Дистанційні радіомодифікаційні ефекти в рослинному організмі

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 581.143.28:58.03

ДИСТАНЦІЙНІ РАДІОМОДИФІКАЦІЙНІ ЕФЕКТИ В РОСЛИННОМУ ОРГАНІЗМІ

03.00.01 - радіобіологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Ситнік Світлана Вікторівна

Київ-2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті клітинної біології та генетичної інженерії НАН України.

Науковий керівник:доктор біологічних наук, професор, академік НАН України Гродзинський Дмитро Михайлович, Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, завідувач відділу біофізики і радіобіології. рослинний дистанційний радіомодифікаційний

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор Войціцький Володимир Михайлович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри біохімії біологічного факультету;

доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Гудков Дмитро Ігорович, Інститут гідробіології НАН України, завідувач відділу радіоекології.

Захист відбудеться 21 квітня 2008 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, просп. академіка Глушкова, 2, корп. 12, біологічний факультет, ауд. 434.

Поштова адреса: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 64, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, біологічний факультет, спеціалізована вчена рада Д 26.001.24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий 20 березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Т. Р. Андрійчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження реакцій організмів на дію несприятливих техногенних факторів довкілля є одним із головних напрямків сучасної біології (Гродзинский Д. М., 1989, Кордюм Е. Л. и др., 2003). Серед фізичних екологічних факторів особливу увагу привертають іонізуючі випромінювання (ІВ), впливу яких дедалі більше зазнає біота (Бурлакова Е. Б. и др., 1999). Відомо, що дія стресорів, зокрема, ІВ, викликає у рослин складну багатоетапну відповідь (Кузнецов В. В., 1999). При цьому міжорганні взаємодії можуть модифікувати результати дії стресових факторів, що спостерігається, наприклад, при реакції рослин на температурні впливи (Акимова Т. В. и др., 2001), при радіоадаптації (Серебряный А. М., Зоз Н. Н., 2001), радіотерапії пухлин (Копылов В. А. и др., 1987) і може мати місце при реалізації "ефекту свідка" на надклітинному рівні (Morgan W.F., 2003, Nagasawa H. et al., 2003, Ермаков А. В. и др., 2005, 2007, Литтл Д. Б., 2007). Одним із аспектів даної проблеми є вивчення взаємодії органів рослинного організму в процесі формування його відповіді на опромінення, що може проявлятись, зокрема, при локальному опроміненні, завдяки якому й були відкриті дистанційні ефекти впливу радіації, тобто прояв радіобіологічних ефектів в структурах, що безпосередньо не одержали дозу опромінення, котрому піддавалась решта частин організму. Вищезазначена взаємодія між органами досліджувалась досить широко, зокрема, були показані негативні наслідки впливу ІВ на тканини і органи, котрі безпосередньо не опромінювались (Кузин А. М., 1970, 1991). У більшості подібних робіт акцентувалась увага на інгібіторних дистанційних ефектах, проте було встановлено, що найінтенсивніше дистанційні ефекти радіації проявляються в діапазонах доз, що викликають радіостимуляцію, та доз, що спричиняють проліферативну загибель клітин у опроміненому органі (Михеев А. Н., 1983). Загальною ознакою всіх попередніх досліджень, виконаних в цьому напрямку, є те, що вони проводилися з застосуванням тільки окремих доз, що обмежувало отримання повної картини явища. Крім того, варто відзначити недослідженість дистанційних радіоадаптаційних процесів попри встановлений прояв ефектів дистанційної радіостимуляції, що можуть бути початковим етапом радіоадаптації. Дослідження закономірностей прояву дистанційних радіомодифікаційних ефектів у багатоклітинному організмі і специфічності цих ефектів щодо фактора впливу необхідне для більш глибокого вивчення явища радіоадаптації у рослин та при розгляді питань стосовно дистанційних ефектів при радіотерапії пухлин та “ефекті свідка”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у відділі біофізики та радіобіології Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України відповідно до тем наукових досліджень:

1. "Хронічне опромінення рослин як фактор формування нестабільності їх геному" (1998-2002 р. р., № д/р 0101 U 000394).

2. "Наукове обґрунтування та розробка біотехнологічних підходів для вирішення проблем збільшення продуктивності та адаптаційної здатності рослин" (2002-2006 р. р., № д/р 0102 U 002963).

3. "Сигнальні і регуляторні системи у формуванні адаптивної відповіді у рослин" (2002-2007 р. р., № д/р 0103 U 005729).

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягала у вивченні закономірностей дистанційної модифікації радіобіологічних ефектів у рослинному організмі.

Дослідженням передбачалося вирішення таких завдань:

1) отримати кількісні закономірності розвитку дистанційних ефектів стимуляції та пригнічення у рослинному організмі;

2) встановити умови виникнення і закономірності розвитку дистанційних радіомодифікаційних ефектів;

3) з'ясувати специфічність дистанційного радіомодифікуючого впливу.

Об'єкт дослідження - особливості дистанційних ефектів стимуляції, пригнічення, радіоадаптації та радіосенсибілізації при дії іонізуючої радіації на багатоклітинний рослинний організм, специфічність дистанційного адаптуючого впливу щодо діючого фактора.

Предмет дослідження - рослинні тест-системи (проростки гороху Pisum sativum L. різного віку), динаміка радіобіологічних ефектів при опроміненні окремих органів рослин.

