Радиобиология / Моссэ И. Б., Морозик П. М. Генетические эффекты ионизирующей радиации

итем самым гибель клеток, дают возможность выделять больше жизнеспо- собных мутаций. При изучении частоты мутаций у сортов, обладающих раз- личной радиочувствительностью, положительной корреляции между мута-

бильностью и радиочувствительностью также не обнаружено. Видимо, у менее чувствительных к излучениям сортов возникает меньше перестроек хромо-

сом и выживает больше клеток с мутациями.

Конечно, очень важно предвидеть не только количество мутаций, но и каче-

ство их. Генотип исходного сорта оказывает влияние и на спектр возникающих мутаций – чем ближе друг к другу по своим морфобиологическим признакам, а, следовательно, и по генотипу сорта, тем более сходный спектр мутаций у них наблюдается. Таким образом, в работах по экспериментальному мутагенезу был подтвержден закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, открытый Н. И. Вавиловым для естественного мутационного процесса.

Большой интерес вызывает вопрос о направлении изменчивости количе- ственных признаков при экспериментальном мутагенезе. Так, чем больше раз-

вит данный признак у исходного сорта (например, чем выше растения), тем чаще возникают у него более высокие мутанты; у низких растений размах из-

менчивости по росту имеет соответственно другие границы.

Вопрос о влиянии отбора в определенном направлении на мутационную изменчивость количественных признаков очень важен, но результаты, полу- ченные разными исследователями, противоречивы и поэтому требуется даль-

нейшее изучение этой проблемы.

Необходимо также учитывать наличие доминантных или рецессивных при-

знаков у исходного сорта, так как рецессивные мутации возникают гораздо чаще, чем доминантные. Это обстоятельство особенно важно при получении мутантов у декоративных растений. В настоящее время во Франции широко развернуты труды по получению мутаций у роз под влиянием излучений. В работах с розами очень четко видна роль исходного материала: бело- и жел-

тоцветковые формы дают очень мало мутаций окраски, а формы с розовыми

икрасными цветками – много.

Известно, что при работе с вегетативно размножаемыми растениями осо- бенно остро стоит проблема «расхимеривания» побегов, т. е. выделения по-

чек, черенков, ветвей, состоящих целиком из тканей, несущих мутацию. Это достигается усиленным клонированием. Особенно много мутаций дает корне-

вая поросль: облученные или обработанные химическими мутагенами семена и черенки служат источником новых мутантных побегов в течение многих лет.

На картофеле уже давно обнаружено химерное строение клубней у ряда сортов. Для выявления генотипических особенностей тканей внутренних сло- ев удаляют глазки, и тогда новые развиваются из более глубоких слоев кле- ток. В последнее время химерное строение многих вегетативно размножае- мых культур выявлено в опытах при облучении. В этом случае клетки по-

верхностных слоев часто повреждались или даже погибали, и на поверхность выходили слои, расположенные глубже.

250

Такая перегруппировка слоев приводит к частому появлению побегов с новой окраской или формой цветков, а также к полному расхимериванию побегов. Последний прием применен во Франции к гвоздике с белыми цветка-

ми, на которых часто появлялись красные пятна и полоски, поскольку этот сорт был химерным. После облучения удалось получить и размножить побеги нехимерные, дающие чисто белые цветки.

Интересно остановиться еще на одном методическом вопросе, связанном отчасти с предыдущим. При облучении семян мутируют отдельные клетки многоклеточного зародыша, что приводит к химерности растений M1. Чтобы

избежать химерности, используются разные приемы воздействия излучениями. Для этого обрабатывают пыльцу, зародышевый мешок, зиготу (через 12–14 ч после опыления). Такие приемы приводят к появлению растений, все ткани которых гетерозиготны по мутациям. Поскольку многие мутации не полно- стью рецессивны, то вполне вероятно, что, подобрав соответствующие усло- вия для развития растений M1, можно выявить гетерозиготы по некоторым

мутациям (например, с измененной длиной междоузлий).

Интересные результаты дает использование облучения при отдаленной гибридизации. Например, использование излучений для получения трансло- каций и вставок участков хромосом диких видов (эгилопса, пырея) в хромосо-

мы пшеницы для передачи устойчивости к заболеваниям.

Все изложенное показывает, что экспериментальный мутагенез имеет большое будущее в селекции. Во всем мире уже получено много мутантов с цен-

ными качествами.

