Методы радиационной селекции
07.02.2013
В 1928 г. советские ученые-генетики Л. Н. Делоне и А.А. Сапегин обнаружили способность ионизирующих излучений вызывать мутации у растений. Мутанты-растения были получены из облученных рентгеновским излучением семян пшеницы и ячменя. Это открытие послужило началом важного и в научном, и в практическом аспектах направления - радиационной селекции, а радиационный мутагенез (появление мутаций под действием излучений высокой энергии) стал инструментом для получения многообразных форм организмов для дальнейшего селекционного отбора с целью создания сортов и пород с хозяйственно ценными признаками.
Большой вклад в развитие радиационной селекции внесли Н.П. Дубинин, В.В. Хвостова (СССР), О. Густафсон (Швеция), Н. Штуббе (Германия), Л. Стадлер (США) и др. Метод радиационной селекции получил широкое распространение в нашей стране, Швеции, США, Германии, Японии, Индии и в ряде других стран.
Мутации - это новые наследственные изменения, возникающие независимо от скрещивания и связанные с изменением ДНК-хромосом. Мутабильность - генотипическое свойство данного сорта. Например, у-облучение семян сои «Кубанская 276» приводит к появлению многочисленных мутантов, а карликовый сорт этой культуры в этих же условиях дает мало мутантов. Появление растений-мутантов в природе - явление редкое и случайное, и под влиянием облучения потоками частиц и волн высокой энергии эта вероятность возрастает приблизительно в 200 раз. Тем не менее, несмотря на повышение частоты мутаций, это явление продолжает носить вероятностный характер. Мутации возникают в связи с нарушением в структурах и скоростях обменных реакций генеративных клеток, обычно под влиянием внешнего воздействия. Мутагенное действие радиации почти не отличается от действия химических мутагенных веществ - в том и другом случаях оно имеет ненаправленный характер, и используется для того, чтобы повысить частоту мутаций и разнообразие исходного материала для последующего отбора полезных мутаций. Поэтому неправильно противопоставлять радиационный и химический мутагенез. Однако существуют и особенности каждого из этих воздействий. Ионизирующие излучения вызывают главным образом хромосомные перестройки, сопровождающиеся резким изменением строения и функций организмов. Химические мутагены вызывают преимущественно точковые (генные) мутации, влияющие на физиологические и количественные признаки. В зависимости от поставленной задачи можно использовать разные виды мутагенеза или их сочетание. Так, интенсивность мутагенеза резко возрастает при совместном применении ионизирующего излучения и химических мутагенов.
Главная цель радиационной селекции - получение большого разнообразия искусственных мутантов, что невозможно достигнуть ни в естественных условиях, ни при использовании химических мутагенов.
Для отбора мутаций должен быть заранее определен критерий в зависимости от конкретной задачи. Мутации проявляются многообразно: морфологические можно выявить визуально, другие - микроскопическими или химическими анализами.
Количество и направленность мутаций зависит от исходного сортового материала. Оказалось, что молодые и сложные гибридные сорта являются наиболее мутабельными. Это свидетельствует о связи изменчивости с условиями выращивания генетически исходного сортовою материала.
И часто в ближайших поколениях измененные формы старых сортов возвращаются к исходному сортовому типу.
При радиационном мутагенезе большая часть приобретенных признаков являются неблагоприятными. Часто в результате радиационного воздействия появляются химерные (уродливые) и угнетенные формы. Однако в результате дупликаций существует определенная вероятность появления благоприятных признаков, таких как высокая урожайность, измененный химический состав (например, повышенное содержание белка), скороспелость, устойчивость к полеганию, холоду и высокой температуре, болезням и др.
Для реализации метода радиационного мутагенеза в настоящее время используют у-, рентгеновское и нейтронное излучение. Первые два излучения являются фотонными и характеризуются небольшими значениями линейной передачи энергии (ЛПЭ). При их воздействии образуется больше восстанавливаемых повреждений хромосом. Нейтронное излучение характеризуется большими значениями ЛПЭ и вызывает более значительные повреждения хромосом, поэтому вероятность изменения генетических характеристик нейтронным потоком выше, по сравнению с фотонным. Как правило, дозы нейтронного облучения, используемые в радиационной селекции, на порядок меньше по сравнению с фотонным. В зависимости от ЛПЭ меняется и характер мутаций. Так, излучения с большими значениями ЛПЭ вызывают мутации, приводящие к появлению эректоидных форм, тогда как при помощи излучений малыми значениями ЛПЭ можно получить растения, устойчивые к заболеваниям.
