Материал: Экзамен радиобиология готовые ответы

21. Физиологические, биохимические и генетические нарушения при облучении растений.

В 1986 году морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в популяциях агроценозов изучались в посевах озимой пшеницы, озимой ржи, ячменя, гороха и люпина в 30-километровой зоне и при плотности загрязнения почвы 37 кБк/м² (1 Ки/км²). Посевы подверглись первоначально острому облучению в начальных фазах развития и хроническому облучению в течение всего периода вегетации.

В сортовых популяциях озимой пшеницы, озимой ржи и ячменя были выявлены следующие отклонения:

– замедление роста и развития растений;

– снятие апикального доминирования;

– повышенное кущение и образование боковых побегов;

– уменьшение размеров листьев, особенно флагового листа;

– изменение длины стебля (карликовость и гигантизм);

– хлорофилльные мутации и некрозы листьев;

– различные хромосомные аберрации с преобладанием фрагментов и мостов;

– увеличение продолжительности фаз онтогенеза и удлинение всего вегетационного периода;

– снижение активности фотосинтеза в 1,5–2 раза;

– стерильность пыльцы;

– плохая завязываемость семян.

Повышенная эффективность радиоактивных выбросов, по сравнению с действием аналогичных доз внешнего, острого и хронического облучения от открытого источника цезия-137, выявлена на таких сельскохозяйственных культурах, как люпин, горох, озимая рожь, озимая пшеница и ячмень. При этом в качестве критериев радиочувствительности использовались частота аберраций хромосом и хлорофилльных мутаций, а также ростовые реакции растений на облучение. В условиях радиоактивного загрязнения среды происходит нарастание уровня индуцированных мутаций во времени, несмотря на значительное снижение мощности экспозиционной дозы за счет распада короткоживущих радионуклидов. Увеличение частоты мутаций является следствием возрастания генетического «груза», обусловленного действием инкорпорированных радионуклидов, которое значительно выше действия внешнего облучения.

Одним из проявлений более высокой генетической эффективности радиоактивного загрязнения среды обитания являются множественные поражения хромосом, среди которых преобладает массовая фрагментация хромосом, которая была выявлена у пшеницы, ржи и ячменя. Установлено, что у ржи сорта Киевская 80 уровень хлорофилльных мутаций с 1986 по 1989 годы увеличился с 0,14 до 0,71 % , т. е. в 5 раз, при этом уровень мутаций в контроле составлял 0,01 %. У сорта Харьковская 60 уровень мутаций увеличился с 0,80 до 1,14 %, т. е. в 1,5 раза, а в контроле уровень мутаций составлял 0,02 %.

Следует отметить, что данные о влиянии повышенного радиационного фона в результате последствий аварии на ЧАЭС не всегда однозначны и нередко противоречивы. Было выявлено отсутствие прямой зависимости между уровнем загрязнения и радиобиологическими эффектами, что не характерно при проведении экспериментов в контролируемых условиях. В ряде исследований четко прослеживалась линейная зависимость, в то время как в других только указывалось на наличие тенденции к положительной связи между мощностью дозы и эффектом. Иногда отмечались случаи обратной зависимости, т. е. относительно малые дозовые нагрузки вызывали больший эффект, чем более высокие. Например, у сортов ячменя Ролан и Жодинский при плотности загрязнения почвы 40 Ки/км² было выявлено 9,1 и 11,8 % хромосомных аберраций в митозе. В то же время при плотности 7 Ки/км² частота нарушений была выше и составляла 19,5 и 17,7 % соответственно. При этом в контроле частота хромосомных нарушений составляла 9,5 и 11,4 %. Аналогичные результаты были получены у ржи сорта Белта: контроль – 5,1 %, при плотности загрязнения почвы 40 Ки/км² – 4,8 %, а при плотности 600 Ки/км² – 2,4 %. У семян, выращенных при плотности загрязнения почвы 40 и 600 Ки/км², снижалась лабораторная всхожесть и выживаемость растений, а у семян, выращенных при плотности загрязнения 7 Ки/км², по этим показателям наблюдался стимуляционный эффект.

