Влияние вариабельности физиологических и цитолого-биохимических характеристик на радиочувствительность семенного потомства ольхи

Содержание

 

	Стр.
Условные  обозначения	4
Введение	5
1. Литературный  обзор	7
1.1. Адаптация растений	7
1.2. Внутривидовая  изменчивость растений	8
1.3. Физиологические адаптации	9
1.4. Всхожесть - как адаптация к выживанию вида	10
1.5. Биохимические адаптации	13
1.5.1. Системы обеспечения надежности  ДНК и репарация             генетических повреждений	13
1.5.2. Адаптации растений посредством антиоксидантных систем при действии стресса	14
1.5.3.Ферменты супероксиддисмутаза   и  пероксидаза	16
1.5.4. Естественные антиоксиданты	18
1.6. Радиоустойчивость  семян	21
1.6.1. Механизмы радиоустойчивости	21
1.6.2. Внутривидовая  радиочувствительность	24
1.6.3. Влияние   внутривидового  адаптационного   потенциала   на радиочувствительность растений	25
2. Материал и методики	29
2.1. Характеристика ольхи кустарниковой	29
2.2. Лабораторный посев семян	29
2.3. Облучение семян	29
2.4. Анализ кривых «доза-эффект»	30
2.5. Определение количества низкомолекулярных антиоксидантов в проростках	31
2.6.  Комплексный цитолого-биохимический метод дифференциальной оценки активности генома в процессах репликации, трансляции,  репарации и его общей устойчивости	33
2.7. Определение активности  пероксидазы	37
2.8. Определение активности супероксиддисмутазы	38
2.9. Цитологический анализ	39
2.10. Статистическая обработка результатов	41
3. Результаты  и обсуждение	43
3.1. Влияние повышенного естественного  радиационного фона на массу семян и их всхожесть	43
3.2. Физиологические и  цитолого-биохимические характеристики семенного потомства ольхи кустарниковой, произрастающей в условиях ПЕРФ	47
3.3 Вариабельность  коэффициентов антиоксидантной  защиты, общей активности генома, репарации, общей относительной  устойчивости генома клеток и радиочувствительность  ольхи  кустарниковой	58
Выводы	64
Список использованной литературы	65

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условные обозначения

СОД – супероксиддисмутаза

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота

НМАО  – низкомолекулярные антиоксиданты

k_аоз – коэффициент общей антиоксидантной защиты

k_оаг – коэффициент общей активности генома

k_репар – коэффициент репарации

k_уг – коэффициент относительной устойчивости генома

k_репл. – коэффициент репликации

k_{трансл.} – коэффициент трансляции

 

(митотический  индекс)_N – нормированное значение митотического индекса

(включение ¹⁴С-лейцина)_N – нормированное значение включения ¹⁴С-лейцина

(включение ³Н-тимидина)_N – нормированное значение включения ³Н-тимидина

Dq   - значение квазипороговой дозы, Гр

tga - тангенс угла наклона кривой “доза-эффект”

ПЕРФ – повышенный естественный радиационный фон, мкР/ч

V – коэффициент вариабельности признака, %

 

Введение

 

Актуальность. Известно, что радиоустойчивость вида зависит от предшествующей адаптации к действующим стресс-факторам среды. При этом установлено, что ответ биологических систем на относительно невысокие дозы облучения обусловлен активацией защитных систем: антиоксидантных и/или ДНК-репарационных, а на высокие дозы – уязвимостью генома, связанной со степенью его конформационной диспергированности, пропорциональной в свою очередь  его общей активности в процессах репликативного и репаративного синтеза ДНК, и направленной на трансляцию (Журавская, 2001,2004). Однако не все факты, выявленные экспериментально объясняются этой моделью. Например, установлено, чем больше годовая амплитуда колебания всхожести семян и структурное разнообразие низкомолекулярных антиоксидантов, тем выше радиоустойчивость вида. Радиочувствительность же индивидуума определяют, прежде всего, цитолого-биохимические параметры клеток (антиоксидантной защитой, общей активностью генома и систем репарации ДНК и др.), которые в совокупности и формируют радиочувствительность популяции (Воронов и др, 2005; Журавская и др, 2003). Вариабельность (гетерогенность) биологической системы – результат изменчивости (лабильности) биологических подсистем - является важнейшим фактором обеспечения устойчивости биосистемы, её способности к самоорганизации и адаптации (Чернавский, 2004). Однако исследований, посвященных изучению влияния внутрипопуляционной вариабельности растений (на уровне физиологических, биохимических и др. свойств), существующих в экстремальных условиях среды,  на  их радиочувствительность, очень мало (Воронов и др, 2005; Журавская и др., 2003).

