Сравнительная оценка характера воздействия ультрафиолетового излучения на семена арбуза во временном режиме

Автор: Гулин Александр Владимирович, Донская Вера Ивановна

Журнал: Овощи России @vegetables

Рубрика: Общее земледелие

Статья в выпуске: 6 (50), 2019 года.

Бесплатный доступ

Актуальность. Одной из главных составляющих спектра солнечного света являются ультрафиолетовые лучи - невидимое для человеческого глаза коротковолновое излучение. До недавнего времени влияние этих лучей на жизнь растений считалось незначительным, но последние исследования показали ошибочность подобных заключений. Ультрафиолетовое излучение оказывает полезное воздействие не только на организм человека и животных, но и на растения. В настоящее время продолжается разрушение озонового слоя под действием антропогенного фактора. В этой связи изучение влияния ультрафиолетовой радиации на живые организмы, в том числе и растительные, является весьма актуальным как с теоретической, так и с практической точек зрения. Эпидермис листьев растений и оболочки семян проницаемы для средне-и длинноволнового Уф-излучения, поэтому особый интерес представляет ультрафиолетовое излучение Солнца и искусственных источников ультрафиолетового излучения в диапазоне 400...180 нм. Цель работы: провести оценку характера воздействия ультрафиолетового излучения во временном режиме на семена арбуза с применением цитогенетического анализа.нового поколения...

Еще

Ультрафиолетовое излучение, стресс, митотический цикл, хромосомные аберрации, цитотомия, пикноз, повреждение тканей, кросс-устойчивость, кросс-адаптация, полиплоидия

Короткий адрес: https://sciup.org/140245806

IDR: 140245806   |   DOI: 10.18619/2072-9146-2019-6-155-158

Текст научной статьи Сравнительная оценка характера воздействия ультрафиолетового излучения на семена арбуза во временном режиме

2019;(6):155-158.

Одной из главных составляющих спектра солнечного света являются ультрафиолетовые лучи – невидимое для человеческого глаза коротковолновое излучение. До недавнего времени влияние этих лучей на жизнь растений считалось незначительным, но последние исследования показали ошибочность подобных заключений. Ультрафиолетовое излучение оказывает полезное воздействие не только на организм человека и животных, способствуя вырабатыванию витамина D, но и на растения, в том числе – сельскохозяйственные культуры [4].

Ультрафиолетовое излучение принято разделять на три составные части, различающиеся по длине волны. Наиболее коротковолновые лучи оказывают губительное действие на растения. Даже в небольших дозах они вызывают разрушение белка в клетках листьев, с последующим их отмиранием. К счастью для живых организмов на Земле, данная часть солнечной радиации до поверхности планеты практически не доходит, на его пути непреодолимым препятствием встает озоновый слой атмосферы. Лучи средней длины волны, составляющие 10-12% от общего ультрафиолетового спектра, проявляют полезное воздействие на растения. Но их воздействие более выражено в гористой местности планеты. Длинноволновое ультрафиолетовое излучение представляет наибольший интерес для аграриев, оно составляет около 20% от общего количества ультрафиолетовых лучей и оказывает наибольшее воздействие на флору планеты. Такое излучение легко проникает сквозь защитный покров листьев и оказывает активное влияние на жизненный цикл растений, усиливает интенсивность фотосинтетических процессов, способствует выработке хлорофилла и накоплению витаминов. Фотохимические реакции под действием ультрафиолетовых лучей проходят максимально интенсивно. Энергия фотонов ультрафиолетового света довольно таки велика, а при их поглощении молекула ионизируется и распадается на части. Периодически фотон выбивает электрон за пределы атома. Чаще всего происходит возбуждение атомов и молекул [1].

Благодаря прикреплённому образу жизни растения часто подвергаются стрессовым воздействиям. Это требует комплексной и высокоупорядоченной системы ответных реакций на такие факторы как избыточная или недостаточная освещённость, жара, холод, гипоксия, засуха, повреждения.

