АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Использование облучения в селекции растений

Практически сразу же после открытия мутагенного действия ионизирующих излучений они стали использоваться для получения новых форм живых организмов. Но как метод получения новых сортов, обладающих ценными хозяйственно полезными признаками, радиационный мутагенез получил наиболее широкое распространение именно в селекции растений.

Процесс получения нового сорта с применением ионизирующих излучений включает два этапа: использование излучения для получения максимального количества мутантных форм как исходного материала для селекции и на основе полученных мутантов выведение с помощью, общепринятых приемов и методов нового сорта, его испытание, размножение и внедрение в производство.

Специфическим этапом, имеющим отношение к радиобиологии, является первый. Он состоит в подборе доз облучения для семян, вегетативных органов, генеративных органов, вегетирующих растений, индуцирующих возникновение максимального количества новых форм растений, и собственно массового облучения материала.

Количество возникающих под влиянием ионизирующих излучений любых видов мутаций, как отмечалось в главе 3, прямо пропорциональны дозе облучения. Но выживаемость растений и способность их дать семена для размножения обратно пропорциональна дозе (рис. 48). Поэтому следует использовать такие дозы, при которых оказывается достаточно высоким выход мутантных форм и выживает достаточное для размножения количество растений. Такой дозой обычно считают ЛД70, когда выживает около 30 % растений, часть которых способна дать семена. Известный шведский генетик и радиобиолог А. Густафссон назвал ее «критической, дозой».

Рис. 48. Зависимость выхода мутантов (1) и выживаемости растений (2) от дозы ионизирующей радиации

Советский радиобиолог Е. И. Преображенская проделала огромный труд, обобщив собственный и имеющийся в литературе материал по радиоустойчивости семян растений 63 семейств, 262 родов, 508 видов и 218 внутривидовых форм (подвидов, разновидностей, сортов) в книге «Радиоустойчивость семян растений» (1971), которая до настоящего времени остается одним из основных ориентиров для исследователей в области селекции, решивших применить ионизирующие излучения в своей работе. В таблице 30 приведены значения критических доз гамма- или рентгеновского излучений для семян некоторых видов сельскохозяйственных растений, а в таблице 31 – для семян некоторых видов древесных и кустарниковых плодовых культур и лесообразующих пород. В целом ЛД70 отражает общий уровень радиочувствительности растений и при подборе доз в селекционной работе можно пользоваться промежуточными значениями ЛД50 (полулетальная доза) и ЛД100 (летальная доза) (табл. 9), также взятой из книги Е. И. Преображенской.

Существует, однако, точка зрения, состоящая в том, что при облучении растений редкоионизирующей радиацией, т. е. излучениями с малой плотностью ионизации, к которым относятся гамма- и рентгеновские излучения, наиболее часто применяемые в радиационной селекции и генетике, возрастание числа мутаций прямо пропорционально дозе происходит лишь до определенного уровня. В последующем может иметь место некоторое их снижение, происходящее, по-видимому, вследствие гибели клеток, несущих кроме жизнеспособных мутаций также летальные аберрации хромосом. При этом клетки и, соответственно, растения, могут погибать, не реализовав потенциальных возможностей мутаций. На рис. 48 эта ситуация отражена вторым вариантом кривой 1.

Таблица 30

Критические дозы (ЛД70) гамма- или рентгеновского излучений для семян некоторых видов сельскохозяйственных растений (по Е. И. Преображенской, 1971)

Кроме того, возникновение многих интересных мутаций, ответственных за проявление хозяйственно полезных признаков, при облучении в больших дозах часто сопровождается стерильностью семян. Поэтому некоторые исследователи склоняются к мнению о том, что для получения наибольшего числа жизнеспособных мутаций необходимо облучать семена в лозах ниже уровня критических, которые не приводят к гибели большинства растений и не вызывают значительных нарушений в их росте и развитии.

