Радиобиология с основами радиоэкологии

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 461

предотвращения прорастания некоторых видов продукции растениеводства при хранении, приемы радиационной стерилизации, пастеризации и консервации продукции. Под влиянием работ в области радиационной медицины была создана технология преодоления несовместимости тканей при вегетативных прививках растений. В целом, к настоящему времени в различные сферы сельскохозяйственного производства в мире внедрены, по данным МАГАТЭ, свыше 40 различных приемов и технологий, использующих на каком-либо этапе облучение биологического объекта ионизирующей радиацией.

16.2.1. Облучение семян, органов вегетативного размножения растений,

рассады и некоторых объектов животного происхождения для ускорения роста, развития и увеличения продуктивности организмов

Предпосевное облучение семян. Практически сразу же после открытия эффекта радиационной стимуляции предпосевное облучение привлекло внимание биологов как одна из возможностей повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. В настоящее время предпосевное облучение семян – это РБТ, позволяющая повысить экономическую эффективность возделывания различных культур за счет ускорения роста и развития растений, сокращения периода вегетации, увеличения урожая, а в некоторых случаях и улучшения его качества.

Имеющийся экспериментальный материал по влиянию стимулирующих доз на урожай и качество продукции огромен. Он обобщен в десятках монографий, подробно изложен в многочисленных методических рекомендациях по облучению семян различных видов сельскохозяйственных растений. В Советском Союзе в 1980-х гг. даже была создана специальная серийная передвижная гамма-установка для их облучения (рис. 16.5.), проводились массовые испытания технологии, неоднократно предпринимались попытки ее внедрения в различных странах.

В отдельных случаях при облучении семян удается получать довольно высокие прибавки урожая зерна, плодов, корнеплодов – до 30–40, хотя обычно они составляют 10–20% (табл. 16.1). Влияя на процессы обмена, облучение может увеличивать в растениях содержание отдельных веществ, характеризующих качество продукции растениеводства. Многие исследователи наряду с повышением урожая отмечают рост содержания белка в зерне зерновых и зернобобовых культур, сахара в сахарной свекле, жира в семенах масличных видов, углеводов и витаминов в овощах. За счет стимуляции роста отмечали увеличение длины и прочности волокна у льна, конопли, хлопчатника. От нескольких дней до недели может ускоряться созревание растений.

Рис. 16.5. Передвижная гамма-установка «Колос» для предпосевного облучения семян сельскохозяйственных растений производительностью до 1 т/ч:

А – общий вид, Б – схема устройства: 1 – пульт управления, 2 – блок облучения, 3 – ковшовый транспортер для загрузки зерна, 4 – ленточный транспортер для выгрузки зерна.

Но уже в первых экспериментальных работах по предпосевному облучению семян было отмечено, что стимулирующее действие при рекомендованных дозах определенного вида излучения (обычно γ- или рентгеновское) проявляется не всегда. Более того, иногда отмечались и отрицательные эффекты, и некоторые радиобиологи, признавая явление радиационной стимуляции как один из биологических эффектов ионизирующей радиации, ставят под сомнение возможность его практического

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 463

Таблица 16.1

Обобщенные и усредненные данные о стимулирующих дозах и прибавках урожая некоторых видов растений

при предпосевном γ-облучении семян

применения. Именно поэтому, несмотря на обнадеживающие результаты, данная технология не нашла широкого распространения, хотя осталась по-прежнему очень привлекательной и в некоторых странах вот уже на протяжении более чем 100 лет различные поколения исследователей периодически возвращаются к ее испытанию в надежде облагодетельствовать сельскохозяйственное производство.

Неудовлетворительная воспроизводимость результатов, в первую очередь при оценке урожайности, объясняется двумя основными причинами: возможным значительным варьированием радиочувствительности отдельных партий семян даже культуры одного сорта, выращенного в разных условиях при относительно узком диапазоне стимулирующих доз, и погодными особенностями отдельных лет. Но если первого обстоятельства, связанного с радиочувствительностью семян, можно все-таки избежать хотя бы путем экспериментального подбора стимулирующих доз для каждой партии семян в лабораторных условиях, то второго – факторов, определяемых погодными условиями, предусмотреть практически невозможно. Так, при возможном недостаточном увлажнении и подсыхании почвы в весенний период стимулированные проростки с более длинным первичным корешком могут оказываться в более благоприятных условиях обеспечения водой и питательными веществами по сравнению с необлученными. В этом случае эффект радиационной­ стимуляции может проявиться в значительной степени. В другой ситуации могут оказаться растения в пери-

од весенних заморозков. Их меристемы, клетки которых обладают высокой митотической активностью, оказываются самыми чувствительными к действию всех повреждающих факторов и могут в большей степени повреждаться низкими температурами. Это может приводить к нивелированию проявившейся стимуляции и даже повреждению таких растений. На облученных растениях вследствие определенного подавления иммунитета может сильнее, чем на необлученных, проявиться отрицательное влияние всевозможных заболеваний, развитие которых благоприятнее происходит в теплые влажные годы. В неконтролируемых полевых условиях все эти факторы практически не поддаются регуляции и управлению.

