Использование ИИ и РВ в растениеводстве

Методы радиационной биотехнологии основаны на биологическом действии ИИ. К настоящему времени сложились четыре основных направления использования ИИ и РВ в растениеводстве:

1) использование радиационного мутагенеза для решения вопросов получения полезных мутаций основных сельскохозяйственных культур и использования мутантов в селекционной работе для выведения новых сортов;

2) для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений путем предпосевного облучения семян;

3) для удлинения сроков хранения растениеводческой продукции без изменения ее качества;

4) использование радиоактивных индикаторов при решении вопросов питания растений и механизмов поступления в растения макро- и микроэлементов.

Радиационный мутагенез используется при выведении новых сортов растений. При воздействии ИИ выведено более 150 новых сортов сельскохозяйственных растений: пшеница «Новосибирская-67» – высокоурожайная и устойчивая к полеганию, ячмень «Обский», хлопчатник АН-402, АН-40 – высокоустойчивые к заболеваниям, в Швеции – неполегающие раннеспелые низкорослые сорта ячменя, в Японии – рис Рей-Мет (высокоурожайный). Приоритет в применении ИИ в селекции зерновых культур принадлежит советским ученым-генетикам Л.Н.Делона и А.А.Сапегину (семена пшеницы и ячменя – 1928-1931 – мутанты, обладающие рядом ценных свойств). Объектом облучения (гамма и нейтронные лучи) служат семена, вегетирующие растения, пыльца растений, корнеплоды на разных этапах органогенеза. При воздействии ИИ частота появления мутации повышается в 200 раз по сравнению с природными условиями. Образование мутации зависит от условий облучения, дозы облучения, ее мощности и вида ИИ:

– вероятность возникновения мутации будет возрастать,
с увеличением поглощенной дозы (но не до бесконечности вследствие гибели растений). Чаще используют дозы, вызывающие 70 % гибель ЛД = 70, которая зависит от радиочувствительности растений;

– от вида излучений: ИИ с большой ЛПЭ вызывают более глубокие нарушения и генетическая эффективность их выше: нейтронное облучение; ИИ с малой ЛПЭ более эффективны при получении растений, устойчивых к заболеваниям;

– от состояния облучаемого объекта: облучение сухих семян вызывает бо´льший мутационный эффект, чем влажных; в первом случае устраняется репарационный эффект ферментов, активных только во влажных условиях.

7.1.2. Повышение продуктивности
сельскохозяйственных растений с помощью ИИ

В основе повышения продуктивности сельскохозяйственных растений с помощью ИИ лежит явление радиационного гормезиса – способности биологических объектов противоположным способом отвечать на воздействие ИИ малых и больших доз облучения; т.е. при воздействии ИИ проявляется стимулирующий эффект малых доз облучения.

Накоплены факты, показывающие положительное влияние радиации на развитие и рост растений при предпосевном облучении семян – повышение урожайности сельскохозяйственных культур, ускорение их созревания и улучшение их качества.

Стимулирующий эффект зависит от радиочувствительности растений и дозы облучения. Например: при воздействии дозой 5 кР наблюдается увеличение вегетативной массы и урожайности пшеницы сорта Диамант, 10 кР – снижение вегетативной массы и урожайности, более 20 кР – снижение урожайности
и повышение вегетативной массы.

Предпосевное облучение клубней картофеля повышало урожайность клубней на 10-28 % (в дозах от 100 Р до 500Р), содержание витамина С при этом на протяжении всего периода хранения оставалось выше по сравнению с контролем. Для зерновых культур стимулирующий эффект проявлялся в пределах следующих величин: для кукурузы – 0,5-3,0 кР, для гороха – 0,5-10 кР, для овощей – 1,0-40 кР. Механизм стимулирующего действия малых доз ИИ на растения по А.М.Кузину заключается в усилении синтеза рибосомальных РНК и ДНК, белков, ферментов, липидов; при этом также наблюдается более высокий уровень содержания фитогормонов (гетероауксинов).