Для получения растений мутантов требуются сравнительно высокие дозы излучений - от 10 до 1000 Гр (см. рис. 10.2). В зависимости от условий и конкретной задачи при радиационном мутагенезе используют различные по биологическому действию дозы излучений. Иногда применяются такие дозы, при которых гибнет 30-40% (LD30-LD40) растений - это критические дозы рентгеновского и у-излучения (см. табл. 10.3). Как правило, большее количество мутаций удается получить при сублетальных дозах, которые вызывают гибель примерно у 50 и даже 70% растений (LD50-LD70), причем их абсолютные значения зависят от вида растения, его радиорезистентности. Обычно выполняется закономерность: чем выше доза, тем большее число мутаций появляется, но при этом гибнет и больше организмов. Это объясняется особенностями действия радиации на биологические объекты, при котором в отношении числа мутаций происходят взаимно противоположные процессы. С одной стороны, активизируются вещества, способствующие возникновению мутаций, с другой - возникают ферменты репарации, снижающие их количество. При малых дозах процессы репарации успевают пройти уже во время облучения и появление мутаций маловероятно, при больших дозах, наоборот, вещества, индуцирующие изменения, превалируют над репарационными ферментами. На выход мутаций также влияет время облучения. При хроническом облучении малыми дозами растение подвергают воздействию радиации во время нескольких стадий развития, по сравнению с острым облучением, что увеличивает вероятность появления специфических мутаций, связанных с отдельными стадиями.
Критические дозы в настоящее время установлены для многих растений, они варьируют в пределах от 4000 до 2000 Гр. Существенные различия в критических дозах наблюдают между растениями одного вида, но имеющими разное число хромосом. Например, если для обыкновенной диплоидной 16-хромосомной гречихи критическая доза составляет 200 Гр, то для тетраплоидной формы она выше - 320 Гр.
Для получения мутаций облучению подвергаются семена, пыльца, проростки, различные органы растения (в том числе и репродуктивные) на разных этапах органогенеза или же целые растения (что технологически сложно), поэтому чаще используют облучение семян. Важные факторы лучевого воздействия - вид излучения, доза и ее мощность, фаза развития растений или состояние семян. При внутреннем облучении семян их замачивают в растворах радиоактивных веществ.
Мутации получают и при выращивании растений в вегетационных сосудах на питательной среде с добавлением радионуклидов. Для облучения обычно используют излучения короткоживущих радиоизотопов.
Частота мутаций и их характер в значительной степени определяются свойствами и состоянием исходного материала: видом растения, возрастом сорта, влажностью (семян) и др. При облучении семян проявление мутационного эффекта значительно связано с их влажностью. Как правило, при низкой влажности мутационное воздействие облучения усиливается. Повышение влажности увеличивает репарационные способности семян и влияние радиации уменьшается. Количество мутаций и их направленность также зависят от степени зрелости семян: при облучении незрелых семян количество изменений в несколько раз выше по сравнению со зрелыми, причем и характер мутаций в этом случае также может быть иным.
Варьированием факторов внешней среды можно модифицировать генетический эффект мутаций, вызванных ионизирующими излучениями. Среди таких факторов температура, условия питания растений, климатические условия, длина дня, срок посева. Усиления измененных признаков можно добиться резкой сменой условий произрастания модифицированного сорта, например выращиванием его в других климатических условиях, отличающихся от условий выращивания исходного сорта.
Условия облучения также могут в значительной степени изменять радиомутагенные эффекты. С практической точки зрения очень важно подобрать такие условия облучения и выращивания растений, при которых число мутаций было бы наибольшим. Так, при облучении семян повреждающее действие излучений с низкой ЛПЭ усиливается при наличии кислорода (кислородный эффект). Хранение семян, облученных фотонным излучением, приводит к возрастанию поражающего действия, и выживаемость снижается. Излучения с высокими значениями ЛПЭ характеризуются более непосредственным действием, тогда как косвенное действие - влияние внешних условий - проявляется в меньшей степени во время облучения и после него. Поэтому длительное хранение семян, облученных быстрыми нейтронами, почти не увеличивает повреждений.