Это и является причиной противоречивого и переменчивого отношения к внедрению этих РБТ в сельскохозяйственное производство. Однако, проведенный нами анализ данных по массовому многолетнему испытанию приема в десятках сельскохозяйственных опытных учреждений на территории Украины в 1960–1970-е гг. с некоторыми культурами, в том числе одними из основных для страны кукурузой и сахарной свеклой, показал, что примерно в 35% случаев наблюдается положительный эффект с увеличением урожая от 7 до 35%. Примерно в таком же количестве опытов не наблюдали никакого влияния облучения. Менее чем в трети опытов отмечали угнетение роста растений и снижение их продуктивности, которое, однако, никогда не превышало 10%. В итоге было получено статистически достоверное увеличение продуктивности растений.

Предпосадочное облучение органов вегетативного размножения и рассады. Стимулирующее действие ионизирующих излучений проявляется не только при облучении семян, но и отдельных органов и растений в целом. Дозы радиации при этом бывают намного ниже используемых для облучения семян – между ними примерно такие же различия, как между полулетальными дозами для вегетирующих растений и семян (глава 8).

Среди вегетативно размножаемых видов растений наиболее широко в данном направлении проводились работы с картофелем. Массовые испытания технологии в некоторых областях нечерноземной зоны России показали, что γ-облучение клубней в дозе 3 Гр обеспечивает стабильное повышение урожайности картофеля на 18–25% при увеличении в них содержания крахмала.

Весьма перспективным оказывается предпосадочное облучение и других органов вегетативно размножаемых растений. Облучение черенков винограда, крыжовника, смородины в дозе 5 Гр стимулирует процесс корнеобразования, усиливает последующий рост и развитие побегов; облучение корневищ мяты, солодки, диаскареи в дозах 5–10 Гр приводит к значительно

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 465

большему по сравнению с контролем пробуждению числа глазков и образованию побегов; облучение луковиц чеснока и лука в дозах 0.5–3.0 Гр существенно ускоряет рост пера. В итоге наблюдается увеличение урожая на 6–30%.

Успешно практикуется облучение рассады на разных стадиях ее развития. Облучение двух-четырехнедельной рассады томатов, капусты, овощного перца, баклажанов и других культур в дозах 0.5–5.0 Гр приводит к увеличению урожая на 25– 30% и ускорению его созревания на 3–7 дней.

Ввиду меньшей технологичности по сравнению с предпосевным облучением семян данный прием не получил широкого распространения, за исключением, пожалуй, облучения клубней картофеля. Но некоторые исследователи считают его более эффективным, чем облучение семян, за счет высокой степени воспроизводимости результатов, особенно в контролируемых условиях защищенного грунта.

Облучение животных. Наиболее широкие исследования по практическому использованию стимулирующего действия ионизирующих излучений проводились в птицеводстве. Рентгеновское или γ-облучение куриных яиц до или в период инкубации в дозах 0.03–0.05 Гр сокращает срок инкубации с 21 до 19–20 сут., увеличивает выводимость цыплят, обусловливает ускорение их постэмбрионального роста и развития. Куры, выросшие из облученных яиц, раньше достигали половой зрелости и начинали яйцекладку. Облучение цыплят в дозах 0.2– 1.0 Гр ускоряет их рост и развитие, а цыплят-бройлеров – достижение товарной спелости. Подобные данные были получены и в исследованиях с гусями.

Облучение одно-трехсуточных поросят и ягнят в дозах 0.1– 0.25 Гр приводит к ускоренному увеличению массы и размеров тела. Облучение спермы и икры рыб в дозах 0.25–0.5 Гр повышает оплодотворяемость и ускоряет рост мальков. Облучение мальков также ускоряет их рост и развитие. Перечень таких примеров можно продолжить, но подавляющее большинство экспериментов подобного рода носит чисто исследовательский характер. Лишь использование стимулирующих доз в птицеводстве доведено до уровня производственной технологии.

