Влияние вариабельности физиолого-биохимических характеристик на радиочувствительность ольхи кустарниковой (Duschekia fruticosa (Rupr) Pouzar), произрастающей в условиях повышенного естественного радиационного фона

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2006, №2

УДК 577.11:577.345:582.6/.9

Влияние вариабельности физиолого-биохимических характеристик на радиочувствительность ольхи кустарниковой (Duschekia fruticosa (Rupr) Pouzar), произрастающей в условиях повышенного естественного радиационного фона

А.Н. Журавская, И.В. Воронов, И.А. Прокопьев

Исследовано влияние вариабельности физиолого-биохимических характеристик (выживаемость проростков, коэффициенты общей антиоксидантной защиты, репарации и общей относительной устойчивости генома клеток) на радиочувствительность семенного потомства ольхи кустарниковой, произрастающей в условиях повышенного естественного радиационного фона. Установлено, что вариабельности выживаемости проростков, общей антиоксидантной защиты и интегральной общей относительной устойчивости генома клеток изменяются нелинейно. Выявлено наличие отрицательной корреляции между вариабельностями активности генома и репарацией клеток потомства по мере роста у-фона произрастания материнских растений. Показано, что произрастание растений при у-фоне 500 мкР/ч привело к повышению вариабельности физиологических и биохимических характеристик ее потомства, что явилось благоприятным фактором для формирования их высокой радиоустойчивости к острому облучению.

Influence of variability of physiology-biochemical characteristics (a survival rate of sprouts, quotients of common antioxidant protection, reparations and the common relative stability of cells' genome on a radiosen-sitiveness of seed brooding of Duschekia fruticosa (Rupr) Pouzar, growing in conditions of the increased natural radiating background is investigated. It is established, that variabilities of a survival rate of sprouts, the common antioxidant protection and integrated common relative stability of cells' genome varíate nonlinear. Presence of a negative correlation between variabilities of genome activity and a cells' reparation of brooding in process of body height of gamma background where plants grew is revealed. It is shown, that growth of plants at where plants grew 500 microroentgen/h has led to increase of variability of physiological and biochemical characteristics of its brooding that was the congenial factor for formation of their high ra-diostability to an acute exposition.

Известно, что радиоустойчивость вида зависит от предшествующей адаптации к действующим стресс-факторам среды. При этом установлено, что ответ биологических систем на относительно невысокие дозы облучения обусловлен активацией защитных систем (антиоксидантных и/или ДНК-репарационных), на высокие дозы -уязвимостью генома, связанной со степенью его конформационной диспергированности, пропорциональной, в свою очередь, его общей активности в процессах репликативного и репара-тивного синтеза ДНК, и направленной на трансляцию [8,10]. Однако не все факты, выявленные экспериментально, объясняются этой моделью.

ЖУРАВСКАЯ Алла Николаевна - д.б.н., в.н.с. ИБПК СО РАН; ВОРОНОВ Иван Васильевич - аспирант ИБПК СО РАН; ПРОКОПЬЕВ Илья Андреевич -студент 5 курса БГФ ЯГУ. 34

Вариабельность (гетерогенность) - результат изменчивости (лабильности) клеток и организма, является важнейшим фактором обеспечения устойчивости биосистемы и ее способности к самоорганизации [16]. Известно, что в растительных тканях гетерогенность клеток создается асинхронностью фаз митоза в процессе их деления. В результате устойчивость клеток (а следовательно, организма в целом) возрастает [5]. Исследований, посвященных изучению влияния внутривидовой изменчивости (вариабельности) растений в популяциях (на уровне физиологических, биохимических и других характеристик), существующих в условиях экстремальных факторов среды, на их радиочувствительность, очень мало [8, 9]. Например, установлено, что чем больше годовая амплитуда колебания всхожести семян и структурное разнообразие низкомолекулярных антиоксидантов, тем выше ра-

диоустойчивость вида. Радиочувствительность же индивидуума определяют, прежде всего, ци-толого-биохимические параметры клеток (анти-оксидантная защита, общая активность генома и систем репарации ДНК и др.), которые в совокупности и формируют радиочувствительность популяции [4, 9].

Цель данного исследования - выявить влияние вариабельности физиологических и цитоло-го-биохимических характеристик, сформированных у ольхи кустарниковой при произрастании в условиях хронического облучения повышенным естественным радиационным фоном, на радиочувствительность ее семенного потомства.

