10.1. ЗАСТОСУВАННЯ ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ У СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОМУ ВИРОБНИЦТВІ ТА ІНШИХ СФЕРАХ ДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ ЧАСТИНА 1

Сільське господарство стало одним з найбільших споживачів досягнень радіобіології для вирішення своїх практичних завдань. І це не випадково. Використання іонізуючих ви­промінювань в рослинництві і тваринництві є досить потужним фактором інтенсифікації агропромислового виробництва.

В цілому в світі на теперішній час в рослинництво впроваджено понад 30 різних радіаційно-біологічних технологій.

Передпосівне опромінення насіння для підвищення продуктивності сільськогоспо­дарських рослин. Практично відразу ж після відкриття ефект радіаційної стиму­ляції привернув увагу біологів як одна з можливостей підви­щення урожайності сільськогосподарських рослин. Тепер передпосів­не опромінювання насіння – це радіаційно-біологічна технологія, яка дає змогу підвищити економічну ефективність вирощування різ­них культур за рахунок прискорення росту і розвитку рослин, скоро­чення періоду вегетації, збільшення врожаю, в деяких випадках і покращення його якості.

Наявний експериментальний матеріал про вплив стимулюючих доз на продуктивність рослин величезний. Він узагальнений в десят­ках монографій і сотнях оглядових робіт. Розроблені детальні методичні вказівки і практичні рекомендації по передпосівному γ-опроміненню насіння різних сільськогоспо­дарських культур. Були створені спеціальні пересувні установки для оп­ромінювання насіння в польових умовах, зокрема згадані "Колос", "Стимулятор". Проведені масові науково-виробничі випробування технології  в різних країнах. У другій половині минулого століття він був впроваджений в значних масштабах в Молдові, Латвії, Киргизії, Казахстані, у багатьох областях Росії, у 60–70-х роках широко випробувався в Україні.

В таблиці наведені орієнтовні дози γ-радіації, що індукують при передпосівному опроміненні насіння прибавку урожаю у різних сільськогосподарських культур. Вони свідчать, що в окремих випад­ках вона може досягати 30–40%.   

Узагальнені дані про прибавку урожаю сільськогосподарських культур при передпосівному опромінюванні насіння (Д.А. Каушанський, О.М. Кузин, 1984)

Впливаючи на процеси обміну, опромінення насіння може при­водити до збільшення в рослинах вмісту окремих речовин, які характери­зують якість продукції рослинництва. Часто відмічають збільшення вмісту білку в зерні зернових і зернобобових культур, цукру в цукрових буряках, жиру в насінні соняшнику і льону, вуглеводів та вітамінів в овочах. За рахунок стимуляції росту відмічали збільшення довжини і міцності волокна у льону, конопель – показників, що харак­теризують якість продукції цих технічних видів рослин.

Прискорюється і достигання рослин. Як правило, воно буває не­великим, складаючи лише декілька днів, тиждень. Але для деяких видів овочевих культур навіть таке більш раннє дозрівання товарної продукції може давати суттєвий економічний ефект.

Передсадивне опромінення органів вегетативного розмноження та розсади для прискорення їх росту та збільшення продуктивності рослин. Стимулююча дія іонізуючих випромінювань проявляється і при опроміненні вегетуючих рослин, окремих їх вегетативних органів. Дози при цьому, як правило, бувають значно нижчими за ті, що використовуються для опромінення насіння – звичайно вони ви­мірюються десятими частками і одиницями грей.

Серед сільськогосподарських культур, що розмножуються вегетативно,  найбільш широко в цьому напрямі проводиться робота з картоплею. Максимальна стиму­ляція картоплі відбувається при опромінюванні бульб в дозах від 0,5 до 5 Гр – підвищення врожаю на 18–25% при збільшенні вмісту крохмалю з 15 до 16%. 

Досить перспективним є опромінення живців рослин, що розмножуються вегетативно, перед садінням і щепленням. Є немало робіт, які свідчать, що опромінення чубуків винограду, живців аґрусу, чорної і червоної смородини в дозах 2–5 Гр стимулює процес коренеутворення, посилює наступний ріст і розвиток коренів і па­гонів, активізує інтенсивність дихання і фотосинтезу, що забезпе­чує підвищення урожайності більш, як у 1,5 рази.  Опромінювання живців як цих культур, так і багатьох плодових – яблуні, груші, сливи, абрикосу та інших покращує зростання прищепи та підщепи.