16.2.2. Радиационный мутагенез в селекции растений, животных и микроорганизмов

Практически сразу после открытия мутагенного действия ионизирующих излучений они стали использоваться для получения новых форм живых организмов. Но как метод, прием, РБТ получения новых форм, обладающих ценными полезными признаками, радиационный мутагенез получил наиболее широкое распространение в селекции растений.

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 467

Таблица 16.2

Критические дозы (ЛД70) γ- или рентгеновской радиации для семян некоторых видов растений (Е.И. Преображенская, 1971)

эффективность селекционной работы. Неоднократно описывались случаи якобы возникающих при облучении совершенно новых мутаций, но впоследствии оказывалось, что селекционер сталкивался просто с редкой их формой.

С целью получения новых форм растений облучают не только семена, но и вегетирующие растения, клубни, корнеплоды, корневища, луковицы, черенки, пыльцу. Работа с этими объектами хотя и сопряжена с определенными трудностями, имеет определенные преимущества. Так, если при облучении семян многие возникшие мутации могут элиминироваться (исключаться, выпадать) в процессе редукционного деления и образования гамет, то при облучении, например, вегетативных органов они сразу же будут закрепляться и передаваться потомству.

К настоящему времени в мире с помощью радиационного мутагенеза получены уже тысячи сортов полевых, плодовых и садовых видов растений, обладающих высокой продуктивностью, устойчивостью к неблагоприятным условиям, заболеваниям либо уникальными декоративными свойствами. Среди них полученный в Швеции знаменитый неполегающий сорт ячменя Палас, ставший родоначальником целой группы новых сортов; выведенный в Японии высокоурожайный сорт риса Рей Мей с удлиненной зерновкой; полученные в России высокоурожайный сорт пшеницы Новосибирская 67, устойчивый к полеганию сорт ячменя Обский, высокоурожайные неполегающие сорта фасоли Радиола 1175, Урожайная, Мутант 7, устойчивый к фитофторе сорт картофеля Рентгеновский; многочисленные полученные на Украине высокоурожайные, скороспелые, устойчивые к низким температурам сорта гречихи Аэлита, Галлея, Лада, Подолянка; низкоалкалоидные сорта люпина Киевский мутант, Мутант 486, Транслокант, сорт мяты Зимостойкая 1, о достоинствах которой говорит ее название, и некоторые другие.

468Радиобиология с основами радиоэкологии

Вживотноводстве метод радиационного мутагенеза, как, впрочем, и другие методы индуцированного мутагенеза, не получил распространения, что обусловлено спецификой селекционной работы с животными. Тем не менее, считается, что новая порода норки с оригинальным серебристым цветом меха, выведенная новосибирскими учеными, получена с его помощью. Имеются сведения, что так называемая минисвинка (свинья, масса тела которой не превышает 30 кг), выведенная в США специально для лабораторных экспериментов, была тоже получена с использованием ионизирующей радиации.

Но довольно широко мутагенное действие ионизирующих излучений используется в микробиологической промышленности для получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов – продуцентов антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот, незаменимых аминокислот, индукторов процессов брожения. Еще в начале 1950-х гг. с помощью радиационного­ мутагенеза были получены необычайно продуктивные штаммы микроскопического плесневого гриба из рода пенициллиума – продуцента антибиотика пенициллина, сделавшие этот важнейший в то время лекарственный препарат дешевым и доступным. С помощью ионизирующей радиации были получены высокопродуктивные мутантные штаммы бактерий из порядка актиномицетов – продуцентов антибиотиков стрептомицина и тетрациклина.

Известны примеры получения радиационных мутантов молочнокислых бактерий, обладающих высокой активностью, улучшающих вкусовые и товарные качества продуктов. В Чехии был получен штамм микроорганизма для производства специального молочного порошка, получившего коммерческое название «Нислактин». Его добавление к молочной массе в процессе приготовления плавленых сыров улучшает их качество и продлевает срок хранения.

16.2.3. Радиационная биотехнология преодоления несращиваемости компонентов при вегетативных прививках растений

Хорошо известно, что с помощью прививки – трансплантации части одного растения на другое – была решена важнейшая задача сохранения свойств и хозяйственно полезных признаков у видов растений, которые оказались неспособными к вегетативному корнесобственному размножению. Однако нередко при межсортовых, а тем более межвидовых прививках срастание привоя и подвоя бывает затруднено либо не происходит. Главной причиной такой несращиваемости является биологическая несовместимость прививаемых (трансплантируемых) компонентов, обусловленная их очень отдаленным биологическим родством, о чем говорилось в предыдущем разделе при исполь-

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 469

зовании ионизирующей радиации при трансплантации органов и тканей в медицинской практике.