Цель исследования: выявить влияние вариабельности физиологических и цитолого-биохимических свойств ольхи кустарниковой, сформированной в условиях разного повышенного естественного радиационного фона (ПЕРФ), на радиочувствительность  ее семенного потомства.

В связи  с этим были поставлены следующие задачи:

1.      Выявить влияние ПЕРФ на массу семян и их всхожесть.

2. Определить физиологические и цитолого-биохимические характеристики семенного потомства ольхи кустарниковой, произрастающей в условиях разного ПЕРФ.

3. Рассчитать значения коэффициентов,  характеризующих антиоксидантную защиту (k_аоз), репарацию (k_реп), общую относительную активность (k_аг) и устойчивость генома (k_уг) клеток корневой меристемы проростков семенного потомства ольхи кустарниковой, произрастающей в условиях разного ПЕРФ.

4. Определить  связь вариабельности всхожести и массы семян, выживаемости, активности антиоксидантных и геномных систем проростков на радиочувствительность семян ольхи кустарниковой, произрастающей в условиях разного повышенного естественного радиационного фона

Практическая  значимость работы. Полученные в работе закономерности по связи популяционной радиоустойчивости ольхи кустарниковой с вариабельностью их физиолого-биохимических свойств могут быть использованы при проведении экологической экспертизы в целях оценки состояния биоты и выдачи прогноза ее жизнеспособности при действии хронического действиях физических стресс-факторов (на примере природной радиации).

 

 

1. Обзор литературы

 

1.  Адаптация растений

Адаптация - совокупность специальных  особенностей (морфологических, онтогенетических, поведенческих, популяционных и т. д.) обеспечивающих выживание и размножение организмов в конкретных условиях внешней среды. Выживаемость организмов, способность их сохранять продуктивность в крайних условиях существования зависит от надёжности всех молекулярных, клеточных и тканевых систем, в частности устойчивости, адаптивной способности, наличие приспособительных признаков. Физиологические функции должны гарантировать приспособляемость растения к определённым интервалам колебаний факторам среды. Организм должен обладать известной надёжностью, тем, что спонтанно возникающие или индуцируемые экспериментальными воздействиями повреждения могут быть ликвидированы либо переведены в состояние, при котором они не ставят под угрозу выживаемость организма или выполнение им репродуктивной функции. Суть адаптации состоит в том, что растение может приспосабливаться к обычно несвойственным ему условиям обитания. 

Надежность  организма проявляется в эффективности  функционирования его защитных систем, в его устойчивости к действию неблагоприятных факторов внешней среды: высокой и низкой температуры, недостатка кислорода, дефицита воды, засоления почвы, ионизирующих излучений, инфекций и др. Самые разнообразные неблагоприятные факторы могут оказывать сравнительно кратковременное, но сильное влияние или действовать длительное время. В первом случае, как правило, в большей степени проявляются неспецифические механизмы устойчивости, во втором - специфические (Гродзинский, 1983; Полевой, 1989).

1.2. Внутривидовая  изменчивость растений

Изменчивость - ключ к эволюции. Изменчивость - один из основных атрибутов живых организмов, принципиально отличающих их от однообразных неживых объектов, причем атрибутов такого же значения и масштаба, как "обмен веществ", "размножение", "наследственность" и т. д. Эволюционный процесс может идти только в том случае, если в данной популяции имеются особи с самыми различными характеристиками. Пока в популяции есть животные и растения, наделенные различными свойствами, некоторые из них будут приспосабливаться к среде обитания лучше остальных. Существует два типа подобной изменчивости - наследственная и ненаследственная. Ненаследственную изменчивость вызывает воздействие окружающей среды - например, отсутствие достаточного количества пищи у животного или света у растения. Наследственная изменчивость определяется некими врожденными свойствами, передающимися от поколения к поколению (Шварц, 1962; Мамаев, 1969).

Само  понятие " изменчивость " достаточно расплывчато и понимается по - разному. Ч. Дарвин, говоря об изменчивости и рассматривая ее как один из двух важнейших факторов эволюции, тем не менее, не дал классификации ее явлений, поскольку нечетко представлял все их разнообразие. Он оперировал общим термином "вариация".