Методи дослідження: гостре локальне опромінення органів проростків Pisum sativum L. рентгенівськими променями, локальний гіпертермічний вплив, механічний вплив - способи індукування дистанційних ефектів та їх модифікації, гостре тотальне опромінення г-променями - спосіб тестування радіочутливості; фізіологічні та цитологічні методи.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації вперше детально досліджено дозові та часові залежності дистанційних ефектів радіаційної стимуляції та пригнічення ростових процесів проростків гороху Pisum sativum L., викликаних опроміненням їх окремих органів (головний корінь, пагін, сім'ядолі) шляхом дії рентгенівських променів у дозах від 0,25 Гр до 15,0 Гр. Доведено, що внаслідок гострого опромінення окремих органів рослини (пагонів, коренів, сім'ядоль) залежно від застосованої дози може виникати підвищення стійкості до дії іонізуючого випромінювання в органах, котрі безпосередньо не були опромінені. Встановлено, що дистанційно індуковані радіостимуляційні та радіоадаптаційні ефекти зберігаються після відтинання опроміненого органа. Вперше показано дистанційний радіомодифікаційний ефект гіпертермії у рослинному організмі.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результати доповнюють і поглиблюють існуючі уявлення стосовно ефектів, що можуть передаватись між органами рослинного організму у зв'язку із формуванням реакції органів на впливи абіотичних стресових факторів, і, зокрема, стосовно закономірностей радіоадаптаційних процесів у багатоклітинному рослинному організмі.

Отримані дані можуть слугувати теоретичною основою для побудови стратегій радіомодифікуючих впливів на радіаційно уражений організм і сприяти передбаченню наслідків впливу різних стрес-факторів на рослинні об'єкти; наближають до розуміння сутності механізмів формування стійкості до дії чинників оточуючого середовища, котрі негативно впливають на продуктивність сільськогосподарських рослин.

Викладені в роботі основні положення можуть бути рекомендовані до включення в навчальні програми вищих навчальних закладів, де викладаються курси "Радіобіологія", "Радіоекологія", "Радіобіологія рослин".

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто здійснено аналіз літературних даних стосовно теми дисертаційної роботи, проведено експериментальні дослідження, обробку результатів і сформульовано висновки, написані наукові публікації за темою дисертаційної роботи. Формулювання теми і мети роботи, а також планування експериментів здійснювалось спільно з науковим керівником, обговорення результатів роботи проводилось за участю наукового керівника та співавторів публікацій.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені на Всеукраїнській конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Біорізноманіття природних і техногенних біотопів України" (Донецьк, 2001); Всеукраїнській науково-практичній конференції "Молодь, освіта, наука, культура і національна самосвідомість" (Київ, 2003); ІІІ З'їзді з радіаційних досліджень (радіобіологія і радіоекологія) (Київ, 2003); Российской научной конференции "Медико-биологические проблемы противолучевой и противохимической защиты" (Санкт-Петербург, 2004); II Міжнародній конференції "Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти" (Львів, 2004); V Міжнародній науково-практичній конференції "Динаміка наукових досліджень - 2006" (Дніпропетровськ, 2006); The 35th Annual Meeting of the European Radiation Research Society and The 4th Annual Meeting of the Ukrainian Society for Radiation Biology "European Radiation Research 2006" (Kyiv, 2006); Міжнародній конференції молодих учених-ботаніків "Актуальні проблеми ботаніки, екології та біотехнології" (Київ, 2006); Третій Міжнародній науковій конференції "Молодь та поступ біології" (Львів, 2007); The III International Young scientists conference "Biodiversity. Ecology. Adaptation. Evolution" (Odesa, 2007).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 наукових робіт, в тому числі 3 статті у фахових виданнях, що затверджені переліком ВАК України, і 14 тез доповідей у матеріалах міжнародних та вітчизняних наукових конференцій, семінарів, з'їздів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, огляду літератури, опису матеріалів та методів досліджень, результатів досліджень та їх обговорення, висновків та списку використаних літературних джерел, який містить 225 найменувань. Робота викладена на 140 сторінках друкованого тексту, ілюстрована 36 рисунками і 4 таблицями.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Визначення ростових характеристик проростків, що піддавались впливу опромінення та гіпертермії. Дослідження проводили на проростках гороху посівного Pisum sativum L. сортів Комет (вивчення дистанційних радіомодифікаційних ефектів опромінення, гіпертермії та механічного впливу) та Ароніс (вивчення ролі регенераційних процесів при формуванні дистанційних радіомодифікаційних ефектів механічного впливу). Замочування, пророщування насіння і культивування проростків відбувалось на воді з водогону при температурі 24  1С. Культивування проростків здійснювали в кліматичній камері при освітленості 2286  224 Lx і темносвітловому циклі 16 год світла і 8 год темряви, природному радіаційному фоні (12мкР/с). Аерація води забезпечувалась за допомогою повітряного компресора.

В кожному варіанті досліду використовували вибірки із 30 рослин, які до опромінення, гіпертермічного чи механічного впливу були стандартизовані за частотою появи коренів і пагонів певної довжини. Проростки вирощували в посудинах ємністю 0,5 л.

