Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 5
1.1. Влияние радионуклидов на растения и организм человека 5
1.2. Загрязнение окружающей среды радионуклидами 12
1.3. Особенности и пути накопления растениями радионуклидов 16
1.4. Накопление радионуклидов в зависимости от эдафического фактора. 22
1.5. Межвидовое и межсортовое разнообразие овощных культур по степени накопления радионуклидов . 27
1.6. Морфо-биологическая и экологическая характеристика салата 34
1.7. Проблемы и способы получения экологически безопасной и качественной продукции, незагрязнённой радионуклидами. 37
1.7.1. Селекция на минимальное накопление радионуклидов. 37
1.7.2. Увеличение степени реализации адаптивного потенциала растений, путём обработки семян импульсным низкочастотным электрическим полем (ИНЭП) 41
1.7.3. Влияние стимуляторов роста на рост, развитие овощей и 44
накопление ими радионуклидов
1.8. Проблема фона в селекции растений на минимальное накопление 48
радионуклидов
2. Цель, задачи, объекты, условия и методы исследования 53
2.1.. Цель и задачи исследований 53
2.2. Научная новизна и практическая значимость работы 53
2.3. Объект исследования 55
2.4. Условия и место проведения экспериментов 59
2.5. Методы исследований 70
3. Результаты исследований 74
3.1. Исходный материал, методы селекции салата на минимальное накопление радионуклидов 74
3.1.1. Экологсьгеографическая изменчивость сортов салата по уровню накопления 74
3.1.2. Информативность различных фонов при селекции на устойчивость овощных культур к накоплению радионуклидов 77
3.1.3. Сортовые различия по накоплению радионуклидов салатом 86
3.1.4. Экологическая устойчивость и адаптивность сортов салата по уровню накопления радионуклидов 88
3.1.5. Адаптивная способность сортов салата по признаку продуктивности 93
3.1.6. Морфологические особенности сортов салата, различающиеся 96 по накоплению радионуклидов
3.1.7. Взаимосвязь количественных и качественных признаков 99
3.1.8. Изменчивость биохимического состава салата 103
3.2. Технологические способы снижения содержания радионуклидов в продукции салата 106
3.2.1 Изучение влияния предпосевной обработки семян салата ИНЭП на накопление радионуклидов в продуктивных органах 106
3.2.2 Влияние стимуляторов роста на рост, развитие и накопление салатом радионуклидов
3.2.3. Влияние эдафического фактора на накопление салатом 114
химических элементов
Выводы 121
Практические рекомендации 122
Использованная литература 123
Приложения
- Влияние радионуклидов на растения и организм человека
- Межвидовое и межсортовое разнообразие овощных культур по степени накопления радионуклидов
- Научная новизна и практическая значимость работы
- Экологсьгеографическая изменчивость сортов салата по уровню накопления
Введение к работе
В результате катастрофы на Чернобыльской АЭС произошло радиоактивное загрязнение смесью продуктов ядерного деления и нейтронной активации значительной части (17 областей, 35,2 тыс. км2) территории России. Из всех выпавших радиоактивных элементов наибольшую биологическую опасность представляют долгоживущие радионуклиды l37Cs и ^Sr с периодом полураспада около 30 лет, активно включающиеся в процессы биологической миграции, приводящие к накоплению их растениями, животными и человеком (Буфатин, Паращуков, Фомкина, 1988, Воробьёв, Гучанов, 1993).
В настоящее время существует большое количество литературных данных, касающихся моделирования и исследования поведения радионуклидов, и в частности Cs, в почве и растениях (Forsberg, Rosen, Brechignac, 2001). Последствия негативного влияния этого изотопа имеют место практически во всех странах, пострадавших в результате аварии на Чернобыльской АЭС (Killham, 1994, Pozolotina,1996, Wolf,1998).3Ta задача становится актуальнее ещё и потому, что в области радиоэкологии существует множество моделей, построение которых основано на математических, а не на экспериментальных данных. В этом случае модели не являются реалистичными.
Менее развито другое новое научное направление в селекции по созданию и использованию (в системе экологически безопасных технологий возделывания культур) сортов, характеризующихся минимальным накоплением загрязнителей. Теоретической основой создания сортов, обеспечивающих получение относительно чистой продукции на загрязненных территориях, служит генетика минерального питания (Молчан, 1996, Гончарова, Путырская, 2004).
