Предпосевное облучение семян овощей защищенного грунта

1.1. Использование  мутагенного действия ионизирующих  излучений в селекционно-генетических  исследованиях

Генетическое действие ионизирующих излучений наиболее глубоко было изучено на растениях и микроорганизмах. Еще в 1928 г. Л.Н. Делоне, а в 1934 г. А.А. Сапегин применили рентгеновское  излучение для получения мутаций  при селекции.

Под влиянием ионизирующих излучений легко возникают хромосомные  и генные, или точечные, мутации. Хромосомные мутации, как правило, приводят к летальному исходу; они  имеют значение в стерилизующем  эффекте радиации. Для радиационной селекции важное значение приобретают  генные мутации. Известно, что вся  совокупность свойств, которые характеризуют  данный вид растений, животных или  микроорганизмов, запрограммирована  в ДНК в виде последовательности 4-х нуклеотидов.

При облучении в ДНК  возникают повреждения, которые  непосредственно изменяют генетический код, т. е. ведут к образованию  генных мутаций: окислению пиримидиновых  оснований с образованием гидроперекисей и гликолей, замене одного основания  другим, распаду пуриновых оснований  и др. В процессе редупликации ДНК  на поврежденной матрице возможны так  называемые трансверсии, т. е. замена пуриновых  оснований пиримидиновыми, и наоборот. При этих изменениях меняется смысловое  значение кодона. Это приводит к  синтезу белков с нарушенной последовательностью  аминокислот. Изменение первичной  структуры белка отразится на его трехмерной структуре, что приведет к неправильной самосборке таких  белков в морфологические структуры, к появлению уродливых форм, нарушению  процессов метаболизма.

В образовании мутаций  немаловажную роль играют и процессы репарации одиночных разрывов и  повреждений оснований. При восстановлении поврежденных участков ДНК полимеразы могут совершать значительное число  ошибок. Таким образом, причиной мутаций  может быть не только прямое попадание  ионизирующей частицы в ДНК, но и  радиационное изменение одного из многих белков хроматина — полимеразы.

Вероятность появления мутаций  в результате ошибок при репликации ДНК сильно возрастает в присутствии  перекисей, хинонов, семихинонов. Эти  вещества, как известно, образуются в облученной клетке и активно  реагируют с местами разрывов в цепи ДНК, с нуклеотидами, которые  идут на застройку «брешей» или на синтез новой полипептидной цепи.

На основе радиационного  мутагенеза в растениеводстве успешно  решаются вопросы получения высокоурожайных, устойчивых к неблагоприятным условиям среды и действия патогенных вредителей новых сортов сельскохозяйственных растений. Селекционеры почти в 5 раз  сократили срок выведения новых сортов ячменя и пшеницы, используя мутагенный эффект гамма-облучения. С помощью экспериментального мутагенеза в нашей стране выведены 45 сортов пшеницы, 5 из которых районированы, например сорт пшеницы Новосибирская 67, сорт ячменя Обский. В странах разных континентов зарегистрировано 412 сортов мутационной селекции, поступивших в производство, в их числе 28 сортов пшеницы с улучшенной продуктивностью, зимостойкостью, раннеспелостью, большим содержанием белка, устойчивые к полеганию, мучнистой росе, бурой и стеблевой ржавчинам, с высокими хлебопекарными и другими качествами. Доля сортов важнейших сельскохозяйственных культур составляет более 50 %; из них получено с использованием радиации 93 % мутантов, а с помощью химического мутагенеза — 7 %.

В бывшем СССР получены хозяйственно ценные мутанты сои (Универсал 1), кукурузы, люпина (Мутант 486), гречихи (Аэлита, Лада), гороха, фасоли (Урожайный, Мутант 7), хлопчатника (АН-402, АН-403), раннеспелые томаты, раннеспелый  и устойчивый к фитофторе картофель (Рентгеновский), морозостойкие мутанты  яблони, вишни и многие другие.

В США внедрен устойчивый к болезням сорт арахиса, в Японии — скороспелый сорт сои (Райден) и высокоурожайный сорт риса (Рей-Мей), в Аргентине — крупноплодный  сорт персиков, в Индии и Швеции — сорта пшеницы с повышенным содержанием протеинов, в Венгрии  — скороспелый мутант риса.

С помощью радиомутации удалось  вывести новую разновидность  тутового шелкопряда с более высокой  продукцией шелкового волокна (за счет отбора самцов), выведена новая порода норки с оригинальным серебристым  цветом меха.

В бывшей Чехословакии радиационным методом был получен штамм  микроорганизма для производства молочного  нисинового порошка нислактин. При  добавлении к плавленым сырам  он улучшал их качество и продлевал  срок хранения. В промышленном масштабе с успехом были проверены молочные смеси, содержащие нислактин, для выкармливания  поросят. При использовании нислактина кормовые смеси приобретали новые  диетические и целебные свойства, повышался прирост массы поросят  и улучшалось их общее состояние.