В данной ситуации весьма эффективным может оказаться упоминавшийся в главе 5 прием использования противолучевых и радиосенсибилизирующих соединений, по-разному влияющих на соматическое и генетическое повреждения. В частности, радиопротекторы, оказывающие преимущественно соматическое действие, позволяют повышать уровень переносимых доз, обеспечивая тем самым увеличение выхода мутаций при сохранении жизнеспособности у достаточного количества семян. Радиосенсибилизаторы, напротив, могут усиливать радиационное поражение генетического компонента.

Таблица 31

Критические дозы (ЛД70) гамма- или рентгеновского излучений для семян некоторых видов культурных и дикорастущих древесных растений (по Е. И. Преображенской, 1971)

Для целей радиационного мутагенеза применяются и другие типы ионизирующих излучений, как, например, плотноионизирующие быстрые и тепловые нейтроны. Для разных видов растений относительная биологическая эффективность (ОБЭ) нейтронов колеблется в пределах 3— 10 (см. табл. 4), хотя и может достигать 20. Считается, что нейтроны избирательно действуют на геном клетки и гораздо слабее затрагивают аппарат деления и цитоплазму. Во всяком случае, их эффекты в меньшей степени, чем редкоионизирующих излучений, сопровождаются нарушением обмена веществ, и они меньше влияют на выживаемость растений при одном и том же количестве индуцированных мутаций. Облучение нейтронами вызывает большее число мутаций на «единицу выживаемости». Поэтому рост числа мутаций при облучении нейтронами происходит до большего, порой в несколько раз, предела выживаемости растений, чем при облучении редкоионизирующей радиацией.

К сожалению, технические возможности не позволяют пока достаточно широко использовать источники нейтронов в биологических целях, в том числе и для нейтронного радиационного мутагенеза. Но многие специалисты считают, что им принадлежит будущее в радиационной генетике и селекции. Не случайно Нидерланды, единственная страна, располагающая специальным биологическим ядерным реактором для сельскохозяйственных целей, в течение пяти лет перешла с одного из последних на третье место в мире по количеству сортов культурных растений, полученных с помощью метода радиационного мутагенеза.

Говоря о мутациях под влиянием ионизирующих излучений, следует подчеркнуть, что радиация не индуцирует появления новых типов мутаций по сравнению с возникающими при естественном мутационном процессе. Она лишь увеличивает их количество, что облегчает работу селекционеров, предоставляя им больше вариантов для отбора: Но при увеличении частоты появления различных типов мутаций возрастает вероятность выявления некоторых из них, чрезвычайно редко появляющихся в норме, что также может повышать эффективность селекционно-генетической работы. Неоднократно описывались случаи якобы возникавших при облучении или действии каких-либо других мутагенных воздействий совершенно новых мутаций. Но впоследствии, как правило, оказывалось, что селекционер сталкивался с такой редкой формой. Спектр мутаций – соотношение между различными их типами – также не отличается от обычного. Хотя за счет выявления редких мутаций он может претерпевать некоторые изменения.

Без сомнения, семена представляют собой идеальный объект для облучения, как для целей стимуляции роста и развития растений, так и радиационной селекции. Возможность использования практически неограниченного числа особей с одинаковыми генетическими характеристиками, относительная индифферентность к условиям окружающей среды, высокая технологичность при облучении, способность сохранять эффект облучения в течение долгого времени, соизмеримого со временем сохранения их всхожести, при решении многих задач делают их совершенно незаменимыми.

Однако в последние годы все чаще появляются данные о том, что при облучении вегетирующих растений в различные фазы развития может происходить значительное возрастание мутагенного эффекта, при котором удается выявлять редкие мутации, представляющие интерес для селекционной работы. И в этом нет ничего удивительного, так как при прорастании семян и последующем развитии растений в соответствии с последовательным прохождением отдельных этапов онтогенеза происходит развертывание генетической программы, контролирующей отдельные процессы метаболизма, состоящей в постоянной смене дерепрессии и репрессии отдельных участков генов. В этих условиях вполне можно ожидать различных реакций генома на любое воздействие, в том числе и на облучение. Отмеченное в главе 4 изменение радиоустойчивости растений в зависимости от фазы развития – свидетельство этому.

