Sugárzás és kémiai mutagenezis. Absztrakt tanulmány a mutációs folyamatról

3.7.1. Mutagének, mutagenezis A mutagének olyan fizikai vagy kémiai tényezők, amelyek egy szervezetre gyakorolt ​​hatása megváltoztathatja annak örökletes jellemzőit. Ilyen tényezők a röntgen- és gamma-sugárzás, a radionuklidok, a nehézfém-oxidok, bizonyos

Mutagenezis

Sugárzási egyensúly

Sugárzó befogás

Sugárzási áramkör

Sugárzás pirométer

Ma már általánosan elfogadott, hogy a dezoxiribonukleinsav - DNS, amelyben négy bázis - timin, adenin, citozin, guanin - található egy bizonyos szekvenciában, felelős a szervezet örökletes jellemzőinek átviteléért. Ezen elmélet szerint ezen bázisok szekvenciájának megváltoztatása a DNS-molekulában - az úgynevezett kódban vagy kémiai szerkezetükben - a szervezet öröklődésének megváltozásához vezet.

Számos szerző által végzett kísérletek eredményeként kiderült, hogy ha egy sejtet reagenseknek - vegyszereknek vagy különféle sugárzásoknak - tesznek ki, a növényi szervezetekben új jellemzők, úgynevezett mutációk megjelenését idézheti elő. Előfordulhatnak élő szervezetben és spontán módon. Ebben az esetben a mutációk legvalószínűbb okai a sejtben végbemenő fiziológiai és biokémiai folyamatok változásai. Általában a külső körülmények változásai okozzák. A spontán mutagenezis vizsgálatai kimutatták, hogy minden jellegzetes mintázata alkalmazható az indukált mutagenezisre is.

A mesterséges mutációk megszerzésének egyik ígéretes módszere a sugárzás. A sugárzási szelekció lehetővé teszi, hogy viszonylag rövid időn belül jelentős számú hasznos mutánst nyerjünk - az új formák teljes számának körülbelül 20%-át. Ezenkívül a sugárzás lehetővé teszi egy egész növény egyedi jellemzőinek befolyásolását anélkül, hogy megváltoztatná a többi, gazdaságilag hasznosat, ami más módszerrel nem érhető el.

A sugárgenetika megalapítóinak G.A. Nadson, G.S. Filippov, aki 1925-ben az ionizáló sugárzás hatását tanulmányozta az élesztőgombák örökletes változékonyságára.

1930-ban hazánkban számos mezőgazdasági növény radiomutánsainak kinyerésére irányuló kutatások aktívan növekedtek. Szóval, A.A. Sapegin, L. N. Delone egy sor alapvető munkát végzett a búza nemesítésével kapcsolatban. Kitértek a mutációk sugárdózisteljesítménytől való függésének néhány kérdésére, a szervezet besugárzás előtti élettani állapotára stb. Felmerült a kérdés a különböző növényfajok radiomutabilitásával és az egyes gének mutációinak gyakoriságával kapcsolatban. A. N. Lutkov azt találta, hogy a γ-besugárzással leggyakrabban a vegetatív szervek fejlődését szabályozó génekben figyeltek meg mutációkat a virágszervek kialakulásáért felelős géneket kevésbé befolyásolták a változások.

A kromoszómális apparátus gén- és szerkezeti rendellenességeinek problémájával kapcsolatos főbb elméleti fejlesztéseket a sejt radioizotópnak való kitettsége következtében az A.S. Serebrovsky és N.P. Dubinin.

A hazánkban aktívan megkezdett sugárgenetikai kutatások 1940-re gyakorlatilag leálltak. Genetikusok és tenyésztők egész iskoláit zárták ki a tudományból T.D. tevékenysége következtében. Liszenko.

Ebben az időszakban külföldön, különösen Svédországban, az USA-ban, Japánban és más országokban új, modern technológiával felszerelt kutató- és termelési egyesületek jöttek létre. Az általuk elért eredmények igen jelentősek voltak. A kifejlesztett számos mezőgazdasági növény új fajtái és hibridjei nagymértékben növelték a termést, ellenállóbbak voltak a betegségekkel szemben, és technológiailag fejlettebbek voltak a termelésben.

