НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

Якимчук

Руслан Андрійович

УДК 633.11:575.224.4

ВІДДАЛЕНІ ГЕНЕТИЧНІ НАСЛІДКИ

АВАРІЇ НА ЧОРНОБИЛЬСЬКІЙ АЕС

(НА ПРИКЛАДІ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ)

03.00.15 – генетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі експериментального мутагенезу Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, м. Київ

Науковий керівник: академік НАН України,

доктор біологічних наук, професор

Моргун Володимир Васильович

Інститут фізіології рослин і генетики НАН України,

директор інституту, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, старший науковий співробітник

Чугункова Тетяна Володимирівна

Інститут фізіології рослин і генетики НАН України,

cтарший науковий співробітник

кандидат біологічних наук, доцент

Набока Валерій Сергійович

Національний аграрний університет, м. Київ,

доцент

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка.

Захист дисертації відбудеться “ 18 ” квітня 2002 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.212.01 в Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, Київ-22, вул. Васильківська, 31/17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, Київ-22, вул. Васильківська, 31/17.

Автореферат розісланий “ 16 ” березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат біологічних наук Мордерер Є.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Розвиток атомної промисловості, випробування ядерної зброї, аварії на атомних реакторах різного походження призводять до локальних підвищень рівня діючих радіаційних доз і до глобального збільшення фону іонізуючих випромінювань (Петин, Жураковская, Пантюхина и др., 1999). Істотне підвищення радіаційного фону на значних територіях викликала аварія на Чорнобильській атомній електростанції – найбільша в історії ядерної енергетики. Вона стала причиною забруднення радіонуклідами більше 100 тис. км2 на території СНД, де мешкає близько 4 млн. чоловік (Барьяхтар, 1995; Моргун, Логвиненко, 1995).

Після аварії на ЧАЕС особливої актуальності набула проблема про тривалі й віддалені ефекти опромінення в низьких дозах. Існуючі експериментальні дані не дозволяють дати достатньо науково обґрунтований прогноз генетичної небезпеки підвищеного фону радіації в забруднених радіонуклідами районах (Померанцева, Рамайя, Чехович, 1996). Ризик впливу на здоров’я людини малої кількості радіоактивних речовин, які містяться в повітрі, воді, грунті, їжі, недооцінюється приблизно в 100-1000 разів (Лозановская, Орлов, Садовникова, 1998).

Низькі дози хронічного опромінення змінюють чутливість організму до дії інших пошкоджуючих факторів, якими є ультрафіолетове випромінювання, хімічні речовини. За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я, за останні десятиріччя використання мінеральних і органічних сировинних ресурсів зросло на одного жителя Землі в рік з 5 т у 1913 р. до 40-50 т у 2000 р. Концентрації хімічних мутагенів можуть бути досить невисокі й часто їх вплив не супроводжується видимими змінами в організмів. Проте, найбільшу небезпеку складає можливість негативного їх прояву в наступних поколіннях через десятиріччя (Лозановская, Орлов, Садовникова, 1998).

На даний час існуючі результати експериментів не дають можливості дати об’єктивну оцінку ефективності низьких доз мутагенних факторів в індукуванні мутацій у живих організмів. В той же час, не зважаючи на ряд досліджень, присвячених генетичній активності хронічної дії радіації зони відчуження ЧАЕС (Гродзинский, Булах, Гудков, 1995; Моргун, Логвиненко, 1996; Шевченко, Кальченко, Абрамов и др., 1999 та ін.), залишається не вивченим питання інтенсивності та характеру мутаційних процесів у віддалені строки після аварії.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках тематики відділу експериментального мутагенезу “Ефективність низьких доз мутагенних факторів в індукуванні мутації у рослин” (№ держ. реєстрації 0199U000291).

Мета і задачі дослідження. Основною метою нашої роботи було вивчити віддалені генетичні наслідки аварії на Чорнобильській АЕС на прикладі озимої пшениці. Для досягнення мети було поставлено наступні задачі:

1. Визначити цитогенетичну активність радіонуклідних забруднень у зоні відчуження ЧАЕС через 13 років після аварії та низьких доз фізичних і хімічних мутагенних факторів.

2. Вивчити ефективність радіонуклідних забруднень і низьких доз мутагенних факторів у рослин другого і третього покоління за частотою прояву видимих мутацій.

3. Проаналізувати спектр мутацій, викликаних хронічною дією радіації зони відчуження ЧАЕС у віддалені строки.

4. Виявити характер прояву видимих мутацій при дії низьких доз гамма-променів і хімічних мутагенів.

Об’єкт дослідження – вплив низьких доз мутагенних факторів на спадкову мінливість організмів.