Материал и методики

Ольха кустарниковая (ОтскеИа. /гийсоза (Лирг) Рои7,аг) - летне-зеленый листопадный древесный кустарник до 4 м высоты, растущий, как правило, в подлеске. Растет в хвойных и смешанных лесах, на гарях, вырубках, болотах, по берегам рек, на каменистых луговых склонах и россыпях практически во всех районах Якутии [2]. Семена ольхи кустарниковой были собраны индивидуально с каждого растения, выросшего в условиях повышенного естественного радиационного фона (ПЕРФ) в диапазоне экспозиционных доз хронического облучения от 100 до 700 мкР/ч. Контролем служили семена растений, произрастающих при фоне 20 мкР/ч.

Семена проращивали в чашках Петри, на фильтрах при комнатной температуре (20-24° С), с длиной дня - 16 ч и ночи - 8 ч, по 50 шт. в 4 повторностях. Критериями оценки физиологических и цитолого-биохимических параметров растений явились: выживаемость проростков на 30-е сут наблюдения на стадии настоящего листа {%), митотическая активность меристемати-ческих клеток корней проростков (%), содержание низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО, мкг-эквкверц/гпр), активность антиокси-дантных ферментов супероксидцисмутазы (СОД, мкмоль/г-мин) и пероксидазы (мкмоль/г-мин), скорости включения 3Н-тимидина (фмоль/гпр-сут) в молекулы ДНК в процессах репликативного и репаративного синтеза и ,4С-лейцина (пмоль/гпр-сут) в синтезируемые белки с т1/2>24 ч в процессы метаболизма клеток корневой меристемы проростков.

Определение активности пероксидазы проводили по стандартной методике [6], активности СОД - по методу СогШагШпе е1 а1. [17], суммар-

ного содержания НМАО - по Асатиани [3]. Активность функционирования белоксинтезирую-щих, ДНК-реплицирующих и репарирующих систем определяли с применением радиоиндикаторного метода [14].

Репаративную способность, общую относительную устойчивость и активность генома клеток проростков рассчитывали, применяя комплексную цитолого-биохимическую методику [7]. В рамках разработанного метода все характеристики выражались в относительных единицах применительно к контролю.

Активность генома оценивали по следующим параметрам:

- в процессах репликации (креПл) - нормированной величиной значения митотического индекса;

- в процессах репарации (креп) - нормированной величиной [(включение 3Н-тимидина)м -(митотический индекс^ ];

- в процессах трансляции белков (к|рансл) -нормированной величиной (включение 14С-лейцина),^;

- общая активность генома (коаг): коаг = крепл + V •+• к

"-реп ' ^трансл -

С учетом вклада в устойчивость генома активности систем антиокислительной защиты (каоз) и репарации ДНК вычисляли в относительных единицах коэффициент общей относительной устойчивости генома (куг) клеток в отношении любых по природе стресс-факторов среды. При этом использовали представление о том, что величина слагаемого устойчивости генома, связанного со значением kpen, обратно пропорциональна его объему, который, в свою очередь, пропорционален его общей активности

[ 1 ]. кур = каоз креп / коаг .

Воздушно-сухие семена облучали у-кванта-ми 60Со острой дозой 250 Гр, при мощности дозы 0,094 Гр/с. Для сравнения радиоустойчивости растений была применена нормированная оценка натурально-логарифмических анаморфоз до-зовых кривых выживаемости проростков, которая дает возможность установить значения квазипороговой дозы (Dq, Гр) и угла наклона кривой «доза -эффект» (tga) [8].

При определении биохимических параметров и расчетных значений коэффициентов статистический разброс определяли путем введения 1% ошибки, при анализе кривых «доза-эффект» - 10%. Вариабельность признаков, вычисление коэффициентов корреляции, оценку достоверности полученных результатов проводили по [13].

ЖУРАВСКАЯ, ВОРОНОВ, ПРОКОПЬЕВ

Результаты и обсуждение

На рис.1, А показаны вариационные кривые выживаемости проростков семенного потомства ольхи кустарниковой, выросшей в условиях разного ПЕРФ. Видно, что вариабельность выживаемости проростков растений, выросших в условиях у-фона от 100 до 700 мкР/ч, изменяется нелинейно. Но во всех вариантах значение вариабельности выше в 2-гЗ,8 раза относительно контроля (20 мкР/ч; таблица).

