Самарские ученые измерили уровень стресса лука-"космонавта"

Ученые и студенты Самарского университета им. Королёва в ходе экспериментального исследования измерили уровень стресса, который возникает у репчатого лука в условиях невесомости. Искусственную микрогравитацию для лука создали на Земле с помощью разработанного самарскими учеными оборудования, а в проведении научных изысканий студентам и ученым помогали школьники Самары. В рамках эксперимента также удалось определить количество времени, необходимого растению для адаптации к стрессу невесомости. Полученные данные помогут расширить базу научных знаний космобиологии, изучающей влияние факторов космического полета на живые организмы (*).

"В ходе исследования было проанализировано влияние условий симулированной микрогравитации на репродукцию клеток корешков репчатого лука, при этом использовался Allium-тест (**) - как наиболее распространенный и эффективный метод оценки влияния окружающей среды на живой организм. В условиях микрогравитации у растений изменяется экспрессия различных генов, в том числе ответственных за реакцию на стресс, в клетках образуется растительный гормон стресса - этилен, он обладает свойством подавлять процессы роста корней и побега, что позволяет растению сэкономить ресурсы во время адаптации к новым условиям. Результаты нашего эксперимента позволили определить, насколько стресс из-за микрогравитации снижает митотический индекс растения, то есть, насколько уменьшается активность деления клеток, и сколько примерно времени требуется растению, чтобы адаптироваться к этому стрессу, затормозив свое развитие на определенном уровне", - рассказал Дмитрий Кистенёв - один из авторов исследования, студент 4 курса кафедры биохимии, биотехнологии и биоинженерии Самарского университета им. Королёва.

По его словам, репчатый лук был выбран в качестве тестируемого объекта из-за ряда его преимуществ. Данный вид хорошо изучен с генетической точки зрения и обладает небольшим набором хромосом, которые легко окрашиваются, благодаря чему при относительно небольшом увеличении под микроскопом можно легко определить не только фазу митоза (деления клеток), но и наличие хромосомных аберраций (отклонений, мутаций) для каждой отдельной клетки. Кроме того, по сравнению с некоторыми другими популярными растительными тест-системами (например, такими, как кресс-салат), репчатый лук более чувствителен к ряду факторов, угнетающих цикл деления клеток растений. По мнению ряда ученых, репчатый лук по чувствительности своих клеток даже приближается к культуре клеток человека.

Для эксперимента использовались семена репчатого лука Alliumcepa L. сорта "Крепыш". Их в течение пяти дней проращивали в рулонах из вспененного полиэтилена и фильтровальной бумаги в среде реминерализованной воды в термостате при 22 градусах Цельсия. Всего было выращено несколько партий семян по 50 штук в каждой, далее одни проростки отбирались в качестве контрольной партии для последующего сравнения, а другие загружались в специальный прибор - 3D-клиностат - и в течение определенного времени подвергались непрерывному воздействию искусственной микрогравитации.

3D-клиностат - это устройство, в котором испытуемый объект подвергается вращению в разных плоскостях, чтобы свести к минимуму воздействие на него гравитации. Положение растения постоянно меняется и действие силы тяжести не успевает проявиться в полной мере. Такой прибор можно сравнить с центрифугой для подготовки космонавтов, только размерами клиностат, разумеется, гораздо меньше.

"В эксперименте использовался 3D-клиностат, созданный самарскими учеными при участии студентов и школьников с помощью технологии 3D-печати из биоразлагаемого пластика. Устройство отличается цифровым качеством деталей, легкостью, функциональностью, является ремонтно-пригодным, технологичным, мобильным и надежным", - подчеркнула Елена Писарева, заведующая кафедрой биохимии, биотехнологии и биоинженерии Самарского университета им. Королёва.

После проведения всех процедур эксперимента клетки испытуемых объектов изучались под микроскопом при шестисоткратном увеличении. Как установили исследователи, после четырех часов воздействия микрогравитации митотический индекс растений, то есть, активность деления клеток, по сравнению с контрольной группой снизился на 35,16%, для восьмичасового периода снижение составило 49,23%, для двенадцатичасового - 47,41%. То есть, стресс от невесомости заставляет растение снижать активность деления клеток почти наполовину.

"Можно сделать вывод, что растение, переживая стресс из-за внезапного помещения в условия микрогравитации, постепенно снижает темп митотического цикла в апикальной меристеме (***) проростка. На четырехчасовой экспозиции данный процесс еще продолжается, стремясь к более низкому значению митотического индекса, характерному для восьмичасовой и двенадцатичасовой экспозиций, на которых индекс достигает устойчивого уровня и даже начинает несколько снижаться. То есть, можно сказать, что в промежутке примерно между восемью и двенадцатью часами продолжающегося воздействия микрогравитации растение начинает адаптироваться к данному стрессу", - отметил Михаил Власов, доцент кафедры биохимии, биотехнологии и биоинженерии.

Еще один важный результат исследования - ученые установили, что воздействие симулированной микрогравитации не приводит к возникновению в клетках растения хромосомных аберраций (мутаций). Это важно не только в плане выращивания растений в космосе, но и для изучения воздействия на человека факторов космического полета.

"Резкое помещение в условия микрогравитации не оказало влияния на число хромосомных аберраций, следовательно, фактор микрогравитации не является первостепенным для накопления мутаций и растение способно адаптироваться к нему, пусть и ценой снижения темпов роста. Следует подчеркнуть, что полученные в ходе эксперимента данные могут быть экстраполированы практически для всего биоразнообразия растений и животных. Кроме того, известно, что в условиях микрогравитации замедляется, но не останавливается рост эндотелиальных (****)клеток человека. Также есть данные, что невесомость негативно влияет на количество хромосомных мутаций в фибробластах (*****) человека, подверженных воздействию радиации. Поэтому так важно изучать влияние микрогравитации на живые организмы, как в комплексе с другими факторами космического полета, так и при наличии одного только этого фактора", - подытожила Елена Писарева.

Справочно:

Самарский национальный исследовательский университет имени С.П. Королёва - вуз-участник национального проекта "Наука и университеты".

* За многолетнюю историю освоения космоса различные растения не раз оказывались на орбите. Как известно, идею выращивать растения в космосе выдвинул еще основоположник современной космонавтики Константин Циолковский, а в 1960 году вместе с Белкой и Стрелкой на борту корабля "Спутник-5" отправились в космос не только сорок безымянных мышей, но и семена лука, гороха, пшеницы и кукурузы. В настоящее время космическими огородами и грядками на орбите уже никого не удивить - в космосе давно и успешно выращивают салатную капусту и горох, пшеницу и редис и другие съедобные растения. Тем не менее, несмотря на огромный накопленный опыт выращивания растений в космосе, число мировых научных исследований в данной области не уменьшается, а наоборот, растет.

** Allium-тест - универсальный метод биотестирования, позволяющий оценить влияние различных факторов окружающей среды на живые организмы. Для тестирования используется меристема проростков корешков луковицы репчатого лука. Allium-тест рекомендован экспертами ВОЗ в качестве стандарта для цитогенетического мониторинга окружающей среды.

*** Апикальная меристема - группа клеток, обеспечивающая образование всех органов и первичных тканей побега растения.

**** Эндотелиальные клетки - клетки, выстилающие внутреннюю поверхность кровеносных и лимфатических сосудов, сердечных полостей.

***** Фибропласты - клетки соединительной ткани организма, играющие важную роль в заживлении ран.