Предмет дослідження – генетична активність іонізуючих випромінювань радіонуклідних забруднень 30-кілометрової зони відчуження ЧАЕС та низьких доз гамма-променів і хімічних мутагенів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше вивчено генетичну активність радіонуклідного забруднення зони відчуження Чорнобильської АЕС через 13 років після аварії. Встановлено суттєве збільшення, у порівнянні з спонтанним рівнем, частоти хромосомних аберацій і видимих мутацій при дії низьких доз гамма-променів і хімічних мутагенів на озиму пшеницю. Показано можливість тестування низьких доз хімічних мутагенів у навколишньому середовищі за спектром хромосомних аберацій. З’ясовано, що максимальний вихід продуктивних форм викликають низькі дози гамма-променів і хімічних мутагенів. Встановлено, що зона відчуження ЧАЕС і місця локалізації низьких доз мутагенних факторів становлять генетичну загрозу для живих організмів.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи допомагають передбачити спадкові зміни в природніх популяціях при радіонуклідному забрудненні оточуючого середовища, поглиблюють знання про генетичні наслідки впливу низьких доз мутагенних факторів у віддалені строки. Встановлений рівень генетичної активності радіаційного забруднення зони відчуження ЧАЕС є важливим показником при її практичному використанні. Виявлені окремі групи мутацій озимої пшениці можуть служити індикаторами низькоінтенсивної дії радіації чи генотоксичних агентів хімічної природи при проведенні генетичного моніторингу забруднених територій. Отримані мутанти, що несуть господарчо-цінні ознаки, можуть бути використані, як вихідний матеріал для подальшої селекційної роботи.

Особистий внесок здобувача полягає в оволодінні необхідними методами досліджень, підборі й опрацюванні даних літератури, підготовці та проведенні експериментів, розробці планів досліджень, обґрунтуванні та статистичній обробці результатів, підготовці до друку наукових робіт. Матеріали дисертаційної роботи одержані автором самостійно або спільно з співробітниками Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Частка особистої участі дисертанта складає 85%.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи доповідалися на Конференції з генетики і молекулярної біології для студентів та молодих науковців, присвяченій 100-річчю генетики (Львів, 2000), VІІ Конференції молодих вчених “Проблеми фізіології і генетики рослин на рубежі третього тисячоліття” (Київ, 2000), Міжнародній конференції “П’ятнадцять років Чорнобильської катастрофи. Досвід подолання” (Київ, 2001), Конференції молодих вчених “Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции”(Харків, 2001).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлені в 7 публікаціях, в тому числі в 3-х статтях фахових реферованих журналів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з переліку умовних скорочень, вступу, огляду літератури, трьох розділів експериментальної частини, висновків і списоку використаних джерел. Дисертація викладена на 165 сторінках машинописного тексту, включає 18 рисунків, 17 таблиць та 256 посилань на джерела літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі роботи подано огляд літератури, в якому узагальнені літературні дані стосовно різноманітності природніх і антропогенних мутагенних факторів у навколишньому середовищі та наслідків їх впливу в низьких дозах на спадкові структури живих організмів.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Об’єктом дослідження обрано озиму м’яку пшеницю (Triticum aestivum L.) двох сортів – Одеська 161 і Донецька 48. Рослини вирощено в межах 30-кілометрової зони відчуження ЧАЕС – с. Чистогалівка та с. Копачі. Радіаційний фон цих місцевостей перевищував контрольний рівень (смт Глеваха Васильківського району Київської області) майже в 112 разів (табл. 1). Рослини першого покоління були висіяні популяційним способом. Від фази сходів до повного дозрівання вони знаходились під постійним впливом хронічного опромінення радіонуклідних викидів. У дослідах використовували також гостру дію гамма-променів у дозах 0,5, 1, 5, 10, 25, 50, 100, 200, 300 Гр та водних розчинів НДМС 0,005; 0,01%, ДАБ 0,05; 0,1%, НМБ 0,01; 0,05%, НМС 0,0001; 0,00025; 0,0005; 0,001; 0,0025; 0,005; 0,01% на повітряно-сухе насіння. Експозиція намочування тривала 18 год. В лабораторних умовах проводили цитогенетичне вивчення хромосомних аберацій у мітозах меристематичних клітин первинних корінців пшениці за допомогою ана-телофазного аналізу (Гостимский, Дьякова, Ивановская и др., 1974; Паушева, 1988), використовуючи світловий мікроскоп “JNAVAL”, при збільшенні в 900 разів. Вибірка складала не менше 1000 клітин для кожного варіанту. Цей метод дає можливість фіксувати одиничні й парні фрагменти, дицентричні хромосоми, кільця, мікроядра та відстаючі хромосоми.

Таблиця 1

Питома радіоактивність ґрунту на 20.07.1998 року

Радіоактивні ізотопи | Полігон

с. Чистогалівка | с. Копачі | Бк/кг | Бк/кг | Cs – 137 | 3,2 · 104 | 1,4 · 104

Cs – 134 | 3,1 · 102 | 1,6 · 102

Eu – 154 | 2,6 · 102 | 1,3 · 102

Sr – 90 | 1,4 · 104 | 4,4 · 103

Am – 241 | 2,3 · 102 | 1,6 · 102

Pu – 239, 240 | 2,5 · 1026,0 · 101Pu – 238 | 1,1 · 1022,9 · 101Контроль: сумарна питома радіоактивність ґрунту в смт Глеваха Київської області | 2,9 · 102 | Вивчення мутаційної мінливості озимої пшениці, викликаної радіоактивним забрудненням зони відчуження ЧАЕС, гамма-променями, хімічними мутагенами проводили в польових умовах протягом вегетації рослин. Висівали рослини покоління М2 чітко по сім’ях, вважаючи сім’єю покоління одного колоса. Фенотипово змінені рослини виділяли шляхом огляду всіх сімей під час проходження ними основних фаз росту і розвитку. Облік частоти видимих мутацій проводили в поколінні М2-М3 за кількістю сімей з мутантними рослинами відносно кількості вивчених сімей в М2. Мутантні рослини варіантів с. Чистогалівка, с. Копачі, які попередньо були висіяні популяційним способом на ділянках по 10 м2, визначали кількістю мутантів на 100 рослин М2 (Моргун, Логвиненко, 1995). В поколінні М4 продовжували спостереження за найбільш цінними мутантними формами і вивчали успадкування змінених ознак попереднього покоління.