Mindez ahhoz a tényhez vezetett, hogy az 50-es évek elején - közepén a genetikai öröklődés elméletét hivatalosan elismerték a Szovjetunióban, és támogatói I.P. Dubinin, P.K. Shkvarnikov, S.S. Alikhanyan, A.M. Kuzin és mások lehetőséget kaptak arra, hogy újraindítsák kutatásaikat a sugárzás genetikai és szelekciós problémáinak megoldására, a különféle sugárforrások sejtre gyakorolt ​​​​hatásának tanulmányozására, mint a testben bekövetkezett összes későbbi változás alapjára és kiváltó okaira.

Az 1960-as években a vezető országok már 7 mutáns eredetű fajtát bocsátottak ki, 1970-ben - 80, 1975-ben - mintegy 120-at, jelenleg pedig több mint 200 olyan növényfajtát regisztráltak, amelyek a korábban ismert fajtákhoz képest gazdaságilag értékesebb tulajdonságokkal rendelkeznek. A külföldi kutatók nem csak a sugármutagenezis önmagában történő alkalmazásával, hanem a kémiai mutagenezissel való racionális kombinálásával is jelentős eredményeket értek el. Mindkét irányt nem ellentétesek, hanem kölcsönösen gazdagították, és ez annak ellenére, hogy a kémiai mutagenezis prioritása a mi hazai kutatóink - V. V., K. F. Ponomarev, I. A.

A sugárzás szelekció fő célja- sokféle változatosság

mesterséges mutánsok, ami sem természetes körülmények között, sem felhasználáskor nem érhető el

kémiai mutagének. A sugárzási mutagenezis során a legtöbb megjelenő jel

kedvezőtlenek. Gyakran a sugárterhelés eredményeként jelennek meg

kiméra (csúnya) és elnyomott formák. A párhuzamosságoknak köszönhetően azonban (változtatás

kromoszóma, amelyben az egyik régiója lineárisan kétszer vagy többször van ábrázolva)

van bizonyos valószínűsége hasznos jelek előfordulásának, például magas

terméshozam, megváltozott kémiai összetétel (pl. megnövekedett fehérjetartalom),

korai érés, leszállás, hideg és magas hőmérséklet, betegségek stb.

(Fokin et al., 2005).

A mutáns növények előállításához viszonylag nagy dózisú sugárzásra van szükség. BAN BEN

A sugárgenetikában a letálisak mellett megkülönböztetik a kritikus sugárzási dózist.

Kritikus az a dózis, amelynél a szervezetek súlyos gátlása figyelhető meg, de

jelentős részük még mindig életben marad, és nagyszámú mutációt eredményez. A sejtmag több

érzékenyebb a sugárzásra, mint a citoplazma. Csak annyi adaggal lehet befolyásolni

több roentgént, míg a citoplazma nagy dózisokat is képes ellenállni. Különbség

a sejtmag és a citoplazma sugárérzékenysége elérheti a 100 000-szeres vagy annál nagyobb arányt.

(Gulyaev, 1984). Jelenleg több mint 150-re állapítottak meg kritikus dózisokat

termesztett és számos vadon élő növényfaj. Kritikus dózisuk 400 és 200 között volt

000R (5. táblázat).

Általában nagyobb számú mutáció érhető el szubletális dózisokkal -

a növények körülbelül 50, sőt 70%-ánál halált okozó dózisok. Általában megjelenik

a következő minta: minél nagyobb a dózis, annál több mutáció jelenik meg, de a

Ebben az esetben az élőlények halála magasabb. Alacsony dózisok esetén a javítási folyamatoknak még van ideje befejezni

a besugárzási idő és a mutációk előfordulása nem valószínű; nagy dózisban, éppen ellenkezőleg, anyagok

változások előidézése érvényesül a javító enzimekkel szemben A mutációk, magvak, virágpor, palánták és különféle

növényi szervek (beleértve a szaporodási szerveket is) az organogenezis különböző szakaszaiban vagy egészben

növények. A vetőmag besugárzását gyakrabban alkalmazzák. A sugárterhelés fontos tényezői - típusa

sugárzás, dózis és annak teljesítménye, a növény fejlődési szakasza vagy a magok állapota. Belsővel

A magvak besugárzásakor radioaktív anyagok oldatába áztatják. Mutációk akkor is előfordulnak, ha

növények termesztése tenyészedényekben tápközegen, hozzáadásával

radionuklidok. A besugárzáshoz általában a rövid élettartamú radioizotópok sugárzását használják.

