Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структура зародышевого корня кукурузы в условиях низкой температуры и дефицита влаги

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Просянникова, Елена Борисовна, Чита



/ $ р-/ -

ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

ПРОСЯННИКОВА Елена Борисовна

СТРУКТУРА ЗАРОДЫШЕВОГО КОРНЯ КУКУРУЗЫ В УСЛОВИЯХ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФИЦИТА ВЛАГИ 03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

\

Научный руководитель: Доктор биологических наук, профессор О.П.Родченко

Чита, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ГЛАВА 1. РОСТ КОРНЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РЕГУ-ЛЯТОРНОЙ РОЖ МЕРИСТЕМЫ КОРНЯ..........................................................9

1.1. РОСТОВЫЕ РЕАКЦИИ КЛЕТОК КОРНЯ.................................................9

1.2. Роль апекса корня, как доминирующего центра в трофической, электрофизиологической и гормональной регуляции....................................12

1.3. Особенности строения и функционирования апикальной меристемы корня....................................................................................................................19

1.4. Баланс гормонов и рост при действии низких температур и дефицита влаги.....................................................................................................................24

ГЛАВА 2. ГИСТОГЕНЕЗ ПРОВОДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ КОРНЯ.....................32

2.1. Влияние дефицита влаги и пониженной температуры на формирование

проводящей системы корня.....................................,"..........................................41

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................50

3.1. Объекты исследования................................................................................50

3.2. Основные методы исследования................................................................51

ГЛАВА 4. РОСТОВАЯ РЕАКЦИЯ КЛЕТОК КОРНЯ НА ДЕФИЦИТ ВЛАГИ И СНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.........................................................................56

4.1. Влияние различной степени декапитации на рост корня и восстановление апекса корня............................................................................56

4.2. Сортовые особенности ростовой реакции декапитированных корней

растений кукурузы на пониженную температуру и дефицит влаги.............64

4.3.Особенности ростовой реакции облученных корней растений кукурузы на дефицит влаги................................................................................................78

4.4. Сортовые особенности формирования проводящей системы корня в

условиях лимитирующих рост..........................................................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................102

ВЫВОДЫ..............................................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

Как известно прорастание семени большинства растений начинается с роста корня. На данном этапе онтогенеза - в момент перехода растения от гетеротрофного к автотрофному питанию - именно зародышевый корень является основным регуляторным органом, определяющим деятельность растения.

В работах Н.И. Якушкиной, E.H. Овсянниковой и других показано влияние корневой системы на процессы роста надземных органов (Якушкина, Овсянникова, Кулакова, 1986; Smith, Dale, 1988). Удаление корневой системы, с одной стороны меняет фенотипические признаки растений (Кулакова, 1985), появляются черты физиологической карликовости, а с другой, оказывает существенное влияние не только на рост надземных органов, но и на темпы развития, а так же на сексуализацию растения (Овсянникова, 1988).

Работами Д.А. Сабинина, A.JI. Курсанова (Сабинин, 1977; Курсанов, 1976) показано, что роль корня не ограничивается тем, что он снабжает надземные органы водой и элементами минерального питания. Сабинин Д.А. характеризовал корневые системы как органы с выдающейся ролью, свойственной меристематическим тканям, связанной с образованием в корневых окончаниях фитогормонов, которые по его мнению могут быть производными нуклеиновых кислот, что в настоящее время экспериментально доказано. Важная роль цитокининов, поступающих из корней в надземные органы, в регуляции физиологических процессов в листьях и других органах растений показана в ряде исследований (Кулаева, 1973; Кефели, 1975; Кулаева, 1982; Ку-лаева и др., 1984; Овсянникова, 1985). Цитокинины участвуют в явлениях коррелятивного роста и апикального доминирования (Полевой, 1982 ; Уоринг, Филлипс, 1984).