Для більш повної характеристики виділених мутаційних змін та добору селекційно цінних форм, проводили структурний аналіз. Одержані дані підлягали статистичній обробці (Доспехов, 1985).

ВПЛИВ РАДІАЦІЙНОГО ЗАБРУДНЕННЯ ТА НИЗЬКИХ ДОЗ МУТАГЕННИХ ФАКТОРІВ НА ХРОМОСОМНИЙ АПАРАТ РОСЛИН ПЕРШОГО ПОКОЛІННЯ

Вивчена на хромосомному рівні мутаційна мінливість озимої пшениці сортів Одеська 161 і Донецька 48, вирощених у зоні відчуження ЧАЕС (с. Копачі та с. Чистогалівка Чорнобильського району Київської області) через 13 років після аварії. Цитогенетичний аналіз первинних корінців показав підвищення спонтанного рівня хромосомних перебудов, який становить 1,22±0,31% (с. Чистогалівка), 1,44±0,36% (с. Копачі) для Донецької 48 і 1,54±0,38% (с. Чистогалівка) для Одеської 161 і перевищує контроль (смт Глеваха) в 5,8, 6,8 та 5,3 рази відповідно (табл. 2). Серед хромосомних аберацій переважно зустрічаються ацентричні фрагменти малих розмірів та дицентричні поодинокі й подвійні хромосоми. Співвідношення фрагментів до мостів знаходиться в межах 0,8-1,0. Це свідчить про виникнення їх у результаті радіаційного впливу (Шеметун, 1998; Stephan, Oestreicher, 1989). Спектр хромосомних перебудов включає також відстаючі хромосоми (Донецька 48, с. Копачі) та ацентричні кільця (Одеська 161, с. Чистогалівка).

Таблиця 2

Частота хромосомних аберацій озимої пшениці через 13 років після аварії на ЧАЕС (1998 р.)

Сорт | Вивчено клітин | Клітини з хромосомними абераціями | шт. | % | смт. Глеваха | Донецька 48 | 1902 | 4 | 0,21±0,15 | Одеська 161 | 1006 | 3 | 0,29±0,17 | с. Чистогалівка | Донецька 48 | 1224 | 15 | 1,22±0,31* | Одеська 161 | 1039 | 16 | 1,54±0,38* | с. Копачі | Донецька 48 | 1112 | 16 | 1,44±0,36* | * Різниця з контролем статистично достовірна при Р0,05

Отже, підвищений рівень аберацій хромосом у клітинах рослин пшениці вказує на те, що навіть через 13 років після аварії на ЧАЕС мутаційна мінливість досягає високого рівня, що й потребує постійного генетичного контролю за угіддями, забрудненими радіонуклідами з метою їх знешкодження та подальшого використання земель в народному господарстві.

При гострій дії гамма-променів простежується підвищення частоти хромосомних аберацій із збільшенням дози опромінення. Дози 50, 100, 200, 300 Гр у Донецької 48 викликають таку частоту порушень хромосом: 2,3±0,5%; 9,6±0,5%; 30,7±1,5%; 47,2±1,6%, при контролі 0,2±0,14%, а в Одеської 161 – 4,6±0,7%; 12,1±1,0%; 44,6±1,6%; 57,2±1,6% відповідно, при контролі 0,3±0,17%. Ці дані вказують на лінійну залежність між дозою гамма-опромінення й виходом хромосомних аберацій, а також на чітку підвищену мутабільність сорту Одеська 161 по відношенню до Донецької 48. Доза 300 Гр для Одеської 161 є летальною і майже летальною – для Донецької 48. Спектр хромосомних аберацій в більшій мірі представлений хромосомними розривами. Частота утворення фрагментів і мостів при підвищенні дози опромінення зростає (рис. 1). Серед хромосомних

аберацій зустрічаються трьохполюсні мітози, мікроядра, кільцеві хромосоми, відстаючі хромосоми.

При зменшенні величини дози гамма-опромінення до 0,5; 1; 5; 10; 25 Гр лінійна залежність між виходом хромосомних аберацій і дозою поглинутої енергії зберігається (табл. 3). Частота аберантних меристематичних клітин після опромінення в дозі 0,5 Гр в 2 рази перевищує контрольний рівень (рис. 2). Характер дії радіації, незважаючи на величину дози впливу, залишається сталим, доведенням чого є поява парних фрагментів і мостів хромосомного типу. Опромінення дозою 0,5 Гр викликає більшу кількість дицентриків. Дози в межах 1-5 Гр індукують приблизно однакову кількість фрагментів і мостів хромосомного типу.При дозах 10 і 25 Гр дицентрики є достовірно переважаючим типом аберацій, серед яких поодиноко зустрічаються кільця та відстаючі хромосоми.

