Лучевые реакции растений

Лекция 9. РАДИОБИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

1. Лучевые реакции растений

2. Составляющие радиационного синдрома у растений

3. Пострадиационное восстановление растений

Мир растений представлен крайне разнообразными жизненными формами множества видов, различающихся морфологическим строением, размерами, темпами ростовых процессов, способами размножения, биохимическим составом. Колоссальное разнообразие жизненных форм растений, особенности строения и физиологии растительных клеток существенно усложняет формирование общей радиобиологической реакции растений. В лучевых реакциях растений проявляются как специфические особенности этих организмов, так и общие радиобиологические закономерности. Для растений характерно огромное варьирование радиоустойчивости: некоторые виды водорослей характеризуются ЛД₅₀ порядка сотен тысяч Гр, тогда как малоустойчивые виды погибают при дозах облучения, не превышающих 1Гр. Ряды радиоустойчивости, полученные для семян, почек, вегетирующих растений, пыльцы, культуры клеток, изолированных органов не всегда совпадают даже в пределах одной таксономической группы. Если семена одного вида более устойчивы, чем семена другого вида, то это не означает, что вегетирующие растений этих видов так же отличаются по радиоустойчивости.

Перечень мер радиобиологических эффектов у растений приведен в таблице 23.

Радиобиологические эксперименты проводят не только на вегетирующих растениях, но и на семенах, пыльце, культуре изолированных тканей и других экспериментальных системах.

Семена растений удобны для проведения экспериментов: они компактны, их можно хранить после облучения, облучать, помещая в вакуум, изменять физиологоическое состояние зародыша и т.д. Основные реакции растений на облучение семян обнаруживаются при развитии зародыша, проростков и взрослых растений, вырастающих из облученных семян.

При облучении семян в малых дозах статистически значимых отрицательных процессов не обнаруживается. Однако может проявиться стимуляция роста проростков, обусловленная ускоренным ростом и растяжением клеток. Явление радиационной стимуляции может быть преходящим, краткосрочным, иногда – более длительным.

При облучении семян в дозах около 50 Гр и больше отмечают торможение ростовых процессов, которое также может быть преходящим, а может захватывать весь вегетационный период.

При облучении семян в еще более высо­ких дозах наблюдают полную потерю способности клеток меристе­мы к делению, в связи с чем проростки лишены меристем и дораста­ют до предельно возможных размеров после растяжения клеток. Часто отмечаются морфологические изменения первых листьев, замедление развития до такой степени, что растения лишены возможности плодоносить. Отчетливо появляются клетки с аберрациями хромосом. Вместе с тем выявляются изменения биохимического состава тканей и изменения уровней физиологических процессов.

Таблица 23

Меры радиобиологических эффектов у растений (по Гродзинскому, 1989)

Реакция растения на облучение	Наименование меры эффекта	Определение единицы меры
Субклеточный уровень
Радиационно-химическая	Выход реакции	Число превращенных молекул на единицу дозы
Повреждения ДНК	Выход реакции	Число повреждений на геном, мкг ДНК на 1 Гр
Повреждения белковых молекул	Нарушение ферментативной активности	Уменьшение ферментативной активности, %
	Выход продуктов распда или модификации	Число поврежденных молекул на 1 мкг белка на 1 Гр
Нарушение структуры мембран	Проницаемость плазматической мембраны	Зависит от метода регистрации явления: например, по выходу К+ из клеток, % к норме
Нарушение клеточного метаболизма	Изменение интенсивности дыхания и др.	% к норме
Клеточный уровень
Торможение клеточных делений	Увеличение продолжительности клеточного цикла	% к норме
Пролиферативная гибель клеток	Степень выживаемости или гибели	% выживших (или погибших) клеток
Интерфазная гибель клеток	То же	То же
Образование хромосомных аберраций	Выход аберрантных клеток на определенный момент после облучения	% аберрантных клеток
Организменный уровень
Гибель многоклеточного организма	Число погибших особей на определенную дату после облучения	% к общему числу особей в эксперименте
Ингибирование ростовых процессов	Высота или масса растений на определенную дату после облучения	% к контролю
Нарушение формообразования	Число листьев, побегов и т.д. на растениях спустя определенное время после облучения	% к контролю
	Дата наступления определенной фазы развития	Соотношение продолжительности фаз в норме и при облучении
	Число образовавшихся соцветия, цветков, плодов	% к контролю
Стерильность растений	Число стерильных растений или цветков на растении	%
Морфозы	Число растений с морфологическими аномалиями	%
	Число уродливых листьев по ярусам, то же репродуктивных органов	Соотношение числа уродливых и нормальных листьев
Активация или ингибирование регенерационной способности	Интенсивность регенерации	% к контролю
Повреждение клеточной популяции меристемы	Относительная скорость роста осевых органов	Безразмерная
Генетический эффект	Выход мутаций в М1, М2 и т.д.	%