Реакція рослин на опромінення, гіпертермічний та механічний вплив і їх поєднання оцінювалась за змінами швидкості росту головних коренів і стебел шляхом їх вимірювання і розрахунку відносної довжини та приростів (Wilkins D. A., 1957, Гродзинский А. М., Гродзинский Д. М., 1973, Przymusinski R. et al., 2004). Вимірювання здійснювали протягом 12 -- 15 днів після стресуючого впливу з періодичністю в 1 - 2 доби. Обраний час спостереження відповідав періоду, протягом якого крива росту контрольних рослин в умовах досліду проходила фазу дуже швидкого росту і переходила у фазу сповільненого росту.

При вивченні ролі регенераційних процесів при формуванні дистанційних радіомодифікаційних ефектів проводили визначення кількості бічних коренів першого порядку, їх середньої та сумарної довжини, а також маси сухої речовини.

Аналіз проліферативної активності клітин апікальних меристем коренів проростків здійснювали на тимчасових препаратах шляхом визначення мітотичного індексу (МІ) за загальноприйнятою методикою (Паушева З.П., 1988).

Експериментальні схеми вивчення дистанційних радіомодифікаційних ефектів. При вивченні ефектів дистанційної радіомодифікації використано методику, за якої спершу окремі органи об'єкта піддавали модифікуючому впливу, і через певний часовий інтервал застосовували тест-опромінення всього організму з метою вивчення спрямованості та інтенсивності змін радіорезистентності органів, які попередньо не опромінювались. У кожному досліді паралельно вивчали вплив всіх діючих чинників з різними інтенсивностями та варіантами поєднання.

Модифікуючу дозу формували за допомогою опромінення об'єктів рентгенівськими променями на установці РУМ-17, потужність експозиційної дози становила 1,462·10^-4Кл·кг^-1·с. Опромінення здійснювали з використанням фільтрів 5·10^-4 м Cu та 1·10^-3 м Al, фокусна відстань становила 5·10^-2 м, напруга -- 200 кВ, сила струму - 5 мА за доз 0,25 - 3,0 Гр і 10 мА за доз 5,0 - 25,0 Гр. Роздільне опромінення окремих органів проростків забезпечувалось шляхом екранування решти органів свинцевими пластинками товщиною 8,5·10^-3 м. Тест-опромінювання (дози 6,0 і 7,0 Гр) проводили за допомогою гамма-установки „ИССЛЕДОВАТЕЛЬ” при потужності дози від 2·10^-2 до 5·10^-2 Гр/с.

З метою встановлення доз, що викликають стимуляцію чи пригнічення у неопромінених органах, виконували роздільне опромінення коренів і пагонів проростків (діапазон доз 0,25 - 15,0 Гр) і сім'ядоль (дози 1,0 Гр, 5,0 Гр і 20,0 Гр), результати порівнювали з контрольним варіантом (інтактні рослини) і варіантом тотального опромінення проростків. Для перевірки можливості дистанційної радіоадаптації були проведені досліди з попереднього впливу ІВ (0,5 Гр і 3,0 Гр) на окремі органи проростків з наступною дією радіації (6,0 Гр) на весь організм. З метою з'ясування ролі дистанційної передачі сигналу при модифікації радіобіологічних реакцій кореня пагони проростків опромінювали рентгенівськими променями (дози 0,5 Гр, 5,0 Гр і 10,0 Гр) і через 1,5 год відтинали, після чого рослини відразу опромінювали -променями у тест-дозі 6,0 Гр. Контролем у даному випадку були неопромінені рослини із видаленими пагонами, а також рослини із видаленими пагонами, тотально опромінені (6,0 Гр). Оцінку дистанційних радіомодифікуючих ефектів механічного впливу проводили шляхом визначення інтенсивності утворення бічних коренів після відтинання апекса головного кореня проростків і наступного тотального тест-опромінення, результати порівнювали з результатами груп інтактних рослин, та опромінених у тест-дозі рослин з інтактними коренями. Для встановлення ефектів дистанційного впливу гіпертермії проростки піддавали локальному гіпертермічному впливу шляхом занурення коренів на 20 хв у воду, температура якої становила 42° С. Через 1,5 год рослини опромінювали -променями на установці «ИССЛЕДОВАТЕЛЬ» в дозах 3 Гр 9 Гр і 15 Гр при потужності поглинутої дози 4·10^-2Гр/с.

Статистична обробка результатів експерименту проводилась параметричними і непараметричними загальноприйнятими методами (Лакин Г. Ф., 1990, Боровиков В., 2001), достовірними вважались відмінності при p?0,05.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дозові залежності прямих і непрямих ефектів іонізуючого випромінювання. Встановлення ефектів тотального опромінення проростків. Внаслідок опромінення проростків рентгенівськими променями в дозах 1, 3, 5, 7, 9, 11, 20 і 25 Гр була оцінена радіочутливість піддослідних сортів гороху, одержано дозові залежності, що відображають ефекти прямого впливу ІВ на ріст головного кореня і стебла, а також досліджена динаміка ростових реакцій на опромінення.

Встановлено, що за показником довжини головного кореня і стебла, котрий опосередковано відображає активність проліферативних процесів у меристемах і рівень метаболізму, процес росту стебел є більш радіочутливим, ніж процес росту коренів при тотальному опроміненні. Так, дози, котрі на 50 % пригнічували ріст стебла і кореня на 14 добу після опромінення, становили 5 і 6 Гр відповідно (рис. 1).

У зв'язку з цим доза 6 Гр була обрана як тест-доза для більшості подальших дослідів з радіаційної модифікації, зокрема, використовувалась при вивченні впливу локалізації опромінення на формування і прояв радіобіологічних ефектів у рослинному організмі.