Наши исследования основывались на экспериментальных данных. Они направлены на решение проблем, недостаточно разработанных на современном этапе научных знаний: создание генотипов, способных за счёт
реализации собственного адаптивного потенциала давать продукцию, с минимальным накоплением радионуклидов.
Влияние радионуклидов на растения и организм человека
Опасность радиоактивного загрязнения земной поверхности зависит от многих факторов, которые существенно различаются при ядерных взрывах и авариях: параметров смеси радионуклидов до и в момент выброса, характера первичных источников радиации — радиоактивных облаков различного типа, длительно функционирующих струй при истечении радиоактивности, образования аэрозолей — носителей радиоактивности, путей распространения радионуклидов в атмосфере и выпадении на местности, свойств подстилающей поверхности. Испытания ядерного оружия и ряд аварий на АЭС привели к тому, что была загрязнена большая часть суши нашей планеты (Позолотина, 2003; Гутько, Ермоленко, Чудаков, 2004; Parsons, 2000).
Радиоактивные осадки, выпавшие из атмосферы на поверхность почвы и растительность, представляют собой источники ионизирующей радиации.
В 1895 г. Вильгельм Конрад Рентген открыл электромагнитное излучение (Х-лучи), обладающее исключительно высокой проникающей способностью. На заседании Парижской академии наук 24 февраля 1896 г. Анри Беккерель сделал сообщение об открытии им ранее неизвестного излучения, испускаемого урановыми солями, способного проникать через непрозрачные предметы и вызывать почернение фотографической пластинки. Вскоре были найдены и другие вещества, обладающие такими свойствами: в 1898 г. был выделен торий (Г. Шмидт и М. Склодовская-Кюри), из смоляной иохимотальской руды получены полоний и радий (М. Склодовская-Кюри и П. Кюри), радиоторий (1905 г.), мезоторий (1907 г.), ионий (1907 г.). Вскоре было установлено, что рентгеновские лучи и радиоактивные излучения естественных радионуклидов обладают исключительно высоким биологическим действием. Уже через несколько месяцев после открытия лучей Рентгена русский физиолог И. Г. Тарханов провёл первые опыты по изучению реакции нервной системы на лучевое действие (1896 г.). В радиобиологическом исследовании Е. С. Лондона (1904 г.) «О физиолого-патологическом значении радия» впервые описаны последствия общего и местного облучения большими дозами, введены понятия о радиочувствительности различных органов и тканей. Возникновение рака кожи у людей, контактировавших с лучами Рентгена и радием, обнаружили Г. Фрибен (1902 г.) и Г. Уокли (1924 г.). Первые публикации о возникновении остеосарком у рисовальщиц циферблатов, использовавших в работе соли радия и других радиоактивных элементов, появились в 1924-1926 гг. (Анненков, Юдинцева, 1991).
Можно считать, что зарождение радиационной биологии как науки относится к концу XIX - началу XX вв. В первые два десятилетия исследования носили эпизодический характер. Однако даже в этих условиях были накоплены весьма важные данные о действии различных видов излучений на организм и об использовании радиоактивных вод, радия и других радионуклидов в лечебных целях.
Открытие мутагенного действия ионизирующих излучений (Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, 1925), классические работы в этом направлении Г. Меллера, Н. В. Тимофеева-Ресовского и др. послужили толчком к бурному развитию радиационной генетики.
Радионуклиды - это радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов — с данным определённым энергетическим состоянием атомного ядра. Различные ядра имеют разную энергию связи. Одни нуклиды стабильны, т. е. в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильно, они всё время превращаются в другие нуклиды. Радиоактивность - это самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер некоторых химических элементов, приводящее к изменению их атомного номера и массового числа. Распад радиоактивных ядер сопровождается ионизирующим излучением (Odum, 1957, Анненков, Юдинцева, 1991).
Этапы действия излучений. Процессы развития биологического действия радиации принято делить на три этапа: физический, химический и биологический. Первый этап действия излучения охватывает чисто физические явления взаимодействия энергии излучения с веществом ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Этот этап является прямым актом воздействия ионизирующих излучений на молекулы, ведущим к образованию ионов и частично возбуждённых молекул, а также продуктов их деструкции, приводящих к образованию свободных неорганических и органических радикалов. Химический этап взаимодействия энергии с веществом начинается с момента образования в облучённых клетках активных радикалов и перекисей, энергично вступающих в химические реакции с ненарушенными молекулами других веществ клетки. Третий этап действия радиации на живую клетку - биологический. Радиационно-хими чески е изменения в биосубстрате клетки ведут к нарушениям во всех частях и биологических структурах клетки. В результате прямого и косвенного действия ионизирующих излучений происходят изменения в молекулярных структурах ядер клеток, в хромосомном аппарате, в ДНК и ДНП (дезоксирибонуклеиновые протеиды).