Растения способны очень быстро реагировать на сигналы, поступающие из окружающей среды, и, адаптируясь к ним, корректировать программу своего развития.

Растения очень часто подвергаются стрессовым воздействиям в естественных условиях. Некоторые стрессовые факторы, например, высокая или низкая температура воздуха, могут действовать в течение нескольких часов, другие -оказывают на растение неблагоприятное влияние в течение нескольких дней, недель, или месяцев. Именно устойчивость к неблагоприятным условиям среды определяет границы ареалы и характер распределения различных видов растений по климатическим зонам [3].

В настоящее время продолжается разрушение озонового слоя под действием антропогенного фактора. В этой связи изучение влияния ультрафиолетовой радиации на живые организмы, в том числе и растительные, является весьма актуальным как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Эпидермис листьев растений и оболочки семян проницаемы для средне- и длинноволнового УФ-излучения [2], поэтому для нас представляют интерес ультрафиолетовое излучение Солнца и искусственных источников ультрафиолетового излучения в диапазоне 400...180 нм. Для проведения опыта мы использовали прямую ртутно-кварцевую лампу ПРК (ДРТ—дуговые ртутно-кварцевые лампы), которая является мощным источником излучения в ультрафиолетовых областях А, В, С и видимой части спектра.

Цель работы: провести оценку характера воздействия ультрафиолета во временном режиме на семена арбуза с применением цитогенетического анализа.

Научная новизна: впервые проведена оценка воздействия ультрафиолета на семенной материал арбуза с целью получения полиплоидных форм для их дальнейшего использования в селекции и семеноводстве.

Материалы и методы: материалом для исследований были семена сорта арбуза Астраханский. Исследования проводили в 2017-2018 годах согласно учебно-методических пособий: «Цитогенетические и молекулярно-биологические методы анализа растений», 2014 [6].

Схема опыта:

Вариант 1 (контроль) – без облучения.

Вариант 2 –УФ-облучение в течение 0,5 часа.

Вариант 3 –УФ-облучение в течение 1 часа.

Вариант 4 –УФ-облучение в течение 2 часов.

Вариант 5 –УФ-облучение в течение 3 часов.

Таблица 1. Влияние ультрафиолетового излучения на энергию прорастания семян Table 1. Effect of ultraviolet radiation on seed germination energy

Варианты

Дата облучения и посева

Дата появления проростков

Число дней от посева семян до массовых всходов

Вариант 1 (контроль)

21.02

28.02

7

Вариант 2

21.02

25.02

4

Вариант 3

21.02

25.02

4

Вариант 4

21.02

02.03

9

Вариант 5

21.02

05.03

12

Таблица 2. Число проросших семян после облучения ультрафиолетом (из расчёта 30 штук по каждому варианту), средние данные за 2017-2018 годы Table 2. The number of germinated seeds after irradiation with ultraviolet light (at the rate of 30 pieces for each option), the average data for 2017-2018.

Варианты

Обработка

Учёт (25.02-02.03)

Учёт (02.03-10.03)

Учёт (10.03-17.03)

Учёт (17.03-25.03)

Соотношение от общего количества, %

Вариант 1 (контроль)

21.02

7

30

30

30

100

Вариант 2

21.02

10

25

27

30

100

Вариант 3

21.02

11

20

25

27

97

Вариант 4

21.02

1

12

15

23

80

Вариант 5

21.02

0

5

12

19

65

Таблица 3. Нарушения в клетках зародышей, % (средние данные за 2017-2018 годы) Table 3. Disorders in embryonic cells, % (average data for 2017-2018)

Варианты

Нарушение метафазы

Нарушение анафазы

Наличие хромосомных аберраций

Нарушение цитотомии

Атипические митозы

Пикноз

Вариант 1 (контроль)

-

-

-

-

-

-

Вариант 2

0

0

0

0

0

0

Вариант 3

0

10

5

2

5

5

Вариант 4

12

15

20

10

20

20

Вариант 5

20

30

40

25

37

37

Результаты исследований

В первую очередь при проведении исследований была проведена оценка влияния ультрафиолетового воздействия на посевные качества семян (табл. 1).

