Влияние вариабельности физиологических и цитолого-биохимических характеристик на радиочувствительность семенного потомства ольхи

Адаптация семян сорных растений для выживания  в неблагоприятных условиях среды  и сохранения вида сводится к:

1. Во-первых, это особенная их жизнеспособность,  позволяющая долго и при разных условиях сохранять всхожесть.  В то время как семена хлебных злаков прорастают обыкновенно быстро и одновременно,  большинство семян сорных растений имеет  растянутый  период  прорастания, которое часто происходит очень неравномерно. Это дает преимущество сорнякам при неблагоприятных  условиях  существования  (мороз, засуха), когда при изменении условий среды в процессе прорастания только часть растений (проросших) может погибнуть, а остальные (не проросшие) смогут прорасти,  развиваться и дать потомство. Установлено также, что у целого ряда самых обычных полевых сорняков (осот,  вьюнок, гулявник и мн. др.) прорастают даже незрелые семена,  а  подсушивание  только  увеличивает  их всхожесть.  У большинства сорняков семена могут сохранять свою всхожесть в сухом состоянии целыми  годами  и даже десятками лет,  как, например у гулявника в течение 4 лет, у горчицы - 7 лет, у ярутки - 9 лет, у кулачиков - 12 лет, а у донника - до 40 и даже до 70 лет. Также долго сорные семена сохраняют свою всхожесть и в почве,  например,  у подорожника - 8 лет, у горчицы - 10 лет,  а у щирицы,  портулака и др. даже свыше 40 лет (Ле вонтин, 1981; Реймерс, 1987; Туманов, 1979).

2. Во-вторых, семена некоторых сорных растений (лебеды и др.) имеют твердые, плохо гидролизуемые оболочки могут оставаться неповрежденными при  помоле  сильно  засоренного зерна, сохранять свою всхожесть даже после прохождения через кишечник домашних животных. А у щирицы и некоторых других сорняков мелкие семена,  имеющие твердую,  как  стекло,  оболочку прорастают только в том случае,  когда бывают механически повреждены и выворочены на поверхность почвы (Туманов, 1979; Левонтин, 1981; Гродзинский, 1983; Реймерс, 1987).

3. В  прорастании семян большое значение  играет  анатомическое строение  семенной кожуры. Роль семенной  кожуры и плодовой оболочки,  а также цветочных пленок оказывается значительной  даже  для некоторых представителей семейства злаков.

4. Совершенно  своеобразной особенностью семян  сорных растений является периодичность  их прорастания.  Семена многих  сорных растений,  особенно  из числа имеющих длительный период прорастания, прорастают спустя определенные периоды времени,  причем всхожесть их то возрастает, то падает вновь по годам или отдельным сезонам, и наибольший процент прорастания у сорняков наблюдается, как правило, в весенний период (Туманов, 1979; Левонтин, 1981; Реймерс, 1987).

Самое быстрое  прорастание и относительно хорошую всхожесть в пределах от 80 - 100%  обнаруживает большая часть  представителей семейства злаков.  Из их числа, в срок до 10 дней (т. е. также быстро,  как семена культурных растений)  прорастают  такие  «злостные» сорняки,  как костер ржаной,  плевел опьяняющий. У метелицы обыкновенной прорастание более замедленное.  Хорошо и быстро прорастает  также большая часть представителей гвоздичных,  из числа которых, куколь прорастал на 98,99%  в течение 3 - 10 дней (Реймерс, 1987). Наоборот,  ряд семейств обнаруживает очень плохую всхожесть и растянутый период прорастания. К ним относятся, прежде всего, все представители  семейства  мотыльковых.  Плохое  прорастание замечается у большей части представителей зонтичных,  гречишных, некоторых губоцветных,  из числа которых роды пикульник, чистец и др. обнаруживают исключительно медленное прорастание (свыше 1 - 1,5  года) (Реймерс, 1987; Гродзинский, 1983).

