ВЛИЯНИЕ ОСТРОГО И ХРОНИЧЕСКОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МУЖСКУЮ РЕПРОДУКТИВНУЮ СФЕРУ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (PINUS SYLVESTRIS L.)
ВЛИЯНИЕ ОСТРОГО И ХРОНИЧЕСКОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МУЖСКУЮ РЕПРОДУКТИВНУЮ СФЕРУ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (PINUS SYLVESTRIS L.)
Аннотация
Зрелая пыльца многих видов растений обладает очень высокой резистентностью к таким дозам острого ионизирующего излучения, при которых большинство биологических видов не способно выжить. Однако мейоциты в активной стадии развития крайне чувствительны к неблагоприятным факторам внешней среды. Даже относительно невысокие уровни ионизирующего излучения в этот период могут негативным образом отразиться на развитии мужского гаметофита. Накопленные повреждения ДНК, в конечном итоге, неизбежно скажутся на способности половых клеток к воспроизводству жизнеспособного потомства. Целью работы являлось изучение острого ионизирующего излучения на жизнеспособность зрелой пыльцы сосны обыкновенной, а также изучение биологических особенностей пыльцы сосны, сформировавшейся в условиях хронического ионизирующего излучения.
1. Введение
Пыльца растений способна выдерживать значительные дозовые нагрузки при остром гамма облучении ,
. Для различных видов сосны ЛД99 при облучении зрелой пыльцы от кобальтового источника составляет от 1000 до 6000 Гр . При остром облучении пыльцы сосны в пределах 1-50 Гр в ряде случаев наблюдался стимулирующий эффект, проявляющийся, прежде всего, в повышенной энергии роста пыльцевых трубок , . Гамма-излучение в дозах 7,5-40 Гр стимулировало прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок у Pinus kesiya Royle ex Gord., но дозы облучения в дозах 50-500 Гр были ингибирующими. Более низкие дозы γ-излучения способствовали развитию более длинных пыльцевых трубок, в то время как более высокие дозы приводили к развитию более коротких пыльцевых трубок . Острое облучение пыльцы пихты Дугласа (Pseudotsuga menziesii [Mirb.] Franco) рентгеновскими лучами усиливало рост пыльцевых трубок. При этом полирибосомы облученной пыльцы пихты были более активны, чем контрольной пыльцы. Однако острое рентгеновское облучение нарушало основной регуляторный механизм роста пыльцевых трубок у пихты, заключавшийся в маскировке пресинтезированной мРНК , .Низкие дозы хронического ионизирующего излучения в период мейоза микроспороцитов могут генерировать вредные мутации, что, скорее всего, объясняет общее негативное влияние радиации, как на жизнеспособность пыльцы, так и на скорость роста пыльцевых трубок , , , . Любые физико-химические ген-токсичные агенты, в том числе ионизирующее излучение, прямо или косвенно, повреждают ДНК, ингибируя репликацию ДНК (Kimetal., 2019).
2. Объекты и методы
Для изучения влияния острого гамма-излучения на жизнеспособность пыльцы свежесобранную пыльцу сосны обыкновенной облучали на гамма-облучательной установке «Исследователь» с источником Cs137 и мощностью дозы 520 Р∙мин-1. Минимальная поглощенная доза составила 10 Гр, максимальная – 4000 Гр. Для облучения использовали индивидуальные образцы пыльцы, собранные с 4-х деревьев. Работы по облучению пыльцы и расчеты поглощенной дозы были выполнены А.И. Таскаевым. Показатели жизнеспособности пыльцы определяли путем проращивания ее на 1%-ном агаровом субстрате с концентрацией сахарозы 20%. Жизнеспособность пыльцы отдельного образца в каждом из вариантов опыта определяли в 5 повторностях по 100 пыльцевых зерен в каждой. Длину пыльцевых трубок (по 200 для отдельного образца в каждом из вариантов опыта) измеряли при помощи окуляр-микрометра. Всего было произведено 7200 микроизмерений. В качестве контроля использовали необлученную пыльцу.
Для изучения влияния хронического облучения мужских генеративных органов на жизнеспособность пыльцы сосны обыкновенной образцы пыльцы сосны были собраны в 30-км зоне аварии на ЧАЭС в 1990-1991 гг. с 5-ти опытных участков. Опытные участки были заложены проф. Г.М. Козубовым в 1986-1987 гг., и на них осуществлялся постоянный радиоэкологический мониторинг. Исходная нумерация участков сохранена в настоящей работе.
Участок 2 расположен в районе бывшей дер. Чистогаловка (остаточная МЭД по гамма излучению на высоте 1 м от дневной поверхности в 1990 году составляла 6-11 мР∙ч-1, в 1991 – 4-8 мР∙ч-1, суммарная поглощенная доза на 01.05.1990 – 6-8 Гр).
