1 Использование мутагенного действия ионизирующих излучений в селекционно-генетических исследованиях

Генетическое действие ионизирующих излучений наиболее глубоко было изучено на растениях и микроорганизмах. Еще в 1928 г. Л. Н. Делоне, а в 1934 г. А. А. Сапегин применили рентгеновское излучение для получения мутаций при селекции.

Под влиянием ионизирующих излучений легко возникают хромосомные и генные, или точечные, мутации. Хромосомные мутации, как правило, приводят к летальному исходу; они имеют значение в стерилизующем эффекте радиации. Для радиационной селекции важное значение приобретают генные мутации. Известно, что вся совокупность свойств, которые характеризуют данный вид растений, животных или микроорганизмов, запрограммирована в ДНК в виде последовательности 4-х нуклеотидов.

При облучении в ДНК возникают повреждения, которые непосредственно изменяют генетический код, т. е. ведут к образованию генных мутаций: окислению пиримидиновых оснований с образованием гидроперекисей и гликолей, замене одного основания другим, распаду пуриновых оснований и др. В процессе редупликации ДНК на поврежденной матрице возможны так называемые трансверсии, т. е. замена пуриновых оснований пиримидиновыми, и наоборот. При этих изменениях меняется смысловое значение кодона. Это приводит к синтезу белков с нарушенной последовательностью аминокислот. Изменение первичной структуры белка отразится на его трехмерной структуре, что приведет к неправильной самосборке таких белков в морфологические структуры, к появлению уродливых форм, нарушению процессов метаболизма.

В образовании мутаций немаловажную роль играют и процессы репарации одиночных разрывов и повреждений оснований. При восстановлении поврежденных участков ДНК полимеразы могут совершать значительное число ошибок. Таким образом, причиной мутаций может быть не только прямое попадание ионизирующей частицы в ДНК, но и радиационное изменение одного из многих белков хроматина -- полимеразы.

Вероятность появления мутаций в результате ошибок при репликации ДНК сильно возрастает в присутствии перекисей, хинонов, семихинонов. Эти вещества, как известно, образуются в облученной клетке и активно реагируют с местами разрывов в цепи ДНК, с нуклеотидами, которые идут на застройку «брешей» или на синтез новой полипептидной цепи.

На основе радиационного мутагенеза в растениеводстве успешно решаются вопросы получения высокоурожайных, устойчивых к неблагоприятным условиям среды и действия патогенных вредителей новых сортов сельскохозяйственных растений. Селекционеры почти в 5 раз сократили срок выведения новых сортов ячменя и пшеницы, используя мутагенный эффект гамма-облучения. С помощью экспериментального мутагенеза в нашей стране выведены 45 сортов пшеницы, 5 из которых районированы, например сорт пшеницы Новосибирская 67, сорт ячменя Обский. В странах разных континентов зарегистрировано 412 сортов мутационной селекции, поступивших в производство, в их числе 28 сортов пшеницы с улучшенной продуктивностью, зимостойкостью, раннеспелостью, большим содержанием белка, устойчивые к полеганию, мучнистой росе, бурой и стеблевой ржавчинам, с высокими хлебопекарными и другими качествами. Доля сортов важнейших сельскохозяйственных культур составляет более 50 %; из них получено с использованием радиации 93 % мутантов, а с помощью химического мутагенеза -- 7 %.

В бывшем СССР получены хозяйственно ценные мутанты сои (Универсал 1), кукурузы, люпина (Мутант 486), гречихи (Аэлита, Лада), гороха, фасоли (Урожайный, Мутант 7), хлопчатника (АН-402, АН-403), раннеспелые томаты, раннеспелый и устойчивый к фитофторе картофель (Рентгеновский), морозостойкие мутанты яблони, вишни и многие другие.

В США внедрен устойчивый к болезням сорт арахиса, в Японии -- скороспелый сорт сои (Райден) и высокоурожайный сорт риса (Рей-Мей), в Аргентине -- крупноплодный сорт персиков, в Индии и Швеции -- сорта пшеницы с повышенным содержанием протеинов, в Венгрии -- скороспелый мутант риса.

С помощью радиомутации удалось вывести новую разновидность тутового шелкопряда с более высокой продукцией шелкового волокна (за счет отбора самцов), выведена новая порода норки с оригинальным серебристым цветом меха.

В бывшей Чехословакии радиационным методом был получен штамм микроорганизма для производства молочного нисинового порошка нислактин. При добавлении к плавленым сырам он улучшал их качество и продлевал срок хранения. В промышленном масштабе с успехом были проверены молочные смеси, содержащие нислактин, для выкармливания поросят. При использовании нислактина кормовые смеси приобретали новые диетические и целебные свойства, повышался прирост массы поросят и улучшалось их общее состояние.

Другой пример -- использование методов радиационной селекции для получения новых форм микроорганизмов -- возбудителей заболеваний у вредителей сельскохозяйственных культур. Так, с помощью ионизирующего излучения получена новая форма этномогенного гриба боверина -- возбудителя мускардиноза у свыше 60 видов насекомых-вредителей (фасолиевая зерновка, яблонная плодожорка, хлебный клоп-черепашка и др.). На базе этой работы был создан и испытан препарат «Боверин», который вызывал гибель многих насекомых-вредителей в период уборки урожая.

Особый интерес при радиационных мутациях представляют те из них, у которых поврежден кодон, необходимый для образования аллостерического центра фермента. Нарушение функций этого центра может снять субстратное ингибирование фермента. В результате фермент активируется, и реакции, катализируемые этим ферментом, идут интенсивнее, чем в норме. На этом основании получены мутанты микроорганизмов с усиленной продукцией того или иного метаболита (антибиотиков, аминокислот и др.).

Облучением культур дрожжей выведены их расы, вырабатывающие в 2 раза больше эргостерина, чем исходные. Такое наследственно закрепленное изменение обмена веществ имеет большое значение для витаминной промышленности.

Комбинированным воздействием радиации и химических мутагенов выведено много штаммов высокоактивных плесневых грибов -- продуцентов пенициллина, стрептомицина, ауреомицина, эритромицина и альбомицина, которыми теперь располагает промышленность. Некоторые штаммы дают выход стрептомицина в 20, а пенициллина в 50 раз больше исходных рас. Это позволило организовать промышленное производство антибиотиков и сделало их широко доступными препаратами. Такой положительный опыт распространен и на другие отрасли микробиологической промышленности для получения высокоактивных продуцентов витаминов, различных ферментов и органических кислот.

Значительный интерес представляют изменения вирулентности микроорганизмов и их способность образовывать токсины под действием ионизирующих излучений. Данные изменения могут быть стойкими, закрепленными наследственно. Такие авирулентные мутанты используются для разработки вакцин. Кроме того, изменения вирулентности бактерий и их способности к токсинообразованию могут происходить и при таком облучении бактерий, когда не возникает мутаций.

Возникновение мутаций, как и всякое вероятностное событие, возрастает с увеличением поглощенной дозы. Однако с увеличением дозы возрастает гибель мутаций в облученной популяции, а многие из возникших не выявляются. В микробиологической практике используют обычно дозы, при которых остается 1...5 % выживших микроорганизмов. При радиационной селекции растений часто используют дозы, вызывающие гибель 70 % растений. Среди оставшихся 30 % выживших растений можно наблюдать большое количество мутаций. Абсолютные значения дозы зависят от радиочувствительности взятого организма.

Для радиационного мутагенеза применяют специально созданные исследовательские ядерные реакторы, радионуклидные гамма-установки («Гамма-поле», «Гамма-панорама», «Генетик»), ускорители электронов.