Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика содержания гормонов в проростках пшеницы при изменении температуры

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Митриченко, Анна Николаевна, Уфа

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УФИМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ

На правах рукописи МИТРИЧЕНКО АННА НИКОЛАЕВНА

УДК 577.175

ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ГОРМОНОВ В ПРОРОСТКАХ ПШЕНИЦЫ ПРИ

ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

(Специальность 03.00.12 - Физиология растений)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: к.б.н. Р.Г. Фархутдинов Научный консультант: д.б.н. Г.Р.Кудоярова

Уфа - 1999

ВВЕДЕНИЕ 4

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9

1.1. Температура как фактор внешнего воздействия. 9

1.2. Влияние температуры на водный обмен растений 17

1.3. АБК и водный обмен 22

1.3.1. Роль АБК при понижении температуры 22

1.3.2. Роль АБК при повышении температуры. 27

1.3.3. Механизм действия АБК . 30

1.4. Цитокинины и водообмен растений. 34

1.4.1. Цитокинины (синтез, метаболизм, транспорт) 39

1.5. Роль гормонов в регуляции роста при изменении 43 температуры. 43

1.6. Передача сигнала по растению 52

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 54

2.1. Условия выращивания растений и проведения экспериментов. 54

2.2. Методы исследования 57

2.2.1 Измерение роста растений 57

2.2.2. Определение транспирации и относительного содержания

воды 58

2.2.3. Экстракция, очистка и концентрирование гормонов 59

2.2.4. Очистка и концентрирование цитокининов на

картридже Ci8 60

2.2.5. Тонкослойная хроматография 61

2.2.6. Определение О-глюкозидов цитокининов 61

2.2.7. Твердофазный иммуноферментный анализ 61

2.3. Статистическая обработка 63

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 63

3.1. Динамика и распределение цитокининов в проростках пшеницы

при понижении температуры . 63

3.2. Ростовой и гормональный ответ растений пшеницы на резкое охлаждение корней 71

3.3. Динамика содержания цитокининов в проростках пшеницы при повышении температуры воздуха до 27°С 81

3.4. Изменения йодного режима и содержания гормонов растений пшеницы при

повышении температуры воздуха до 35°С. 87 3.5. Изменение содержания цитокининов в растениях пшеницы

при нагревании питательного раствора 99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 103

ВЫВОДЫ 109

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 111

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Растения существуют в условиях постоянно изменяющейся внешней среды. При этом их выживание зависит от того, насколько быстро они реагируют на внешние воздействия и адаптируются к изменяющимся условиям произрастания. Не вызывает сомнений то, что гормоны играют важную роль в формировании адаптивных реакций растений. Вместе с тем их конкретная роль в приспособлении к тем или иным факторам внешней среды изучена не достаточно полно. Так изучению влияния температуры на содержание. гормонов и их роли в адаптации к температурного режиму уделялось явно не достаточно внимания. Это является на наш взгляд серьезным упущением, поскольку температура - важный фактор окружающей среды. Она влияет на активность ферментов, ростовые процессы, скорость транспирации и водный обмен в целом. Постоянные колебания температуры в естественных условиях произрастания растений требуют быстрого приспособления процессов поглощения воды к меняющейся под влиянием температуры скорости транспирации. Хорошо известно, что такие гормоны как АБК и цитокинины могут влиять на водную проводимость листьев и корней (Бау1ез et а1., 1986, 1псо11, Зеугег г 1990; Пустовойтова, Жол-кевич, 1992; Лялин, Лукоянова, 1993). Однако их роль в основном была изучена в связи с адаптацией к дефициту воды, а не к изменению температуры. При этом основное внимание уделялось АБК, а данные относительно цитоки-нинов немногочисленны и противоречивы. В литературе есть сведения о влиянии на содержание гормонов резких изменений температуры (теплового и холодового шока)

et а1, 1973; Веселов и др., 1995; Шакирова и др., 1995; ^псж1ак/ 0огГ:£11пд, 1996). Однако измерение содержания гормонов в этих опытах производили в лучшем случае через несколько часов после воздействия, хотя на наш взгляд изучение быстрой (в течение минут) реакции растений представляет несомненный интерес. В последнее время появились работы, где описано быстрое изменение содержания АБК в ответ на температурный стресс (Полевой и др., 1997) . Однако в этом плане ци-токининам не уделялось внимания. Кроме того, практически не изучалось действие фоновых температур на содержание фитогормонов. Особый интерес к исследованию гормонов в связи с температурой связан также и с тем обстоятельством, что температура определяет скорость транспирационного потока, с которым гормоны, продуцируемые корнями, доставляются в побег. Все это указывает на существование взаимосвязи гормонов и показателей водного обмена при изменении температурного режима, которую необходимо изучать.