При передсадивному опроміненні кореневищ м'яти і солодкого кореня в дозах 5–10 Гр спостерігали значно більшого порівняно з контролем пробудження кількості бруньок і утворення пагонів, приросту зеленої маси. Опромінення вусів полуниці в дозах 5–15 Гр приводило до збільшення урожаю ягід на 20–30%. Є дані про підвищення на 6–30% урожаю пера при опроміненні цибулин ріпчастої цибулі та часнику в дозах 0,5–3 Гр. Опромінення розсади помідору, овочевого перцю баклажану, капусти в дозах 0,5–5 Гр зумовлює збільшення урожаю на 25–30% і прискорення його достигання.

Через меншу технологічність у порівнянні з передпосівної оп­роміненням насіння прийом передсадивного опромінення органів веге­тативного розмноження і розсади не набув широкого поширення за винятком, мабуть, опромінення бульб картоплі.

Опромінення насіння та рослин з метою одержання нових сортів. Після відкриття мутагенної дії іонізуючих випромінювань вони зараз же стали використовуватись для одержання нових форм живих організмів. Але як метод отримання нових сортів радіаційний мутагенез набув найбільш широкого застосування саме в селекції рослин.

Процес одержання нового сорту з використанням іонізуючих ви­промінювань включає два етапи: опромінення рослин для одержання максимальної кількості мутантних форм як вихідного мате­ріалу для селекції і на основі одержаних мутантів виведення за до­помогою загально прийнятих прийомів і методів нового сорту, його випробування, розмноження та впровадження у виробництво. Специфічним етапом, який саме має відношення до радіобіології, є перший. Він полягає у виборі доз опромінення для насіння, вегетативних органів, генеративних органів, вегетуючих рослин, які інду­кують виникнення максимальної кількості нових форм рослин, і власне масового опромінення матеріалу.

Кількість мутацій, що виникають під впливом іонізуючих випромінювань, як відмічалося в розділі 1.3, прямо пропорційна дозі опромінення. Але виживання рослин  і  здатність  їх  дати на­сіння  для  розмноження обернено  пропорційна  дозі. Тому слід використовувати такі дози, при яких вихід мутантних форм є досить високим і виживає достатня для розмноження кількість рос­лин. Такими дозами окремі дослідники звичайно вважають ЛД₇₀, ЛД.₈₀, навіть ЛД₉₀, коли виживає, відповідно, близько 30, 20 або 10% рослин, частина з яких здатна дати насіння. Відомий шведський гене­тик і радіобіолог А. Густафссон назвав таку дозу "критичною дозою", так як тільки невелике її збільшення приводить до загибелі всієї сукупнос­ті рослин.

Російський радіобіолог О.І. Преображенська узагальнила власний і наявний в літературі матеріал з ра­діостійкості насіння рослин 63 родин, 262 родів, 506 видів і 218 внутрівидових форм в книзі "Радиоустойчивость семян растений” (1971), яка дотепер залишається одним із основних орієнтирів для дослідників в галузі радіаційного мутагенезу. В таблиці наведені значення критичних доз для насіння деяких видів сільськогосподарських рос­лин.

Критичні дози (ЛД₇₀) γ- або рентгенівського випромінювання для насіння

деяких видів сільськогосподарських рослин (О.І. Преображенська, 1971)

Для цілей радіаційного мутагенезу використовуються і інші типи іонізуючих випромінювань, зокрема нейтрони. Для різних видів рослин відносна біологіч­на ефективність (ВБЕ) нейтронів варіює в межах 3–10, хоча може до­сягати і 20. Вважається, що нейтрони вибірково діють на геном клі­тини і значно слабше зачіпають  апарат  поділу  і  цитоплазму.  У  вся­кому  разі,  їх ефекти в меншій мірі, ніж рідкоіонізуючих випромінювань, супроводжуються порушенням обміну речовин, і вони менше, ніж γ- або рентгенівське опромінення, впливають на виживання рослин при однаковій кількості   мутацій.

Говорячи про виникнення мутацій під дією іонізуючих випромінювань, слід підкреслити,  що воно не індукує появу нових типів мутацій у порівнянні з природним мутаційним процесом. Воно лише збільшує їх кількість, що полегшує роботу селекці­онерів, даючи їм більше можливостей для відбору. Але при збільшенні частоти появи різних типів мутацій зростає імовірність виявлен­ня тих з них, які дуже рідко з’являються в нормі.

