Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Генетическая эффективность действия ионизирующих излучений на волоски тычиночных нитей традесканции клон 02

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Осипова, Римма Гайковна

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. Литературный обзор . б

1. О тест-системах, используемых для оценки генетических эффектов загрязнителей окружающей среды

2. Традесканция (клоны 02 и 4430) - чувствительная тест-система для изучения радиационного и химического мутагенеза

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Глава П. Материал и методы

Глава Ш. Естественный и индуцированный мутационный процесс у традесканции клон

1. Естественный мутационный процесс в волосках тычиночных нитей клона 02 традесканции

2. Действие рентгеновского излучения на волоски тычиночных нитей традесканции

3. Действие урана-238 на волоски тычиночных нитей традесканции

Глава 1У. Мутационный процесс у традесканции клон 02 при действии ^С-тимидина и ^С-лизина

Введение Диссертация по биологии, на тему "Генетическая эффективность действия ионизирующих излучений на волоски тычиночных нитей традесканции клон 02"

Актуальность проблемы. Вопросы генетических последствий загрязнения окружающей среды радиоактивными продуктами приобретают в настоящее время особую актуальность. В ближайшее десятилетие ожидается повышение уровня переработки уранового сырья, добычи урановых руд, рост мощностей атомных электростанций, использование ядерных взрывов в мирных целях. В свою очередь, естественные радионуклиды, ионизирующее излучение которых состоит из ^-квантов, fi -и /-частиц, несущих большую энергию, измеряемую сотнями тысяч электровольт, вносят большой вклад в природный фон излучения. А любое дополнение к этому фону способствует увеличению общего фона излучения.

Наиболее важным путем облучения от ядерных испытаний является пероральное поступление, в котором основной вклад вносят углерод-14, цензий-137 и стронций-90 ; далее следует внешнее излучение, обусловленное цезием-137 и некоторыми короткоживущими радионуклидами. Ожадаемые коллективные эффективные эквивалентные дозы за счет испытаний, проводившихся в атмосфере до конца п

1981 года, составляют 2,1.10 чел-Зв, что эквивалентно примерно двум годам дополнительного облучения всего населения земного шара за счет естественных источников (доклад НКДАР ООН, 1982).

В связи с вышеизложенным, большую актуальность приобретает разработка чувствительных тест-систем для выявления и оценки мутагенов окружающей среды. Причем для каждого из уровней органической жизни использование тест-систем должно иметь самостоятельное значение. Тест-системы должны обладать следующими качествами: высокая чувствительность, простой и быстрый метод, воспроизводимость полученных данных, дешевизна и т.д. Почти всеми этими качествами обладает система волосков тычиночных нитей гетерозиготного по окраске цветка клона 02 традесканции, при помощи которой изучают генетические эффекты физических и химических мутагенов по тесту соматических мутаций.

Загрязнение окружающей среды требует все новых экспериментальных исследований для оценки генетического риска при таком загрязнении. В связи со сказанным проведенные нами исследования по оценке генетических эффектов при действии на традесканцию клон 02 солей урана-238, рентгеновских лучей и соединений радиоактивного углерода-14 представляются нам вполне актуальными.

Цель и задачи исследования. Целью работы было проведение анализа дозовых "зависимостей при действии различных мутагенов (рентгеновские лучи, уран-238, углерод-14) на волоски тычиночных нитей клона 02 традесканции. В соответствии с поставленной целью в задачу исследования входило: I) исследование системы ВТН клона 02 традесканции - как чувствительной радиобиологической тест-системы ; 2) изучение дозовых зависимостей выхода мутаций при действии рентгеновских лучей, урана-238 и углерода-14 ; 3) сравнение эффекта действия 14(-.-лизина и ^С-тимидина для определения7 ;трансмутационного эффекта.

Научная новизна. В работе впервые проведено комплексное исследование действия на волоски тычиночных нитей традесканции клона 02 рентгеновского излучения, урана-238, инкорпорированного углерода-14 с целью сравнительного изучения генетических эффектов этих факторов.

При определении мутагенного эффекта углерода-14, включенного и не включенного в состав ДНК, не выявлена повышенная мутагенная эффективность ^С-тимидина, которую можно было бы ожидать в связи с трансмутационным эффектом.

Произведена оценка эффективности действия всех этих факторов с использованием прямого и косвенного методов оценки частоты возникновения мутаций, разработанных для популяции человека Научным Комитетом ООН по действию атомной радиации.

Практическая значимость работы. Произведенное испытание на мутагенность урана-238 выявило максимальный эффект при действии принятой в настоящее время предельно допустимой концентрации урана в воде (1,7 мг/л) (Искра, Бахуров, 1981). Согласно литературным данным и прогнозным расчетам ожидается увеличение добычи урановых руд, повышение уровня переработки уранового сырья и т.д., поэтому, учитывая полученные нами данные, рекомендовано пересмотреть эту величину ПДК.