Вариабельность (%) выживаемости проростков, коэффициентов антиоксидантной зашиты, общей активности генома, репарации, общей относительной устойчивости генома клеток и радиочувствительность (Dq, Гр и tga) семенного потомства ольхи кустарниковой, выросшей в условиях разного ПЕРФ

у-фон V v ВЫЖ. Прор V v ВЫЖ. прор +250 Гр Vk v лаоз Vkoar Vkpen Vk,, Dq,Tp tga

20±3 8,5 29,4 8,7 31,5 32,7 12,3 6,0+0,6 0,5±0,05

100±10 17,6 24,5 17,7 48,5 28,9 15,3 10,0±1,0 0,8±0,08

300+15 13,3 21,1 12,0 24,9 32,5 16,7 9,8±1,0 0,6±0,06

500±25 32,5 27,9 9,1 19,3 22,0 50,0 5,8±0,6 0,4±0,04

700±35 23,5 14,2 11,9 31,7 21,9 21,4 4,0±0,4 0,9±0,09

35 30 25 20 15 10 5 0

200

400

г = - 0,6

600

800

35 30 25 20 15 10 5 0

200

-1-

400 г = - 0,6

600

800

Рис. 1. Вариабельность выживаемости проростков семенного потомства ольхи кустарниковой, выросшей в условиях ПЕРФ: А - без облучения, Б - острое у-облучение 250 Гр.

По оси абсцисс - радиационный фон, мкР/ч; по оси ординат - коэффициент вариабельности (V),%

Вычисленный коэффициент корреляции (г=0,7) имеет положительное значение и указывает на достоверность этого явления. Максимальная вариабельность выживаемости была зафиксирована у семенного потомства ольхи, произрастающей в условиях 500 мкР/ч. Острое дополнительное облучение семян растений у-квантами 60Со дозой 250 Гр позволило определить изменение вариабельности выживаемости проростков, выросших из семян растений, хронически облучаемых природной радиацией (рис.1, Б; таблица). Установлено, что с увеличением экспозиционной дозы произрастания материнских растений уменьшается вариабельность выживаемости проростков на 10-50%. В варианте с облучением семян наблюдалась обратная корреляция (г = - 0,6) между вариабельностью признака и фоном произрастания семенного потомства.

Важную роль в формировании адаптаций к экологическим условиям обитания у растений играют эволюционно сформированные антиок-сидантные и геномные защитные системы клеток, определяющие общую устойчивость организмов [12]. Известно, что результатом адаптации к экстремальным нерадиационным условиям Севера у экоформ растений Якутии является повышенное содержание антиоксидантов (ферментативной и низкомолекулярной природы) и увеличение функциональной активности генома [8, 15]. При этом диспергированность конфор-мации хроматина в ядрах клеток является, с одной стороны, основой его повышенной активности и облегчает включение ферментативных ДНК-репарационных систем клеток, восстанавливающих нативность и целостность хромосом, а с другой - делает геном более уязвимым при облучении. Обогащённость же биологически активными веществами и низкомолекулярными

антиоксидантами, включая флавоноиды, низкомолекулярные алифатические спирты, как известно, ведет к увеличению радиоустойчивости [15].

Нами было показано, что величина квазипороговой дозы фя) в первую очередь связана с концентрацией всей совокупности антиоксидан-тов в клетке, а тангенс угла наклона дозовой кривой прямо пропорционален степени дис-пергированности конформации хроматина [8].

В таблице представлены значения коэффициентов вариабельности общей антиоксидант-ной защиты, общей активности генома, репарации и общей относительной устойчивости генома клеток проростков, семян растений, выросших в условиях разного ПЕРФ. Установлено, что вариабельность общей антиоксидантной защиты клеток проростков также увеличивается в 1,4-2,0 раза и изменяется нелинейно по мере роста у-фона произрастания материнских растений. Следует отметить, что наибольшая вариабельность значения к<И! отмечена у клеток проростков, выросших из семян, сформированных при ПЕРФ 100 мкР/ч. Вычисленный коэффициент корреляции между вариабельностью значения общей антиоксидантной защиты клеток и фоном произрастания материнских растений показал отрицательную зависимость (г = -0,2) А

201 _ г = -0,2

15- /

ю-7 ------—"

5 -

0-1-,-1-,-,

0 200 400 600 800

В

О 200 400 600 800

и низкую статистическую достоверность различий между полученными данными (рис. 2, А). То есть суммарная антиоксидантная защита у проростков в целом находится на одном уровне и не зависит от фона произрастания материнских растений.

Вторая часть дозовой кривой показывает обратно пропорциональную зависимость изучаемого критерия от величины дозы облучения. Количественно эту зависимость оценивали по тангенсу угла наклона (^а) второго участка дозовой кривой, величина которого была тем больше, чем быстрее изменялись наблюдаемые показатели в интервале больших доз радиации. Наклонный участок дозовой кривой показывает второй вид устойчивости - резистентность геномных систем.