Интенсивность кущения у злаков, по-видимому, определятся степенью предварительного развития корневой системы, поставляющей цитокинины к

подземным и приземным почкам в основании главного побега. В результате из этих почек начинают формироваться боковые побеги (Полевой, Саламато-ва, 1991). В связи с этим скорость роста делением, скорость перехода к растяжению и скорость самого растяжения может иметь решающее значение для подачи в надземные органы цитокининов (Сабинин, 1971; Иванов, 1977).

Выбор в качестве объекта исследования зародышевого корня обусловлен представлением о нем как энергозависимой многокомпонентной системе, организованной во времени и пространстве, способной длительное время поддерживать гомеостаз, реализуя программу последовательных изменений, ведущих к становлению его специфических функций (Курсанов, 1976), имея в виду регуляторную роль его апикальной меристемы как доминирующего центра в схеме регуляции, обеспечивающей целостность организма (Полевой, 1982). Апекс корня, по Полевому В.В., как аттрагирующий центр, обладающий способностью воспринимать действие раздражителей, регулирует мери-стематическую и тканеобразующую активности, удлинение и тропизмы корня, удлинение стебля, рост и трофику листьев. Верхушка корня ответственна также за торможение образования стеблевых почек и проводящих пучков, индукцию развития стеблевых апексов. Таким образом, зародышевый корень является информативной моделью для оценки реализации наследственной программы в определенный фенотип, органом, обеспечивающим продуктивность растения (Родченко, 1987).

Во многих районах нашей страны обычное явление - резкое снижение температуры и отсутствие осадков в начале вегетации растений, снижающие продуктивность культурных растений.

Имеется ряд работ, которые связывают темпы роста в период прорастания зерна с последующим ростом надземной массы и продуктивностью растения (Писарев, 1964; Куперман, 1974). Отмечено, что охлаждение корней

проростков замедляет скорость разрастания листьев (Smith, Dale, 1988), а в случае раннего наступления дефицита увлажнения также происходит ограничение в нарастании листовой поверхности, что в свою очередь приводит к уменьшению количества поглощаемой солнечной радиации (Durand, Lemaire, Grosse, Chartier, 1989). По мнению последних авторов это и является главной причиной уменьшения продуктивности растений. Рядом авторов указывается, что в Восточной Сибири и некоторых других районах страны зародышевые корни в неблагоприятных условиях - пониженная температура в сочетании с недостатком влаги - функционируют до конца вегетации (Сытник и др., 1972; Филиппов, 1977;).

Таким образом, темпы роста зародышевого корня во многом определяют последующий рост надземной массы и продуктивность растения. И особое значение приобретает функционирование апикальной меристемы корня, обеспечивающее различия в размерах, массе растения в изменяющихся условиях среды.

Работами Ю.А. Мазель, М.Ф. Даниловой с соавторами (Данилова, Ма-зель, Древаль, 1983 ; Мазель, Данилова, Стамболцян, Темнова, 1983; Мазель, Данилова, Житнева, Телепова, 1990) показано, что апикальная часть корня, включающая меристему, зону растяжения и начала дифференцировки, обладает развитым аппаратом поглощения, еще не имея хорошо дифференцированной проводящей системы. Основными путями транспорта здесь являются апопласт и симпласт, формируемые клетками меристемы, первичной коры и стели. В радиальном направлении (до эндодермы) Ca движется, в основном, по апопласту, а К+ - по симпласту. Появление зрелых элементов ксилемы увеличивает количество Са2+, поступающего из корня в другие части растения в 2,5 раза.

Таким образом, продуктивность растения будет зависеть от того, как быстро сформируется проводящая система корня и получат развитие регуля-торные центры - области синтеза гормонов.

Цель представленной работы - изучить регуляторную функцию зародышевого корня злаков в неблагоприятных условиях, проследить формирование структур корня, связанных с поглощением и транспортом элементов питания и воды в условиях лимитирующих рост.

Перед нами стояли следующие задачи:

Оценить ростовую реакцию зародышевого корня растений кукурузы генотипов различной устойчивости на декапитацию в условиях низкой положительной температуры (10° С) и дефицита влаги. Оценить ростовую реакцию зародышевого корня растений кукурузы различной устойчивости на облучение в условиях дефицита влаги

Изучить восстановление ростовой функции корней проростков кукурузы после перенесения в оптимальные условия экспонирования.

