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 “загрязнители” 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, “мы купаемся в море радиации, носим её в

себе” (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 – 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 10–20% 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 – 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 “а” и “в”. Действуя

на физическую и химическую структуру хромосом, радиация вызывает

наследственные изменения – 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 – 250–1000 Гр и

радиоустойчивые – 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 – 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 2–37 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 “загрязнителей”, 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) “Экологическая генетика культурных

растений”, но вопрос стал настолько злободневным (незагрязненные

пространства уменьшаются с каждым днем, подобно “шагреневой коже”), что к

нему приходится обращаться неоднократно.

Список литературы.

1. Бессонова В.П. // Экология. –1992. – № 4. – С. 45– 50.

2. Булатов В.И. Россия радиоактивная. – Новосибирск: ЦЭРИС, 1996. – 267 с.

3. Вернадский В.И. Биогеохимические очерки. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1940.

– 387 с.

4. Гофман Дж. Рак, вызываемый облучением в малых дозах. – М: Социально-

экологический союз, 1994. – 354 с.

5. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений. – Штиинца,

1980. – 587 с.

6. Кузин А.М., Каушанский Д.А. Прикладная радиобиология. – М: Энергоиздат,

1981.

7. Преображенская Е.И. Радиоустойчивость семян растений. – М: Атомиздат,

1971. – C. 456.

8. Федоров Е.А. и др. // Экология. – 1989. – № 5. – С. 79–83.

9. Шумный В.К. и др. Генетические эффекты антропогенных факторов среды. –

1993.