Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Адаптація та механізми стійкості рослин
Радіаційний стрес

Стресовий стан у рослинних організмів може бути зумовлений підвищеним рівнем ультрафіолетового або іонізуючого випромінювання. Внаслідок катастрофи на Чорнобильській АЕС (1986 р.) ця проблема стала надзвичайно актуальною для України. За останні роки нагромаджено величезний експериментальний матеріал, який пояснює різноманітність явищ, індукованих у рослин іонізуючою радіацією (Гродзинський, 1989). Виявилось, що у різноманітті реакцій рослинного організму на опромінення можна виділити процеси, подібні для всього живого, та ефекти, характерні лише для рослин. Специфічні для рослин реакції виникають в результаті реалізації молекулярних пошкоджень в метаболічних та фізіологічних системах клітин і тканин.

Фізичні властивості та характеристика іонізуючого випромінювання визначають вид радіобіологічної реакції організму — від прискорення його росту і розвитку (стимуляція) до загибелі. Слід відрізняти енергію випромінювання, яка падає на певний об’єкт, від енергії, що поглинається і спричинює фізичний вплив. Важливо знати одиниці дози іонізуючого випромінювання та радіоактивності (Гудков, 1991):

Щоб охарактеризувати розподіл іонізуючого випромінювання в часі, використовують величину потужності дози, під якою розуміють кількість енергії, яка поглинута за одиницю часу. Залежно від потужності дози розрізняють гостре (протягом секунди, але високі дози, сотні грей за годину, чи хвилини) та пролонговане (тривалий час певні долі грей за годину) опромінення.

Поняття радіочутливості та радіостійкості

Д.М. Гродзинський та І.М. Гудков (1973) під поняттям радіочутливості запропонували розуміти здатність організму реагувати на мінімальні дози радіації, за допомогою нелетальних радіобіологічних ефектів сприймати незначні рівні опромінення. Терміном Радіостійкість вони характеризують здатність організму витримувати високі дози опромінення, виражені, наприклад, напівлетальними і летальними дозами.

Мірою радіоактивності є летальна доза (ЛД) опромінювання, яка спричиняє інактивацію клітин або загибель організму в певні строки після опромінення. Як правило, використовують показник ЛД₅₀ — дозу опромінення, після якої виживає 50% особин.

В літературі є дані відносно радіочутливості понад 2000 рослин. Вважають, що найбільш висока радіочутливість у лілій (ЛД₅₀ — 10 Гр), у хвойних — сосни, ялини (ЛД₅₀ — 10-20 Гр та 20-60 Гр відповідно). Досить чутливий виноград (ЛД₅₀— 10-90 Гр), плодово-ягідні породи. Серед трав’янистих досить чутливі бобові (боби — ЛД₅₀ — 100 Гр).

Високою радіостійкістю характеризуються злакові культури, максимальна ж радіостійкість у хрестоцвітих (редька — ЛД₅₀ — 1000-1500 Гр). Радіостійкість вегетуючих рослин завжди 10-15 разів нижча від стійкості насіння.

Одиницею поглинутої дози (Грей) є доза, при якій 1 Дж енергії іонізуючого випромінювання поглинається 1 кг опроміненого матеріалу за 1 с. Швидкість нагромадження поглинутої дози називають потужністю поглинутої дози, яку виражають Гр х секунду^-1:

У зв’язку з тим, що біологічна дія опромінення залежить не лише від поглинутої дози, а й від його якості, введене поняття еквівалентної дози, згідно якої: доза певного типу опромінення, яка спричинює таку ж біологічну дію, як доза в 1 Р, становить 1 біологічний еквівалент рентгена — 1 бер. Цю одиницю еквівалентної дози використовували до Введення сучасної одиниці СІ — зіверта (Зв).

1 Зіверт дорівнює дозі певного типу випромінення, при якій ефект біологічної дії такий же, як і при дії 1 Гр рентгенівського або γ-випромінювань. Для розрахунків дози опромінення від зовнішніх джерел γ-радіації та внутрішнього опромінення від інкорпорованих в тканинах радіонуклідів, які дають різні типи випромінювання, за активність радіонукліда слід визначити інтенсивність потоку частинок або квантів і розрахувати потужність експозиційної дози. В основі таких розрахунків лежить активність радіонуклідів.

Маса 1 Кі радіонукліда тим менша, чим коротший період його піврозпаду. Знаючи постійну радіоактивного розпаду К (с^-1), можна розрахувати масу чистого радіонукліда даної активності. Наприклад, маса 1 мкКі, г, дорівнює 6,15 × 10^-20 А/λ, де А — моль радіонукліда. Маса 1 мкКі ¹⁴С становить всього 2,17 × 10^-7 г, ³²Р — 3,49 × 10^-17 г.

Серед радіонуклідів є такі, які випромінюють β- і α-частинки, що супроводжується виникненням γ-квантів. Наприклад, β-розпад, який супроводжується γ-випроміненням, характерний для ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ¹³²І, ¹³¹І. Є також радіонукліди, які випромінюють лише β-частинки (³⁵S, ⁴⁵Са, ⁹⁰Sr та ін.).

Основним актом взаємодії іонізуючої радіації з живим організмом є іонізація, в результаті якої електрони відриваються від атомів, виникає іонізований стан атомів та молекул, що і спричинює різні хімічні та біологічні реакції в тканинах і органах.