Исследования, проведенные в нашей стране, в Чехословакии, Польше, США, Швеции и других странах, не позволяют однозначно выделить фазы развития растений, в которые наблюдается наибольшее количество мутаций. По данным одних исследователей, наиболее благоприятной в этом отношении является фаза кущения, других – колошения, третьих —бутонизации, четвертых – цветения. Именно при облучении в эти фазы у различных культур удавалось наблюдать максимальный выход различных типов мутаций.

Интересные исследования были проведены чехословацким генетиком И. Черни (1972). Он изучал влияние гамма-радиации на частоту возникновения специфической генной мутации Su при облучении отцовских растений кукурузы в различные фазы развития. В качестве материнской формы был использован сорт сахарной кукурузы, а в качестве отцовской – с крахмалистым эндоспермом. Частота мутаций гена оценивалась по количеству крахмалистых зерен на початках материнской формы. Было установлено, что максимальное количество мутаций наблюдается при облучении растений в дозе 10 Гр в фазу начала цветения – оно в 4 – 20 раз превышало их уровень при облучении в этой же дозе в другие фазы онтогенеза (табл. 32).

Таблица 32

Частота эндоспермных мутаций гена Su при гамма-облучении растений кукурузы в дозе 10 Гр в различные фазы онтогенеза (И. Черни, 1972)

Н. Ф. Батыгин и М. А. Питиримова (1977), облучая растения ячменя в различные фазы развития, обнаружи-ли максимальное количество хлорофильных мутаций при облучении в фазу выхода в трубку, а наибольшее количество морфологических изменений – при облучении в фазу формирования соцветия.

По-видимому, выход мутаций определяется многими признаками и в первую очередь спецификой вида, а также типом мутаций, избранных для оценки мутабильности. Но в целом наибольшее количество новых наследуемых признаков возникает при облучении растений во второй половине онтогенеза и в особенности в период формирования половых продуктов.

Для усиления эффективности мутагенеза используют также хроническое облучение растений на протяжении всего вегетационного периода в условиях гамма-поля. Но и в отношении к этому приему среди исследователей существуют разногласия. Одни категорически утверждают, что при хроническом облучении удается добиться существенного увеличения выхода мутаций, как на единицу дозы облучения, так и на единицу выживаемости растений. Другие отдают предпочтение пофазному облучению растений, считая, что хроническое не дает каких-либо серьезных преимуществ, но значительно усложняет работу. Более того, ввиду высокой радиочувствительности растений на ранних этапах эмбриогенеза при облучении на гамма-поле может существенно возрастать стерильность растений.

Некоторые преимущества при получении новых форм растений по сравнению с облучением семян может дать облучение пыльцы. В отличие от семян, у которых зародыш состоит из тысяч клеток, пыльцевое зерно представляет собой одну клетку с генеративным ядром. И мутации, возникающие в нем, переходят сразу же во все клетки образующегося из зиготы растения. Таким образом, растение уже в первом поколении после оплодотворения облученной пыльцой становится мутантным, что в некоторых случаях позволяет, по меньшей мере, на год сократить сроки селекционного процесса.

Пыльца, как правило, более радиочувствительна, чем семена того же вида растения. Но она может прорастать даже при очень высоких дозах ионизирующих излучений, не осуществляя, однако, нормального оплодотворения. Более того, пыльца и с убитым облучением ядром способна вызвать у некоторых видов растений развитие завязи. Однако такая завязь несет только материнские хромосомы, и, соответственно, растения, выросшие из семян, начало которым дали яйцеклетки, оплодотворенные такой пыльцой, будут нести признаки лишь материнского растения. Все эти особенности необходимо учитывать при работе с облученной пыльцой.

С целью получения новых форм растений можно также облучать клубни, корнеплоды, корневища, луковицы, черенки и другие органы вегетативного размножения. Ввиду высокой чувствительности к ионизирующим излучениям этих видов материала, дозы, используемые для облучения, всегда бывают более низкими, чем при облучении семян.

