Морфологические аномалии надземных органов растений наблюдались у сосны обыкновенной, при этом наиболее часто встречались следующие радиоморфозы:
1) многопочечность. На одном побеге часто закладывалось от 15 до 30 почек крупных размеров с яркой темно-вишневой окраской почечных чешуй, при этом почки располагались неравномерно, скученно и беспорядочно. В 1986 году из этих почек развивались побеги с крупной светло-зеленой хвоей и со сросшимися хвоинками. В 1988 году у 80–85 % сосен апикальные почки на верхушечных побегах отмирали в середине лета. Это приводило к формированию двух вершин и многовершинности у деревьев. К 1989 году заложение почек на побегах нормализовалось и составляло 6–8 почек;
2) израстание почечных чешуй. К осени 1986 года у 10–20 % деревьев была выявлена трансформация чешуй в листоподобные ланцетовидные образования длиной 4–5 см. Большинство почек отмерло в 1987 году, а из живых почек вырастали мощные короткие побеги с крупной жесткой хвоей;
3) вторичные приросты. Во второй половине лета 1986 года из боковых верхушечных побегов вырастали короткие толстые вторичные побеги;
4) почки с отмершей апикальной меристемой. Эти почки наблюдались на главном и боковых побегах, выделялись крупными размерами и имели только кроющие чешуи. Отмирание апикальной меристемы приводило к снятию апикального доминирования;
5) побеги с укороченным приростом. В 1986 году значительно снизились приросты верхушечных побегов. Эти побеги имели неправильную и изогнутую форму. У 30–40 % сосен образовывались сросшиеся в кисти (по 5–6 штук) густо охвоенные побеги;
6) побеги с аномальной анатомией и аномальным распределением хвои. На многих деревьях развивались побеги с редко расположенной и изогнутой хвоей («лысые побеги»), выделяющиеся крупными размерами и повышенной жесткостью хвои. На некоторых побегах формировалась нетипичная, т. е. короткая, округлой или цилиндрической формы, хвоя, а также хвоя с различными типами срастания хвоинок. Встречалась хвоя со значительным отклонением отношения толщины хвои к ширине.
Ель более радиочувствительна, чем сосна, поэтому у деревьев ели наблюдался более широкий спектр морфологических аномалий.
Кроме радиоморфозов органов у хвойных пород были выявлены также следующие физиологические нарушения:
1) изменения в проводящей системе: отмирание клеток в кольцевом слое камбия; увеличение объема эпидермы, гиподермы, воздухоносной и корковой паренхимы и уменьшение объема флоэмы и ксилемы;
2) временные сдвиги ростовых процессов. В 1986 году рост деревьев значительно задержался и начался во второй половине вегетационного периода, поэтому вегетационный период увеличился на 15–20 дней;
3) нарушение пространственной ориентации боковых побегов. Побеги принимали строго вертикальное направление, а также срастались по типу «ведьминых метел»;
4) снижение прироста древесины по радиусу ствола. Наблюдалось у ели в год облучения, у сосны – на следующий год, по причине нарушения процессов нарастания годичных колец;
5) изменение окраски хвои. В 1986 году на побегах сосны хвоя имела золотисто-желтую и кирпично-бурую окраску, по причине нарушения в клетках синтеза зеленых пигментов;
6) массовое отмирание хвои. У части деревьев хвоя опала в 1987 году. На отдельных деревьях отмершая хвоя не опадала в течение последующих 4 лет;
7) нарушение процесса фотосинтеза. Радиационное воздействие на фотосинтезирующую способность хвои проявлялось в повышенной вакуолизации цитоплазмы клеток, приобретении ядрами лопастной формы, нарушении мембранной системы в пластидах и митохондриях, снижении насыщенности цитоплазмы митохондриями. В клетках, содержащих большее число хлоропластов, обнаруживались хлоропласты с меньшим количеством в них гранул, и наоборот. При повышенных поглощенных дозах нарушалась пространственная ориентация пластид, хлоропласты приобретали амебовидную, ветвистую и другие аномальные формы. При отмирании части хвои, вызванном воздействием излучений, в оставшейся хвое и во вновь сформированной наблюдалась активация процесса фотосинтеза. Морфологические и физиологические нарушения приведены в приложении.
