Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологические эффекты у растений под действием повышенного естественного фона радиации

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Биологические эффекты у растений под действием повышенного естественного фона радиации"

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИ)" ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РАДИО.,и

ГОСКОМИССИИ ПО ПРОДОВОЛЬСТВИЮ И ЗАКУПКАМ ПРИ СОВЕТЕ МИНИСТРОВ СССР

На правах рукописи

ШЕРШУНОВА Валентина Ивановна А

УДК 581.5:539,04

БИОЛОГИЧЕСКИЕ'ЭФФЕКТЫ У РАСТЕНИЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОВЫШЕННОГО ЕСТЕСТВЕННОГО ФОНА РАДИАЦИИ (НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНЫХ И ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ HORDEUM VULGARIS L. u VICIA CRACCA Ы)

03.00.01 - радиобиология

Автореферат

диссертации на соискание ученой стёпени кандидата биологических наук

Обнинся - 1990

*

Работа выполнена в Отделе ра-диоэкологии Инетя -тута биологии Коми научного центра УрО ЛИ СССР

Научные руководители:

- доктор биологических наук,, профессор В.А.ШЕВЧЕНКО

- доктор биологических наук Б.И.САР АПУЛЫДЕЕ;

Официальные оппоненты:

- доктор биологических наук Дричко В.Ф. (ЛСХИ. Ленинград)

- кандидат биологических наук Зяблицкая Е.Я.

(ВНИИСХР, Обнинск)

Ведущее учреждение: Институт ботаники нм.Н.Г.Хо-лодного АН УССР

Защита диссертации состоится '23' октября 1090 ., в * * час. на заседании специализированного совета Д 120.81.01 во Всесоюзном научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии Государственной комиссии по продовольствию и закупкам при Со вете Министров СССР (г.Москва, Волков переулок, 4, ВНИИСХР). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всесоюзного научно-исследовательского института сельскохозяйственной радиологии Государственной комиссии по продовольствию и закупкам при Совете Ми нистров СССР (Калужская обл., г.Обшшск, ВНИИСХР).

Отзывы на автореферат просим направлять по адре су: 249020, г.Обнинск, Калужская обл. ВНИИСХР, Спец-совет Д 120.31,01. Н.И.Санжаровоп

Автореферат разослан "¡0 " к ¿-СР/С*-^- | ддр г>

Ученый секретарь специализированного совета

дидат биологических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие научпо-техпичоско-го прогресса поставило человечество перед проблемой пос тепенного повышения на Земле 1чюбального фона радиации» При этом особенно серьезные опасения вызывает существенное возрастание уровня радиоактивности в отдельных местах плаиеты^В связи с деятельностью предприятий ядерно-топливного цикла появляется большое количество локальных протяженных источнн—-ков радиоактивных загрязнений, в субстрате которых содержание урана и продуктов его распада на 2-3 порядка превышает кларковые уровни, В этой ситуации популя шш растении , наряду с другими компонентами биосферы, подвергаются хроническому воздействию малых доз ионизирующих излучении.

Проблема действия малых доз радиации на растения имеет важное значение с нескольких позиций. Эволюционный аспект связан с изучением отдаленных генетических последствий низких уровней радиации на популяции растений. Яругой аспект проблемы исключительно пажен с точки зрения решения проблем экологического нормирования и прогнозирования. С методологических позиций высшие растения в силу биологических особенностей являются удобными объектами при изучении антропогенных радиоактивных воздействий. У растений выявлены чувствительные генетические тест-системы (waxy-изменения в пыльцевых зернах ячменя, хлорофильныэ мутации, хромосомные аномалии в митозе и мейозе и т.д.), успешно используемые как индикаторы мутагенного воздействия нонизиру го щих излучений.

Цель исследования заключается в изучении биологических эффектов у растений, подвергающихся хроническому воздействию повышенного фона ионизирующих излучений, источником которых служат природные изотопы уранового ряда.'

/

Задачи исследований. Для достижения указанной цели на примере обследования многолетнего травянистого растения горошка мышиного и ярового ячменя в условиях тех ногенного повышения содержания естественных радионуклидов представляется необходимым решить следующие задачи:

1.Оценить мутабильность модельных популяций расте-

ний, испытывающих хроническое внешнее J-облучение мощностью ^180 пА/кг» •

2. <; Изучить пригодность генетических тест-систем *хлорофнльная мутация* и ' «аху-мутация* -для оценки му тагенной активности низкофонового ^-облучения растений

3. Оценить состояние природной популяции горошка мы шиного» участвующего в становлении растительного покрова на дезактивированной экспериментальной территории, имитирующей урано^радиевое загрязнение.

4. Определить уровни мутационной изменчивости у растений горошка мышиного, испытывающих комбинированное внешнее и внутреннее облучение изотопов уранового ряда.

5. Изучить радиочувствительность семян горошка мышиного при действии острого J -облучения.

Научная новизна.. На большом объеме материала получены оригинальные данные о мутагенной значимости для растений ячменя ярового повышенного внешнего фона радиации ""2,5 мР/ч ( 2,5 • 10"^ мГр'/ч), источником которого являются изотопы урановой серии. Полученные сведения имеют важное значение для развития представлений о биологической роли малых доз ионизирующих излучений.

Исследование состояния природной популяции горошка мышиного, произрастающего в условиях урано-радие-вого оапрялцения, выявило особенности реакции растений при взаимодействии с радионуклидами урановой серии, которые в основном являются oL-излучателями и тяжелыми металлами: низкое качество и пониженная жизнеспособность семян, повышенные мутабильность и радиочувствительность семян, изменения в генетической структур- ■ популяций, проявляющиеся в элиминации рецессивных и эмбриональных деталей, возрастание генетического груза в виде малржизнеспособных и летальных форм, а таь-же появление карликовых растений.

