Действие ионизирующих излучений на растения

2. Действие ионизирующих  излучений на растения.

   Нарушение жизнедеятельности растений  могут вызывать понтирующие излучения, к которым относятся: космические, рентгеновские, гамма-лучи, альфа-лучи, бета-лучи.

 
    Продолжительные ионизирующие  излучения вызывают в клетках  живых организмов поражение нуклеопротеидов  и других структур хромосом, что  приводит к нарушению процессов  деления ядер, впоследствии, вызывает  мутации у представителей животного  и растительного мира. Под действием  ионизирующего излучения у растений  возникает патологический процесс,  который принято называть лучевой болезнью. Из растений наиболее чувствительными к ионизирующим излучениям являются виды с большими размерами клеточного ядра и малым числом хромосом. Главным симптомом проявления лучевой болезни у растений является задержка роста. 
У растений трудно выявить какой-либо процесс или морфологическую структуру, которые в той или иной мере не изменялись после облучения в достаточно высокой дозе. Типичные нарушения появляются не только на клеточном уровне, но и на уровне органов и целого растения. У корней может усилиться ветвление, обусловленное торможением роста второй части, увеличением активности вторичных меристем, формированием корней, образующихся из клеток перицикла. Нарушается образование корневых волосков. Облучение отражается также на строении стебля: происходит торможение апикальных меристем, активизируются спящие почки, изменяется порядок расположения фототаксис, возникают фасциации (уродливое растение ветвей в широкое и плоское, ремневидное или саблевидное образование), опухолевидное образование. На листьях ионизирующие излучения приводят к возникновению уродливых форм строения листовой пластинки, прорастанию нескольких листовых зачатков, изменению типа жилкования.

  Иногда листья скручиваются из-за  нарушения роста пластинки, в  результате чего появляются морщинистые  листья. В формировании репродуктивных  органов также отмечаются отклонения, которые ведут к образованию уродств. Облучение сказывается на многих физиологических процессах, в частности, ускоряется или тормозится ход онтогенеза растений. 
Во всех этих реакциях облученного растения видно проявление лучевого синдрома как сочетания признаков болезни, лучевого патогенеза. 
Различные древесные породи, имеют разную чувствительность к ионизирующим излучениям. Различные органы деревьев, также обладают не одинаковой радиоустойчивостью.

Установлено, что ветви хвойных пород повреждаются сильнее, чем ветви лиственных. Это связано с тем, что при сильной дозе облучения хвоя не восстанавливается, листья же вновь образуются из спящих почек. 
                                                                                                                                         

  При облучении сначала повреждаются  ветви, расположенные ближе к  источнику облучения. При этом у хвойных пород наблюдается покраснение и побурение хвои. Характер и степень поражения древесных пород зависит от многих факторов и, прежде всего, от интенсивности и продолжительности облучения. 
          Природа лучевых болезней растений изучена недостаточно. В качестве профилактических мероприятий по снижению отрицательных последствий лучевых болезней рекомендуется внесение органических и минеральных удобрений в оптимальных дозах, совместно с органическими удобрениями вносят известь в повышенных дозах.

         Достижения  ядерной физики открыли широкие  возможности для использования ионизирующих излучений в народном хозяйстве, а именно – в АПК. Важными направлениями использования излучений являются, направления связанные с биологическим действием радиации, автоматизации производственных процессов и с измерительной техникой.

        Задачи сельскохозяйственной  радиобиологии заключаются в  изучении и практическом применении  действия ионизирующих  излучений  на живые организмы, в том  числе на культурные растения, сельскохозяйственных животных, возбудителей болезней и вредителей сельскохозяйственных культур.

       Под действием  ионизирующих излучений изменяются  различные структуры и метаболические реакции организма, принимающие участие в регуляции жизненных процессов.

       При облучении  большими дозами наблюдается  угнетающее и поражающее действие ионизирующих излучений,  в малых дозах, облучение воздействует как стимулирующий фактор на организм, способствующий улучшению его жизнедеятельности.

      Биологическое действие  радиации хорошо согласуется   в физиологии с законом   Арндта-Шульце: слабые раздражители возбуждают жизнедеятельность, средней силы подавляют ее, более сильные – приостанавливают совсем.

     Для достижения желаемого  эффекта в сельскохозяйственной  практике используют различные виды и дозы излучения. Радиационное стимулирование – направленно на увеличение выхода сельскохозяйственной продукции (повышение урожайности, привеса сельскохозяйственных животных и т.д.). Радиационное ингибирование – подавление роста и развития (предотвращение прорастания клубней картофеля, лука при хранении, увеличение срока хранения ягод и плодов, пастеризация и прочее) вплоть до летального эффекта (уничтожение возбудителей болезней, радиационная дезинсекция, радиационная стерилизация).