По данным таблицы 1 видно, что ультрафиолетовое облучение не оказало существенного негативного влияния на энергию прорастания семян. При небольшом временном воздействии – 0,5-1 часа ультрафиолетовые лучи оказали даже стимулирующий эффект на биологические и физиологические процессы зародышей и проростки появились раньше контроля на 3 дня.

Это, несомненно, подтверждает явление гормезиса. Более длительное воздействие затормозило всхожесть, что видимо, связано с перенесённым стрессом после облучения. Однако зародыши в семенах восстановились, и их клетки смогли синхронизировать митоз.

Помимо этого, проведен подсчёт соотношения проросших семян к семенам, которые по каким-либо причинам не взошли (табл. 2). По данным таблицы можно сделать вывод, что существенное влияние на прорастание семян ультрафиолетовое излучение оказало в вариантах 4 и 5, что, конечно же, подтверждает его пагубное влияние при длительном воздействии.

Самая чувствительная к действию ультрафиолетовых лучей функция клетки – это деление. Облучение в дозе 10(19) Дж/м2 вызывает остановку деления около 90% клеток, но рост и жизнедеятельность клеток при этом не прекращаются. Со временем восстанавливается их деление. Чтобы вызвать гибель 90% клеток, подавление синтеза нуклеиновых кислот и белков, образование мутаций, необходимо довести дозу облучения до 10(-18) Дж/м2. Ультрафиолетовые лучи вызывают в нуклеиновых кислотах изменения, которые влияют на рост, деление, наследствен- ность клеток, т.е. на основные проявления жизнедеятельности [5]. Поэтому для выявления каких-либо изменений мы провели цитогенетический анализ не проросших семян и корешков зародышей семян, которые проросли (табл. 3).

При детальном анализе нами была обнаружена интерфазная или репродуктивная гибель клеток зародыша, которые мы связываем непосредственно с атипическим течением митоза при делении клеток. Атипические митозы возникали при повреждении митотического аппарата и чаще всего характеризовались пикнозами и неравномерным распределением генетического материала между клетками – анеу-плоидией. Во многих случаях цитотомия отсутствовала, в результате чего формировались клетки большего размера. Также причинами нарушения нормального митоза являлись хромосомные аберрации, такие как слипание, разрыв и выпадение участка хромосом, не исключаем и обмен фрагментами. Помимо этого, гибель зародыша мы связываем и с нарушением проницаемости и изменением ядерных мембран и цитоплазмы клеток, а также с разрушением после облучения клеточных белков. Однако есть вероятность, что многие зародыши смогли преодолеть стресс облучения и синхронизировать митоз.

Излучение вызывает не только ранние (острые) повреждения клеток и тканей, но являются также причиной отдалённых, или поздних, эффектов. Последние включают генетические, тератогенные и канцерогенные эффекты.

Острые эффекты проявляются в течение первых суток или недель после облучения в быстро профилирующих популяциях клеток. Наиболее чувствительна к облучению первая стадия митоза – поздняя профаза. Клетки, которые в момент облучения оказываются в этой стадии, не могут вступить в митоз, что проявляется первичным снижением митотической активности спустя 2 часа после облучения. Клетки же, облученные в более поздних стадиях или завершают цикл деле-

Таблица 4. Нарушения в клетках корней, % (средние данные за 2017-2018 годы) Table 4. Disorders in root cells, % (average data for 2017-2018)

Вариант 1 (контроль)