Практическая значимость. Неблагоприятные изменения в потомстве хронически облучающейся популяции Vicia сгасса L. свидетельствуют о большой потенциальной опасности для растений загрязнений., тяжелыми естественными радионуклидами. Эта информация также может быть использована для прогнозирования последствий для природных популяций растений хронического действия малых доз ионизирующих излучений,послужить осно-

- 2 -

зой для разработки принципов экологического нормирования радиационного воздействия на природные биогеоценозы и, в конечном счете, для разработки мероприятий по гапщте организмов от ионизирующих излучений. Получение данные о низком качестве семян растении, собранных с территории с повышенным содержанием в почвен-шм субстрате радионуклидов, указывают ца безусловную ¿еобходпмосгь проведения работ по экологическому нормированию перед принятием решения о включении в оборот земель, загрязненных радионуклидами.. В частности, та-сая необходимость существует применительно к террито-)Ш1 30—км зоны аварии на Чернобыльской АЭС,'

Выявленные негативные биологические эффекты в по -[уляциях растений, произрастающих на экспериментально), территории, имитирующей дезактивированное урано-радие-юе загрязнение, могут указывать на возможную неблагоприятную радиационную обстановку на аналогичных 'рано-радиевых техногенных загрязнениях и необходимое 11, 1ериодц.ческого контроля подобных территории.

Апробация работы. Материалы работы доложены и »бсуждены пп молодежной научной конференции северных шлиалов АН СССР (Сыктывкар, 1979'г, Всесоюзном со-ющаним 'Охрана растительного мира северных регионов'' Сыктывкар, 1982), Пленуме научного совета АН СССР о проблемам радиобиологии (Сыктывкар, 1984), Всесою.'-;ои научной конференции молодых ученых по сельскохо-яйственпой радиологии (Обнинск, ' 1983), X Всесоюзно!,• импозиуме радиационных генегиков (Пущино, 1984), Вто-ой Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной ра-иологии (Обнинск, 1984), Всесоюзной школе "Влияние ромышленных предприятий на окружающую среду" (Зве-игород, 1934), Всесоюзном совещании "Влияние экологи-еских факторов на генетические процессы хронически блучаемых популяций" (Сыктывкар, 1985), Совещании абочей группы по проекту МАЕ № 12 (Москва, 1987), еспубликанском семинаре "Зкотоксикрлогия и охрана рироды" (Юрмала, 1988), Рабочем совещании "Механиз-ы радиационного мутагенеза" (Пущино, 1988).

Публикации. Основные результаты исследований,, редставленные в работе, изложены в 14 публикациях: журнальных статьях, 2 сборниках научных трудов, 1 репринтной работе "Научные доклады", 3 тезисах докла-

ов- - 3 -

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 153 страницах машинописи и состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, указателя литературы, включает 18 таблиц и 13 рисунков, библиографический указатель включает 93 работы отечественных и 89 работ зару бежных авторов,

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение мутагенного действия на растения повышенного природного фона радиации выполняли двумя способами: путем облучения модельных популяций культурных растений Hordeum vulgaris Ь. на специально созданных гамма-полях путем непосредственного обследования природных растительных популяций Vicia cracca L., обитающих в условиях повышенного содержания в среде изотопов урановой серии.

При организации модельных опытов растения выращивали н-а почве с кларковым содержанием радионуклидов в ящиках, расставленных либо на поверхности урано-QggneBOû породы, либо в ее углублениях (концентрация

и в^породе составляла в среднем n-10~2 _

хх * $0 %),'.; В целях предупреждения загрязнения почвы и растений радионуклидами стены и дно парников покрывали рубероидом или полиэтиленовой пленкой. Мощность экспозиционной дозы на участке составляла 180 пА/кг { -V 2,5 мР/ч).:

Урано-радиевая порода, помимо того, что является источником^^-обпучепия, обеспечивает непрерывное поступление Rn в приземный слой воздуха, Эманирую-щая способность породы,'в сипу отсутствия у нее гстаук-туры, велика и составляет 65-85%. Концентрация " Rn в нижнем слое воздуха над участком из-за погодных условий не отличается постоянством и примерно на пор-идок превышает фоновые уровни» Растения ячменя, которые находятся в зоне зсхаляшш радона, испытывают дозовые нагрузки за счет продуктов его распада , ^щэди которых по, биологической значимости выделяется Ро (Попова, Таскаев, 1974),'

Если учесть, что в цепи распада радона присутствуют короткоживущие изотопы, регистрация которых представляет известную -трудность, то необходимо признать, что радиационная обстановка на .опытных участках слож-

- 4 -

нее, чем на гамма-полях с точечным источником.<Следует отметить, что величина поглощенной растениями за сче^ #-фона дозы за период вегетации составляет 4,5 х 10~" Гр (4,5 Рад).

В качества объекта исследований был выбран ячмень Hordeum vulgaris L., характеризующийся низкой частотой спонтанного мутирования, самоопыляемостыо, относительно высокой чувствительностью к мутагенным воздействиям, легкостью индуцирования аберраций хромосом и наличием разработанных на нем удобных для генетического мониторинга тест-систем.<рреди тест-систем ячменя заслуживает внимания биодетектор *хлорофильная мутация*. Этот тип мутаций, блокирующий синтез хлорофилла, хорошо изучен, классифицирован и обладает высокой чувствительностью к действию ионизирующих излучений (Нюбом л др., 1957, Conger, ¿974). Пигментные аномалии имеют ieTKoe фенотипическое проявление и удобны для скрининга большого числа всходоз. Первое пострадиационное поколение (М-) выращивали на почве с фоновым уровнем 1адиации,; Число высеянных бемян в каждом варианте >пыта составляло от 1 до 4 тысяч. Для учета мутаций ю втором пострадиационном поколении (М0) -колосья М ^ о семьям высевали весной на стеллажи под открытым :ебом»1 Каждый вариант был представлен 4-16 повторнос-■ями, составленными из 480-200 семей, [ Классификацию нпов мутаций проводили по КаЯапу и Ораву (1974).'

Другой генетической тест-системой у ячменя явля-тся мутация по локусу waxy (Eriksson , 1969). Доста-очно высокая частота возникновения, возможность од-овременпого анализа большой популяции гаплоидных кле-ок (в одном колосе содержится 10 пыльцевых зерен),, ростота анализа - все эти преимущества позволяют ис- " ользовать waxy-мутацию при изучении слабых мутаген-ых воздействий.-.

