Особенности воздействия гамма-лучей на хромосомный аппарат клетки на примере пшеницы мягкой озимой Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК633.11 .575.24 .631.528

ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГАММА-ЛУЧЕЙ НА ХРОМОСОМНЫЙ АППАРАТ КЛЕТКИ НА ПРИМЕРЕ ПШЕНИЦЫ МЯГКОЙ ОЗИМОЙ

© Н.Н. Назаренко

Ключевые слова: пшеница; мутаген; хромосомные аберрации; спектр; частота.

Данное исследование было проведено для установления характера действия гамма-лучей и взаимосвязи между природой мутагена и хромосомными аберрациями на клеточном уровне. Сухие семена 8 сортов пшеницы мягкой озимой были облучены гамма-лучами в дозах 100, 150, 200, 250 Гр. Исследована частота и спектр хромосомных аберраций. Установлена взаимосвязь между методом получения сорта, природой мутагена и изменениями на клеточном уровне, выраженная в виде уменьшения частоты аберраций при действии того же мутагена, что и при создании сорта.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ аберраций, вызванных воздействием гамма-лучей, является одним из наиболее исследованных и точных методов установления факта разового или хронического воздействия ионизирующего излучения на растение [1-3]. Анализ широко применяется как для установления загрязнения радионуклидами окружающей среды и его уровня, опасности данного загрязнения, так и для установления оптимальных доз радиации при направленной работе с растительным материалом [1; 4-6].

Достоинствами метода продолжают оставаться быстрота, объективность полученных результатов, надежность и способность интегрально оценивать влияние самых различных по природе мутагенов [2; 7].

Целью данного исследования являлось выявление возможных последствий воздействия мутагенным фактором на исходный материал, полученный как методами классической, так и мутационной селекции в плане специфичности возникновения хромосомных аберраций и установление (при обнаружении связи) особенностей влияния повторного действия тем же или качественно иным мутагеном. В отличие от стандартных исследований с повторным действием на тот же растительный материал - в данном случае использовались уже зарегистрированные сорта, что дает возможность оценить именно особенности реакции полученного генотипа, без влияния последствий самого мутагенного воздействия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для облучения использовали сухие семена следующих сортов пшеницы мягкой озимой (далее в скобочках метод получения сорта): Фаворитка, Ласуня, Хуртовына (облучение исходного материала гамма-лучами), линия 418, Колос Мироновщины (гибридизация), Сонечко (химический мутагенез, НДММ, 0,005 %) и Калинова (химический мутагенез, ДАБ 0,1 %), Во-лошкова (термомутагенез). Дозы гамма-лучей - 100, 150, 200, 250 Гр.

Цитологический анализ проводили стандартным методом на временных давленых препаратах, окрашенных ацетокармином. Проводили мацерацию тканей 45 % раствором уксусной кислоты [5; 8].

Математическую обработку полученных результатов проводили по методу дисперсионного анализа, достоверность разницы средних оценивали по критерию Стьюдента, группировку по характеру воздействия проводили методом кластерного анализа [9]. Использовали стандартный инструментарий программы Statistic 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализируя частоты хромосомных аберраций (табл. 1), можно сделать вывод, что все варианты со статистической достоверностью отличались друг от друга и от контроля.

Для упрощения схемы статистического анализа варианты были разбиты на группы по видам мутагена, и изучалась сначала существенность отличия от контроля варианта с наименьшей дозой мутагена, а потом отличия вариантов внутри группы. Частота хромосомных аберраций варьировала от 7,06 до 46,23 %. Она была статистически более низкой у сортов, полученных с помощью гамма-лучей, чем у других. Наивысшая частота аберраций (табл. 1) характерна для сортов, полученных с помощью рекомбинантной селекции без применения гамма-лучей.

Что касается спектра хромосомных аберраций (табл. 2), то картина неоднозначна, хотя можно отметить, что гамма-облучение вызывает большее количество мостов, нежели фрагментов, но для сортов, полученных с помощью гамма-лучей, эта специфичность существенно меньшая, а иногда отсутствует, особенно при низких дозах.