Рекомендовано использовать систему ВТН клона 02 традесканции в качестве высокочувствительной мутационной и радиобиологической тест-системы, обладающей ценными свойствами, а именно: хорошая воспроизводимость данных, простой метод учета мутаций, возможность использования тест-системы на месте работы в производственным условиях и т.д.

Для сравнения мутагенности различных факторов предложено использовать прямой и косвенный критерии оценки, разработанные НКДАР ООН для оценки генетического риска облучения человека.

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Осипова, Римма Гайковна

- 97 -Глава У. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование действия рентгеновских лучей, урана-238 и углерода-14 на систему ВТН клона 02 традесканции и получены дозо-вые зависимости выхода мутаций для этих факторов. Анализ дозовых зависимостей, полученных при действии этих факторов, позволило определить характер дозовой зависимости, выход мутаций на единицу облучения, удваивающую дозу. Следует отметить, что в основе любого генетического критерия должна лежать и лежит оценка ча,стоты возникновения мутаций в достаточно широком диапазоне доз. Определение частоты мутаиий (т.е. количества мутаций на единицу дозы) при действии мутагенных факторов и является основным генетическим критерием оценки мутагенности того или иного фактора. Все другие генетические критерии оценки действия мутагенных факторов могут быть выведены из этого основного критерия. Например, расчет дозы, уд-вивающей уровень естественного мутагенеза, основан на знании как уровня естественного мутагенеза, так и частоты индуцированных мутагеном мутаций.

В докладах Генеральной Ассамблее 1977 и 1982гг. Научный Комитет ООН по действию атомной радиации оценивал генетический риск облучения человека, используя прямой и косвенный методы оценки. С помощью прямого метода определяется количество данного типа генетических повреждений на единицу дозы облучения в потомстве облученных особей. С помощью непрямого метода или метода удваивающей дозы ; вначале определялась доза излучения, удваивающая частоту спонтанного мутирования для различных генетических эффектов. Далее определялась средняя величина оценок, полученных в отношении различных видов поражения.

Как уже отмечалось, для правильной оценки действия различных мутагенов необходимо знание уровня естественного мутагенеза у изучаемого объекта. Любой биологический объект обладает естественной генетической изменчивостью. Естественная изменчивость вида не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от перемен в окружающей среде (например, при изменении сезонных температур, при изменении видового состава сообщества, при лесных пожарах, при миграции, продвижении вида в горы, пустыни и т.д.).

При генетической оценке действия ионизирующих излучений, какой бы объект мы не исследовали и какие бы условия облучения не рассматривали, мы должны прежде всего знать уровень естественного мутационного процесса у данного объекта и знать частоту генетических изменений, иццуцируемую под воздействием определенной дозы излучения, принятой за единицу.

В соответствии с вышеизложенным, нами было проведено исследование уровня естественного мутационного фона у клона 02 традесканции. Данные, приведенные в таблице 2, свидетельствуют об относительно небольшом колебании естественного мутагенеза, что может быть связано с изменением сезонных температур. Уровень естественного мутационного фона у клона 02 традесканции, произрастающего в наших условиях, колеблется от 0,03% до 0,4% и в среднем может быть принят за 0,2%.

В результате действия ионизирующего излучения, внутреннего излучения и урана-238 на волоски тычиночных нитей традесканции получены разные дозовые зависимости.

В экспериментах по действию рентгеновских лучей получена кривая доза-эффект, характеризующаяся в логарифмическом масштабе линейной зависимостью в диапазоне доз от 0,05 до 2Гр, с углом наклона +0,85. Кривая доза-эффект характеризуется наличием максимума при дозах около 2Гр. При более высоких дозах частота мутаций падает. В отличие от кривой доза-эффект, полученной в лаборатории А.Х.Сперроу, мы не получили эффекта дуального действия. С другой стороны, известно, что при облучении с низкой ЛПЭ квадратичный член играет роль при дозах несколько сотен рад ( goоahead » 1980), тогда как в кривой доза-эффект, полученной Сперроу с соавторами, дуальность проявляется при 10 рад.

Согласно концепции линейной зависимости генетических изменений от дозы излучения, доза ионизирующего излучения (Д) равна произведению мощности дозы (J ) на время облучения. Исходя из классических представлений (Ли, 1963) зависимость одноударных генетических изменений (точковые мутации, разрывы хромосом) от дозы прямо-пропорциональна .

Линейный характер кривой доза-эффект, полученной при действии рентгеновских лучей, позволяет предположить, что мутационные события, регистрируемые в клоне 02 традесканции, имеют одноудар-ный характер. Есть основания полагать, что природа этих событий такова - это точковые мутации, делеции и имеется высокая вероятность, что эти события могут быть вызваны индуцированными реком-бинационными событиями.

