Радиочувствительность растений

Жизнь на земле зарождалась, развивалась и продолжает развиваться в радиационной среде. Естественный отбор в растительном мире сопровождался совершенствованием микро- и макроструктур, изменением генома и радиочувствительности. Высокая радиоустойчивость часто связана с высокой общей устойчивостью растений к неблагоприятным условиям внешней среды, потому что приспособление видов к различным условиям могли совпадать с повышенной радиоустойчивостью. Причины и механизмы естественной радиочувствительности растений к настоящему времени не раскрыты, однако многие аспекты хорошо изучены.

На радиочувствительность растений оказывают влияние следующие факторы, которые разделяются на три группы.

Первая группа – факторы, связанные с филогенезом, которые нельзя изменить (семейство, класс, вид, морфология, плоидность, объем ядра, объем хромосом и др.).Четкой связи между филогенезом и радиоустойчивостью у растений не выявлено, однако, у семян эта связь четкая, она проявляется даже в пределах вида. Известно, что голосеменные растения более радиочувствительны, чем покрытосеменные. Папоротники и мхи превышают радиоустойчивость цветковых растений. Радиочувствительность различается по семействам, видам, родам и сортам. Среди цветковых растений к радиочувствительным относят растения семейств магнолиевоцветных, лавроцветных, лилейноцветных, ирисовых, камнеломковых и бобовых, а к радиоустойчивым – растения семейств крапивных, крестоцветных, гераниевых, гвоздикоцветных. Выделяют также среднерадиочувствительные растения (семейства гречихоцветных, миртовых, макоцветных) и полиморфные (семейства мятликовых, астроцветных и норичноковых). Установлено, что критические дозы облучения семян на порядок выше, чем вегетирующих растений. Растения сельскохозяйственных культур по радиочувствительности различаются в 2–10 раз, видовое различие составляет 1,5–15 раз, сортовое различие – 1,5–3 раза. Среди сельскохозяйственных культур выявлены высокорадиочувствительные культуры, для которых полулетальная доза (ЛД₅₀) составляет 10–40 Гр. В семействе злаковых к таким культурам относят ячмень, рожь, овес, пшеницу, кукурузу, а в семействе бобовых – горох, вику и фасоль. К высокорадиоустойчивым культурам относят рапс, кормовую, сахарную и столовую свеклу, морковь и капусту (ЛД₅₀ = 200…250 Гр), а также картофель и лен (ЛД₅₀ = 100…150 Гр). Другие культуры занимают промежуточное положение. У гибридов пшеницы, ячменя, кукурузы и шпината выявлена повышенная радиоустойчивость по сравнению с родительскими формами. С увеличением размера хромосом и количества ДНК возрастает радиочувствительность. Связь радиочувствительности с плоидностью не всегда носит прямую зависимость. У природных полиплоидных родов зависимости нет, в то же время иногда наблюдается обратная связь. У культурных растений, таких, как пшеница, сорго, кукуруза и горчица, установлено, что чем больше плоидность, тем выше радиочувствительность.

Вторая группа – факторы, характеризующие состояние клетки и генома (этап онтогенеза, наличие естественных радиопротекторов, антиоксидантов и способность клеток к репарации). Установлено, что радиочувствительность клеток зависит от фазы клеточного цикла, содержания в клетках воды, степени защищенности ДНК белками, наличия естественных радиопротекторов, концентрации кислорода и способности клеток к репарации и регенерации, т. е. к восстановлению и самообновлению. Самая низкая радиоустойчивость отмечается при прорастании семян, а также при переходе растений от вегетативного состояния к генеративному и в гаметогенезе.

Третья группа – факторы внешней среды и условия облучения (температура, свет, влажность, условия питания, методы и способы облучения растений). Максимальное поражение растений наблюдается при облучении альфа- и бета-излучением, а также при фракционировании дозы облучения. При облучении растений при оптимальной температуре (18–20 ^оС) радиоустойчивость понижается. Повышение и понижение температуры способствует повышению радиоустойчивости растений, потому что замедляется деление меристемных клеток. На радиочувствительность также оказывают влияние до- и пострадиационные условия: улучшенное минеральное питание, повышенная освещенность и влажность. Наличие кислорода также способствует повышению радиочувствительности. Особое влияние на радиочувствительность оказывают эколого-географические факторы. Популяции растений с широким ареалом распространения более радиоустойчивы, чем популяции с узким ареалом распространения. Радиочувствительны редкие и исчезающие виды растений.

Для количественной оценки радиочувствительности чаще используют летальную дозу (Л₁₀₀), полулетальную дозу (ЛД₅₀) и критическую дозу (ЛД₇₀). Летальная доза – это доза, при облучении которой погибает 100 % растений. Полулетальная доза – это доза, при облучении которой погибает 50 % растений. Критическая доза – это доза, при облучении которой погибает 70 % растений. У большинства сельскохозяйственных культур величина доз, вызывающих гибель 50 и 70 % растений, приводит к полной потере продуктивности. Поэтому при облучении растений используют дозу, вызывающую снижение урожайности на 50 % (УД₅₀). Разница между ЛД₅₀ и УД₅₀ для одного и того же вида растений может составлять 10–30 раз и более. В зависимости от цели исследования применяют также дозы УД₁₀ и УД₃₀.

Лучевое поражение растений зависит от дозы облучения и проявляется в виде замедления роста и развития, нарушений репродуктивной системы, снижения урожайности и гибели растений. Радиобиологические эффекты растений в зависимости от величины дозы приведены в табл. 4.

Т а б л и ц а 4. Радиобиологические эффекты растений в зависимости