Каталог :: Ботаника и сельское хоз-во

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.