Встановлення ефектів впливу опромінення окремих органів проростків. В результаті застосування роздільного опромінення були виявлені дистанційні ефекти стимуляції і пригнічення росту осьових органів проростків (рис. 2А, 2Б).

Аналіз даних динаміки розвитку радіобіологічних реакцій, викликаних опроміненням окремих органів, дозволяє стверджувати, що інтенсивність прояву дистанційних і прямих ефектів дії ІВ залежить від часу, що пройшов з моменту опромінення, а реакції пагона на опромінення є більш залежними від стану решти частин організму, ніж реакції кореня. Різниця доз, що викликали однаковий ефект пригнічення росту стебла після його окремого опромінення і опромінення всього проростка, становила близько 2 Гр (в діапазоні доз 3 - 8 Гр на 8 - 12 добу після опромінення). Показано, що інгібування росту коренів і стебел в ході розвитку радіобіологічної реакції може переходити у стимуляцію. Показано збільшення мітотичного індексу апікальних меристем коренів в 1,5-1,8 разів порівняно з контролем при збільшенні лінійних розмірів внаслідок опромінення незначними дозами (1 і 3 Гр), тоді як ефект появи подовжених коренів, викликаний опромінення пагонів у дозах 9, 12 і 15 Гр, не супроводжувався статистично значимим зростанням МІ. Це дає змогу припустити інші механізми (наприклад, трофічні) збільшення довжини коренів в даному випадку. Варто відзначити, що на ранніх чи пізніх етапах розвитку радіаційного ураження, а також при досить великих дозах (9 - 15 Гр) знижувався до мінімуму ефект більш сильної дії однієї і тієї ж дози іонізуючих випромінювань, одержаної органом при тотальному опроміненні, ніж при локальному.

Встановлені факти дистанційної радіаційної стимуляції за дії малих доз ІВ на органи, що знаходяться в стані активного росту, обумовили продовження роботи в напрямку більш детального дослідження дозових і часових закономірностей прояву таких ефектів. Поняття “малі дози” в даному випадку вживається в значенні таких, що не спричиняли помітної ушкоджуючої дії за ознаками, що вивчалися, оскільки в цій серії дослідів був використаний діапазон доз, менших від встановленої в попередніх експериментах порогової дози (3,5 Гр) для детермінованого ефекту пригнічення швидкості росту осьових органів.

При опроміненні в дозах 0,25 - 3 Гр було встановлено ефекти дистанційної стимуляції росту кореня і стебла (рис. 3, 4). З результатів, наведених на рис. 3 А і 4 А видно, що локальне опромінення пагона в діапазоні доз 1,5 - 2,5 Гр приводило до збільшення швидкості росту головного кореня.

Найбільша вираженість вказаного ефекту відмічена за доз 1,5 і 2,0 Гр, стимуляція після опромінення спостерігалась протягом всього періоду спостережень.

Тенденція до збільшення швидкості росту стебла з'являлася після локального опромінення кореня (рис. 3Б, 4Б), але це збільшення було статистично недостовірне. Швидкість росту пагона прискорювалась головним чином внаслідок опромінення його самого (рис. 4Б).

Дослідження дистанційних ефектів, викликаних локальним опроміненням органів, що не знаходяться в стадії активного росту на момент дії радіації, і є відносно радіостійкими, було проведене шляхом опромінення сім'ядоль. За умови екранування решти частин проростка дія ІВ на сім'ядолі викликала статистично достовірну стимуляцію росту як коренів (рис. 5А), так і стебел (рис. 5Б). Стимуляція росту коренів внаслідок опромінення сім'ядоль наростала в часі, 30-відсоткове збільшення їх довжини порівняно з контролем відзначали на 15 добу після опромінення (рис. 5А). Стимуляція росту пагонів на 20 % порівняно з контролем була тимчасовою (пік на 4 добу після опромінення) (рис. 5Б). Важливо вказати на відсутність прямої залежності інтенсивності стимуляції від дози.

Встановлена наявність дистанційних радіостимулюючих ефектів опромінення є важливою з точки зору можливої радіоадаптації, оскільки етап стимуляції фізіологічних процесів при дії несприятливого чинника може передувати прояву адаптації. Враховуючи можливу зміну радіостійкості рослин зі стимульованими ростовими показниками, робота була продовжена в напрямку вивчення дистанційних ефектів радіаційної модифікації та радіоадаптації як її окремого випадку.

Дистанційна модифікація радіобіологічних реакцій

Вивчення впливу локального опромінення як фактора дистанційної радіомодифікації. В результаті локального опромінення органів показано дистанційний ефект радіоадаптації (0,5 Гр) та радіосенсибілізації (3 Гр ) (рис. 6). Порівняння варіантів, у яких було застосоване попереднє локальне опромінення із наступним опроміненням в тест-дозі (6 Гр), та варіантів, опромінених виключно в дозі 6 Гр, показало статистично значиму відмінність (р?0,05) між варіантами опромінення «6 Гр» та «0,5 Гр (корінь)+ 6 Гр», «0,5 Гр (пагін)+6 Гр» «3 Гр (весь організм)+ 6 Гр», «3 Гр (корінь)+6 Гр» за показником довжини кореня, а також між варіантами «6 Гр» та «0,5 Гр (пагін)+6 Гр» і «3 Гр (пагін)+6Гр» за показником довжини стебла. Дистанційний радіомодифікуючий вплив опроміненого пагона на корінь є більш вираженим, ніж кореня на пагін.