Другой пример — использование  методов радиационной селекции для  получения новых форм микроорганизмов  — возбудителей заболеваний у  вредителей сельскохозяйственных культур. Так, с помощью ионизирующего  излучения получена новая форма  этномогенного гриба боверина —  возбудителя мускардиноза у свыше 60 видов насекомых-вредителей (фасолиевая зерновка, яблонная плодожорка, хлебный  клоп-черепашка и др.). На базе этой работы был создан и испытан препарат «Боверин», который вызывал гибель многих насекомых-вредителей в период уборки урожая.

Особый интерес при  радиационных мутациях представляют те из них, у которых поврежден кодон, необходимый для образования  аллостерического центра фермента. Нарушение  функций этого центра может снять  субстратное ингибирование фермента. В результате фермент активируется, и реакции, катализируемые этим ферментом, идут интенсивнее, чем в норме. На этом основании получены мутанты  микроорганизмов с усиленной  продукцией того или иного метаболита (антибиотиков, аминокислот и др.).

Облучением культур дрожжей  выведены их расы, вырабатывающие в 2 раза больше эргостерина, чем исходные. Такое  наследственно закрепленное изменение  обмена веществ имеет большое  значение для витаминной промышленности.

Комбинированным воздействием радиации и химических мутагенов  выведено много штаммов высокоактивных плесневых грибов — продуцентов  пенициллина, стрептомицина, ауреомицина, эритромицина и альбомицина, которыми теперь располагает промышленность. Некоторые штаммы дают выход стрептомицина  в 20, а пенициллина в 50 раз больше исходных рас. Это позволило организовать промышленное производство антибиотиков и сделало их широко доступными препаратами. Такой положительный опыт распространен  и на другие отрасли микробиологической промышленности для получения высокоактивных продуцентов витаминов, различных  ферментов и органических кислот.

Значительный интерес  представляют изменения вирулентности  микроорганизмов и их способность  образовывать токсины под действием  ионизирующих излучений. Данные изменения  могут быть стойкими, закрепленными  наследственно. Такие авирулентные мутанты используются для разработки вакцин. Кроме того, изменения вирулентности  бактерий и их способности к токсинообразованию могут происходить и при таком  облучении бактерий, когда не возникает  мутаций.

Возникновение мутаций, как  и всякое вероятностное событие, возрастает с увеличением поглощенной  дозы. Однако с увеличением дозы возрастает гибель мутаций в облученной популяции, а многие из возникших  не выявляются. В микробиологической практике используют обычно дозы, при  которых остается 1...5 % выживших микроорганизмов. При радиационной селекции растений часто используют дозы, вызывающие гибель 70 % растений. Среди оставшихся 30 % выживших растений можно наблюдать  большое количество мутаций. Абсолютные значения дозы зависят от радиочувствительности  взятого организма.

Для радиационного мутагенеза применяют специально созданные  исследовательские ядерные реакторы, радионуклидные гамма-установки («Гамма-поле», «Гамма-панорама», «Генетик»), ускорители электронов.

1.2. Использование ионизирующих излучений при производстве кормов и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных

Для получения ценных кормов и кормовых добавок используют промышленные, сельскохозяйственные и бытовые  отходы: активный ил, древесина, солома и др. При очистке сточных вод  образуется сырой остаток сточных  вод. Биологическая очистка сточных  вод приводит к образованию активного  ила, содержащего около 70 % органических веществ, в том числе 30-40 % белков, а также углеводы, витамины, минеральные  вещества, практически все заменимые  и незаменимые  аминокислоты. Для  дезинфекции и дегельминтизации ила его облучают ускоренными  электронами в дозе 10-20 кГр, что  приводит к гибели большинства возбудителей болезней. При повышении температуры  биомассы до 47-57 0С дозу полного обеззараживания  снижают в 10 раз.

Другими объектами радиационной обработки являются древесина, солома и другие растительные отходы, которые  в сухом виде на 60 % состоят из целлюлозы. Целлюлоза – это сложный  полисахарид, включающий глюкозу –  основное и необходимое энергетическое вещество для жизнедеятельности  организма. Однако, в желудочно-кишечном тракте животных целлюлоза трудно переваривается, поэтому она усваивается примерно на 10-15 %. При облучении древесного сырья дозой 100-200 кГр происходит радиолиз молекулы целлюлозы, при этом разрываются полимерные цепи, и образуются легкорастворимые продукты, которые  хорошо усваиваются животными.

