Дія іонізуючого випромінювання на сільськогосподарські рослини

Первинні реакції у складному рослинному організмі починаються з дії радіації на біологічно активні молекули, що входять до складу майже всіх компонентів живої тканини. При цьому відбувається онтогенетичне посилення в часі на початку непомітних пошкоджень деяких молекул до яскраво виявлених біологічних наслідків на рівні організму. Радіаційне пошкодження меристеми призводить до пошкодження всієї рослини, а загибель цих тканин – до загибелі всього організму.

У вегетуючих рослинах встановлена значна варіабельність зміни обмінних процесів, яка залежить від дози випромінювання і фази розвитку в момент впливу випромінювання. Реакція рослин на опромінення залежить від таких факторів, як генетичний потенціал сорту або гібриду і режим впливу випромінювання. Постпроменеве відновлення або, навпаки, посилення ураження залежать від умов, у яких знаходиться рослина після опромінення.

Візуально виявлений ефект пригнічення ростових процесів у рослин виявляється після разового опромінення у перші 5 – 7 діб. У злакових культур може спостерігатися гальмування росту головного пагона у висоту, а також збільшення вегетативної маси. Так, при гострому опроміненні злакових культур у фазі розвитку 2 – 4 листки загальна кущистість може підвищуватися до 3 разів. Хронічне опромінення в деяких випадках сприяє майже 25-разовому збільшенню кущіння, що призводить до збільшення вегетативної маси на період збирання майже в 6 разів.

При впливі пошкоджуючих доз випромінювання в рослинах виникають різні морфологічні аномалії.

У ряді випадків дію великих доз опромінення на рослини підвищують темпи розвитку внаслідок активізації процесів старіння – рослини швидше починають цвісти і достигати. Прискорений розвиток опромінених рослин пов'язують з інтенсивним притоком поживних речовин до пошкоджених опроміненням мембран і нагромадженням окремих метаболітів.

В опромінених злакових і бобових культур часто виявляються хлорофільні мутації, які зумовлені порушенням синтезу хлорофілу в листках, а також змінами у співвідношенні окремих компонентів хлорофілу і навіть цілковитим зникненням пігменту. Різноманітні й морфологічні типи мутацій. У пшениці, наприклад, зустрічаються високорослі, низькорослі, карликові, напівкарликові форми, а також рослини з гілкуватими стеблами, що стеляться з вегетативними стеблами, які з'являються з надземних вузлів. У деяких мутантів змінені форми і розмір листків та прилисників, з'являється чи, навпаки, зникає восковий наліт.

Виникають мутантні форми із зміненою тривалістю вегетаційного періоду.

Гостре променеве враження проростаючого насіння або вегетуючих рослин призводить до їх відмирання через декілька годин після опромінення.

При впливі випромінювання в інтервалі невисоких доз темпи росту вегетуючих рослин прискорюються. Це явище називається радіостимуляцією. Стимулюючий ефект може виявитися внаслідок того, що утворені продукти радіолізу і пострадіаційного розпаду низькомолекулярних і високомолекулярних сполук при малих концентраціях збуджуюче впливають на клітини в результаті слабкої (стимулюючої) інтоксикації.

Паростки і вегетуючі рослини більш чутливі до дії випромінювання, ніж насіння, що зумовлює і значно менші дози, які стимулюють ріст і розвиток. Стимулюючі дози молодих рослин у фазі активного метаболізму в 10 – 15 разів менші, ніж для насіння, що перебуває у спокої.

Найбільш слушним критерієм радіочутливості сільськогосподарських рослин прийнято вважати виживання їх до кінця вегетаційного періоду. Цей показник відображає високу специфічність реакції популяції на вплив випромінювання як фактора стресу. В цьому випадку враховується здатність тканин до регенерації і репарації радіаційних пошкоджень. Як показник виживання опромінених рослин або рослин, які вирощують з опроміненого насіння, використовують летальну дозу опромінення, при якій гине 100 % рослин ЛД100 і ЛД70 (загибель рослин становить 70 %). ЛД70 вважають критичною дозою опромінення насіння і частіше, ніж ЛД100, застосовують для характеристики радіостійкості виду.

У більшості сільськогосподарських культур дози радіації, що викликають загибель 50 – 70 % рослин, призводять до цілковитої втрати продуктивності.

Існують періоди розвитку рослин, під час яких вони найбільш чутливі до опромінення. Так, опромінення рослин у найбільш радіочутливий період кущіння – вихід у трубку призводить до відмирання конусу наростання головного пагона.

При опроміненні вегетуючих рослин злакових культур у період їх найбільшої чутливості до дії випромінювання – у фазі виходу в трубку – втрати врожаю зерна знаходяться в прямій залежності від радіочутливості культури. Найбільш чутливе до випромінювання жито, менш чутливі пшениця і ячмінь, ще більш радіорезистентною культурою є овес. До високостійких проти опромінення культур належить просо.

Однією з найбільш радіочутливих сільськогосподарських культур є горох. Чутлива до випромінювання картопля. Високу радіочутливість мають озимий і ярий ріпак, соняшник.

Під впливом опромінення зменшується не тільки кількість зерна в урожаї, але й помітно змінюється його якість – звичайно зерно з опромінених рослин виявляється щуплим. Це зумовлено зниженням вмісту основної запасної речовини ендосперму – крохмалю, на частку якого в повноцінному зерні припадає до 80 % маси зернівки. Зниження в зернівці вмісту вуглеводів збільшує вміст азотовмісних речовин, у першу чергу білків. При опроміненні рослин у фазі виходу в трубку – колосіння вміст білка в зерні м'яких сортів пшениці збільшується на 2 – 4 %, твердих – на 4 – 10 %, однак загальний вихід клейковини та її якість у щуплому насінні звичайно низькі, що різко погіршує хлібопекарські якості борошна.

Вилив випромінювання на вегетуючі рослини впливає на посівні якості сформованого з них насіння. Воно, як правило, знижує енергію проростання і лабораторну схожість. Максимальне зменшення схожості у ярої пшениці відзначається при опроміненні її у фазах колосіння і цвітіння.

Продуктивність опромінених сільськогосподарських культур підлягає суттєвому впливу погодних умов, погіршення яких, як правило, посилює інгибіруючий вплив опромінення на ростові процеси рослин, уповільнює темпи проходження фенофаз, подовжує період вегетації, і таким чином негативно впливає на кінцеву продуктивність культури. За даними, що є в дослідах з гострим опроміненням гамма-променями ярої пшениці, погіршення погодних умов посилювало радіаційну депресію врожаю до 4 разів.

Таким чином можна відзначити, що реакція рослин на дію випромінювань, як і на вплив інших факторів середовища проживання, складна і різноманітна. Вона включає процеси, що відбуваються на молекулярному і клітинному рівнях, які в цілому схожі в усіх живих організмів. При переході до більш високих рівнів організації починають проявлятися особливості реакції на опромінення, які характерні тільки для рослин і залежать від особливостей структури та функцій різних тканин і органів рослинного організму.

Наявність у життєвому циклі рослин такої особливої стадії розвитку як насіння, що заключає в собі зачатки нового організму і знаходиться в стані своєрідного анабіозу, зумовлює ще одну особливість реакції рослин на опромінення, так як насіння у зв'язку з анабіотичним станом своїх структур значно більш радіостійке, ніж активно метаболіруючий організм.

Під час онтогенетичного розвитку в рослин виникають чисельні спеціалізовані тканини і органи, радіаційне ураження яких різне, має неоднакове значення для рослинного організму в цілому і його господарської продуктивності зокрема.