Наконец, появление мутантов определенного типа зависит от момента воз- действия в онтогенезе. Сам процесс индивидуального развития связан с пери- одической депрессией соответствующих участков ДНК. Такие участки, не за-

щищенные гистонами, становятся уязвимыми со стороны мутагена (если принять, что мутаген взаимодействует непосредственно с генетическим мате- риалом) или, в силу того, что на этих участках протекает репликация, воз- можно увеличение частоты «ошибок» (если принять, что правильность функ- ционирования депрессированных участков зависит от нормальной жизнедея-

тельности клеток в целом). При обоих допущениях относительно механизма мутирования мутировать будут открытые участки ДНК, что, в свою очередь, повлечет появление мутантов соответствующего типа.

Но уже одно то, что можно получать колоссальное количество мутаций, в какой-то мере влиять на относительную частоту некоторых типов этих на- следственных изменений и выбирать из них полезные, обеспечивает успеш-

ное использование их в селекции микроорганизмов, растений и даже одного из разводимых человеком животных – тутового шелкопряда. Следует упомя-

нуть и о таком общеизвестном факте, как создание с помощью радиационного мутагенеза чрезвычайно эффективных штаммов продуцентов ряда антибио-

тиков (в настоящее время селекция продуцентов антибиотиков, продуцентов аминокислот, витаминов немыслима без использования радиационного мута-

251

генеза), и о широком применении радиационного мутагенеза для выведения новых высокопродуктивных, устойчивых к полеганию, иммунных к заболева-

ниям и с другими качествами сортов зерновых.

В СССР и Японии при облучении рентгеновскими лучами тутового шел-

копряда удалось получить хромосомные мутации (транслокации), благодаря которым в половые хромосомы были внесены гены, вызывающие различную окраску оплодотворенных яиц (грены), из которых развиваются самцы и сам-

ки. Это позволяет отсортировывать и оставлять для дальнейшего развития лишь грену, детерминированную на развитие самцов, коконы которых дают на 20–30 % больше шелка, чем коконы самок.

6.2. Облучение семян растений с целью получения новых сортов

Практически сразу же после открытия мутагенного действия ионизирующих излучений они стали использоваться для получения новых форм жи- вых организмов. Но как метод получения новых сортов, обладающих ценны-

ми хозяйственно полезными признаками, радиационный мутагенез получил наиболее широкое распространение именно в селекции растений.

Процесс получения нового сорта с применением ионизирующих излуче- ний включает два этапа: 1) использование излучения для получения макси-

мального количества мутантных форм как исходного материала для селекции; 2) 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 орга- нов, генеративных органов, вегетирующих растений, индуцирующих возник- новение максимального количества новых форм растений, и собственно мас-

сового облучения материала.

252

Советский радиобиолог Е. И. Преображенская проделала огромную рабо-

ту, обобщив собственный и имеющийся в литературе материал по радиоустойчивости семян растений 63 семейств, 262 родов, 508 видов и 218 внутри- видовых форм (подвидов, разновидностей, сортов) в книге «Радиоустойчи-

вость 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 табл. 6.1 приведены значения критических доз гаммаили рентгеновского излучений для семян некоторых видов сельскохозяйственных растений, а в табл. 6.2 – для семян не-

которых видов древесных и кустарниковых плодовых культур и лесообразующих пород [631].

Таблица 6.1. Критические дозы (ЛД70) гаммаили рентгеновского излучений для семян некоторых видов сельскохозяйственных растений [631]

Вцелом ЛД70 отражает общий уровень радиочувствительности растений

ипри подборе доз в селекционной работе можно пользоваться промежуточ-

ными значениями ЛД50 (полулетальная доза) и ЛД100 (летальная доза). Существует, однако, точка зрения, состоящая в том, что при облучении

растений редкоионизирующей радиацией, т. е. излучениями с малой плотно-

стью ионизации, к которым относятся гамма- и рентгеновские излучения,

253

Таблица 6.2. Критические дозы (ЛД70) гаммаили рентгеновского излучений для семян некоторых видов культурных и дикорастущих древесных растений [631]

наиболее часто применяемые в радиационной селекции и генетике, возраста- ние числа мутаций прямо пропорционально дозе происходит лишь до опреде-

ленного уровня. В последующем может иметь место некоторое их снижение, происходящее, по-видимому, вследствие гибели клеток, несущих кроме жиз-

неспособных мутаций также летальные аберрации хромосом. При этом клетки и, соответственно, растения, могут погибать, не реализовав потенциальных возможностей мутаций. На рисунке эта ситуация отражена вторым вариантом кривой 1.

Кроме того, возникновение многих интересных мутаций, ответственных за проявление хозяйственно полезных признаков, при облучении в больших дозах часто сопровождается стерильностью семян. Поэтому некоторые иссле-

дователи склоняются к мнению о том, что для получения наибольшего числа жизнеспособных мутаций необходимо облучать семена в дозах ниже уровня критических, которые не приводят к гибели большинства растений и не вы-

зывают значительных нарушений в их росте и развитии.