7.1.3. Использование ионизирующей радиации
для сохранения сельскохозяйственной продукции

Экспериментальные исследования показали, что путем облучения можно подавлять прорастание клубней картофеля, лука, корнеплодов и др. Облучение клубней картофеля в дозе 10 крад полностью подавляет прорастание клубней вследствие гибели меристемных тканей в точках роста проростков и нарушение обмена веществ, сопровождающееся накоплением активных ингибиторов развития – радиотоксинов.

Этот метод разрешен решением МАГАТЭ в 1973 году и применяется в ряде стран.

Гамма-излучение применяется для удлинения сроков хранения скоропортящихся фруктов и ягод при облучении в дозе 200-300 крад за счет снижения микробной загрязненности их.

7.1.4. Использование ИИ в растениеводстве
для других целей

Ионизирующую радиацию можно использовать для борьбы с вредителями зерна, муки, круп путем воздействия на яйца и личинки амбарных вредителей (амбарный долгоносик, огневка и др.) в дозах, вызывающих радиационную стерилизацию (10-25 крад).

Для борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений и собранного урожая предложено использовать ИИ в трех направлениях:

– радиационная половая стерилизация самцов, специально разведенных и выпущенных после стерилизации в естественные условия – в этом случае стерильные самцы спариваются с самками, те откладывают неоплодотворенные яйца, личинки не выводятся и численность популяции в этом случае снижается;

– радиационная селекция болезнетворных для насекомых возбудителей – микроорганизмов, грибков и др., вызывающих гибель вредных насекомых и уменьшающих численность популяции до порога невредоносности;

– радиационная дезинсекция.

7.1.5. Радиоактивные препараты
в агрохимических исследованиях

В настоящее время налажено производство радионуклидов ряда биологически важных элементов с периодом полураспада, позволяющим проводить исследования с растениями в течение всего вегетационного периода: H-3, C-14, Na-24, P-32, S-35,
K-42, Ca-45, Cr-51, Fe- 59, I-125, I-131 и др.

Радиоиндикационный метод – (метод меченых атомов) предусматривает использование b-частиц. Введенные в организм радионуклиды ведут себя в биологических системах так же, как и их стабильные изотопы. Современные радиометрические приборы позволяют измерять радиоактивные изотопы массой 10^-18-10^-20 г. Этот метод использовался в опытах по изучению эффективности различных сроков и способов внесения в почву удобрений, при определении количества микро- и макроэлементов, усвоенных растениями из меченого радионуклидами удобрения и из почвы.

Было установлено, что фотосинтетический кислород происходит не из СО₂, а из воды; что в процессе взаимодействия между привоем и подвоем минеральные элементы (Р, Сa и др.) переходят не только из подвоя в привой, но и в обратном
направлении.

Этот метод использовался для изучения способов передвижения и усвоения минеральных и питательных веществ минеральных удобрений в почве и растениях.

7.2. Использование ИИ и РВ
в животноводстве и ветеринарии

Радиоиндикационный метод

Сущность метода заключается в том, что радиоактивные
и стабильные изотопы одного и того же элемента обладают одинаковыми химическими свойствами и биологическими закономерностями поступления, распределения и метаболизма; но
радиоактивные изотопы неустойчивы, подвергаются самопроизвольному распаду, сопровождающемуся испусканием энергии в виде того или иного вида ионизирующего излучения. Это излучение может быть измерено, что дает возможность определять количество РВ в исследуемом объекте.

Достоинства этого метода заключаются:

– в высокой чувствительности метода (10^-18-10^-20 г) по сравнению с обычными химико-биологическими методами измерения (10^-6-10^-7 г);

– данный метод позволяет изучать функцию органов и систем без хирургического вмешательств (например: метод оценки функционального состояния щитовидной железы с помощью радиоактивного изотопа I-131);

– быстрота измерения содержания РВ в образце внешней радиометрией органов или специально приготовленных препаратов (крови, лимфы, гистологических срезов тканей и др.);

– дает возможность математического (количественного) описания протекающих биологических процессов в организме на языке формул и математических уравнений.

