INFLUENCE OF ACUTE AND CHRONIC IONIZING RADIATION ON THE MALE REPRODUCTIVE SPHERE OF COMMON PINE (PINUS SYLVESTRIS L.)
INFLUENCE OF ACUTE AND CHRONIC IONIZING RADIATION ON THE MALE REPRODUCTIVE SPHERE OF COMMON PINE (PINUS SYLVESTRIS L.)
Abstract
Mature pollen of many plant species has a very high resistance to such doses of acute ionizing radiation, at which most biological species are unable to survive. However, meiocytes in the active stage of development are extremely sensitive to unfavourable environmental factors. Even relatively low levels of ionizing radiation during this period can adversely affect the development of the male gametophyte. Accumulated DNA damage, in the end, will inevitably affect the ability of germ cells to reproduce viable offspring. The aim of the work was to study acute ionizing radiation on the viability of mature pollen of common pine, as well as to study the biological features of pine pollen formed under conditions of chronic ionizing radiation.
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.