При підвищенні концентрації хімічних мутагенів частота порушень хромосом зростає. Мінімального значення вона набирає для Донецької 48 – 2,3±0,5% і Одеської 161 – 2,4±0,5% при дії НМБ 0,01%. Максимальну величину має для Донецької 48 – 3,8±0,6% і Одеської 161 – 4,2±0,6% при дії НМБ 0,05%. Частота хромосомних аберацій у межах одного мутагену достовірно не відрізняється, хоча концентрації НМС, ДАБ, НДМС змінюються в 2 рази. Вихід хромосомних перебудов статистично достовірно зростає у випадку дії НМБ на сорт Одеська 161 при збільшенні концентрації мутагену в 5 разів. Основна маса перебудов, які зустрічаються під час аналізу – це поодинокі ацентричні фрагменти малих розмірів та мости хроматидного типу. Відношення фрагментів до мостів знаходиться в межах 1,2-4,3. Послідовні двократні зменшення концентрацій впливу НМС на Одеську 161 не супроводжуються швидким спадом частоти утворення хромосомних аберацій (рис. 3). Лише зменшення концентрації від 0,005 до 0,0001% викликає між ними статистично достовірну різницю по виходу аберантних клітин. Використання в досліді всіх малих концентрацій НМС супроводжується значним ефектом пошкодження спадкових структур. Величини відношення фрагментів до мостів, із збільшенням концентрації мутагену, зростають (табл. 3).

Таким чином, величина дози впливу гамма-опромінення лінійно взаємозв’язана з частотою утворення хромосомних перебудов. Спектр аберацій розширюється із зростанням дози опромінення і, незалежно від її величини, завжди супроводжується хромосомними розривами.

При хімічному мутагенезі частота пошкоджень хромосом залежить як від генотипу, так і від природи мутагену. Утворення поодиноких фрагментів та хроматидних мостів є специфічністю дії хімічних мутагенів, а на їх значну концентрацію вказує утворення переважної більшості фрагментів. Фізичні та хімічні мутагенні фактори, дози яких менші в 600 і 300 разів, відповідно, від критичних, зберігають свою генетичну активність.

ГЕНЕТИЧНА АКТИВНІСТЬ РАДІОНУКЛІДНИХ ЗАБРУДНЕНЬ І НИЗЬКИХ ДОЗ МУТАГЕННИХ ФАКТОРІВ У ПОКОЛІННЯХ М2-М3

Низькі дози мутагенних факторів спричиняють у першому мутантному поколінні генетичний дисбаланс, що проявляється у рослин стимулюючим ефектом (Демченко, 1997; Wang You-ping, Xu Xiao-xia, Gao Hong-bo et al., 1999). Результати структурного аналізу рослин М2 озимої пшениці сортів Донецька 48 і Одеська 161, вирощених у зоні відчуження ЧАЕС (с. Чистогалівка і с. Копачі), показують суттєве зниження, порівняно з контролем, величини показників загальної кущистості та кількості продуктивних стебел, маси та кількості зерна з колоса, маси зерна з рослини.

Вивчення частоти видимих мутацій озимої пшениці, вирощеної в зоні відчуження ЧАЕС, показало підвищення рівня мутаційної мінливості, у порівнянні з контролем (смт Глеваха) в 15,0 (Одеська 161, с. Чистогалівка), 12,5 (Донецька 48, с. Чистогалівка) і 16,7 рази (Донецька 48, с. Копачі) (табл. 4). Спектр видимих мутацій досить широкий. Більшість із них – форми високо-, низькостеблові, остисті, безості, напівостисті, скверхеди, спельтоїди, середньоранні, пізньостиглі, стійкі до борошнистої роси. Деякі мутації досить оригінальні: скверхедний колос із закрученою віссю, неповний вихід колоса в трубку, широкий лист – у сорту Донецька 48 та стирчачий лист, карлики – у сорту О деська 161.

Отже, хронічна дія радіації в низьких дозах викликає мутації полімерних генів по елементах структури врожаю, які, починаючи з другого покоління, призводять до зниження продуктивності популяцій одного походження і, в кінцевому результаті, до втрати типовості сортів. У цілому отримані дані свідчать про серйозну генетичну загрозу для живих організмів хронічного впливу низьких доз опромінення радіоактивно забрудненої зони ЧАЕС. На основі аналізу частоти і спектру видимих мутацій можна говорити про те, що навіть через 13 років після аварії на ЧАЕС мутаційна мінливість досягає високого рівня, що й потребує тестування генетичних наслідків забруднення радіонуклідами, з врахуванням їх для наступних поколінь.

Підвищений в 4,4 рази рівень мутаційної мінливості виявлено також на території Рівненської та Запорізької атомних електростанцій, в межах 30-кілометрової зони Балаковської АЕС (Корогодина, Бамблевский, Гришина и др., 2000). Підвищення рівня генетичної мінливості в зонах, прилеглих до них, свідчить про генетичну загрозу всьому живому і про необхідність генетичного обстеження діючих в Україні атомних електростанцій і введення державної служби генетичного контролю за їх експлуатацією.

Таблиця 3

Частота і спектр хромосомних аберацій озимої пшениці сорту Одеська 161,

індукованих низькими дозами гамма-променів та N-нітрозометилсечовиною

Мутаген, доза

Кількість вивчених мітозів

Мітози з порушеннями хромосом | Спектр аберацій | Відношення

фрагменти/мости |

шт.

% |

мітози з фрагмен-тами (шт.)

мітози з

мостами (шт.) |

мости + фрагменти (шт.)

