Ботаника и сельское хоз-во

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.


смотреть на рефераты похожие на "Селекция растений на устойчивость к загрязнителям окружающей среды"