СТАТЬИ
Совместное действие 232Th с ионами щелочных
и тяжелых металлов на меристемы растений
Научные интересы: цитогенетические эффекты сочетанного действия факторов радиационной и нерадиационной природы В результате интенсивного использования ресурсов биосферы в настоящее время на Земле практически не осталось такой экосистемы, которая не испытывала бы мощного давления хозяйственной деятельности человека. В этих условиях крайне важна достоверная информация о возможных последствиях для биоты совместного действия факторов разной (физической, химической, биологической) природы. Корректная оценка их реальной опасности, а, тем более, прогнозирование индуцированных биологических эффектов, невозможны без знания механизмов раздельного и совместного действия загрязняющих окружающую среду веществ на объекты живой природы. Цель настоящей работы состояла в изучении цитогенетических эффектов раздельного и совместного действия на меристематические клетки растений жизненно важного элемента калия, Cd — тяжелого металла, относящегося к I классу опасности по классификации Международного комитета по проблемам окружающей среды, и 232Th, являющегося одновременно химически токсичным элементом и родоначальником семейства a-, b- и g-излучателей разного уровня активности. Эффекты взаимодействия нитратов 232Th и K оценивали по уровню соматических мутаций (изменение доминантной голубой окраски клеток на розовую), морфологических аномалий (изгибы, разветвления волосков, гигантские и карликовые клетки) и снижению репродуктивной способности клеток волосков тычинок (ВТ) традесканции. Эксперименты проводили с водными культурами растений. Свежесрезанные побеги традесканции с момента раскрытия первого бутона в соцветии помещали в растворы исследуемых веществ или в дистиллированную воду (контроль). Методика проведения экспериментов подробно изложена в работах [4, 5]. Для изучения механизмов формирования цитогенетических эффектов при раздельном и совместном действии нитратов 232Th и Cd в качестве тест-объекта использовали Allium cepa. Отбирали лук-севок (сорт Даниловский) одинакового размера (диаметром 1.5-1.7 см) по 5 штук на каждый вариант опыта и для отращивания корней помещали в дистиллированную воду (контроль), а также в растворы нитрата 232Th, либо нитрата Cd. При исследовании сочетанного действия раствор содержал одновременно ионы 232Th и Cd в указанных концентрациях. Через 30 ч от каждой луковицы отрезали корни, достигшие длины 1 см. Корешки фиксировали 48 ч в ацетоуксусном алкоголе (1:3). Временные давленые препараты окрашивали ацетокармином. Количественный и качественный учет перестроек хромосом в ана- и телофазе первого деления, митотического индекса проводили по стандартной методике. Математический анализ данных выполняли общепринятыми методами [2]. Концентрация KNO3 соответствует используемой в случае приготовления питательных растворов для водных культур растений (табл. 1). Выбранные концентрации Cd и 232Th при раздельном действии на клетки корневой меристемы A. cepa не ведут к полной остановке пролиферации, но вызывают достоверные генетические эффекты [6, 11]. Отметим, что основывать выбор концентраций Cd и 232Th на приведенных в нормативных документах значениях мы посчитали нецелесообразным, поскольку они существенно меняются. Так, если предельно допустимая активность 232Th для питьевой воды в настоящее время составляет 0.6 Бк/кг, в НРБ-96 она была определена как 5.4 Бк/кг или 1.32 мг/л, а до 1996 г. считалась равной 0.15 мг/л, что соответствует выбранному нами значению. Предельно допустимые концентрации Cd в воде варьируют в зависимости от вида хозяйственного использования источника. Отметим, что по оценке Вагнера [13] на незагрязненных ТМ территориях концентрация кадмия в тканях растений не превышает 0.3 мМ. В нашем эксперименте концентрация Cd2+ в растворе составляла 0.26 мМ. Представленные результаты (рис. 1, табл. 2) позволяют отметить некоторые особенности действия 232Th на меристематические клетки растений. Все исследованные концентрации 232Th обусловливают высокий, статистически значимый уровень морфологических аномалий в ВТ традесканции. В изученных концентрациях 232Th повышает частоту генных мутаций в клетках ВТ традесканции, но не увеличивает число структурных перестроек хромосом, регистрируемых анафазным методом в клетках корневой меристемы лука. В концентрациях 0.09 и 0.18 мг/л 232Th, воздействуя на кинетохоры и/или нити веретена деления, вызывает отставание хромосом в анафазе, что может приводить к геномным нарушениям. Токсический эффект проявляется только при концентрации 232Th 0.36 мг/л. При этом наблюдается падение частоты аберраций хромосом за счет перестроек хроматидного типа. Если учесть, что данный тип нарушений, проявляющийся часто у