Участок 3 – урочище «Изумрудное» (0,6-1,1 мР∙ч-1 и 0,2-0,8 мР∙ч-1, 1,0-1,2 Гр, соответственно).
Участок 4 расположен вблизи бывшей усадьбы Новошепеличского лесничества (1,5-3,5 мР∙ч-1 и 0,5-2,5 мР∙ч-1, 2,5-3,5 Гр).
Участок 10А – расположен около ж/д переезда между заброшенной бетонно-погрузочной площадкой и бывшим пос. Янов (2,5-10,0 мР∙ч-1 и 2,0-8,5 мР∙ч-1, 20-25 Гр).
Участок 5 (контроль) – район бывшей дер. Стечанка (условно «чистый»).
Все опытные участки, за исключением урочища «Изумрудное», представляли чистые мертво-покровные средневозрастные сосняки на супесчаных почвах.
На каждом участке образцы пыльцы были собраны с 20-25 деревьев. Проращивание пыльцы производили на 1,0%-ном агаре с добавлением 10 и 20%-ной сахарозы. Жизнеспособность пыльцы в каждом образце определялась по 500 пыльцевым зернам. При помощи окуляр-микрометра в каждом образце измерялась длина у 25 случайно взятых пыльцевых трубок. Энергия прорастания пыльцы определялась как произведение ее жизнеспособности на отношение средней длины пыльцевой трубки к ее максимальной длине.
3. Результаты и обсуждение
Рисунок 1 - Распределение пыльцевых трубок сосны по длине в зависимости от поглощенной дозы
Примечание: значения поглощенной дозы, Гр показаны в правой части рисунка
Рисунок 2 - Влияние острого гамма-облучения на показатели жизнеспособности пыльцы сосны обыкновенной
Примечание: ж/с – жизнеспособность пыльцы; дл.тр. – средняя длина пыльцевой трубки; э.п. – энергия прорастания
При хроническом облучении микроспороцитов сосны на различных стадиях мейоза суммарными дозами от 1 до 20 Гр возрастала частота хромосомных аберраций, происходила задержка созревания пыльцы, снижалась ее жизнеспособность, уменьшались размеры микростробилов . Облучение мужских почек сосны в период осеннего покоя при МЭД 5-6 Р/день приводило к задержке начала мейоза микроспороцитов на 1,5-2 недели
.Результаты изучения влияния малых доз хронического гамма-облучения мужских генеративных органов на показатели жизнеспособности пыльцы сосны обыкновенной приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Показатели жизнеспособности пыльцы сосны обыкновенной, собранной в 30-км зоне аварии на Чернобыльской АЭС в 1990-1991 гг.
№ участка | Суммарная поглощен-ная доза, Гр | Год сбора пыльцы | Жизне-способ-ность пыльцы, % | Средняя длина пыльцевой трубки, мкм | Макси-мальная длина пыльцевой трубки, мкм | Энергия прораста-ния пыльцы, % |
2 | 6-8 | 1990 | 75,7 ± 2,3 | 228,2 ± 3,2 | 510 | 45,9 |
1991 | 74,7 ± 3,5 | 209,5 ± 7,8 | 440 | 45,5 | ||
3 | 1-1,2 | 1990 | 83,1 ± 3,2 | 222,4 ± 3,3 | 450 | 52,7 |
1991 | 85,0 ± 1,8 | 223,9 ± 8,1 | 490 | 57,3 | ||
4 | 2,5-3,5 | 1990 | 84,2 ± 2,5 | 243,1 ± 3,6 | 650 | 52,8 |
1991 | 83,6 ± 3,1 | 216,2 ± 11,6 | 530 | 52,0 | ||
10А | 20-25 | 1990 | 72,9 ± 4,8 | 224,4 ± 3,2 | 485 | 45,4 |
1991 | 77,4 ± 3,9 | 210,2 ± 6,6 | 450 | 44,9 | ||
5 | Контроль | 1990 | 90,1 ± 2,0 | 228,0 ± 2,7 | 470 | 56,7 |
1991 | 92,2 ± 1,8 | 256,0 ± 7,7 | 550 | 60,2 |
Разница между средними значениями жизнеспособности пыльцы, собранной в 1990 году, достоверна при 5%-ном уровне значимости (Р0,05) между контролем и наиболее «грязными» участками №2 и 10А. Разница между средними значениями жизнеспособности пыльцы, собранной в 1991 году, достоверна при 5%-ном уровне значимости между контролем и всеми радиоактивно загрязненными участками.