В целом  в  качестве  общей характеристики способности семян сорных растений к прорастанию, необходимо отметить, что в отличие от семян культурных растений,  которые дают обычно  полную  всхожесть  в  течение относительно короткого 7 - 10 дневного периода, прорастание семян сорных растений редко происходит полностью  (на 100%  или  около этого) и притом (за отдельными исключениями)  в значительно более продолжительный срок..  Так из числа 44 основных видов сорных растений имеют всхожесть в пределах от 90 - 100%, лишь 13 видов сорных растений от 80 - 89% - 7 видов, от 70 - 79% - 6 видов,  от 60 - 69% - 6, от 50 - 59% - 4, от 40 - 49% - 2, от 30 - 39%  - 2, от 20 - 29% - 2, от 10 - 19% - 2 вида (Реймерс, 1987; Гродзинский, 1983).

Таким образом установлено, что только 29% всех сорняков имеет всхожесть приблизительно  равную  всхожести  семян  главнейших культурных растений, а 71% имеет всхожесть ниже 90% (Туманов, 1979; Левонтин, 1981; Гродзинский, 1983; Реймерс, 1987).

 

1.5. Биохимические адаптации

1.5.1.Системы обеспечения надежности ДНК и репарация             генетических повреждений

Для качественного функционирования ДНК  в клетке требуется поддержание относительной неизменности ее первичной молекулярной структуры, что и осуществляется в процессе репарации (Гродзинский, 1983).

Открытие  репарационных процессов было предвосхищено  обнаружением радиологами, Н. В. Лучником, явления пострадиационного восстановления хромосом (Лучник, 1968; Акифьев, 1999).

  Молекула ДНК – самый долгоживущий  носитель информации и единственна для данной клетки на всю жизнь (Сойфер, 1997).

Многочисленные  исследования выявили варианты болезни, обусловленные дефектами всевозможных систем репарации. В настоящее время известно, что многие другие наследственные болезни человека обязаны своим возникновением повреждениям отдельнных этапов различных процессов репарации (Сойфер, 1997).

Выделяют  репарацию генетических управляющих  систем клетки и репарацию отдельных клеточных структур. К первым относят репарацию ДНК, ко вторым - разнообразные восстановительные процессы, приводящие к нормализации клеточных функций (Гродзинский, 1983, Сойфер, 1997).

 

1.5.2.Адаптации растений посредством антиоксидантных систем при действии стресса

При действии любых стресс-факторов в  клетках живых организмов накапливается большое  количество свободных радикалов и перекисей, которые способствуют старению и разрушению организма в целом (Меерсон, 1981; Журавлев, 1982; Кузин, 1983). Как было отмечено выше, организмы в следствии адаптации способны противостоять действию неблагоприятных факторов. Защита организма от токсического действия избытка свободных радикалов и различных по природе перекисей на его клетки  обеспечивается активацией антиоксидантных систем (Кершенгольц, 1996а; Журавская и др., 1997б, 2000а; Федорова, 1999; Филиппов, 2000; Филиппова, 2003).

Ингибиторы  свободнорадикальных реакций (истинные антиоксиданты) - класс веществ, снижающих скорость перекисного окисления. Это вещества, взаимодействующие с радикалами, ведущими цепи окисления, обрывающие эти цепи и (или) замедляющие цепной процесс. Так как растворимость кислорода и активных форм кислорода (АФК) в липидных средах в 7,3-7,5 раз выше, чем в цитоплазме, то наибольшее биологическое значение среди антиоксидантов имеют, по-видимому, жирорастворимые полифенолы: токоферолы, убихиноны, некоторые стероидные гормоны. По своей химической природе и механизму действия эти вещества близки к наиболее активным синтетическим антиоксидантам, таким как гидрохинон, ионол, нафтолы. В мембранных структурах активность в качестве антиокислителей у этих соединений зависит от их растворимости в липидах (Владимиров, 1972).

Чрезмерная  активация перекисного окисления  липидов и превращение его в звено патогенеза важнейших болезней представляет собой явление того же масштаба и значения, что и аналогичное “превращение” стресс-синдрома из звена адаптации в звено патогенеза.

