Enzyme polymorphism of antioxidant system in chronically irradiated Scots pine populations

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The Chernobyl accident caused dramatic and long-term increases in ambient radiation doses to many forest environments. Sites still exist in the Bryansk region of Russia, 25 years after the Chernobyl accident, where radioactive contamination significantly exceeds background. There is growing evidence that effects of chronic radiation exposure lead to population-level impacts. Isozymes polymorphism assessment is thought to be promising since it sensitive enough, may integrate the impacts of harmful agents in the environment, and provide meaningful information on biological damage The aims of this study were to examine whether Scots pine trees have experienced stress in areas with relatively low levels of radioactive contamination and, if so, to quantify such an impact.Materials and methods. Scots pine (Pinus sylvestris L.), the dominant tree species in North Eurasia boreal forests, was chosen as a test organism for an assessment of the possible effects from the radioactive contamination. Four study sites were chosen in the most contaminated areas of the Bryansk region of Russia. This area was significantly contaminated by Chernobyl fallout with an initial 137Cs ground deposition level more than 1 MBq/m 2 in some locations (Ramzaev et al., 2008). Sites are uniform in climate and the physical and chemical properties of soils, forest stand is homogeneous, and pine trees occupy a large part of phytocenosis. Dose rates at the study sites ranged from 0.37 to 1.21 μGy/h, compared to 0.10 μGy/h at control site. Pine cones were collected in December of 2009–2010. Specific activities of radionuclides in soil samples were measured, and doses to the pine trees’ generative organs were estimated. Antioxidant enzymes polymorphism (superoxide dismutase (SOD, KF 1.15.1.1), glutathione reductase (GR, KF 1.6.4.2), and glutathione peroxidase (GPX, KF 1.11.4.2)) was investigated by vertical electrophoresis.Results. The study sites did not differ substantially in soil properties, or chemical content of soil or pine cones (Geras'kin et al., 2011; Geras'kin et al, 2008). The main contribution to the radioactive contamination was from 137Cs with activity concentrations at the contaminated sites (averaged through 0–15 cm soil layer) ranging from 2.4 to 56.3 kBq/kg of soil. These activity concentrations exceed those at the referent site by factors of 47–1081 (Geras'kin et al., 2011). Annual absorbed doses rates changes from 7.0 to 130 mGy/year compared to 0.14 mGy/year at reference site. The average frequency of mutations in three enzymes significantly (r = 99 %, p <0.01) increases with increasing absorbed dose by generative plant organs. Indices of phenotypic diversity in the populations studied are significantly different from the control. Proportion of rare morphs dramatically increases in populations inhabiting areas contaminated with radionuclides, which is associated with the emergence of new alleles in several enzyme systems (null alleles, allele 0.80 in the GPX-1 and 0.95 in the GPX-2). The observed and expected heterozygosity in affected populations increase along with the level of contamination sites (r = 99 %, p <0.01).Conclusions. These data show that chronic, low level radiation exposure (7–130 mGy/year) results in an increase in frequency of mutations in the endosperm and the seed embryos and modify the genetic structure of Scots pine populations. These data suggest that a high level of mutations occurs in the progeny of these pine populations and that their diversity is conditioned by radiation exposure. Thus, in spite of their low values, dose rate observed can be considered as a factor capable of modifying the genetic structure of populations.

About the authors

Polina Yuryevna Volkova

Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology

Email: volkova.obninsk@gmail.com
Resercher, Laboratory for ecotoxicology and radiobiology of plants

Stanislav Alekseyevich Geraskin

Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology

Email: stgeraskin@gmail.com
MD, Professor, Head of Laboratory for ecotoxicology and radiobiology of plants

