуктивная кустистость, количество семян и масса семян с одного колоса, масса 1000 семян.

18. Радиочувствительность меристем и других тканей растений. Радиоморфозы, вызванные их повреждением.

Радиационные синдромы растений и животных имеют общие черты:

- наличие критических тканей и органов;

-одинаковые типы цитогенетических повреждений (хромосомные аберрации, задержка деления клеток, репродуктивная и интерфазная гибель клеток и др.);

- нарушение обмена веществ в клетках и организмах;

- образование соматических и генетических мутаций;

- трансформация клеток;

- радиационный канцерогенез (образование опухолей в тканях из поврежденных клеток).

Отличительная черта высших растений состоит в том, что органогенез (рост, развитие, формирование органов) у них не ограничивается эмбриогенезом, а происходит всю жизнь. Это возможно благодаря наличию у растений меристемных тканей, клетки которых сохраняют способность к делению на протяжении всего онтогенеза. Клетки меристем очень чувствительны к действию различных факторов, в том числе к ионизирующему излучению. Радиобиологические эффекты растений обусловлены в основном повреждением клеток и тканей меристем, что проявляется в виде замедления и нарушения ростовых процессов растений. Выделяют корневые и стеблевые (побеговые) апикальные меристемы, а также узловые, находящиеся в междоузлиях стебля.

В радиобиологических эффектах вегетирующих растений комбинируются все последствия повреждения отдельных клеток меристем, всей меристемной ткани и клеток других тканей. При облучении зародыша семени в первую очередь поражаются зародышевые клетки меристем. У поврежденных меристем клеточные потоки ослабевают по причине задержки и замедления деления клеток, а также по причине репродуктивной гибели клеток. Клетки меристем несут повреждения, которые в онтогенезе проявляются в виде морфологических аномалий органов (или радиоморфозов) у растений. Нарушение морфогенеза зависит от степени зрелости зародыша или от дифференциации клеток зародыша в момент его облучения. Чем меньше клеток имеет зародыш, тем сильнее степень повреждения и, следовательно, больший выход морфозов. С развитием зародыша в нем формируются различные меристематические зоны или области, в состав которых входят клеточные популяции. Поэтому облучение большего количества клеток зародыша в более поздние этапы его развития снижает повреждение клеток меристем и у растений выявляется меньше радиоморфозов органов. В зависимости от активности деления клеток меристематических зон меристемы различаются по радиочувствительности. Высоко радиочувствительная меристема главного стебля (побега) – апикальная меристема, клетки которой имеют высокую интенсивность деления, обеспечивающего рост растения на протяжении периода вегетации.

Доза, при которой происходит снятие апикального доминирования или прекращение роста главного побега (или стебля), называется критической. Величина дозы зависит от вида растений и фазы их развития в момент облучения. У растений в онтогенезе бывают периоды повышенной активности деления клеток меристематических зон, поэтому радиобиологические эффекты растений закономерно изменяются. Например, облучение на ранних этапах органогенеза вызывает замедление роста и снятие апикального доминирования, а облучение на поздних этапах приводит к нарушению формирования семян. Нарушение роста растений сопровождается изменением накопления сухого вещества, изменением состояния клеток, в которых изменяются проницаемость мембран, вязкость и рН цитоплазмы, дыхание, фотосинтез, окислительно-восстановительные процессы и другие процессы обмена веществ, что в конечном итоге снижает продуктивность растений и может вызвать их гибель. Установлено, что в клетках корневой меристемы облученных растений снижается интенсивность синтеза и концентрация ауксина, поэтому замедляется рост растений. Наиболее устойчивы меристемы в состоянии естественного вынужденного покоя, т. е. когда их клетки находятся в наиболее устойчивой фазе клеточного цикла.

Таким образом, меристемы относят к критическим тканям растений. Повреждения меристем при облучении зависят от следующих факторов:

- способности меристем сохранять постоянный клеточный поток, постоянный клеточный состав и поддерживать нормальный темп деления клеток;

- генетического потенциала растений, т. е. биологических особенностей растений;

- пострадиационного состояния клеток, т. е. какие процессы – поражения или восстановления – в клетках преобладают;

- состояния систем репарации;

- пострадиационных условий (температуры, освещенности, минерального питания);

- вида ионизирующего излучения и режима облучения.