Для последующего анализа мутабильности ячменя по уаху-тесту фиксацию колосьев, покраску и подсчет мутан-ных пыльцевых зерен проводили по методу Эрикссона iriksson г 1962, 1963) при раздельном анализе каждого ыльнйкаЛО количестве просмотренной пыльцы в опытах удили на основании учета пыльцевых зерен в дес^яти слу-айно отобранных пыльниках на вариант.'

2.- Наблюдения за природными популяциями расте-

ний в условиях урано-радпевого фитоценоза проводили на участке с техногенно-новышенным фоном радиации, ' На •этой территории был поставлен многолетний эксперимент по дезактивации насыпным способом урано-радиевых загрязнений в условиях средне-таежного ландшафта (Вавилов и др,/ 1977).'.В качестве дезактивационного материала была использована песчаио-гравииная смесь. В этих условиях восстановление растительного покроъа подчинялось общим закономерностям формирования ценоза на сухих песчаных почвах.

Примененный насыпной метод дезактивации является временным мероприятием по изоляции поверхностных радиоактивных загрязнений. ' По прошествии ряда лет де-зактнвациошшй слой за счет эррознонных процессов и деятельности растений утрачивает çboio роль защитного барьера, препятствующего выходу радионуклидов на поверхность. î^^ioMç^gy нача^фИатурных исследований содержание U , Ra и Ро в дезактивационном слое почвенного субстрата участка и соприкасающейся горной породе было на одкн-два порядка выше фоновых значений.

Из*'за неравномерного распределения радиоактивных изотопов на территории участка, а также различной толщины дезактивационного слоя мси-щность дозы в приземном слое воздуха варьировала в пределах от Ц до 180 пА/кг. Территория характеризовалась крайней бедностью в субстрате органических веществ и элементов минерального ишання при повышенном содержании химических токсикантов ( свинец, • барий,«'марганец и др, )

В качестве объекта наблюдений была выбрана популяция дикорастущего многолетнего травянистого растения горошка мышиного (Vicia cracca L.), спонтанно заселившегося на территории экспериментальной зоны более чем за десять лет до момента наблюдений.'Выбор объекта был продиктован его доминирующей ролью в хронически облучаемом фитоценозе./Этот перекрестно опыляемый вид (2п = 14) представляет экологически важную группу, сочетая однако половое размножение с вегетативным.'Горошек мышиный - твердосеменная культура. Для разрушения семенных покровов был разработан прием попеременной обработки семян жидким азотом ( t= -19Q°C) и горячей водой ( t= 60-100°C),i

Для определения семенной продуктивности в каждом

варианте анализировали не менее 400 случайно отобранных бобов. Наряду с определением числа сформировавшихся семян в одном бобе по числу стерильных семяпочек проводили учет эмбриональных леталэй , Жизнеспособность (выживаемость) семенного потомства определяли в полевых условиях. В течение всего периода вегетации проводили фенологические наблюдения за ростом, развитием и числом растеннй в каждом варианте. Учет хромосомных аберраций в корневой меристеме растений, фиксацию и окраску корешков проводили по общепринятой методике (Паушева, 1970).

Сборы семян для выявления хлорофильных мутантов проводили в нескольких группах растений с учетом экспозиционной дозы. Выбранные группы различались по условиям минерального питания, водообеспеченности и,частично, освещенности. Семена с контрольных растений собирали в пунктах, далеко отстоящих друг от друга и от территории опытного участка. Учет хлорофильных мутаций проводили на стеллажах в течение всего периода прорастания семян. Типы мутаций классифицировали согласно системе Калама и Орова (1974) с некоторой модификацией.

Оценку радиочувствительности семян проводили при их -облучен^^в дозах 50-200 Гр на установке "Исследователь* ( Cs I Р = 5|2 Гр/мин) путем анализа частоты перестроек хромосом в первом митозе клеток корневой меристемы семян, определения силы роста семян и радиационной депрессии растений первой генерации. Силу роста семян определяли рулонным методом (Фоканов, 1983) на 10-дневных растениях. Затем растения в течение 14 суток выращивали в фотостате на смеси КноПа с учетом морфологических отклонений и степени лучевого поражения. Радиационную депрессию растений определяли по относительной разнице между величинами признака у облученного и контрольного вариантов в процентах к необлученному контролю (Турбин, 1977).

Все экспериментальные данные подвергнуты ста--тистической обработке. Достоверность различий результатов анализа контрольной и опытной йсиопуляции по му-табильности ( хлорофильные, waxy-мутации, хромосомные аберрации) оценивали с помощью критерия Стьюдента, применив угловое преобразование из-за малых частот (Плохияский, 1972).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1 •: Мутабильиость ячменя ярового в условиях. ниако-фонового хронического у-облучения. В табл, 1 представлены-данные о частоте хлорофильных мутаций в группах растений ячменя сортов Машин, Винер и Отра, выращенных в условиях действия внешнего «у-излучения в течение одной, двух и четырех вегетаций.

Частоты мутаций определены на основании трех'способов обработки данных, однако мы отдаем предпочтение первому из них - расчету частоты-мутаций на lOg растений (семей) Mj. Причина этого заключается в том, что хотя мутации в семьях в основном представлены единичными растениями, попадаются семьи с 'гроздевидным* эффектом. Например, из 87 мутантцых растений контрольного варианта (сорт Машин, Опыт 1) 46 измененных форм приходилось всего па 2 семьи. Низкий в -л целом уровень мутирования в опытах позволяет полагать, что каждая из этих гроздей есть результат одной мутации. В результате, по причине 'гроздевидного* эффекта, уровень мутаций в контрольном варианте расчитанный по способу Ш оказался в два раза выше, чем в варианте с хроническим облучением (т?абл»1). Отмеченные факты позволяют считать, что число мутаций, отнесенное к числу растений М , более точно отражает в наших условиях уровень мутирования, .