      Среди технологий, основанных на явлении радиационного стимулирования, наибольшее применение в растениеводстве получило предпосевное облучение семян и посадочного материала. Непродолжительное острое облучение интенсифицирует прорастание семян и последующий рост и развитие растений, это приводит к 10-15%-ной прибавке урожая. Этот метод применяют в первую очередь для предпосевного облучения зерна злаковых и семян овощных культур, а также клубней картофеля, черенков, корневищ и другого посадочного материала. Клубни, полученные из облученного материала, содержали больше крахмала, белков и витамина С, концентрация витамина С при хранении урожая уменьшалась менее интенсивно по сравнению с картофелем, выращенным из необлученных клубней. Радиационное стимулирование используют и для ускорения созревания и увеличения сахаристости сахарной свеклы, помидоров, бахчевых культур – дыни, арбуза. Но на уровень промышленного использования эта технология не выведена. Оптимальные дозы гамма излучения предпосевной обработки посадочного материала колеблются от вида культурного растения.

       Эффективность  предпосевного облучения семян  и посадочного материала зависит от ряда условий: мощности дозы (время облучения), влажности, освещенности, климатических условий. Чем медленнее проводят обработку, тем выше урожай. Доза облучения семян зависит от местности произрастания. Например, в Московской области экспериментально установлена доза облучения семян огурца 3Гр, то в условия Азербайджана высокий урожай обеспечивает доза в 20-40Гр.

        Радиационное  стимулирование растений путем  предпосевной обработки их семян y-лучами является очень важным агроприемом в АПК северных сельскохозяйственных регионов. В условиях короткого дня облученные семена интенсивнее и с большей энергией прорастают, растения лучше кустятся, быстрее наступает биологическая и хозяйственная спелость.

      Однако способ  облучения семенного материала  не нашел достаточно массового  применения в производство из-за  частого отсутствия или невоспроизводимости положительных результатов применяемой  технологии. Но  технические причины вполне устранимы. Так  создаются машины для более равномерного облучения и методов дозиметрического контроля.

      Радиационное  ингибирование. В зависимости от дозы и условий облучения ингибирующее действие ионизирующих излучений используют в АПК для увеличения срока хранения или модифицирования посевного или посадочного материала и готовой продукции растениеводства, для борьбы с насекомыми- вредителями и нежелательной микрофлорой.

      Большими потерями  сопровождается хранение корнеклубнеплодов,  лука и чеснока. Значительные  потери происходят по истечении  периода естественного биологического покоя клубней (через 2-5 месяцев после закладки). Традиционными методами считается обработка химическими препаратами, а именно пестицидами. Но такой способ имеет свои недостатки, так как обработка порошкообразными веществами, во-первых, при пониженных температурах токсичны и опасны для человека, и обработка происходит не полностью всего материала. Химические препараты ослабляют процессы обмена веществ, протекающие в клубне, и действуют до тех пор, пока находятся в контакте с ним. А такой контакт трудно обеспечить при длительном хранении. Химический метод не подходит для подавления прорастания луковиц лука и чеснока, так как, точки роста расположены внутри луковицы.

      Эти проблемы вполне  устранимы использованием ядерно-физическим  методом ингибирования прорастания  сельскохозяйственной продукции  при хранении. Для подавления  прорастания, в зависимости от  ее вида и свойств, подвергают  воздействию разными дозами гамма излучения.

       Облучение  клубней картофеля гамма излучением  дозами 50-200Гр успешно подавляет его прорастание, увеличивая срок хранения.

       По сравнению  с другими способами использование  ионизирующей радиации для подавления прорастания корнеклубнеплодов имеет определенные преимущества.

• Высокая эффективность, без ущерба для качества. Радиационная обработка не  создает побочных эффектов: отсутствует наведенная радиоактивность и нагревание.
• Полная механизация и автоматизация.
• Высокая экономическая эффективность: затраты труда при облучении одной тонны картофеля на 20% ниже, чем при обработке порошкообразными препаратами, а производительность труда в 2.5 раз выше, затраты на реализацию метода окупаются уже за 4 года.

     Способ ингибирования  прорастания картофеля при хранении  с использованием ионизирующих излучений имеет и свой недостаток. Это потеря устойчивости к микроорганизмам и снижение лежкости механически поврежденных облученных клубней. У таких клубней ослабляется иммунная система, в результате чего снижается естественная устойчивость к фитопатогенным микроорганизмам, что приводит к возрастанию потерь из-за развития болезней. Но и это поправимо, если усовершенствовать конструкции картофелеуборочной техники для уменьшения количества случаев механического повреждения клубней, а также варьированием сроков и доз облучения. Облучение следует проводить не сразу после уборки, а спустя 2-3 месяца и меньшей дозой – около 80 Гр. За это время на поврежденных участках образуется эпидермис.