мітози з іншими порушен-нями (шт.) |

Контроль

1003 |

3 |

0,3 ± 0,17 |

3 |

0 |

0 |

0 |

- |

0,5 Гр | 999 |

6 |

0,6 ± 0,2** |

2 |

4 |

0 |

0 |

0,5 |

1 Гр | 1076 |

9 |

0,8 ±0,3** |

5 |

4 |

0 |

0 |

1,3 |

5 Гр | 1045 |

16 |

*1,5 ± 0,4** |

9 |

7 |

0 |

0 |

1,3 |

10 Гр

1030 |

27 |

*2,6 ± 0,5** |

10 |

16 |

1 |

0 |

0,6 |

25 Гр

1113 |

39 |

*3,5 ± 0,6 |

12 |

23 |

3 |

1 |

0,5 |

50 Гр

1000 |

46 |

*4,6 ± 0,7 |

10 |

31 |

3 |

2 |

0,3 |

НМС 0,0001 %

920 |

16 |

*1,7 ± 0,4** |

9 |

7 |

0 |

0 |

1,3 |

НМС 0,00025 %

1013 |

24 |

*2,4 ± 0,5 |

17 |

6 |

0 |

1 |

2,8 |

НМС 0,0005 %

1039 |

26 |

*2,5 ± 0,5 |

20 |

6 |

0 |

0 |

3,3 |

НМС 0,001 %

1072 |

31 |

*2,9 ± 0,5 |

24 |

6 |

0 |

1 |

4,0 |

НМС 0,0025 %

840 |

30 |

*3,2±0,6 |

23 |

7 |

0 |

0 |

3,3 |

НМС 0,005 %

1000 |

36 |

*3,6±0,6 |

22 |

6 |

1 |

7 |

3,7 |

* Різниця з контролем статистично достовірна при Р0.05.

** Різниця для гамма-опромінення з 50 Гр та для НМС з 0,005% статистично до стовір на при Р0.05

Таблиця 4

Вплив радіонуклідних забруднень на частоту мутацій озимої пшениці М2-М3 через 13 років після аварії на ЧАЕС (1998 р.)

Сорт | Вивчено рослин | Мутантні рослини | шт. | % | смт Глеваха | Донецька 48 (контр.) | 7540 | 17 | 0,23±0,06 | Одеська 161 (контр.) | 6730 | 18 | 0,27±0,06 | с. Чистогалівка | Донецька 48 | 2400 | 69 | 2,88±0,34* | Одеська 161 | 2400 | 97 | 4,04±0,40* | с. Копачі | Донецька 48 | 600 | 23 | 3,83±0,78* | * Різниця з контролем статистично достовірна при Р0,05

Гостра дія гамма-променів у дозі 50 Гр збільшує кількість видимих мутацій, у порівнянні з контролем, у 6,4 (Одеська 161) і 14,6 рази (Донецька 48). Ця ж доза викликала найбільшу кількість їх типів – 16 і 11 відповідно. По мірі збільшення дози, спектр видимих мутацій звужується і при дозі 200 Гр є найменшим. Більшість типів мутацій з’являється одночасно при дії найвищої та найнижчої дози досліду (50 і 200 Гр), або ж проявляються в цих варіантах з найбільшою частотою: низьке стебло, спельтоїдний, короткий, довгий, безостий, скверхедний, щільний колос, інтенсивний восковий наліт. Нижчі дози гамма-променів індукують специфічні мутації: напівостистий, нещільний колос, карлики, середньоранні, пізньостиглі форми, з жовтою вершиною листка, стійкістю до борошнистої роси.

Помічено, що найбільшу кількість видимих мутацій – 5,13±1,18% в Одеської 161 і 3,67±0,83% в Донецької 48 викликає дія НМС у концентрації 0,01%. Найменша частота мутацій – 2,40±0,69% в Одеської 161 та 1,71±0,56% в Донецької 48 виявлена при дії низької концентрації ДАБ 0,05%. Частота видимих мутацій при дії низьких концентрацій хімічних мутагенів суттєво відрізняється від контрольного рівня, перевищуючи його в 3,2-14,1 рази. Загальної закономірності щодо залежності кількісного прояву типів мутацій і концентрацією хімічних речовин не виявлено. Ознака напівостистий колос у більшості випадків з’являється при дії низьких концентрацій мутагенів. Інші мутаційні зміни структури колоса індуковані переважно дією високих концентрацій хімічних речовин. Низькі й високі концентрації проявляють значну генетичну активність, викликаючи мутації за тривалістю вегетаційного періоду. Не залежить від концентрації мутагену поява рідкісних мутацій, таких як рожеві пиляки, шоколадне забарвлення колоскових лусок у Донецької 48, неповний вихід колоса в трубку в Одеської 161 та широкий лист у Донецької 48 і Одеської 161. Мутація стирчачий лист з’являється в обох сортах лише при дії низьких концентрацій НДМС, ДАБ, НМС. Виявлено, що частота появи форм з комплексом мутацій приблизно однакова при дії високих і низьких концентрацій хімічних мутагенів.

Таким чином, дії низьких доз гамма-променів на озиму пшеницю викликають достовірне підвищення частоти видимих мутацій. Спектр їх розширюється по мірі зменшення дози. Хімічні мутагени навіть у малих кількостях здатні проявляти високу генетичну активність. Виявлена генетична активність усіх низьких доз мутагенних чинників свідчить про необхідність проведення моніторингу не лише в районах техногенних катастроф, але й у місцях, що межують із джерелом забруднення і можуть бути носіями низьких доз мутагенних факторів.

