601

Что происходит с культурными растениями в чернобыльской зоне отчуждения? В результате аварии на ЧАЭС огромные территории, в том числе и плодородные сельскохозяйственные земли Украины, были загрязнены радиоактивными изотопами. Интернациональная группа исследователей уже несколько лет изучает механизмы адаптации растений к хроническому воздействию ионизирующей радиации, используя новейшие молекулярно-биологические методы. Журнал «Зерно» попросил украинских ученых, принимающих участие в этих исследованиях, поделиться первыми выводами. (Опубликовано в №6.2011г.)

 

Лен и соя под воздействием радиации

Ионизирующее излучение повреждает молекулы, вызывая появление свободных радикалов, которые, в свою очередь, провоцируют «окислительный взрыв». Эти процессы часто приводят к мутациям или даже гибели клеток. На уровне живого организма они проявляются снижением темпов роста, морфологическими аномалиями, а также нарушениями развития. С момента катастрофы прошло много лет, ситуация существенно изменилась: вместо начальных больших доз острого облучения современной реальностью стали малые дозы хронического облучения. Следует отметить, что даже у специалистов-радиобиологов пока нет единой оценки ситуации в зоне отчуждения. Одни утверждают, что сейчас все нормально: экосистемы выжили, адаптировались и процветают. Другие же приводят факты, доказывающие обратное, например, уменьшение биологического разнообразия растительных сообществ. Немногочисленные опубликованные результаты биохимических и молекулярных исследований указывают на сложный системный характер метаболических изменений облученных растений. Однако пока непонятно, как отдельные реакции регулируются и интегрируются, позволяя растениям выживать в сложных чернобыльских условиях.

Полевые работы на загрязненном участке

Полевые работы на загрязненном участке

Словацко-украинская команда ученых под руководством Мартина Хайдуха (Институт генетики и биотехнологии растений, г. Нитра) и Намика Рашидова (Институт клеточной биологии и генетической инженерии, г. Киев) начала долговременный научный проект с целью выяснить, как именно культурные растения реагируют на радиоактивное загрязнение. Надев перчатки, рабочие комбинезоны, респираторы и защитные очки, исследователи посеяли семена сои и льна на загрязненном участке, расположенном вблизи ЧАЭС. Контрольный участок находится в том же районе, в очень похожих экологических условиях, но в месте, где активность основных радионуклидов почвы (Υ-излучателя 137Cs и β-излучателя 90Sr) в десятки раз ниже и приближается к природному фону. Интересно, что, измерив накопление этих радионуклидов семенами исследуемых растений, биологи увидели еще более глубокие различия. Семена из загрязненного участка накапливали в сотни раз большую активность по сравнению с контролем. Поскольку пары элементов цезий/калий и стронций/кальций обладают аналогичными физико-химическими свойствами, опасные радионуклиды могут легко усваиваться растениями, вызывая дополнительное внутреннее облучение. Первые результаты исследований были опубликованы в солидных научных журналах – Journal of Proteome Research и Environmental Science & Technology.

Мартин Хайдух, Институт генетики и биотехнологии растений, Словакия (слева). Намик Рашидов, Институт клеточной биологии и генетической инженерии, Украина (справа)

Мартин Хайдух, Институт генетики и биотехнологии растений, Словакия (слева). Намик Рашидов, Институт клеточной биологии и генетической инженерии, Украина (справа)

Идентификация белка

Отдельно стоит остановиться на технически сложном, однако чрезвычайно информативном методологическом подходе, использованном в работе. Для комплексной характеристики изменений, которые происходят под воздействием ионизирующего излучения, исследователи использовали так называемою протеомику. По сути это одновременный анализ максимально возможного количества белков. Сначала ученые разделили экстракты зрелых семян классическим двумерным электрофорезом: в первом раунде – по изоэлектрическим точкам (значениям pH, при которых суммарный заряд молекул равен 0), во втором – по молекулярным массам. Потом, используя специальные компьютерные программы, подсчитали разделенные точки, фактически являющиеся отдельными белками, а также нашли количественные различия между вариантами опыта.