Фактором, предопределяющим такое превращение  или, напротив, предотвращающим его, является соотношение прооксидантных и антиоксидантных систем, которое В.Б. Спиричев (1974) удачно определил как “антиоксидантный статус организма”.

Для клетки в неблагоприятных условиях среды характерно увеличение содержания антиоксидантов. При действии УФ радиации в клетках пшеницы накапливается a-токоферол. Низкие температуры и гипероксия вызывают многократное увеличение концентрации токоферола в тканях эвглены (Ruggeri et al., 1985). Содержание токоферолов в зерне яровой пшеницы увеличивается после воздействия весенних заморозков на ≈25%, осенних – на ≈32% (Винтер, 1980). Считается, что устойчивость растений к озону тем выше, чем больше в тканях содержится СОД. Наряду с СОД при фумигации возрастает количество пероксидазы, аскорбатоксидазы (Веселовский, Веселова, 1990). В клетках корня кукуруз в условиях гипотермии также возрастает активность пероксидазы (Акимова, Родченко, 1976). Таким образом, накопление различных антиоксидантов можно отнести к проявлению общей неспецифической защитной реакции (адаптации) клетки (Куликов и др., 1988). Ряд авторов отводят активации ПОЛ роль ключевого звена в патогенезе стресса (Барабой, 1991; Барабой и др., 1992). В связи с этим рассматривают три последовательные фазы развития ПОЛ в рамках стресс-реакции, соответствующие классическим. Во время первой фазы (фаза тревоги) происходит резкая активация липопероксидации. На второй стадии про- и антиокислительное равновесие стабилизируется на уровне, близком к исходному. Ее можно охарактеризовать как стадию резистентности, в ходе которой снижается интенсивность ПОЛ за счет увеличения антиоксидантных ресурсов. Для третьей фазы типична вторичная продукция ПОЛ и соответствующее снижение суммарной антиоксидантной активности. Эту стадию стресса можно рассматривать как проявление определенного истощения антиоксидантных ресурсов (Колесниченко, Войников, 2003).

Интересующие нас антиоксидантные системы, ограничивающие ПОЛ и предупреждающие тем самым повреждение мембран при стрессе, реализуют свой эффект в определенных звеньях цепи ПОЛ.

Рассматривая  в общем виде антиоксидантные  системы, следует иметь в виду, что организм располагает, во-первых, ферментными системами, ингибирующими ПОЛ главным образом на этапе инициации, и, во-вторых, набором естественных антиоксидантов, обрывающих ПОЛ на этапах продолжения и разветвления цепи (Кершенгольц, 1996а; Рогожин и др., 1996б, 1997б; Журавская и др., 1997б, 2000; Федорова, 1999; Филиппов, 2000; Филиппова, 2003а).

1.5.3.Ферменты супероксиддисмутаза и пероксидаза

Ферментными системами ингибирования ПОЛ  являются супероксиддисмутаза, инактивирующая радикал ^·О₂^-, и селенсодержащий фермент глютатионпероксидаза, субстратами действия которой являются перекись водорода и гидроперекиси липидов, а также каталаза (Ленинджер, 1985; Кнорре и др., 1998).

1. Супероксиддисмутаза.  Одним из наиболее токсичных  химических веществ для любой  биологической системы является  анион супероксидрадикала, который накапливается в липидном слое клеточных мембран ввиду его высокой липофильности (Владимиров Ю.А. и др., 1972, Воскресенский О.Н., 1981). Он образуется из молекулярного кислорода при его одноэлектронном восстановлении и при действии разнообразных стресс-факторов среды на клетки (резкие колебания температуры, радиация и т.п.) (Бурлакова  и др., 1985, Vervort et al., 1997). ^·О₂^– эффективно инактивируется СОД, которая катализирует диспропорционирование  по ^·О₂^– по реакциям: 

·О2–+ Cu(II) – SOD

O2 + Cu(I) – SOD

(1.1)

·О2–+ Cu(I) – SOD

О2–+ Cu(II) – SOD

(1.2)

·О2–+ 2 H3O+

H2O2 + 2 H2O

(1.3)

 

Комбинированное действие каталазы и СОД превращает ^·О₂^– и H₂O₂ в воду и кислород, предотвращая таким образом появление такой очень активной и токсичной частицы, как гидроксильный радикал.