В данной ситуации весьма эффективным может оказаться прием использо-

вания противолучевых и радиосенсибилизирующих соединений, по-разному влияющих на соматическое и генетическое повреждения. В частности, радио- протекторы, оказывающие преимущественно соматическое действие, позво-

254

ляют повышать уровень переносимых доз, обеспечивая тем самым увеличе- ние выхода мутаций при сохранении жизнеспособности у достаточного коли- чества семян. Радиосенсибилизаторы, напротив, могут усиливать радиацион-

ное поражение генетического компонента.

Для целей радиационного мутагенеза применяются и другие типы иони- зирующих излучений, как, например, плотноионизирующие быстрые и тепло- вые нейтроны. Для разных видов растений относительная биологическая эф-

фективность нейтронов колеблется в пределах 3–10, хотя и может достигать 20. Считается, что нейтроны избирательно действуют на геном клетки и го-

раздо слабее затрагивают аппарат деления и цитоплазму. Во всяком случае, их эффекты в меньшей степени, чем редкоионизирующих излучений, сопро- вождаются нарушением обмена веществ, и они меньше влияют на выживае-

мость растений при одном и том же количестве индуцированных мутаций. Облучение нейтронами вызывает большее число мутаций на «единицу выжи- ваемости». Поэтому рост числа мутаций при облучении нейтронами происхо-

дит 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 чис-

ле и для нейтронного радиационного мутагенеза. Но многие специалисты считают, что им принадлежит будущее в радиационной генетике и селекции.

Говоря о мутациях под влиянием ионизирующих излучений, следует под-

черкнуть, 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, пре- доставляя им больше вариантов для отбора. Но при увеличении частоты по- явления различных типов мутаций возрастает вероятность выявления неко-

торых из них, чрезвычайно редко появляющихся в норме, что также может повышать эффективность селекционно-генетической работы. Неоднократно описывались случаи якобы возникавших при облучении или действии какихлибо других мутагенных воздействий совершенно новых мутаций. Но впо-

следствии, как правило, оказывалось, что селекционер сталкивался с такой редкой формой. Спектр мутаций – соотношение между различными их типа- ми – также не отличается от обычного. Хотя за счет выявления редких мута-

ций он может претерпевать некоторые изменения.

Без сомнения, семена представляют собой идеальный объект для облуче- ния как для целей стимуляции роста и развития растений, так и радиацион-

ной селекции. Возможность использования практически неограниченного числа особей с одинаковыми генетическими характеристиками, относитель- ная индифферентность к условиям окружающей среды, высокая технологич-

ность при облучении, способность сохранять эффект облучения в течение долгого времени, соизмеримого со временем сохранения их всхожести, при решении многих задач делают их совершенно незаменимыми.

255

Однако в последние годы все чаще появляются данные о том, что при об- лучении вегетирующих растений в различные фазы развития может происхо-

дить значительное возрастание мутагенного эффекта, при котором удается выявлять редкие мутации, представляющие интерес для селекционной рабо- ты. И в этом нет ничего удивительного, так как при прорастании семян и по- следующем развитии растений в соответствии с последовательным прохожде-

нием 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.

Исследования, проведенные в СССР, Чехословакии, Польше, США, Шве- ции и других странах, не позволяют однозначно выделить фазы развития рас-

тений, в которые наблюдается наибольшее количество мутаций. По данным одних ученых, наиболее благоприятной в этом отношении является фаза ку-

щения, других – колошения, третьих – бутонизации, четвертых – цветения. Именно при облучении в этих фазах у различных культур удавалось наблю-

дать максимальный выход различных типов мутаций.

Интересные исследования были проведены чехословацким генетиком И. Черни (1972). Он изучал влияние гамма-радиации на частоту возникнове-

ния специфической генной мутации Su при облучении отцовских растений кукурузы в различных фазах развития. В качестве материнской формы был использован сорт сахарной кукурузы, а в качестве отцовской – с крахмали- стым эндоспермом. Частота мутаций гена оценивалась по количеству крахма- листых зерен на початках материнской формы. Было установлено, что макси-

мальное количество мутаций наблюдается при облучении растений в дозе 10 Гр в фазе начала цветения – оно в 4–20 раз превышало их уровень при об-

лучении в этой же дозе в других фазах онтогенеза (табл. 6.3).

Таблица 6.3. Частота эндоспермных мутаций гена SU при гамма-облучении растений кукурузы в дозе 10 Гр в различных фазах онтогенеза

Н. Ф. Батыгин и соавт. [632], облучая растения ячменя в различных фазах развития, обнаружили максимальное количество хлорофильных мутаций при облучении в фазе выхода в трубку, а наибольшее количество морфологиче-

ских изменений – при облучении в фазе формирования соцветия.