Gazdaságilag hasznos tulajdonságokkal rendelkező mutánsok ritkán fordulnak elő. BAN BEN

a legtöbb esetben nem kész fajták, hanem csak az eredetit képviselik

kiválasztási anyag. A tenyésztési felhasználásnak két fő módja van:

mesterséges mutációk:

· a legjobban kiadott fajtákból nyert mutációk közvetlen felhasználása;

· mutációk felhasználása a hibridizációs folyamatban.

Az első esetben a feladat a meglévő fajták javítása egyeseknél

gazdasági és biológiai jellemzőit, egyéni hiányosságaikat kijavítva. Ez a módszer

betegségekkel szembeni rezisztencia szempontjából ígéretesnek tartott. Közvetlen módszer

a mutációk alkalmazása a szükséges kiindulási anyagok gyors létrehozására szolgál

jelek és tulajdonságok. A modernnel szemben támasztott magas követelmények mellett azonban

fajták nemesítése, ez a módszer ritkán hozza meg a kívánt eredményt. Megkapta

a mutagenezis miatt általában a kiindulási anyagot használják fel az eljárásban

hibridizáció.

Így a termesztett növények új fajtáinak létrehozása hatása alatt

Az ionizáló sugárzás két szakaszból áll. Az első szakaszban előidézik

a lehető legnagyobb számú módosított növény megjelenése. A második szakasz az

új növényfajták létrehozása a hagyományos nemesítés hagyományos módszereivel. Különbözőn

Az ontogenezis szakaszaiban különféle mutációk jelenhetnek meg, amelyek később előfordulhatnak

kedvezőnek bizonyulnak. Az első generációban általában kiméra

(csúnya) formák esetén pontosabb képet ad a mutációk hozamáról a második generáció.

Keresztbeporzó növények termesztése során besugárzott magvakból az első

a termesztés megköveteli, hogy szigorúan elszigeteljék őket más növényektől a beporzás megelőzése érdekében;

különben a mutációt könnyű elveszíteni.

Egy adott mutagén által kiváltott mutációk gyakorisága és spektruma

tárgy, jelentősen megváltoztatható, pl. módosít. Ezt változtatással érik el

mutagén kezelés vagy alkalmazás bizonyos expozíció előtt, alatt vagy után

egyes növényekről kiderült, hogy erősen hatnak az ionizáló sugárzásra

attól függ, hogy oxigén jelenlétében vagy anélkül hajtják végre. Kiderült, hogy

az oxigénmentes környezet védőanyag az ionizációval szemben, míg a besugárzással szemben

A tiszta oxigén légköre meredeken növeli a mutációk százalékos arányát (oxigénhatás).

Kiderült, hogy még a besugárzás után is fokozza a károsító hatást a környezet oxigénszintjének növekedése

az ionizációs hatás, míg oxigénmentes környezetben észrevehetően gyengül (Guljaev, 1984).

Jelenleg több mint 1000 fajta termesztett növény található

Az indukált mutációk módszerével a világ minden táján több területen termesztik őket

millió hektár. Sugárzás szelekciós módszerekkel jelentős számú új

értékes gabonafajták és egyéb növények - mustár, repce, paradicsom, dísznövények. BAN BEN

Számos országban termesztenek nagy hozamú borsót és árpát, amelyek erős szalmát termelnek.

Nagy hozamú, rozsdaálló, meg nem telepedő zab a

rövid szárú. A szár- és levélrozsdával szemben nagy ellenállású búza és árpa formáit kapták. Hazánkban gazdaságilag értékes mutánsokat szereztek be

búza: nem megszáll, termékenyebb, magasabb fehérjetartalmú, ellenálló

formája gombás betegségekre (Feitelberg-Blank et al., 1974).

