Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сезонные изменения ультраструктуры клеток апикальной меристемы побега и мезофилла хвои Pinus sylvestris L.

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Котеева, Нурия Каюмовна, Санкт-Петербург

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БОТАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. В.Л.КОМАРОВА

На правах рукописи

КОТЕЕВА Нурия Каюмовна

Сезонные изменения ультраструктуры клеток

апикальной меристемы побега и мезофилла хвои

PlNUS SYLVESTRIS L.

03.00.05 - Ботаника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., проф. Е.А.Мирославов

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................ 5

ГЛАВА I. Обзор литературы.............................................................. 9

I \

г

| 1.1. Концепция сезонных структурно-метаболических ритмов. 9

! I

! 1.2. Сезонные изменения ультраструктуры меристематических

клеток.......................................................................................... 10

1.3. Сезонные изменения ультраструктуры

дифференцированных клеток.................................................................22

ГЛАВА 2. Материал и методы исследования........................................................................38

ГЛАВА 3. Результаты исследования..................................................................................................42

3.1. Формирование вегетативной почки и развитие побега ] сосны обыкновенной.................................................................. 42

I

| 3.2. Сезонные изменения размеров и формы апекса ' вегетативного побега сосны обыкновенной.............................. 44

3.3. Анатомическое строение хвоинки (данные световой микроскопии) ............................................................................. 46

3.4. Ультраструктура клеток апикальной меристемы в годичном цикле, естественные условия..................................... 47

3.4.1. Июнь, июль (рост вегетативного побега и формирование почки)........................................................... 47

1

с

* л

| 3.4.2. Сентябрь, октябрь........................................................................................................52

\

5 3.4.3. Ноябрь, декабрь............................................................55

3.4.4. Январь, февраль............................................................................................................56

3.4.5. Март, апрель............................................................................................................................57

3.4.6. Май..................................................:....................................................58

I

I

! 3.5. Ультраструктура клеток апикальной меристемы в

годичном цикле, оранжерея..............................................................................................................59

3.5.1. Июнь, июль (рост вегетативного побега и формирование почки)......................................................................................................................59

3.5.2. Ноябрь, декабрь....................................................................................................................60

3.5.3. Февраль..............................................................................................................................................61

3.6. Ультраструктура клеток мезофилла в годичном цикле,

| естественные условия.................................................................. 62

|

Г 3.6.1. Летний период........................................................................................................................62

3.6.2. Сентябрь..........................................................................67

3.6.3. Октябрь..............................................................................................68

3.6.4. Ноябрь, декабрь...................................................................................70

3.6.5. Январь, февраль......................................................................................................................71

3.6.6. Март, апрель............................................................................................................................72

3.6.7. Май..................................................................................73

I

| 3.5.8. Июль (второй год ясизни хвои).......'......................................74

I!

}

I 3.7. Ультраструктура клеток мезофилла в годичном цикле,

условия оранжереи.....................................................................................................................75

3.7.1. Летний период........................................................................................................................75

3.7.2. Сентябрь, октябрь...........................................................76

3.7.3. Ноябрь, декабрь....................................................................................................................76

3.7.4. Февраль, март............................................................................................................77

3.7.5. Июль (второй год эюизни хвои)..............................................77

ГЛАВА 4. Обсуждение результатов......................................................................................................79

4.1. Ядро.....................................................................................................79

4.2. Пластиды............................................................................................................................................................86

4.2.1. Изменение положения пластид........................................86

4.2.2. Численность пластид....................................................................................................88

4.2.3. Размеры и форма пластид....................................................................................93

4.2.4. Тилакоидная система пластид...........................................94

4.2.5. Пластоглобулы, крахмал.....................................................................98

4.3. Митохондрии..............................................................................................................................................101

4.4. Пероксисомы................................................................................................................................................104

4.5. Эндоплазматический ретикулум..................................................................................104

4.6. Клеточная стенка, аппарат Гольджи...............................................110

4.7. Вакуоли..................................................................................................................................................................113

4.8. Липидные капли..................................................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................................120

ВЫВОДЫ.........................................................................................................................................................................127

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................................................................................149

Условные обозначения..................................................................................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Изучение механизмов устойчивости и адаптации растений к изменениям условий среды является одной из наиболее актуальных проблем современной биологии. Среди подходов, ведущих к разрешению этой проблемы, важное значение имеет выяснение роли реакции клетки на изменение условий среды при естественной смене сезонов года. При этом особый интерес представляет период зимнего покоя в связи с проблемой морозоустойчивости.

Изучению сезонных изменений структуры клеток посвящено большое число исследований. Однако далеко не все аспекты этой проблемы достаточно глубоко изучены. В частности, не проводилось сравнительного изучения сезонных изменений структуры клеток меристемы побега и мезофилла листа. Вместе с тем, такой подход дает возможность выявить механизмы адаптации столь разных по структуре тканей.

До сих пор оставались неизученными факторы, инициирующие перестройки структуры растительных клеток при подготовке к условиям зимнего периода.