В опытах с семенами удобно проводить сравнительное изучение радиоустойчивости растений. При этом используют такие простые меры, как всхожесть семян и выживаемость растений. Ряды радио­устойчивости семян растений используют для выявления определен­ных закономерностей, например связи с филогенетическим положе­нием растения, биохимическим составом семян, числом и размером хромосом, размером семян, морфофизиологическими особенностями зародыша. При изучении радиоустойчивости семян исследователи обычно унифицируют условия выращивания рас­тений, состояние семян при облучении, после чего полученные сопоставимы между собой.

Е.И. Преображенская исследовала около 700 видов растений, относящихся к разным таксономическим группам, облучая воздушно-сухие семена g-радиацией ⁶⁰Со в дозах 5 - 3000 Гр при близких мощностях дозы. В качестве меры радиоустойчивости семян была принята выживаемость растений к концу вегетационного периода. Выделено три группы видов по степени радиоустойчивости их семян. Границы летальных доз для этих групп таковы: радиочувствительные растения – 150-250 Гр; среднерадиочувствительные – 250-1000 Гр; высокорадиоустойчивые - больше 1000 Гр.

Все изученные виды голосеменных растений отличались низкой радиоустойчивостью семян. Среди покрытосеменных растений имеются как радиоустойчивые, так и радиочувствительные растения. Обнаруживаются различия между однодольными и двудольными растениями: в классе однодольных все изученные порядки, семейства, роды и виды относятся к радиочувствительным и среднерадиочувствительным растениям. Двудольные растения отличаются большим разнообразием форм по уровню радиоустойчивости семян: растения этого класса более или менее равномерно распределены по всем трем группам радиоустойчивости.

Древесные и кустарниковые формы растений оказались более радиочувствительными. Е.И. Преображенская объясняет это тем, что данные формы растений более примитивны в сравнении с травя­нистыми. К радиочувствительным и среднерадиоустойчивым семе­нам относятся семена, для которых характерен недоразвитый заро­дыш, что также рассматривается как признак, свидетельствующий о более примитивной организации растения. Среди двудольных растений наиболее высокой радиоустойчивос­тью семян отличаются виды семейства крестоцветных.

К числу факторов, определяющих радиоустойчивость семян, относятся следующие:

§ недоразитость зародыша семян – чем она выше, тем радиочувствительнее семена;

§ возраст семян – с его увеличением чувствительность к действию радиации возрастает. Показано, что частота спонтанного возникно­вения хромосомных аберраций увеличивается с возрастом семян;

§ размеры семян. В некоторых случаях наблюдали корреляцию между размерами семян и их радиоустойчивостью;

§ биохимический состав семян. Семена, содержащие повышенное количество масел, обычно отличаются высокой радиоустойчивостью. Результаты прямых иссле­дований радиоустойчивости семян гороха одного и того же сорта, выращенного на питательных средах, показали, что чем, больше железа в семенах, тем выше их радиоустойчивость;

§ характеристики хромосомного аппарата клеток. Чем крупнее объем хромосом, тем выше радиочувствительность семян; при одинако­вом объеме клеточного ядра семена, клетки которых имеют большее число хромосом, обычно характеризуются и более высокой радиоустойчивостью;

§ наличие кислорода. Семена, облучаемые в атмосфере кислорода, повреждаются значительно сильнее, чем облучаемые в атмосфере азота, инертного газа или в вакууме;

§ радиоустойчивость семян зависит от их влажности - с потерей влаги возрастает радиочувствительность.