Все сказанное определило цель данной работы, которая состояла в том, чтобы изучить механизмы регуляции содержания цитокининов и АВК, а также связь этих гормонов с ростом и показателями водного обмена, обеспечивающими адаптацию растений пшеницы к изменению температуры.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1.Изучить влияние понижения температуры (на б-8°С по сравнению с исходной) на содержание гормонов в побегах и корнях проростков пшеницы.

2. Провести сравнительное изучение ростовой и гормональной реакций на резкое понижение температуры в прикорневой зоне до +4 °С.

3. Исследовать влияние повышения температуры воздуха на содержание гормонов в побегах и корнях проростков и их транспирацию.

4. Изучить связь между содержанием гормонов и степенью оводненности проростков на фоне резкого возрастания температуры воздуха выше оптимальных для растения значений.

5. Исследовать гормональную реакцию побегов и корней на резкое повышение температуры в прикорневой зоне.

Научная новизна

Обнаружена высокая отзывчивость процессов, контролирующих концентрацию АБК и цитокининов на изменение температуры. При различных изменениях температурного режима показано наличие связи между динамикой содержания активной формы цитокининов (зеатина) и интенсивности транспирации, а также АБК и ОСВ, что свидетельствует об участии данных гормонов в регуляции водного обмена.

Обнаружено, что быстрое (в течение первых 15 минут) торможение роста второго листа проростков в результате резкого охлаждения корней сопровождается и может быть обусловлено снижением содержания цитокининов в побегах.

Показано, что после возвращении охлажденных растений в исходные температурные условия, происходило быстрое накопление активной формы цитокининов

(зеатина) и его рибозида в побегах, связанное с их освобождением из запасной формы цитокининов (нуклеотидов), содержащихся в побеге, а не с поступлением гормонов из корней.

Установлено, что при фоновом повышении температуры воздуха происходит снижение содержания цитокининов в побеге и их накопление в корнях в форме глюкозидов, что указывает на возможное ингибирование экспорта цитокининов.

В ходе резкого повышения температуры воздуха так же, как и после его прекращения обнаружено быстрое (в течение 5 мин) импульсное изменение суммарного содержания цитокининов в корнях, т.е. в органах, которые не подвергались непосредственно температурному воздействию

Практическая ценность. Изучение функциональной роли концентрации гормонов и механизмов их регуляции при изменении температуры, послужит теоретической основой для разработки эффективных технологий применения регуляторов роста с целью повышения устойчивости растений .

Апробация работы. Основные положения представлены на симпозиуме "Физико-химические основы физиологии растений" (Пенза, 1996), Международном симпозиуме по стрессу и ассимиляции неорганического азота (Москва, 1996), XVIII конгрессе БРРБ (Уппсала, 1997), четвертой международной конференции "Регуляторы роста и развития растений (Москва, 1997), 11 Конгрессе Федерации Европейских Обществ Физиологов растений (Варна, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Автор выражает сердечную благодарность своему научному руководителю к.б.н. Фархутдинову Р.Г. и научному консультанту д.б.н. Кудояровой Г. Р. за постоянную помощь на всех этапах выполнения работы, а также к.м.н. Веселову С.Ю. за любезно предоставленные им им-мунореагенты для ИФА. Особую признательность автор выражает друзьям и коллегам к.б.н. Тепловой И.Р., к.б.н. Мустафиной А. Р., к.б.н. Высоцкой Л.Б. за всестороннюю поддержку и помощь.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Темпера тура, как фактор внешнего воздействия.

Во всех регионах возделывания сельскохозяйственных культур происходят колебания метеорологических факторов. Стрессовое действие может оказывать любой фактор,- нарушающий нормальное развитие организма (Кгатег, 1980), как, например, недостаток или избыток влаги, микро- и макроэлементов, отклонение температуры от оптимального для жизнедеятельности растений уровня, Чаще всего стресс определяется как "неспецифический ответ организма на любое предъявляемое ему требование" (Селье, 1982) , Существует представление о стрессовом состоянии растительной клетки, при котором живая система "согласует" во времени различные адаптационные механизмы: быстрые гомеостатиче— ские преобразования и более медленные, связанные с экспрессией генов (Веселовский, 1990) .

Генкель впервые применил термин "фитостресс" в качестве определения реакции растительного организма на неблагоприятные условия существования (Генкель, 1983) 4 В частности, при фитострессе происходит гидролитический распад запасных веществ (фаза реакции) = Если действие стресса не достигает пороговых значений, могут возникать обратимые процессы и формируется устойчивость организма к стрессу (фаза адаптации), После прекращения действия отрицательного фактора возможно восстановление функций организма (фаза реституции и восстановления). При усилении стрессового воздействия

до летальных пределов наступает фаза повреждения и гибели. Характерно, что вся последовательность реакций сводится к одному - поддержанию гомеостаза растительного организма в экстремальных условиях. Он обеспечивается сложной и до конца еще не изученной системой механизмов адаптации, направленной на ослабление или устранение повреждающего действия стрессора на растение (Шматько, Григорюк, 1992).

