ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МУТАГЕНОВ НА РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ИСХОДНЫХ И МУТАНТНЫХ ФОРМ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ

INFLUENCE OF PHYSICAL MUTAGENS ON THE GROWTH PROCESSES OF INITIAL AND MUTANT FORMS OF WHEAT

Mira Dzhunusova

doctor of agricultural sciences, associate professor of Kyrgyz Turkish Manas University,

Kyrgyzstan, Bishkek

Kadyrbai Chekirov

candidate of biological sciences, associate professor of Kyrgyz Turkish Manas University,

Kyrgyzstan, Bishkek

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрен один из актуальных вопросов селекции и радиобиологии – генетические эффекты воздействия физических мутагенов на ростовые процессы исходных форм перспективных сортов и гибридов мягкой пшеницы.

ABSTRACT

This paper discusses one of the most pressing issues of selection and radiobiology – the study of the genetic effects of physical mutagens on the growth processes of initial forms of promising varieties and hybrids of wheat.

Ключевые слова: мягкая пшеница; радиация; физический мутаген; мутанты; ростовые процессы.

Keywords: soft wheat; radiation; physical mutagen; mutants; growth processes.

Введение. Накоплен большой экспериментальный материал по эффективности применения предпосевного облучения семян такими физическими агентами, как электромагнитные поля различной частоты, ультразвук, рентгеновские, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи и ионизирующее излучение. Изучение факторов, модифицирующих стимулирующее действие гамма-излучений, и учет влияния этих факторов позволили повысить повторность эффектов оптимальных стимулирующих доз. За истекшие годы накоплен материал по изучению влияния ионизирующего излучения на основные сельскохозяйственные культуры [4, с. 53]. Механизм радиостимуляции, т. е. механизм, лежащий в основе ускорения жизненных процессов, идущих в растительных организмах после облучения, многими учеными объясняется по-разному. Ряд авторов объясняют радиостимуляцию в основном нарушением элементов цитоплазмы, связывая в то же время гибель клеток и угнетение развития растений при сильных дозах с влиянием излучений на хромосомный аппарат [6, с. 436; 5, с. 35]. В работах Л.И. Вечерко [1, с. 40] показано, что дозы порядка нескольких десятков или сотен рентген, являющиеся обычно стимулирующими, вполне достаточны для нарушения нуклеопротеидов, изменения которых и являются впоследствии причиной наблюдаемых морфологических и физиологических изменений. Цитологические наблюдения также подтверждают положение, что при стимулирующих дозах отмечаются те же изменения, что и при значительно больших (сублетальных дозах), но в меньшем количестве. При высоких дозах радиации также часто происходит пробуждение дополнительных почек вследствие угнетения роста основной почки, взамен которой пробуждаются боковые. При стимулирующих дозах радиации основная почка развивается вполне нормально, но вместе с ней трогаются в рост дополнительные боковые почки, обычно не пробуждающиеся, эффект радиостимуляции можно объяснить следующим образом. Излучения, проникнув в клетку, производят серию разнообразных изменений. Наиболее существенными являются, прежде всего, изменения хромосом, в которых образуется целый ряд точковых мутаций, основная масса которых связана с разрывами и перестройками хромосом. Установлено, что при оптимальных режимах предпосевной обработки увеличивается всхожесть и энергия прорастания семян, а растения, полученные их таких семян, образуют большую органическую массу, раньше созревают, повышают урожай и его качество, увеличивая содержание белка, крахмала, сахаров, витаминов и т. д.

Таким образом, приведенные факты с несомненностью доказывают, что биологический эффект облучения семян связан прежде всего с влиянием излучения на ядерные элементы клетки, изменение которых в зависимости от дозы может обусловить либо угнетение, либо стимуляцию развития растений. Применяя предпосевное облучение семян как фактор стимуляции роста, развития и повышения урожайности растений, исследователи произвольно подбирали такие режимы обработки, которые давали максимальный эффект. Однако, на время, прошедшее от облучения до посева, не обращалось внимания. Подобные исследования проводились в Кыргызском НИИ земледелия, в частности по воздействию физических мутагенов на различные сорта сельскохозяйственных культур Кыргызской селекции, таких как кукуруза, овсы, ячмени, люцерна, винограда, лука. Поскольку эти опыты были направлены только на стимуляцию семян для повышения всхожести зерен в полевых условиях, поэтому не были изучены генетические эффекты воздействия физических мутагенов на ростовые процессы исходных форм мягкой пшеницы [3, с. 68; 2, с. 119]. В связи с этим, нами проведены специальные исследования по проверке максимального эффекта стимуляции в зависимости от дозы облучения в лабораторных условиях.