Совершенно иная зависимость наблюдается при длительном действии урана-238 на систему ВТН клона 02 традесканции. Кривая доза-эффект в этом случае характеризуется наличием максимума на малой дозе с дальнейшим образованием стационарного уровня. Т.е. получен мутационный эффект и нет концентрационной зависимости. Максимальный эффект наблюдается при действии 1,7 мг/л, что является предельно допустимой концентрацией урана в воде. На основе полученных нами данных рекомендовано пересмотреть эту величину ПДК для урана в сторону ее снижения.

- 100

Было подсчитано, что данные концентрации урана-238 (1,7 ; 4,25 ; 8,5 ; 17,34 мг/л) формируют следующие мощности дозы от об -облучения (коэффициент накопления 100) - 1,1Л0~4; 2,9Л0~4 ; 5,8Л0~4 ; И,6Л0"4 и 23,2Л0~4 Гр/сутки. Эти дозы пренебрежимо малы и мутационный эффект, по всей вероятности, образуется от урана как химического элемента. В данном случае уран, по-видимому, действует как другие тяжелые металлы ( Rosen , 1954 ; Тарасенко и др., 1974 ; Рупошев, 1976). По всей вероятности, высокие дозы урана-238 оказывают токсическое действие на волоски тычиночных нитей традесканции и генетические нарушения в них элиминируются, не проявляясь фенотипически.

Нарушения, фиксируемые при действии углерода-14, характеризуются внутренним излучением р> -частиц. Формирование доз и мощностей доз при действии углерода-14 определяется характером накопления. В отличие от эффекта длительного действия урана-238, при длительном действии углерода-14 наблюдается концентрационная зависимость выхода мутаций.

Мощности доз и дозы, сформированные при действии различных концентраций углерода-14, рассчитывали на основе графиков накопления. Следовательно, концентрационная зависимость - она же, зависимость от мощности дозы. Надо отметить, что поскольку сформированные мощности доз при действии малых концентраций 1,85.104 ; 3,7ЛО4 ; 9,25Л04 Бк/мл не на много отличаются друг от друга, соответственно и выход мутаций в этих случаях имеет примерно одинаковый уровень. Сравнение же действия 3,7Л04 и 37.104 Бк/мл углерода-14 демонстрирует несомненный эффект мощности дозы.

В экспериментах по длительному действию внутреннего излучения, биологические особенности традесканции часто определяют выход мутаций. Так на рисунках, изображающих выход мутаций при действии углерода-14, видны небольшие максимумы почти на всех концентрациях, которые несомненно биологически обусловлены. Известно, что при действии острого облучения на систему ВТН клона 02 традесканции, наибольший выход мутаций наблюдается на 11-15 дни после начала эксперимента. Если представить мощность дозы, получаемую волосками тычиночных нитей ежедневно в течение длительного эксперимента в виде одной острой дозы, то можно предположить, что формирование этих ежедневных предполгаемых максимумов должно выразиться в виде тех небольших максимумов в течение всего периода облучения, что и наблюдается при длительном действии углерода-14.

Большой интерес при действии инкорпорированных излучателей представляет внешнее и внутреннее облучение хромосом. Для определения эффекта действия внешнего и внутреннего облучения хромосомы использовали ^С-лизин и ^С-тимидин. Расчеты показали, что преобладающая часть тимидина концентрируется в хромосоме и почти весь лизин вне ее. Поскольку формирование доз всецело зависело от характера накопления, нами были выбраны примерно одинаковые по дозам варианты действия ^С-лизина и ^С-тимидина. И оказалось, что действие ^С-тимидина не более(а в некоторых случаях и менее) эффективно, чем ^С-лизина. Таким образом, сравнение эффекта действия *4С-тимидина и "^С-лизина не выявило повышенного мутагенеза в результате трансмутационного эффекта.

Поскольку эксперименты по действию урана-238 и углерода-14 проводились по единой схеме, представляет интерес проведение сравнения их мутагенной активности. Для этого можно рассчитать активность навески в долях ПДК и выход мутаций оценить на единицу ПДК. Активность навески урана-238 рассчитывали по формуле

Q = РЛ*13Л°19 (Кимель, Машкович, 1972)

А.Т

Т - период полураспада в сек. А - атомный вес

Q - активность радиоактивного изотопа, Бк ПДК урана-238 по активности равно 5,9 Л0~3 Бк/мл (НРБ-76), а ГЩК урана-238 как химического элемента равно 1,7 мг/л в воде (Искра, Бахуров, 1981) ПДК углерода-14 в воде равно 8,2 Бк/мл (НРБ-76). Расчет активности навески изотопа в долях ПДК показал, что ПДК урана-238 по активности и как химического элемента фактически одинакова. Далее был рассчитан выход мутаций на единицу ПДК в растворах разных активностей. Результаты расчетов приведены в таблице.