Взаимодейст­вие кислорода с активными центрами в семенах, свободными радикалами и обусловленное ими усиление пораже­ния зародыша семени при облучении служит причиной широко известного в радиобиологии растений эффекта хранения. Суть эффекта состоит в том, что условия хранения и продолжительность хранения облученных семян оказывают существенное влияние на проявление радиобиологического эффекта. При этом радиобиологический эффект облученных семян зависит от coдержания влаги в семенах и наличия кислорода в момент облучение либо после облучения при хранении. Эффект хранения проявляется усилением лучевого поражения облученных семян. Особо контрастно эффект хранения обнаруживается у семян с низким содержанием влаги. В обычных условиях хранение облученных семян не должно превышать нескольких не­дель, так как при более продолжительном хранении начнется рез­кое усиление лучевого поражения. Продлить период хранения облученных семян можно, прибегнув к их глубокому охлаждению.

Влияние температуры на радиоустойчивость семян также связано с влажностью и нали­чием кислорода в среде. Термические воздействия на семена сопровождаются уменьшением содержания кислорода в клетках зародыша и ведут к повышению радиоустойчивости семян. В этом отношении показательны результаты экспериментов с им­пульсным воздействием тепла на семена (тепловой шок), когда не­посредственно вслед за облучением семена нагревают до 60 °С. Такое воздействие существенно умень­шает радиационное повреждение, регистрируемое по торможению роста проростков и по выходу хромосомных аберраций. Выход мутаций при импульсных тепловых обработках не изменяет­ся. Температура в этих режимах ее воздействия уменьшает концент­рацию кислорода в семени и тем самым ослабляет развитие радиационно-химических процессов, ведущих к лучевому поражению клеточных структур.

Степень радиационного повреждения зависит не только от дозы, но и от мощности дозы облучения. Хроническое облучение более действенно, чем острое, что связано с эффектом хранения подвергавшихся облучению семян. На семенах гороха с разной влажностью показано, что в случае сухих семян (4-8 % влаги) эффект мощно­сти дозы (так называют «фактор времени») не проявляется по выхо­ду цитогенетических повреждений, хотя эффект кислородного усиления обнаруживался только в опытах с сухими семенами. Можно предположить, что меньшая цитогенетическая пораженность при высокой мощности излучения обусловлена возможностями реком­бинации свободных радикалов при повышенной влажности семян, частоты их возникновения и диффузии, от которых зависит вероят­ность взаимодействия лабильных продуктов, возникших при облу­чении.

При облу­чении семян нейтронами или другими видами корпускулярных из­лучений закономерности радиобиологических эф­фектов не всегда воспроизводятся: в случае плотноионизирующей ра­диации модификация радиоустойчивости семян под действием вла­ги, кислорода и температуры не проявляется с такой выразитель­ностью, как в случае g-радиации или рентгеновских лучей.

Исследуя зависимость радиочувствительности семян от их влажности, необходимо иметь в виду, что выявляемые зако­номерности относятся к интервалу влажности семян, при которой еще не происходит набухание семени и прорастание зародыша. С развитием процессов прорастания ситуация в семени резко изменяется: потребление кислорода на дыхание сказывается на его концентрации в клеточном мета­болическом пространстве, многие клетки, продвигаясь по клеточному циклу, вступают в более радиочувст­вительные фазы митотического цикла, в них происходят гидролитические процессы и т.д. Все это не может не отразиться на радиочувствительности зародыша. При набухании семян нивелируются свойственные сухим семенам сортовые различия радиоустойчивости. По-видимому, в прорастающих семенах проявляются иные закономерности радиобиологических эффектов, чем у сухих покоящихся семян. Тем не менее, во многих случаях прослежи­вается связь между значениями радиоустойчивости сухих семян и проростков.

Пыльца растений - очень удобный объект для радио­биологических исследований. Пыльцевые зерна можно облучать в вакууме, изучая действие ультрафиолетового и синхротронного излу­чения, протонов, дейтронов и ядер тяжелых элементов. Важное пре­имущество пыльцевого зерна в сравнении с другими растительными системами состоит в том, что оно представляет собой малоклеточное образование и его использование позволяет следить за судьбой об­лученной клетки, попадающей в систему многоклеточного организ­ма.

Прораста­ние и рост пыльцевой трубки обычно ингибируются при очень высоких дозах ионизирующих излучений, достигающих 5500 Гр. Полулетальные дозы рентгеновских лучей при облучении в условиях 50 %-ной от­носительной влажности воздуха, составляют от 1400 до 5250 Гр. За некоторым исключением проявляется связь между размерами пыльцевого зерна и его радиоустойчивостью: более радиоустойчи­ва мелкая пыльца.