Материалы и методы исследований

Для данного исследования были взяты семена Эритроспермум 760, облученные в дозе 2,3 и 8 кр, которые проращивались на увлажненной фильтровальной бумаге в термостате при температуре 27–28ºС, в сравнении с контролем в чашках Петри на 20, 35 и 43 – и дни, и в песке на 60-й день после облучения. Определялись всхожесть семян, а также величина и вес проростков.

Гамма-облучение проведено в лаборатории кафедры физики КАУ им. К.И. Скрябина на гамма-установке «Стебель – 3А» с источником излучения Сs¹³⁷ в дозах 2 кр, 5 кр, 8 кр. Температура в центре камеры в момент облучения составляла 1°С, температура комнат при хранении семян до и после облучения составила 21–23°С.

Воздушно сухие семена были облучены в 2 срока (за 20 и 40 дней до посева). Контролем служили элитные семена исходных сортов.

Ультрафиолетовое облучение воздушно-сухих семян проводилось ртутно-кварцевой лампой ССПОЗ-750-001 в течение 5, 15, 25 минут, в лаборатории кафедры физики КАУ им. К,И. Скрябина. Расстояние от источника облучения до семян составляло 20 см, нагревание более 60°С не допускалось.

Результаты исследований и их обсуждение

Выяснено, что изучаемые дозы g-радиации, сроки хранения облученных семян в условиях лабораторного опыта не способствовали увеличению всхожести семян, проращиваемых при режиме переменных температур (таблица 1). Максимальная всхожесть семян на 3-й день отмечена в контроле – 51,7 %, минимальная – при облучении семян в дозе 8 кр – 30,0 % при 20-дневном пострадиационном хранении. Увеличение срока хранения облученных семян до 40 дней на показателе всхожести семян существенно не отразилось, так, например. На 3-й день максимальная всхожесть также отмечена в контроле – 88,3 %, а минимальная составила – 61,7 % при дозе облучения 8 кр. По числу первичных зародышевых корешков и прорастающих семян также не отмечено стимулирующего эффекта. 5-минутное ультрафиолетовое облучение, напротив способствовало всхожести семян. Так, например, число взошедших семян на 2-й и 3-й день в контроле составило 15 и 16 соответственно, а в дозе 5 минут – 18 и 17. Хотя дальнейшее повышение дозы оказывало отрицательных эффект при всех сроках хранения: при хранении семян 20 дней в дозе 25 минут число взошедших семян на 2-й и 3-й день составило 12 и 7, а хранение семян до 43 дней дало 11 и 23 семян соответственно, при контроле – 7 и 46 семян.

Положительный эффект стимулирующего действия радиации на рост побегов 3-дневных проростков отмечен при следующих дозах 2 кр – 3,0 см и, особенно, 5 кр –3,2 см, в сравнении с контролем – 2,7 см. В дозе 8 кр наблюдалось уже отрицательное действие радиации на рост побегов – 2,4 см.

Рост главных зародышевых корешков усилился при дозе радиации 2 кр – 4,5 см, при контроле – 4,0 см. Дальнейшее увеличение дозы радиации до 5 и, особенно, до 8 кр сказывалось отрицательно – 3,3 и 2,0 соответственно.

Рост боковых зародышевых корешков снижался при всех изученных дозах радиации, закономерно уменьшаясь при увеличении дозы радиации. Так например, контроль составил 9,0 см, при g-облучении 8 кр – 5,8 см, при у/ф-25 минут – 7,0 см.

По росту всех корешков в сумме отмечен эффект стимуляции в дозе 2 кр – 13,1 см, когда в контроле этот показатель равнялся 13,0 см. Дозы 5 и 8 кр угнетали процесс роста всех корешков (10,8 и 7,8 см соответственно). Доза ультрафиолетового облучения – 5 минут стимулировала прорастание семян (85,2 %), рост побегов (2,8 см) и главного корешка (4,4 см). Повышение дозы ультрафиолета до 25 минут приводило к снижению всех показателей – 78,7 %, 2,7 см, 3,7 см, соответственно.

Таблица 1.

