Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема радиочувствительности, изучение влияния факторов, модифицирующих радиочувствительность и мутационную изменчивость, - одна кз центральных задач радиобиологии и радиационной генетики. Радиочувствительность как слонное многофакторное явление (Кузин, 1969) определягтоя взаимодействием систем, обусловливающих уровень первичной повреждаемости клеток, и интенсивность» процессов пострадиационного восстановления (Коро-годии, 1966; Лучник, 1968; Зестяников, 1968; Гродзинокий, [97ч; Гудков, I9S5).
Для растительного мира характерно разнообразие форм, который резко различаются меиду собой по радиочувствительности. Выяснение причин больших различий радиочувствительности растений имеет существенное значение для развития теоретической радиобиологии и важно для расширения практических возможностей, применения методов радиационной биотехнологии в народном хозяйстве. Многочисленными исследованиями (sparrow и др., 1961, 1963; Батыгин, Савин, 1966; Кузин, Газиев, 1969; Кузин, 1970, 1985; Гродзинекий, Г972; Гудког, 1974, Г989; Золодин, 1975; Ганасси, 1976; Норбаев, 1976; Шевченко, 1979; Авакян, 1982; Семерджян, 1983; Kumar, 198і!;. Корнеев и др., 1985; Юмашева и др., 1988; Архипов, 1989; Преображенская, 1990; Сарапульцев, 1990) показана зависимость радиочувствительности от тех или иных особенностей структуры и обменных процессов, которые имеют ведущее значение для определения уровня радиочувствительности растений. Тем не менее мы еце далеки до полного знания природы различий в радиочувствительности растений.
Радиочувствительность и мутабилыюсть растений при равных условиях действия излучений варьируют в зависимости от ряда внутренних и внешних факторов (Батыгин, Питиримова, 1970; Орав, Шангин-Березовокий, Орав, 1972; Лыоиков, 1975; Савин, 1981; Атаяк, 1983; Гродзинокий, 1989). Известно также, что биологический эффект ионизирующих излучений можно изменить путем воздействия до, хо-эреыя и после облучения организма различными модифицирующими факторами. В качестве радиомодификаторов могут выступать различные физические агенты: видимый свет, ультрафиолетовое и лазерное излучения, электрический ток, магнитное поле и др. (Дубров, 1968; Дудин, 1976; Кутлахмедов, Гродзинокий, 1976; Амирбекян, Авакян и др., 1982; Юшков, 1983; Григорьева, Шахбазов, 1983) и химические вещества;
сульфгидрильные соединения и'многие восстановители; окислители и комплексные соединения; мито стг ческие яды к мутагени; активаторы и ингибитора роста; ионы металлов и элементы питания, ферменты и кофакторы; метаболиты и ингибиторы метаболизма и прочие соединения (Тиунов и др., 1964; Романцев, 1958; Гродзинский, Гудков, 1973; Моссо, 1974; Владимиров и др., 1988; Кудряшов, Гончаренко, IS89) Арсенал химических радиомодифицируаичих соединений в настоящее ьремя весьу.а значителен. Однако наличие большого набора радио-модификаторов не исключает поиска новых, более аффективных и менее токсических агентов. Особого внимания заслуживает поиск радиомоди-фицируыщих аепіестз среди фе кольках соединений и регуляторов роста растений (Дубинки, Юкова, Т967; Богданов, Бурлакова и др., 1968; БарабоЯ, Зиноер, 1974; Манзюк, Бибик, Г9ЄІ; Виленский, Щербаков, 1986; Драратян, T9S9; Козаченко, 1990). Изыскание новых радиокодификаторов, исследование возможностей к закономерностей соматической и генетической защиты от лучевого поражения представляют несомненный интерес и могут явиться базой для решения важнейших задач радиобиология: разработки аффективных методов радиационного мутагенеза и способов противолучевой заииты растений, выращиваемых в условиях повышенного фона радиации, а также для развития новых фундаментальных представлений о механизмах действия радиации на клетки, ткани и организм в целом.
В разработке рациональных способов использования радиационно-кндуцированных мутантов в селекции и биологических исследованиях немаловажное значение имеет изучение генетической природы новых Мутантних признаков, идентификация типов мутаций и локализация мутантних генов в группе сцепления, (Хвостова, Сидорова, 1974; Захаров, 1979; Моргун, І9ЄО; Сидорова, 1981; Володин и др., 1962, Г989; Савченко, Т986).