Как и в случае с семенами, обезвоживание пыльцы резко повы­шает ее радиочувствительность. Этот эффект, как и при облучении обезвоженных семян, связан с влиянием кислорода, что было доказано опытами с облучением обезвоженной пыльцы в атмосфере гелия.

На пыльце обнаруживают и эффект хранения: при выдерживании пыльцы в воздухе лучевое поражение усиливается, но в случае уда­ления из воздуха кислорода прорастание пыльцы не изменяется.

Эффект мощности дозы (фактор времени) при действии ионизи­рующей радиации на пыльцу сходен с тем, который наблюдают при облучении семян.
При сопоставлении дозовых зависимостей прорастания пыльце­вого зерна и длины пыльцевой трубки для растения огурца обнаружено, что рост пыльцевой трубки относится к весьма радиоустойчивым процессам.

Разнообразие цитогенетических повреждений, обнаруживаемых в ходе митоза, происходящего в пыльцевой трубке, сходно с наблю­даемым в других клетках растений. На значениях выхода таких повреждений сказывается кислородный эффект: при аноксии, соз­даваемой на момент облучения, возникает существенно меньше хроматидных аберрации, чем при облучении пыльцы в атмосфере, содержащей кислород.

Возникающий при облучении пыльцевого зерна дефект в генератив­ном ядре (либо его отсутствие, обусловленное ингибированием ми­тоза в пыльцевой трубке) может проявиться в нежизнеспособности зародыша.

Процент завязывающихся и жизнеспособных семян при опылении цветков облученной пыльцой следует четким дозовым зависимостям. Полностью ингибируют митозы в пыльцевой трубке дозы около 250 Гр. Однако формирование пол­ноценных семян при опылении цветков облученной пыльцой суще­ственно тормозится уже при дозах всего 50 Гр.

В радиобиологических эффектах, наблюдаемых в опытах с об­лученной пыльцой, отчетливо видны различия в радиоустойчивости отдельных процессов: очень высока радиоустойчивость прорастания пыльцы и роста пыльцевой трубки, однако крайне мала радиоустойчивость клеточных ультраструктур, от которых зависит митоз и оплодотворение.

Водоросли представляют собой группу организмов, различающихся чрезвычайным разнообразием жизненных форм, спо­собов размножения и морфологической организации. Одноклеточная водоросль хлорелла Chlorella pyrenoidosa имеет сравнительно низкую радиоустойчивость. Высокой радиоустойчивостью отличаются виды из вольвоксовых (Volvocales). Для того чтобы облучением вызвать остановку движения коло­нии пандорины (Pandorina sp.) и индуцировать цитолиз мате­ринской колонии, требуется доза рентгеновских лучей примерно 300000 Р. При экспозиционной дозе меньше 3000 Р каких-либо нарушений темпов вегетативного размножения этой водоросли не было отмечено. Как видим, эта колониальная форма водоросли от­личается высокой радиоустойчивостью.

Очень большой радиочувствительностью обладают харовые водоросли - Nitella и Chara. Особенно радиочувствительны виды нителла Nitella, для которых при облучении дозой 1-5 Гр обнаруживались повреждения хромосомного аппарата клеток. Такой уровень радиочувствитель­ности близок к тому, который проявляют клетки меристем цветковых растений. Наиболее чувствительными оказались виды нителлы с на­именьшим числом хромосом.

Мохообразные - превосходный объект для ра­диобиологических исследований. Являясь простейшими высшими сосудистыми растениями, они обладают такими упрощенными фор­мами организации, как протонема - нитчатая структура, рост ко­торой осуществляется благодаря делению апикальной клетки.

В исследованиях, проведенных Саросеком на изолированных и культивируемых in vitro фрагментах гаметофита мха Drеpanocladus aduncus, показано, что этот организм отличается сравни­тельно высокой радиоустойчивостью. При остром g-облучении дозой 40-175 Гр обнаружена сильная стимуляция рос­та гаметофита, полное подавление ростовых процессов имело место лишь при дозах 250-800 Гр. Однако при облучении такими высокими дозами угнетение роста основной части гаметофита сопровож­далось образованием дополнительных боковых ростков. Даже об­лученный дозой 1500 Гр гаметофит сохранял тенденцию к ветвле­нию, хотя последнее имело черты аномального развития. Очевидно, системы, ответственные за детерминацию ветвления, как и собствен­но жизнеспособность клеток гаметофита этого вида, отличаются высокой радиоустойчивостью.