В общем, при увеличении дозы мутагена специфика действия гамма-лучей становится все менее заметной. Увеличение частот таких аберраций, как микроядра и отстающие хромосомы, связано исключительно с линейным ростом дозы. Также увеличивается удельный вес комплексных аберраций. При переходе от дозы 200 Гр. к дозе 250 Гр. нарушается линейная зависимость

Таблица 1

Частота хромосомных аберраций М1 пшеницы мягкой озимой

Митозы, Хромосомные аберрации Митозы, Хромосомные аберрации

Вариант шт. шт. % шт. шт. %

Фаворитка 418

Контроль 984 19 1,93 ± 0,31 962 11 1,14 ± 0,11

Гамма-лучи, 100 Гр. 1006 71 7,06 ± 0,74* 992 161 16,23 ± 1,14*

Гамма-лучи, 150 Гр. 1004 139 13,85 ± 1,09* 1056 245 23,20 ± 1,19*

Гамма-лучи, 200 Гр. 943 230 24,43 ± 1,53* 747 228 30,52 ± 1,57*

Гамма-лучи, 250 Гр. 466 126 27,06 ± 1,48* 586 247 42,15 ± 1,89*

Ласуня Хуртовына

Контроль 1056 15 1,42 ± 0,19 1034 12 1,16 ± 0,11

Гамма-лучи, 100 Гр. 979 88 8,99 ± 0,78* 1012 100 9,88 ± 0,89*

Гамма-лучи, 150 Гр. 1012 158 15,62 ± 1,06* 981 147 14,99 ± 1,03*

Гамма-лучи, 200 Гр. 810 198 24,45 ± 1,53* 1011 228 22,56 ± 1,45*

Гамма-лучи, 250 Гр. 399 98 24,56 ± 1,54 742 193 26,01 ± 1,63*

Сонечко Волошкова

Контроль 1026 8 0,78 ± 0,04 1003 31 3,09 ± 0,34

Гамма-лучи, 100 Гр. 1010 194 19,20 ± 1,14* 1000 213 21,30 ± 1,24*

Гамма-лучи, 150 Гр. 1003 288 28,70 ± 1,31* 1007 332 32,97 ± 1,39*

Гамма-лучи, 200 Гр. 888 342 38,51 ± 1,85* 560 266 47,5 ± 1,98*

Гамма-лучи, 250 Гр. 411 190 46,23 ± 2,04* 478 198 41,43 ± 1,81*

Калинова Колос Мироновщины

Контроль 1047 9 0,86 ± 0,11 909 10 1,10 ± 0,13

Гамма-лучи, 100 Гр. 1000 192 19,20 ± 1,14* 1019 179 17,56 ± 1,04*

Гамма-лучи, 150 Гр. 937 269 28,70 ± 1,31* 890 215 24,16 ± 1,23*

Гамма-лучи, 200 Гр. 817 315 38,51 ± 1,85* 738 243 32,93 ± 1,65*

Гамма-лучи, 250 Гр. 459 212 46,19 ± 2,04* 510 196 38,43 ± 1,84*

Примечание: *- статистически достоверно при /0-05.

и частично происходит, наоборот, падение частоты перестроек даже до более низкого уровня, чем при предыдущей дозе. Это более характерно для сортов, созданных с помощью гамма-лучей и при термомутагенезе (также для этих сортов характерна большая частота спонтанных перестроек в контроле - следствие меньшей стабильности полученного генотипа).

Специфика генотипа проявляется в разной частоте хромосомных аберраций при равных дозах гамма-лучей и в разном соотношении мостов и фрагментов. Более низкая частота перестроек при действии дозы в 250 Гр., вероятно, связана с повышенной элиминацией клеток с поврежденным хромосомным аппаратом (что косвенно подтверждается крайне плохой всхожестью и выживанием данного варианта в полевых условиях).

При повышении дозы мутагенов возрастало также количество клеток с двумя и более перестройками. Зависимость при этом в целом линейная.

По результатам трехфакторного анализа (к схеме добавили варианты с химическим мутагенезом, которые здесь не представлены) выявлено, что на частоту хромосомных аберраций влияет, прежде всего, фактор «доза», потом фактор «генотип», затем фактор «природа мутагена». На изменение спектра аберраций влияет прежде всего фактор «природа мутагена». При этом прослеживается, что повторное воздействие мутагена той же природы (к примеру, гамма-лучей на сорта, полученные с помощью действия этого мутагенного фактора) приводит к существенному уменьшению частоты перестроек. В целом, общая частота хромосомных

перестроек коррелирует со значением дозы в пределах 0,7-0,8.

По результатам кластерного анализа была выявлена четкая специфика проявления взаимодействия способа получения генотипа и природы мутагенного фактора. Выявлено четыре различные группы сортов: созданные при помощи гамма-лучей Фаворитка, Ласуня, Хур-товына, созданные при действии химических мутагенов Калинова, Сонечко и созданные с помощью реком-бинантной селекции - Колос Мироновщины, линия 418 и полностью отдельно - сорт Волошкова (термомутагенез). Таким образом, этот метод группировки окончательно подтвердил вывод о том, что влияние мутагенного фактора в значительной степени определяется тем, было ли оказано действие этим фактором на генотип исходного материала, даже при наличии значительного числа поколений с момента получения исходной формы для данного сорта.