С помощью этого метода был изучен процесс пищеварения в желудочно-кишечном тракте: что синтез аминокислот возможен из минеральных и питательных веществ кормов микроорганизмами рубца – из Na₂C⁺O₃ меченый углерод переходит в аминокислоты, из Na₂S⁺O₄ – в серосодержащие аминокислоты переходит меченая сера, использование неорганической серы при переходе в АК составляет 15-35 %.

Была изучена возможность синтеза органических кислот в рубце жвачных из уксусной кислоты, что в течение одних суток в рубце коров в среднем образуется около 2400 г уксусной, 950 г пропионовой, 930 г масляной кислот, у овец 193, 80 и 36 г соответственно.

В радиобиологических исследованиях с использованием ³⁵S и ¹⁴C определены биологические периоды полуобновления протеина в печени (6,9 дней) и мышцах (38,5 дня), было определено, что в биосинтезе молочного жира наиболее эффективно используются карбоновые кислоты, а не глюкоза, что 50 % молочного жира синтезируется из органических кислот, а 50 % из липидов крови, поступающих в молочную железу.

С помощью этого метода были изучены биологические закономерности отрастания шерсти у овец: что шерсть состоит из белков кератинов, образуемых полипептидами из серосодержащих аминокислот, что рост всех видов шерстных волокон прекращается в апреле-мае. Формирование шерстного покрова
при внутриутробном развитии ягнят начинается за 35-47 дней до окота (радиоактивная метка обнаруживается на верхушке шерстного волокна при введении в организм в этот срок).

Авторадиография

Авторадиография – метод получения фотографических изображений в результате действия на фотоэмульсию излучения радиоактивных элементов, находящихся в исследуемом объекте.

Сущность этого метода заключается:

1) в предварительном введении подопытным животным того или иного количества радиоактивного вещества;

2) во взятии у животных тех или иных органов и в изготовлении из них препаратов (гистологические срезы, шлифы, мазки) для авторадиографии;

3) в создании в течение некоторого времени тесного контакта между препаратом, содержащим радиоактивный элемент
и фотопластинкой, фотоэмульсией;

4) в проявлении и фиксации фотоматериала (в результате чего серебро восстанавливается и появляется почернение);

5) в визуальном анализе данных измерений и проведении денситометрии (количественный анализ по оптической плотности почернения фотоэмульсий радиоавтограмм).

7.2.3. Радиационное обезвреживание навоза
и навозных стоков, использование ИИ в кормопроизводстве

Радиационное обезвреживание навоза и навозных стоков основано на подавлении жизнеспособности микроорганизмов и гельминтов при воздействии очень больших доз – 1,5-3 Мрад. Для этих целей применяются радиационные установки, содержащие ⁶⁰Со или ¹³⁷Сs с использованием ускоренных электронов с энергией до 2,5 Мэв.

Радиационная технология применяется также в кормопроизводстве с целью гидролиза целлюлозы соломы, древесных опилок, торфа; при воздействии ИИ увеличивается содержание легкогидролизуемых углеводов, которые в дальнейшем используются для выращивания грибков, при данной технологии увеличивается синтез протеина в 4-5 раз.

Проведены исследования по использованию свиного навоза в кормовых целях: при этой технологии свиной навоз смешивается с соломой, обогащается аминокислотами, витаминами, микроэлементами и подвергается радиационной обработке в больших дозах. При этом кормовая ценность этой смеси увеличивается до 0,40-0,45 к. ед. Эта технология использовалась в условиях свинооткормочного комплекса «Боровляны» Минской области Республики Беларусь.

7.2.4. Использование радиационной технологии
при производстве вакцин

В медицине и ветеринарии для борьбы с инфекционными
и инвазионными заболеваниями широко применяются живые
и инактивированные (ослабленные или мертвые микроорганизмы) вакцины. Для ослабления вирулентности живых вакцин
(с живыми микроорганизмами) или для их полной инактивации
(гибели) используются химические и физические факторы. С помощью ИИ инактивируются вирусы бешенства, болезни Ауески, возбудители рожи свиней, салмонеллеза, споры сибирской язвы (0,2-1,1 Мрад).