- Пониженную частоту- мутаций в опытных вариантах ячменя сортОб Машин (Опыт 1) и Винер (Опыт П) можно объяснить наблюдавшимся отставанием появления всходов и задержкой их первоначального роста* Можно предположить, что среди невзошедших На период наблюдений растений могли оказаться мутантные формы. Более низкая по сравнению с контролем частота мутаций в группе ячмейя сорта Винер (K-Og) возможно связана с большим выпадением растений в Mj. Среди погибших в Mj растений могли быть гетерозиготы по хлорофильным рецессивам«'Спектр хлорофильных мутаций облучавшихся растений ячменя в целом оказался шире, чем у контрольных растений, где в основном наблюдали мутации типа albina»

: " Если ориентироваться на данные, полученные на "основании двух первых способов расчета, то. различия в частоте мутаций между опытными и контрольными

Таблица 1

Частота хлорофпльных мутаций у ячменя при У-облу-'. , ченпн посевов в течение одного (х), двух (хх) и четырех (ххх) вегетаций

Ва- : Число учтенных__: Частота мутаций на 100

риаят: : М : М 9 : М ^ . ; М 0 :расте- :колосьев:расте- :расте- :колосьев :растё-:ний :___:ний ;нйй :__: ний

Машин

Опыт 1

К 2304 3448 143472 0,63 0,52 0,06

°1 2275 3073 118542 ' 0,53 0,39 0,03

Опыт П

к 2328 ' 2846 64035 0,34 0,28 0,02

°2 2702 3482 76256 Г) X В И Н 9 0 Опыт 1 0,41 0,43 0,09

К 2070 4678 53902 0,30 0,25 0,04

°1 1386 3725 46694 0,43 0,32 0,09

опыт а

к 1968 4610 81177 0,61 0,30 0,04

°2 1942 4776 80195 0,46 0,19 0,02

1845 .4716 79104 _ X О т о а Опыт 1 0,54 0,27 0,04

О

к 1175 1902 58201 0,77 0,53 0,05

°1 1225 , 1942 64086 1,30 0,82 0,05

Опыт П

к 2364 3448 143472 0,63 0,52 0,06

°2 2275 3073 118542 В и н е о' 0,52 XX 0,39 0,03

К 1968 4610 81177 0,61 0,30 0,04

о 1936 4840 84487 1.08 „ XXX В и п в о 0,47 0,06

к 936 2739 30129 0,75 0,25 0,05

О 925 2867 39287 Машин 1,30 XXX 0,42 0,04

к 2719 4077 126713 • 0,22 0,17 0,02

о 2770 4341 . 136221 0,43 0,28 0,03

°2* °3 - облучение в течение одной вегетации,

но в разные годы

растениями оказываются недостоверными (Р ""> 0,05), Недостоверность полученных разностей сохраняется и при облучений растений в течение четырех вегетаций (за исключением эксперимента с двухлетним облучением растений).

Таким образом, анализ хлорофильных мутаций у ячменя не позволил получить достоверных данных о мутагенном действии низкофоновогб у-облучения как при однолетнем, так и четырехлетнем облучении ячменя, однако вывод об отсутствии последнего также не может быть признан обоснованным. Скорее всего результаты статистической обработки ставят под сомнение информативность использования хлорофильных мутаций в качестве достаточно чувствительного теста для оценки генетической опасности доз такого порядка* Поэтому, прежде чем использовать тест-систему 'хлорофилытя мутация у ячме- -ня", необходимо определить зависимость порога ее чувствительности от объема исследуемого материала с тем, чтобы выяснить достижимо ли соответствие между этим ^ре^сяишием^н-р^альными возможностями экспериментатора.

Waxv-мутация ячменя. Б табл. 2 приведены данные о числе мутантных пыльцевых зерен и распределении в мутантных пыльниках. Число пыльцевых зерен с waxy -изменениями обычно колеблется от 1 до 20 и только в Опытах 2 и 3 с сортом ячменя Винер достигает соответственно 210 и 67» Большое количество мутантной пыльцы здесь объясняется наличием мутантных гроздей. Как видно (табл.2'} во всех вариантах с хронн^-ческим облучением за исключением варианта Опыт 3 (Винер) наблюдается повышенная частрта встречаемости пыльцы с мутантным waxy -аллелем. Однако при статистической оценке данных оказываете^; что в большинстве случаев это превышение носит недостоверный характер (Р?0,05), Исключение составляет Опыт 2 с сортом Винер, где независимо от способа расчета частота мутаций у растений, облучаемых в течение двух вегетационных периодов, достоверно превышает контрольный уровень (Р < 0,01). Что касается достоверности различий между сравниваемыми группами растений ячменя в опытах Винер (К-О^' и К-О ) по первому методу оценки, то они целиком могут быть объяснены вышеупомянутым гроздевидным

Таблица 2

Частота встречаемости и распределение ^аху-мутациа в пыльниках ячменя при хроническом облучении посевов в течение одного (х) и двух ( хх) вегетационных периодов

:Число проанализированных Число мутант-:Распределение му Число :Число пыльников

Вари :расте- пылыш-:пыльце - ных :тактов по пыльн. мутантокс мутантами к

ант : ний ков вых зерен п ыльц пыльни: : » • :к обще- -: общему количес-

ч зорен ков : ; :му кол- -:тву

• 4 : 1 : 2 : > 2 :ву пыль -¡пыльце: пыльни-

: ; 4 * :аы х10 :вых зе:ков

• • : :Рен : :х 10 : х 100.

« ; • ;

Винер

Оп ыт 1

К * & 56 312 68483 1 1 1 0 0 30,8 ' 14,6 0,32

87 804 195834 17 9 6 2 1(7) 45,9 1,12

45 527 113157 6 5 5 Опыт 2ХХ 1 0 53,0 44,1 0,95

К О 31 31 368 360 436000 2 426600 210 2 2 9 5 Опыт 3 0 1 0 3 {3 «ихтоо) 4,6 492,2 4,6 21.1«) °'51) 2,5

к 35 497 459725 67 6 2 3 1(59) 146 , 12,9 13,0 1,2

°2 42 503 464275 6 5 4 1 0 10,8 0 ,99

г\ X О т. р а »

К 21 261 280053 13. 11 10 0 1(3) 46,4 39,2 4,2

о 23 276 296148 20 19 18 1 0 67,5 64,1 6,9

х?) различия достоверны при р <0,05, , В скобках указано число мутантных клеток О^, О0 - см»табл„1

в пыльнике

э([)фвктом.