---

---

---

---

---

---

---

Вариант 2

0

10

0

0

0

0

0

Вариант 3

15

20

5

15

0

10

3

Вариант 4

25

35

10

25

5

17

5

Вариант 5

35

39

15

35

15

25

15

Таблица 5. Нарушения в клетках вегетативных частей растений, % (средние данные за 2017-2018 годы)

Table 5. Disorders in cells of vegetative parts of plants, % (average data for 2017-2018)

Варианты Нарушение анафазы Наличие хромосомных аберраций Нарушение цитотомии Атипические митозы Повреждение тканей Полиплоидия Вариант 1 (контроль) - - - - - - Вариант 2 3 3 0 0 0 0 Вариант 3 3 5 5 3 3 5 Вариант 4 10 25 7 5 10 10 Вариант 5 20 30 10 7 15 20 ния без каких-либо нарушений, или в результате инверсии обменных процессов возвращаются в профазу. Это и есть радиационная синхронизация митозов, когда клетки с запозданием снова начинают делиться и производят чисто внешнюю компенсацию первоначального снижения митотической активности. Такую картину мы и наблюдали при цитогенетическом анализе клеток корней и вегетативных частей растений (табл. 4, 5).

При визуальном осмотре корней в некоторых случаях при длительном облучении, прежде всего, отметили такие нарушения как утолщение, уродливость и повреждение тканей. Также семенная кожура при таких изменениях имела точечные ожоги, что было обнаружено и в случае с не проросшими семенами. В результате генетического анализа были выявлены чаще всего атипические митозы, связанные с повреждением белков митотического аппарата, что препятствовало правильному расхождению хромосом в анафазе. Помимо этого, зафиксированы различные хромосомные аберрации: потеря частей хромосом и их слипание. В некоторых случаях пикноз, нарушение цитотомии и полиплоидия. В уплотнённых тканях корней выявлены многочисленные клетки намного большего размера, похожие на опухолевые.

Также и растения, выращенные из облучённых семян, имели разные физиологические и анатомические нарушения. Особенно это было заметно в вариантах 4 и 5. Многие из них были низкорослыми с мелкими листьями. Цвет листьев варьировал от светло-зелёного до тёмно-зелёных оттенков. В пятом варианте опыта 12 образцов из 19 так и не смогли войти в фазу первого настоящего листа, в четвёртом варианте таких растений оказалось 11.

В большинстве случаев у таких образцов семядоли были или деформированы, или обуглены по краям и имели неестественный жёлтый цвет.

Стебли были разной длины – от коротких до очень длинных. Данные растения не смогли образовать ни одного настоящего листа и вскоре погибли. При их удалении мы отметили ещё одну особенность – у некоторых из них так и не образовалась нормальная корневая система. В ходе микроскопического анализа у всех вариантов были отмечены и другие нарушения генетического характера. В большинстве своём это атипические митозы с нарушением анафазы и метафазы, практически полное отсутствие веретена деления, множественные фрагменты хромосом, их слипание, удвоение отдельных участков, а возможно и их обмен. Также обнаружено нарушение цитотомии и полиплоидия. Полностью полиплоидными были растения в пятом варианте (3 шт.).

Заключение

В результате проведённых нами исследований можно прийти к выводу, что длительное воздействие ультрафиолетового излучения может повлиять на физиологические процессы и анатомическое строение растений: пигментацию, рост, развитие, обмен веществ, повреждение тканей, разрушение мембран клеток и ядер. Более серьезными изменениями нужно считать генетические – нарушения в митотическом цикле: анеуплоидия, цитотомия, пикноз и различные хромосомные аберрации. Так как не все растения имели подобные изменения, то можно говорить о явлении кроссустойчивости или кросс-адаптации, но мы не знаем, к чему приведёт данная адаптация и насколько долго она может сохраняться. Однако можно сделать однозначное заключение, что растения даже одного вида по-разному реагируют на увеличение и длительность потока ультрафиолетового излучения. Это, в свою очередь, может привести к нарушению баланса различных видов внутри одного сообщества растений, что представляет серьезную опасность, как для сельского хозяйства, так и для естественных экосистем. Однако при кратковременном воздействии (в течение 0,5-2 час) растения приобретают мутации, например, такие как полиплоидия, которые могут быть использованы в дальнейшем в селекции.