References

  1. Алексахин Р. М., Булдаков Л. А., Губанов В. А. и др., 2001. Крупные радиационные аварии: последствия и защитные меры. М.: ИздАТ, 752 с.
  2. Алтухов Ю. П., 2003. Генетические процессы в популяциях. М.: Академкнига, 431 с.
  3. Антонова Е. В., Позолотина В. Н., 2007. Особенности аллозимной структуры ценопопуляций одуванчика в условиях радионуклидного и химического загрязнения // Экология. № 5. С. 355–361.
  4. Алтухов Ю. П., Духарев В. А., Животовский Л. А., 1983. Отбор против редких электрофоретических вариантов белка и темпы спонтанного мутационного процесса в популяциях // Генетика. Т. 19. № 2. С. 264–275.
  5. Волкова П. Ю., Гераськин С. А., 2012. Анализ полиморфизма супероксиддисмутазы в хронические облучаемых популяциях сосны обыкновенной // Радиационная биология. Радиоэкология. Т. 52. № 4. С. 370–380.
  6. Гераськин С. А., Ванина Ю. С., Дикарев В. Г. и др., 2009. Генетическая изменчивость в популяциях сосны обыкновенной из районов Брянской области, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС // Радиационная биология. Радиоэкология. Т. 49. № 2. С. 136–146.
  7. Гераськин С. А., Дикарева Н. С., Удалова А. А. и др., 2008. Цитогенетические эффекты в популяциях сосны обыкновенной из районов Брянской области, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС // Радиационная биология. Радиоэкология. Т. 48. № 5. С. 584–595.
  8. Гераськин С. А., Удалова А. А., Дикарева Н. С. и др., 2010. Биологические эффекты хронического облучения в популяциях растений // Радиационная биология. Радиоэкология. Т. 50. № 4. С. 374–382.
  9. Глазко Т. Т., Архипов Н. П., Глазко В. И., 2008. Популяционно-генетические последствия экологических катастроф на примере Чернобыльской аварии. М.: ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева. 556 с.
  10. Духарев В. А., Коршиков И. И., Рябоконь С. М. и др., 1992. Генетическая дифференциация субпопуляций сосны обыкновенной в условиях техногенного загрязнения // Цитология и генетика. Т. 26. № 3. С. 7–11.
  11. Животовский Л. А., 1991. Популяционная биометрия. М.: Наука. 271 с.
  12. Животовский Л. А., 1984. Интеграция полигенных систем в популяциях. М: Наука. 184 с.
  13. Кальченко В. А., Калабушкин В. А., Рубанович А. В., 1991. Хроническое облучение как экологический фактор, влияющий на генетическую структуру популяций // Генетика. Т. 27. № 4. С. 676–684.
  14. Кальченко В. А., Рубанович А. В., Шевченко В. А., 1996. Адаптивный характер полиморфизма по локусу супероксиддисмутазы в природных хронически облучаемых популяциях Centaurea scabiosa L. // Генетика. Т. 32. № 11. С. 1509–1512.
  15. Карабань Р. Т., Мишенков Н. Н., Пристер Б. С. и др., 1979. Действие острого гамма-облучения на лесной фитоценоз // Проблемы лесной радиоэкологии. Труды ИПГ. Вып. 38. М.: Гидрометеоиздат. С. 27–52.
  16. Козубов Г. М., Таскаев А. И., 1994. Радиобиологические и радиоэкологические исследования древесных растений. СПб.: Наука, 256 с.
  17. Коршиков И. И., Духарев В. А., Котова А. А. и др., 1991. Аллозимный полиморфизм локусов GOT, GDH и SOD у сосны обыкновенной в условиях техногенно загрязнённой среды // Цитология и генетика. Т. 25. № 6. С. 60–64.
  18. Крутовский К. В., Политов Д. В., Алтухов Ю. П. и др., 1989. Генетическая изменчивость сибирской кедровой сосны Pinus sibirica Du Tour. Сообщение IV. Генетическое разнообразие и степень генетической дифференциации между популяциями // Генетика. Т. XXV. № 11. С. 2009–2032.
  19. Кудряшов Ю. Б., 2004. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). М.: ФИЗМАТЛИСТ. 448 с.
  20. Малецкий С. И., Юданова С. С., 2007. Зародышевый путь и стволовые клетки у высших растений // Цитология и генетика. № 5. С. 67–80.
  21. Полесская О. Г., 2007. Растительная клетка и активные формы кислорода. М.: КДУ. 140 с.
  22. Сарапульцев Б. И., Гераськин С. А., 1993. Генетические основы радиорезистентности и эволюция. М.: Энергоатомиздат. 208 с.
  23. Созинов А. А., 1985. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука. 272 с.
  24. Спиридонов С. И., Фесенко С. В., Гераськин С. А. и др., 2008. Оценка доз облучения древесных растений в отдалённый период после аварии на Чернобыльской АЭС // Радиационная биология. Радиоэкология. Т. 48. № 4. С. 432–438.
