ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МОРФО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАСТЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Исследования других планет и миров давно волновали и продолжают волновать умы учёных. Длительный перелёт может негативно сказаться на здоровье космонавтов. Однако, прилетев в какой-то другой мир, космонавты могут столкнуться с ещё одной проблемой – проблема нехватки продовольствия, ибо растения, их семена также подвергаются действию космических факторов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для опыта были взяты семена томата, длительное время находившиеся на космическом орбитальном комплексе «МИР» — 6 лет. После этого полётные семена выдерживались некоторое время в лабораторных условиях. Затем с семенами были проведены генетические и анатомо-морфологические исследования.

Опытные (полётные) семена замачивались на 2 часа в водопроводной воде.

После этого семена выдерживали в 1% растворе марганца 20 минут, затем в течение двух минут отмывали в водопроводной воде. Затем семена подсушивались при комнатной температуре в течение двух часов. После этих обработок семена высевались в приготовленную садовую землю (1/2 торфа, 1/2 дерновой земли и 100 грамм золы на 8 кг почвы).

Приготовленная почва перед посадкой семян прокаливалась в газовой печи 20 минут. В течение 70 суток семена анализировались в лабораторных условиях. Высев в полевые условия производился в первых числах мая в приготовленные грядки под плёнку. В процессе прорастания и развития семян в лабораторных условиях (70 суток) анализировались следующие показатели: выживаемость, «оживление», летальность, физиологические показатели растений, эмбриональные уродства в эмбриогенезе и мутагенез. В открытом грунте исследовался летальный эффект, морфогенез, созревание и анализ плодов. Обработка семян ВБИ производилась по методу, который позволяет оживить условно-летальные семена томатов и тем самым выявить те летальные мутации, которые находились в скрытом «летальном» состоянии.

В чашках Петри выращивалась культура дрожжей Sporobolomyces alborubescens Derx. с толщиной слоя 2 мм. Затем эти чашки облучались дозами γ-излучения 137Cs 1·10-2 – 5·10-8 сГр. На облученные чашки помещали сухие семена на 6 часов. В течение этого времени семена (90 шт.) подвергались воздействию ВБИ. В результате экспериментов было определено, что оптимальная доза ВБИ составляла 1,2·10-4 сГр. Природный радиационный фон составляет 1·10-6 сГр за 6 часов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Прорастание полетных семян томатов (без ВБИ) происходило на 14 сутки проращивания, в то время как в контрольных семенах без воздействия факторов космического полёта — на 5-ые сутки. Обработанные ВБИ полётные семена начинали проклёвываться на 11 сутки.

Всхожесть семян в полётном варианте (без воздействия ВБИ) составляла 26,8%, а в контрольном варианте 58,3%, следовательно, всхожесть в опыте была в 2 раза ниже, чем в контроле.

Плоды растений, выросших в F1 поколении из полетных семян, были тёмно-красного цвета, вес плодов колебался от 30 до 100 г и более, мякоть плода буро-темнокрасного цвета, плоды были 2-х, 3-х, 4-х и 7-ми камерные.

В опытных плодах в F1 поколении образование семян проходило с большими нарушениями. Обобщенные результаты по опытным плодам показали: нормальных семян было 36,2% — 52,8% (в разных повторностях),  абортированных (не сформировавшихся) 47,2% — 63,8%.

В контрольных семенах, выдержанных 6 лет и более без воздействия ФФКП и без воздействия ВБИ, полностью отсутствовали абортированные семена. Наличие абортированных семян в полётных вариантах плодов F1 поколения указывает на несбалансированность генетического аппарата зародышей семян, которая вызвана крупными перестройками генетического материала.

Был проведен высев в два приёма 41-ой штуки опытных семян томатов (21 шт. и 20 шт.) с разницей 18 суток без обработки ВБИ. Взошло всего 11 семян, что составляло общую всхожесть 26,8%.

Была поставлена задача: выявить скрытые изменения биолого-генетического характера, применяя разработанный нами ранее метод оживления условно летальных семян (клеток), так называемый оживляющий феномен ВБИ. На основе этого метода авторы попытались выявить специфические повреждения у семян, индуцированные действием ФФКП.

Максимум всхожести, обусловленной оживляющим действием ВБИ, наблюдался при 1,4.10-4 сГр, он составлял 75% прорастания в опыте и 26,8% — без воздействия ВБИ.