Цель и задачи исследования. Основное направление настоящей работы состоит в выяснении роли некоторых обменных процессов в определении уровня радиочувствительности растений; исследовании радиомодифицирующего действия природних фенольних соединений, регуляторов роста и ультрафиолетовых лучей на цитогенетические аффекты гамма-излучений с целью изыокания агентов, споообствупиих повышению выживаемости облученных растений и увеличении чаотогы и спектра полезных типов мутаций; установлении генетической природа, изучении разнообразия и закономерностей наследования радиациояш-икдуцированных мутантних признаков.
ІЗ лоде экспериментов решались следующие задачи:
-
Роль некоторых сторон метаболизма в формировании радиационных эффектов у растений.
-
Поиск рэдиокодифицирувщих агентов среди голифенолов растительного происхождения и синтетических регуляторов роста растений.
-
Заявление заданомерностей радиомодифицирующего действия природних фенольних соединений и регуляторов роста в зависимости от их концентрации и дозы гамма-излучении.
к. Исследование последействия радиомодифицирующего эффекта биологически активных соединений на мутационную изменчивость растений.
-
Комбинированное действие гамма-излучений и ультрафиолетовых лучей на радиочувствительность и мутабильнооть растений.
-
Установление оптимального сочетания доз гамма-излучений и концентрации радио модификаторов, обеспечивающих наибольший выход по-лезних мутаций.
-
Оценка хозяйственно-полезных признаков и свойств у вновь индуцированных мутантов и изучение генетической природы радиационных мутаций.
Научная новизна. На примере кормовых бобов и клевера впервые показано, что различия в радиочувотвительнооти семян растений зависят от особенности радиационного нарушения нуклеинового обмена, изменения активности окислительно-восстановительных ферментов -каталаэы, пероксидазы и липооксидазы, а таете от уровня общих анти-окоидантов и тиольных соединений в тканях облученных растения. Путем анализа ростовой реакции и учета структурных нарушений хромосом в митотических клетках меристемы корешков кукурузы впервые показано радиозащитное действие природных фенольних соединений -оульфосоль хризофанола и лейкоэфдина - в зависимости от их концентрации и дозы гамма»излучений. Способ защиты растений от радиационных повреждений защищен автороким свидетельством К 451261. Впервые изучены радиомодифицирующие действия лейкоэфдина, ультрафиолетовой радиации, регуляторов роста растений - препаратов $-1, АСА, АЕ и гипокоантина на адтогенетичзские эффекты гамма-излучений у ячменя и предложены оптимальные варианты гамма-облучения самян и обработки радиомодификаторами, снижающие радиационные повревде-ни я растений в Мт и повышающие чаототу и опектр индуцированных мутаций в М^. Выделены мутантные линии ячменя, обладающие повышенной продуктивностью, высоким содержанием белка в зерне и устойчи-
востью к полеганию и болезням. Изучена, патогенетическая природа вновь индуцированных мутантов и установлена локализация отдельных мутантных генов в группе сцепления.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Пострадиационное изменение активности окислительно-восстановительных ферментов - катаяазы, пероксидазы и липооксидазы, а также радиационное нарушение биохимических процессов, регулирующих уровень антиокислителей и эндогенных тиольных соединений, лграют ведущую роль в определении радиочувствительности кормовых бобов, клевера и других видов растений.
-
Способ эффективной защити растений от радиационных повреждений, включающий предрадиационную обработку семян Г-6й'-ныи водним раствором сульфэсоль хризоуанола.
-
Использование биологически активных соединений - леЯкоэфдина, препаратов S-I, АСА, А и гипоксангкна, а также ультрафиолетовой радиации для модификации мутагенного эффекта гамма-излучений, способствующей повышению частоты и спектра полезных типов мутации.
-
Индуцированные мутанты, несущие маркерные гены много рядности, короткоостистосги, эректоидности, раннеспелости, а также линии с продуктивный колосом, высоким содержанием белка в'зерне и устойчивостью к полеганию и болезням, являются новыми источниками генов данных признаков и могут быть использованы в биологических исследованиях и в практической селекции ячменя.
