Цитогенетические изменения в меристеме пшеницы яровой в зависимости от действия эколого-физических факторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цитогенетические изменения в меристеме пшеницы яровой в зависимости от действия эколого-физических факторов

В работе исследована зависимость митотической активности и появления хромосомных аберраций в клетках корневой меристемы проростков облученных семян от дозы гамма-облучения. Показано, что действие гамма-лучей изменяет протекание митоза, что отражается в нарушениях формирования митотического аппарата, а именно: повышении митотических индексов, а также в повышении частоты нарушений митоза на уровне веретена деления и их суммарной частоты. Отмечена зависимость проявления влияния гамма-лучей на генетических аппарат яровой пшеницы от дозы гамма-радиации, сорта и вида. Установлено, что наиболее эффективным индуктором мутаций является доза гамма-лучей 100-150 Гр.

Одной из основных зерновых культур на земном шаре является пшеница, которая вместе с тем нуждается в улучшении. Среди современных методов, с помощью которых можно решить этот вопрос, является метод экспериментального мутагенеза, который предоставляет возможность создания новых сортов и ценного исходного материала для селекции.

Как известно, спонтанные мутации обусловлены изменениями в молекулярной структуре генов, числе или структуре хромосом. Они являются единственным источником появления новых признаков и свойств живых организмов. Все мутагенные факторы, используемые для создания новых форм, делятся на физические, химические и биологические. К физическим мутагенов относятся радиация, механическое воздействие, температурный фактор, ультразвук. Радиация представлена электромагнитными и корпускулярными излучениями. Наиболее эффективно используется в практической селекции ионизирующее излучение, в частности гамма-лучи [4-6]. Одной из основных задач мутационной селекции растений является изучение генетической активности мутагенных факторов с целью выявления возможности максимального получения наследственных изменений форм.

Классическими и обще определенными объектами исследования цитогенетических эффектов радиационного облучения является популяции клеток корневой меристемы проростков семян. Изучение уровня митотической активности, частоты и спектра образования клеток с хромосомными аберрациями в первых пострадиационных митотических циклах клеток корневой меристемы позволяет получить достоверную оценку уровня первичных повреждений генетических систем и активности репарационных процессов.

Одним из убедительных доказательств повреждающего действия мутагенов и основных показателей генетической изменчивости организмов на клеточном уровне являются хромосомные аберрации. Появление хромосомных аберраций зависит от природы и дозы мутагена, чувствительности клеток разных генотипов к мутагенному действию [1].

Целью нашей работы было изучение влияния различных доз гамма-лучей на митотическую активность и частоту митотических нарушений клеток корневой меристемы различных видов яровых пшениц.

Материалы и методы. В качестве исходного материала были взяты представители вида Triticum aestivum L. (2n = 42) - яровая мягкая пшеница Героиня, и Triticum durum Desf. - яровая твердая пшеница Чадо (2n = 28). Сухие семена разных видов пшеницы перед посевом обрабатывали гамма-лучами, источником которых был ⁶⁰Со, на установке «Theratron Elit-80» (интенсивность излучателя 7442 Кu).

Использовали дозы: 100 Гр, 150 Гр, 200 Гр, 250 Гр. Как контроль использовали семена яровой пшеницы без обработки. Обработанные гамма-лучами семяна проращивали на увлажненной фильтровальной бумаге в чашках Петри в термостате при температуре 23-25 ^оC течение 3 суток. Фиксацию корешков осуществляли на 3 день в фиксаторе Кларка. Частоту митотических нарушений и митотическую активность (МА) изучали на давленых препаратах, которые окрашивали реактивом Шифа [7]. Митотическую активность устанавливали анализируя 1000 клеток корневой меристемы, для оценки нарушений митоза - 200 анафаз. Повторность в опыте 4-кратная.

Результаты и обсуждение. Общеизвестно, что облучение всеми видами ионизирующей радиации вызывает изменения в характере и уровне активности пролиферативных процессов. Облучения в малых дозах значительно повышает уровень митотической активности и сокращает продолжительность митотического цикла. В то же время облучения в дозах порядка нескольких сотен Гр приводит к угнетению митотической активности, а в некоторых случаях до полного подавления деления клеток.

Результаты, полученные нами, показали, что доза гамма-лучей 100 Гр, 150 Гр, 200 Гр для твердой пшеницы Чадо и 100 Гр, 150 Гр для мягкой пшеницы Героиня повышает митотическую активность клеток корневой меристемы (рис. 1). Повышение дозы снижает митотическую активность. Аналогичные результаты получены и другими авторами [2, 6].

Как известно, при высоких дозах снижение митотического индекса вызывает угнетение синтеза ДНК, что связано с нарушением работы матричных систем клеток. При летальных и сублетальных дозах большое значение для поражения клеток имеет прямое или опосредованное воздействие радиации на компоненты хроматина. При воздействии высоких доз поражается структура и функции генома, что проявляется в общем увеличении доли клеток с хромосомными аберрациями, угнетении и даже полному подавлены митозов.

Рис. 1. Митотическая активность клеток корневой меристеме яровой мягкой пшеницы Героиня и твердой пшеницы Чадо зависимости от действия гамма-лучей

Анализируя спектр нарушений митоза, нужно отметить, что митотическая активность в меристемах корешков яровой пшеницы зависит от дозы гамма-излучения, сорта и вида. Специфика генотипа проявляется в разной частоте хромосомных аберраций при одинаковых дозах мутагена. Так, у сорта мягкой пшеницы Героиня митотическая активность и частота митотических нарушений выше, чем у сорта твердой пшеницы Чадо. Таким образом, мягкая пшеница Героиня более чувствительна к действию гамма-лучей. Также нужно отметить, что у сорта Героиня наблюдается более резкий рост МА. Так, в варианте опыта 100 Гр митотическая активность увеличивается на 1,1%, а в варианте 150 Гр на 1,6% по сравнению с контролем. И также стремительно падает в варианте 200 Гр, 250 Гр на 0,4 и 0,7% соответственно; эти показатели ниже, чем в других вариантах опыта. Высокий показатель МА наблюдается в варианте опыта 150 Гр (4,8%), наиболее низкий - в варианте 250 Гр (2,5%).

