Искусственное воздействие радиацией

После опубликования Де Фризом работ по мутационной теории многие ученые пришли к выводу о необходимости разработки путей искусственного индуцирования мутаций. Еще в 1916 г. Кольцов утверждал, что воздействие на половые клетки с изменением при этом их наследственности - самая существенная задача экспериментальной биологии, которую не надо откладывать на далекое будущее. В 1920 г. Кольцов поручил своему сотруднику Д. Д. Ромашеву провести опыты с целью получения мутаций у дрозофилы при воздействии на мух рентгеновскими лучами. Были предприняты многочисленные попытки влияния на генетический материал разными видами проникающей радиации и химическими соединениями. Но из-за методической неподготовленности не удалось достичь реальных успехов. Долгое время действие на половые клетки вело к сильному изменению.

Только в 1927 г. американский ученый Г. Меллер доложил на Международном генетическом конгрессе о своей работе на дрозофиле. С помощью рентгеновских лучей ему удалось получить у мух большое количество мутаций. Частота их, по сравнению с естественным мутационным процессом, была увеличена в сотни и тысячи раз. Сообщение Меллера оказалось сенсационным. Оно положило начало развитию работ по искусственному вызыванию мутаций у многих видов растений и животных, а также бактерий и вирусов.

В том же году независимо от Меллера его соотечественник Л. Стадлер при воздействии рентгеновскими лучами успешно индуцировал мутации у ячменя и кукурузы. Его работа вышла в свет одновременно с публикацией исследований Меллера.

И все-таки пионеры открытия мутагенного действия радиации - русские ученые Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов. В 1925 г. они опубликовали в трудах Государственного рентгенологического и радиологического института статью о получении мутаций у дрожжей под действием радиоактивных веществ. Тогда же они сообщали о своих результатах по искусственному созданию мутаций и в одном из французских научных журналов, но широкого отклика у научной общественности не получили.

Рентгеновские лучи, использованные американскими учеными, и радиоактивные вещества, которые применяли Надсон и Филиппов, относятся к ионизирующим излучениям.

Радиация отдает веществу энергию в виде порций, она концентрируется в отдельных точках. В месте попадания ее создается высокая температура, при этом происходит свертывание белков, что в итоге ведет к биологическому поражению. По «теории мишени» последствия радиации зависят именно от места «попадания». Может быть поражена молекула белка, выполняющего важную функцию. Но в клетке очень много совершенно одинаковых молекул. Если из тысячи их останется 990, то на одной клетке это не отразится. При поражении в клетке молекул воды или какой-либо соли также изменений ле произойдет.

Совершенно иное положение при поражении радиацией генов - ведь они занимают особое место в клетке. Каждый ген в хромосоме представлен только один раз и контролирует синтез определенного фермента. Поражение генов - главная причина функциональных изменений и даже гибели клетки.

Конечно, трудно попасть радиацией в какой-то определенный ген - уж очень мала «мишень». Но в клетке множество разных генов, и достаточно попасть в любой из них, чтобы вызвать наследственное изменение клетки. Малая вероятность попадания в определенный ген, помноженная на большое число генов в клетке, дает существенную величину для вероятности генетических повреждений.

Генная мутация происходит при воздействии на молекулу ДНК энергией одной-единственной ионизации атомов. Для хромосомных повреждений требуется большая энергия - хромосому нужно пронизать несколькими частицами.

Опыты по радиационной генетике в середине 30-х годов впервые дали возможность сделать предположение о природе гена. Так как генная мутация - это небольшое химическое изменение, есть основание считать, что ген имеет химическую природу, являясь молекулой или частью большой молекулы. Правильность такого заключения подтвердилась данными молекулярной генетики спустя 30 лет.

Во всех опытах по мутагенному действию радиации было получено большое количество новых стойких наследственных изменений. Надсон и Филиппов выделяли колонии дрожжей, отличающиеся величиной, формой и окраской. Клетки имели измененные свойства. Меллер обнаруживал мух с более темной или более светлой окраской тела, с иной окраской глаз, другим расположением на поверхности тела щетинок, с закрученными крыльями и вообще без крыльев. Мутантные растения кукурузы и ячменя, по описанию Стадлера, отличались от исходных растений ростом, окраской, формой листьев.

Используя радиационные вещества, многим исследователям удавалось получать мутации у различных организмов. Новые признаки были стойкими и передавались по наследству. Большая часть мутаций оказывалась вредной. Они в той или иной степени понижали жизнеспособность организмов и даже вызывали их гибель. Только незначительная доля мутаций вносит «улучшение» в организм. Многие мутации представляли собой «рецессивные летали». Это значит, что такая мутация есть только в одной хромосоме и вредного действия не проявляет или почти не проявляет, так как в другой хромосоме находится нормальный доминантный ген. Если мутация окажется в обеих гомологичных хромосомах, зародыш гибнет.

Создавая новые сорта растений и породы животных, человек использует немногочисленные «полезные» мутации, возникшие в природе. Но их мало. Радиация дает возможность многократно увеличить частоту мутаций вообще, а значит и ценных. Под влиянием различных облучений наследственная изменчивость возрастает почти в тысячу раз. Вот насколько расширяются возможности селекционеров. Тщательным подбором доз радиации и условий облучения удается существенно изменить соотношение полезных и вредных мутаций.

Главная мечта генетиков - научиться получать направленные мутации, т. е. «стрелять» по нужному гену. Задача невероятно сложная и трудноразрешимая. Но тем не менее, если очень много стрелять, то мишень будет поражена. Это удалось доказать практически. У сорта овса Флорад в США наблюдалось сильное поражение посевов ржавчиной. Семена обработали тепловыми нейтронами. Из облученных семян отобрали растения, не поражающиеся ржавчиной, размножили их. Новый сорт сохранил высокую продуктивность и был устойчив к ржавчине.