Для общего представления о возможностях метода приведем факты:

• 698 белков было разделено в семенах сои, из которых 9,2% количественно отличались в семенах из загрязненного участка;

• на гелях льна оказалось 720 точек, и только 4,9% из них представляли особый интерес.

62
Репрезентативные двумерные гели, позволяющие одновременно анализировать сотни белков. Образцы выделены из зрелых семян, взятых с загрязненных участков: слева – соя, справа – лен

Следующей задачей биологов стала идентификация этих загадочных точек-белков. Она была успешно решена с помощью очень сложного оборудования – тандемного массспектрометра. Аппарат позволяет расшифровать аминокислотную последовательность молекул, измеряя массы исходных ионов и ионов фрагментов, а после сопоставления с доступными базами данных, получить искомое название конкретного белка. Все идентифицированные белки, количество которых отличалось в образцах с загрязненного радионуклидами поля по сравнению с контрольным, исследователи разделили на 10 групп согласно их функциям. Приведем несколько важных примеров. Дюжина идентифицированных молекул вошла в класс «запасные белки». Ранее ученые высказали предположение, что такие молекулы могут играть дополнительную роль, кроме накопления резервов, в частности помогать переносить неблагоприятные условия среды. В общей сложности 6 белков оказались участвующими в «передаче сигналов», очень важном процессе, который обеспечивает передачу информации в клетке. В этой группе можно выделить липоксигеназы, участвующие в запуске биосинтетического пути, приводящего к накоплению оксилипинов, которые, в свою очередь, защищают растения от насекомых-вредителей. Еще одна важная молекула – GF14, так называемый «молекулярный адаптер», или посредник белковых взаимодействий, работает, например, при действии гормона растений брассиностероида. Класс «стрессовой реакции» содержал 9 белков, в частности глутатион трансферазу и цистеин-синтазу. Они участвуют в накоплении богатых цистеином пептидов фитохелатинов, которые обеспечивают защиту растений от токсического воздействия тяжелых металлов. Также биологи выделили холин монооксигеназу и бетаин альдегид дегидрогеназу, ферменты пути синтеза глицин бетаина. Ранее были продемонстрированы защитные свойства этого вещества именно от радиационных повреждений.

Стресс как регулятор метаболизма

На закуску осталась самая сложная, но интересная и важная задача – попробовать логически интегрировать данные о десятках различных белков в общую модель адаптации растений к условиям чернобыльской зоны, ведь именно это и было главной целью исследования.

Соответственно, ученые именно так и поступили, предположив, что основными компонентами растительного механизма, позволяющего выжить в условиях радиационного загрязнения окружающей среды, являются:

1) изменение баланса запасных белков;

2) регулировка сигналинга, или внутриклеточной передачи информации;

3) угнетение транскрипции (процесс считывания генетической информации) и правильной укладки белков;

4) ответ на стресс, опосредованный перенаправлением первичного метаболизма.

Основным различием между исследуемыми видами является то, что изменения в запасных белках касались исключительно сои, в то время как у льна определили большинство сигнальных молекул.

В настоящее время команда занята анализом данных, собранных в следующем поколении. Теперь биологи не ограничились зрелыми семенами, а выбрали несколько временных точек развития. Семена стали объектом исследований неслучайно, так как именно они являются потомством, поэтому все возможные изменения будут затрагивать следующие поколения растений.

Говорить о реальном практическом применении результатов пока рано. Цель работы, скорее, фундаментальная: выяснить, что же на самом деле происходит с растительностью чернобыльской зоны на молекулярном уровне. Исследования подтвердили, что хотя семена растений накапливали сравнительно небольшое количество радиоактивных изотопов, все же загрязнение возле ЧАЕС влияет на множество белков. Таким образом, использовать в сельскохозяйственных целях загрязненные радионуклидами территории (например, бывших полигонов испытания ядерного оружия) рискованно даже в отдаленный временной период. Вполне возможно, что некоторые метаболиты из исследованных биохимических путей будут эффективными как защитное средство при радиотерапии людей или для биотехнологического создания генетически модифицированных растений с повышенной устойчивостью к ионизирующей радиации. Надеемся, в ближайшем будущем Мартин Намик и команда представят еще более захватывающие результаты…

Максим Данченко,

младший научный сотрудник Институт клеточной биологии, и генетической инженерии