Пострадиационное восстановление растений

Судьба облученной клетки критической ткани растения может быть разной: пролиферативная гибель, связанная с потерей способности делиться, интерфазная гибель, когда смерть клетки наступает вне связи с делением, трансформация, ведущая к новообразованиям и, наконец, восстановление клетки от лучевого поражения. Все эти эффекты наблюдаются сравнительно просто у одноклеточных организмов или у одиночных клеток. Однако их очень сложно выявить у многоклеточных организмов с большим количеством способных к пролиферации клеток, включенных в сложные ткани, где судьбы отдельных клеток маскируются компенсаторными явлениями. Кроме того, поведение изолированной клетки часто оказывается нетипичным, не отражающим ее свойства в системе ткани.

При исследовании радиобиологических реакций многоклеточных растений чаще встречаются с такой ситуацией, когда невозможно определять выживаемость отдельных клеток, а можно только следить за развитием реакции многоклеточной системы, пытаясь установить, как в этой реакции проявляются повреждения отдельных составляющих ткань клеток.

Тканевые радиационные эффекты начинаются формированием лучевых повреждений клеток. Вследствие появления поврежденных клеток, претерпевших интерфазную или пролиферативную гибель, мутировавших, несущих иные формы повреждения, нарушаются свойственные норме процессыгенерации новых клеток, и численность клеток в популяции уже не поддерживается на том уровне, который отвечает обычному ходу развития растения, иначе говоря, облучение нарушает клеточный гомеостаз популяции.

Такое нарушение влечет за собой включение регуляторных механизмов поддержания клеточного гомеостаза; в нем принимают участие системы фитогормональной регуляции, факторы, определяющие позиционную информацию и проявляющиеся посредством межклеточных взаимодействий. Клеточно-популяционный гомеостаз существенно различен у популяций свободноживущих одноклеточных, простейших нитчатых водорослей, неорганизованных каллусных тканей и иных многоклеточных объектов, у которых нет пространственных ограничений на поведение отдельных клеток. У структурно организованных тканей - меристем высших растений поведение клеток подчинено закономерностям, определяемым строением ткани. Далеко не каждая клетка, обладающая способностью делиться, может реализовать эту способность. Наличие общего пектоцеллюлозного каркаса ткани исключает возможность «скользящего» роста клеток, что и служит фактором, ограничивающим свободу поведения клеток. Поэтому при сохранении способности к делению у всех клеток меристемы вступает в митоз в каждый момент времени лишь ограниченное число клеток в определенных участках этой ткани.

При утрате способности части клеток к делению, их пролиферативной гибели теоретически возможны три возможных типа поведения ткани:

1. Полное прекращение делений при некотором значении числа пролиферативно погибших клеток;

2. Длительное поддержание пониженных темпов накопления клеточной биомассы, отражающее размеры погибшей части клеточной популяции;

3. Гибель части клеток влечет за собой увеличение нормы деления у клеток, сохранивших способность к делению, в результате чего восстанавливается численность клеточной популяции и уровень клеточного гомеостаза.

Если число поврежденных клеток не слишком велико и пространственные ограничения не препятствуют делению клеток, в клеточной популяции может восполниться ущерб, нанесенный облучением, за счет ускорения темпов деления и присоединения к группе делящихся дополнительных клеток, которые в норме не делятся. Такой процесс (репопуляционное восстановление) можно рассматривать как восстановление ткани, происходящее путем дополнительных делений клеток, оставшихся неповрежденными. Компенсирующие уменьшенную численность клеток дополнительные деления представляют собой репопуляцию.

Репопуляционное восстановление клеточной популяции не является специфичным способом восстановления клеточной популяции от лучевого поражения: оно происходит при самых разнообразных воздействиях, в ходе которых клетки могут повреждаться. Однако роль этого процесса в пострадиационном восстановлении растений настолько велика, что во многих случаях выживаемость растений при остром и хроническом облучении в значительных дозах обязана репопуляционному восстановлению. Имеются основания полагать» что даже организация многих процессов в образовательных тканях в известной степени подчинена тому, чтобы обеспечивать репопуляционпое восстановление.

Репопуляция происходит в системах различной сложности. Если в простейшем случае - популяции одноклеточных организмов - для ее обеспечения нужен механизм ускорения деления сохранившихся неповрежденными или репарированных клеток, даже при самой простой структурной организации растения, например клеточной нити, трихома, кроме наличия клеток, способных к делению, необходимо снятие ограничений деления клеток в определенных местах трихома. Еще более усложнена репопуляция в меристемах высших растений, которые часто обладают специально организованными группами клеток, функция которых состоит в обеспечении репопуляции.