Деякі переваги при одержанні нових форм рослин порівняно з опроміненням насіння може дати опромінення пилку. На відміну від насінини, у якої зародок складається з тисяч клітин, пилкове зерно являє собою одну клітину з генеративним ядром. І виникаючі в ньому мутації зараз же переходять в усі клітини утвореної із зи­готи рослини. Таким чином, рослина вже в першому поколінні після запліднення опроміненим пилком стає мутантною, що у деяких випад­ках дає змогу скоротити строки селекційного процесу, як мінімум, на рік.

З метою одержання нових форм рослин можна також опромінювати бульби, коренеплоди, цибулини, живці та інші органи вегетативного розмноження.

Використання іонізуючих випромінювань в селекції рослин серед усіх радіаційно-біологічних технологій, що використовую­ться в сільському господарстві, одержало найбільше поширення і про­довжує розвиватися високими темпами. Так, якщо до 1980 року, за даними Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ) в світі було одержано за допомогою радіаційного мутагенезу і впроваджено 225 нових сортів культурних рослин, то на 1990 перевищило 1500, а до 2000 року досягло майже 3000.

В Україні давно і успішно проводяться роботи з одержання нових сортів сільськогосподарських культур за допомогою іонізуючої радіації. Серед сортів, одержаних українськими вченими широко відомі скоростиглі, високоврожайні, стійкі до низьких температур і хвороб сорти гречки Аеліта, Лада, Галлея; низько алкалоїдні сорти люпину Київський мутант, Мутант 486; сорт м'яти Зимостійка 1; сорт тютюну Безпасинковий та інші.

            Радіаційна біотехнологія подолання несумісності тканин і стимуляції зростання при вегетативних щепленнях рослин. Добре відомо, що за допомогою щеплення - трансплантації частини однієї рослини на іншу було вирішене надзвичайно складне завдання збереження властивостей і господарсько-корисних ознак у тих видів рослин, які виявилися нездатними до вегетативного кореневласного розмноження. Однак нерідко при міжсортових, а тим більше при міжвидових, щепленнях зростання прищепи і підщепи буває ускладнене або не відбувається взагалі. Головною причиною такого незрощування є біологічна несумісність компонентів, зумовлена їх віддаленою біологічної спорідненістю.

Теоретичні основи і практичні можливості пригнічення біологічної несумісності у рослин були розвинуті в працях українських радіобіологів Д.М. Гродзинського і А.А. Булаха в 70-і роки. Ними було показано, що γ-опромінення прищепи або підщепи перед щепленням веде до придушення імунних систем рослин і підвищує якість зростання щеплених компонентів, збільшуючи тим самим вихід прищеплених саджанців. Цей спосіб був покладений, зокрема, в основу радіаційно-біологічної технології підготовки лози в щепленому виноградарстві. З чому її суть?

Відомо, що філоксера – комаха підряду тлі є дуже небезпеч­ним шкідником європейських сортів винограду. Філоксера пошкоджує листя, пагони, вусики, а, головне, підземний штамб і кореневу систему виноградної лози. Найбільш надійним способом боротьби з нею є щеплення європейського сортименту на філоксеростійкі американські підщепи. Однак, внаслідок поганої сумісності вітчизняних сортів з американськими вихід стандартних саджанців складає всього 20–35% від загальної кількості проведених щеплень, а деякі комбі­нації не зрощуються взагалі. Опромінення підщеп в дозах 15–30 Гр або прищеп в дозі 5 Гр, або обох компонентів дає змогу в 2–3 рази збільшити кількість щеплень у важкосумісних комбінаціях та індукувати їх появу у несумісних. 

Крім того, опромінення прищеп дає змогу уникнути однієї важ­ливої і досить трудомісткої в повному розумінні слова „операції” – так званого "осліплення" прищеп – видалення на них зайвих бруньок (вічок). Ці бруньки, розвиваючись, відволікають на себе поживні речовини, різко гальмують процес калусоутворення, що призво­дить до поганого зростання його з підщепою. Тому одним з елементів технології виробництва щепленого виноградного садивного матеріалу є їх видалення, яке проводиться, як правило, вручну і вимагає великих затрат праці. Опромінення прищеп γ-радіацією в дозі 25 Гр дозволяє досягти більш, ніж 90%-го їх „осліплен­ня" (при ручному або механічному способі ця цифра не перевищує 70%). При 50 Гр можна добитися 100%-го ефекту.

