Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема биологического действия плотноионизируюцего излучения (ПИИ) приобретает первостепенное значение в связи с решением рада теоретических и практических задач в радиобиологии, сельском хозяйстве и медицине. В частности, особое внимание уделяют выяснению возможности модификации воздействия плотноионизирующего излучения на клетку.
Применение ПИИ в целях экспериментального мутагенеза, особенно для выведения новых сортов хозяйственно ценных растений и микроорганизмов, ухе имеет устоявшеся традиции, о чем свидетельствуют многочисленные научные данные мировой литературы и периодические отчеты ФАО и МАГАТЭ. Широкое применение и перспективы использования в целях экспериментального мутагенеза и лучевой терапии, всесторонний, глубокий и полный анализ действия іі>ід на биологические системы еще не нашли своего ыеста б научных псследовакилл. & связи с этим нахождение способов модификации радиобиологических эффектов ПИИ требует дальнейшего развития экспериментальных работ. Известно, что возможности модификации рздиоустойчкгости соматических клеток к Ш1И и влияния на генетическую изменчивость различными физико-химическими и биологическими факторами существенно сужены и незначительны. Б этом отношении особняком стоит такое ПИИ как тепловые нейтрона (ТН). при облучении растений ТН почти вся доза формируется за счет ядер N к Н. ' Ядра азота и водорода при захвате ТК ьтковекко излучая? протоны и v-лучи, соответственно.
Б природе существует ряд элементов, у которых эффективное дифференциальное сечение захвата (ДСЗ) ТН намного Еьше, чем у азота и водорода. К ним откосятся 10В и 6Li, которые при захвате ТК мгновенно излучают альфа-частицы, а также такие элементы как Си, Ей, Су, Gd, Sm, испускающие v-лучи. У этих изотопов аФЬектквное сечение захвата ТН по ядерным реакциям ^(п.сОЧі, ll0/tl3Cd(n,T)111/114Cd, l49/15%m(n,T)150/153S*i,
^і(П,а)3Н, 151/15ЛЕи(п#у-1Ъ2/г54Еи# 155/157^,^ ^156/156^ „
161/lteDy(n,T)lb:d/163Dy на несколько порядков Еыше, чем для реакций 14Щп,р)14С и 1Н(п,т)2Н. Вводя в растения перед облучением ТН вьшеперечнсленяые элементы.мсжао варьировать плот-кость иониойши б местах расположения данных элементов. Изменение плотности локальных микродозных полей может влиять на
эффективность поражения клеток. В этом и заключается суть метода формирования поглощенной дозы ТН для растительных клеток, аналогичного методу бор-нейтрон-аахватной терапии (ШЗТ), применяемому в радиологии, но иыещего более широкие возиохности для варьирования,условия экспериментов.
Используя этот метод, можно направленно изменять степень поражения определенных сргзнелл, клеток, тканей, органов или вызывать широкий спектр соматических и "гекетическах мутаций у еысизк растений. Изучение закономерностей действия ионизирующих излучений, обладающих ыикродоговкии локальными полями с различной удельной ионизацией, на генетический аппарат может служить экспериментальным* подходом к выяснению механизмов, обеспечивающих надекность генома растительных клеток. Несомненно, что с применением метода формирования ПйГЛОЩЄНН05"і дозы в исследованиях на растительных клетках можно достаточно полно разобраться в закономерностях механизма мутагенного действия Til, выяснить относительную роль физического и биологического факторов в шїдуцііривакном мутационном процессе.
Дель и задачи исследования. Целью настоящей работы яеи-лось изучение закономерностей и механизмов модификации радиационной устойчивости и генетической изменчивости соматических клеток растений при формировании поглощенной дозы ТН, прогнозирование возможностей практического испольвования подученных данных в ыедрадйояогии к радиационном мутагенезе. В соответствии с указанной целью е задачи исследования входило:
-
Оценить еозмолкость влияния накопления дозы с различными значениями линейной передачи энергии (ЛПЗ) продуктов распада компаунд-ядер и топографии микродозовых полей на модифицирование радиобиологических эффектов в клетках.
-
Определить эффективность модификаторов радиобиологических повреждений для растительных клеток под действием ТН.
о. Изучить последствия действия ТН на мембранный и светс-ішдуцированньїе биопотенциалы семян культурных растений. -.