Репродуктивная система ели оказалась более радиочувствительной, чем сосны, поэтому ель не цвела и не плодоносила в 1986–1988 годах. У сосны в зависимости от поглощенной дозы в 1986 году наблюдалась полная гибель мужских и женских побегов, на некоторых деревьях формировались рыхлые и гигантские цветоносные колоски с аномальными пыльцевыми зернами, имеющими деформированную форму, мелкие размеры, с меньшим содержанием спермиев и крахмала. В приложении 3 показаны нарушения репродуктивной системы сосны в зависимости от поглощенной дозы. Часть деревьев не цвела, а у других деревьев цветение началось не одновременно и долго продолжалось. В спороносных клетках были выявлены различные хромосомные аберрации в ана- и телофазе І и ІІ мейоза и в стадии образования тетрад. Процент выхода хромосомных нарушений при облучении в зависимости от поглощенной дозы увеличивался на 5–7 и на 50–75 %. Среди хромосомных нарушений преобладали слипание хромосом, преждевременное расхождение хромосом к полюсам, фрагментация хромосом, образование мостов и задержка хромосом в области экватора. В анафазе ІІ было выявлено меньше хромосомных аберраций, чем в анафазе І. Нарушения в мейозе значительно отразились на качестве пыльцы. Развитие спорогенных клеток при повышенных дозах замедлялось, а при пониженных дозах – ускорялось.
Жизнеспособность пыльцы значительно зависела от частоты хромосомных аберраций в мейозе. При проращивании пыльцы на питательной среде (1 % агар-агара + 15 % раствора сахарозы) в условиях опыта было выявлено разнообразное ветвление пыльцевых трубок (по типу «оленьих рогов», «елочки» и «прямого угла»), уменьшение или увеличение длины пыльцевых трубок, потеря способности пыльцы к прорастанию и к оплодотворению.
К 1992 году процессы формирования генеративных органов у большинства деревьев сосны в основном стабилизировались. Это связано, во-первых, со значительным снижением радиационного фона по причине распада большей части короткоживущих радионуклидов и, во-вторых, с быстрым усилением репарационных процессов у сосны, сопровождающихся интенсивным ростом надземных органов.
Поглощенные дозы в 1986 году, составляющие 8–10 Гр, внешне не сказались на морфологическом строении шишек второго года. Однако, биологические свойства семян и их количественные показатели значительно зависели от уровня радиационного воздействия. Характеристика зрелых семян сосны обыкновенной в зависимости от величины поглощенных доз приведена в таблице 7.
Прослеживалась закономерная обратная связь массы шишек, количества семян в одной шишке, массы 1000 семян и всхожести с мощностью поглощенной дозы. На второй и третий годы после острого облучения однозначные выводы о связи биологических свойств семян с уровнем радиационного поражения деревьев не подтвердились, потому что на морфологические процессы вегетативной и репродуктивной систем сосны значительное влияние оказала, прежде всего, «ударная» доза острого облучения весной 1986 года. К 1989–1992 годам жизнеспособность семян, энергия прорастания и лабораторная всхожесть значительно улучшились.
При пересеве облученных семян сосны, собранных в 1986 году, с целью выявления аномальных сеянцев анализировалось 3,5 тыс. сеянцев, из которых было выделено только 5 аномальных сеянцев, которые впоследствии погибли. Гамма-облучение семян в дозах от 0,5 до 4 Гр приводило к снижению всхожести семян на 7–62 % и снижению высоты однолетних сеянцев на 15–37 % по сравнению с контролем. Выживаемость сеянцев к концу первого периода вегетации практически не различалась в зависимости от мощности поглощенной дозы и была достаточно высокой.
Молодые посадки деревьев сосны и ели, а также их саженцы более радиочувствительны, чем зрелые деревья, поэтому в 1986 году степень проявления их поражения в зависимости от дозы разделялась на три группы:
1) слабое проявление радиационного поражения (поглощенная до-за – 0,7–1 Гр): уменьшение массы стеблей в 2–4 раза, снижение прироста верхушечных и боковых побегов на 12,5 и 40 % соответственно, уменьшение массы и длины хвои на 50 %;
2) среднее проявление радиационного поражения (поглощенная доза – 1,5–2 Гр): поражение молодых побегов и формирование большого числа верхушечных почек, уменьшение массы и длины хвои в 2 раза;
3) сильное поражение (поглощенная доза – 3–4 Гр): сильное повреждение побегов, хвои, израстание почечных чешуй, полное отмирание отдельных растений.