Посевы озимой ржи и озимой пшеницы, произрастающие на почве с плотностью загрязнения до 1000 Ки/км² (37000 кБк/м²), характеризовались замедленным ростом и развитием, имели меньшую площадь всей поверхности листьев. Площадь флагового листа уменьшалась на 40–50 %. При меньшей плотности загрязнения радиоморфозов у этих зерновых культур было значительно меньше. У люпина при невысокой плотности загрязнения наблюдалось увеличение продуктивности растений и усиление процессов фотосинтеза, при этом происходила дезактивация основных ферментов, ответственных за фотосинтез: значительно снижалась активность фермента хлорофиллазы и усиливалась активность пероксидазы.

В посевах ячменя и пшеницы наряду с нормальными растениями было обнаружено много растений с радиоморфозами колосьев и семян:

1) уменьшение и гигантизм главного колоса;

2) отсутствие остей на колосьях ячменя, а также повышенная неравномерная остистость, значительное увеличение остистости в верхней части колоса;

3) появление остей на колосьях пшеницы;

4) образование дополнительных колосков;

5) раздвоение и ветвление колоса;

6) стерильность и череззерница колосьев;

7) щуплость зерна и недоразвитость зародыша;

8) низкая всхожесть семян.

В посевах пшеницы, подвергшихся острому облучению в 1986 году, сформировались семена, из которых в последующие годы выростали растения, среди которых встречались мутантные формы колоса (отсутствие остей, выпадение отдельных колосков, раздвоение и ветвление колоса). Частота радиоморфозов в популяции озимой пшеницы на загрязненных радионуклидами территориях сохранялась на высоком уровне в течение нескольких поколений (таблица ).

У нормальных семян этих культур технологические свойства зерна практически не изменялись. В деформированных зернах было более низкое содержание аминокислот, клейковины и белка. В семенах озимой пшеницы (Мироновская 808, Мироновская 27, Киянка, Полесская 70, Полесская 87, Безостая 1), озимой ржи (Саратовская и Харьковская 60) и инбредной линии кукурузы W64А, произраставших в 30-километровой зоне в 1987–1992 годах, накапливались фенольные соединения с измененным качественным составом.

Т а б л и ц а 5 – Динамика радиоморфозов растений озимой пшеницы

В чернобыльской зоне обнаружены ранее не описанные расы грибка стеблевой ржавчины (Puccinia craminis, Basidiomycetes). Устойчивость растений трех сортов пшеницы (Мироновская 808, Полесская 70 и Киянка), выращенных из семян, полученных в 30-километровой зоне, к стеблевой ржавчине в 2,6 раза ниже, чем в контроле.

На основании проведенного эксперимента было установлено, что облучение растений на загрязненных радионуклидами территориях оказывает более сильное воздействие на спорогенные клетки и пыльцу, чем экспериментальное гамма-облучение в контролируемых условиях, что отражено в таблице 6.

Т а б л и ц а 6 – Частота аномальной пыльцы ячменя (на 1 млн. пыльцевых зерен) после 55 дней облучения на разном расстоянии от ЧАЭС и на экспериментальном гамма-поле (1992 год)

При одинаковой мощности дозы, равной, согласно данным таблицы, 7, 515 мЗв/ч и 500 мЗв/ч, частота аномальных пыльцевых зерен при облучении от чернобыльских радионуклидов выше в 8,5 раза. Для выявления генетических эффектов семена, собранные в 1986 году с облученных растений, высевались в 30 километровой зоне и на чистой территории. При этом было установлено, что до 70 % фенотипических изменений (радиоморфозов) передавалось по наследству до четвертого поколения.

Таким образом, изучение хронического действия выбросов Чернобыльской АЭС показало, что они способны вызывать существенные генетические изменения. При этом их мутагенные эффекты выше, чем эффекты эквивалентных доз хронического или острого облучения от точечных источников излучения. Наряду с повышенным выходом мутаций у растений из чернобыльской зоны выявлялись нарушения, которые обычно не отмечались при остром гамма-облучении в условиях экспериментов, что свидетельствует о более сильном поражении генетического материала. К таким нарушениям относят множественные аберрации хромосом, нарастание уровня мутаций во времени, несмотря на значительное снижение дозовых нагрузок и отсутствие адаптации у большинства популяций растений к действию радиации. Эти специфические явления обусловлены широким спектром излучений, испускаемых различными радионуклидами, и их совместным действием на растения. Увеличение генетических нарушений обусловлено также совместным действием внешнего и внутреннего облучения. Биологическая эффективность облучения за счет инкорпорированных радионуклидов значительно выше, чем от внешнего облучения в адекватных дозах, потому что радиобиологические эффекты растений зависят не только от дозы, но и от характера распределения дозы в микроструктурах органов и тканей, а также от способности радионуклидов включаться в критические структуры клетки.