       Для лука применяют  такие дозы гамма излечений  – 70-100, чеснок- 100-120, сахарная свекла- 100, морковь- 80-100Гр.

      Ионизирующее излучение  применяют и при борьбе с  насекомыми при хранении зерновых  культур. Облучательные установки  в зависимости от конструкции позволяют быстро и равномерно обрабатывать крупные партии зерна потоком гамма квантов требуемой интенсивности в зависимости от вида вредителя  и стадии его развития. Облучением достигают уничтожение насекомых-вредителей в зерне, муке, сухофруктах.  Способ этот целесообразен там, где применение химических средств – инсектицидов, фумигантов – недопустим.

    Для дезинсекции продукции  используют, гораздо больше, чем  для радиационного стимулирования, дозы излучений – от 200 до 500Гр. Практическое использование показало, что при дозе 200Гр гибнут наиболее устойчивые к излучению взрослые особи долгоносиков. В тоже время базовые нагрузки менее 500 Гр не снижают пекарских качеств зерна. Дозы гамма излучения можно подбирать к определенной стадии развития насекомого – яйцо, личинка, куколка, имаго – в зависимости, от ее радиочувствительности. Недостаток лучевой дезинсекции – во время технологического процесса невозможна дезинсекция самого помещения, другой недостаток способа радиационного ингибирования – относительная неравномерность обработки массы зерна. Эти недостатки вполне устранимы путем создания совершенных установок для облучения.

В растениеводстве также  используется метод радиационной половой  стерилизации для борьбы с насекомыми вредителями. Принцип метода борьбы с насекомыми  - вредителями путем половой стерилизации основан на облучении самцов такими дозами гамма излучения, которые обеспечивают их стерильность; при этом соматические клетки не повреждаются, а у половых наблюдается разрыв хромосом с последующим неправильным срастанием и слипанием. Самки, спаренные с такими самцами, не дают потомства, так как сперма сохраняет подвижность и оплодотворяет яйца, но развитие зиготы вскоре прекращается, и отторжение личинок из яйца не происходит. Такой метод был применен против мясной мухи – опасного вредителя домашнего скота и других животных, в результате чего мясная муха на больших площадях, охватывающих весь полуостров Флорида, прекратила свое существование.

Для стерилизации пятидневных  самцов доза облучения составила 180 Гр при  длительности облучения 7 минут. Насекомых, оставшихся жизнеспособными, рассеивают затем с воздуха в естественном биотопе. При отсутствии потомства у необлученных самок развитие популяции резко падает. Этот метод экономически выгоден, так как затраты на строительство биофабрики-инсектария в 2.5 раз меньше ежегодного ущерба причиняемого фермерам мясной мухи. Такой метод применяли и в борьбе с дынной мухой. Одно из преимуществ метода половой стерилизации насекомых заключается в том, что его реализация не связана с загрязнением окружающей среды, которое происходит при применении химических средств. Другое важное преимущество – использование доз гамма излучения на порядок ниже тех, которые применяют для прямого уничтожения насекомых-вредителей. Число выпущенных стерильных самцов должно намного превышать численность естественной популяции. Метод половой стерилизации успешно применялся в борьбе со средиземноморской плодовой мухой, гороховой и фасолевой зерновками, хлопковыми долгоносиками, мухой Це-Це, заражающей «сонной болезнью» людей и скот, и т.д.

Метод гамма облучения посадочного  материала нашел широкое применение в виноградарстве.  При борьбе с заболеваниями винограда – филлоксерой проводится прививка ценных сортов на устойчивые к этой болезни подвои. Эта прививка представляет очень высокими трудозатратами. Эти затраты можно свести до минимума использованием радиационно-биологического «ослепления» виноградных подвойных черешков. Сущность метода заключается в ингибировании прорастания спящих глазков на подвое перед прививкой посредством гамма облучения.

  В растениеводстве также  применяют методы радиационной  селекции. При этом методе получались  растения-мутанты. Примером служит  облучение семян сои Кубанская  276 привело к появлению многочисленных  мутантов. Этот метод используют  для того чтобы повысить частоту  мутации и разнообразие исходного материала для последующего отбора полезных мутаций. Главная цель радиационной селекции – получение большого разнообразия искусственных мутантов, что недостижимо ни в естественных условиях, ни при применении химических мутагенов. Для получения растений-мутантов требуются сравнительно высокие дозы излучений – от 10 до 1000Гр.  Чем выше доза, тем больше число мутаций, но при этом и возрастает гибель большего количества растений. Методами радиационной селекции получено значительное число новых ценных сортов зерновых и других культур – горчицы, рапса, томатов, декоративных культур.