Работа с облученными органами вегетативного размножения предоставляет определенные преимущества по сравнению с работой с облученными семенами. Так, если при облучении последних многие возникшие мутации могут элиминироваться (исключаться) в процессе редукционного деления и образования гамет, то при облучении вегетативных органов они сразу же будут закрепляться и передаваться потомству.

Иногда удается повысить выход мутантов, сочетая облучение семян и органов вегетативного размножения, семян и пыльцы, органов вегетативного размножения и пыльцы.

Использование ионизирующих излучений в селекции растений среди всех радиационно-биологических приемов и технологий, применяемых в сельском хозяйстве, получило наибольшее распространение и продолжает развиваться высокими темпами как самостоятельное направление прикладной и сельскохозяйственной радиобиологии. Так, если к 1980 г., по данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), было получено с помощью радиационного мутагенеза и внедрено в мире 225 новых сортов культурных растений, обладающих более четко выраженными, чем у исходных форм, хозяйственно полезными признаками, то к 1985 г. их было уже 693 (табл. 33), а к 1990 г. превысило 1000.

Таблица 33

Количество сортов культурных растений, полученных с помощью метода радиационного мутагенеза в различных странах

* Страны приведены в порядке по состоянию на 1980 г. (А. Микке, 1981).

** Сведения, по-видимому, ошибочны.

Первое место по получению новых сортов с помощью ионизирующих излучений занимает Индия, где по специальным программам на протяжении более двух десятилетий проводятся широкомасштабные работы по выведению высокоурожайных сортов многих культур, и в первую очередь риса и пшеницы. Резкий скачок в этом направлении за последние годы сделали Китай и Нидерланды. Большие работы проводятся в Японии, США, СССР и многих других странах. С помощью радиационного мутагенеза получены 104 сорта риса, среди которых выведенный в Индии высокобелковый сорт СВ 24, полученный в Японии высокоурожайный сорт Рей Мей; 70 сортов ячменя, в том числе знаменитый неполегающий сорт Палас, получивший широкое признание и распространение в мире и ставший родоначальником целой группы новых сортов шведской селекции, полученные в США зимостойкие сорта Пенрад и Найлана; 55 сортов пшеницы, среди которых высокобелковый индийский сорт Сор-бати-Сонора; 14 сортов кукурузы, 12 сортов хлопчатника, 11 сортов овса, 10 сортов фасоли, 8 сортов гороха и других сельскохозяйственных культур.

В СССР давно проводятся работы по получению новых сортов сельскохозяйственных культур с помощью ионизирующей радиации. Широкую известность получил высокоурожайный сорт пшеницы Новосибирская 67; устойчивый к полеганию сорт ячменя Обский; высокоурожайные, скороспелые, устойчивые к низким температурам сорта гречихи Аэлита, Лада, Галлея; высокоурожайные, скороспелые, вилтоустойчивые сорта хлопчатника Мутант 1, АН-402, АН-Самарканд-2, Ок-Олтын, Фардах, Агдаш; низкоалкалоидные сорта люпина Мутант 486, Трансколант, Киевский мутант; высокоурожайные и скороспелые сорта фасоли Радиола 1175, Урожайная, Грузинская 6, Мутант 7; высокоурожайные и неполегающие сорта сои Мутант 2 и Картули 7; устойчивый к фитофторе сорт картофеля Рентгеновский; высокорослый с повышенным содержанием белка сорт люцерны Мутант 1; сорт мяты Зимостойкая 1, о достоинствах которой говорит ее название; высокоурожайный с коротким вегетационным периодом сорт конских бобов Радиомутант 8 и многие другие.

34. Использование облучения в селекции микроорганизмов

35. Использование генетических эффектов облучения в промышленнгсти и для охраны окружающей среды

Рис. 8.1. Система механизмов, обеспечивающих повышенную резистентность популяций к повреждающим факторам

Дата добавления: 2015-12-16 | Просмотры: 2107 | Нарушение авторских прав