Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Закономерности раздельного и сочетанного действия факторов радиационной и нерадиационной природы в диапазоне малых доз концентраций на традесканцию, КЛОН 02

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Евсеева, Татьяна Ивановна, Сыктывкар



у./ V? /

I«;" V

Российская академия наук Уральское отделение Коми научный центр Институт биологии

На правах рукописи

Евсеева Татьяна Ивановна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗДЕЛЬНОГО И СОЧЕТАННОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ РАДИАЦИОННОЙ И НЕРАДИАЦИОННОЙ ПРИРОДЫ В ДИАПАЗОНЕ МАЛЫХ ДОЗ (КОНЦЕНТРАЦИЙ) НА ТРАДЕСКАНЦИЮ

(КЛОН 02)

Специальность 03.00.01 - Радиобиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н. Гераськин С.А.

Сыктывкар 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕХАНИЗМЫ ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ КЛЕТКИ НА РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ 7

1.1. Основные закономерности и механизмы формирования ответной реакции биологических объектов при действии малых доз ионизирующих излучений 7

1.1.1. Идентификация формы зависимости «доза-эффект» и основные концепции биологического действия малых доз радиации 7

1.1.2. Механизмы действия «малых доз» радиации 13

1.2.Формирование ответной реакции растений на действие ТЕРН 16

1.2.1. Генетические эффекты и физиологические изменения у растений при воздействии ТЕРН в природных и лабораторных условиях 16

1.2.2. Поглощение тория растениями и особенности его распределения по органам и тканям. Механизмы действия ТМ и формирование устойчивости растений к ТМ (ТЕРН) 22

1.3. Биологические эффекты при сочетанном действии факторов 29

1:3.1. Классификация видов взаимодействия факторов 29

1.3.2. Молекулярно-клеточные механизмы и закономерности формирования ответной реакции биологических систем в условиях комбинированного и сочетанного действия факторов 32

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА 40

2.1. Объект исследований 40

2.2. Методика проведения экспериментов 41 ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕЙСТВИЯ НИЗКИХ ДОЗ ХРОНИЧЕСКОГО у-ОБЛУЧЕНИЯ НА ТРАДЕСКАНЦИЮ (КЛОН 02) 47

3.1. Закономерности действия низких доз хронического у-облучения на почвенные культуры традесканции (клон 02) 47

3.2. Закономерности действия низких доз хронического у-облучения на традесканцию (клон 02) в условиях водной культуры без элементов питания 51

ГЛАВА 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗДЕЛЬНОГО И СОЧЕТАННОГО ДЕИСТ-ВИЯ ТОРИЯ-232 И СОЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЕНИЯ 55

4:1. Закономерности действия низких концентраций тория-232 на традесканцию (клон 02) 55

4.2. Закономерности и механизмы действия нитрата тория-232 в низких концентрациях на апикальные меристемы корней лука репчатого 59

4.3. Действие нитрата калия в концентрации 0.51 г/л, используемой для приготовления водных питательных растворов, на традесканцию (клон 02) 63

4.4. Сочетанное действие нитратов тория-232 и калия на традесканцию (клон 02) 67

4.5. Сочетанное действие тория-232 и тяжелых металлов на традесканцию (клон 02) 74 ГЛАВА 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОЧЕТАННОГО ДЕЙСТВИЯ МАЛЫХ ДОЗ ХРОНИЧЕСКОГО у-ОБЛУЧЕНИЯ И НИТРАТОВ ТОРИЯ-232 И КАЛИЯ НА ТРАДЕСКАНЦИЮ (КЛОН 02) 84

5.1. Закономерности сочетанного действия низких доз хронического гамма-облучения и тория-232 на традесканцию (клон 02) 84

5.2. Закономерности сочетанного действия низких доз хронического у-облучения, тория-232 и нитрата калия на традесканцию (клон 02) 98 ВЫВОДЫ 114 ЛИТЕРАТУРА 115 ПРИЛОЖЕНИЯ 128

ВВЕДЕНИЕ

Решение практических задач охраны окружающей среды невозможно без создания прочной научной основы для оценки биологических эффектов сочетанных воздействий (Алексахин и др., 1986). Экспериментальное изучение сочетанных воздействий включает ряд этапов, необходимых для корректной количественной оценки отклика биологической системы. Эти этапы связаны с анализом раздельного действия каждого фактора, оценкой относительного вклада повреждающих агентов в наблюдаемые изменения регистрируемых признаков, выявлением синергизма, антагонизма и аддитивности.