Об авторах:

Alexander V. Gulin – Cand. Sci. (Agriculture), Director

Vera I. Donskaya – Cand. Sci. (Agriculture), Leading Researcher

  • Литература

    • 1.    Акназаров О.А. Спектральный состав света как фактор изменения физиологического состояния и продуктивности растений. Отд. биол. и мед. наук. М.: Изд-во: АН Таджикистан ССР, 1988;3(112).

    • 2.    Акназаров О.А., Одилбеков К. Влияние предпосевной обработки семян уф-лучами разной длины волны на ростовые процессы, уровень гормонов и продуктивность растений // Доклады академии наук республики Таджикистан. 2007;50(2).

    • 3.    Веселовский В.А. Стресс растений. Биофизический подход. М., Изд-во: МГУ, 1993. 144 с.

    • 4.    Жимулёв И.Ф. Генетика. Учебник. Новосибирск, 2007.

    • 5.    Дубров А.П. Действие ультрафиолетовой радиации на растения // АН СССР, Ин-т общей генетики, М., Изд-во: Наука, 1968. 250 с.

    • 6.    Кондратенко Е.И., Ломтева Н.А., и др. Цитогенетические и молекулярно-биологические методы анализа растений. Астрахань, Изд-во АГУ. 2014.

  • References

    • 1.    Aknazarov O. A. Spectral composition of light as a factor of changes in the physiological state and productivity of plants. Biol. and med. sciences. Moscow: Publishing house: Academy of Sciences of the Tajikistan SSR. 1988;3(112). (In Russ.)

    • 2.    Aknazarov O.A., Odilbekov K. Influence of pre-sowing treatment of seeds with UV rays of different wavelengths on growth processes, hormone levels and plant productivity. Reports of the Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan. 2007;50(2). (In Russ.)

    • 3.    Veselovsky V.A. Stress of plants. Biophysical approach. Moscow, Publishing house: Moscow state University. 1993. 144 p. (In Russ.)

    • 4.    Zhimulev I.F. Genetics. Textbook. Novosibirsk, 2007. (In Russ.)

    • 5.    Dubrov A.P. Effect of ultraviolet radiation on plant. USSR Academy of Sciences, Institute of General genetics, Moscow, Publishing house: Nauka, 1968.250 p. (In Russ.)

    • 6.    Kondratenko E.I., Lomteva N.A., et al. Cytogenetic and molecular biological methods of plant analysis. Astrakhan, 2014. (In Russ.)

Список литературы Сравнительная оценка характера воздействия ультрафиолетового излучения на семена арбуза во временном режиме

  • Акназаров О.А. Спектральный состав света как фактор изменения физиологического состояния и продуктивности растений. Отд. биол. и мед. наук. М.: Изд-во: АН Таджикистан ССР, 1988;3(112).
  • Акназаров О.А., Одилбеков К. Влияние предпосевной обработки семян уф-лучами разной длины волны на ростовые процессы, уровень гормонов и продуктивность растений // Доклады академии наук республики Таджикистан. 2007;50(2).
  • Веселовский В.А. Стресс растений. Биофизический подход. М., Изд-во: МГУ, 1993. 144 с.
  • Жимулёв И.Ф. Генетика. Учебник. Новосибирск, 2007.
  • Дубров А.П. Действие ультрафиолетовой радиации на растения // АН СССР, Ин-т общей генетики, М., Изд-во: Наука, 1968. 250 с.
  • Кондратенко Е.И., Ломтева Н.А., и др. Цитогенетические и молекулярно-биологические методы анализа растений. Астрахань, Изд-во АГУ. 2014.
Статья научная