Соответственно возрастающей сложности репопуляционного процесса, обусловленной организацией образовательной ткани, уменьшается и радиоустойчивость организма, обнаруживаемая по выживаемости меристемы.

Высокая радиоустойчивость синезеленых водорослей обязана не только активности репарации ДНК в их клетках, но и большими возможностями репопуляционного восстановления. У многих видов синезеленых водорослей постоянно поддерживается субпопуляция клеток, находящихся в состоянии покоя, а следовательно, отличающихся в соответствии с законом Бергонье-Трибондо высокой радиоустойчивостью; в случае повреждения активно делящихся клеток эта субпопуляция начинает репопуляционное восстановление.

Репопуляция свойственна не только патологическому состоянию ткани, но наблюдается и как нормальный процесс, пополняющий спонтанную убыль клеток, например при восстановлении клеток корневого чехлика. С самых ранних этапов формирования зародыша семени он представляет собой некую популяцию меристемных клеток, дальнейшая судьба которых в норме предопределена их положением среди других клеток. Для некоторых растений, даже у двухклеточного проэмбрио, отмечается действие «позиционной информации»: из базальной клетки в последующем образуется апикальная меристема первичного корня, а из терминальной - апикальная меристема будущего побега. Уже на этом этапе развития клеточной популяции могут происходить репопуляционные явления, так как образование двух зародышей-близнецов в одном семени можно рассматривать как временную потерю позиционной информации и репопуляционное восстановление, приведшие к развитию вместо одного двух зародышей.

В ходе формирования семени образуется многоклеточный зародыш с зачаточными меристемами нескольких органов. В зародышах некоторых семян образуются даже примордии нескольких листьев.

Апикальные меристемы корня и побега, сохраняя свое эмбриональное происхождение, в ходе прорастания семени усложняются, становясь в той или иной мере сложными многоклеточными образованиями, в которых выявляются отдельные клеточные субпопуляции, отличающиеся более или менее специализированными функциями. Репопуляция в меристеме может происходить только в том случае, когда из-за гибели части клеток изменяется соответствующая норме позиционная информация, которая и определяет новый порядок делений, обеспечивающий восстановление образовательной ткани. Не исключено, что в изменении позиционной информации решающую роль играют меняющиеся градиенты концентрации фитогормонов и распределение внутренних механических напряжений в ткани.

При облучении наблюдается удлинение митотического цикла. Для этого эффекта введен термин «митотическая задержка». Об инактивации клеток меристемы судят по уменьшению числа клеток, способных осуществлять репликацию ДНК.

Важной характеристикой меристемы является ее пролиферативный пул клеток - совокупность клеток, способных к делению. Очевидно, при облучении его размеры могут изменяться вследствие того, что часть клеток инактивируется.

Таким образом, в меристеме при облучении происходят весьма сложные процессы, которые можно отнести к двум типам: собственно радиационные повреждения клеток - пролиферативная гибель, образование поломок хромосом, остановка продвижения клеток по циклу и изменение позиционной информации, иными словами, изменение регуляции клеточной активности, обусловленное нанесенным при облучении ущербом пролиферативному пулу.

На скорости роста корня сказываются все эти процессы. Однако полная расшифровка вклада каждого из них в лучевое поражение многоклеточной системы весьма затруднительна.

Гетерогенность клеточных популяций меристем достигается следующими свойствами.

1. Наличием в клеточной популяции клеток, пребывающих в состоянии покоя, вне митотического цикла, не выполняющих в силу этого пролиферативной функции. Таких клеток может быть довольно много. Покоящийся центр в апикальной меристеме корня представляет собой группу клеток, пребывающих в относительном покое.

2. Различием чувствительности клеток, находящихся в разных фазах клеточного цикла, при условии асинхронности клеточных делений. При таком условии в клеточной популяции часть клеток всегда будет пребывать в состоянии повышенной устойчивости к неблагоприятному воздействию. В таком случае уровень устойчивости клеточной популяции определяется устойчивостью клеток, находящихся в момент действия неблагоприятного фактора в фазе клеточного цикла, соответствующей минимальной чувствительности клеток. Хотя популяция состоит из тождественных клеток, вследствие асинхронности деления она гетерогенна в отношении поклеточной устойчивости.

С продвижением растительной клетки по митотическому циклу ее радиоустойчивость изменяется, что наблюдали у многих видов растений. Такая закономерность характерна для эукариотических клеток не только растений, но и животных. Изменение радиоустойчивости в ходе клеточного деления обнаруживают и у прокариот.