Важность использования радиации для повышения эффективности селекционного процесса была оценена сразу же после открытия ее мутагенного влияния. Воздействие ионизирующих излучений на растения исследовали генетики всего мира. В нашей стране уже с 1928 г. А. А. Сапегин в Одессе и Л. Н. Делоне в Харькове стали плодотворно применять рентгеновские излучения для улучшения сортов пшеницы. Они создали сотни различных радиомутантов. Целый ряд мутантных форм получили А. Н. Лутков у ячменя и гороха, М. Ф. Терновский у табака.

В это же время начал опыты по радиационной селекции А. Густафссон в Швеции. Его работы на Свалефской селекционной станции получили всемирную известность. Густафссон разрабатывал методы облучения растений, включая повторные воздействия на протяжении нескольких лет, и отбора измененных форм. Уже в 30-е годы в Свалефе были получены хозяйственно ценные мутанты ячменя.

Разработаны два основных пути селекционного использования искусственных мутаций. Во-первых, проводится прямое внедрение в производство мутаций, полученных у самых лучших сортов. Во-вторых, мутации используют как компоненты скрещивания в процессе гибридизации. Метод прямого применения мутаций направлен на улучшение по каким-либо биологическим и хозяйственным признакам существующих сортов. Он оказался перспективным в селекции на устойчивость растений к различным грибковым заболеваниям, холоду и засухе, сохранив без изменения другие полезные свойства сорта. При втором методе полученные мутации с ценными признаками служат только исходным селекционным материалом. Затем проводится скрещивание мутантных форм с лучшими сортами и передача им нужных признаков.

Работы по радиационной селекции ведутся широким фронтом. Успешных экспериментов немало. Ограничимся упоминанием некоторых из них. В. В. Хвостова, П. К. Шкварников, Б. Г. Енкен и другие генетики получили много хозяйственно ценных форм у озимой и яровой пшеницы, гороха, фасоли, сои, люпина, томатов, хлопчатника.

Большой интерес представляют радиационные мутанты пшеницы - неполегаемые, крупноколосые, устойчивые к грибковым заболеваниям, с хорошим зерном. Высокую продуктивность показал мутант Эректоид-72, превосходящий в условиях холодного и дождливого лета исходный сорт на 44%. Один из лучших сортов пшеницы в Западной Сибири Новосибирская-67 занимает площади в сотни тысяч гектаров. По урожайности она превосходит на 3 ц/га районированные сорта.

Своеобразное усиление определенного признака оказалось возможным при удвоении (дупликации) какого-либо участка хромосом с генами, обусловливающими проявление такого признака. Шведские ученые с помощью излучения создали мутанты ячменя с удвоенным числом генов, вызывающих синтез фермента амилазы.

Новый радиационный сорт люпина Киевский мутант представляет собой новую культуру. Он совершенно лишен алкалоида, препятствующего использованию люпина как кормового растения. Сорт отличается высокой урожайностью зерна и зеленой массы, повышенным содержанием белка. Интересные опыты по улучшению дикого мелкоплодного томата, плоды которого напоминают крупную клюкву, провел Г. Штуббе. После пятикратного последовательного облучения рентгеновскими лучами пяти поколений дикого томата ему удалось отобрать формы с плодами такой же величины, как и у культурных мелкоплодных сортов. Таким образом, за несколько лет исследователь как бы повторил длительную эволюцию культурных сортов томатов.

Узбекские ученые создали ценные мутанты хлопчатников, которые на 30% превосходят родителей по урожайности, более скороспелы, устойчивы к болезням, компактны по форме куста, имеют крупную и удлиненную коробочку. Удалось вызвать мутацию по такому генетически консервативному признаку, как длина волокна. Выделены ценные в практическом отношении мутанты по окраске волокна.

За рубежом на основе этого метода созданы сорта рапса масличного с повышенным содержанием масла и высокой урожайностью, горчицы Примекс, неполегающего ячменя Паллас, высокоурожайного гороха Строль, фасоли Шеферс-Универсал, устойчивой к грибковым заболеваниям, раннеспелой фасоли Санилак. В списке новых сортов короткостебельный, урожайный рис, высокорослый с повышенным содержанием луба лен, устойчивый к болезням, повышенного качества табак. Цветоводы получили ценные мутанты тюльпана, гладиолусов, гвоздик, флоксов, цикламена, петунии с разнообразной окраской и величиной цветков.

Радиомутантные сорта созданы почти у всех культурных растений.

Радиация находит практическое применение и в работе с животными. В 1936 г. советский генетик А. С. Серебровский выдвинул предложение с помощью ионизирующих излучений бороться с вредными насекомыми. Облучение взрослых особей приводит к серьезным нарушениям наследственного материала в половых клетках. Их участие в оплодотворении приводит к гибели потомства.

Эту идею использовали американские ученые. На юге США развелось огромное количество мух, переносивших от одного животного к другому возбудителей язвы, вызывающей их гибель. Химические отравляющие вещества не могли уничтожить насекомых. На помощь пришли генетики. Их действия были, на первый взгляд, несколько странными. Вместо уничтожения мух их интенсивно размножали. Затем облучили отобранных самцов. Половые клетки были жизнеспособны, но зародыши гибли на ранних стадиях развития из-за летальных мутаций. Стерильных самцов разбросали с самолета на большой площади. Их количество превышало количество норманых самцов в природе. После спаривания самки откладывали яйца, но из них ничего не могло развиваться, и мухи не размножались.