Межвидовое и межсортовое разнообразие овощных культур по степени накопления радионуклидов
При разработке севооборотов на загрязнённых землях важное значение приобретает оценка накопления радионуклидов сортами одного вида растений. Разные сорта растений могут отличаться по степени поглощения радиоактивных веществ из почвы (хотя эти различия и не так значимы, как видовые), поэтому культивирование сортов, отличающихся размерами накопления радионуклидов, можно квалифицировать как простой экономически оправданный способ снижения загрязнения урожая (Жишкевич, 1998; Крук, 2004). Важно, что такой приём не требует изменений в структуре посевных площадей (Крашинская, Жишкевич, Захвицевич,1999).
На одной и той же почве различные уровни загрязнения урожая разных культур радиоцезием обусловлены, в основном, разной биологической доступностью радионуклида растениями этих культур (Бондарь, 1997; Кузнецов и др., 1996).
Многими исследователями замечено, что в однородных условиях группы культур, отдельные культуры и их сорта по-разному накапливают радиоизотопы Cs и Sr. Неодинаковое поступление их в растение, вероятнее всего, связано с химико-биологическими различиями и особенностями культур и сортов (Веденеева, Путятин, Серая, Карпович, 1998; Ширшов, Шаин, 1971; Жданович, Подоляк, Одинцова, Половков, Демидович, 2004; Дыжова, 2004).
Е. Г. Рябова, Н. Н. Пещерова (1986) анализировали некорневое загрязнение 90Sr и 137Cs одиннадцати сортов шести разновидностей капусты. В зависимости от фазы развития растений сортовые особенности капусты в удержании радионуклидов при некорневом их поступлении проявлялись в разной степени. По накоплению радионуклидов при некорневом загрязнении растений сорта капусты различались в пять раз, разновидности - в 8-20 раз. Концентрация 137Cs в продуктовых органах капусты в 5-7 раз выше, чем 90Sr, что связано с его большей биологической подвижностью. Выявлено, что увеличение различий между сортами и разновидностями по накоплению радионуклидов в более поздние фазы развития растений связано с возрастанием роли морфологических признаков в этих процессах.
Е. Р. Рябова, Н. Н. Пещерова (1989) изучили процесс накопления радионуклидов сортами картофеля в зависимости от пути их поступления в растения. Показано, что накопление Cs в клубнях картофеля при некорневом пути его в растениях в 100 раз и более, выше, чем при корневом поступлении радионуклидов из почвы. При некорневом пути 90Sr в растения наблюдалось десятикратное увеличение загрязнения ботвы. Сортовые различия в накоплении Cs и Sr при некорневом загрязнении растений проявились в большей степени, чем при корневом, что говорит о большей значимости морфологических признаков надземной части растений в усвоении радионуклидов в сравнении с другими биологическими особенностями растений.
Д. М. Гродзинский и др. (1991) изучили характер накопления пяти радионуклидов в растениях картофеля, столовой свеклы, моркови, лука, перца, гороха в теплице в гидропонной культуре. В корнях и листьях изучаемых растений содержатся практически все радионуклиды. Коэффициенты накопления радионуклидов корнями на порядок выше, чем листьями. Коэффициенты накопления в листьях и стеблях близки, однако в стеблях спектр радионуклидов снижается.
Б. С. Пристер и др, (1991) изучали переход Cs из почвы в растения картофеля (11 сортов) и озимой пшеницы (6 сортов) в полевых условиях тридцатикилометровой зоны ЧАЭС. Коэффициент перехода 137Cs в клубни различались до четырех раз. Большее накопление Cs отмечено у позднеспелых сортов. Сорта озимой пшеницы различаются по переходу 90Sr в зерно в 2,5 раза, по переходу 137Cs - до 1,4 раза.
