Реферат: Селекция растений на устойчивость к загрязнителям окружающей среды

Реферат: 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.