Высокий токсический эффект аниона супероксидрадикала обусловлен его  чрезвычайно высокой химической активностью в реакциях с: сульфгидрильными группами белков (в том числе ферментов), кратными связями остатков ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов и др. Так как анион супероксидрадикала образуется и в норме, то существует фермент супероксиддисмутаза, который во всех аэробных клетках осуществляет реакцию диспропорционирования аниона супероксидрадикала, тем самым предохраняя клетки от токсического действия (Владимиров и др., 1972; Rigo et al., 1975; Koze et al., 2002; Fridovich, 1989).

При адаптации к токсическим органическим  веществам  (промышленным отходам), тяжелым металлам активируется в основном СОД. Активность СОД в семенах растений,  собранных в окрестностях г.  Нерюнгри, в  2-6  раз,  а на Среднем Урале,  в 1,5-3 раза выше чем в Центральной Якутии (Журавская и др., 1996а).

При адаптации  к ионизирующей радиации почти в равной степени активируются пероксидаза  и СОД (Журавская и др., 1995, 1996а, 1996б, 1997). Такие ферменты,  как полифенолоксидаза, пероксидаза, липоксидаза и другие,  которые участвуют в реакциях окисления полифенолов с образованием хиноидных радиотоксинов, вносят свой вклад в формирование радиочувствительности организмов. 

2. Пероксидаза. Образование перекиси водорода протекает при нормальном функционировании организма, поэтому клетки в процессе эволюции стали синтезировать защитный фермент – пероксидазу, инактивирующую Н₂О₂ и гидроперекиси липидов с образованием О₂ и Н₂О. При этом в качестве субстратов пероксидазы могут выступать, например, биогенные амины, фенолы, способные окисляться Н₂О₂. Различные формы пероксидаз имеют название в зависимости от субстратов, которые они окисляют (глутатионпероксидаза, аскорбатпероксидаза, фенолпероксидаза; Chance et al., 1979).

Ранее было установлено, что пероксидаза  является показателем протекания аэробных метаболических процессов в семенах, активность, которой увеличивается при их прорастании, понижение активности фермента может служить критерием углубления покоя семян (Рогожин, 2000).

При адаптации к холодовому фактору  в  основном  активируется пероксидазная  система.  Например, активность пероксидазы в семенах дикорастущих растений из Центральной Якутии в  1,6-5,0  раз  больше, чем со Среднего Урала (Журавская и др., 1996).  При многолетней интродукции пшеницы в Якутии активность пероксидазы в ее семенах возрастает  в 1,3-2,5 раза  за счет снижения константы Михаэлиса по окисляемым веществам при снижении термостабильности в 1,5-3 раза (Алексеев и др., 1983). Активность пероксидазы влияет на стрессоустойчивость проростков растений Якутии (например, иван-чая узколистного и дескурайнии Софьи) к радиации и гипертермии (Федорова, 1998). Малые дозы УФ-излучения стимулируют процессы антиоксидантной защиты, повышают в проростках содержание антиоксидантов и активность пероксидазы (Рогожин и др., 1996а, 1997а,б,в).

 

1.5.4. Естественные антиоксиданты

Естественные  антиоксиданты представлены прежде всего веществами группы витамина Е, а также стероидными гормонами, серосодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислотой, витаминами группы А, К и Р, убихиноном и другими соединениями (Ленинджер, 1985; Кнорре и др, 1998). Значение антиоксидантных систем, роль их непрерывного функционирования в ограничении ПОЛ и предупреждении разрушения мембран могут быть аргументированы на примере авитаминоза Е. К группе витамина Е, как известно, относятся метильные производные токола и токотриенола, обладающие биологической активностью токоферола (Владимиров и др., 1972, Барабой, 1992).