Радиационный и химический мутагенез. Реферат изучение мутационного процесса

3.7.1. Мутагены, мутагенез Мутагены – это физические или химические факторы, влияние которых на организм может привести к изменению его наследственных признаков. К таким факторам относятся рентгеновские и гамма-лучи, радионуклиды, оксиды тяжелых металлов, определенные

Мутагенез

Радиационный баланс

Радиационный захват

Радиационный контур

Радиационный пирометр

В настоящее время общепринято, что за передачу наследственных признаков организма отвечает дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК, в которой четыре основания - тимин, аденин, цитозин, гуанин расположены в определенной последовательности. Согласно этой теории изменение последовательности этих оснований в молекуле ДНК - так называемого кода или их химической структуры приведет к изменению наследственности организма.

В результате проведенных многими авторами экспериментов было установлено, что при воздействии на клетку реагентами - химическими веществами или различными излучениями можно вызвать появление новых признаков у растительных организмов, так называемых мутаций. Они могут возникать в живом организме и спонтанно. В этом случае наиболее вероятными причинами возникновения мутаций являются изменения в физиолого-биохимических процессах, протекающих в самой клетке. Они обычно вызываются в результате изменений внешних условий. Исследования спонтанного мутагенеза показали, что все характерные для него закономерности можно применить и для индуцированного мутагенеза.

Одним из перспективных методов получения искусственных мутаций является радиационный. Радиационная селекция дает возможность в течение относительно коротких сроков получать значительное количество полезных мутантов - примерно около 20% от общего количества новых форм. Кроме того, радиационные излучения дают возможность влиять на отдельные признаки целого растения, не изменяя других, хозяйственно полезных, чего невозможно достигнуть никакими другими методами.

Основоположниками радиационной генетики считаются Г.А. Надсон, Г.С. Филиппов, которые в 1925 г. изучали воздействие ионизирующих излучений на наследственную изменчивость дрожжей.

В 1930 г. в нашей стране наметился активный рост исследований в области получения радиомутантов целого ряда сельскохозяйственных культур. Так, А.А. Сапегин, Л.Н.Делоне провели серию фундаментальных работ по селекции пшеницы. Ими также были освещены некоторые вопросы зависимости мутаций от мощности доз облучения, физиологического состояния организма перед облучением и т.д. Возник вопрос о радиомутабельности различных видов растений, о частоте мутаций отдельных генов. А. Н. Лутковым было установлено, что при γ-облучении наиболее часто отмечаются мутации у генов, регулирующих развитие вегетативных органов, меньше подвергались изменению гены, ответственные за формирование органов цветка.

Большие теоретические разработки в проблеме гена и структурных нарушений хромосомного аппарата в результате воздействия на клетку радиоизотопом выполнены А.С. Серебровским и Н.П. Дубининым.

Активно начатые у нас в стране исследования по радиационной генетике к 1940 г. были практически прекращены. Целые школы генетиков и селекционеров были изгнаны из науки в результате деятельности Т.Д. Лысенко.

В этот период за границей, особенно в Швеции, США, Японии и других странах, были созданы новые, оснащенные современной техникой научно-производственные объединения. Результаты, полученные ими, были весьма значительными. Выведенные новые сорта и гибриды многих сельскохозяйственных культур давали большие прибавки урожая, были более стойки к заболеваниям, технологичны в производстве.

Все это привело к тому, что в начале - середине 50-х годов и в СССР официально была признана теория генной наследственности, а ее сторонники И.П. Дубинин, П.К. Шкварников, С.С. Алиханян, А.М. Кузин и другие получили возможность возобновить свои исследования по решению проблем радиационной генетики и селекции, изучению вопросов влияния различных источников радиации на клетку, как основу и первопричину всех последующих изменений организма.

В 1960-х г.г. ведущими странами уже было выпущено 7 сортов мутантного происхождения, в 1970 - 80, в 1975 г. - около 120, а в настоящее время зарегистрировано более 200 сортов разных культур, имеющих больше хозяйственно-ценных свойств по сравнению с ранее известными сортами. Таких значительных результатов иностранные исследователи добились в немалой степени не только за счет использования одного радиационного мутагенеза, но и его рационального сочетания с химическим мутагенезом. Они развивали оба эти направления, не противопоставляя их друг другу, а взаимообогащая, и это несмотря на то что приоритет химического мутагенеза принадлежит нашим отечественным исследователям - В. В. Сахарову, К. Ф. Магржиковской, В. П. Пономареву, И. А. Рапопорту и др.