ЕФЕКТИВНІСТЬ ДІЇ РАДІОАКТИВНОГО ОПРОМІНЕННЯ ЗОНИ ВІДЧУЖЕННЯ ЧАЕС І НИЗЬКИХ ДОЗ МУТАГЕННИХ ФАКТОРІВ ПРИ СТВОРЕННІ СЕЛЕКЦІЙНО- ЦІННОГО МАТЕРІАЛУ

Хронічна дія радіації зони відчуження ЧАЕС (с. Чистогалівка, с. Копачі) індукує в озимої пшениці сорту Одеська 161 – 1,04%, а в Донецької 48 – 1,00-1,70% селекційно-цінних мутацій, при контролі 0,09 і 0,11% відповідно. Більшу частину з них складають щільний, довгий, крупний, циліндричний колос, середньостиглість, низьке стебло.

При гострій дії гамма-променів виявлено, що низькі дози мутагену індукують селекційно-цінних мутацій більше, ніж високі. Дози 50 і 100 Гр викликають їх 1,80 і 1,97% відповідно в Одеської 161, при контролі 0,25% та 1,68 і 1,87% – в Донецької 48, при контролі 0,23%. Найчастіше зустрічаються ранні, низькорослі й карликові форми з щільним колосом і стійкістю до борошнистої роси. Висока доза гамма-променів (200 Гр) індукує 0,87% господарчо-цінних мутацій у сорту Одеська 161 і 1,70% – в Донецької 48. В більшості – це середньоранні, низькорослі форми з довгим, циліндричним колосом. Хімічні мутагени в низьких концентраціях, у порівнянні з високими, індукують господарчо-корисні мутації, переважно, з більшою частотою. Максимальну кількість селекційно-цінних мутацій в Одеської 161 (1,04%) викликає НМС 0,005%, а в Донецької 48 (1,19%) – НДМС 0,005%. Найчастіше серед них зустрічаються низькорослі форми з крупним, довгим колосом. При дії високих концентрацій хімічних мутагенів з’являються форми з інтенсивним ростом, довгим, щільним колосом.

Серед сімей М3 відібрано продуктивні форми. Хронічна дія радіації зони відчуження ЧАЕС в більшості випадків спричиняє одночасне як збільшення, так і зменшення різних кількісних показників структури врожаю. Однак, серед мутантів озимої пшениці виділено форми, які, у порівнянні з контролем, мають дещо вищі показники структури врожаю: №38710, 38712 сорту Одеська 161 і №38734, 38771 сорту Донецька 48. Отже, радіоактивно забруднену зону ЧАЕС необхідно використовувати як полігон для створення вихідного селекційного матеріалу.

Мутанти з попереднього випробування №429, 430, 435 сорту Одеська 161 і №396, 397, 400 сорту Донецька 48 виявилися високопродуктивними (табл. 5) і заслуговують на увагу при подальшому випробуванні. Серед них не виявлено жодного, який викликаний високими дозами гамма-опромінення. При дії хімічних мутагенів значно ефективнішими є також низькі концентрації, які викликають більшість продуктивних мутантів.

Таким чином, низькі дози гамма-променів і хімічних мутагенів, у порівнянні з високими, викликають більше господарчо-цінних мутацій та продуктивних форм. Це вказує на доцільність їх використання в селекційній роботі.

Таблиця 5 | Урожайність продуктивних мутантів озимої пшениці в попередньому випробуванні

Польовий номер на 2001 рік | Сорт, доза впливу | Урожайність (ц/га) | Відхилення від урожайності (ц/га) | вихідної форми | Стандарту | стандарт | Миронівська 61 | 50,7 | - | - | контроль | Одеська 161 | 53,0 | - | + 3,0 | 429” | (100 Гр) | 55,3 | +2,3 | +4,6 | 430” | (100 Гр) | 56,0 | +3,0 | +5,3 | 431” | (НМБ 0,05 %) | 51,7 | -1,3 | +1,0 | 433” | (50 Гр) | 52,7 | -0,3 | +2,0 | 434 | ” (НМС 0,005%) | 50,3 | -2,7 | -0,4 | 435 | ” (НМС 0,005%) | 58,0 | +5,0 | +7,3 | контроль | Донецька 48 | 48,7 | - | -2,0 | 396” | (ДАБ 0,1%) | 56,7 | +8,0 | +6,0 | 397 | ” (НМБ 0,05%) | 55,7 | +7,0 | +5,0 | 400” | (НМС 0,005%) | 53,7 | +5,0 | +3,0 |

НСР0,05 = 4,2 ц/га; m = ± 1,5%

ВИСНОВКИ

1.Через 13 років у зоні аварії на ЧАЕС спостерігається досить високий рівень генетичної активності радіонуклідних викидів. Частота хромосомних аберацій в 5,3-6,8 рази й видимих мутацій в 12,5-16,7 рази перевищує спонтанний рівень.

2.Хронічна низькодозова дія радіації, починаючи з другого мутантного покоління, призводить до зниження продуктивності популяцій і в кінцевому результаті – до втрати типовості сортів.

3.Хронічна дія радіоактивного опромінення зони відчуження ЧАЕС викликає широкий спектр переважно мікромутацій. Поява мутантів озимої пшениці з господарчо-цінними ознаками з частотою 1,00-1,70% вказує на необхідність використання радіоактивно забрудненої зони, як полігону для створення вихідного селекційного матеріалу.