  25. Тихомиров Ф. А., 1972. Действие ионизирующих излучений на экологические системы. М.: Атомиздат. 174 с.
  26. Ульянова Е. В., Позолотина В. Н., Сарапульцев И. Е., 2004. Эколого-генетическая характеристика ценопопуляций Taraxacum officinale s. l. из пойменных экосистем р. Течи // Экология. № 5. С. 349–357.
  27. Федотов И. С., Кальченко В. А., 2006. Радиационно-генетические последствия облучения популяции сосны обыкновенной в зоне аварии на ЧАЭС // Радиационная биология. Радиоэкология. Т. 46. № 3. С. 268–278.
  28. Шевченко В. А., Печкуренков В. Л., Абрамов В. И., 1992. Радиационная генетика природных популяций. М.: Наука, 221 с.
  29. Шуйская Е. В., Гисматуллина Л. Г., Тодерич К. Н. и др., 2012. Генетическая дифференциация Haloxylon aphyllum (Chenopodiaceae) по градиенту засоления почвы в пустыне Кызылкум // Экология. № 4. С. 284.
  30. Bradshaw A. D., 1991. Genostasis and the limits to evolution // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. Vol. 33. P. 289–305.
  31. Elstner E. F., Osswald W., 1994. Mechanisms of oxygen activation during plant stress // Proceedings of the Royal Society of Edinburgh Biology. Vol. 102B. P. 131–154.
  32. Fisher R. A., 1930. The Genetical Theory of Natural Selection. Oxford: Clarendon Press, 145 p.
  33. Foyer C. H., Noctor G., 2000. Oxygen processing in photosynthesis: a molecular approach // New Phytologist. Vol. 146. P. 359–388.
  34. Geraskin S. A., Oudalova A. A., Dikareva N. S. et al., 2011. Cytogenetic damage and reproductive effects in Scots pine populations affected by the Chernobyl accident // Ecotoxicology. Vol. 20. P. 1195–1208.
  35. Gechev S. T., Breusegem F., Stone J. et al., 2006. Reactive oxygen species as signals that modulate plant stress responses and programmed cell death // BioEssays. Vol. 28. P. 1091–1101.
  36. Inze D., Van Montagu M., 1995. Oxidative stress in plants // Current Opinion in Biotechnology. Vol. 6. P. 153–158
  37. Ipatyev V., Bulavik I., Braginsky V. et al., 1999. Forest and Chernobyl: forest ecosystems after the Chernobyl nuclear power plant accident: 1986–1994 // Journal of Environmental Radioactivity. Vol. 42. P. 9–38
  38. Manchenko G. P., 1994. Handbook of detection of enzymes on electrophoretic gels. CRC Press. 268 p.
  39. Mengoni A., Gonnelli C., Galardi F. et al., 2000. Genetic diversity and heavy metal tolerance in populations of Silene paradoxa L.: a random amplified DNA analysis // Molecular ecology. Vol. 9. P. 1319–1324.
  40. Muller L., Vangronsveld J., Colpaert J., 2007. Genetic structure of Suillus leteus populations in heavy metal polluted and nonpolluted habitats // Molecular ecology. Vol. 16. P. 4728–4737.
  41. Nei M., 1972. Genetic distance between populations // Amer. Natur. Vol. 106, N 949. P. 283–292.
  42. Ramzaev V., Botter-Jensen L., Thompsen K. J. et al., 2008. An assessment of cumulative external doses from Chernobyl fallout for a forested area in Russia using optically stimulated luminiscence from quartz inclusions in bricks // J. Environ. Radioactivity. Vol. 99. P. 1154–1164.
  43. Slomka A., Sutkowska A., Szczepaniak M. et al., 2011. Increased genetic diversity of Viola tricolor L. in metal-polluted environments // Chemosphere. Vol. 83. P. 435–442.
  44. Sparrow A. H., Rogers A. F., Schwemmer S. S., 1968. Radiosensitivity studies with woody plants // Radiat. Botany. Vol. 8. P. 149–186.
  45. Tausz M., Sircelj H., Grill D., 2004. The glutathione system as a stress market in plant ecophysiology: is a stress-response concept valid // Journal of Experimental Botany. Vol. 55. N 404. P. 1955–1962.
  46. Theodorakis C. W., 2001. Integration of genotoxic and population genetic endpoints in biomonitoring and risk assessment // Ecotoxicology. Vol. 10. P. 245–256.
  47. Whitham T. G., Bailey J. K., Schweitzer J. A. et al., 2006. A framework for community and ecosystem genetics: From genes to ecosystems // Nature Reviews Genetics. Vol. 7. P. 510–523.
  48. Wooley S. C., Wimp G. M., 2006. Community and ecosystem genetics: a framework for integrating from genes to ecosystems // Nature Reviews Genetics. Vol. 7. P. 510–523.

Copyright (c) 2013 Volkova P.Y., Geraskin S.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies