Селекция растений на устойчивость к загрязнителям окружающей среды
Современные живые организмы и среда их обитания находятся под постоянным антропогенным давлением. Это давление многолико и разнообразно. Но общим для него является уменьшение биологического разнообразия, изменение хода эволюции, генетическая эрозия и, как следствие, падение качества жизни самого человека.
Среди множества факторов, негативно влияющих на популяции, биоценозы и биоту в целом, следует назвать так называемые тАЬзагрязнителитАЭ окружающей среды. Хотя в атмосфере обнаружено свыше трех тысяч посторонних химических веществ, основными компонентами загрязнения являются озон, сернистый газ, окись углерода, окислы азота, углеводороды и другие соединения, основными источниками которых являются ГРЭС и ТЭЦ, транспорт, пестициды и удобрения. Токсическим действием обладают также тяжелые металлы. Подсчитано, что количество отходов, загрязняющих среду обитания, ежегодно увеличивается в среднем на 4%.
Особое место в загрязнении окружающей среды занимает радиоактивное загрязнение. В наше время радиация стала вездесущей, всепроникающей и в каком-то смысле бесконечной. По образному выражению одного из исследователей радиоактивности, тАЬмы купаемся в море радиации, носим её в себетАЭ (цит. по Булатову, 1996). Поражающим действием обладают не только высокие дозы радиации, но, как показали независимые исследования профессора Гофмана (1994), малые дозы (до 20 Гр) также способны вызывать различные заболевания у человека, в том числе и рак.
Источников радиоактивного загрязнения много, но главные из них добыча и обогащение урана;
Действие загрязнителей на живые организмы ощущается на разных уровнях. Повышенные фоны загрязнения могут действовать на отдельные организмы, их органы и ткани, на клетки и отдельные внутриклеточные структуры, а также на более высокие уровни организации живых систем тАУ популяции и сообщества.
В многочисленных исследованиях показано, что загрязнение воздуха оказывает значительное влияние на рост и развитие разных видов растений. Общим эффектом этого действия является снижение продуктивности растений. Так, например, загрязнение воздуха окислителями на восточном побережье США снизило урожайность картофеля на 50% (Marx, 1975). Токсичность озона проявляется в появлении хлоротических пятен и опадении листьев. Нередко на корнях поврежденных растений наблюдается образование колоний грибов в количествах больших, чем у здоровых растений. Озон и другие загрязнители ингибируют функциональную активность митохондрий и увеличивают проницаемость клеточных мембран. Под действием озона эпидермальные клетки лопаются, теряют протоплазму и разрушаются. Озон окисляет сульфогидрильные группы многих биологически активных соединений, участвующих в энергетических процессах организмов.
Установлено, что устойчивость растений табака и лука к повреждающему действию озона контролируется доминантными генами, которые регулируют чувствительность мембран устьичных замыкающих клеток к озону.
В.П.Бессонова (1992) исследовала влияние загрязнения среды тяжелыми металлами на древесные и кустарниковые растения. Она показала, что в условиях загрязнения наблюдаются различные нарушения в мейозе и, как следствие, образование стерильной пыльцы. В наших исследованиях установлено, что тяжелые металлы в количествах, превышающих ПДК (предельно допустимые концентрации), затормаживают рост картофеля, этиолируют его листья, изменяют гелиотропизм. В то же время присутствие в питательной среде таких элементов, как кадмий и свинец в концентрациях, равных ПДК, стимулировало рост растений на 10тАУ20% в сравнении с контролем.
О действии радиации на живые организмы имеется огромная литература, так как изучение этого вопроса началось еще в начале ХХ столетия. Общебиологическое действие радиации в зависимости от дозы облучения может выражаться в стимуляции, угнетении и летальном эффекте. Ионизирующие излучения могут вызывать различные уродства на ранних стадиях развития организма. В стадии гаметогенеза тАУ нарушения этого процесса, ведущие к стерильности. Радиация также действует на метаболизм растений и животных, затрагивая самые различные функции организмов. Так, например, при изучении реакции растений житняка гребенчатого (Agropyron cristatum) на различные дозы облучения нами установлено более высокое, чем в контрольных растениях, содержание сахаров, аскорбиновой кислоты, хлорофиллов тАЬатАЭ и тАЬвтАЭ. Действуя на физическую и химическую структуру хромосом, радиация вызывает наследственные изменения тАУ мутации.
Многочисленные исследования показали, что эффекты радиоактивного облучения в значительной степени зависят от радиочувствительности организмов, от вида радиации и от режима облучения, т.е. от распределения дозы во времени или от ее мощности. Е.И.Преображенская (1971) изучила радиочувствительность у 700 видов и сортов растений и разделила их по этому свойству на три больших группы: радиочувствительные, выдерживающие дозы облучения от 150 до 250 Гр, среднечувствительные тАУ 250тАУ1000 Гр и радиоустойчивые тАУ более 1000 Гр. По современным представлениям радиоустойчивость-радиочувствительность определяется следующими основными факторами: а) объем и структурная организация генома; б) активность природных защитных и сенсибилизирующих систем; в) уровень активности ферментов репарации; г) гетерогенность клеток и возможность репопуляции (Кузин, Каушанский, 1981).
Наиболее важной особенностью всех загрязнителей окружающей среды является их способность вызывать наследственные изменения тАУ мутации. Для иллюстрации приведем лишь один пример из множества экспериментальных данных, полученных к настоящему времени. При оценке последствий воздействия ядерных испытаний и других антропогенных загрязнений было проведено сравнительное изучение популяций дикорастущих и культурных растений из чистых (контрольных) и подвергшихся радиоактивному загрязнению районов Алтайского края. При этом была установлена более высокая частота клеток с перестройками хромосом у гороха, житняка, гречихи, собранных в загрязненных районах, по сравнению с частотой перестроек у тех же видов, взятых из контрольных районов. Кроме того, методом электрофореза в полиакриламидном геле установлен широкий полиморфизм по спектру запасного белка семян дикорастущих популяций житняка гребенчатого (Agropyron cristatum). При этом выявлено, что число вариантов запасного белка в популяциях из контрольных районов оказалось существенно ниже, чем в популяциях из загрязненных районов. Эти данные указывают на повышенный уровень мутационного процесса в растительных популяциях загрязненных районов (Шумный и др., 1993).
При рассмотрении эффектов действия загрязнителей, и в первую очередь действия радиации на природные популяции, выявляется сложное взаимодействие повышенного уровня мутирования и отбора, направленного на элиминацию вновь индуцированных мутаций, которые, как правило, понижают жизнеспособность. Однако действие отбора неоднозначно. Он направлен не только на элиминацию полулетальных и летальных мутаций, но и на поддержание мутаций, повышающих жизнеспособность и резистентность организмов к мутагенному фактору. Возникновение и отбор таких мутаций ведет к глубоким изменениям популяций, подвергнутых воздействию загрязнителей.
В естественных условиях обитания растительные организмы представлены преимущественно в виде более или менее сложных сообществ (фитоценозов), в которых все составляющие тесно связаны друг с другом и с компонентами внешней среды. Общим биологическим эффектом загрязнителей среды является снижение биомассы фитоценоза и обеднение его видового состава.
Краткий экскурс в проблему загрязнителей окружающей среды приводит нас к убеждению в том, что они являются не только факторами, ингибирующими жизнеспособность живых организмов, но и мощными факторами процесса формообразования. Они могут изменять направление и темпы формирования естественных популяций и культигенов, вплоть до биоценозов. К настоящему времени накопилось достаточно данных, свидетельствующих о том, что виды и популяции включают в свою структуру как устойчивые особи, так и восприимчивые к различным загрязняющим факторам. При этом наблюдается значительное варьирование по этому признаку. По данным Brennan, Hаlisky (1970), изучивших устойчивость некоторых травянистых растений к озону и двуокиси серы, полевица и однолетний мятлик оказались наименее устойчивыми, свинорой был наиболее устойчив, а многолетний райграс и овсяница красная имели промежуточную реакцию.
Анализ литературных данных показывает, что имеются существенные различия между видами растений по их способности концентрировать радионуклиды. При прочих равных условиях наиболее эффективными накопителями стронция-90 являются зернобобовые (горох, люпин) и бобовые травы, затем корнеплоды; в меньшей степени радионуклиды накапливают зерновые (овес, пшеница) и кормовые злаки (Федоров и др., 1989).
Проведенный нами полевой и лабораторный анализ различных видов дикорастущих растений позволил установить наличие внутривидового полиморфизма по способности концентрировать стронций-90. Было установлено, что популяции состоят из растений, эффективно и не эффективно концентрирующих этот радионуклид, причем первые концентрируют в 2тАУ37 раз больше, чем вторые. Доля растений с высокой концентрирующей способностью может достигать 10%.
Все это наталкивает на мысль о необходимости и возможности селекции на устойчивость к загрязняющим факторам среды. С другой стороны, способность некоторых форм концентрировать большие количества загрязнителей, и в первую очередь радионуклиды, порождает надежду на возможность создания форм растений-очистителей среды от активных изотопов, тяжелых металлов и других загрязнителей. Это предположение имеет под собой теоретическое обоснование. В.И.Вернадский (1940) указывал, что химический состав организмов может быть таким же видовым признаком, как и их морфологические особенности, и различал виды организмов, богатые данным элементом, и обычные. Иными словами, способность концентрировать различные элементы в больших количествах детерминирована генетической системой вида, популяции и отдельных особей и, следовательно, они могут быть подвергнуты искусственному отбору.
На сегодняшний день становится актуальной задача изучения генетики признаков устойчивости к загрязняющим факторам среды, поиска и сохранения геноисточников устойчивости и создания сортов, резистентных к высоким концентрациям тАЬзагрязнителейтАЭ, а также сортов, способных абсорбировать в больших количествах токсические вещества.
Автор не оригинален в постановке обсуждаемой задачи. Она была рассмотрена в книге А.А.Жученко (1980) тАЬЭкологическая генетика культурных растенийтАЭ, но вопрос стал настолько злободневным (незагрязненные пространства уменьшаются с каждым днем, подобно тАЬшагреневой кожетАЭ), что к нему приходится обращаться неоднократно.
Список литературы.
- Бессонова В.П. // Экология. тАУ1992. тАУ № 4. тАУ С. 45тАУ 50.
- Булатов В.И. Россия радиоактивная. тАУ Новосибирск: ЦЭРИС, 1996. тАУ 267 с.
- Вернадский В.И. Биогеохимические очерки. тАУ М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1940. тАУ 387 с.
- Гофман Дж. Рак, вызываемый облучением в малых дозах. тАУ М: Социально-экологический союз, 1994. тАУ 354 с.
- Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений. тАУ Штиинца, 1980. тАУ 587 с.
- Кузин А.М., Каушанский Д.А. Прикладная радиобиология. тАУ М: Энергоиздат, 1981.
- Преображенская Е.И. Радиоустойчивость семян растений. тАУ М: Атомиздат, 1971. тАУ C. 456.
- Федоров Е.А. и др. // Экология. тАУ 1989. тАУ № 5. тАУ С. 79тАУ83.
- Шумный В.К. и др. Генетические эффекты антропогенных факторов среды. тАУ 1993.
Вместе с этим смотрят:
Селекция ячменя пивоваренного направленияСельскохозяйственные машиныСеялки и сажалки для пропашных культур. Свекловичные сеялкиСигары