Ф. И. Анцугай (1996) изучал радиационное загрязнение плодов томатов в зависимости от сорта и способа выращивания. Использовали десять сортов томата в открытом грунте и под пленочными укрытиями в Гомельской области при плотности загрязнения Cs 10, 1 Ku/км . Установлены различия в накоплении l37Cs в плодах томата, как по сортам, так и по способам выращивания. Наименьшее накопление отмечено у сорта Вилина - 0,4 Бк/кг в открытом грунте и 0,5 Бк/кг под пленочными укрытиями, наибольшее у сорта Калинка, соответственно 1,3 и 2,6 Бк/кг. По всем сортам меньшее накопление цезия -137 было при выращивании томата в открытом грунте.
М. М. Жишкевич, И. И. Подобедов, С. А. Пешков (1996) исследовали накопление радиоактивных стронция и цезия в условиях Гомельской области в девяти сортах и гибридах огурца, шести сортах томата, пяти - моркови, двух - столовой свеклы, четырех - дайкона и пяти видов капусты. Исследования показали, что разница в накоплении Cs различными сортами и гибридами огурца составляет до восьми раз и более, томата до двух, моркови - до трех, различными видами капусты - до пяти. Разница в накоплении 90Sr в изучаемых видах, сортах и гибридах овощных культур (кроме капусты) была не так существенна, как Cs. По сортам огурца, дайкона, моркови различия составили около двух раз; томата - менее двух раз; по видам капусты - около пяти раз.
Научная новизна и практическая значимость работы
Целью наших исследований явилось биолого-экологическое обоснование элементов селекционной технологии при создании сортов и гибридов салата, устойчивых к накоплению радионуклидов и технологических способов снижения их содержания в товарной части урожая.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи: 1. изучить эколого-географическую изменчивость салата по накоплению 137Cs; 2. определить информативность естественных экологических сред, как фонов для отбора генотипов на стабильно низкий уровень накопления радионуклидов; 3. выявить сортовое разнообразие салата: - по накоплению радионуклидов в товарной части урожая; - по параметрам адаптивности и стабильности; 4. выделить морфобиологические признаки для косвенного отбора по накоплению радионуклидов в продукции; 5. разработать способы снижения поступления радионуклидов Cs в продукцию при выращивании салата.
Научная новизна заключается в определении генотипов салата со стабильно низким накоплением радионуклидов; выявлении биологических особенностей исходных форм для селекции на устойчивость к накоплению радионуклидов; определении возможности применения импульсного низкочастотного электрического поля (ИНЭП) и стимуляторов роста для снижения уровня радионуклидов в товарной продукции салата.
Практическая значимость работы. Разработанные методы позволят повысить эффективность селекционного процесса, направленного на получение сортов салата, обладающих устойчивостью к накоплению радионуклидов за счёт использования информативных сред для испытания и отбора, исходного материала как источника стабильно низкого содержания 137Cs, косвенного отбора по морфобиологическим признакам. В овощеводстве возможно использование сортовой изменчивости при выборе сортов при выращивании в зонах загрязнения. В технологии выращивания салата могут быть применены разработанные приёмы: обработка семян импульсным низкочастотным электрическим полем (ИНЭП) и стимуляторами роста (проведение внекорневых подкормок) для снижения содержания радионуклидов в продукции.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на отчетных сессиях ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур в 2003-2005 гг., на расширенном межлабораторном заседании в ноябре 2005 года. Материалы диссертации были представлены на Международной научно-практической конференции «Производство экологически безопасной продукции растениеводства и животноводства» (Брянск, 2004); V Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (Донской ГАУ, пос. Персиановский, 7-11 июня 2004); VI Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 13-17 июня 2005); Международной научно-практической конференции «Эффективное овощеводство в современных условиях» (Беларусь, Минск 14-15 июля 2005); Международном симпозиуме «Современное состояние и перспективы развития селекции и семеноводства овощных культур» (Москва, 9-12 августа 2005).
Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано семь статей и рекомендации по снижению накопления радионуклидов.
Личный вклад соискателя в получение научных результатов. Личное участие автора в подготовке материалов диссертационной работы составляет 80% и заключается: в постановке целей и задач, выборе методов исследования, в подготовке тематического плана НИР, участии в закладке, проведении и уборке опытов, отборе образцов для анализов, участии в проведении анализов, обработке результатов, обобщении данных, написании годовых отчетов о НИР и научных статей по изучаемой теме.
Объектом исследований являлась культура салат. В качестве материала для исследований использованы 12 сортообразцов. Изучали следующие сортообразцы: Подмосковье, Берлинский жёлтый, Larand, Селекционный образец, Творец, Московский парниковый, Фестивальный, Балет, Азарт, Алекс, Изумрудный, Новогодний, которые получены из лабораторий ВНИИССОК: генетики и цитологии, экологических методов селекции, а также из коллекции ГНЦ ВИР (табл. 2.3.1.).