22. Радиобиологические эффекты в природных популяциях растений в зонах радиоактивного загрязнения.

Леса выполнили функцию естественных фильтров на пути распространения радиоактивного выброса. Радиоактивному загрязнению чернобыльскими выбросами подверглись практически все компоненты лесных фитоценозов (воздух, почва, напочвенный покров, лесная подстилка, подрост, подлесок, зрелые деревья, микрофауна и зоофауна).

В настоящее время основное поражение растений может быть связано с действием инкорпорированных радионуклидов, которые поступают в растения из почвы и оседают в их тканях. К основным инкорпорированным радионуклидам в настоящее время относят цезий-137 и стронций-90. При этом накопление стронция-90 в надземных органах растений в десятки раз меньше, чем цезия-137. За счет инкорпорированного цезия-137 формируются дозы внутреннего облучения растений. Поэтому растения в условиях радиоактивного загрязнения подвергаются постоянному внешнему и внутреннему облучению.

Растительные сообщества всех ценозов значительно различаются по радиочувствительности. В лесных фитоценозах наибольшей радиоустойчивостью обладают мохово-лишайниковые сообщества, а наименьшей – хвойные леса. Исследования по изучению влияния ионизирующей радиации на растительность фитоценозов показали, что наиболее радиочувствительны стадии развития, характеризующиеся высокой митотической активностью клеток и интенсивным ростом. Максимальные выбросы радионуклидов при аварии на Чернобыльской АЭС и соответственно острое ионизирующее облучение пришлось на период активных весенних ростовых процессов у большинства растений.

В зависимости от величины поглощенной дозы и признаков внешнего поражения деревьев в 1986 году было выделено четыре зоны:

1) зона летального поражения (поглощенная доза составляла 80–100 Гр, при этом все деревья погибли);

2) зона сублетального поражения (поглощенная доза составляла 8–25 Гр, при этом наблюдалось частичное повреждение деревьев);

3) зона среднего поражения (поглощенная доза составляла 3–3,5 Гр, наблюдалось угнетение роста, снижение прироста древесины, нарушение семенной продуктивности, преждевременный опад хвои и листьев);

4) зона слабого поражения (поглощенная доза составляла 0,5–1 Гр). Эта зона занимает основную часть 30-километровой зоны и прилегающие к ней районы. В соматических и половых клетках растений наблюдали различные хромосомные нарушения.

В реакциях лесных экосистем на ионизирующее облучение в районе аварии на Чернобыльской АЭС выделили три основных периода острого хронического облучения растений.

Первый период – с 26 апреля по 15 мая 1986 года. Острое облучение в результате активного выброса продуктов деления растения получили в первые часы и дни после аварии. В этот период были отмечены наиболее тяжелые радиационные поражения древесных растений, особенно хвойных пород. К концу этого периода распались короткоживущие радионуклиды, поэтому снизилась мощность поглощенной дозы.

Второй период – с середины мая до сентября 1986 года. В этот период мощность поглощенной дозы снизилась в 4–5 раз. Наблюдалось подавление ростовых процессов у растений и появление радиоморфозов.

Третий период – с апреля 1987 года по апрель 1988 года. Этот период характеризовался быстрым нарастанием восстановительных процессов. Радиационная обстановка к этому периоду начала стабилизироваться, и мощность дозы по сравнению с предыдущим периодом снизилась в 10 и более раз. В 1988 и 1989 годы продолжалась активация восстановительных процессов у растений.

В зависимости от величины поглощенной дозы наблюдалось четыре основных эффекта: стимуляция роста, гигантизм, незначительное поражение и гибель растений.

Самый разнообразный спектр аномалий наблюдался в зоне среднего поражения. Объектами наблюдений являлись в основном деревья хвойных пород – сосна и ель. Типичными проявлениями действия чернобыльского облучения являлись изменения морфологии растений. Первичные радиоморфозы возникали из-за нарушения процесса деления клеток под действием внешнего и внутреннего облучения. Через 4–5 месяцев после радиоактивного загрязнения у зрелых деревьев сосны были выявлены морфологические и физиологические нарушения, а также нарушения репродуктивной системы.