Полезные мутации — обработка семян гамма-излучением

Текст: К. Партоев, д-р с.-х. наук, проф.; Б. Н. Сатторов, науч. сотр., Институт ботаники, физиологии и генетики растений НАН Таджикистана; С. В. Муминов, ст. науч. сотр., Агентство по химической, биологической, радиационной и ядерной безопасности НАН Таджикистана

Сегодня достоверно установлено, что в окружающей природной среде содержится множество разнообразных химических, физических и биологических факторов, выступающих мутагенами, которые способны вызывать изменения у всех живых организмов. Возделываемые сельскохозяйственные культуры также испытывают их влияние.

Оно может приводить не только к отрицательным, но и к положительным последствиям. В связи с этим целесообразно определение специфики воздействия гамма-излучений на востребованные культуры, в частности пшеницу и ячмень. В этом случае основное внимание должно быть сосредоточено на их морфологических и хозяйственно полезных признаках.

ВОСПРИЯТИЕ РАДИАЦИИ

В начале ХХ века Г. де Фриз сформулировал мутационную теорию, а в 1925 году советские ученые Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов открыли на низших грибах мутагенное действие рентгеновских лучей. Тем самым они показали, что после облучения возникают разнообразные радиорасы, свойства которых воспроизводятся в потомстве. В 1927 году Г. Мёллер в опытах на дрозофиле убедительно доказал, что ионизирующее излучение способно индуцировать мутации. Позже И. А. Рапопорт и Ш. Ауэрбах открыли явление мутагенеза под влиянием химических веществ. В начале ХХ века датский генетик В. Л. Иогансен сформулировал понятия «генотип» и «фенотип» как совокупности наследственных задатков и их проявлений соответственно. Советский биолог И. И. Шмальгаузен ввел термин «норма реакции генотипа», в пределах которой может варьироваться ответ на изменение среды. Генетиками Б. Л. Астауровым и Н. В. Тимофеевым-Ресовским в 1920–1930-е годы были разработаны представления о комплексной обусловленности признаков организма взаимодействием генотипических, внутриорганизменных и внешнесредовых факторов.

Относительно растений следует отметить, что их восприятие радиации количественно характеризуется величиной дозы, которая вызывает эффекты подавления развития, снижения урожайности, а также частичную или полную гибель. Разные сельскохозяйственные культуры имеют различную радиочувствительность.

ОПРЕДЕЛИТЬ ВОЗДЕЙСТВИЕ

В целях изучения влияния цезия-137 на изменение генетических признаков пшеницы и ячменя специалистами были проведены научные исследования. Согласно известным данным, под воздействием облучения данного радиоактивного нуклида химического элемента с атомным номером 55 и массовым числом 137 у растений проявляются торможение и задержка роста, снижение продуктивности, уменьшение репродуктивных свойств семян, клубней и корнеплодов. Однако его влияние может вызывать в том числе полезные мутации.

В лаборатории технических услуг Агентства по химической, биологической, радиационной и ядерной безопасности НАН Таджикистана семена двух сортов пшеницы (Краснодарская-99, Истаравшан) и одного сорта ячменя (Ченад-345) в течение шести часов замачивались в дистиллированной воде. Первая половина семенного материала служила контролем, то есть не обрабатывалась, вторая — подвергалась гамма-излучению. Его источником служил цезий-137 с энергией Е = 661,7 кэВ. Время процедуры составило 10 часов, поглощенная доза — 2 Гр. Контрольные и необработанные семена пшеницы и ячменя по 50 штук в каждом варианте высевались 8 февраля 2021 года на опытном участке Института ботаники, физиологии и генетики растений НАН Таджикистана, расположенного на высоте 840 м над уровнем моря в пригороде Душанбе. Способ внесения — рядковый. Растения размещались на естественном почвенном фоне, без удобрений, с проведением трехразового вегетационного полива. Уборка урожая контрольных и опытных экземпляров проводилась 6 июля 2021 года. Среди облученной популяции пшеницы Краснодарская-99 было зарегистрировано одно растение, которое имело морфологические и хозяйственно ценные признаки, несхожие с исходным сортом.

ИЗМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Как показали наблюдения, необработанные семена пшеницы и ячменя в среднем взошли раньше на 4–6 дней, чем опытные. Также у экспериментальных растений фиксировалось более позднее вступление в фазы развития — кущения, колошения, цветения и созревания. В целом разница доходила до 5–10 суток относительно контроля. Помимо этого, облучение привело к уменьшению всхожести семян. Например, под его воздействием по сорту Краснодарская-99 снижение составило 25% по сравнению с контрольными цифрами, Истаравшан — 20%, Ченад-345 — 16%. Под влиянием гамма-излучения также наблюдалось изменение ряда морфологических признаков в первом поколении М1. В частности, оно привело к уменьшению высоты растений в среднем на 20 см, или на 31,4%, по сравнению с контрольными экземплярами по сортам Краснодарская-99 и Истаравшан. Кроме того, было зафиксировано сокращение количества зерен в колосе по этим двум сортам на 2,7 штуки, или на 10,3%, относительно контроля.

Однако при этом облучение семян перед посевом привело к увеличению других показателей: массы 1000 зерен и одного колоса, выхода сырья от общей массы растений по сравнению с контрольными значениями. Под воздействием цезия-137 эти параметры возросли на 23,7, 9,3 и 48,9% соответственно в среднем по пшенице. Помимо этого, при облучении посевного материала ячменя Ченад-345 наблюдалось увеличение высоты стебля на 5,5 см, или 13,1%, количества зерен в колосе — на 0,52 штуки, или на 2,2%, а также выхода семян с общей биомассы — на 7,32%. Однако масса 1000 зерен и одного колоса, взошедших после обработки, оказалась незначительно меньше по сравнению с контрольными цифрами — на 1,7 и 3,7% соответственно. В среднем по сортам пшеницы и ячменя облучение перед посевом ингибировало проявление таких параметров, как высота растений и количество зерен в колосе, по сравнению с контролем на 17,66 и 6,07% соответственно. Наряду с этим отмечалась стимуляция выхода зерна от общей биомассы — на 16,9%, массы 1000 зерен — 25,25%, расчетной урожайности — 20,76%.

ОСОБАЯ ФОРМА

Как уже отмечалось, среди популяции облученных растений сорта Краснодарская-99 появился экземпляр, который, в отличие от исходных образцов, имел ости. Частота появления мутации по этому признаку, или фенотипу, составила 2,7% от общего количества экземпляров, то есть из 37 взошедших растений указанного сорта. Мутантная форма пшеницы М1 Краснодарская-99, кроме остистости, также отличалась от норматива по ряду полезных параметров. Так, по высоте растений она уступала исходному варианту на 11 см, или 17,6%, в то время как количество зерен в колосе, их масса в одном колосе, выход от общей биомассы и масса 1000 семян превышали его на 23,1, 103, 8,73 и 147% соответственно. В целом выделенная на основе фенотипической оценки среди популяции мутантная форма пшеницы М1 из сорта Краснодарская-99, полученная посредством облучения семян цезием-137 перед посевом, по ряду качественных и количественных показателей существенно отличалась от исходных экземпляров. Она будет изучена в последующем поколении М2 в 2022 году.

Таким образом, проведенные специалистами научные исследования показали, что обработка семян пшеницы и ячменя гамма-излучением перед посевом в зависимости от генотипических особенностей сортов приводит к изменению ряда морфологических и хозяйственно полезных признаков. В целом данное направление можно считать интересным для последующих научных изучений.