По данным И. Н. Гудкова, который провел такие исследования, используя в качестве меры радиационного поражения выживаемость меристемы корня, наименьшая радиоустойчивость характерна для клеток, находящихся в конце G₁, начале S-фазы митотического цикла. Это с тем, что для репликации необходима временная деспирализация отдельных участков ДНК, а при таком состоянии хроматина эксцизионная репарация невозможна. Если репарация повреждения, например, однонитевого разрыва не успеет осуществиться до прохождения вилки репликации, то в процессе редупликации могут возникать двойные разрывы ДНК.

Клетки вне цикла получили название G₀-клеток. Как клетки, пребывающие в состоянии покоя, они обычно характеризуются очень высокой радноустойчивостыо. Хотя клетки вне цикла обычно отличаются высокой радиоустойчивостью, есть основания предполагать, что не всем клеткам с удлиненным клеточным циклом свойственна повышенная радиоустойчивость.

Например, клетки меристемы ожидания в апексе побега весьма мало радиоустойчнвы, клетки покоящего центра апекса корня, напротив, характеризуются повышенной радиоустойчивостью, Поэтому следует говорить не столько о клетках с затянувшимся клеточным циклом, сколько о клетках, задержавшихся в тех пунктах клеточного цикла, где их радиоустойчивость повышена.

Поскольку клеткам, принимающим участие в пролиферации, доводится пребывать в состоянии повышенной радиочувствительности, для обеспечения радиоустойчивости меристемы в целом, очевидно, необходим таким образом организованный режим деления, чтобы постоянно имелись клетки высокой радиоустойчивости.

Асинхронность делений в клеточной популяции достигается особенностями обновления популяции, получившего наименование динамики меристемы, кинетики клеточных популяций. Для характеристики кинетики клеточных популяций введена величина, называемая клеточным потоком.

Клеточный поток - величина, обратная продолжительности клеточного цикла, обозначающая частоту прохождения клеток через любой пункт клеточного цикла.

Продолжительность клеточного цикла слагается из длительностей отдельных его фаз. Очевидно, чем более продолжительна та или иная фаза цикла, тем выше вероятность обнаружения данной клетки в этой фазе. Было установлено, что клетки в разных областях меристемы различаются скоростями движения по митотическому циклу.

Однако в пределах одной области меристемы клетки различаются по длительности их митотических циклов. Здесь следует отличать индивидуальную и среднюю продолжительность клеточного цикла.

Индивидуальные различия длительностей клеточные циклов обусловливает асинхронность клеточных делений в меристеме.

Меристема обладает очень гибкой и эффективной системой регуляции клеточных потоков в норме и при восстановительных процессах после ее повреждения. Этой регуляцией определяется использование субпопуляций покоящихся клеток, в норме не подвергающихся делениям, а также изменения продолжительности отдельных фаз клеточного цикла. Говоря иными словами, при повреждении происходит перераспределение поклеточной позиционной информации.

Итак, в основе устойчивости многоклеточной системы лежит присущая клеточной популяции гетерогенность отдельных клеток по их устойчивости и целевой функции в клеточной динамике. Эта гетерогенность проявляется у систем разной сложности организации: она выявляется в популяции одноклеточных водорослей, у нитчатых форм низших растений, у протонемы мхов и папоротников, в меристемах высших сосудистых растений. Поэтому гетерогенность клеточных популяций можно считать общебиологическим принципом

Активно пролиферирующие меристемы, даже обладая способностью к репопуляционному восстановлению, все же более радиочувствительны, чем меристемы спящих почек. Поэтому при облучении более высокими дозами или хроническом облучении значительными мощностями доз, когда опустошаются запасы клеток - инициаторов репопуляции в погибают апикальные меристемы, функции восстановления переходят к спящим почкам, которые могут сохранить свои пролиферативные потенции вследствие глубокого состояния покоя.

Однако для того чтобы это восстановление происходило, необходимо в пострадиационный период пробудить спящие латеральные почки.

У многих растений четко выражено ингибирование латеральных почек при активной пролиферации верхушечного апекса. Это ингибирование пролиферации латеральных почек растущей верхушечной называется апикальным доминированием. Природа этого явления - фитогормональная: активно функционирующая верхушечная почка продуцирует вещества, которые поддерживают латеральные почки в состоянии покоя.

Апикальное доминирование характерно не только для побегов, но и корней некоторых растений, у которых повреждение апекса сопровождается появлением боковых корешков. Снятие апикального доминирования достигается удалением верхушечной почки у стебля или апекса у корня. В этом случае у декапитированного стебля начинают пробуждаться ниже расположенные почки, один из формирующихся новых побегов (чаще всего из почки, наиболее близко расположенной к верхушечной) принимает на себя положение лидера и восстанавливает апикальное доминирование, блокируй развитие остальных латеральных почек.