256

По-видимому, выход мутаций определяется многими признаками и в пер-

вую очередь спецификой вида, а также типом мутаций, избранных для оценки мутабильности. Но в целом наибольшее количество новых наследуемых при-

знаков 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 суще-

ствуют 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. Дру- гие отдают предпочтение пофазному облучению растений, считая, что хрони-

ческое не дает каких-либо серьезных преимуществ, но значительно усложняет работу. Более того, ввиду высокой радиочувствительности растений на ран-

них этапах эмбриогенеза при облучении на гамма-поле может существенно возрастать стерильность растений.

Некоторые преимущества при получении новых форм растений по сравне-

нию 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 мень-

шей 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 ионизиру- ющих излучений, не осуществляя, однако, нормального оплодотворения. Бо-

лее того, пыльца и с убитым облучением ядром способна вызвать у некоторых видов растений развитие завязи. Однако такая завязь несет только материн- ские хромосомы, и, соответственно, растения, выросшие из семян, начало ко- торым дали яйцеклетки, оплодотворенные такой пыльцой, будут нести при- знаки лишь материнского растения. Все эти особенности необходимо учиты-

вать 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 излучени-

ям этих видов материала, дозы, используемые для облучения, всегда бывают более низкими, чем при облучении семян.

Работа с облученными органами вегетативного размножения предостав-

ляет определенные преимущества по сравнению с работой с облученными семенами. Так, если при облучении последних многие возникшие мутации могут элиминироваться (исключаться) в процессе редукционного деления

257

иобразования гамет, то при облучении вегетативных органов они сразу же будут закрепляться и передаваться потомству.

Иногда удается повысить выход мутантов, сочетая облучение семян и ор-

ганов 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 сельско- хозяйственной радиобиологии. Так, если к 1980 г., по данным Международно-

го агентства по атомной энергии, было получено с помощью радиационного мутагенеза и внедрено в мире 225 новых сортов культурных растений, обла- дающих более четко выраженными, чем у исходных форм, хозяйственно по- лезными признаками, то к 1985 г. их было уже 693 (табл. 6.4), а к 1990 г. превы-

сило 1000.

Первое место по получению новых сортов с помощью ионизирующих из- лучений по данным на 1985 г. занимала Индия, где по специальным програм-

мам на протяжении более двух десятилетий проводились широкомасштабные работы по выведению высокоурожайных сортов многих культур, и в первую очередь риса и пшеницы. Резкий скачок в этом направлении сделали Китай

иНидерланды. Большие работы проводились в Японии, США, СССР и мно-

Таблица 6.4. Количество сортов культурных растений, полученных с помощью метода радиационного мутагенеза в различных странах

258

гих других странах. С помощью радиационного мутагенеза к 1990 г. были по-

лучены 104 сорта риса, среди которых выведенный в Индии высокобелковый сорт СВ 24, полученный в Японии высокоурожайный сорт Рей Мей; 70 со- ртов ячменя, в том числе знаменитый неполегающий сорт Палас, получив-

ший 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 вы-

сокобелковый 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 среди сортов сельскохозяйственных культур, полученных с помощью ионизирующей радиации, широкую известность получил высокоуро-

жайный сорт пшеницы Новосибирская 67; устойчивый к полеганию сорт ячменя Обский; высокоурожайные, скороспелые, устойчивые к низким температу-

рам 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 фасо- ли Радиола 1175, Урожайная, Грузинская 6, Мутант 7; высокоурожайные и не-

полегающие 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.

6.3.Использование методов радиационной генетики

вселекции микроорганизмов

Большой производственный эффект, определивший успехи современной медицинской промышленности антибиотиков, дало применение методов ра- диационной селекции для получения новых высокоэффективных продуцен-

тов антибиотиков. В настоящее время все используемые в медицине штаммы – промышленные продуценты таких антибиотиков, как пенициллин, стрепто- мицин, ауреомицин, террамицин и др., являются результатом работ по радиа-

ционной генетике и селекции с соответствующими формами микроорганизмов. Основным фактором при получении ценных мутаций в этом случае по-

служило воздействие ионизирующих излучений, ультрафиолетового света и таких радиомиметических веществ, как этиленимин, иприт и др.

Внедрение высокопроизводительных радиационных штаммов обеспечило возможность получения антибиотиков как массовых и дешевых лекарствен-

ных препаратов. Примером может послужить производство пенициллина. За десять лет благодаря получению новых радиационных мутантов и их вне-

дрению в промышленность стоимость пенициллина снизилась в 100 раз;

259