Таким образом, полученные данные не позволяют сделать определенный вывод относительно изменчивости признака waxy в условиях повышенного '.{юна радиации ( ~ 180'пА/кг). Тем не менее, отмеченное достоверно^ приращение частоты waxy-мутаций в облучаемом варианте одного из опытов и отчет ливо выраженная тенденция к увеличению частоты мутаций в двух других опытах дают, основание полагать* что разрешающая способность этой теот-системы достаточно высока для регистрации незначительных колебаний природного фона радиации. Успех применения системы waxy -мутация будет очевидно тем выше, чем полнее реализуется основное ее преимущество, связанное с возможностью существенного увеличения выборки анализируемого материала. . ,

2. Состояние природной популяции Vim*я г.г-яг.са Т,. на территории с урано/радиевым загрязнением. Популяцня горошка мышиного, формирующаяся на экспериментальном дезактивированном участке, испытывает на протяжении ряда поколений хроническое воздействие ионизирующих излучений комбинированной природы,' Общая доза облучения складывается из двух компонент: внешнего у -облучения и внутреннего облучения от инкорпорированных радионуклидов. ; Радиохимический анализ надземных частей горошка мышиного показал, что растения на экспериментальном участке активно выносят на поверхность изотоп^^раио-радиевого ряда.< Прежде всего это относится к Ra , содержание которого в стеблях и листьях более чей на три порядка превышает контрольный уровень.? Несколько в i^gjbiuevi ^^епени обогащены надземные части растений

U и Ро. Последний, по-видимому, сорбируется на них преимущественно из приземного слоя воздуха,'Вклад внутреннего облучения надземной и корневой массы растений в этих условиях превалирует над внешним у-облучением соответственно в 2,5 и 30 раз» Решающую роль при этом играют Ы, -излучающие инкорпорированные радионуклиды, сред^^отор^^основ^^ вкл^^в интегральную дозу вносят . 22§а' 2 ~ ИЛ22§а~ ^земной массы и Ро , " Ra » ' Ra i Th » Th Th - для корневых систем»' Интегралькая эквивалентная доза за вегетационный период (~ 100 суток) составляет для надземных органов 0,0ur'0,07 Зв (5-7 бэр).

Данные о семенной продуктивности растений У1с1а сгасса Ъ;свидетельствуют о том, что по среднему числу зерен, на^боб (.2,Ц-0,1) растения с загрязненной территорий не отпЙчаютд'я*от*,контрольных. Однако эти семена заглет^ю моль*чё- (10,8" против 13,2 г' в контроле) и более однородны. Исследование партий бобов из' 33 пунктов экспериментальной и контрольной территорий показало; „что число' эмбриональных деталей на б<5б у растений р загрязненной территории- достоверно (Р < 0,05) ниже,чем в* контроле (49,6-5,8 \ 62,2-1,9% соответственно).

При анализе энергии прорастания часть срмян перед" 'проращиванием подвергали 'провокационному* -облучению (50-^150 Гр) в целях более полного раскрытия их потенциальных возчюжностей,'!Результаты анализа показали, что свежесобраниые семена опытной популяции-обладают на "20-25% меньшей энергией прорастания и всхожестью по сравнению с контролем, причем на предпосевное облучение семена опытной партии ответили большим размахом изменчивости показателей (Ьт стимуляции до угнетения), тогда как облучение семян в контрольном варианте вызвало в основном незначительное угнетение всхожести практически во всем диапазоне доз облучения0'|

Анализ первой семенной генерации горошка мышиного по показателю 'выживаемость рас'гений* проводили путем учета числа растений в течение всей вегетации,-Наблюдения показали, что большинство взошедших опыт« ~ ных растений погибало еще задолго до конца вегетационного периода; в то время как в контрольном варианте наблюдалась гибель лишь незначительной части растений, К моменту уборки количество опытных растений на единице площади было почти в 2 раза ниже (33% против 67%) чем в контроле (см»табл05, О Гр)с:

Низкие значения показателя воздушно-сухой массы растений в сосуде (4,6 г против 10,1 г в контроле} связаны не только с гибелью растений в этом варианте, но и с низкой их продуктивностью, поскольку биомасса опытного растения в среднем почти в 2 раза ниже по сравнению с контролем, Б первом пострадиационном поколении хронически облучаемой популяции горошка мышиного была также зарегистрирована высокая доля (до 60%) низкорослых и карликовых особей при отсутствии их в контроле.

Учет хромосомных перестроек в корневой меристеме (табл«4) выявил достоверное (Р < 0,01) превышение их числа у семян хронически облучавшихся растений.! Число анафаз с аберрациями у растений с экспериментального участка достигало 1,9% при контрольном уровне 1,1%. Возрастание общего числа аберрантных клеток было связано главным образом с увеличением ана-телофаз с фрагментацией хромосом, 1

Необходимо отметить, что проведенный Л.М.Бондарь и О.Н.Поповой (1989) детальный анализ нарушений в мей-озе материнских растений исследуемых семян горошка мышиного, выявил у растений опытной выборки более высокий по сравнению с контролем уровень как общего числа нарушений, так и количества аномалий на отдельных стадиях микроспорогенеза: выход аномалий в мейозе (по всем стадиям) у растений с загрязненной территории достигал значения 29,6%, тогда как это значение в контроле не превышало 10,9% (Р < 0,001).?

