Российские биофизики выяснили, что малые дозы радиации способны влиять на сигнальные системы растений. В перспективе это открывает возможности для разработки технологий, позволяющих повышать урожайность сельскохозяйственных культур, укреплять их иммунитет и устойчивость к неблагоприятным факторам. Изучение влияния ионизирующего излучения даст возможность выводить сорта, пригодные для выращивания в космосе. Такие культуры смогут обеспечивать экипажи длительных космических экспедиций свежими продуктами. Однако космическая радиация отличается от земной, что требует доработки экспериментов, пояснили эксперты «Известиям». Кроме того, важно определить оптимальные дозы облучения.
Как растения «чувствуют» радиацию
Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН и Нижегородского госуниверситета имени Н.И. Лобачевского обнаружили, что «нервная система» растений оказалась чувствительнее к радиации, чем считали ранее. Это происходит потому, что при облучении малыми дозами изменения затрагивают в первую очередь внутреннюю сигнальную систему — электрические импульсы, которые отвечают за передачу информации между клетками.
В эксперименте специалисты облучили семена пшеницы различными дозами радиации и проследили, как развиваются выросшие из них растения. Для оценки изменений специалисты анализировали скорость роста побегов и корней, параметры фотосинтеза, содержание пигментов, а также электрические сигналы, распространяющиеся по тканям в ответ на стрессовые воздействия.
Результаты показали, что параметры электрических сигналов менялись уже при минимальной дозе. Такие растения еще продолжали нормально развиваться, но их внутренняя система передачи информации уже работала иначе.
— К нашему удивлению, мы обнаружили эффект, который ранее не описывался в радиобиологии. Мы ожидали, что радиация ослабит электрические процессы в клетках растений, однако получили противоположный результат: при облучении их активность даже усиливалась, — рассказала «Известиям» научный сотрудник отдела геофизической электродинамики ИПФ РАН Марина Гринберг.
По мнению исследователей, одна из причин таких изменений — активные формы кислорода, которые образуются при облучении. Согласно гипотезе, они запускают каскады внутриклеточных реакций, которые влияют на сигнальную систему. Обнаруженные в эксперименте закономерности позволят прогнозировать, как изменится ответ в зависимости от стимулов.
Полученные результаты помогут лучше понимать, как растения ведут себя в условиях повышенного радиационного фона, например на загрязненных территориях. Также выявление чувствительных к облучению систем и конкретных молекул может способствовать созданию сортов для задач космической биологии, отметила Марина Гринберг.
Радиационные «теплицы» и космические оранжереи
— Малые дозы ионизирующего излучения способны влиять на растения, вызывая эффект гормезиса — феномена, при котором слабое воздействие тех или иных факторов на организм оказывает стимулирующий эффект, а большое — подавляющий, — сообщила «Известиям» завлабораторией радиационной обработки биообъектов и материалов Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ Ульяна Близнюк.
По ее словам, согласно многочисленным исследованиям, у многих культур при оптимальных дозах облучения ускоряется прорастание семян, увеличивается масса и урожайность. Кроме того, активируются процессы, которые повышают устойчивость растений к неблагоприятным факторам, таким как засуха, засоление, экстремальные температуры. При этом дальнейшее увеличение доз, наоборот, может привести к угнетению роста и повреждению тканей.
— Первая реакция на стресс — распознавание. Затем происходит мобилизация и активизация ресурсов, потом организм включает механизмы восстановления и стремится к гомеостазу, то есть к новому равновесию. Зачастую при этом он чувствует себя лучше, чем прежде. Например, у хвойных растений активнее растут иголки. Затем, если доза растет, наступает подавление функций и в конечном счете гибель. Эту стадию все знают, поэтому радиацию боятся, — рассказала профессор кафедры биофизики Сибирского федерального университета Надежда Кудряшева.
По ее мнению, наиболее подробно изучены последствия высоких доз радиации, тогда как реакции на низкодозовое воздействие представляют значительный интерес как для фундаментальной науки, так и для прикладных исследований. Она пояснила, что именно ранние стадии ответа на стресс лежат в основе механизмов адаптации и выживания живых систем. Пока организм способен запускать компенсаторные процессы и противостоять неблагоприятным воздействиям, этот эффект потенциально может быть использован на практике. В частности, уже существуют подходы к лечению рака с применением низкодозового облучения. Не исключено, что в будущем аналогичные принципы найдут применение в сельском хозяйстве.
Вместе с тем эффект от такой стимуляции зависит от множества факторов, включая вид растения, его возраст, физиологическое состояние и условия окружающей среды. Поэтому необходимы дополнительные исследования, которые позволят определить оптимальные режимы воздействия и минимизировать возможные риски, подчеркнула Надежда Кудряшева.
— Изучение описанных механизмов представляет интерес для космической биологии. Растения — неотъемлемая часть будущих биорегенеративных систем жизнеобеспечения при длительных миссиях и создании лунных или марсианских баз, — считает доцент физического факультета МГУ Полина Борщеговская.
По ее словам, в длительных космических экспедициях растения будут обеспечивать экипаж кислородом, водой и свежими продуктами питания, поэтому повышение их устойчивости к неблагоприятным факторам имеет ключевое значение для надежности таких систем жизнеобеспечения. При этом эксперт подчеркнула, что радиационная обстановка в космосе существенно отличается от земной, поэтому результаты подобных исследований нельзя напрямую переносить на условия межпланетных полетов. Вместе с тем они позволяют определить диапазоны доз, способных оказывать стимулирующее воздействие, и выработать оптимальные подходы к выращиванию растений за пределами магнитосферы Земли, которая защищает планету от значительной части космического излучения.
— Биоэлектрические сигналы — один из ранних чувствительных индикаторов физиологического состояния растений. Их изучение позволяет наблюдать момент запуска адаптационного ответа. Кроме того, анализ электрических сигналов дает возможность связать физическое воздействие с биохимическими и молекулярными механизмами устойчивости или повреждения, — прокомментировала младший научный сотрудник отдела ядерно-физических методов в медицине и промышленности НИИЯФ МГУ Виктория Ипатова.
Это может привести к созданию сенсорных платформ для ранней диагностики состояния растений, добавила она. Такие системы позволят выявлять стресс или инфекцию до появления видимых симптомов, а также оценивать устойчивость сортов, подбирать оптимальные условия выращивания и прогнозировать их продуктивность. Особенно перспективна связка электрофизиологических измерений с инструментами искусственного интеллекта.
Источник: Известия