4.Частота утворення хромосомних перебудов при дії низьких доз гамма-променів у 11,5-14,7 і хімічних мутагенів у 8,0-16,5 рази перевищує спонтанний рівень. Спектр аберацій переважно включає хромосомні розриви при дії гамма-променів та поодинокі фрагменти й хроматидні мости при дії хімічних мутагенів.

5.Низькі дози гамма-променів і хімічних мутагенів викликають в озимої пшениці збільшення частоти видимих мутацій в 6,4-14,6 і 3,2-14,1 рази відповідно, проти спонтанного рівня. Спектр їх, при дії низьких доз гамма-променів, розширюється і часто включає мікромутації. Зменшення концентрації хімічних мутагенів не викликає закономірних змін у спектрі видимих мутацій.

6.Низькі дози фізичних та хімічних мутагенних факторів проявляють безпорогову дію, зберігаючи свою генетичну активність при зменшенні дози в 600 і 300 разів, відповідно, від критичних.

7.Підвищення концентрації хімічних мутагенів супроводжується зростанням співвідношення поодиноких фрагментів до хроматидних мостів, що дозволяє при тестуванні хімічних мутагенів у навколишньому середовищі визначати величину їх концентрації.

8.Низькі дози гамма-променів і хімічних мутагенів викликають максимальну кількість господарчо-цінних мутацій і продуктивних форм, що свідчить про доцільність їх використання в селекційній роботі.

9.Високий рівень мутаційної мінливості вказує на генетичну небезпеку для живих організмів появи низьких доз фізичних і хімічних мутагенних факторів у навколишньому середовищі.

10. Підвищення рівня мутаційної мінливості в зоні ЧАЕС свідчить про генетичну загрозу всьому живому і потребує обстеження всієї території України, особливо в зонах атомних електростанцій та введення державної служби генетичного контролю за їх експлуатацією. Генетична активність низьких доз мутагенних чинників свідчить про необхідність проведення моніторингу не лише в районах техногенних катастроф, але й у місцях, що межують із джерелом забруднення і можуть бути носіями низьких доз мутагенних факторів.

ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Якимчук Р.А, Моргун В.В. Генетична активність низьких доз фізичних та хімічних мутагенних факторів на озимій пшениці // Науковий вісник Ужгородського державного університету. Серія Біологія. – 2000. – №8. – С. 167-171.

2.Моргун В.В., Логвиненко В.Ф., Якимчук Р.А. Скринінг генетичної післядії радіонуклідних забруднень через 13 років з часу аварії на Чорнобильській АЕС // Доп. НАН України. – 2001. – №3. – С. 226-231.

3.Якимчук Р.А., Моргун В.В., Логвиненко В.Ф. Генетические последствия радионуклидного загрязнения зоны отчуждения через 13 лет после аварии на Чернобыльской АЭС // Физиология и биохимия культурных растений. – 2001. – Т. 33, №3. – С. 226-231.

4.Якимчук Р.А. Генетична активність низьких доз хімічних мутагенних факторів на озимій пшениці // Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття: VII Конференція молодих вчених (Київ, 18-20 жовтня 2000 р.): Тез. доп. – Київ: Україна-СВІТ, 2000. – С. 113.

5.Моргун В.В., Логвиненко В.Ф., Якимчук Р.А. Генетична післядія радіонуклідного забруднення зони відчуження ЧАЕС на прикладі озимої пшениці // П’ятнадцять років Чорнобильської катастрофи. Досвід подолання: Міжнародна конференція (Київ, 18-20 квітня 2001 р.): Тез. доп. – Ч. 2. – Київ: Чорнобильінтерінформ, 2001. – С. 39.

6.Якимчук Р.А. Генетичні наслідки низькодозової дії гамма-променів та хімічних мутагенів на прикладі озимої пшениці // Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции растений: Международная конференция молодых ученых (Харьков, 2-7 июля 2001 г.): Тез. докл. – Харьков: Изд. Ротапринт ИР УААН, 2001. – С. 288.

7.Yakimchuk R. Cytogenetic effect of Тriticum aestivum L. acute gamma-irradiation // Conference on genetics and molecular biology for students and young scientists devoted to 100-th anniversery of genetics (Lviv, 20-22 April 2000). – Lviv: Edition by “SPOLOM”, 2000. – P. 112.

Якимчук Р.А. Віддалені генетичні наслідки аварії на Чорнобильській АЕС (на прикладі озимої пшениці). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.15 – генетика. – Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, Київ, 2002.

Вперше показано, що через 13 років у зоні аварії на ЧАЕС спостерігається високий рівень генетичної активності радіонуклідних викидів. Частота хромосомних аберацій в 5,3-6,8 рази й видимих мутацій у 12,5-16,7 рази перевищує спонтанний рівень. Виявлено, що радіоактивне опромінення зони відчуження ЧАЕС викликає широкий спектр переважно мікромутацій. Серед них 1,00-1,70% господарчо-цінних. Встановлено, що частота хромосомних перебудов при дії низьких доз гамма-променів та хімічних мутагенів у 11,5-15,3 та 8,0-16,5 рази, відповідно, перевищує спонтанний рівень. Спектр аберацій переважно включає хромосомні розриви при дії гамма-променів та поодинокі фрагменти й хроматидні мости при дії хімічних мутагенів. Дія низьких доз мутагенних факторів на озиму пшеницю викликає збільшення частоти видимих мутацій в 6,4-14,6 і 3,2-14,1 рази відповідно, проти спонтанного рівня. Спектр їх часто включає мікромутації. Показано, що низькі дози фізичних і хімічних мутагенних факторів мають безпорогову дію і зберігають свою генетичну активність при зменшенні дози в 600 і 300 разів, відповідно, від критичних. Максимальний вихід господарчо-корисних мутацій і продуктивних форм викликають низькі дози гамма-променів і хімічних мутагенів, що свідчить про доцільність їх використання в селекційній роботі. Підвищення рівня мутаційної мінливості в зоні ЧАЕС свідчить про генетичну загрозу живим організмам і потребує обстеження території України в зонах атомних електростанцій та введення державної служби генетичного контролю за їх експлуатацією. Генетична активність усіх вивчених низьких доз мутагенних чинників вказує на необхідність проведення моніторингу не лише в районах техногенних катастроф, але й у місцях, що межують із джерелом забруднення і можуть бути носіями низьких доз мутагенних факторів.

