Радиация и растения: от ремедиации земель до полетов на Марс
В связи со стоящими перед учеными задачами по развитию сельского хозяйства, существованием зон с естественным и техногенным повышением радиационного фона, а также в целях развития космической биологии крайне важным становится изучение эффектов ионизирующего излучения. Также данный вид излучения может быть использован при выведении новых сортов сельхозрастений, предпосевной обработке семян и решении иных общебиологических задач по установлению общих закономерностей и отличительных черт влияния ионизирующего излучения на живые организмы.
На сегодняшний день накоплен и обобщен большой объем данных об эффектах ионизирующего излучения на рост и репродукцию растений, а также о вызванных ионизирующим излучением изменениях на генетическом уровне. В то же время существует значительный пробел в понимании механизмов влияния ионизирующего излучения на активность биохимических и физиологических процессов, несмотря на то, что именно на этом уровне формируется базис, за счет которого проявляются все эффекты на уровне целого организма.
По словам заведующего кафедрой биофизики ННГУ профессора Владимира Воденеева, активность физиологических процессов, с одной стороны, определяет рост растений, с другой — определяется изменениями на генетическом уровне. Таким образом, именно изучение физиолого-биохимических эффектов ионизирующего излучения способно дать наиболее полную и комплексную картину действия ионизирующего излучения на растения.
«В нашем исследовании внимание сфокусировано на влиянии радиации на важнейшие физиологические процессы, включая фотосинтез, дыхание, дальний транспорт, функционирование гормональной системы, биосинтезы различных соединений. На основе большого объема экспериментальных данных выполнен анализ дозовых и временных зависимостей эффектов ионизирующего излучения, которые проявляют качественное сходство в отношении различных физиологических и биохимических процессов, рассмотрена очередность развертывания их этапов, обсуждаются их механизмы и причинно-следственные связи между ними», — отмечает ученый.
Вызванные ионизирующим излучением первичные физико-химические реакции, включающие образование различных активных форм кислорода (АФК), являются причиной наблюдаемых изменений функциональной активности растений. В рамках исследования подчеркнута роль опосредующей эффект ионизирующего излучения долгоживущей формы АФК — пероксида водорода — не только в качестве повреждающей молекулы, но и как универсального внутриклеточного мессенджера и молекулы, играющей роль дальнего сигнала.
«АФК — активные формы кислорода, вызывают во всех живых объектах повреждение ДНК, белков и других важных биомолекул. Растения в этом случае не являются исключением. Повреждение малого, не критичного для развития растения, количества биомолекул запускает процесс репарации (исправления), что приводит в конечном итоге к стимуляции роста и развития растения в целом, а это урожаи и биомасса. При незначительном изменении концентрации некоторые АФК играют важную сигнально-регуляторную роль», — продолжает Владимир Воденеев.
Нижегородскими учеными выдвинуто предположение, что влияние ионизирующего излучения на физиологические процессы осуществляется, главным образом, через нарушение регуляции их активности. Такое нарушение регуляции происходит, видимо, вследствие существования кросс-толка (crosstalk — перекрестный разговор) между сигнальными системами растений, такими как АФК, кальциевая, гормональная и электрическая.
Малые дозы ионизирующей радиации стимулируют рост и развитие растений, а высокие дозы угнетают все их функции. Есть и довольно много промежуточных состояний, когда одни функции несколько стимулированы, а другие уже угнетены. Однако, существует серьезный пробел в понимании того, как повреждение радиацией отдельных «случайных» молекул превращается в стереотипные ответы на уровне целых систем и всего организма. В работе подчеркивается, что характер ответов на облучение различных физиологических процессов (фотосинтез, транспорт, биосинтезы) качественно сходен, а это указывает на то, что в развитии таких ответов ключевую роль играют процессы регуляции. Наиболее вероятным активатором таких регуляторных процессов представляется индуцированный радиацией всплеск АФК. При облучении они напрямую образуются из воды в тканях организма. В этом случае АФК выполняют двойную функцию: как повреждающий агент и как сигнальная молекула, координирующая ответ различных систем.
По словам профессора кафедры биофизики ННГУ Сергея Гудкова, пероксид водорода играет важную сигнально-регуляторную роль, в основном это предвестник проблем, развивающегося окислительного стресса. «При незначительном увеличении пероксид водорода намекает клеткам: «Ребята, у вас проблемы, стоит начинать закрывать ставни, двери и оборонять свой дом». На самом деле пероксид водорода выполняет много различных функций, некоторые из них выявляются до сих пор», — поясняет Сергей Гудков.
Ученые также отмечают роль дальнего сигнала, распространяющегося на несколько сантиметров, дециметров, метров, а у высоких деревьев и на десятки метров. В процессе распространения этого сигнала не происходит быстрый перенос вещества, распространяется электрическая волна, которая создается каналами клеточной мембраны, селективными для различных ионов. Дальний сигнал — это аналог нервной системы животных, нужный для быстрых реакций на раздражитель. Например, для сжатия «листьев-челюстей» росянки при ловле мух или мимозы стыдливой, у которой от одного прикосновения все листья заворачиваются внутрь и становятся поникшими.
«Принято выделять два типа сигналов, координирующих ответ растений на события окружающей среды: внутриклеточные и межклеточные, т. е. дистанционные, которые могут распространяться на несколько сантиметров, дециметров, метров, а у высоких деревьев и на десятки метров, приводя к формированию системного ответа на уровне целого организма», — продолжает профессор Гудков.
Характер ответа определяется природой сигнала. В жизни растений наибольшее значение имеют: 1) химические сигналы, основанные преимущественно на переносе между частями организма особых растительных гормонов; 2) гидравлические, связанные с изменением давления; 3) электрические, являющиеся в какой-то мере аналогами нервных импульсов. При этом большая часть сигналов действует не персонально, а формирует сложную «сеть» из взаимодействующих и взаимоиндуцирующих сигналов (кросс-толк).
Примечательно, что во многих ключевых «узлах» этой «сети» находятся все те же АФК во главе с пероксидом водорода. При анализе механизмов влияния ионизирующей радиации на растения этот факт имеет особое значение. Вероятно, это одна из ключевых «мишеней» радиации в растениях.
По словам ученых, представленные в работе выводы базируются на результатах, полученных научными коллективами всего мира в различных условиях: в лабораториях, на территориях, пострадавших от радиационных катастроф, с растений, выращенных на космических станциях и спутниках. «Наши собственные исследования выполняются в лаборатории в условиях контроля доз ионизирующей радиации. В работе используются разнообразные виды растений, принадлежащих к различным классам и семействам. В настоящее время эксперименты выполняются на пшенице, горохе, табаке, арабидопсисе», — резюмирует профессор Гудков.