контрольных растений, образуется на стадии двух эффективных нитей, то можно полагать, что происходит остановка или задержка клеточного цикла в фазе G2. Каковы же возможные механизмы действия 232Th, приводящие к наблюдаемым эффектам? Важной особенностью тория является то, что он одновременно способен оказывать воздействие на биологические объекты как излучатель и как химически токсичный элемент. Известно, что 232Th легко образует комплексные соединения с белками, аминокислотами и органическими кислотами. С одной стороны, это свойство обеспечивает детоксикацию иона уже на пути поступления в клетку. С другой — обусловливает значительные изменения компонентов мембран. Изменения в плазмалемме запускают цепь реакций, связанных с передачей сигналов геному, и приводят к изменению экспрессии генов, определяющих, в частности, процессы морфогенеза клетки. Очевидно с этими событиями связан высокий уровень индуцируемых 232Th морфологических изменений. Продемонстрированный в нашем исследовании достоверный генотоксический эффект 232Th может быть вызван как непосредственным влиянием излучения продуктов распада 232Th на ДНК, так и развитием свободнорадикальных процессов, нарушающих метаболизм ДНК и принимающих участие в образовании разрывов ДНК и повреждении оснований. Предполагается [10], что данный механизм может оказаться ведущим в образовании точковых мутаций при воздействии ионизирующих излучений на растения. В природных условиях не встречается ситуаций, когда 232Th находится в среде без дополнительного ионного окружения. Совместное действие ионов металлов в результате их кооперативного и антикооперативного взаимодействия с биомолекулами обусловливает многообразие механизмов ответной реакции клетки и возможность возникновения синергических и антагонистических эффектов [3]. Какое влияние оказывают существенно различающиеся по химическим свойствам ионы металлов на ответную реакцию клеток по отношению к действию 232Th, показывают результаты изучения совместного действия этого радионуклида с нитратами калия и кадмия. Прежде всего, следует отметить различие механизмов действия изучаемых солей металлов. Результаты, полученные с использованием традесканции в качестве тест-объекта, подтверждают вывод о том, что 232Th вносит существенный вклад в индукцию генных мутаций и в большей мере, чем калий, вызывает угнетение пролиферативной активности клеток. В случае калия относительно выражено влияние на морфофункциональное состояние клеток (рис. 2). Заметим, что эта же особенность действия калия была выявлена нами при тестировании проб талой воды, содержащих повышенные концентрации ТМ [4]. В цитируемой работе обсуждались возможные механизмы влияния иона калия на морфологические процессы в клетке. Данные, полученные с использованием A. cepa, показали, что раздельно 232Th и Cd в изученных концентрациях не вызывают достоверного мутагенного эффекта (рис. 3). Однако если цитогенетическое действие 232Th связано главным образом с индукцией геномных нарушений, то Cd приводит к существенному (в 1.5 раза выше контрольного) увеличению доли повреждений хромосомного типа и числа фрагментов (рис. 4). Воздействие Cd обусловливает также достоверное (р меньше 0.05) снижение митотического индекса. В контроле этот показатель составляет 4.88±0.71, для тория он равен 4.58±0.78, для Cd — 2.92±0.33, а сочетанный эффект — 3.27±0.55 %. При совместном действии этих ионов металлов число отставших хромосом достоверно выше контрольного и вызванного кадмием уровня, но сопоставимо с эффектом, индуцируемым 232Th (рис. 3). Соотношение хромосомного и хроматидного типов аберраций, числа фрагментов и мостов, а также митотический индекс сходны с таковыми для Cd. В обоих случаях число фрагментов превышает 80 %, тогда как 232Th индуцирует такие повреждения в 57 % случаев (рис. 4). Таким образом, 232Th оказывает в основном модифицирующее действие на процессы становления в мутации индуцируемых Cd и образующихся спонтанно повреждений ДНК. Аналогичный вывод был сделан на основе результатов изучения сочетанного действия малых доз хронического g-облучения и 232Th на клетки волосков тычинок традесканции [3]. В случае совместного действия 232Th и Cd наблюдаются достоверные синергические эффекты как в отношении частоты аберрантных ана- и телофаз (Kw = 4.02; p = 0.021), так и для числа повреждений на клетку (Kw = 5.77; p = 0.018). В противоположность этим данным, эффект сочетанного действия нитратов 232Th и К, рассчитанный на основе Kw, оказался достоверно ниже аддитивного для всех исследованных показателей — соматических мутаций, морфологических аномалий и потери репродуктивной способности клеток ВТ традесканции. Причиной различия ответной реакции клеток на сочетанное действие 232Th с Cd и с K является специфика