Kémiai mutagenezis. Néhány kémiai anyagok ( mutagéneket) szignifikánsan növeli a mutáció gyakoriságát 1 mutáns sejtre 103-104 sejtre. Ezek az anyagok közé tartoznak a nitrogéntartalmú bázisok analógjai (például bromuracil), amelyek a DNS-molekulában találhatók, és a replikáció során hibás bázis beépülését okozzák (különösen a bromuracil szerkezete hasonló a timinhez; a DNS-ben mint egy az adenin partnere, majd enol formába megy át, és a polimerázt citozinként ismerik fel, ami a guanin felvételéhez vezet adenin helyett); alkilezőszerek (például az etil-metánszulfonát előnyösen a guanin nitrogénatomját alkilezi); salétromsav, amely dezaminálja a nitrogéntartalmú bázisokat; interkaláló szerek (például akridin festékek), amelyek beépülnek a DNS-bázisok közé, és megnövelik a köztük lévő távolságot, ami nukleotidok elvesztéséhez, további nukleotidpárok beépüléséhez stb.

Sugárzási mutagenezisáltalában pirimidin dimerek képződését eredményezi. Az UV-, röntgen- és más típusú ionizáló sugárzásnak halálos (elnyomja a létfontosságú tevékenységet) és mutagén hatása van a mikroorganizmusokra.

A mutációk típusai

Mutációk a következő eseményeket indukálhatja: bázismódosítások (az egyes nukleotidok változása), inszerciók (további bázisok bevonása), hasadás (egyetlen bázis vagy báziscsoport elvesztése) és a DNS-hélix deformációja.

Alapok módosítása magában foglalja a kódoló szekvencia nitrogénbázisának kémiai változását, ami a kodon változását eredményezi. Ennek eredményeként az egyik aminosav helyett egy másik kódolódik, vagy értelmetlen kodon jelenik meg.

Beillesztés vagy törlés bármely bázis (bázisanalógok) a DNS-ben ahhoz vezet kereteltolásos mutációk(frameshift mutációk), amely változást okoz a triplet kodon leolvasási keret pozíciójában, és ezáltal az összes következő kodonban.

DNS hélix deformációk(a DNS szerkezeti torzulásai) a közeli nukleotidok (különösen a timin) UV-sugárzás által kiváltott dimerizációja következtében jönnek létre. A keletkező ciklobutángyűrű megtöri a DNS szimmetriáját, és megakadályozza a megfelelő replikációt. A replikációt a DNS-szálak közötti keresztkötések kialakulása is megzavarhatja. A „helyes” vagy „helytelen” polipeptidek szintézisétől függően a DNS változásait tükröző mRNS leolvasásakor (azaz a kapott polipeptid szemantikai funkciójának megőrzésétől függően) számos mutációk típusai.

"Csendes" mutációk(mutációk „a jelentés megváltoztatása nélkül”, azaz nem okoznak változást a fehérje aminosav-szekvenciájában). Megjelenésük a genetikai kód degeneráltsága miatt lehetséges. A létrejövő triplett ugyanazt az aminosavat kódolja, mint az eredeti triplett, így a szintetizált fehérje változatlan marad.

Missense mutációk(a „jelentésváltozással járó mutációk”) akkor fordulnak elő, ha a kódoló szekvencia változásai más aminosav megjelenéséhez vezetnek a polipeptidben. Az eredményül kapott megváltozott fehérje lehet működőképes vagy nem működőképes a mutáció által érintett régió jelentőségétől függően.

Értelmetlen mutációk(„antiszensz”, „nonszensz” mutációk) a három terminátorkodon (UAG, UAA, UGA) egyikének képződéséhez vezetnek, ami a polipeptid lánc szintézisének idő előtti leállását okozza. Amikor a riboszóma elér egy ilyen kodont, a polipeptid lánc megnyúlásának folyamata véget ér, és egy hiányos peptid szabadul fel (valószínűleg a terminális kodonok ezen hatása az ezekhez a kodonokhoz kötődő tRNS-ek hiányának köszönhető). Ez mutáció vagy nagyon rövid, nem működőképes fehérjék szintéziséhez, vagy a fehérjeszintézis teljes leállásához vezet.