При этом между показателями жизнеспособности пыльцы (жизнеспособностью и энергией прорастания) и средней мощностью экспозиционной дозы по гамма-излучению установлена очень тесная отрицательная связь, достоверная во всех случаях при высоких уровнях значимости (таблица 2).
Таблица 2 - Коэффициенты корреляции между средней мощностью экспозиционной дозы и показателями жизнеспособности пыльцы в зоне антропогенной радионуклидной аномалии
Год сбора пыльцы | Концен-трация сахарозы, % | Коэффициенты корреляции между жизнеспособностью пыльцы и МЭД | Коэффициенты корреляции между энергией прорастания пыльцы и МЭД | ||
r ± mr | Fфакт. | r ± mr | Fфакт. | ||
1990 | 10 | -0,916 ± 0,072 | 12,7 | -0,960 ± 0,035 | 20,1 |
20 | -0,812 ± 0,152 | 5,3 | -0,806 ± 0,157 | 5,1 | |
1991 | 10 | -0,935 ± 0,056 | 16,6 | -0,963 ± 0,032 | 30,0 |
20 | -0,965 ± 0,030 | 31,7 | -0,964 ± 0,032 | 30,3 | |
Средняя длина пыльцевых трубок и их распределение по длине, близкое к нормальному, не коррелируют с МЭД. Это объясняется физиологией роста пыльцевых трубок у сосны: достигнув определенной длины, они переходят в состояние покоя. Выход пыльцы из одного микростробила у сосны варьировал от 1,275 до 1,598 мг, при этом различия между участками по данному показателю не превышали основной ошибки среднего значения и находились в пределах точности опыта.
Рисунок 3 - При проращивании пыльцы сосны обыкновенной, сформировавшейся в условиях хронического ионизирующего излучения, наблюдались частые случаи сложного ветвления пыльцевых трубок
Источником поступления радионуклидов в пыльцу служат как воздух, так и почва. Для определения вклада каждого из источников изучалось содержание Cs137 в пыльце и мужских стробилах, очищенных от покровных чешуй, а также в самих покровных чешуях микростробилов (табл. 3).
Таблица 3 - Активность Cs137 в мужских генеративных органах и пыльце сосны обыкновенной
№ участка | Активность Cs137, Бк/г-1 | |||
пыльца (1990 г.) | пыльца (1991 г.) | очищенные микростробилы (1991 г.) | покровные чешуи мужских почек (1991 г.) | |
2 | 22,0 | 70,0 | 50,0 | 4,0 |
3 | 2,9 | 5,0 | 5,0 | 0,9 |
4 | 47,0 | 110,0 | 150,0 | 3,3 |
10А | 10,0 | 45,0 | 50,0 | 4,6 |
5 | 1,0 | 1,3 | 0,0 * | 0,6 |
Примечание: * активность по Cs137 не выявлена
Наиболее высокие значения содержания Cs137 наблюдалось в пыльце и очищенных микростробилах. Значительно меньше Cs137 было в покровных чешуях микростробилов. Этот факт может говорить лишь о том, что в условиях радиоактивного загрязнения территории наиболее значительное количество радионуклидов поступает в генеративные органы сосны в растворенном виде с восходящим током воды из почвы. На контрольном участке содержание Cs137 в пыльце, микростробилах и покровных чешуях мужских почек у сосны было примерно одинаковым. Т.е. в относительно «чистых» условиях поступление радионуклидов в генеративные органы происходит преимущественно за счет трансграничных переносов воздушных масс.
4. Заключение
Зрелая пыльца сосны обладает высокой резистентностью к ионизирующему излучению. При остром гамма-облучении ЛД99 для пыльцы сосны обыкновенной составляет примерно 3500 Гр. С увеличением поглощенной дозы на 350-400 Гр все показатели жизнеспособности пыльцы снижаются примерно в 2 раза. При хроническом облучении микроспороцитов сосны частота хромосомных аберраций возрастала с увеличением мощности экспозиционной дозы. Количество нарушений достигало наибольших значений в активных фазах мейоза: в AI (отставание хромосом и их фрагментация, простые и сложные мосты, агглютинация) и в AII (в основном, агглютинация хромосом). С увеличением дозовой нагрузки изменялся и сам характер прорастания пыльцы in vitro: возрастало количество ветвящихся пыльцевых трубок и появлялись трубки со сложным ветвлением Жизнеспособность пыльцы сосны, сформировавшейся в условиях радиоактивного загрязнения, отрицательно коррелирует со средней мощностью экспозиционной дозы по гамма-излучению. При этом длина пыльцевых трубок у сосны при хроническом гамма-облучении микроспороцитов не зависит от мощности экспозиционной дозы. В условиях радиоактивного загрязнения территории основное количество радионуклидов поступает в генеративные органы сосны в растворенном виде с восходящим током воды из почвы.