ВЫВОДЫ

Частота и (отчасти) спектр хромосомных аберраций зависят от особенностей получения генотипа объекта и природы мутагена. В случае получения генотипа методом облучения повторное облучение данного генотипа менее эффективно по частоте перестроек, которые косвенно связаны с последующей частотой мутаций [7]. Также при этом происходит размывание специфичности действия данного фактора в спектре перестроек (соотношение мосты - фрагменты). В общем случае

Таблица 2

Спектр хромосомных аберраций

Вариант Фрагменты (одинарные + двойные) Мосты (хромосомные + хроматидные) Фрагменты / мосты Другие (микроядра, отстающие хромосомы) Две и более

шт. | % шт. | % шт. | % шт. | %

Фаворитка

Контроль 4,00 21,05 14,00 73,68 0,29 1,00 5,26 1,00 5,26

Гамма-лучи, 100 Гр. 17,00 23,94 51,00 71,83 0,33 3,00 4,23 5,00 7,04

Гамма-лучи, 150 Гр. 28,00 20,14 101,00 72,66 0,28 10,00 7,19 21,00 15,11

Гамма-лучи, 200 Гр. 67,00 29,13 152,00 66,09 0,44 11,00 4,78 38,00 16,52

Гамма-лучи, 250 Гр. 52,00 41,27 71,00 56,35 0,73 3,00 2,38 34,00 26,98

Линия 418

Контроль 6,00 54,55 5,00 45,45 1,20 0,00 0,00 2,00 18,18

Гамма-лучи, 100 Гр. 58,00 36,02 101,00 62,73 0,57 2,00 1,24 6,00 3,73

Гамма-лучи, 150 Гр. 81,00 33,06 143,00 58,37 0,57 21,00 8,57 31,00 12,65

Гамма-лучи, 200 Гр. 64,00 28,07 132,00 57,89 0,48 32,00 14,04 38,00 16,67

Гамма-лучи, 250 Гр. 101,00 40,89 132,00 53,44 0,77 14,00 5,67 52,00 21,05

Сорт Ласуня

Контроль 4,00 26,67 11,00 73,33 0,36 0,00 0,00 0,00 0,00

Гамма-лучи, 100 Гр. 42,00 47,73 46,00 52,27 0,91 0,00 0,00 8,00 9,09

Гамма-лучи, 150 Гр. 71,00 44,94 79,00 50,00 0,90 8,00 5,06 22,00 13,92

Гамма-лучи, 200 Гр. 82,00 41,41 104,00 52,53 0,79 12,00 6,06 31,00 15,66

Гамма-лучи, 250 Гр. 43,00 43,88 38,00 38,78 1,13 17,00 17,35 41,00 41,84

Сорт Хуртовына

Контроль 7,00 58,33 5,00 41,67 1,40 0,00 0,00 0,00 0,00

Гамма-лучи, 100 Гр. 43,00 43,00 52,00 52,00 0,83 5,00 5,00 7,00 7,00

Гамма-лучи, 150 Гр. 69,00 46,94 74,00 50,34 0,93 4,00 2,72 14,00 9,52

Гамма-лучи, 200 Гр. 112,00 49,12 114,00 50,00 0,98 2,00 0,88 29,00 12,72

Гамма-лучи, 250 Гр. 101,00 52,33 89,00 46,11 1,13 3,00 1,55 41,00 21,24

Со рт Сонечко

Контроль 6,00 75,00 2,00 25,00 3,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Гамма-лучи, 100 Гр. 53,00 27,32 135,00 69,59 0,39 6,00 3,09 6,00 3,09