При облучении клеток различных меристемных тканей проявляются различные радиоморфозы растений.

Поражение апикальной меристемы сопровождается снятием апикального доминирования, поэтому замедляется рост главного побега и формируются дополнительные боковые побеги, или усиливается кущение.

Поражение корневой меристемы вызывает замедление роста корней, изменение формы корня, образование придаточных и боковых корней, нарушение геотропизма, а также отмирание главного корня.

Повреждение узловых меристем вызывает уменьшение длины междоузлий стебля, уменьшение высоты растений.

При облучении изменяется продолжительность клеточного цикла, ослабевает клеточный поток, поэтому замедляется рост корней и рост растений. Изменение продолжительности клеточного цикла чаще происходит за счет увеличения продолжительности G₁-периода, или предсинтетического периода ДНК.

Асинхронность деления клеток и повышенная вероятность нахождения клеток в G₁-периоде придает клеточным тканям высокую устойчивость к действию радиации. Дополнительным фактором устойчивости является наличие в тканях покоящихся клеток.

19. Радиационные аномалии органов при облучении растений.

Реакция растений на облучение зависит в основном от дозы и фазы развития растений в момент облучения. Хорошо изучена реакция растений на облучение рентгеновским излучением и гамма-излучением. Выделяют три основные реакции растений на облучение: 1) нарушение ростовых процессов; 2) появление морфозов органов; 3) нарушения репродуктивной системы. Нарушение и угнетение ростовых процессов связано с поражением меристем. Облучение в ранних фазах развития вызывает снятие апикального доминирования, активацию покоящихся центров, усиленный рост боковых побегов, замедление роста главного побега. По внешнему виду растения более низкорослые с повышенной общей кустистостью.

Внешние признаки лучевого поражения растений проявляются в виде морфологических аномалий различных органов. Морфологические нарушения часто проявляются одновременно по нескольким органам. Рассмотрим основные радиоморфозы органов растений.

Радиоморфозы корня: ускорение или угнетение роста, расщепление и отмирание главного корня, образование вторичного главного корня, отсутствие боковых корней, скручиваемость, нарушение геотропизма, опухоли и др.

Радиоморфозы стебля: угнетение или ускорение роста, снятие апикального доминирования, нарушение порядка расположения листьев, изменение формы и цвета, появление на стеблях аэральных корней, срастание стеблей в один стебель, опухоли и др.

Радиоморфозы листьев: увеличение или уменьшение количества и размеров, изменение формы, скручиваемость, морщинистость, нарушение жилкования и симметричности, отсутствие листовых пластинок, появление некрозов, опухоли и др.

Радиоморфозы цветка: ускорение или задержка цветения, уменьшение или увеличение количества, изменение окраски, размера и формы, преждевременное усыхание и аномальный опад, стерильность пыльцы и дефекты завязи, опухоли и др.

Радиоморфозы плода: увеличение или уменьшение количества, изменение размеров, формы, окраски, поверхности, появление опушенности, аномальный опад.

Радиоморфозы семени: увеличение или уменьшение количества, изменение формы, размера, цвета, консистенции, морщинистость и стерильность.

У растений, выросших из семян, собранных с облученных растений, чаще наблюдаются морфозы листьев и стеблей. Типичный морфоз – стяжки (или вырезы) на периферийной части первых листьев.

Поглощенная энергия излучения неравномерно распределяется по клеткам зародыша. Поэтому клетки могут иметь разные генетические дефекты. Если клетки с измененным геномом способны к делению, тогда поколения этих клеток войдут в состав формирующихся органов и тканей зародыша. Следовательно, растение, выросшее из облученного семени, будет состоять из генетически разнородных тканей (т. е. эти ткани будут состоять из двух типов клеток: из нормальных клеток и клеток с измененным геномом) и будут представлять собой химеру. Пример химер – пятнистость листьев. В этом случае часть ткани листа генерирует нормальные клетки, т. е. с хлорофиллом, а часть ткани вырабатывает бесхлорофилльные клетки. Это явление часто наблюдается у злаковых культур. При облучении вегетативно размножающихся растений из облученной почки может вырастать побег с генетическими изменениями в соматических клетках и представлять собой химеру. Облучение часто приводит к увеличению набора хромосом. Образовавшиеся тетраплоидные клетки в ходе роста побега генерируют свои клеточные потоки, которые входят в состав основного клеточного потока. В результате возникает химера из диплоидных и тетраплоидных клеток. Химеры различаются по строению: у одних химер клетки внутренней части диплоидные, а внешней – тетраплоидные, у других химер во внутренней части тетраплоидные клетки, а в наружной – диплоидные. В обычных условиях химеры часто наблюдаются у винограда и тутового дерева, реже у злаковых растений.