При сравнении вариабельностей общей активности генома и репаративной способности клеток проростков ольхи кустарниковой в зависимости от ПЕРФ произрастания также была установлена отрицательная статистически достоверная корреляция (г = -0,6 и -0,8 соответственно; рис.2, Б и В). Следует отметить, что вариабельность значения коаг при фоне 100 мкР/ч на 50% выше контрольного значения. Значения tga по мере роста ПЕРФ увеличиваются на 20-80% (кроме варианта 500 мкР/ч; таблица). Ранее

Б

0 200 400 600 800

Г

0 200 400 600 800

Рис. 2. Вариабельность антиоксидантной защиты (А - као,), общей активности генома (Б - коаг), репарации (В - креп) и общей относительной устойчивости генома (Г - ку,.) клеток проростков семенного потомства ольхи кустарниковой, выросшей в условиях разного ПЕРФ.

По оси абсцисс - радиационный фон, мкР/ч; по оси ординат - коэффициент вариабельности (У),%

ЖУРАВСКАЯ, ВОРОНОВ, ПРОКОПЬЕВ

проведенные исследования общей функциональной активности генома у проростков растений показали, что у большинства исследованных центрально- и южноякутских видов растений повышенная функциональная активность генома приводит к снижению радиоустойчивости (в диапазоне доз, превышающих квазипороговую) по сравнению с уральскими экоформами [11].

На рис.2, Г показано изменение вариабельности интегральной общей относительной устойчивости генома клеток проростков, семенного потомства родительских растений, длительное время существующих в условиях ПЕРФ. Показано, что с повышением фона произрастания происходит увеличение вариабельности этого показателя (г=0,5).

Следует отметить Укуг при у-фоне 500 мкР/ч, где показатель вариабельности в 4,1 раза выше, что отразилось на значении квазипороговой дозы (Бд=12,0 Гр), которая в 2 раза выше относительно контроля. Можно предположить, что при этом фоне произрастания эволюционно создались благоприятные условия для различных вариаций характеристик растений (физиологических и биохимических). И это несмотря на то, что вариабельность каоз, коаг креп ниже контрольного значения (таблица). Вероятно, подобное сочетание вариабельностей вышеперечисленных коэффициентов при у-фоне 500 мкР/ч является наиболее оптимальным для существования ольхи кустарниковой, длительное время испытывающей действие хронического у-облучения естественной радиацией, и вызывает высокую радиоустойчивость семенного потомства относительно других значений ПЕРФ.

Выводы

1. Установлено, что вариабельность выживаемости проростков растений, выросших в условиях у-фона от 100 до 700 мкР/ч, изменяется нелинейно. С увеличением экспозиционной дозы произрастания материнских растений уменьшается вариабельность выживаемости проростков на 10-50%. В варианте с облучением семян наблюдалась обратная корреляция (г = -0,6) между вариабельностью признака и фоном произрастания семенного потомства.

2. Установлено, что вариабельность общей антиоксидантной защиты клеток проростков также изменяется нелинейно по мере роста у-фона произрастания материнских растений и статистически достоверно не зависит от фона произрастания материнских растений.

3. Показано, что вариабельности активности генома и репаративной способности клеток проростков ольхи кустарниковой в зависимости от ПЕРФ произрастания имеют отрицательную статистически достоверную корреляцию (г = - 0,6 и - 0,8), что приводит к увеличению на 20-80% значений tga (кроме варианта 500 мкР/ч).

4. Показано, что с ростом фона произрастания происходит увеличение вариабельности интегральной общей относительной устойчивости генома клеток проростков (г=0,5), что приводит к повышению радиоустойчивости семенного потомства ольхи кустарниковой (по Dq). Предположено, что длительное произрастание ольхи кустарниковой при у-фоне 500 мкР/ч привело к повышению вариабельности физиологических и биохимических характеристик ее потомства, что явилось благоприятным фактором для формирования их высокой радиоустойчивости к острому облучению.

Литература

1. Алексеев В.Г. Устойчивость растений в условиях Севера: эколого-биохимические аспекты. Новосибирск: ВО Наука, 1994. -152 с.

2. АндреевВ.Н., Галактионова Т.Ф., ГоровойП.Г. и др. Определитель высших растений Якутии. -Новосибирск: Наука, 1974. - 544 с.

3. Асатиани B.C. Ферментные методы анализа. -М.: Наука,-1969.-740 с.

4. Воронов И.В., Журавская А.Н. Влияние вариабельности физиолого-биохимических характеристик на радиочувствительность лебеды раскидистой (Atriplex patula L.) разных экоформ // Наука и образование. -2005. - №2 (38). - С.28-32.