На приготовленных постоянных препаратах рассмотреть процессы регенерации и восстановления апекса корня проростков кукурузы. Объяснить, чем определяются сортовые различия в ростовых и восстановительных реакциях исследуемых растений.

Изучить сортовые особенности пространственной локализации сосудистой системы и начала дифференциации клеток в условиях, лимитирующих рост.

Оценивая отзывчивость растения на низкую положительную температуру и дефицит влаги, мы избрали основным критерием ростовую реакцию корня, полагая, что в условиях, лимитирующих продуктивность растений, определение максимально возможной "продуктивности" (Родченко, 1987) меристемы дает возможность создать наиболее информативную модель для оцен-

ки. Такой подход, по нашему мнению, открывает возможности для определения критических точек воздействия на растительные организмы с целью интенсификации роста. Полученные данные могут быть использованы для создания методов ранней диагностики устойчивости в лабораторных условиях. Для этого не требуется сложного оборудования и большого количества исследуемого материала, что особенно важно на первых этапах селекционного процесса.

ГЛАВА 1. РОСТ КОРНЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РЕГУЛЯТОРНОЙ РОЛИ МЕРИСТЕМЫ КОРНЯ.

1.1. Ростовые реакции клеток корня.

Рост и развитие отражают всю совокупность процессов взаимодействия организма с экологическими факторами внешней среды. Поэтому особенностями развития и роста определяется способность организма использовать условия жизни, от которых зависит конечная продуктивность растения, жизнеспособность организма и его устойчивость к неблагоприятным условиям существования. Таким образом, рост обеспечивает морфогенез, онтогенетическое развитие и филогенетическую связь поколений, является одним из ведущих процессов в реализации наследственной программы организма (Шевелу-ха, Ковалев, 1984).

Рост представляет собой интегральный процесс и является одним из ярких выражений активной жизни растительного организма. В настоящее время рост растений определяется как "необратимое увеличение размеров и массы растений, связанное с новообразованием элементов их структуры" (Биологический энциклопедический словарь, 1989, С.547). Рост растений складывается из роста клеток, тканей, органов. Основные этапы роста - деление клеток, их растяжение и дифференцировка - происходят в образовательных тканях, меристемах, благодаря деятельности которых растения способны расти в течение всей жизни.

На клеточном уровне рост сводится к увеличению числа клеток за счет их деления и к увеличению размеров клеток. Фаза деления в верхушечной зоне корня характеризуется мелкими клетками с хорошо заметными сфериче-

скими ядрами, располагающимися примерно в центре; цитоплазма не содержит вакуолей; клеточные стенки тонкие (Уоринг, Филлипс, 1984). Особенностями эмбриональной фазы роста клеток являются увеличение цитоплазмы и рост ядра. После достижения определенного размера клетка делится на две дочерние клетки. Деление клетки начинается с деления ядра, которое осуществляется путем митоза (Лебедев, 1978). В митотичеком цикле выделяют стадию синтеза ДНК, которая обозначается Б-фаза. Периоды до и после Б-фазы обозначаются как в! и 02- периоды.

В следующей фазе - фазе растяжения клеток - клетки меристемы перестают делиться, увеличиваются в объеме, появляются вакуоли. Рост клеток происходит в результате сильного растяжения и накопления значительного количества воды в вакуолях; оболочка при этом не утончается вследствие новообразования целлюлозы. Однако, заметного утолщения оболочки не наблюдается. Количество цитоплазмы в клетке повышается в несколько раз - клетки могут увеличиваться в несколько сот раз по сравнению с клетками в эмбриональной фазе (Лебедев, 1978).