Следовательно, истинный эффект оживляющего действия ВБИ равнялся 48,2% и, таким образом, выяснилось, что практически 50% всех полётных семян имели скрытые «летальные» генетические повреждения, индуцированные действием ФФКП. Оставшиеся 25% полетных семян вообще полностью потеряли способность к оживлению и были абсолютно-летальными. Таким образом, анализ экспериментальных результатов показал, что 48,2% «оживленных» семян имели скрытые повреждения и 25% семян были абсолютно-летальными, т.е. отчетливо был выявлен оживляющий феномен ВБИ.

Далее была проанализирована специфичность мутагенного действия

ФФКП на семена томатов. Использование оживляющего феномена ВБИ увеличило в 3 раза выявление скрытых мутаций, которые были первично индуцированы действием ФФКП.

Растения с такими морфологическими мутациями названы были нами впервые как бессемядольные, безлиственные «пеньки», а более точно — гипокотельные пеньки (ГКП) (рис. 1, 2).

Такие мутанты, полученные из условно-летальных семян посредством оживляющего феномена ВБИ, никогда не наблюдались как в опытных, так и в лабораторных контрольных исследованиях в земных условиях. ГКП мутанты и их продвинутые мутации не давали полноценных растений. Они, как правило, погибали после 1,5-2 месяцев роста в лабораторных условиях. ГКП-мутанты обычно достигали высоты 7 — 25 мм, при диаметре стебля «пенька» до 1,2 мм. Мутанты ГКП – ярко зелёные, слабо опушенные, длина волоска 0,1-0,2 мм, снизу 5 мм от почвы – неопушенные, верх «пенька» подобен струпу, имеются болячки бело-серого цвета. У некоторых ГКП-мутантов и продвинутых ГКП-мутантов вверху наблюдались ороговевшие и засыхающие 2-3 площади диаметром 0,2 мм (засохшие точки роста семядолей и первичных листьевых стеблей).

Таких ГКП мутантов и продвинутых ГКП мутантов было получено 16 штук. Необходимо отметить, что при составлении генетических карт томатов, начатом ещё в 1933 г. отдельными исследователями, а также Международной ассоциацией по генетике томатов (Tomato Genetics Cooperative – TGC) с 1950 г. по настоящее время было исследовано более 2000 мутаций, включая и спонтанные, но мутаций, подобных полученному нами ГКП мутанту, обнаружено не было. При этом индукция мутаций проводились всеми возможными физико-химическими мутагенами широкого диапазона спектра действий. Следовательно, во время опыта впервые получены специфические ГКП подобные мутанты, индуцированные ФФКП.

Можно предположить, что у ГКП-мутантов программа развития в процессе онтогенеза заблокирована на стадии выброса семядолей и листьев, возможно, что эта мутация расположена во второй хромосоме  (по аналогичным мутантам). Остальные мутации семян следующие: булава, очень похожая на ГКП мутацию, но только с двумя семядолями; ГКП мутация, но только с семядольным ростом; ГКП с двумя долями и только с одним листом (табл. и фото 1,2), скорее всего, это, по-видимому, дальнейшая онтогенетическая модификация истинного ГКП-мутанта. Подобные мутации у семян растений – дополнительное доказательство в пользу специфичности мутагенного воздействия ФФКП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования «оживления» семян посредством ВБИ и последующее изучение генетических и физиологических изменений у растений, выросших из таких семян, которые перед этим были длительное время экспонированы в условиях космического полёта, обнаружили ряд закономерностей.

Максимум оживляющего действия ВБИ на опытных семенах томатов составлял 48,2%, то есть практически 50% всех исследуемых семян, подвергнутых влиянию ФФКП.

Почти 50% семян имели скрытые «летальные» повреждения.

Абсолютно-летальных семян в опытном варианте было 25%. Количество всех скрытых повреждений в семенах достигало 75%.

Впервые обнаружен специфический гипокотельный пеньковый тип мутаций (ГКП) с модификациями, которые первично были индуцированы действием ФФКП.

По материалам статьи  Генетико-физиологические  и физико-химические  исследования  LYCOPERSICON ESCULENTUM MILL., выращенных из семян, экспонированных в длительном космическом полёте / С.С. Юров,  А.Ф. Кожокару, И.М. Дмитриевский, Г.С. Нечитайло // Научный журнал «Современные проблемы науки и образования» – 2008. – № 5.

© Сергей Гапоненко, младший научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков

e-mail: ma2856@mail.ru