Повышение митотической активности в клетках корневой меристемы прорастающих семян яровой пшеницы объясняется действием малых доз радиации, которая активирует и регулирует события в митотического цикла и ход самого митоза, т.е. приводит к ускорению деления клеток. Снижение же митотического индекса при повышении дозы гамма-облучения обусловлено сильным поражением репарационных систем клеток. Вероятно, по мере того, как действие радиации усиливается, мембранные системы клеточных органелл и эндоплазматического ретикулума теряют свои функциональные качества (гибкость, эластичность).

Что касается сорта Чадо, показатели МА различных вариантов не имеют достоверной разницы. С повышением дозы гамма-лучей митотическая активность повышается, доза 250 Гр приводит к падению МА. Самый низкий показатель МА наблюдается в контроле (2,9%), самый высокий - в варианте 200 гр. А менее значительное изменение МА под воздействием гамма-лучей может быть следствием меньшей пластичности сорта в сравнении с мягкой пшеницей Героиня.

Это свидетельствует о том, что митотическая активность в меристемах корешков зависит от генотипических особенностей растений яровой пшеницы и действия гамма-облучения. Очевидно, что существует различная чувствительность клеток в разных фазах митотического цикла, которая является универсальным, генетически детерминированным свойством, что обеспечивает высокую надежность в структурной и функциональной перестройке растительной клетки при воздействии гамма-лучей. Дифференциацию сортов по радиорезистентности их семена связывают также с различиями в тонкой структуре организации генома и активности пострадиационного восстановления. Облучение может быть пусковым моментом для цепи событий в пострадиационный период [6].

В работе была изучена зависимость количества и спектра аберраций хромосом от гамма-облучения (табл. 1).

Таблица 1. Частота клеток с митотическими нарушениями в корневой меристеме пшеницы после гамма-облучения

В варианте 200 Гр наблюдали существенное увеличением их частоты в меристемах корешков яровой пшеницы Чадо и в вариантах 100 и 200 Гр - у сорта Героиня. Как и в случае митотической активности, при рассмотрении частоты митотических нарушений наблюдается сортовая зависимость. Облучения семян твердой пшеницы Чадо приводит к росту частоты митотических нарушений при повышении дозы облучения. В случае мягкой пшеницы Героиня наблюдается падение данного показателя в вариантах опыта 150, 200 и 250 Гр по сравнению с вариантом опыта 100 Гр. Это может быть объяснено ростом элиминации клеток с повреждениями генетических структур клеточного ядра [3, 8].

Обращает на себя внимание большое количество микроядер. Наблюдается появление не только одного микроядра на клетку, но и двух и более. Причем прослеживается связь между количеством хромосомных нарушений и количеством микроядер. Так, наибольшее количество микроядер в клетках корешков яровой пшеницы Чадо наблюдалось при облучении гамма-лучами в дозе 200 Гр, а яровой пшеницы Героиня - 100 Гр. Это может указывать на значительное влияние использованных доз на генетический аппарат клеток меристемы корешков.

Таким образом, нами установлено, что действие гамма-лучей меняла протекание митоза, что отразилось в нарушениях формирования митотического аппарата, а именно: повышении митотических индексов, а также в увеличении частоты нарушений митоза на уровне веретена деления и их суммарной частоты. Также была отмечена видовая зависимость проявления влияния гамма-лучей на генетический аппарат яровой пшеницы. Была установлена, что наиболее эффективным индуктором мутаций является дозы гамма-лучей 100-150 Гр. Использование других доз облучения снижает МА.

Использованные источники

зерновой культура цитогенетический

1.Бутенко Р.О. Вплив різних доз і концентрацій мутагенів на частоту мутацій озимої пшениці // Физиология и биохимия культ. растений. - 2007. - Т.39, №4. - С. 326-333.

2.Дем'яненко В.В., Логвиненко В.Ф., Семерунь Т.Б. Вивчення цитогенетичної активності мутагенних чинників на прикладі озимої пшениці // Физиология и биохимия культ. растений. - 2005. - Т.37, №4. - С. 313-319.

3.Егоров Е.В. Аналогия биологического действия сверхмалых химических и физических доз // Радіаційна біологія. Радіоекологія. - 2003. - Т.43, № 3. - С. 261-264.

4.Ларченко К.А., Моргун В.В. Генетическая активность химических и физических мутагенов в сверхнизких дозах // Экологическая генетика: Материалы VIII съезда генетиков и селекционеров республики Беларусь. - Минск, 2002. - С. 369-377.

5.Ларченко К.А., Моргун В.В., Хроменко В.О. Ефективність низьких доз мутагенів в індукції селекційно-цінних мутацій кукурудзи // Физиология и биохимия культ. растений. - 2002. - Т.34, № 5. - С. 419-423.

6.Моргун В.В., Логвиненко В.Ф. Мутационная селекция пшеницы. - Киев: Наук. думка, 1995. - 626с.

7.Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - М.: Агропромиздат, 1988. - 270с.

8.Yamaguchi H., Morishita T., Degi K. Effect of carbon-ion beams Irradiation on mutation Induction in rice // Plant Mutation Reports. - 2006. - Vol.1, №1.- P. 25-27.

Размещено на Allbest.ru