Показано дистанційний радіоадаптуючий вплив опромінених сім'ядоль на ростові процеси коренів (рис. 7А) і стебел (рис. 7Б). Більш сильний за проявом і тривалістю ефект зафіксовано за ростовими реакціями коренів, а адаптаційні процеси в стеблі відбуваються меншою мірою і мають нетривалий характер. При цьому відсутня пряма залежність між величиною першої застосованої дози та інтенсивністю прояву радіомодифікаційного ефекту. Так, дози 5 Гр і 20 Гр викликають майже однаковий радіоадаптаційний ефект, спостережуваний за критерієм росту коренів, а доза 1 Гр в цьому випадку не викликає статистично значимих модифікацій (рис. 7).

Таким чином, одержані дані дозволили підтвердити наявність дистанційних радіомодифікаційних і, зокрема, радіоадаптаційних ефектів, що можуть бути як результатом зміни трофічних взаємодій органів при формуванні наслідків радіаційного ураження організму в процесі його росту, так і викликатись передаванням певного сигналу, що виникає після опромінення.

Вивчення дистанційної модифікації радіобіологічних ростових реакцій, викликаної гіпертермічним впливом. В результаті локальної дії гіпертермії на корені 4-денних проростків було показано, що даний вид впливу, опромінення та їх поєднання викликали зменшення довжини коренів і пагонів, затримку утворення бічних коренів 1-го порядку (рис. 8) і зниження їх кількості. Не було зафіксовано відмінностей у швидкості росту рослин, що зазнали послідовного впливу гіпертермії і опромінення в пригнічуючих дозах 9 і 15 Гр і рослин, що піддавались лише опроміненню. У випадку, коли тест-доза становила 3 Гр і застосування тільки цієї дози спричиняло зниження довжини кореня максимум на 15% (6 доба після опромінення) (рис. 9А), чітко простежується радіосенсибілізуючий ефект від гіпертермічного впливу, а в реалізації процесів відновлення відзначається аддитивність опромінення і гіпертермії (10 доба після опромінення). За критерієм довжини стебла виявлено дистанційний радіосенсибілізуючий ефект гіпертермії, що проявляється при розвитку реакції з 8-ї доби після опромінення (рис. 9Б ).

Привертає увагу відновлення коренів рослин за різних доз впливу. По-перше, це прискорення швидкості росту, що спостерігається при застосуванні опромінення в дозі 3 Гр, температурного впливу або їх поєднання. Це прискорення швидкості росту може на 80 % перевищувати контрольний варіант (10 доба). По-друге, відновлення шляхом утворення бічних коренів при застосуванні дози 9 Гр. Найбільш чітко явище прямої терморадіомодифікації проявляється при більшій дозі опромінення (15 Гр) за критерієм часу утворення бічних коренів 1-го порядку (рис. 8).

Застосоване поєднання температурного і радіаційного впливів дозволило виявити наявність дистанційної терморадіосенсибілізації в рослинному організмі, на що раніше у відомих нам літературних джерелах уваги не звертали. Як і в дослідах з локальним і тотальним впливом виключно опромінення, пагін є більш чутливим органом, ніж корінь, дистанційні ефекти дії температури проявляються інтенсивніше, ніж прямі ефекти. Таким чином, можна стверджувати, що дистанційні радіомодифікаційні ефекти не є специфічними щодо застосованого чинника і є окремим випадком інтегральної реакції рослинного організму на вплив несприятливих факторів оточуючого середовища.

Вивчення дистанційної модифікації радіобіологічних ростових реакцій, викликаної механічним впливом. Для вивчення механічного впливу як можливого чинника дистанційної модифікації було застосоване відтинання апікальної меристеми головного кореня у 3-добових проростків.

Даний вплив спричинював збільшення сумарної довжини бічних коренів та маси їх сухої речовини, що найбільш інтенсивно проявлялись на 3 добу після відтинання апексів. Так, сумарна довжина бічних коренів збільшувалась на 0,57±0,05 в.о. і маса сухої речовини - на 0,98±0,08 в.о. порівняно з контролем. Опромінення (7 Гр) проростків у цей момент дозволило встановити їх підвищену радіостійкість (рис. 10), що підтверджує неспецифічність дистанційних радіомодифікаційних процесів стосовно першого фактора впливу.

Збереження ефектів дистанційної модифікації радіобіологічних реакцій. З метою з'ясування значення часового проміжку між впливом на окремий орган і на весь організм в явищі модифікації ростових реакцій пагони проростків були опромінені в дозах 0,5 Гр, 5 Гр і 10 Гр, після чого видалені. Часовий інтервал між опроміненням і відтинанням пагона був підібраний експериментально шляхом його варіювання в діапазоні 0,5 - 48 год, найефективнішим за здатністю викликати дистанційні ефекти радіостимуляції виявився проміжок 1,5 год, що може бути непрямим свідченням індукування репараційних механізмів.

