Реакция образцов озимого ячменя на обработку семян химическими мутагенами

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

В природе создается огромное разнообразие признаков в системах живых организмов благодаря возникновению мутаций. Спонтанно возникающая изменчивость представляет богатый материал для действия естественного отбора в процессе эволюции. Его можно эффективно использовать, создавая с помощью искусственного отбора новые, обладающие набором хозяйственно-ценных признаков сорта растений, породы животных, штаммы микроорганизмов [7].

Приспособленность растений к новым условиям среды достигается за счет модификационной и генотипической изменчивости. С помощью модификационной изменчивости растения приспосабливаются к наиболее значимым в процессе их индивидуального развития условиям среды. Генотипическая гибкость популяции и отбор обеспечивают приспособление к долговременным изменениям факторов внешней среды [2, 10].

Использование ионизирующего излучения, ультрафиолетовых лучей, многих химические соединений позволяет значительно повысить частоту мутирования генов, генотипическую и фенотипическую изменчивость признаков, достичь резкого повышения эффективности искусственного отбора и интенсивности селекционного процесса [1, 14].

Традиционный метод химического мутагенеза позволяет в относительно короткие сроки получить организмы с новыми признаками и свойствами [6]. Развитие мутационной селекции может быть связано с применением известных химических супермутагенов (N-нитрозометилмочевина, N-нитрозоэтилмочевина, этиленимин), а также с открытием новых высокоактивных веществ [5]. Мутагенным эффектом также обладают алкилирующие агенты, азотистая кислота, оксид азот, аналоги азотистых оснований и родственные им соединения, антибиотики, интеркалирующие агенты, топоизомеразы ядов [11].

В настоящей работе впервые исследована специфичность мутагенного эффекта некоторых химических мутагенов на сорте Ардак озимого ячменя на изменчивость популяционных и индивидуальных признаков. Нашей целью было изучение влияния карболита и N-нитрозометилмочевины в разной концентрации на агробиологические признаки озимого ячменя.

Научная новизна проведенных исследований заключается в исследовании влияния карболита и N-нмм в разной концентрации на агробиологические признаки озимого ячменя, также на содержание в зернах ячменя общего количества азота и белков ранее неиспользованных или мало изученных дозах.

Материал и методы исследования

Объектом исследования служили семена ячменя сорта Ардак. Этот выбор связан с тем, что среди представителей высших растений одним их перспективных объектов для изучения мутагенности факторов окружающей среды можно считать ячмень. При работе с ячменем для определения степени мутагенности можно использовать структурные мутации хромосом, генные мутации.

В качестве мутагенных факторов применялись соединения карболита, N-нитрозометил мочевина. Карболит использован в концентрации 2н, семена обрабатывались раствором карболита в течении 6, 12, 18 и 24 часов. Его основу составляют различные типы феноло-формальдегидных смол. По механизму действия N-нитрозометил мочевина относится к алкилирующим агентам. В настоящих исследованиях его использовали в концентрациях 0,012% и 0,025%. Семена обрабатывались водными растворами мутагена в течение трех часов.

Семена ячменя обрабатывали водными растворами мутагена, затем промывали в проточной воде при температуре 22 °С в течении 30 мин. Контрольные семена замачивались в воде. После обработки семена высушивались на фильтровальной бумаге и через 10 дней высевали в почву. В каждом варианте по 250 семян. Через две недели подсчитывались всхожесть семян.

В дальнейшем проводились измерения линейных параметров растений через каждые 10 дней. После сбора урожая растения анализировались по морфологическим изменениям и подсчитывался общий процент измененных растений. Кроме того, изучался признак — вес 1000 зерен. Семена первого поколения на следующий год были высеяны в почву по вариантам обработки (250 штук). Растения второго поколения анализировались также, как и растения М 1 .

Следующим этапом работы было проведение биохимического анализа семян для определения общего количества азота и белка по вариантам обработки.

Определение общего азота и белка. Для определения общего азота использовался микрометод Кьелдаля [12]. Этот метод довольно продолжителен, но отличается от других наибольшей точностью и его принимают за стандарт. Общий азот по методу Кьелдаля представляет из себя сумму содержаний в пробе органического азота, аммиака (NH3) и аммония (NH4+). количество белка вычисляют путем умножения найденного количества азота на соответствующий коэффициент, который вычисляют исходя из содержания азота в белке. Общепринятый коэффициент для злаковых 5,7 что соответствует 17,5%. Общее количество азота в семенах составляет 1,5–3,5%.

Обсуждение полученных результатов

В течение всего вегетационного периода проводились измерения линейных параметров растений через каждые 10 дней, наблюдения за морфологическими изменениями и после уборки урожая подсчитывался общий процент измененных растений. Кроме того, изучался признак — вес 1000 зерен.

Действие карболита на ячмень в течение 6, 12 и 18 часов в первом поколении М 1 дает наибольшее число морфофизиологических изменений типа спельтоидов и стерильных растений. А во втором поколении установлено, что при действии карболита на ячмень количество этих изменений снижается.