Таким образом, имеющиеся данные о повышенной му-табильности популяции горошка мышиного, заселяющего

экспериментальное дезактивированное урано^'радиевое загрязнение, являются дополнительным подтверждением

временного характера дезактивации и указывают на необходимость периодического ради--оло -гяческого контроля подобных территорий,'

Популяционный анализ на присутствие мутантов с недостаточностью хлорофилла проводили на нескольких популяциях горошка мышиного,(Из полученных данных (табл.ф) видно» что популяция горошка мышиного из хронически облучаемого фитоценоза отличается от контроль-:^ ных достоверно пониженным выходом хлорофильных мутаций, - Факт пониженного выхода хлорофильных мутаций у растений урано-радиевой популяции вероятно обусловлен пониженной жизнеспособностью хронически облучаемой популяции, ведущей к потере мутаций, и/или низкой выживаемостью самих мутантоносител ей в тяжелых условиях техногенного радиоактивного загрязнения. Выявлен- ' ные закономерности подтвердились в последующих опытах при изучении мутабильности популяции овсяницы луговой, интродуцированной на территорию с урано-радиевым загрязнением (Попова, Шершунова, 1987) и при исследовании

- И -

Таблица 3 Частота хлорофильных мутаций популяциях горошка мышиного

Мощность : дозы в : пунктах : сбора се-: мян,пА/кг :

Число : Частота учтенных:мутацин, всходов 5 %

1,3

по всем пунктам

Контроль 2174 1948 3375 6330

13827

4,82 4,57 2,25 1,82

2,78

180,0 36,0 10,8 25,0 14,4 14,4 28,8 94,0 по всем пунктам

Хроническое облучение

7580 3210 5568 5253 4904 . 4791 6858 2501

40665

1,08 0,87ХХ 0,45ХХ 0,32ХХ 0,23ХХ 0,10ХХ 0,06ХХ 0,04ХХ

0,43

хх

X)

хх).

Р 4 0,05; ' р < ках отбора проб и

популяции овсяницы луговой, произрастающей в течение ряда поколений на гамма-поле с искусственным источником ^ -излучения (Шершунова, Попова, 1989).

Анализ спектра хлорофильных мутаций у исследуемых популяций горошка мышиного показал, что основной вклад вносят мутации типа хапШт ц хап^о-

. В контрольных популяциях их доля составляет около 70%. а в хронически облучаемой около 90%.. Для оценки . связи между му-табильностыо субпопуляций горошка мышиного и интенсивностью радиационного фактора в местах сбора семян были рассчитаны коэффициенты парных корреляций между выходом мутаций, мощ-но.^^ю додана площад-

~ и Иа в поч~

0,01

концентрациями -у и венном субстрате площадок и растениях. При этом была установлена достоверная положительная связь между выходом мутаций и ^-фоном в местах произрастания горошка мышиного { г = 0,6, Р < а также содержанием инкорпорированного растениями и (. г =0,95, Р<0,05). Однако корреляционная, зависимость между выходом мутаций и содержанием ,несмотря на его значительные накопления б растениях, носила недостоверный характер,,; Не удалось также установить достоверной связи между содержанием радионуклидов в субстрате и выходом мутаций у растений.

Г

Ж

Таким образом, проведенное исследование показало, что с помощью теста 'хлорофильная мутация*, испытанного на природной популяции горошка мышиного, удается регистрировать мутагенное действие радиационного фактора относительно низкой мощности*: Однако большая зависимость проявления мутаций хлорофильной недостаточности от многих условий вносит известные ограничения в использование этого критерия в радиоэкологических исследованиях и .требует от экспериментатора учета всего комплекса факторов, которые могут модифицировать радиационный эффект.

3, Радиочувствительность семян Утт'.я сгяггя Т. . В табл» 4 представлены данные о выходе аберрантных ана-телофаз в корешках прорастающих семян горошка мышиного в ответ на острое -облучение. Видно, что ? :>-семена из хронически облучавшейся популяции имеют более высокий по сравнении» с контролем темп индуцированного мутирования. Сравнение дозовых кривых, проведенное с помощью двухфакторного дисперсионного аналйза, свидетельствует о наличии достоверных различий (Р<0,01) в выходе аберрантных ана-телофаз.;

Исследования по изучению возможных связей радиоустойчивости популяций у,.сгасса Ь. , обитающих как на ураноградиевом ( Ы. -облучение, наш участок), так и на стронциево-иттриевом ( р -облучение) загрязнениях, с эффективностью работы систем пострадиационного восстановления ДНК выявили (Сергеева и др., 1985, Семов, 1987), что в условиях хронического <*. -облучения возрастание генетического груза сопровождается снижением эффективности работы систем репарации ДНК из-за индукции в ней труднорепарируемых, но способных передаваться из поколения в поколение повреждений (Семов, 1988). В случае хронического р -облучения на фоне увеличения генетического груза в популяциях выявлено возрастание эффективности пострадиационного восстановления ДНК, обусловленное более интенсивным репаративным синтезом с измененной энзимологией и регуляцией (Сергеева, Семов и др.,~1985). Причины различий в изменениях при хроническом оС - и р -облучении популяции горошка мышиного лежат, возможно, в неодинаковом спектре первичных повреждений ДНК - разной способности повреждений к восстановлению и вероятности сохранения в потомстве

- 16 -

Таблица 4

Выход хромосомных аберраций б период митоза корешков семян Ч.сгасса Ь. ПРИ дополнительном у -облучении