В случае совместного действия малых доз ионизирующего излучения и низких концентраций тяжелых естественных радионуклидов, в частности 232ТЬ, изучение закономерностей индукции биологических эффектов каждым фактором в отдельности представляем самостоятельную сложную проблему. Так, до сих пор под вопросом остается характер зависимости «доза-эффект» в области малых доз радиации. Закономерности, а, тем более, механизмы действия 232ТЬ остаются практически неизученными.

Еще более актуальной является задача оценки последствий сочетанных и комбинированных воздействий. Сложные, разнонаправленные процессы, индуцированные совместным воздействием на клетку комплекса факторов, включающие, в частности, как индукцию систем репарации, так и подавление их работы, способны, в зависимости от их соотношения, формировать такие ответные реакции, как антагонизм и синергизм. Поэтому результирующий отклик биологической системы на сочетанное и комбинированное воздействия невозможно предвидеть, исходя только из информации о раздельном действии каждого из факторов. Это приводит к существенному возрастанию объема экспериментальных работ. Действительно, если для описания дозовой зависимости в условиях действия одного фактора достаточно N экспериментальных точек, то для аппроксимации поверхности отклика биологической системы, подвергшейся воздействию п повреждающих агентов, необходимо уже И" экспериментальных точек. Если же учесть, что в диапазоне малых доз и концентраций, представляющих особый интерес для экологического нормирования, статистически достоверное выявление биологических эффектов требует выборок очень большого объема, то проблема кажется вообще неразрешимой. По этой причине приходится ограничивать исследование тем диапазоном доз (концентраций) факторов в котором, по предварительным данным, теоретически можно ожидать отклонения от аддитивного взаимодействия. Синергические и антагонистические эффекты со-

вместного действия индуцируются главным образом в области малых значений доз (концентраций) факторов разной природы (Гераськин и др., 1996; Петин и др., 1997), что свидетельствует о необходимости учета нелинейных эффектов при нормировании техногенной нагрузки на природные и аграрные экологические системы.

Цель исследования заключалась в выявлении закономерностей раздельного и со-четанного действия низких доз (концентраций) факторов радиационной и нерадиационной природы на традесканцию (клон 02).

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:

1. Исследовать закономерности индукции различных нарушений в клетках волосков тычинок традесканции (клон 02) (соматических мутаций, морфологических аномалий, потери репродуктивной способности клеток) при действии низких доз хронического у-облучения.

2. Исследовать закономерности и особенности действия различных концентраций 232ТЬ на растения в зависимости от ионного состава питательной среды.

3. Установить закономерности формирования реакции традесканции (клон 02) на соче-танное действие низких концентраций 232ТЬ и малых доз хронического у-облучения. Изучить закономерности реакции традесканции (клон 02) в условиях сочетанного действия хронического у-облучения, 232Т11 и КМЭз.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость частоты различного типа нарушений в волосках тычинок традесканции (клон 02) в диапазоне доз хронического у-облучения от 0.01 до 9.1 сГр имеет нелинейный характер.

2. 232ТЬ вызывает генотоксический, тератогенный и токсический эффекты у традесканции (клон 02).

3. Сочетанное действие низких концентраций 232ТЬ и хронического у-облучения в малых дозах, а также 232ТЬ, хронического у-облучения и ]ШОз на традесканцию (клон 02) приводит к индукции нелинейных (синергических и антагонистических) эффектов взаимодействия.