В 1987 году была зарегистрирована первая волна радиостимуляции, которая проявлялась в виде стимуляции роста или гигантизма у молодых деревьев питомников во всех группах. При этом наиболее значительная радиостимуляция отмечалась в третьей зоне (3–3,5 Гр), что проявлялось в увеличении длины, количества и массы побегов, а также массы хвои в 2–3 раза. Эффект радиостимуляции наблюдался и в 1988 году, а к 1989 году стимуляционныйй эффект снизился на 28 %. Причиной первой волны радиостимуляции было внешнее облучение растений. В 1991–1992 годах наблюдалась вторая волна радиостимуляции, обусловленная накоплением радионуклидов в тканях органов растений и внутренним облучением растений.
Таким образом, наибольшей радиочувствительностью к ионизирующему излучению у сосны обыкновенной выделялась репродуктивная сфера, где в большей степени поражались спорогенные клетки и семяпочки. Наибольшую радиоустойчивость из надземных структур сосны проявляли хвоя и шишки второго года, которые продолжали свое развитие даже после острого облучения высокими дозами. Среди субклеточных цитоплазменных органелл наиболее радиочувствительны хлоропласты и митохондрии. Острое и хроническое облучение деревьев привело к различным нарушениям микроспорогенеза, к отклонениям в развитии и формировании женского гаметофита на разных этапах его развития, что сказалось на завязываемости семян и их морфологических и физиологических характеристиках.
Проблема модификации лучевого поражения занимает центральное место в радиобиологии, так как с ее решением исчезнет проблема защиты биологических объектов от поражающего действия радиации.
При изучении модификации радиочувствительности учитывают следующие признаки:
1) момент наиболее эффективного воздействия модификатора;
2) природу модифицирующего фактора, или модификатора;
3) уровень, или объем, модификации;
4) знак модификации (положительный или отрицательный, т. е. усиление или ослабление поражения);
5) образование первичных радиационно-химических продуктов.
Факторы и вещества, повышающие радиоустойчивость, называются радиопротекторами (РП). Факторы и вещества, повышающие радиочувствительность, называются радиосенсибилизаторами (РС).
Выделяют два вида действия радиопротекторов: профилактическое действие, которое эффективно до облучения, и терапевтическое, эффект которого проявляется после облучения.
Модификаторы радиочувствительности могут быть различного происхождения: во-первых, химические вещества, которые взаимодействуют с первичными продуктами радиационно-химических реакций (т. е. со свободными радикалами); во-вторых, факторы физической природы, которые воздействуют непосредственно на ход радиохимической реакции или косвенно на физиологические процессы, изменяя при этом развитие лучевого поражения. По механизму действия модификаторы разделяются на две группы: модификаторы, которые действуют на развитие лучевого поражения, и модификаторы, которые действуют на репарацию.
Защита растений от радиационного воздействия осуществляется с использованием радиопротекторов. Действие всех радиопротекторов реализуется только через ранние репарационные процессы. Радиопротекторы действуют только перед облучением и во время облучения, при обязательном условии, что сами они не влияют на жизнедеятельность облученных растений.
Модифицирующий эффект оценивается по трем критериям.
Первый критерий – абсолютная величина разности между показателями в опыте (гамма-излучение + модификатор) и в контроле (гамма-излучение в той же дозе, но без модификатора):
МЭ = Пр – П.
Второй критерий – индекс эффекта, или коэффициент защиты:
Кз = Пр/П,
где Пр–средняя величина признака с применением радиопротектора;
П–средняя величина признака без применения радиопротектора (или контроль).
При радиозащитном действии радиопротектора коэффициент защиты должен быть больше единицы.
Третий критерий – фактор изменения дозы (ФИД) – это отношение двух равноэффективных доз, когда в числителе стоит величина дозы в опыте (с использованием радиопротектора), а в знаменателе – в контроле (без использования радиопротектора):
ФИД = ДР/Д.
Количественные оценки действия радиопротекторов получают при сравнении параметров графика «доза – эффект» опыта и контроля. Определяют отношение доз, при которых степень проявления радиобиологических эффектов одинакова в опыте и контроле. Это отношение, или ФИД, показывает, во-первых, степень влияния радиопротекторов на лучевое поражение, во-вторых, во сколько раз нужно изменить дозу облучения, чтобы вызванный ею эффект в опыте был таким же, как в контроле.