Доза : Вариант : Число : Клетки с различными типами аберраций, %

облуче- : :просмот- : мосты : мосты + фраг -: фрагменты + от-: Всего

нияф Гр : :ренных : менты :ставшие хромосомы наруше-

: : ана- и : щ : ний

: гтселофаз • и II • •

• ?> Контроль 13234 0,47 '£ 0,07 0,09 ± 0,03 V 0,48 0,06 1,12 £ 0,11

Опыт 13809 0,61 £ 0,08х 0,05 ± 0,03 1,22*0,16 1,90 £ 0,18

30 Контроль 15002 0,96 X 0, 13 0,49 0,10 1,76 £ 0,19 3,22 = 0,32

Опыт 13263 1,34 г 0,20 0,59 г 0,15х 2,40 * 0,24 4,32 = С 0,48

50 Контроль 12222 1,51± 0,17 1,08 ± 0,26 3,92 ± 0,55 6,67 ± 0,85

Опыт 8671 3,46 ± 0,33 1 ,78 л 0,31 4,97 г 0,42 10,30 а: 0,82

70 Контроль 8205 2,80 - 0,30 3,27 - 0,32Х 1,58 а. 0,25 4,13 - 0,54 V 3,52 г 0,88

Опыт 10746 2,26 ± 0,31 4,69 л 0,52 10,17 х 0,91

90 Контроль 4485 2,45 £• 0,33 4,82 ± 0,88 12,30 X 1,60 19,60-2,40

Опыт 5249 4,86 * 0,57 7,16 х 1,01 15,30 л 1450 27,50-2,50

110 Контроль 4709 5,50 ± 0,35 4,07 ± 0,94 13,20 X 1,60 22,80 л 2,80

Опыт 2692 3,81 £ 0,75 7,96 = 1,53 22»40 £ 2,50 33,90 = 3,90

130 Контроль 5020 3,24 - 0,41 4,48 г 0,93 4,20 - 0,66х 10,60 л 1,20 х 18,20 г 2,10 21,10 х 2,1<?

Опыт 4208 4,58 2 0,57 13,10 - 1,20

150 Контроль 5703 3,70 - 0,54 3,98 л 0,64 11,30 - 1,20 19,40 - 1,8,0

Опыт 3807 3,82 * 0,49х 4,62 ^ 0,74х 15,70 ± 1,60 24,10 = 2,30

различия недостоверны

облученных клеток.

При изучении с-илы роста семян б зависимости от дозы провокационного облучения была показана достоверно более высокая радиочувствительность проростков опытного варианта. Наблюдения за состоянием проростков (10-дневные всходы) показали, что среди семян опытного участка частота проростков с лучевыми аномалиями развития корешка и побега, побурением, осклизнением и заражением фитопатогенпыми микроорганизмами достоверно (Р < 0,05) выше при дозе облучения 100 Гр„ Факты снижения силы роста опытных семян и их большей уязвимости при остром 2Г-облучении служат дополнительным свидетельством угнетающего действия повышенного содержания изотопов уранового ряда па растения горошка мышиного.

При оценке радиочувствительности семян установлено, что выживаемость интактных растений в конце вегетационного периода в опытном варианте резко понижена по сравнению с контролем ( табл.5), Необходимо подчеркнуть, что число взошедших растений во всех экспериментах было практически одинаково. Гибель растений в опытной группе наблюдали на определенной "критической* (42-55-е сутки от начала полевых Испытаний) стадии онтогенеза. Использование в эксперименте предпосевного /-облучения семян выявило, что к концу вегетации жизнеспособная часть опытной популяции проявляет повышенную радиоустойчивость по сравнению с контролем. Это нашло свое выражение в отсутствии реакции на тестирующее "Jf-облучение семян в дозе 200 Гр из хронически облучающегося фитоц-еноза по показателю 'выживаемость*, в то время как' значение этого показателя1 у семян контрольной партии в ответ на воздействие провокационного фактора резко падало (табл.5). Различия в радиочувствительности растений первой генерации горошка мышиного в начале (прорастание семян) и конце (выживаемость) онтогенеза объясняются, по всей видимости, постепенной элиминацией в ходе вегетации из популяции маложизне-способныхи, вероятно, радиочувствительных особей.

Таким образом, повышенное содержание в среде обитания растений Vicia cracca L. изотопов урановой серии обуславливает, с одной стороны, низкое качество семенной генерации этих растений и, с другой стороны,

индуцирует изменение генетической структуры популяции с повышением радиоустойчивости жизнеспособных особей при дополнительном действии острого -облучения.

Таблица 5

Влияние у-облучения семян горошка мышиного на выживаемость и продуктивность растений в конце вегетации

Доза, : Контроль_:_Опыт_

. Гр : х t га :РД, % : х±ш : РД, %

Число выживших растений

0 06,7*6,6 — 35,4*2,2 -

50 67,7*1,8 1,5 46,4*5,4 31,0

100 57,5*6,6 -13,8 39,4*8,7 11,3

150 45,4*3,8 -31,9 30,3*7,9 -14,4

200 35,4-3,3 -46,0 34,3*4,1 -1,1

Воздушно-сухая надземная масса, г/сосуд

0 16,1*2,0 — 4,5*0.9 —

50 12,9*1,3 -19,9 5,9*0,9 31,0

100 14,7*2,9 -8,7 5,2-2,3 15,5

150 9,8*0,7 -39,1 5,3*2,0 17,7

200 8,8*0,8 -45,3 4,4x0,3 -2,2

Масса одного растения, г

0 0,80±0,07 — 0,40*0,06 —

50 0,66*0,02 -17,5 0,40*0,02 0

100 0,90-0,23 12,5 0,34*0,08 * -15,0

150 0,73-0,09 -3,7 0,55*0,10 1 | 37,5

200 0,85*0,14 6,2 0,43*0,05 7,5

Примечание: РД - радиационная депрессия признака (% от контроля),'

ВЫВОДЫ

1. Изучена мутационная изменчивость модельной популяции Hordeum vulgaris L. при хроническом действии, внешнего "^-излучения мощностью дозы 180 пА /кг»; Использование двух генетических систем - хлорофильной и waxy мутаций позволило выявить тенденцию к возрастанию выхода мутаций у подвергшихся хроническому облучению в малых дозах, вегетирующих растеши"! ячменя.г

2. Наблюдения за природной популяцией Vicia cracca L. ,длительное время произрастающей на территории урано-радиевого загрязнения, выявили крайне низкую

жизнеспособность семян, проявляющуюся в пониженной массе зерен, силе роста, выживаемости и вегетативной продуктивности растений первой генерации, что указывает на наличие генетического груза, сказывающегося в щеплении летальных п мапожизнеспособных форм в виде низкорослых и карликовых особей.