Весьма актуальна также проблема специфичности и неспецифичности реакций структуры растительной клетки и ее отдельных компонентов на стрессовые условия. Совершенно новые данные для дискуссии дает сравнение изменений структуры клеток двух типов в неблагоприятных условиях зимы.

Цель и задачи исследования. Целью нашего исследования явилось выявление особенностей ультраструктуры клеток апикальной меристемы сосны обыкновенной {Pinus sylvestris L.) на разных стадиях годичного цикла в сравнении со структурной динамикой клеток мезофилла.

В задачи работы входило:

выявление динамики структурных изменений на разных стадиях годичного цикла (активного роста, формирования почки и периода покоя) клеток апикальной меристемы побега;

выявление динамики структурных изменений на протяжении всего годичного цикла клеток мезофилла хвои сосны обыкновенной;

проведение сравнительного анализа сезонных изменений ультраструктуры меристематических и дифференцированных клеток;

проведение сравнительного изучения ультраструктуры клеток меристемы и мезофилла растений, выращиваемых в открытом и закрытом грунте, для выяснения факторов, инициирующих ультраструктурные перестройки при прохождении разных стадий годичного цикла.

Научная новизна работы. Впервые с применением морфометрических методов проведено детальное исследование структуры меристематической клетки в годичном цикле. Выявлен целый ряд новых фактов по динамике изменений как качественных, так и количественных структурных признаков клетки меристемы. Впервые описаны картины слияния пластид в клетках меристемы, выявлена сложная динамика накопления запасных веществ. Показаны основные признаки строения, характеризующие состояние пролиферативного покоя клеток меристемы.

Впервые проведен сравнительный анализ сезонных изменений ультраструктуры меристематических и полностью

дифференцированных клеток мезофилла. Благодаря такому сравнению оказалось возможным выявить специфичность для типа клетки сезонных изменений одних компонентов клетки (в частности, структуры ядрышек, пластид, эндоплазматического ретикулума, динамики содержания запасных веществ) и неспецифичность - других (например, структуры митохондрий).

Предпринята одна из первых попыток выявить факторы, инициирующие изменения ультраструктуры 4 при подготовке к условиям зимнего периода. Показано, что низкие температуры -основной фактор, индуцирующий адаптивные ультраструктурные перестройки клеток мезофилла, но не меристемы. Для меристематической клетки адаптивное к условиям зимнего периода значение имеет переход в состояние покоя, который, по всей вероятности, индуцируется коротким днем.

Практическая ценность работы. Результаты исследования могут быть использованы при изучении механизмов адаптации растительной клетки к условиям окружающей среды, в частности, в рамках разработки проблем морозоустойчивости растений. Полученные данные будут полезны при выяснении общих вопросов биогенеза клеточных органелл.

Новые данные могут быть использованы (и уже используются) как фактический материал для преподавании биологических дисциплин в высших учебных заведениях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на V и VI молодежных конференциях ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 1995, 1997), I Всероссийской конференции по Ботаническому Ресурсоведению (Санкт-Петербург, 1996), XI Европейском конгрессе по электронной микроскопии (Дублин, Ирландия, 1996), Международной конференции

по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 1997), конференции «Проблемы ботаники на рубеже ХХ-ХХ1 веков» в рамках II (X) Делегатского съезда РБО (Санкт-Петербург, 1998).

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано и сдано в печать 12 работ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Концепция сезонных структурно-метаболических ритмов

У многолетних растений в условиях умеренного климата наблюдается сезонная периодичность морфофизиологических явлений, которая определяет степень их приспособления в том или ином районе и является выражением эволюционной адаптации к условиям умеренного климата (Сергеев и др., 1961). У каждого вида выработался характерный годичный цикл с определенной последовательностью и длительностью периодов интенсивного роста, размножения, подготовки к зиме и зимовки (Новицкая, 1984). Сезонные структурно-метаболические ритмы деревьев связаны со сложной динамикой окружающей среды (Сергеев, Сергеева, 1977). Особое внимание уделяется сезонным (годичным) ритмам, которые носят ярко выраженный адаптивный характер, в связи с вопросами зимостойкости древесных растений (Сергеев, Сергеева, 1977).

Хвойные растения, эволюционно более древняя группа по сравнению с лиственными, характеризуются высокой зимостойкостью (Сергеев, Сергеева, 1977). Годичный ростовой цикл хвойных северной умеренной зоны включает в себя 3 фазы: 1) весенний рост сформированного в предыдущем году побега; 2) формирование почки -зачаточного побега новой генерации; 3) период зимнего покоя (СеасИ е1 а1., 1972). Замедление роста побега, развитие холодоустойчивости и состояние морфологического покоя растения индуцируются коротким фотопериодом (Уп^оих, БегеисШге, 1981; Лап е! а!., 1997). В природе

морозоустойчивость индуцируется во время очень короткого периода акклимации ранней осенью (Champagnat, 1983; Sauter et al., 1996).