В контрольном варианте обнаружено повышение количества стерильных растений, что объясняется тем, что в семенах, необработанных мутагеном, число естественных мутаций увеличивается по мере хранения семян [2].

Полученные данные в течение всего вегетационного периода (68,73 — 0,025%; 64,52 — 0,02%) свидетельствуют о высокой активности N-нмм, что в свою очередь способствует появлению большого количества выделяемых морфологических изменений. Стоит отметить, что N-нмм при концентрации 0,025% наиболее эффективен, чем N-нмм при концентрации 0,012%. Среди всех типов изменений значительное место занимают искривленные и укорененные формы, что свидетельствует об угнетающем действии N-нмм к ячменю. В первом поколении большое количество растений ячменя стерильны, наличие стерильности при высокой всхожести также отмечены в работах Б. Шарма и других. Во втором поколении растений среди различных форм полученных изменений главное место занимают спельтоиды, также появились трехрядные и формы с курчавостью остей.

По результатам биохимических исследований выявлено, что содержание общего азота в первом поколении ячменя увеличилось в опыте с 6-часовой экспозицией (14,99 — 0,01%) по сравнению с контрольными (13,45 — 0,01%) и в опыте с 18 часовой экспозицией (14,08 — 0,025%).

Уменьшение количества общего азота в первом поколении по отношению к контролю составила в опыте с 12-часовой экспозицией (12,83 — 0,02%). Во втором поколении количество общего азота понижается во всех 4-х вариантах опыта по отношению к контролю.

В первом поколении увеличение содержания белка отмечается при обработке ячменя карболитом в течение 6 часов (14,65 — 0,03%) по отношению к контролю (13,17 — 0,01%).

Уменьшение количества белка произошло при обработке карболитом в течение 12 часов (12,48 — 0,01%) по отношению к контролю. Во втором поколении (М2) содержание белков уменьшается при обработке ячменя в течение 12 часов (12,75 — 0,01%) по отношению к контролю (14,23 — 0,02%). В остальных после обработки ячменя опытах данные согласуются с контрольными данными.

После обработки ячменя N-нмм 0,025% раствором в первом поколении наблюдается увеличение содержания общего количества азота на (13,05 — 0,05%) по отношению к контролю (12,52 — 0,05%) и белка (11,39 — 0,09%) по отношению к контролю (11,00 — 0,09%).

Следует отметить, что концентрации N-нмм 0,012% эффективнее чем концентрация 0,025%. Так при концентрации 0,012% N-нмм составляет увеличение общего содержания азота на (13,46 — 0,04%) и белка на (12,80 — 0,10%).

Результаты анализа показывают, что в М 2 общее количество азота превышает контрольные растений на 1,13–1,29% и белка больше на 1,84–2,89%.

Таким образом, N-нмм индуцировала положительную биохимическую мутацию — повышенное содержание протеина в зерне ячменя, которая во втором поколении проявилась с большей силой.

У многих мутагенов из класса алкилирующих соединений высокая генетическая активность совмещается с высокой канцерогенностью, а для ряда мутагенов характерна и канцеролитическая активность [1, 7]. Сущность мутагенного действия алкилирующих соединений, в том числе нитрозодиметилмочевины, связана с тем, что они при реакциях метилирования, этилирования и т. д. являются источником введения в молекулы ДНК таких радикалов, как метил (СН 3 ), этил (С 2 Н 5 ), пропил (С 3 Н 7 ) и других [13].

При применении мутагенных факторов возможно нарушение отдельных отрицательных корреляций, существующих между содержанием белка и его аминокислотным составом, между размером семян и содержанием белка, между продуктивностью и белковостью зерна. Под действием химических мутагенов у пшеницы получено большое разнообразие макромутаций: хлорофильные мутации, морфологические мутации листьев – спиральная скрученность листовой пластинки [8], мутации по срокам созревания и устойчивости к заболеваниям [4].

Выводы

Карболит в концентрации 2н 6 и 18-часовых экспозициях стимулирует содержание общего азота и белка в первом поколении в зернах ячменя сорта Ардак. Он оказывает подавляющее воздействие на биохимические процессы семян ячменя во втором поколении. При этом карболит подавляет развитие ячменя и вызывает появление большого количества спельтоидных и стерильных растений. Но в то же время следует подчеркнуть, что большое количество спельтоидов и стерильных растений в обработанных карболитом вариантах уменьшается во втором поколении.

N-нмм в концентрациях 0,012% и 0,025% способствуют увеличению содержания общего азота и белка в зернах ячменя. Повышенное содержание количества азота и белка в обработанном N-нмм варианте сохраняется и во втором поколении. Следует отметить, что N-нмм в концентрации 0.012% эффективнее для данного сорта чем при концентрации 0,025%. Также N-нмм угнетает развитие ячменя и вызывает появление большого количества морфологических изменений. При сравнительном изучении действия мутагенов N-нмм и карболита на содержание общего количества азота и белка выяснено, что N-нмм способствует увеличению количества азота и белка, а карболит понижает.