взаимодействия щелочных и ТМ с клеточными структурами и, в частности, с ДНК. Известно, что ион K+, как все щелочные и щелочноземельные металлы, взаимодействует с фосфатными группами ДНК и повышает ее стабильность, тогда как Cd2+, связываясь преимущественно с основаниями [7], снижает температуру перехода спираль–клубок [1, 9] и делает ДНК более лабильной к повреждающим воздействиям. Кроме того, если активность более 60 играющих важную роль в метаболизме растительной клетки ферментов зависит от присутствия K+ [8], то Cd2+, напротив, часто ингибирует ферменты, замещая Zn, например, в ДНК полимеразе-a [12], играющей важную роль в репликации и репарации ДНК. Таким образом, различия в химических свойствах и биологической значимости элементов обусловливают принципиальные различия ответной реакции клеток растений на совместное их действие с одним и тем же агентом. В данном случае жизненно важный для представителей живой природы элемент — калий — проявляет протекторные свойства по отношению к действию 232Th. Совместное же действие 232Th и Cd2+, являющихся химически высокотоксичными металлами, приводит к синергическому усилению эффектов их действия на клетки растений. В заключение сформулируем ряд следующих из полученных экспериментальных данных выводов об особенностях формирования цитогенетических эффектов в условиях раздельного и совместного действия ионов К, Cd и 232Th. Исследованные концентрации нитрата 232Th оказывают достоверный генотоксический эффект и увеличивают уровень морфологических аномалий в ВТ традесканции, но не повышают частоту аберраций хромосом в клетках корневой меристемы A. cepa. Цитогенетическое действие 232Th связано с его способностью вызывать отставание хромосом в ана- и телофазе, что ведет к увеличению частоты геномных нарушений. Концентрация 0.36 мг/л 232Th оказывает также достоверный токсический эффект, снижая как пролиферативную активность клеток ВТ традесканции, так и корневой меристемы A. cepa. Кадмий в изученной концентрации не увеличивает частоту отставших хромосом и не усиливает этот эффект при взаимодействии с 232Th. Однако воздействие Cd приводит к существенному (в 1.5 раза выше контрольного) увеличению доли хромосомного типа повреждений и числа, приходящихся на аберрантную клетку фрагментов, при снижении процента мостов и митотического индекса. При совместном действии нитратов 232Th и калия для всех изученных концентраций и показателей (соматических мутаций, морфологических аномалий, потери репродуктивной способности клеток) обнаружен достоверный антагонистический эффект. Сочетанное действие 232Th и Cd обусловливает достоверный синергический эффект в отношении частоты аберраций хромосом при увеличении нагруженности аберрантной клетки повреждениями. ЛИТЕРАТУРА 1. Волькенштейн М.В. Биофизика. М.: Наука, 1981. 575 с. 2. Гроссман С., Тернер Дж. Математика для биологов. М.: Высшая школа, 1983. 383 с. 3. Евсеева Т.И. Закономерности раздельного и сочетанного действия факторов радиационной и нерадиационной природы в диапазоне малых доз (концентраций) на традесканцию (клон 02): Автореф. дис. … канд. биол. наук. Обнинск, 1999. 23 с. 4. Евсеева Т.И., Гераськин С.А. Раздельное и в сочетании с солями тяжелых и щелочных металлов действие 232Th на традесканцию (клон 02) // Радиац. биол. Радиоэкол., 2000а. Т. 40, вып. 4. С. 456-461. 5. Евсеева Т.И., Гераськин С.А. Цитогенетические эффекты раздельного и совместного действия нитратов тория-232 и калия на традесканцию (клон 02) // Цитология, 2000б. Т. 42, № 8. С. 822-828. 6. Евсеева Т.И., Гераськин С.А., Храмова Е.С. Цитогенетические эффекты раздельного и совместного действия нитратов 232Th и Cd на клетки корневой меристемы Allium cepa // Цитология, 2001. Т. 43. № 8. С. 803-808. 7. Металлокомплексы нуклеиновых кислот в растворах / Ю.П. Благой, В.Л. Галкин, Г.О. Гладченко и др. Киев: Наукова думка, 1991. 225 с. 8. Пахомова В.М. Основные положения современной теории стресса и неспецифический адаптационный синдром у растений // Цитология, 1995. Т. 37, № 1. С. 66-86. 9. Рубин А.Б. Биофизика. М.: Наука, 1987. Т. 2. 303 с. 10. Britt A. DNA repair mechanism in vegetable cell // Radiat. Res., 1996. Vol. 146, № 5. P. 1158-1172. 11. Genotoxic effects of heavy metals: comparative investigation with plant bioassays / H. Steinkellner, K. Mun-Sik, C. Helma et al. // Environ. Mol. Mutagen, 1998. Vol. 31, № 2. P. 183-191. 12. Nocentini S. Inhibition of DNA replication and repair by cadmium in mammalian cells. Protective interaction of zinc // Nuclear Acids Res., 1987. Vol. 15, № 10. P. 4211-4225. 13. Wagner G.J. Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health // Adv. Agron., 1993. № 51. P. 173-212. v
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3663 посещений с 04.03.2002 |