Научная новизна:

- впервые показано, что зависимости частоты соматических мутаций, морфологических аномалий и потери репродуктивной способности клеток волосков тычинок традескан-

ции (клон 02) от дозы у- облучения в диапазоне 0.01 - 9.1 сГр имеют нелинейный характер как для почвенных, так и для водных культур;

-впервые экспериментально изучены закономерности формирования ответной реакции клеток волосков тычинок традесканции (клон 02) на воздействие низких концентраций 232ТЬ. Показано, что 232ТЬ в концентрациях 0.088 , 0.1769 и 0.36 мг/л (0.5 - 2ПДУ) оказывает генотоксическое и тератогенное, а в концентрации 0.36 мг/л - и токсическое действие на растения. Особенностью действия 232ТЬ является его способность вызывать отставание хромосом в анафазе, что связано с воздействием на центромерные участки хромосом и нити веретена деления;

- установлено, что сочетанное действие низких концентраций 2^2ТЬ и хронического у-облучения в малых дозах приводит к индукции нелинейных эффектов взаимодействия: при сочетанном действии 232ТЬ и околофоновых доз радиации (0.01-0.91 сГр) достоверно выявляются все возможные типы эффектов взаимодействия - синергизм, аддитивность и антагонизм, тогда как сочетанное действие 232ТЬ и хронического у-облучения в дозе 2.2 сГр, приводит к антагонистическим эффектам по всем изученным показателям; -при изучении сочетанного действия 232Т11 и тяжелых металлов, входящих в состав проб талой воды, различающихся уровнями техногенного загрязнения, показано, что 232ТЪ усиливает токсическое действие тяжелых металлов, а при низком их суммарном содержании и генотоксический эффект;

-показано, что в присутствии ККОз существенно снижается генотоксический эффект действия ТЬ, а также совместный эффект 232ТЪ и хронического у-облучения.

Теоретическая и практическая значимость. Выявленные в ходе диссертационного исследования закономерности раздельного и сочетанного действия факторов радиационной и нерадиационной природы на растительные организмы могут быть использованы для оценки ответной реакции растений в реальных условиях комбинированного техногенного загрязнения. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о возможности проявления нелинейных эффектов взаимодействия (антагонизм, синергизм) факторов радиационной и нерадиационной природы в области доз (концентраций), близких к встречаемым в реальных условиях, что необходимо учитывать при оценке и нормировании воздействия факторов среды на объекты живой природы и человека.

Глава 1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕХАНИЗМЫ ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ КЛЕТКИ НА РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ НИЗКОЙ

ИНТЕНСИВНОСТИ

1.1. Основные закономерности и механизмы формирования ответной реакции биологических объектов при действии малых доз ионизирующих излучений

1.1.1. Идентификация формы зависимости «доза-эффект» и основные концепции биологического действия малых доз радиации

Проблема действия малых доз радиации на биологические объекты затрагивает широкий круг вопросов. В рамках наших исследований, касающихся закономерностей со-четанного действия факторов низкой интенсивности, наиболее важными являются вопросы об идентификации формы зависимости «доза-эффект» в области малых значений экспозиции и механизмах реакции клетки, ответственных за наблюдаемые в области малых доз феномены. Необходимо рассмотреть влияние малых доз радиации не только на генетический аппарат клетки, хотя именно эти критерии имеют наиболее важное значение при определении биологического риска облучения в данном диапазоне доз, но и на изменение метаболических и физиологических параметров, то есть функционально сопряженных процессов, дающих представление о качестве и направленности сдвигов в исследуемых системах.

Изучение действия малых доз радиации проходило несколько этапов. До недавнего времени считалось, что последствия облучения живых систем сказываются лишь с определенного уровня доз, а зависимость «доза-эффект» носит пороговый характер. Однако некоторые экспериментальные данные не подтверждали общепринятого положения о том, что малые дозы радиации не оказывают сколь-нибудь существенного влияния на биологические объекты. Впоследствии для оценки таких эффектов облучения, как генетические нарушения и тератогенные эффекты стали пользоваться концепцией линейной или квадратично-линейной зависимости от дозы. При исследованиях влияния ионизирующего излучения на растительных клетках также была показана линейная зависимость выхода хромосомных аберраций и видимых мутаций от дозы (Гродзинский и др., 1984). Следует, однако, отметить, что выводы о форме дозовой зависимости основывались на экспериментальных данных об ответной реакции организмов на облучение в достаточно высоких дозах.