Протягом всього часу спостережень було показано чіткий ефект дистанційної радіостиму-ляції коренів (рис. 11), сила і час прояву цього ефекту не залежали від доз опромінення пагона, тобто варіанти, де застосову-вались дози 0,5 Гр, 5,0 Гр і 10,0 Гр, практично не відрізнялись між собою, але достовірно відрізня-лись від контролю (неопромінені рослини з відрізаним пагоном), пік стимуляції припадав на 5-й день після опромінення, коли довжина коренів у всіх опромінених варіантах досягала 140-145 % ( 6-7%) від контролю. При порівнянні одержаних даних з результатами вищенаведених досліджень виявилось, що опромінення верхівкової меристеми пагона з наступним її відтинанням спричиняє більш інтенсивний прояв явища дистанційної радіостимуляції, реєстрованої за швидкістю росту кореня, ніж опромінення без відтинання пагона. Для групи рослин, опромінених умовно модифікуючою (на пагони з їх відтинанням через 1,5 год) і тестуючою (на весь організм) дозами, було відзначено наявність дистан-ційних ефектів радіоадаптації та радіосенсибілізації (рис. 12). Інтенсивність і час прояву дистанційного радіо-адаптаційного ефекту залежа-ли від величини адаптуючої дози. Так, спостерігався слабкий статистично недос-товірний ефект при дозі 0,5 Гр (на наведеному графіку не показаний), статистично значимий радіоадаптаційний ефект, що проявлявся протягом всього часу спостережень при дозі 5 Гр (рис.12) і статистично значимий ефект радіо-сенсибілізації, що проявлявся внаслідок опромінення пагонів у дозі 10 Гр (рис. 12).

Таким чином, показана можливість дистанційної радіоадаптації і збереження дистанційних адаптуючих ефектів після відтинання опроміненого органа. Прояв дистанційних ефектів радіаційної стимуляції і радіаційної адаптації у рослин після відтинання опроміненого адаптуючою дозою органа дає можливість припускати передачу сигналу від опроміненого органа до неопроміненого і певну роль цього сигналу в забезпеченні подальшого прояву дистанційних ефектів радіомодифікації (радіоадаптації).

ВИСНОВКИ

1. В дисертації досліджено залежності дистанційних ефектів впливу іонізуючих випромінювань (0,25 - 15,0 Гр) на окремі органи проростків гороху Pisum sativum L. (головний корінь, верхівка стебла, сім'ядолі) від дози, а також від часу, що пройшов з моменту опромінення, і досліджено зміни радіостійкості проростків, викликані попереднім опроміненням окремих органів (головний корінь, верхівка стебла, сім'ядолі), механічним і гіпертермічним впливами на головний корінь.

2. Показані дистанційні ефекти дії іонізуючого випромінювання, що реалізуються у формі стимуляції та пригнічення ростових процесів. Локальне опромінення пагонів у дозах 1,0 - 3,0 Гр і 9,0 - 15,0 Гр викликало ефекти радіостимуляції росту коренів; локальне опромінення коренів у дозах 1,5 Гр і 2,0 Гр -- ефекти радіостимуляції росту пагонів. Локальне опромінення сім'ядоль в дозах 1,0, 5,0 і 20,0 Гр викликало ефекти стимуляції росту коренів і пагонів. Прояв дистанційних ефектів пригнічення ростових процесів пагонів спостерігався при опроміненні коренів у дозах 12,0 - 15,0 Гр.

3.Встановлено, що попереднє опромінення окремих органів проростків гороху (головний корінь, стебло, сім'ядолі) залежно від застосованої дози може спричиняти як збільшення так і зменшення стійкості неопромінених органів до наступної дії радіаційного фактора. При опроміненні головного кореня і пагона доза 0,5 Гр приводить до зростання радіостійкості неопромінених органів, а доза 3,0 Гр - до зменшення радіостійкості. При опроміненні сім'ядоль дози 5,0 Гр і 20,0 Гр викликають зростання стійкості до опромінення, а доза 0,5 Гр не впливає на радіостійкість.

4. Продемонстровано, що дистанційно індуковане опроміненням пагона (0,5, 5,0 і 10,0 Гр) збільшення інтенсивності росту кореня, а також радіоадаптаційні ефекти в корені, дистанційно індуковані опроміненням пагона (5,0 і 10,0 Гр), зберігаються після видалення опроміненого органа.

5. Встановлено неспецифічність дистанційної модифікації радіочутливості стосовно першого діючого фактора: показано збільшення стійкості пагонів і коренів до тест-опромінення (7,0 Гр), спричинене відтинанням апекса головного кореня, і зменшення чутливості пагонів до наступного опромінення внаслідок гіпертермічного впливу на корені (42°С).

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ситнік С. В., Гродзинський Д. М. Дистанційний вплив іонізуючого випромінювання на ростові процеси в рослинному організмі // Збірник наукових праць Інституту ядерних досліджень. - 2004.- № 1 (12).- С. 83 - 87.

2. Ситнік С. В., Міхєєв О. М. Дистанційна радіостимуляція у рослинному організмі // Гігієна населених місць. - 2006.- Вип. 48 .- С. 306 - 313. (Особисто дисертантом проведені експериментальні дослідження, оброблені результати, сформульовані висновки, написана стаття)

3. Михеев А. Н., Овсянникова Л. Г., Сытник С. В., Дяченко А. И. Роль регенерационных механизмов в радиоадаптации проростков Рisum sativum L. // Вісник Харківського національного аграрного університету. Серія Біологія. - 2007. - Вип. 1 (10).- С. 76 - 84. (Особисто дисертантом проведено експериментальні дослідження, оброблено результати; дисертант брала участь у плануванні експериментів, формулюванні висновків і написанні статті).