5. Гудков И.Н. Резервирование в меристемах растений // Надежность клеток и тканей. - Киев: Науко-ва думка, 1980. - С. 19-26.

6. Ермаков А.И., Арасимович В.В. Методы биохимического исследования растений. - JL: Колос, 1987.-456 с.

7. Журавская А.Н., Кершенгольц Б.М., Филиппов Э.В. Влияние физиолого-биохимических адаптаций ольхи кустарниковой к повышенному естественному радиационному фону на выживаемость проростков и радиочувствительность ее семян // Радиобиология. Радиоэкология. - 2000. - Т.40, №3. - С.254-260.

8. Журавская А.Н. Адаптация к экстремальным условиям среды и радиочувствительность растений (радиоэкологические исследования): Автореф. дис.... д-ра биол. наук. - М., 2001. - 45 с.

9. Журавская А.Н., Воронов И.В., Шадрина Е.Г. Влияние внутривидового разнообразия ряда физиологических, биохимических и морфологических показателей на радиочувствительность березы расто-

НАСЕЛЕНИЕ МЕЛКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ В БАССЕЙНЕ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ Р. КИРИМ

пыренной // Наука и образование. - 2003. - №1 (29). -С.29-33.

10. Журавская А.Н. Влияние сформированного неспецифического физиолого-биохимического адаптивного потенциала дикорастущих растений Якутии на их радиочувствительность // Радиационная безопасность Республика Саха (Якутия): Матер. II респ. научно-практ. конф. - Якутск: ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН», 2004. - 472 с.

11. Журавская А.Н., Воронов И.В., Прокопьев И.А. Влияние вариабельности физиолого-биохими-ческих характеристик на радиочувствительность экоформ лебеды раскидистой (Atriplex patula L.) и полыни чернобыльник (Artemisia vulgaris L.) // Радиобиология. Радиоэкология. -2006. - Т.46, №1. -С.85-90.

12. Кершенгольц Б.М. Неспецифические биохимические механизмы адаптации организмов к экс-

тремальным условиям среды // Наука и образование.

- 1996. -№3. - С.130-137.

13. Лакин Г.Ф. Биометрия. - М.: Высш. школа, -1980. - 293 с.

14. Остерман J1.A. Исследование биологических макромолекул электрофокусированием, иммуноэлек-трофорезем и радиоизотопными методами. - М.: Наука, 1983. - 304 с.

15. Филиппова Г.В. Роль экологических факторов в накоплении биологически активных веществ растениями Якутии: Автореф. дис.... канд. биол. наук. -Якутск,-2003.- 18 с.

16. Чернавский Д. С. Синергетика и информация. Динамическая теория информации. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 288 с.

17. Constantine N.G., Stanley K.R. Superoxide Dis-mutases in hanger plants // Plant Physiol. - 1977. - V.59.

- P.565-569.

УДК 599.322.2

Население мелких млекопитающих в бассейне нижнего течения р. Кирим

Н.П. Прокопьев

Рассматривается видовой состав мелких млекопитающих в ранее неизученном районе бассейна нижнего течения р. Кирим, где в ближайшем будущем планируется строительство железной дороги. Приводятся сведения по биотопическому распределению и численности животных. Дается краткая характеристика населения мелких млекопитающих в период слабого сельскохозяйственного воздействия на окружающую среду.

Specific composition of small mammals in the earlier non-studied region of the low stream of the Kirim river basin is discussed. The railway building is planned in the near future on this region. The data on the bio-topic distribution and the number of animals is represented. The brief characteristics of the small mammals population condition during the period of the low agricultural influence on the environtment is represented.

Фауна и экология мелких млекопитающих бассейна р. Кирим до сих пор остается не изученной. Представители этой группы являются основными кормовыми объектами многих хищных птиц и млекопитающих. Изменение численности наиболее массовых видов грызунов и землероек приводит к существенным изменениям кормовых условий наземных хищников, то есть прямо влияет на численность промысловых животных. С другой стороны, немалое значение

ПРОКОПЬЕВ Николай Петрович - к.б.н., с.н.с. ИПЭС АН PC (Я).

имеют мелкие млекопитающие как носители и переносчики особо опасных природно-очаговых заболеваний, таких как туляремия, бешенство, кишечные иерсиниозы, псевдотуберкулез, геморрагическая лихорадка, сальмонеллез и др. [1, 2]. К подобным опасным в эпидемиологическом отношении видам в бассейне р. Кирим, по-видимому, следует отнести водяную крысу, полевку-экономку, узкочерепную полевку, красную полевку и т.д.

Мелкие млекопитающие составляют более половины биомассы позвоночных животных и являются важнейшим компонентом наземной