4.'Охарактеризовать повреждения генома интерфазных.клеток под действием ТН.
5. Изучить зависимость относительной биологической эффективности тепловых нейтронов (ОБЭ ТН) от величины поглощенной дозы по частоте соматических мутаций у растений сои, гетерозиготной по хлорофиллькой мутяцяи в локусе ядерного генома -
Уцуц.
6. Исследовать зависимость между радиоустойчивостьв к ТН и продуктивностью генетически близких сортов гороха.
V. Проследить га формированием радиобиологических повреждений в течение онтогенеза растений при дєйстеии в Мо-поколе-нии радиации с различной ЛПЭ.
G. Выявить закономерности перехода повреждений, возникших при облучении семян ТИ в Мо методом формирования поглощенной дозы, через генеративные клетки в $»Ї2 поколение.
Ііа заажту выносятся следующие положения диссертационной работы:
1. Использование элементов с высоким ДСЗ ТН может суцест-венко модифицировать эффективность повреждения как в Мі, так и в wfo поколениях культурных растений. Эффективность перехода соматических повреждений из Мі в Мг поколение по выходу хлоэо-филльных мутаций в IC^- Ю4 раз визе при еблучекіпі ТН по сравнению с облученным г^дкоконпзнрувщим излучением (у-лучи Со).
iJ. Степень певреждения облученных iH семян культурных растений мо;ет бить количественно оценено на биофизическом уровне по изменению светоиндуцированкого биопотенциала, и по распределению мембранного потенциала эгшдермальных клеток корней проростков.
-
Установлены, Еыесгаге значения ОБЭ ТН - как по выходу соматических мутаций (от 7 до 16), так и по индуцированному миготкческому кроссинговеру (от 16 до 27) у гетерозиготной сои (YliVii)-
-
Радиобиологические повреждения, сформированные sa счет различных ядерных реакции тіша (n.ot) или (п,т) в зародышах семян ячменя, сохраняются в ыеристеыатических клетках в течение всего периода вегетации растений. При этом достоверность различия, оцененная по F-критершэ Фишера, между вариантами, различающимися как. по обработке веществами с высоким эффективными сечениями захвата ТН, так и по уровню дозы, зависит от чувствительности тест-реакций, которые приходится использовать е различных фазах онтогенеза.
Научная новизна исследований. Получены следующие основные результаты, имевшие принципиальную новизну:
1. Степень поражения клеток и тканей растительного орга низма зависит от топографии микродозового поля.
-
При действии ТИ эффективность, модификаторов (ферроце-рона, диацетилферрацена, цистина, цистеамина и др.) по изменение) радиобиологических повреждений у высших растений незначительна по критериям выживаемости корней проростков ка 10-день роста, по ОСР на 6-й день и ло значениям биопотенциала мембран эшщермальных клеток корней проростков, выросших из облученных семяк.
-
Предложены и апробированы новые методические подходы к оценке радиационных повревдений, возникших в зародышах семян при различной топографии микродозоЕых полей ГН, по изменениям СЕетогадуцированного и мембранного биопотенциалов згощермаль-ных клеток корня, характеризующих в основном биофизическую природу повреждения. Установлено, что чем выше плотность ионизации г йикродозошл полях, (например в ^-обогащенных вариантах), тем меньше дисперсия значений биопотенциалов, а вероятность, распределения Еокруг среднего значения биопотенциала достаточно еысокз.
-
Впервые проведен анализ повреждений генома растительных клеток, облученных ТН, с учетом соотношения выхода хромосомных и хрсыатидкых аберрации, а также по характеристикам нейтральной и щелочной элюции ДНК на мембранных фильтрах.
-
Выявлена зависимость ОБЭ ТН величины макросечения захвата ГК (МСЗ ТН) при обогащении семян ячменя элементами с высоким дифференциальным сечением захвата ТН (ДСЗ ТН). Установлено, что зависимость относительной генетической эффективности (СТЭ) ТН в Мг и ОБЭ ТН в Mi от МСЗ ТН при обогащении сє-мян ячменя в Мб элементами с высокими ДСЗ ТН имеет почти линейный характер.
-
Впервые установлено, что у сои, гетерозиготной по ядерному гену Уц год действием ТН по сравнению с гамма-обду-ченным вариантом, быход митотических кроссинговерных и других соматических мутаций возрастает в 3- 10 раз.