Анализируя радиобиологические эффекты, наблюдаемые у во­дорослей, мхов, обладающих многоклеточным, но достаточно про­стым талломом, можно заметить, что многоклеточность сопровождается усложнением радиобиологнческих реакций организма на действие ионизирующих излучений. По-ви­димому, многоклеточность сама по себе служит причиной повышен­ной устойчивости организма к экстремальным воздействиям, в том числе и к облучению. Во всяком случае, хотя гибель клеток и явля­ется основным радиобиологическим эффектом, только к эффекту клеточ­ной выживаемости сводить природу реакций многоклеточного организ­ма на облучение нет достаточных оснований, так как гибель отдель­ных клеток в организованной клеточной популяции сопровождает­ся явлениями популяционной компенсации нанесенного радиацией ущерба, изменением деятельности всей системы клеток под влиянием регуляторных систем, в результате чего развивается весьма своеобразная ситуация в процессах, которая составляет радиационный синдром. У цветковых растений этот синдром охватывает раз­ные стороны жизнедеятельности организма.

Радиационный эффект у вегетирующегр цветкового растения очень сложен. Он является развитием многих процессов, запуск которых происходит под влиянием первичных эффектов лучевого поражения. В лучевом эффекте вегетирующего растения комбинируются параллельно, но взаимо­связано развивающиеся отдаленные последствия и клеточной ги­бели в меристеме, и обусловленные последними повреждения ин­тегральных функций.

Радиоустойчивость меристемных клеток несравнимо меньшая, чем клеток дифференцированных, специализированных тканей, в связи с чем при действии ионизирующих излучений на растения наблюдается прежде всего поражение меристемных клеток и обусловленное этим поражением уменьшение кле­точных потоков. Все это приводят к нарушениию и морфологических, и функциональных характеристик растения.

Та или иная форма повреждения меристемной клетки может проявляться в ее клеточном поколении, приводя к возникновению клеточного потока, несущего черты радиационного повреждения. Для того чтобы судить о наличии связи между повреждениями отдельных клеток зародыша и проявлением лучевых реакций вегетирующего растения, проводят эксперименты с облучением не­зрелых семян, у которых существенно различается степень сформированнрсти зародыша. Облучением проэмбрио в разные этапы его формирования достигают поражения определенных групп клеток. На­блюдая за аномалиями отдельных органов у вегетирующего взрослого растения, можно определить вклад повреждения той или иной клетки проэмбрио в формирование морфологической аномалии рас­тения.

При облучении проэмбрио в ранние периоды формирования зародыша удалось установить, что лучевое поврежде­ние распространяется на все надземные части растения. Это указы­вает на то, что все органы происходят от одной инициали. Гистологический и морфологический анализ облученных растений показал, что характер и полнота поражения по морфологическим аномалиям зависят от степени зрелости зародыша семени в момент его облучения: степень повреждения тем выше, чем меньше клеток имеет проэмбрио.

С прорастанием семени, развитием проростка во взрослое расте­ние возникает все большее и большее число меристемных областей, слаженно функционирующих, подчиняющихся общей системе ре­гуляции морфогенеза. При действии ионизирующих излучений на вегетирующее растение эффекты обусловлены преимущественно по­ражением меристем, что влечет за собой разные по характеру по­следствия - торможение роста, появление морфологических анома­лий, нарушение коррелятивных связей в функционировании от­дельных органов.

В реакциях вегетирующего растения на облучение сплетаются последствия как прямых повреждений клеток радиацией, так и на­слоения чисто физиологического происхождения. Например, по­вреждение апикальной меристемы сопряжено с ослаблением апикаль­ного доминирования, что приводит к усилению ветвления растения, появлению новых меристемных зон.

При равномерном облучении растения, когда любая его часть получает одинаковую дозу радиации, его поражение обусловливает­ся радиационным повреждением наиболее радиочувствительных тка­ней, групп и отдельных клеток. Такие радиочувствительные ткани, повреждение которых влечет за собой лучевое поражение всего рас­тения, являются критическими для организма в отношении общей реакции растения на действие радиации.