Экологсьгеографическая изменчивость сортов салата по уровню накопления
Одной из главнейших проблем современной сельскохозяйственной науки является разработка концепции выбора селекционных фонов (Кильчевский, Хотылева, 1989). Недостаточно разработан в селекции вопрос использования эффективных фонов при создании сортов, обеспечивающих получение высококачественной продукции.
Задача при выборе селекционного фона состоит в определении оптимальных сред для каждого этапа селекции. Первым этапом селекции является коллекционное изучение. При этом используется эффект дестабилизации до полного раскрытия реакции генотипов на среды. Наиболее эффективно при этом использовать среды, которые обладают наибольшей Sek (относительная дифференцирующая способность среды).
При коллекционном изучении важно, кроме того, выделить генотипы, обладающие наивысшим уровнем потенциала по селектируемому признаку. Это возможно в условиях продуктивной среды (высокое значение параметра
4) На этапе изучения константных поколений и экологического сортоизучения на первое место выступает требование к типичности среды, способности её сохранять ранги генотипов по изучаемому признаку, соответствующие усреднённой оценке во всей совокупности сред (Добруцкая, Пивоваров, Видякина, 2000).
Важен принцип сочетания сред испытания в пространстве и времени. Необходимо учитывать особенности этих методов при селекции на разные признаки, специфику методов для различных культур (Добруцкая, Турдикулов, Видякина, 1997; Добруцкая, 1997).
Некоторые особенности использования экологических фонов при селекции на качество продукции кабачка выявлены в исследованиях, выполненных во ВНИИССОК. При оценке генотипов на качество продукции следует учитывать, что взаимодействие среды и генотипа в основном адекватно по отношению проявления признаков "содержание нитратов и витамина С" и отличается от такового по содержанию Сахаров и сухого вещества. Дифференциация по содержанию Сахаров и сухого вещества наблюдается реже, чем по содержанию витамина С и нитратов (Добруцкая, Пивоваров, Видякина, 2000).
Только в последние годы начали проводить исследования по селекции овощных культур на низкое содержание экотоксикантов, в которых затрагиваются проблемы выбора селекционного фона. В Белорусской государственной с.-х. академии определены параметры среды как фона для отбора лука репчатого, сельдерея корневого, томата и мяты перечной по признаку накопления радионуклидов (90Sr и 137Cs) (Скорина, Дыжова, Симантович, 2004; Дыжова, 2004).
Во ВНИИССОК разработана система методов для оценки и отбора на стабильное содержание химических элементов в продукции салата, шпината, томата, редьки. В эту систему входит широкое экологическое испытание в условиях естественного загрязнения тяжёлыми металлами для выявления форм, контрастно различающихся по селектируемому признаку (Ушаков, 2005).
Оценка природных сред как фонов для отбора овощных культур, в том числе салата, на стабильный уровень накопления радионуклидов, является весьма актуальным вопросом, так как генотип - средовые отношения растений по этому признаку, как показали исследования А. А. Дыжовой (2004) видоспецифичны, а по салату к настоящему времени они не установлены. Только при наличии информации о характеристике среды пункта селекции и пунктов возможного экологического испытания возможна оптимизация способа выбора селекционного фона на всех этапах селекции (Добруцкая и др., 1999).
Известно, что компонентами фенотипической являются генетическая и модификационная (межсортовая и экологическая) изменчивость (Гуляев, Мальченко, 1983). Генотипическая дисперсия Cyg рассчитывается для группы сортов, выращиваемых в одинаковых условиях. При выращивании одного сорта в разных условиях внешней среды высчитывается CVe. коэффициент, указывающий на долю изменчивости, обусловленную экологическими факторами (Жученко, 1988).
По результатам испытания шести сортов салата в 9 природных средах (три сезона - в Гомеле, три сезона - в Брянске, три сезона — в Москве) нами рассчитаны коэффициенты межсортовой и экологической вариации. Выявлено, что зоны в разной степени индуцируют проявление межсортовой изменчивости селектируемого признака. Дважды за три года испытания она была максимально выражена в пункте Гомель. Минимальное проявление межсортовой изменчивости дважды за три года отмечено в пункте Москва (табл. 3.1.2.1).