Всхожесть g-облученных семян сорта Эритроспермум 760, проращиваемых при режиме переменных температур

При 43-дневном хранении облученных семян также наблюдалась стимуляция роста побегов у 8-дневных проростков при дозах облучения 2 и 5 кр (9,2 см и 9,5 см), и снижение роста побегов при дальнейшем увеличении дозы радиации до 8 кр (7,8 см). Эти данные также подтверждаются. Хотя абсолютно сухой вес побегов оставался более высоким, по сравнению с контролем также и при этой дозе облучения семян: контроль – 5,8 г и 6,2 г при g-8 кр.

Рост же корешков (длина и абсолютно сухой их вес) 8-дневных проростков подавлялся при всех изучаемых дозах радиации, несмотря на то, что число корешков в расчете на один 8-дневный проросток было более высоким у облученных семян – 4,8. Для сравнения, число корешков на одном 8-дневном проростке в контроле составило 4,8. При сопоставлении значений показателейТ (эффекта стимуляции роста) у 3-,8-дневных проростков, вычисленных у последних как средние, обнаруживается очень близкое совпадение этих величин (таблица 2).

Таблица 2.

Стимулирующий эффект семян сорта Эритроспермум 760 и ее гибридов в зависимости от дозы облучения γ-лучами и у/ф

Полученные данные показывают, что малая доза предпосевного облучения (2 кр) вызывает стимуляцию роста, как побега, так и корешков на самом раннем этапе становления проростка. И далее, в процессе роста проростков эффект стимуляции роста побегов сохраняется относительно высоким, тогда как рост корешков существенно тормозится при облучении семян всеми изучаемыми дозами. То же самое происходит и с семенами, подвергшимися ультрафиолету. Воздействие уф – лучей в течение 15 минут вызывает стимуляцию роста побегов. Тогда как дальнейшее увеличение дозы тормозит рост побегов. Если говорить о характере роста корешков, то из данных таблицы 2 видно, что экспозиции в 15, 25 минут у/ф облучения тормозят рост как 3-дневных, так и 8-дневных корешков.

По литературным данным, сравнительно малая мутагенная эффективность уф-лучей на высших растениях объясняется очень малой ее проникающей способностью и поверхностным действием на многоклеточные растительные объекты. В опыте индийских исследователей при предпосевном облучении намоченных и сухих семян ячменя уф-лучами максимальное количество мутаций в М₂ составило соответственно 0,35 и 0,07 %. Эти факты говорят о слабой мутагенной эффективности уф-лучей при предпосевном облучении семян пшеницы.

 Таким образом, стимулирующая доза g-радиации для мягкой пшеницы сорта Эритроспермум 760 и сорта Лютесценс 42 не выше 2 кр, а доза 8 кр является мутагенной.

Выводы.

1. Изучение физических мутагенов на ростовые процессы исходных форм и растений М₁ показало, что малая доза γ-облучения предпосевного облучения 2 кр вызывает стимуляцию роста как побега, так и корешков растений мягкой пшеницы сорта Эритроспермум 76.
2. Повышение дозы до 8 кр снижает фертильность растений. Увеличение дозы облучения вызывает поклеточное усиление повреждающего действия радиации.
3. Ультрафиолетовые лучи в испытанных дозах 5, 15, 25 минут оказались слабыми.

Список литературы:

1. Вечерко Л.И. Цитологический анализ мутагенного эффекта ионизирующей радиации и алкилирующих соединений у яровой пшеницы: мат. конф. молодых ученых, АН Каз. ССР. – Алма-Ата, 1967. – с. 39–44.
2. Джунусова M.К., Чекиров К.Б., Чумуева Р.А. Перспективные мутанты озимой пшеницы в Кыргызстане: мат. II Биологического Конгресса «Глобальные изменения климата и биоразнообразие» (Алмалыбак, Казахстан, 2015). – С. 118–121.
3. Джунусова M.К., Чумуева Р.А. Селекционно-генетическое изучение мягкой пшеницы в Кыргызстане // Вестник КАУ № 1, посв. 70-летию КАУ. Ч. Земледелие и растениеводство. – Бишкек , 2004. – С. 68–71.
4. Моргун В.В. Экспериментальный мутагенез и его использование в генетическом совершенствовании культурных растений (итоги 30-летних исследований) // Физиология и биохимия культурных растений. –1996. – Т. 28. – С. 53–72.
5. Сейсебаев А.Т. Радиочувствительность растений (модификация и мутационная изменчивость). АН КазНИИЗиР, Ин-т ботаники. – Алматы: Наука, 1986. – 112 с.
6. Тимофеев-Ресовский Н.В. Биофизическая интерпретация радиостимуляции растений // Биофизика. – 1956. – Т. 1. – Вып. 7. – с. 436–457.