Теоретическая и практическая значимость. Совокупность материалов диссертации можно рассматривать как развитие отдельных положений многофакторной теории радиочувствительности и новое научное направление - поиск и испытание новых радио модификаторе в, изучение их вклада в защиту растений от радиационного повреждения и повышение эффективности радиационного мутагенеза. Результаты биохимических исследований существенно углубляют наши знания о механизмах различной радиочувствительности растений, что в свою очередь способствует расширению практических возможностей современных методов радиационной биотехнологии. Теоретическую и практическую ценность имеют результаты экспериментов по изучению радио-модифацирупщего действия природных фенольних соединений и синтетических регуляторов роста растений на цитогенетичеокие эффекты ионизирующих излучений. Предложен эффективный опособ защиты рас-, тений от радиационного повреждения. Разработан ряд методов рггзиа-
ционного мутагенеза, позволяющих повысить выход мутантных форм ячменя с хозяйственно-полезными признаками. Они применяются в Всесоюзном НИИ зернового хозяйства ЗАСХНШІ с целью создания исходного материала для получения перспективных сортов ячменя. Создана коллекция мутантних линий ячменя copra Черниговский 5, включающая более 100 образцов. Иутантные формы отличающиеся продуктивностью, высоким содержанием белка в зерне и скороспелостью, переданы и используются в качестве исходного материала в селекции, генетических и физиологических исследованиях в КазНИИ земледелия им. З.Р.Вильям-са, ВНИИ зернового хозяйства им. А.И.Бараева, Агрофизическом научно-исследовательском институте и в Главном ботаническом оаду АН Казахской ССР. С помощью маркерных линий локализованы гены много-цветковости, короткоостистостости и двуряднооти. Мутантные линии, идентифицированные по типу возникших мутаций, действию мутантного гена, характеру наследования мутантных признаков и локализацией генов в определенной группе сцепления, можно рекомендовать для использования в генетических, биохимических, физиологических исследованиях, а также практической селекции ячменя.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены на: П Всесоюзном симпозиуме по тканевой радиочувствительности (Алма-Ата, 1968); Всесоюзном симпозиуме "Действие ионизирующей радиации на белки и нуклеиновые кислоты. Молекулярные механизмы защиты" (Киев, 1968); научных конференциях молодых.ученых АН КазССР (Алма-Ата, 1970, 1972); Всесоюзной конференции по использованию радиационной техники-в сельском хозяйстве (Кишинев, 1972); симпозиуме по сельскохозяйственной радиобиологии (Кишинев, 1976); П советско-индийском симпозиуме по проблемам генетики и селекции культурных растений (Баку, 1976); Воесоизном симпозиуме "Роль и механизмы действия биологически активных соединений в облученном организме" (Путино, 1978); Республиканском совещании по проблемам генетики и селекции раотений (Алма-Ата, 1979); Всесоюзном симпозиуме по радиочувствительности и процессам восстановления у животных и раотений (Ташкент, 1979)г I Воеооюзной конференции по прикладной радиобиологии (Кишинев, 1981); Всесоюзном рабочем совещании "Роль эндогенных биологически активных веществ в формировании радиационных эффектов" (Пущино, 1983); I Всесоюзном координационном совещании "Радиационная генетика - селекции" (Москва, 1986); Республиканских конференциях КазВОГиС (Алма-Ата, 1986, 1990); У оъезде ВОГиС им. Н.И.Вавилова (Москва, 1987); I Воесоозном съезде радио-
*
биологов (Москва, 1988), Ш Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, ID90); П Всесоюзном совещании "Генетика развития" (Ташкент, 1990).
По материалам диссертации опубликовано 60 работ, в числе которых монография "Радиочувствительность растений (модификация и мутационная изменчивость)" и авторское свидетельство на изобретение "Способ задать; растений от радиационных повреждений".
Структура работы. Диссертация изложена в форме научного доклада И включает следующие раздели: I. Общая характеристика ряботы. 2. Методические особенности работы. 3. Экспериментальная часть. 3.1. Некоторые метаболические аспекты сравнительной радиочувствительности растений. 3.2. Изучение рздиозащитного действия природных фенольных соединений - сульфоооль хризофанола и лейкоэфдина. 3.3. Изучение радиомодифицивушцего действия лейкоофдина на цито-генетические эффекты гамма-излучений у ячменя. 3.4. Изучение ра~ диомодифицирующего действия регуляторов роста растений. 3.5. Цито-генетический эффект совместного действия гамма-радиации и ультрафиолетового света. 3.6. Морфобиологическая характеристика и цито-генетическая природа радиационно-ивдуцированных мутантов ячменя. k. Заключение и выводы. 5. Практические рекомендации, б. Список работ, опубликованных по теме диссертации. Экспериментальный материал в докладе представлен в 8 таблицах и 2 рисунках.