При облучении соломы ускоренными  электронами дозой 10-        30 кГр переваримость сухого вещества соломы возрастает на 17-27 %. Радиационная обработка грубых кормов способствует их ферментации и дрожжеванию, что  позволяет получать корма, обогащенные  легкопереваримыми углеводами и  протеином. Корм из растительного сырья  после радиационной обработки можно  долго хранить в упакованном  виде, потому что он не подвергается гниению и не изменяет своего качества, так как при облучении убиваются  гнилостные микроорганизмы.

1.3. Радиационная стерилизация животных и насекомых-вредителей

Радиационная технология, применяемая для стерилизации животных, пока не находит широкие применения на практике. Имеются сведения о  возможности использования ионизационного излучения для полной стерилизации самок сельскохозяйственных животных при откорме с целью повышения  их продуктивности.

Наиболее эффективно радиационная стерилизация используется в борьбе с насекомыми- вредителями. В основе метода лежит различие в радиочувствительности  соматические и полевых клеток. Известно, что половые клетки высоко радиочувствительны, поэтому необратимые нарушения  в клетках регистрируются при  значительно более низких дозах  облучения. При правильно подобранной  дозе соматически клетки не повреждаются, визуально насекомые имеют нормальный вид, физиологические ритмы развития и сохраняют возможность к  спариванию. При стерилизации самцов нарушается жизненный цикл насекомых. Неоднократное (повторное) облучение  в течении нескольких лет способствует полному уничтожению вида в определенном регионе за несколько лет. Впервые  этот метод был применен в США  для истребления мясной мухи, которая  откладывала яйца в раны животных, где развивались многочисленные личинки, вызывающие гибель животных.  Для уничтожения природной популяции мясной мухи в лабораторных условиях облучали куколок мух, из которых развивались стерильные насекомые. Через 18 месяцев работы был полностью уничтожен этот вредитель в юго-восточной части США. Радиационный метод стерилизации был использован в борьбе со средиземноморской мухой – вредителем цитрусовых культур, которая также была уничтожена. Ведутся работы на борьбе с гороховой и фасолевой зерновками, яблоневой плодоножкой и другими вредителями сельскохозяйственных растений. Насекомые, облученные дозой 100-120 Гр, теряют способность к размножению.

Главное преимущество радиационного  метода стерилизации перед другими  методами в том, что он направлен  только на насекомых одного конкретного  вида, способствует сохранению других видов насекомых, безвреден для  животных, человека и других объектов биосферы.

В связи с увеличением  производства зерна большое значение приобретает проблема сохранения собранного урожая без порчи и потерь. Важное место в деле сохранности зерна  занимает борьба с насекомыми-вредителями  хлебных запасов. Большое значение в борьбе с насекомыми-вредителями  приобретает радиационная дезинфекция  зерна при хранении. Метод основан  на разной радиочувствительности видов  насекомых, а также на разной радиочувствительности  насекомых в стадиях развития. Устойчивость разных видов насекомых  к летальному действию гамма-излучения  не одинакова, при это установлен убывающий ряд: зерновой точильщик, булавоусый малый хрущак, малый мучной хрущак, амбарный долгоносик, рисовый  долгоносик, рыжий мукоед и короткоусый  мукоед. Личинки амбарного долгоносика  погибают при дозе 55 Гр, малого мучного  хрущака – 58 Гр, а куколки и  имаго соответственно при дозе 200 и 350 Гр. Для уничтожения всех видов  и всех стадий развития насекомых  дезинсекционная доза  гамма-излучения  составляет 200 Гр, а энергия ускоренных электронов  до  10 мэВ. При дезинсекции зерна не изменяется его качество, не увеличивается содержание вредных веществ как при химической дезинсекции.

Облучение успешно используется для дезинсекции бобов, орехов, сухофруктов, специй, пряностей, при этом уничтожаются все вредители этих продуктов  на разных стадиях развития.

Одно из направлений радиационной половой стерилизации – технология генетического определения пола, которая используется в шелководстве для промышленного получения  гусениц тутового шелкопряда мужского пола. Для этой цели самок облучают дозой        700-800 Гр и  скрещивают с необлученными самцами, что приводит к андрогенетическому развитию гусениц, т. е. получению только популяции самцов. Это явление  называют радиационным андрогенезом.  Применение этого метода повышает выживаемость гусениц на 10-15 %, шелконосность –  на 8-10 %, выработку шелковичной нити – на 20 %.

1.4. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов в животноводстве

При проведении исследований на молекулярном уровне в качестве индикаторов широко используют радиоактивные  изотопы, с помощью которых изучают  перемещение тел субмикроскопически малых размеров, атомов, ионов в  организме без нарушения его  нормальной жизнедеятельности, для  этого используют несколько методов  исследования.