20. Радиостимуляция. Механизм и формы проявления у растений и животных.

Усиление процессов роста и развития при облучении биологических объектов малыми дозами называется радиостимуляцией. Радиостимуляция обнаружена при облучении семян, клубней, черенков, усов, корневищ и других органов размножения растений. Формы проявления радиостимуляции различные: ускорение прорастания семян; повышение всхожести; усиление ростовых процессов у проростков; увеличение кущения и ветвления; повышение семенной продуктивности; формирование большей вегетативной массы; улучшение качества продукции; ускорение укоренения черенков; улучшение приживаемости прививок; ускорение выгонки луковичных растений; ускорение размножения редких и исчезающих видов растений и др.

Особенности радиостимуляции:

1) проявляется как однократное приходящее повышение интенсивности ростовых процессов в начальных фазах развития растений;

2) проявляется в отдельные периоды жизни;

3) продолжается всю вегетацию и сопровождается увеличением продуктивности;

4) не всегда воспроизводится при повторении опыта.

Проявление радиостимуляции маскируется другими различными эффектами. Причины этих особенностей не раскрыты.

А.М. Кузин выделил две основные причины активации, или дерепрессии, генома:

1) действие ионизирующих излучений на биомембраны и ферменты, которые регулируют концентрацию веществ, участвующих в активации генома. Эти вещества А.М. Кузиным впервые были названы триггер-эффекторами (ТЭ). Облучение усиливает активность ацетилатциклазы, которая влияет на активность фермента триптофан-синтетазы, регулирующей синтез триптофана (контролирует синтез белка) и гетероауксина (усиливает ростовые процессы);

2) образование свободных радикалов в лигнине и меланине семенных оболочек, а также в белках и липидах биомембран. Радикалы долго существуют в воздушно-сухих семенах и быстро, за десятки минут, исчезают при намачивании семян, т. е. при доступе к ним воды и кислорода. Взаимодействие радикалов с водой и кислородом приводит к образованию гидроперекисей и радикала гидроксила, которые усиливают образование триггер-эффекторов.

Известно два варианта образования ТЭ при облучении:

1-й вариант – ускоренное и увеличенное образование естественных ТЭ, представленных гиббереллиноподобными веществами в зародыше семени;

2-й вариант – образование в тканях семени неспецифических хиноидных ТЭ.

Хиноны образуются из полифенолов при радиационно-химических реакциях окисления полифенолов и под действием ферментов полифенолоксидаз. В клетках хиноны соединяются с гистонами, поэтому происходит блокирование генома. Гистоны соединены с молекулой ДНК. Под действием хинонов снимается блокада генома и происходит активация определенной группы генов. Начинается усиленный синтез информационной РНК, белков, ферментов, которые ускоряют обмен веществ в клетках. В свою очередь это приводит к значительному сокращению в фазах клеточного цикла, поэтому клетки быстрее делятся и усиливаются ростовые процессы. Хиноидный радиотоксин в концентрации 10^-4–10^-7 моль увеличивает энергию прорастания семян. При облучении клеток высокими дозами образуется значительно больше хинонов, и в этом случае они действуют как токсины, которые могут угнетать рост и развитие. Кроме возникновения ТЭ в облученном зародыше ускоряется синтез различных РНК и синтез белков. Повышенный уровень ТЭ в конечном итоге приводит к ускорению развития и роста растений, к более раннему и обильному цветению, усилению фотосинтеза и к повышению урожайности вегетативной массы и репродуктивных органов.