Опромінювання щеплених компонентів є ефективним і при вегетативному щепленні плодових культур. Воно значно полегшує оде­ржання вегетативних гібридів рослин при важко сумісних і повністю несумісних комбінаціях не тільки між біологічно віддаленими сорта­ми і видами, але і дозволяє отримувати міжродові гібриди, наприклад, комбінації типу яблуня-груша, слива-абрикоса, абрикоса-персик, малина-ожина.

Радіаційна технологія запобігання проростання бульб, коренеплодів та цибулин при зберіганні. При зберіганні соковитих видів продукції рослинництва, особли­во картоплі, коренеплодів, цибулин відбувається погіршення їх якос­ті і значні втрати за рахунок триваючих процесів обміну та проростання. За допомогою опромінення таких видів продукції рослинництва в певних дозах вдається затримати або навіть повністю приду­шити процеси обміну і проростання меристематичних тканин в зонах росту і суттєво збільшити строки зберігання. Так, встановлено, що γ-опромінення бульб картоплі у дозах від 50 до 150 Гр в залежності від сорту і умов зберігання дає можливість благопо­лучно перенести період весняно-літнього потепління і подовжити строк зберігання до року і більше, тобто в 2–2,5 рази, в умовах неохолоджуваних сховищ при температурі 6–8 °С.

Аналогічна ситуація складається при зберіганні коренеплодів. Опромінення близькими до вказаних доз дає змогу продовжити строки їх зберігання. Так, досить ефективним є опромінювання коренеплодів цукрових бу­ряків. Звичайно при зберіганні в буртах до переробки за рахунок триваючих процесів дихання цукристість коренів протягом декількох місяців зберігання може знижуватися в 1,5–2 і більше разів. Опромінення коренеплодів γ-радіацією перед укладкою в бурти дає змогу значно знизити ці втрати.

Опромінення цибулі і часнику після збирання урожаю в дозах 10–100 Гр збільшує термін їх збері­гання до двох років при умові підтримування температури і волого­сті, що запобігають загниванню і пошкодженню шкідниками.

Природно, що опромінена у таких дозах продукція не годиться для садіння і може бути використана тільки для харчових та кормових цілей або технологічної переробки.

Радіаційна  технологія  продовження  строків зберігання ягід, фруктів та овочів.Величезна кількість продукції рослинництва і садівництва, гине після збору урожаю внаслідок процесів загнивання, індукованих різними мікроорга­нізмами. Традиційні способи продовження строків зберігання такої продукції пов'язані зі всілякими обробками, в основі яких лежать або процеси нагрівання і охолодження, або хімічна дія. Всі вони, як правило, погіршують якість про­дуктів. Дія іонізуючої радіації в дозах, що сповільнюють розвиток мікрофлори або повністю пригнічують її активність, по суті є проце­сами холодної пастеризації, при якій в продукції знищуються  майже всі або навіть всі мікроорганізми, що дає мо­жливість зберігати її тривалий період при температурі нав­колишнього середовища.

Найбільш переконливі дані одержані при γ- і електронному опроміненні суниці. Дози 2–3 кГр – півлетальні для більшості ви­дів мікроорганізмів продовжують строк її зберігання при 4–5°С у 2,5–3 рази і при 15–180 – 2 рази. Це дає змогу транспортува­ти ягоди на великі відстані. Значний практичний інтерес яв­ляє використання радіаційної обробки для збільшення строків зберігання помідорів, смородини, малини, винограду, абрикосів, персиків, вишні, сливи, яблук, груш, бананів.

При цьому було встановлено, що γ-опромі­нення плодів груші і лимону, а також помідору в дозі 3 кГр спові­льнює їх дозрівання на 10–15 діб, плодів бананів в дозах 0,25–0,5 кГр – на 8–26 діб. Аналогічний ефект був відмічений при опроміненні зелених та стиглих плодів апельсинів в дозах 0,14–2,8 кГр. Це також дає змогу продовжити строки зберігання цих видів продукції, що особливо важливо при її транспортуванні на великі відста­ні, наприклад, пароплавом з Африки в Україну. Існує думка, що внаслідок інгібування іонізуючою радіацією про­цесів метаболізму в нестиглих плодах гальмується утворення фітогормону етилену, який прискорює процеси дозрівання.