-
Установлено существование обратной корреляции между радиоустойчиЕосты) генетически близкородственных сортов гороха и их продуктивностью.
3. Впервые показано, что у. ячменя, выросшего из семян, облученных в Мо ТН при введении некоторых элементов (1. ''Li), наблюдается значительное увеличение выхода и расширение спектра хлорофилльных мутации в Мг по сравнению с т-облучешш-
ми вариантами.
- Э. Впервые приводятся данные, характеризующие модифицирующее действие кадмия и некоторых других редкоземельных элементов (Dy, Эп, Eu, Gd), обладающих еысоким ДСЗ ТН, в опытах со глаками и двудольными растениями.
10. Разработана я апробирована оригинальная программа компьютерной, обработки данных многофакторчогп полевого опыта с элементами моделирования для определения выхода генетических мутаций б U-z в зависимости от повреждений б Mi, полученных от радиации с различной ЛПЭ излучений.
Практическая ценность работы. Совокупность представленных б диссертации экспериментальных данных, относительно проявлений радиобиологических повреждений при формировании поглощенной дозы у растений под действием ТН, обоснованных научных положеній и теоретических обобщений можно рассматривать в целом как развитие нового научного направления в радиобиологии растений, тлеющего важное значение для пояиыанил механизмов, обусловливающих разную радиочувствительность клеток при формировании различных микродогных полей под действием ТН.
Данные об усиление эффекта повреждающего действия ТН изотопами l,JB и 6Li, а также снижение эффективности ТН у семян, обогащенных Си, Злі, Gd, Dy, Ей, необходимо учитывать при разработке ЕНЗТ опухолевых клеток в медрадиолопш.
Данные, касающиеся метода формирования поглощенной дозы ТН в модификации лучевого поражения растений, вошли в учебник Д. '.'. Гродгинского "Радиобиология растений", Киев, Наукова думка, 1989.
Обнаруженый эффект увеличения частоты и расширения спектра хлорофилльных мутаций в Мг, а также повышения уровня индукции митотического кроссинтовера у семян сои, подвергшихся облучению ТН; перспективны для использования в области радиационного мутагенеза растений.
Модификация лучевого эффекта у растений, подвергшихся действию плотноиояизирукщей радиации ТН, вполне достижима при использовании различных Ееществ (10В, ^Li, Cd, Sm, Gd, Eu, Dy), которые вмешиваются в первичные процессы размена поглощаемой клеткой энергии и в последующие, определяющие реализацию вогникЕих молекулярных повреждений. Получение данные перспек-тивкк как научная Оага для разработки Е!?ЗТ п. »«огчут Дать, хотя
бы частично, ответ на вопрос "займет ли ЕН31 свое место среди других методов лечения рака? Это зависит от результатов исследований, которые проводятся сейчас во многих научных центрах всего мира. Возможно, что именно они определят, как будут лечить рак в XXI столетии CBarth et al, 19901".
Апробация материалов диссертации. Материалы диссертации -докладывались, демонстрировались "и представлялись на: VII Международном конгрессе по радиационным исследованиям (ICRR) в Голландии (Амстердам, 1983); Всесоюзном семинаре "Проблемы количественной радиобиологии" (Чернигов, 1986); Всесоюзном рабочем совещании. "Надежность биологических систем" (Чернигов, 1936); Всесоюзном совещании "Иктерфазная гибель клеток" (Пущино -на-0ке,1987); V Всесоюзной межуниверситетской конференции "Биология клетки." (Тбилиси, 1987 )-, Биофизическом семинаре Объединенного института ядерных исследований (Дубна, 1939); Всесоюзной конференции по прикладкой радиобиологии растений (Чернигов, 1990); XXII Европейской конференции новых методов в сельском хозяйстве (ESNA) е Турции (Анталья, 1991); XXIII Европейской конференции новых ыетодос в сельском хозяйстве (ESNA) в Германии (Галле, 1933); Радиобиологическом съезде (Киев, 1993); 11 Съезде Украинского товарищества физиологов растений (Киев, 1993) и других международных и республиканских научных форумах.
Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в более чем 50 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, одиннадцати глаз, посвященных изложению результатов и их обсуждению, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 246 страницах машинописного текста, содержит 55 таблиц и 60 рисунков. Список литературы включает 331 наименований, в том числе 170 иностранных источников.