3. Цитогенетический анализ клеток корневой меристемы прорастающих семян Vicia cracca L. выявил повышенный выход ана-телофазиых структурных нарушений хромосом в облучаемой популяции по сравнению с контролем.

4. Установлена достоверная положительная связь между частотами встречаемости особей с хлорофилыюй недостаточностью в отдельных субпопуляннях горошка мышиного и уровнями <у-фона в пунктах сбора семян.; Частоты встречаемости хлорофильных мутаций и эмбриональных деталей в опытных субпопуляциях горошка мышиного оказались ниже таковых в контрольных популяциях, что указывает на изменение генетической структуры облучаемой популяции. '

5. Анализ дозовых зависимостей выхода хромосомных £*оерраций в корневой меристеме семян Vicia cracca L. свидетельствует о том, что уровень мутабильности растений из хронически облучающегося фитоценоза достоверно выше во всем диапазоне доз острого предпосевного ff-облучения (30-150 Гр). Mорфофизнологический анализ проростков семян из хронически облучаемого фитоценоза также выявил пониженную но сравнению с контролем сипу роста семян и их большую уязвимость при остром ^-облучении.

6.^На основании изучения коэффициентов радиационной депрессии при остром предпосевном ^f-облучении семян горошка мышиного и оценки выживаемости растений в условиях полевого опыта выявлено наличие в жизнеспособной части семенного потомства хронически облу-. чавшихся растений особей, характеризующихся повышенной устойчивостью к радиационному воздействию, что свидетельствует о радиоадаптации исследованной популяции.?

7. Выявленные негативные биологи^ские эффекты в популяциях растений, произрастающих на территории, имитирующей дезактивированное урано-радиевое загрязнение, указывают на необходимость проведения работ по эко-

логическому нормированию при принятии решений о включении в оборот земель с повышенным содержанием в почвенном субстрате радионуклидов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1« Попова О.П., Шершунова В.И., Таскаев А.И., Никифоров B.C. Мутабильность ячменя, выращенного при по-зышеином естественном фоне радиации, по тесту "хлоро-фильная мутация*//Радиобиология.-Ю70.-Т.190^№5-С.783-Г80.

2. Шершунова В.П., Попова О.Н. ' Мутагенное действие повышенного естественного фона радиации на ячмень// Гез.конф.'Северных филиалов АН СССР. Сыктывкар»^1979в4-

50-51..'

3. Попова О, Н., Шершунова В.И., Никифоров B.C. К использованию теста "хлорофильная мутация у ячменя" для щенки генетического действия па растения малых доз юнизирующих излучений//Радиобиология»^1980-Т,20-№6,4-:.935-939е;;

4. Попова О.Н., Шершунова В.И. Частота waxy-мутаций i пыльцевых зернах ячменя, выращиваемого в условиях :ронического облучения малыми доз ами//Генетнка,-1981.4-Г.П.-Ш.-С .1229-1233.

5. Попова 0,Н., Шершунова В.И., Коданева Р.П.^Тас-:5ôb ft.И., Никифоров B.C. Уровень хромосомных аномалий î природной популяции Vicia cracca L. в условиях экспе-шмэнталытго уранорадневого загрязпения//Раднобиология.'

1984,-Т. 24*-К°3.*С. 397-400»

О.Попова OvH.j Шершунова D.H., Коданева Р.П.,'Тас-аев А.И. Радиочувствительность семян Vicia cracca L.

зависимости от радиоэкологических условий произраста-[ия//Радиобнология.-1984.гТ.24.-В ып,5,^С.714-715.

7. Шершунова В.П., Попова О.Н.,' Коданева Р.П.гМута-ионная изменчивость природных популяций V.cracca L. з хронически облучаемого фитоцепоза//Экологич.генетика растений и животных. Тез.докл.П Всесоюзн„конф»по экол» генегике.Кишинев:Штиинца,-1984.-С.94.

8.'Попова Шершунова В.И., Коданева Р.П.| "Таскаев А,И, ' Проявление хлорофильной недостаточности в фиродных популяциях vicia cracca L. в зависимости от радиоэкологических условий произрастанияХ/Генетика»-*-

1985.-T.21,-№4,i-C.e70-672.

9.Шершунова В,И., Попова О.II., Кочан И.Г. Особеннос-

338IT 226 По ти выноса растениями из почвы и и ка в зависимости от содержания радионуклидов в почве//Радиация как экологический фактор при антропогенном загрязне-нии.С ыкт ывкар.-1984.-В ып.67,-С ,37-43.

10. Попова О.Н., Кодаиева. Р.П., Шершунова В.И. Анализ силы роста семян природных популяций горошка мышиного V,cracca L. Для оценки нх радиочувствительности //Р ад и обиология.-l 985,-Т.25.-№5.-С .700-703.

11. Попова О.Н., Шершунова В.И., Кодаиева Р.П., Таскаев А.И. Изменчивость популяции V5cracca L.

на территории, имитиру—ющей ураио-радиевое загрязнение //Научные доклады Коми фил.АН СССР.Сыктывкар. 1985.-В ып. 127.-С .33, ■

12. Попова О.Н., Шершунова В.И.; Таскаев А.И., Сусликов В,И» . Анализ выживаемости потомства V,cracca LM полученного из хронически облучающегося фитоценоза//-Радиобиология.-1988,^-Т.20»гК«5,-С, 860-364.'

13.(Шершунова В.И., Попова О.Н., Сусликов' В.И. К использованию теста "хлорофильная мутация" в радиоэкологических исследованиях природных растительных популяций//Радиоэкология биогеоценозов с повышенным фоном естественной радиоактивности«-;Сыктывкар.г-1987,-С.; 77-83.

14. Шершунова В.И., Попова О.Н»-Частота хлорофиль-ных мутаций в популяциях растений, длительное время подвергающихся воздействию малых доз радиации//Зко-лого-генетические последствия воздействия на окружающую среду антропогенных. факторов.Сыктывкар.-1989,-С.97.

Заказ № 429.

Ц02549

Тираж 100.

Ротапринт Коми научного центра УрО АН СССР