Ключові слова: озима пшениця (Triticum aestivum L.), зона відчуження, мутаційна мінливість, хромосомні аберації, видимі мутації, мутагенні фактори, низькі дози, спектр мутацій.

Якимчук Р.А. Отдаленные генетические последствия аварии на Чернобыльской АЭС (на примере озимой пшеницы). – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.15 – генетика. – Институт физиологии растений и генетики НАН Украины, Киев, 2002.

Впервые показано, что через 13 лет в зоне аварии на ЧАЭС наблюдается высокий уровень генетической активности радионуклидных выбросов. Частота хромосомных аберраций в 5,3-6,8 раза и видимых мутаций в 12,5-16,7 раза превышает спонтанный уровень. Определено, что радиоактивное облучение зоны отчуждения ЧАЭС вызывает широкий спектр преимущественно микромутаций. Среди них 1,00-1,70% хозяйственно-ценных. Установлено, что частота хромосомных перестроек под действием низких доз гамма-лучей и химических мутагенов в 11,5-15,3 и 8,0-16,5 раза, соответственно, превышает спонтанный уровень. Спектр аберраций преимущественно включает хромосомные разрывы при действии гамма-лучей и единичные фрагменты и хроматидные мосты при действии химических мутагенов. Действие низких доз мутагенных факторов на озимую пшеницу вызывает увеличение частоты видимых мутаций в 6,4-14,6 и 3,2-14,1 раза соответственно, в сравнении со спонтанным уровнем. Спектр их часто включает микромутации. Показано, что низкие дозы физических и химических мутагенных факторов имеют беспороговое действие и сохраняют свою генетическую активность при уменьшении дозы в 600 и 300 раз, соответственно, от критических. Максимальный выход хозяйственно-ценных мутаций и продуктивных форм вызывают низкие дозы гамма-лучей и химических мутагенов, что свидетельствует о рациональности их использования в селекционной работе. Повышение уровня мутационной изменчивости в зоне ЧАЭС свидетельствует о генетической угрозе живым организмам и требует обследования территории Украины в зонах атомных электростанций и введения государственной службы генетического контроля за их эксплуатацией. Генетическая активность всех изученных низких доз мутагенных факторов свидетельствует о необходимости проведения мониторинга не только в районах техногенных катастроф, но и в местах, что соседствуют с источником загрязнения и могут быть носителями низких доз мутагенов.

Ключевые слова: озимая пшеница (Triticum aestivum L.), зона отчуждения, мутационная изменчивость, хромосомные аберрации, видимые мутации, мутагенные факторы, низкие дозы, спектр мутаций.

Yakimchuk R.A. Distant genetic consequences of the accident at Chornobyl NPP (winter wheat, as an example). – Manuscript.

Thesis for gaining a scientific degree Ph. D. by specialty 03.00.15 -genetics. Institute of Plant Physiology and Genetics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis deals with studying the genetic activity of ionizing radiation of radionucleid pollution of a 30-km alienation zone of Chornobyl NPP and that of low doses of gamma-rays and chemical mutagenes. The sorts of winter wheat Odeska 161 and Donetska 48 was grown in the alienation zone Chornobyl NPP (villages Chystohalivka and Kopachi) 13 years after the accident. The radiation background of these areas exceeded a control level (Glevaha, Vasilkiv district, Kyiv region) by 112 times. The acute effect of gamma-rays at doses of 0,5, 1, 5, 10, 25, 50, 100, 200, 300 Gr and that of aqueous solutions of NDMU 0,005; 0,01%, those of DAB 0,05; 0,1%, those of NMB 0,01; 0,05%, those of NMU 0,0001; 0,00025%, 0,0005; 0,001; 0,0025; 0,005; 0,01% on air-dry seeds was used in the experiments.

The cytogenetic analysis showed the increase of the level of chromosome reorganizations by 5,3-6,8 times in the crops grown in the accident zone of Chornobyl NPP. The spectrum mostly includes chromosome breaks. The ration of fragments and bridges ranges from 0,8-1,0 which testifies to the fact that they all have occurred as a result of radiation. The chronic effect of radiation, beginning with the second mutant generation, causes the reduction of indices of the yield structure. It results in decreasing the productivity of populations and losing a typical nature of varieties. The frequency of forming visible mutations exceeds a spontaneous level by 15,0 times (Odeska 16l, v. Chystogalivka), 12,5 times (Donetska 48, v. Chystogalivka) and 16,7 times (Donetska 48, v. Kopachi). Their spectrum contains high-, low-slim, awned, awnless, semi-awned, medium-early, late-yielding, resistant to mildew forms. It has been found