Теоретические основы и практические возможности подавления биологической несовместимости у растений были разработаны в работах Д.М. Гродзинского и А.А. Булаха. Они установили, что γ-облучение подвоя или привоя перед прививкой приводит к подавлению иммунных систем растений и повышает качество сращивания прививаемых компонентов, увеличивая тем самым выход привитых саженцев. Этот прием был положен, в частности, в основу РБТ подготовки подвойной лозы в виноградарстве. В чем его суть?

Одним из опаснейших вредителей европейских сортов винограда является филлоксера – насекомое подотряда тлей, которое повреждает листья, побеги, усики, а главное, подземный штамб и корневую систему виноградной лозы. Наиболее надежным способом борьбы с ней является прививка европейских сортов­ на филлоксероустойчивые американские подвои. Однако из-за именно весьма отдаленных свойств и поэтому очень плохой совместимости выход привитых саженцев при этом составляет всего 20–35% от общего количества произведенных прививок, а некоторые комбинации совсем не сращиваются.

Облучение подвоев γ-радиацией в дозах 15–30 Гр или привоев в дозе 5 Гр, либо обоих компонентов позволяет в два-три раза повысить количество прививок у трудно совместимых комбинаций и индуцировать их появление у несовместимых.

Облучение привойных компонентов оказывается эффективным и при вегетативных прививках плодовых видов растений. Оно значительно облегчает получение гибридов при трудно совместимых и полностью несовместимых комбинациях не только между биологически отдаленными сортами и видами, но и позволяет получать межродовые гибриды косточковых, семечковых, ягодных растений типа, например, слива-абрикос, ябло- ня-груша, малина-ежевика и др. Облучение повышает выход привитых саженцев межродовых гибридов и у травянистых растений, например, при экспериментальных прививках типа тыква-дыня, тыква-арбуз и др.

16.2.4. Радиационная технология предотвращения прорастания клубней, корнеплодов и луковиц при хранении

При длительном хранении сочных видов продукции растениеводства, в особенности картофеля, моркови, лука, чеснока, ухудшается их качество и происходят большие потери за счет процессов обмена и израстания. Традиционные способы увеличения сроков хранения такой продукции основаны на торможении обменных процессов с помощью понижения температуры в хранилищах или химической обработки путем опрыскивания,

опыления или окуривания веществами – ингибиторами метаболизма. Первый способ достаточно эффективен, но необычайно дорог вследствие высоких энергетических затрат. Второй трудоемок, плохо поддается механизации, менее эффективен для борьбы с прорастанием луковичных, у которых зона роста находится глубоко внутри, а не на поверхности, как, например, у клубнеплодов или корнеплодов. Спорным остается вопрос и о безвредности таких обработок для потребителя. С помощью облучения этих видов продукции растениеводства в определенных дозах ионизирующих излучений удается задержать или даже полностью подавить процессы обмена и прорастания меристематических тканей в зонах роста и существенно увеличить сроки хранения.

Так, облучение клубней картофеля в дозах 50–150 Гр (в зависимости от сорта и условий хранения) позволяет благополучно перенести период весенне-летнего потепления и увеличить срок хранения до нового урожая в условиях неохлаждаемых хранилищ при температуре 6–8 °С. Клубни не прорастают и при более высокой температуре, они не прорастают вообще, но при повышенных температурах за счет биохимических процессов в них может происходить гидролиз крахмала, сопровождающийся накоплением моносахаров, что ухудшает вкусовые, кулинарные и технические свойства картофеля.

Аналогичная ситуация складывается с корнеплодами. Облучение в дозах, близких к указанным, позволяет намного продлить сроки их хранения. Так, облучение лука и чеснока после уборки урожая в дозах 6–8 Гр увеличивает срок их хранения до двух лет при условии поддержания температуры и влажности, предупреждающих гниение и поражение вредителями.

Разумеется, облученная в таких дозах продукция не пригодна в качестве посадочного материала и может быть использована только для пищевых и кормовых целей или технологической пе-

реработки.

Для облучения овощей и другой продукции в различных государствах были созданы специальные установки роторного типа, позволяющие в течение часа облучать десятки тонн продукции (рис. 16.7).