4. Mikheev A., Ovsyannikova L., Sytnik S., Dyachenko A., Lozovaya T. Role of regeneration mechanisms in radioadaptation of Рisum sativum L. seedlings // Current Problems of Radiation Researches: Proceedings of the 35^th Annual Meeting of the European Radiation Research Society (European Radiation Research 2006). - К., 2007. - P. 178 - 189. (Особисто дисертантом проведено експериментальні дослідження, оброблено результати; дисертант брала участь у плануванні експериментів, формулюванні висновків і підготовці матеріалу до друку).

5. Ситнік С. В. Взаємодія органів рослинного організму в процесі формування реакції-відповіді на радіаційний стрес // Біорізноманіття природних і техногенних біотопів України: Всеукраїнська конференція студентів, аспірантів та молодих вчених. Донецьк, 19 - 22 лист. 2001 р. - Донецьк, 2001. - Ч. І. - С. 90-93.

6. Ситнік С. В. Дистанційні ефекти дії радіаційного стресора на рослинний організм // Молодь, освіта, наука, культура і національна самосвідомість: Всеукраїнська науково-практична конференція. Київ, 27-28 березн. 2003 р. - К., 2003. - Т. 3. - С. 233 - 235.

7. Сытник С. В., Гродзинский Д. М. Дистанционные радиостимулирующие эффекты // ІІІ З'їзд з радіаційних досліджень (радіобіологія і радіоекологія). Київ, 21 - 25 травня 2003 р. - К., 2003. - С. 427.

8. Сытник С. В., Гродзинский Д. М. Влияние ионизирующего излучения на ростовые процессы в растительном организме при условии локального облучения органов // ІІІ З'їзд з радіаційних досліджень (радіобіологія і радіоекологія). Київ, 21 - 25 травня 2003 р. - К., 2003. - С. 426.

9. Сытник С. В. Дистанционные радиомодифицирующие эффекты в растительном организме // Медико-биологические проблемы противолучевой и противохимической защиты: Российск. научн. конф. Санкт-Петербург, 20 - 21 мая 2004 г. - СПб., 2004. - С. 164 - 165.

10. Ситнік С. В., Гродзинський Д. М. Роль модифікації корелятивних зв'язків органів проростків у формуванні радіаційної відповіді // Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти: II Міжнародна конференція. Львів, 18 -21серпня 2004 р. - Львів, 2004. - С. 178.

11. Сытник С. В. Межорганный эффект свидетеля у растений // Динаміка наукових досліджень - 2006: V Міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 17 - 28 липня 2006 р. - Дніпропетровськ, 2006. - Т. 6. - С. 53 - 55.

12. Sytnik S. Plant organs interaction after the radiation influence // European Radiation Research 2006: The 35th Annual Meeting of the European Radiation Research Society and The 4th Annual Meeting of the Ukrainian Society for Radiation Biology. Kyiv, 22 - 25 Aug. 2006. - Kyiv, 2006. - P. 83.

13. Sytnik S., Mikhveyev A. Long distance radiomodification effects of hyperthermia // European Radiation Research 2006: The 35th Annual Meeting of the European Radiation Research Society and The 4th Annual Meeting of the Ukrainian Society for Radiation Biology. Kyiv, 22 - 25 Aug. 2006. - Kyiv, 2006. - P. 108.

14. Mikhyeyev A., Ovsyannykova L., Sytnyk S., Lozovaya T., Dyachenko A., Vasylenko T. Non-repair mechanisms of radioadaptive response // European Radiation Research 2006: The 35th Annual Meeting of the European Radiation Research Society and The 4th Annual Meeting of the Ukrainian Society for Radiation Biology. Kyiv, 22 - 25 Aug. 2006. - Kyiv, 2006. - P. 103.

15. Ситнік С. В. Дистанційний ефект гіпертермії як фактор модифікації радіаційного ураження рослин // Актуальні проблеми ботаніки, екології та біотехнології: Міжнар. конф. молодих учених-ботаніків. Київ, 27-30 вересня 2006 р. - К., 2006. - С. 164-165.

16. Ситнік С. В., Щербина П. П., Міхненко О. М. Радіоадаптивні відповіді рослин на різних стадіях онтогенезу // Молодь та поступ біології: Третя Міжнар. науков. конф. студентів і аспірантів. Львів, 23-27 квітн. 2007 р. - Львів, 2007. - С.437 - 438.

17. Sytnik S. V., Shcherbyna P.P., Mikhnenko O.M. Plant radioresistance on juvenile development stages // Biodiversity. Ecology. Adaptation. Evolution: The III International Young scientists conference. Odesa, 15 - 18 May, 2007.- Odesa, 2007. - P.69

АНОТАЦІЯ

Ситнік С. В. Дистанційні радіомодифікаційні ефекти в рослинному організмі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.01 - радіобіологія. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2007.

В дисертації представлено результати досліджень дистанційних ефектів дії радіаційного фактора на рослинний організм. Дозові та часові залежності дистанційних ефектів вивчено за ростовими показниками в умовах гострого опромінення. В результаті експериментальних досліджень показано, що локальне опромінення окремих органів рослини (головний корінь, пагін, сім'ядолі) в складі організму викликає дистанційні ефекти радіаційної стимуляції і пригнічення росту, радіоадаптації та радіосенсибілізації. Показано, що дистанційні ефекти дії іонізуючого випромінювання спостерігаються в усьому дослідженому діапазоні доз, характер їх прояву залежить від застосованої дози та локалізації опромінення, а інтенсивність прояву змінюється з часом. Встановлено неспецифічність дистанційних ефектів стосовно діючого фактора. Зокрема, показано дистанційні радіосенсибілізаційні ефекти, викликані гіпертермічним впливом на корінь та дистанційні радіоадаптаційні ефекти, спричинені механічним впливом на корінь. Показане збереження дистанційних радіостимуляційних та радіоадаптаційних ефектів після відтинання опроміненого органа.