Главная цель радиационной селекции - получение большого разнообразия

искусственных мутантов, что недостижимо ни в естественных условиях, ни при применении

химических мутагенов. При радиационном мутагенезе большая часть появившихся признаков

являются неблагоприятными. Часто в результате радиационного воздействия появляются

химерные (уродливые) и угнетенные формы. Однако благодаря дупликациям (изменение

хромосомы, при котором один из её участков линейно представлен два или более раз)

существует определенная вероятность возникновения полезных признаков, таких как высокая

урожайность, измененный химический состав (например, повышенное содержание белка),

скороспелость, устойчивость к полеганию, холоду и высокой температуре, болезням и т. д

(Фокин и др., 2005).

Для получения растений-мутантов требуются сравнительно высокие дозы излучений. В

радиационной генетике, кроме летальной, различают критическую дозу облучения.

Критической называют такую дозу, при которой наблюдается сильное угнетение организмов, но

значительная часть их все-таки выживает и дает большое число мутаций. Ядро клетки более

чувствительно к облучению, чем цитоплазма. Оно может поражаться при дозе, равной всего

нескольким рентгенам, в то время как цитоплазма способна выносить большие дозы. Различие

в радиочувствительности ядра и цитоплазмы может достигать величины 100 000 раз и более.

(Гуляев, 1984). В настоящее время критические дозы установлены более чем для 150

культурных и многих видов диких растений. Критические дозы их колебались от 400 до 200

000Р (Табл. 5).

Как правило, большее количество мутаций удается получить при сублетальных дозах -

дозах, вызывающих гибель примерно у 50 и даже 70% растений. Обычно проявляется

следующая закономерность: чем выше доза, тем большее число мутаций появляется, но при

этом гибель организмов выше. При малых дозах процессы репарации успевают пройти еще во

время облучения и появление мутаций маловероятно; при больших дозах, наоборот, вещества,

индуцирующие изменения, превалируют над репарационными ферментами.Для получения мутаций облучению подвергают семена, пыльцу, проростки, различные

органы растения (в том числе и репродуктивные) на разных этапах органогенеза или целые

растения. Чаще используют облучение семян. Важные факторы лучевого воздействия - вид

излучения, доза и ее мощность, фаза развития растений или состояние семян. При внутреннем

облучении семян их замачивают в растворах радиоактивных веществ. Мутации получают и при

выращивании растений в вегетационных сосудах на питательной среде с добавлением

радионуклидов. Для облучения обычно используют излучения короткоживущих радиоизотопов.

Мутанты, обладающие хозяйственно-полезными свойствами возникают редко. В

большинстве случаев они не являются готовыми сортами, а представляют лишь исходный

материал для селекции. Возможны два основных пути селекционного использования

искусственных мутаций:

· прямое использование мутаций, полученных у самых лучших районированных сортов;

· использование мутаций в процессе гибридизации.

В первом случае ставится задача улучшения существующих сортов по некоторым

хозяйственно-биологическим признакам, исправление у них отдельных недостатков. Этот метод

считается перспективным в селекции на устойчивость к заболеваниям. Метод прямого

использования мутаций рассчитан на быстрое создание исходного материала с нужными

признаками и свойствами. Однако, при высоких требованиях, предъявляемых к современным

селекционным сортам, этот метод достаточно редко дает нужные результаты. Полученный

вследствие мутагенеза исходный материал, как правило, используется в процессе

гибридизации.

Таким образом, создание новых сортов культурных растений под воздействием

ионизирующего излучения складывается из двух этапов. На первом этапе индуцируется

появление максимально возможного количества видоизмененных растений. Второй этап - это

создание новых сортов растений обычными методами традиционной селекции. На разных

этапах онтогенеза могут появляться различные мутации, которые в последующем могут

оказаться благоприятными. В первом поколении, как правило, появляются химерные

(уродливые) формы, более точное представление о выходе мутаций дает второе поколение.

При выращивании перекрестноопыляющихся растений из облученных семян в первом

поколении необходима их строгая изоляция от других растений для предотвращения опыления;

в противном случае мутацию легко утерять.

Частоту и спектр мутаций, индуцируемых определенными мутагенами у данного

объекта, можно существенно менять, т.е. модифицировать. Это достигается путем изменения

режима мутагенной обработки или применения до, во время или после воздействия некоторых

некоторых растений было установлено, что эффект ионизирующей радиации в сильной степени

зависит от того, в присутствии кислорода или без него оно проводится. Оказалось, что

бескислородная среда является защитным средством против ионизации, облучение же в

атмосфере чистого кислорода резко увеличивает процент мутаций (кислородный эффект).