Радиосенсибилизаторы используют для усиления поражающего действия радиации и вводят перед облучением растений вместе с кислородом.
В радиобиологии особый интерес вызывают модификаторы радиоустойчивости, потому что проще не допустить лучевое поражение, чем устранять его последствия. Поиск радиопротекторов и механизм их действия находятся в стадии глубокого и всестороннего изучения. Предложен ряд гипотез, объясняющих механизм действия радиопротекторов:
1) гипотеза биохимического шока (действие протекторов задерживает синтез ДНК и РНК, поэтому уменьшается их повреждение при облучении и не нарушается их синтез);
2) сульфгидрильная гипотеза (взаимодействие S-H групп со свободными радикалами способствует уменьшению поражения клеток);
3) гипотеза эндогенного фона (наличие в клетках некоторых веществ (тиолов, гистаминов, серотонина, адреналина), влияющих на ход первичных радиохимических реакций);
4) мембранная гипотеза (повышение устойчивости мембран к облучению при использовании радиопротектора).
Множество других гипотез дополняют друг друга, что указывает на многообразие механизмов модификации радиочувствительности.
Известно более 1000 радиопротекторов, которые эффективны на многих биологических объектах и клетках (от микроорганизмов до человека).
Протекторы изменяют выход молекулярных повреждений и влияют на их реализацию или проявление. Протекторы используются в низких концентрациях – тысячные и десятитысячные доли моль (10-3–10-4 моль). При изучении действия радиопротекторов семена замачивают, а растения опрыскивают их растворами. Критерии оценки радиочувствительности при использовании протекторов аналогичны критериям оценки радиочувствительности растений без использования радиопротекторов.
На растениях используют шесть групп протекторов, относящихся к различным химическим веществам.
Первая группа: органические вещества, в молекуле которых есть сульфгидрильная группа – дитиопропанол, глутатион, тиомочевина, цистамин, цистеамин, цистеин, цистин и др. Механизм защиты: 1) перехватывают свободные радикалы и присоединяют их к своей молекуле; 2) соединяются с фосфотазами, вызывающими гидролиз ДНК при высоких дозах.
Вторая группа: вещества, способные к окислению и восстановлению – аскорбиновая кислота (восстановленная) и ее соли, этаноламин, гидроксиламин, гидросульфит и метабисульфит натрия, гидрохлорид, перманганат, спирты (метиловый, пропиловый, этиловый). Механизм защиты: 1) являются донорами электронов и протонов; 2) останавливают первичные радиационно-химические реакции; 3) регулируют деятельность ферментов; 4) аскорбиновая кислота увеличивает содержание в клетках цистеина.
Третья группа: вещества антиокислители и антиоксиданты – оксипиримидин, каротин, токоферолы, эфиры галловой кислоты. Механизм защиты: 1) замедляют окисление молекул кислородом; 2) подавляют цепные реакции окисления липидов.
Четвертая группа: митотические яды – колхицин, кофеин, мезонидазол. Механизм защиты: 1) замедляют прохождение клеток по циклу и задерживают деление клеток; 2) уменьшают выход хромосомных аберраций.
Пятая группа: ионы некоторых металлов – растворы солей (марганца, железа, никеля, калия, натрия, магния, кальция) и микроэлементов (цинка, бора, кобальта, молибдена, меди). Механизм защиты: 1) стабилизируют деятельность белков;2) восстанавливают деятель- ность ферментов, содержащих металлы.
Шестая группа: фитогормоны – гетероауксин, гиббереллины, цитокинины. Механизм защиты – разнообразный.
При совместном использовании (например, кинетина и гетероауксина) эффект защиты усиливается. Многие радиопротекторы содержатся в клетках растений (например, цистеин, цистин, метионин, глутатион, сипантин, спирты, аскорбиновая кислота), поэтому эти растения радиоустойчивы. Водные вытяжки тканей таких растений используются как протекторы.
Кроме химических веществ модификаторами радиочувствительности могут быть также различные факторы физической природы и факторы среды. Факторы физической природы по действию можно разделить на две группы:
| !Контрольная работа (задание) |
| 1112 |
| 1119 |
| 1131 |
| 1302 |
| 2 |
| 2 |
| 2.ОМК.6112.Апарина О. А. |
| 2392 |
| 2673 |