Рост растяжением - особая стадия в жизненном цикле клетки растения. Являясь элементом морфогенеза, этот процесс составляет основу накопления биомассы растений (Родченко, 1987). Э.Е. Хавкин указывает, что именно в фазе растяжения окончательно формируется профиль основных ферментных систем клеток растений, систем, которые обеспечивают их жизнедеятельность и специфические функции поглощения, ассимиляции и транспорта (Хавкин, 1977).

Системы регуляции скорости и продолжительности роста клеток относительно независимы (Иванов, 1990). Длительный рост корня происходит при весьма коротких периодах делений и роста растяжением его клеток. Клетки, перешедшие к активным делениям, покидают меристему через несколько

циклов делений. Время жизни их в меристеме не зависит от числа циклов делений.

Обручева Н.В. с соавторами (ОЬгоисЬеуа, Апйроуа, вогЬоуа, КоШуа, 1995) изучали синхронность деления и растяжения клетки на примере корешков прорастающих семян бобов и хлопчатника. Обработка результатов показала, что клеточное растяжение может осуществляться без клеточного деления. Начало клеточного деления в корневой меристеме зависело от формирования некоторого количества вытянутых клеток.

Функционирование меристем и рост клеток существенно зависят от условий окружающей среды. Накопленный экспериментальный материал недостаточен для понимания особенностей клеточного роста и вклада двух его составляющих - деления и растяжения клеток - в итоговые фенотипические проявления у отдельных растений (Жук, Ткачев, Григорюк, 1997). Вопрос о том, какая фаза роста - деление или растяжение - более чувствительна к действию пониженной температуры или дефициту влаги до конца не решен. По последним данным даже кратковременное охлаждение приводит к замедлению роста, подавляется деление клеток (в меньшей степени) и их рост растяжением (в большей мере), более значительно уменьшается длина клеток в стадии растяжения (Зауралов, Лукаткин, 1996; Зауралов, Шаркова, Апарин, 1998; Зауралов, Апарин, 1998). Что касается влияния недостатка влаги, то обезвоживание корневой системы кукурузы приводит к ингибированию процессов, связанных с функционированием зоны растяжения (Жук, 1993; Жук, Ткачев, Григорюк, 1997). Возможно, это связано с аттрагирующей способностью зоны меристемы по отношению к воде, т.к. поддержание стабильного водного режима наиболее важно для выживания зоны меристематических тканей в условиях водного дефицита (Мустафина, Жирмунская, Горбунова, Кудоярова, 1989; Жирмунская, 1991).

Повреждение растягивающихся клеток обуславливает снижение скорости линейного роста отдельных органов и целого растения. Относительный вклад пролиферации и растяжения клеток в итоговый ростовой отклик зависит от сформированности меристемы и зоны растяжения, продолжительности и глубины стрессового воздействия, специфики вида и сорта растений (Жук и др., 1997).

Таким образом, ростовые реакции корня в меняющихся условиях среды наиболее полно отражают адаптивные возможности растения, и могут быть использованы для оценки экологической приспособленности растений. При этом, сохранение меристемы корня является важным признаком сохранения продуктивности.

1.2. Роль апекса корня, как доминирующего центра в трофической, электрофизиологической и гормональной регуляции.

Идею об особой роли кончика корня у растений впервые высказал Ч. Дарвин в книге " Способность к движению у растений " (1880). Он писал: "Едва ли будет преувеличением сказать, что кончик корешка, наделенный способностью направлять движение соседних частей, действует подобно мозгу одного из низших животных, находящемуся в переднем конце тела, воспринимающему впечатления от органов чувств и дающему направления различным движениям". Ч. Дарвин постулировал здесь сенсорную и регулятор-ную (управляющую) функции апекса корня. Он установил, что чувствительность корня к гравитационному полю сосредоточена в его кончике.

Действительно, в центральной части корневого чехлика имеются клет-ки-статоциты, в которых органоиды типа лейкопластов выполняют функцию статолитов. При отклонении корня от вертикального положения статолиты, перемещаясь под действием силы тяжести в латеральные участки статоцитов,

оказывают давление на плазмолемму и эндоплазматический ретикулум. В рез