Первые достоверные сведения о сложном, нелинейном характере индукции цито-генетических повреждений в диапазоне низких доз были получены Н.В. Лучником (1957)

при изучении цитогенетических эффектов в клетках корешков гороха, обработанных раствором радиоактивных продуктов деления (а- и ß-излучателей). Позже Н.В. Лучником и A.B. Севанькаевым были исследованы закономерности выхода цитогенетических повреждений в лимфоцитах периферической крови человека в диапазоне 5-40 сГр (Luchnik, Sevankaev, 1979). Авторы установили, что у-облучение в малых дозах индуцирует в культуре лимфоцитов периферической крови человека больше аберраций хромосом, чем этого можно ожидать при экстраполяции с более высоких доз.

Последующие исследования подтвердили справедливость предположения Н.В.Лучника о том, что процессы, происходящие в клетке (организме) при действии малых мощностей доз хронического и низких доз острого облучения, не могут быть адекватно описаны в рамках общепринятых линейной или квадратично-линейной моделей. Обнаруженные отклонения от этих зависимостей не являются артефактом, а отражают особенности действия «малых доз». Так, Севанькаев A.B. с коллегами получили нелинейные зависимости по выходу структурных повреждений хромосом (дицентриков и колец) в лимфоцитах периферической крови человека в диапазоне доз 0.05-1 Гр при разных мощностях доз (0.005, 0.5, 0.05 Гр/мин) от источника б0Со (Завитаева и др., 1984). Авторы выдвинули гипотезу о возможных механизмах, обусловливающих аномальный (т.е. нелинейный) характер дозовой зависимости в области малых доз, согласно которой при определенной дозе (в цитируемой работе - это доза около 0.1 Гр) индуцируется активность ферментов репарации, которые до определенного уровня нагрузки репарируют возникающие под действием радиации повреждения, следствием чего и является наблюдаемое плато на дозовой кривой. С увеличением дозы поток генетических повреждений нарастает и при достижении определенного уровня ( в данной работе - 0.5 Гр) ферментов репарации становится уже недостаточно для устранения повреждений, в результате чего и происходит повышение частоты аберраций (диапазон 0.5 -1 Гр).

В дальнейших исследованиях нелинейный характер дозовой зависимости в области малых значений экспозиции был обнаружен как для животных, так и для растительных организмов с использованием различных тест-систем. При изучении действия острого у-излучения в диапазоне 0-2 Гр (при мощности 47 сГр/мин) на проростки Vicia faba показано, что выход цитогенетических повреждений (микроядерный тест) нелинейно зависит от дозы (Заичкина и др., 1990). Причем зависимость носит ступенчатый характер: линейный участок в начале изучаемого диапазона сменяется выходом на плато с последующим линейным повышением выхода цитогенетических повреждений при увеличении дозы. Авто-

ры указывают, что подобная сложная зависимость может быть объяснена различиями механизмов реализации цитогенетических повреждений в разных диапазонах доз.

При изучении выхода аберраций хромосом в корневой меристеме ячменя в диапазоне доз 0.1-30 Гр острого облучения от источника б0Со также выявлена нелинейная зависимость «доза - эффект» (Гераськин и др., 1997) . Авторы выделяют три диапазона, соответствующие: 1) спонтанному уровню генетических повреждений - 0-0.5 Гр; 2) плато на дозовой зависимости 1-10 Гр (в этом диапазоне частота аберрантных клеток статистически достоверно превышает спонтанный уровень и не зависит от величины дозы); 3) уровню больших доз > 25 Гр (число повреждений увеличивается пропорционально дозе). В работах этих же авторов с выбором иных объектов (пшеница) и тест-систем (апикальные меристемы корней и интеркалярные меристемы листьев) получены аналогичные результаты, различающиеся лишь диапазоном доз, при которых выявляются сходные биологические эффекты (Гераськин и др., 1995; 1996).

Итак, во многих работах показано, что закономерности выхода генетических нарушений в области малых доз характеризуются ярко выраженной нелинейностью и имеют универсальный характер, различаясь для разных объектов значениями доз, при которых происходят изменения характера зависимости и которые определяются их чувствительностью к внешним воздействиям. Тем не менее, единой общепризнанной концепции биологического действия малых доз ионизирующего излучения не существует. Имеющиеся концепции, опирающиеся на признание нелинейности зависимости «доза-эффект», по