Ионизирующее излучение используется при изготовлении вакцин против гельминтозов (диктиокаулеза овец и крупного рогатого скота), при этом радиационному воздействию подвергаются личинки гельминтов, которые в инактивированном состоянии вводятся в организм животных и вызывают выработку антител.

Ионизирующая радиация используется для холодной стерилизации материалов и препаратов медицинского и ветеринарного назначения, не выдерживающих термической обработки или воздействия химических дезинфицирующих средств – сульфаниламиды, антибиотики, витамины, гормоны, готовые вакцинные препараты, одноразовые шприцы и т.д.

7.2.5. Консервация продукции животноводства
с помощью ИИ

Использование ИИ для консервации продукции животноводства основано на летальном воздействии больших доз радиации на микроорганизмы, вызывающих их порчу.

При воздействии в дозе 0,2-0,6 Мрад снижается содержание микрофлоры в мясе, что позволяет удлинить срок хранения в обычных холодильниках в 3-5 раз. Полуфабрикаты мяса или кулинарные мясные изделия, расфасованные в полимерные упаковки под вакуумом, подвергаются стерилизации гамма-радиацией; этот прием позволяет продлевать срок хранения до 5 месяцев при температуре +20 ⁰С. Этот же метод используется для удлинения сроков хранения яичного порошка (воздействие 0,6 Мрад).

Исследованиями ВОЗ, Института питания РАМН установлено, что радиационная обработка мяса и мясопродуктов, рыбы и рыбопродуктов не приводит к образованию в них вредных веществ.

ИИ используется для консервации шкур животных в дозе 1 Мрад), что позволяет их хранить 12 дней без применения других консервантов; для консервации шерсти в тюках и кожевенного сырья Австралия, Новая Зеландия, 1960 г.).

7.2.6. Использование малых доз ионизирующей радиации
в животноводстве

Проблема использования малых доз ионизирующего излучения изучалась в Казанском ветеринарном институте,
в МВА им. академика Скрябина, во ВНИИ сельскохозяйственной радиологии, ВНИВИ (г. Казань) и др. Было установлено, что прединкубационное облучение яиц, облучение 1-2-дневных цыплят, молодняка и взрослых кур в малых дозах (0,5-100 рад) приводит к положительным результатам: выводимость и сохранность цыплят увеличиваются; наблюдается заметное ускорение их роста и развития; повышается яйценоскость кур при увеличении массы яиц, возрастает мясная продуктивность бройлеров и выход тушек первой категории. Стимулирующий эффект сохраняется в течение 12 месяцев после воздействия.

При облучении норок в дозах 10-30 Р увеличивается их выживаемость, повышается интенсивность их роста (в возрасте 6,5 месяцев – на 10 %), улучшается качество пушнины за счет пробуждения «спящих» волосяных фолликул.

Облучение суточных поросят в дозе 10-25 Р приводит к увеличению интенсивности их роста, к концу 3 месяца масса тела у них выше контроля на 10-15 %, 6 месяцев – на 6-8 %.

Собственными исследованиями (ВНИВИ г. Казань, 1988-1992 гг.) было установлено, что воздействие малых доз радиации повышает интенсивность роста и развития молодняка овец породы прекос, живая масса у опытных животных по сравнению с контрольными была выше на 9-12 %; однократное облучение взрослых овец в малых дозах в период суягности отрицательного влияния на внутриутробное и постнатальное развитие молодняка не оказывало, по живой массе ягнята, родившиеся от облученных овцематок, превосходили своих интактных сверстниц. При этом иммунобиологические показатели опытных взрослых овец и молодняка превышали показатели интактных сверстниц.

При воздействии малых доз радиации увеличивается шерстная продуктивность овец, повышаются качества кожевенного сырья – овчин.