Период покоя обычно подразделяют на стадии органического, или предпокоя (при котором почка имеет способность прорастать при ограниченном наборе условий), глубокого покоя (из которого нельзя вывести даже при благоприятных условиях) и вынужденного, или послепокоя (при котором восстанавливается способность к росту) (Генкель, Окнина, 1969; Perry, 1971). Для снятия глубокого покоя необходим определенный период охлаждения, а для роста - тепло (Champagnat, 1983;Уоринг, Филлипс, 1984).

Возможность перехода в покоящееся состояние есть важная адаптивная стратегия выживания и роста растений умеренного климата (Jian et al., 1997).

В процессе подготовки растения к неблагоприятным условиям осенне-зимнего периода, на разных фазах периода покоя и при подготовке к весеннему росту вариации морозоустойчивости сопровождаются соответствующими перестройками обмена веществ, энергии и ультраструктурной организации клетки. Структурные изменения, которые происходят в клетках растений на протяжении холодного времени года, носят адаптивный характер, поскольку прежде всего связаны с формированием структурных механизмов устойчивости к пониженным температурам. Эти "изменения обратимы, и поэтому их называют сезонными.

1.2. Сезонные изменения ультраструктуры меристематических

клеток

Первые публикации работ по изучению сезонных изменений ультраструктуры клеток различных тканей почки появились уже более 25 лет назад (Dereuddre, 1972). Однако после пионерной работы Dereuddre было проведено лишь небольшое * число исследований

ультраструктуры меристем вегетативной почки, что объясняется трудностью фиксации, заключения в смолу и резки апекса покоящейся почки (Cragg, Willison, 1980; Berggren, 1985). Неудачу в попытке получить тонкие срезы апекса побега у липы Cragg, Willison (1980) приписали плохой проницаемости кутикулы покоящейся почки для заливочных сред.

Изучение сезонных изменений ультраструктуры клеток меристемы побега привлекает внимание исследователей в связи с проблемой периодичности функционирования меристем в годичном цикле.

Апекс вегетативного побега претерпевает периодические изменения формы, размеров и активности, связанные с периодом зимнего покоя, роста и формирования почки (Sacher, 1954; Cecich et al., 1972). Цитогистологическая зональность апекса побега сохраняет свою специфичность на протяжении всего годичного цикла, однако состояние гистологических зон апекса варьирует в зависимости от стадии развития. Так, переходная зона апекса Pseudotsuga menziesii наиболее отчетлива в конце морфогенеза почки и во время периода покоя, а зона сердцевинной меристемы более ясно видна в конце периода инициации катафиллов (Krasowski, Owens, 1990). Не наблюдается различий в цитогистологической зональности апекса во время периода активного роста и покоя у Rhododendron maximum (Lynch, Rivera, 1981), Salix schwerinii (Berggren, 1985, 1987), Stachys sieboldi {Tort, Lagarde, 1981). Lynch, Rivera (1981) отмечали, что изучение апекса на начальных стадиях остановки роста упрощает интерпретацию отдельных гистологических зон апекса, так как замедляются и прекращаются процессы инициации листа и быстрого апикального роста. Однако постепенные изменения в клеточной структуре делают неясными границы между корпусом и сердцевинной меристемой. Вероятно, при вступлении в состояние покоя замедляется метаболическая активность клеток и прекращается рост. В фазу

быстрого роста апикальные зоны лучше очерчены в результате различий в делении и росте клеток.

Период покоя и период активной вегетации различаются по топографии и структурным характеристикам клеточных органелл клетки (Vintéjoux, Dereuddre, 1981).

Согласно М.Ф.Даниловой (1974), М.Ф.Даниловой, Т.К.Кашиной (1980), активно пролиферирующие меристематические клетки апекса побега имеют ряд общих признаков. К ним относятся следующие. Ядро занимает центральное положение, имеет большой объем и округлую форму. Ядрышки крупные с высокой долей гранулярного компонента. Эндоплазматический ретикулум гранулярного типа, развит слабо. Диктиосомы многочисленны. Митохондрии с выраженными признаками ювенильности - с обширными зонами матрикса, не занятыми кристами. Плейоморфные пластиды с плотной стромой, слаборазвитой мембранной системой, представленной одиночными тилакоидами и элементами периферического ретикулума. Сходные описания меристематической клетки активно растущей почки приведены в целом ряде работ (Bouvier-Durand et al., 1981; Berggren, 1984; Hohtola et al., 1984; Скупченко, 1985; Krasowski, Owens, 1990; Васильев, Муравник, 1997a, и др.).

На протяжении периода зимнего покоя пролиферативная активность клеток апикальной меристемы крайне подавлена или отсутствует (Vintéjoux, Dereuddre, 1981), ядра меристематических клеток покоящейся почки находятся на пролонгированной Gi (Go-i) стадии клеточного цикла (Cottignies, 1979, 1981; Tepfer et al., 1981; Nougarède et al., 1996, и др).

Данные по структуре ядра клеток меристемы в годичном цикле крайне противоречивы, что, возможно, объясняется разнообразием объектов исследования. Так, согласно Tort, Lagarde (1981), клетки апикальной меристемы покоящихся клубней Stachys sieboldi имеют ядра с более конденсированным хроматином, что, по мнению авторов,

характеризует снижение активности ядерного аппарата. Состояние выс