Променеве ураження — це багатоступеневий процес. Звичайно виділяють два основні класи радіобіологічних ефектів — соматичні та генетичні. До соматичних належать зміни, які відбуваються в організмі протягом його онтогенезу, а генетичні — реалізуються в наступних поколіннях. Д.М. Гродзинський подає таку послідовність етапів розвитку променевого ураження:

Із тканин рослинного організму до радіації найбільш чутливі меристеми. Типовою реакцією рослин на опромінення є зміна ростових процесів, причому залежно від дози спостерігаються як гальмівні, так і стимулюючі ефекти. Накопичено великий експериментальний матеріал, який свідчить, що малі дози радіації спричинюють радіаційну стимуляцію.

Доведено, що під впливом стимулюючих доз в рослинах збільшується вміст фітогормонів - активаторів росту, які і зумовлюють активацію метаболізму, що і забезпечує прискорення росту й розвитку рослин. На думку А.М. Кузіна, посилення активності фітогормональної системи — результат неспецифічної депресії та активації певної групи генів під впливом іонізуючої радіації.

Стимулюючий ефект невисоких доз (5 Гр) використовують в рослинництві, наприклад, для передпосівного опромінення кукурудзи, що забезпечує збільшення врожаю на 10-12% (табл. 20).

Таблиця 20. Стимулюючі й критичні дози гама-випромінювання для насіння деяких видів рослин (Гудков, 1991)

Кисневий ефект

Зміна газового складу атмосфери, де знаходиться рослина при опроміненні, значною мірою впливає на його радіостійкість. Так, ще в 20-х роках Е. Петрі виявив, що опромінення в атмосфері СО₂ без доступу кисню знижує радіочутливість. Пізніше було встановлено, що заміна кисню будь-яким іншим газом спричинює радіозахисний ефект. Це явище дістало назву «кисневого ефекту", який проявляється на всіх рівнях організації живого — від молекулярного до тканинного.

Англійський радіобіолог Л.Г. Грей, іменем якого названо одиницю поглинутої дози іонізуючого випромінювання, вперше глибоко вивчив кисневий ефект ще в 30-ті роки.

Існує два визначення «кисневого ефекту»: це, по-перше, явище підсилення радіаційного ураження при підвищенні концентрації кисню в середовищі порівняно з тим, що спостерігається при опроміненні в анаеробних умовах (аноксія), по-друге, — захисна дія зниженого вмісту кисню (Гіпоксія) при опроміненні живих організмів. "Кисневий ефект» — універсальне явище в радіобіології. Механізм захисної дії гіпоксії пояснюється тим, що при опроміненні та наявності О₂ утворюються пероксидні вільні радикали, які посилюють дію випромінення на життєво важливі молекули (ДНК) та структури клітин і знижують ефективність внутрішньоклітинних захисних систем. Відкриття даного ефекту призвело до перевороту уявлень в області модифікації променевих пошкоджень. Воно показало, що процесами розвитку й реалізації радіаційного ураження можна керувати і навіть знижувати його.

Ступінь прояву «кисневого ефекту» щодо насіння залежить від вологості його. Найбільша радіостійкість насіння досягається при вмісті води дещо більшому, ніж кількість її в повітряно- сухому насінні. Мало досліджене питання ролі вологості в радіостійкості вегетуючих рослин. Вважають, що формування деякого ксероморфізму, втрата води та зниження інтенсивності метаболізму позитивно корелює із радіостійкістю.

Радіопротекторні ефекти

В дослідах з рослинами проаналізовано вплив речовин, які проявляють радіопротекторні властивості (амноетилізотіуроній, дитіопропанол, глутатіон, тіосечовина, цистамін, цистеїн, цистин тощо).

Під радіопротекторами розуміють речовини, введення яких в Організм різними шляхами перед опроміненням знижує ступінь радіобіологічних ефектів. Відомо тисячі сполук, які характеризуються радіозахисними властивостями, але з часу відкриття радіопротекторів до цього часу найбільш ефективним і добре вивченим класом таких речовин є сульфідгідрильні сполуки. Захисна дія їх, ймовірно, базується на тому, що сульфідгідрильні сполуки як сильні відновники перехоплюють вільні радикали і не допускають взаємодії їх з макромолекулами нуклеїнових кислот та білків.

Радіобіологи 3. Бак та А. Александер висунули свою гіпотезу захисної дії сульфідгідрильних сполук, яку назвали гіпотезою «біохімічного шоку" або «метаболічного захисту". На їхню думку, сульфідгідрильні сполуки в захисних концентраціях спричинюють зміну нормального метаболізму, яка проявляється в гальмуванні синтезу ДНК, РНК, білків, вуглеводів, у пригніченні енергетичних процесів. Гальмування синтезу ДНК знижує відповідно швидкість клітинного поділу, порушує ріст та розвиток різних тканин і органів. Тимчасове «шокове» гальмування та наступні за цим морфологічні зміни виступають головною причиною протипроменевого захисту.

Мембранна гіпотеза пов’язує загибель клітини з радіаційним пошкодженням мембран. Ушкодження плазмалеми, ядерної і тилакоїдної мембрани збільшують проникність їх, порушують внутрішньоклітинну організацію метаболізму. Відомі й інші припущення щодо причин різної радіостійкості організмів та механізмів радіопротекторних впливів, зокрема, про донорно-акцепторні речовини в клітині, про наявність в компартментах клітини антиоксидантів, підтримання стану гіпоксії тощо.

Така кількість припущень щодо природи радіостійкості та її модифікацій свідчить про складність і множинність її механізмів.