Оказалось, что и после облучения повышение в среде кислорода усиливает повреждающий

эффект ионизации, в то время как в бескислородной среде заметно ослабляется (Гуляев, 1984).

В настоящее время более 1000 разновидностей культурных растений, полученных

методом индуцированных мутаций, выращивают по всему миру на площади в несколько

миллионов гектаров. Методами радиационной селекции получено значительное число новых

ценных сортов зерновых и других культур - горчицы, рапса, томатов, декоративных культур. В

ряде стран выращиваются высокоурожайный горох и ячмень, дающий прочную соломину.

Выведен высокоурожайный, устойчивый к заболеванию ржавчиной, неполегающий овес с

коротким стеблем. Получены формы пшеницы и ячменя с высокой сопротивляемостью к__стеблевой и листовой ржавчине. В нашей стране получены хозяйственно ценные мутанты у

пшеницы: неполегающие, более продуктивные, с повышенным содержанием белка, устойчивые

к грибным заболеваниям формы (Файтельберг-Бланк и др., 1974).

Химический мутагенез . Некоторые химические вещества (мутагены ) значительно повышают частоту мутирования до одной мутантной клетки на 103-104 клеток. К таким веществам относят аналоги азотистых оснований (например, бромурацил), включающиеся в молекулу ДНК и вызывающие вставку некорректного основания при репликации (в частности, бромурацил аналогичен по структуре тимину, он включается в ДНК как партнёр аденина, а затем переходит в энольную форму и узнаётся полимеразой как цитозин, что приводит к включению гуанина вместо аденина); алкилирующие агенты (например, этилметансульфонат алкилирует преимущественно атом азота гуанина); азотистая кислота, дезаминирующая азотистые основания; интеркалирующие агенты (например, акридиновые красители), внедряющиеся между основаниями ДНК и вызывающие увеличение расстояния между ними, что приводит к утрате нуклеотидов, включению дополнительной пары нуклеотидов и др.

Радиационный мутагенез обычно приводит к образованию пиримидиновых димеров. УФ-, рентгеновские лучи и другие виды ионизирующего излучения оказывают на микроорганизмы как летальное (подавляющее жизнедеятельность), так и мутагенное воздействие.

Типы мутаций

Мутации могут индуцировать следующие события: модификации оснований (изменения отдельных нуклеотидов), вставки (включение дополнительных оснований), делении (потеря одного основания или группы оснований) и деформации спирали ДНК.

Модификация оснований включает химическое изменение азотистого основания в кодирующей последовательности, что приводит к изменению кодона. В результате вместо одной аминокислоты кодируется другая либо возникает бессмысленный кодон.

Вставка либо делеция какого-либо оснований (аналогов оснований) в ДНК приводит к фреймшифт-мутациям (мутации со сдвигом рамки считывания), что вызывает изменение позиции рамки считывания триплетного кодона, и, таким образом, изменение всех последующих кодонов.

Деформации спирали ДНК (структурные искажения ДНК) образуются в результате индуцированной УФ-излучением димеризации расположенных близко нуклеотидов (особенно тимина). Образовавшееся циклобутановое кольцо нарушает симметрию ДНК и препятствует правильной репликации. Репликация может быть нарушена также при образовании поперечных межцепочечных сшивок ДНК. Б зависимости от синтеза «правильных» или «неправильных» полипептидов при считывании мРНК, отразившей изменения ДНК (то есть в зависимости от сохранения смысловой функции образующегося полипептида), различают несколько видов мутаций .

«Молчащие» мутации (мутации «без изменения смысла», то есть не вызывающие изменения аминокислотной последовательности белка). Их появление возможно вследствие вырожденности генетического кода. Получившийся в результате мутирования триплет кодирует ту же самую аминокислоту, что и исходный триплет, поэтому синтезируемый белок остаётся без изменений.

Миссенс-мутации (мутации «с изменением смысла») возникают при условии, что изменения кодирующей последовательности приводят к появлению в полипептиде иной аминокислоты. Получающийся изменённый белок может быть функциональным или нефункциональным в зависимости от значимости затронутой мутацией области.

Нонсенс-мутации («антисмысловые», «бессмысленные» мутации) приводят к образованию одного из трёх кодонов-терминаторов (УАГ, УАА, УГА), вызывающих преждевременное окончание синтеза полипептидной цепи. Когда рибосома достигает такого кодона, процесс элонгации полипептидной цепи заканчивается, и высвобождается неполный пептид (вероятно, такое действие терминальных кодонов обусловлено отсутствием тРНК, связывающихся с данными кодонами). Эта мутация приводит либо к синтезу очень коротких нефункциональных белков, либо к полному прекращению синтеза белка.