Гамма-лучи, 150 Гр 50,00 17,36 209,00 72,57 0,24 29,00 10,07 28,00 9,72

Гамма-лучи, 200 Гр 58,00 16,96 243,00 71,05 0,24 41,00 11,99 43,00 12,57

Гамма-лучи, 250 Гр 48,00 25,26 116,00 61,05 0,41 26,00 13,68 64,00 33,68

Сорт Волошкова

Контроль 16,00 51,61 13,00 41,94 1,23 2,00 6,45 5,00 16,13

Гамма-лучи, 100 Гр. 101,00 47,42 108,00 50,70 0,94 4,00 1,88 18,00 8,45

Гамма-лучи, 150 Гр 142,00 42,77 174,00 52,41 0,82 16,00 4,82 35,00 10,54

Гамма-лучи, 200 Гр 108,00 40,60 143,00 53,76 0,76 15,00 5,64 67,00 25,19

Гамма-лучи, 250 Гр 47,00 23,74 136,00 68,69 0,35 15,00 7,58 43,00 21,72

Сорт Калинова

Контроль 2,00 22,22 7,00 77,78 0,29 0,00 0,00 0,00 0,00

Гамма-лучи, 100 Гр. 80,00 41,67 112,00 58,33 0,71 0,00 0,00 29,00 15,10

Гамма-лучи, 150 Гр 100,00 37,17 164,00 60,97 0,61 5,00 1,86 42,00 15,61

Гамма-лучи, 200 Гр 112,00 35,56 193,00 61,27 0,58 10,00 3,17 64,00 20,32

Гамма-лучи, 250 Гр 81,00 38,21 127,00 59,91 0,64 4,00 1,89 37,00 17,45

Сорт Колос Мироновщины

Контроль 5,00 50,00 5,00 50,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Гамма-лучи, 100 Гр. 73,00 40,78 101,00 56,42 0,72 5,00 2,79 12,00 6,70

Гамма-лучи, 150 Гр 81,00 37,67 122,00 56,74 0,66 12,00 5,58 18,00 8,37

Гамма-лучи, 200 Гр 92,00 37,86 138,00 56,79 0,67 13,00 5,35 32,00 13,17

Гамма-лучи, 250 Гр 78,00 39,80 116,00 59,18 0,67 2,00 1,02 28,00 14,29

частота также линейно зависит от дозы мутагена, что согласуется с предыдущими исследованиями [4-5].

Для гамма-лучей значительно более характерно в общем случае хромосомная перестройка по типу «мост».

С помощью факторного анализа установлено, что приоритет по факторам следующий - фактор «доза», потом фактор «генотип», затем фактор «природа мутагена».

ЛИТЕРАТУРА

1. Гераськин А.С., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С. Влияние раздельного радиоактивного и химического загрязнения на выход цитогенети-ческих нарушений в интеркалярной меристеме ярового ячменя // Радиационная биология. Радиоэкология. 2002. Т. 42. № 4. С. 364368.

2. Дем'яненко В.В., Логвиненко В.Ф., Семерунь Т.Б. Вивчення цитогенетично! активной мутагенних чинниюв на прикладi озимо! пшенищ // Физиология и биохимия культурных растений. 2005. Т. 37. № 4. С. 313-318.

3. Lifang W., Zengliang Y. Radiobiological effects of a low-energy ion beam on wheat // Radiat Environ Biophys. 2001. V. 40. Р. 53-57.

4. Корогодина В.Л., Пантелеева А., Ганичева И. Влияние мощности дозы гамма-облучения на митоз и адаптивный ответ клеток первичных корней проростков гороха // Радиационная биология. Радиоэкология. 1998. Т. 38. № 5. С. 643-649.

5. Назаренко Н.Н. Частота и спектр хромосомных нарушений в клетках корневой меристемы проростков пшеницы под действием мутагенов // Вшник ХНАУ. Сер.: Бюл. 2007. №3. С. 82-89.

6. Adlera I., Carereb A., Eichenlaub-Ritterc U. Gender differences in the induction of chromosomal aberrations and gene mutations in rodent germ cells // Environmental Research. 2004. V. 17. P. 53-59.

7. Manual on mutation breeding / IAEA. Vienna, 1977. Р. 87-105; 117-124.

8. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М., 1988. 271 с.

9. Клекка У.Р. Дискриминантный анализ. Факторный, дискрими-нантный, кластерный анализ. М., 1989. 186 с.

Поступила в редакцию 3 апреля 2015 г.

Nazarenko N.N. SPECIFICS OF GAMMA RAYS ACTION ON THE CHROMOSOMES CELLS AT WINTER WHEAT SAMPLE

This study was carried out to determine gamma rays effect and interaction between mutagen nature and chromosomal aberrations on cells level. Dry seeds of 8 varieties of winter wheat were irradiated by gamma rays in doze 100, 150, 200 and 250 Gr. The frequency and spectra of chromosomal aberration have been investigated. Relationships between method of variety breeding, nature of mutagen factor and changes on cell level have been identified. It expressed as a decrease in the frequency of aberrations by the action of the same mutagen when varieties had been created.

Key words: wheat; mutagen; chromosomal aberrations; spectrum; frequency.

Назаренко Николай Николаевич, Днепропетровский государственный аграрно-экономический университет, г. Днепропетровск, Украина, кандидат биологических наук, доцент кафедры селекции и семеноводства, e-mail: nik_naz arenko @ukr. net

Nazarenko Nikolai Nikolaevich, Dnepropetrovsk State Agrarian-Economic University, Dnepropetrovsk, Ukraine, Candidate of Biology, Associate Professor of Plant Breeding and Seed Department, e-mail: nik_nazarenko@ukr.net