При декапитации первичного корня в результате деятельности перицикла начинают образовываться боковые корни.

При радиационном поражении апикальной меристемы апикальное доминирование снимается. Апикальное доминирование не ослабляется постепенно пропорционально дозе облучения, но снимается сразу полностью.

В области доз, близких к критической, скорость восстановления растения за счет нового побега, образуемого пробудившейся латеральной почкой, может существенно превышать скорость восстановления ростовой функции растения при меньшей дозе радиации, когда происходит репопуляционное восстановление апекса при сохранении апикального доминирования.

Латеральные почки также подвержены радиационному поражению, в связи с чем дальнейшее повышение дозы ионизирующего излучения, хотя и прекращает апикальное доминирование, но тормозит и рост бокового побега.

Восстановление растения от лучевого поражения путем активации покоящихся почек следует рассматривать как регенерационное. В отношении физиологического аспекта этот процесс сходен с тем, который наблюдается после механического удаления апикальной меристемы.

Регенерационное восстановление может происходить путем формирования вторичных меристем, начало которым дают клетки, подвергшиеся дедифференциации. Индукция дедифференциации вызывается не облучением, а радиационным снятием апикального доминирования.

Образующиеся вторичные меристемы по строению, свойствам динамики их клеточных популяций, наличию клеток вне цикла обладают такими потенциями репопуляционного восстановления, как и первичные меристемы.

Как видим, имеются несколько уровней регенерационного восстановления растений от лучевого поражения: с возрастанием доз внутритканевая регенерация апикальных меристем сменяется пролиферацией латеральных почек с последующим образованием вторичных меристем.

Безусловно, растения различаются по способности к регенерационному восстановлению после действия излучений, в чем отражаются биологические особенности видов: у одних регенерация происходит очень легко, у других - встречается значительно реже. Кроме того, не у всех видов растений достаточно жестко проявляется апикальное доминирование, в связи с чем имеются большие различия в запасах покоящихся почек или клеток, которые могут вовлекаться в регенерацию. В частности, пониженная радиоустойчивость хвойных растений отчасти связана с крайне ослабленной способностью к регенерации.

Многие морфологические эффекты облучения находят свое объяснение в инактивации пролиферирующих меристем, нарушении межмеристемных взаимодействий, ослабления контроля морфогенеза. К таким эффектам, обусловленным патологией регенерации, относятся нарушения кущения у злаков, усиление роста боковых побегов, образование фасциации, формирование вместо вегетативных - генеративных органов и наоборот, курчавость листьев,, нарушение их иннервации, удвоение листа и др. К явлениям такого же происхождения относятся нарушения филлотаксиса, образование избыточного числа воздушных корней, заложение дополнительных вегетативных почек, образование опухолей. Наконец, формирование химеры также объяснимо с позиций нарушения регенерационных процессов.

Основными условиями, благоприятствующими пострадиационному восстановлению путем репопуляции либо регенерации, являются: гетерогенность клеточной популяции меристемы в отношении поклеточной радиоустойчивости, наличие покоящихся клеток в апексах; способность клеточной популяции меристемы после ее повреждения изменять кинетику таким образом, чтобы клетки, сохранившие возможность к делению или репарировавшие, восполняли ущерб, нанесенный меристеме действием повреждающего фактора; снятие апикального доминирования, сопровождающее такое повреждение апекса, когда его восстановление невозможно; наличие радиоустойчивых, находящихся в состоянии покоя почек, способных к пролиферации при снятии апикального доминирования; изменения позиционной информации, которые обеспечивают репопуляционное или регенерационное восстановление растения.

В результате репопуляционного или регенерационного восстановления, помимо того, что растение вновь приобретает жизнеспособность, достигается еще один очень важный для популяции вида эффект - элиминация клеток и меристем, в которых накапливается избыточный груз молекулярных повреждений ДНК и неизбежно сопряженных с ними генетических нарушений.

Наличием нескольких уровней пострадиационного восстановления раскрываются возможности множественных способов модификации радиоустойчивости растений, среди которых, помимо воздействий на первичные радиационно-химические реакции, обрисовываются разнообразные способы воздействия на ход репопуляции и регенерации. Поскольку радиобиологические клеточные эффекты и отдаленные реакции многоклеточной системы связаны друг с другом посредством репопуляции и регенерации, имеется вполне реальная возможность активно вмешиваться в формирование реакций растительного организма на облучение.