Ключові слова: дистанційні ефекти, радіомодифікація, радіоадаптація, Pisum sativum L.

АННОТАЦИЯ

Сытник С. В. Дистанционные радиомодифицирующие эффекты в растительном организме. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.01 - радиобиология. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2007.

В диссертации представлены результаты исследований дистанционных эффектов (то есть эффектов, проявляющихся в органе, непосредственно не подвергавшихся влиянию фактора) ионизирующей радиации, гипертермии и механического воздействия на растительный организм. Дозовые и временные зависимости дистанционных эффектов изучены в условиях острого облучения. Исследование было проведено на проростках гороха Pisum sativum L. сортов Комет и Аронис, выращиваемых в климатической камере в условиях водной культуры. Дистанционные эффекты радиационной модификации индуцировались путем острого облучения отдельных органов проростков рентгеновскими лучами, гипертермическим или механическим воздействием. Тестирующее облучение проростков осуществлялось г-лучами. В качестве оценочных критериев использовались физиологические (изменения длины органов, показатель относительной скорости роста, масса сухого вещества, количество боковых корней первого порядка) и гистологический (митотический индекс) показатели.

В результате экспериментальных исследований показано, что локальное облучение отдельных органов растения (главный корень, побег, семядоли) в составе организма вызывает дистанционные эффекты радиационной стимуляции и угнетения роста, положительной и отрицательной модификации радиоустойчивости. Знак дистанционного эффекта (стимуляция или угнетение, положительная или отрицательная модификация) при облучении растущих органов зависит от величины дозы облучения, а интенсивность проявления эффекта - от времени, прошедшего от момента облучения. Так, показана дистанционная стимуляция ростовых процессов при облучении корней и побегов в диапазоне 0,5 - 2,5 Гр и дистанционное угнетение при облучении в дозах более 7 Гр. Вследствие локального облучения отдельных органов показан дистанционный эффект радиоадаптации (вызван дозой 0,5 Гр) и радиосенсибилизации (вызван дозой 3 Гр) к последующему тотальному облучению в дозе 6 Гр. В случае облучения семядолей не наблюдалось четкой зависимости силы проявления эффекта стимуляции роста побегов и корней от дозы. Сочетание облучения семядолей с последующим облучением проростка в дозе 6 Гр позволило установить наличие дистанционного положительного радиомодифицирующего влияния облученных семядолей на ростовые процессы корней и побегов. Время и сила проявления эффекта в данном случае зависели от дозы (чем меньше доза, тем слабее и непродолжительнее эффект). Дистанционные эффекты радиационной стимуляции ростовых процессов и радиоадаптации вследствие облучения семядолей были выражены сильнее, нежели вследствие облучения осевых органов, притом, что большинство наблюдаемых дистанционных эффектов радиостимуляции проявлялись более интенсивно и в более широком дозовом диапазоне, чем эффекты прямой радиостимуляции.

Показано сохранение дистанционных радиоадаптирующих эффектов после отсечения облученного органа. В серии опытов с облучением побегов 4-дневных проростков (дозы 0,5 Гр, 5 Гр и 10 Гр) и их отсечением через 1,5 часа зафиксирован четкий эффект дистанционной радиостимуляции роста корня по сравнению с необлученными декапитированными растениями. Сила и время проявления этого эффекта не зависели от доз облучения побега. Тотальное облучение (г -лучи, 6 Гр) растений с облученными в указанных дозах и отсеченными побегами, проведенное сразу после декапитации, позволило установить положительную дистанционную радиомодификацию и радиосенсибилизацию главного корня, проявление данных эффектов зависело от величины дозы облучения побега.

Установлена неспецифичность дистанционных эффектов относительно действующего фактора - показаны дистанционные радиомодифицирующие эффекты гипертермического и механического (отсечение апекса) воздействия на корень.

Ключевые слова: дистанционные эффекты, радиомодификация, радиоадаптация, Pisum sativum L.

ANNOTATION

Sytnik S. V. The abscopal radiomodificative effects in plant. - Manuscript.

Dissertation for the candidate of science degree in speciality 03.00.01 - Radiobiology. - Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2007.

The results of investigations of abscopal effects caused by ionizing radiation influence on plant organism are represented in the dissertation. The dose-depended and time-depended abscopal effects were studied after acute irradiation. It was shown that the local irradiation of separate organs (primary roots, stems, cotyledons) of entire plant organism caused the abscopal effects of growth stimulation and depression, radioadaptation and radiosensitization. The abscopal effects of ionizing radiation were observed in the whole investigated dose range. Their specificity depended on the dose and localization of x-rays influence. The intensity of the abscopal effects changed during the time after irradiation.

Nonspecificity of abscopal effects regarding acting factor was established on the examples of the abscopal radiosensitization effect caused of hyperthermia influence on roots and of the abscopal radioadaptative effect caused of mechanic influence on roots. The preservation of abscopal radioadaptative effects after excision of the irradiated organ was demonstrated.

Keywords: аbscopal effects, radiomodification, radioadaptation, Pisum sativum L.

Размещено на Allbest.ru