Сейчас  чаще всего под изменчивостью понимают индивидуальную изменчивость, т. е. различия между отдельными особями в пределах вида. С другой стороны, выделяют групповую изменчивость, точнее внутривидовой полиморфизм, когда в пределах вида имеются значительно отличающиеся друг от друга группы особей (породы, сорта, подвиды, формы, клоны и пр.). В 1972 г. на основе литературных данных и собственных исследований свердловский ботаник, директор Ботанического сада УрО РАН, член - корреспондент РАН С.А. Мамаев выделил 6 основных форм изменчивости, а именно индивидуальную, половую, временную (хронографическую, экологическую, географическую и гибридогенную). Несколько позднее им была выделена и эндогенная изменчивость, понимаемая как изменчивость одновозрастных структур в пределах одного организма. По мнению некоторых исследователей, именно с эндогенной изменчивости и должно начинаться изучение изменчивости вообще, поскольку она позволяет "в чистом виде" выявить те различия между генетически однородными и одновозрастными структурами (тканями, органами и т.д.) одного растения, которые обусловлены исключительно различным действием внешних факторов, но никак не связаны ни с фактором времени, ни с генотипическими различиями. По сути дела, эндогенная изменчивость весьма близка к экологической, так как вызвана большей частью действием именно факторов внешней среды на генетически однородный материал. Изучение эндогенной изменчивости, другими словами, позволяет в известной степени смоделировать экологическую (Мамаев, 1969; Конина, 1979; Ветчинникова, 1980; Семкина, 1985; Махнев,  1987).

 

1.3. Физиологические  адаптации

Под влиянием экстремальных условий  обитания (или под действием хронического стресса) у растений формируются  физиологические адаптации, то есть приспособления к конкретным условиям существования за счет изменения интенсивности фотосинтеза,  транспирации,  особенностей устройства и функционирования клетки и ее некоторых органоидов клетки,  времени прохождения фаз онтогенеза растением и др. (Гродзинский, 1983).

 Эколого-физиологические особенности  роста и развития культурных растений в условиях Центральной Якутии (особенно зерновых культур)  изучены многими исследователями (Львова, 1968; Кононов, 1982; Григорьева и др., 1983; Иванов и др., 1985).  Продолжительное дневное освещение и высокая солнечная инсоляция   положительно влияют на темпы роста и способствуют сокращению сроков прохождения отдельных этапов развития растений в Якутии (Иванов,1985; Попов, Ярина, 1986).  Для всей растительности Якутии свойственен «взрывной» характер развития.  Рядом исследователей было установлено, что  погодные условия весенне-летнего периода Центральной Якутии способствуют ускоренному прохождению онтогенеза растений. Например,  было показано, что  местные сорта пшениц и ряд других  культурных растений ускоренно проходят  второй-седьмой этапы органогенеза (Попов, Ярина, 1986; Егорова, 1994).

 Одним из главных механизмов, обеспечивающих стабилизацию водного режима растений при остром дефиците влаги, является  вынужденное сокращение площади листьев растений в расчете на единицу площади почвы.  Уменьшение площади листьев   видов и экоформ растений Якутии осуществляется за счет ксероморфности клеток их тканей. Было установлено, что  у сортов пшеницы местной репродукции обнаруживается относительно большое количество клеток на единицу площади листа и меньшая длина устьиц по сравнению с растениями  этих же видов европейской репродукции, что  дает  возможность уменьшать транспирационную поверхность (Иванов, 1972; Говоров, Торговкина, 1978). Это приводит к  соответствующей перестройке обменных процессов, изменению интенсивности синтеза нуклеиновых кислот, белков, хлорофилла и др. (Алексеев и др., 1974). Накопление  высокополимерных гидрофильных соединений, увеличение содержания связанной воды, приводящего к подавлению  жизнедеятельности растения (Самуилов, 1972; Гусев, 1974), усиление  продуктивного дыхания листьев местных растений. Все эти изменения направлены на адаптацию к засухе и их  следует  отнести к важнейшим  адаптационным  механизмам местных  растений.

 

1.4. Всхожесть  - как адаптация к выживанию вида

Семена  разных видов  отличаются  друг  от  друга способностью одновременно прорастать (энергия прорастания), иметь всхожесть в определенные сроки и давать жизнеспособные проростки. При прорастании  семена  сорных  растений показывают свою адаптивную способность к прорастанию, с одной  стороны, имея эндогенные биологические свойства семени, например,  наличие или отсутствие у них периода покоя, с внутренним  строением плодовой и семенной кожуры,  с другой - также с условиями, в которые семена попадают при прорастании.