Механизмы ответной реакции растений на воздействие экологических стрессов разнообразны (Levitt, 1972, Sheel,1988). Согласно распространенной концепции (Hanson,1980), ответные реакции растений на стресс по характеру и направленности изменений в них метаболических процессов разделяют на адаптивные (направленные на выживание, сохранение роста и урожая в условиях стресса); вредные (губительные для жизни); сопровождающие стресс и нейтральные по своему действию. Стресс в растительном организме вызывает в первую очередь неспецифические реакции устойчивости (изменения проницаемости мембран, структурированности цитоплазмы, смещение рН, падение мембранного потенциала), затем промежуточные (синтез стрессовых белков, торможение роста, фотосинтеза и др.) и специфические (формирование устойчивости к гипоксии, засухо-, морозо- и солеустой-чивости) (Саляев, Кефели,1988). Ответные реакции растений на стресс- "стрессовые симптомы"'- включают изменения в росте, фотосинтезе, дыхании, гормональной активности и другие регулируемые на молекулярном уровне, включая генную экспрессию (Vaadia, 1985).

Вместе с тем универсальной, однотипной для всех разнообразных случаев температурного воздействия физиологической реакции не существует. Как правило, характер ответной реакции определяется всем комплексом существующих условий: продолжительностью воздействия, физиологическим состоянием, биологическими особенностями растения и другими.

Температура среды - один из основных экологических факторов, отличающихся очень высокой мобильностью, который может изменяться в течение нескольких часов и даже минут, для нее характерны суточные, сезонные, годовые колебания. Растения, температура которых, как правило, соответствует температуре окружающей среды, вынуждены приспосабливаться к температурным перепадам.

Тепловой режим среды обитания оказывает существенное действие на метаболизм, рост, развитие и продуктивность растений (Резсл., 1987).

В лаборатории физиологии и экологии растений Института биологии Карельского филиала АН СССР разработана гипотеза о зональном влиянии температуры на растение (Дроздов и др., 1980). Весь диапазон действующих на растение температур разделен на пять зон: фоновую, две закаливающие (в области высоких и низких температур) , две повреждающие (также в области высоких и низких температур). Границы зон, по мнению автора, детерминированы генетически и специфичны для различных генотипов . Зона фоновых температур характеризуется стабильным уровнем устойчивости растений независимо от

изменений температуры в пределах зоны. Это зона оптимального уровня биологических процессов.

Растения принадлежат к пойкилотермным организмам, температура которых в результате обмена с окружающей средой значительно не отличается от температуры воздуха (Jlapxep, 1978) . Поскольку у растений нет механизмов, удерживающих тепло, они вынуждены постоянно подстраиваться к колебаниям температуры среды. На Земном шаре пределы переносимых ими температур колеблются от -60 до +87°С.

В последнее время термоустойчивость растений исследуется особенно интенсивно. Это связано с решением практических задач растениеводства и разработкой теоретических аспектов действия температуры на пойкило-термные организмы.

Исследователи уделяют большое внимание классификации реакций растений на действие температуры и механизмов устойчивости к ее повышению и понижению. Сведения о влиянии температуры очень противоречивы.

Особенности реакции растений на температурный

стресс.

Приспособление растений к стрессу можно разделить на две категории: стратегическую и тактическую (Lynch, Thompson,1984). Их проявление зависит от скорости возникновения стресса. Например, стратегическое приспособление к постепенному охлаждению может быть опосредовано медленными процессами адаптации, тогда как тактические модификации необходимы при быстром изменении условий окружающей среды, создающем дисбаланс клеточного гомеостаза.

Реакция растений на изменение температуры обусловлена прежде всего способностью приспосабливать направленность биохимических процессов к новым условиям среды.

Перегрев является одним из факторов неблагоприятного влияния на растение (Альтергот 1981; Ген-кель,1982; Жолкевич, 1982). Солнечная радиация, геотермическая теплота являются основными естественными источниками тепла на Земле и температурными стресс-факторами (Kappen,1981). Зоны реакции растений на высокую температуру в их жизненном диапазоне неравнозначны, их относят к трем типам: 1) адаптация к высоким температурам; 2) зона повреждения высокими температурами; 3) зона гибели от высоких температур (Коровин, 1984). В литературе высокотемпературный стресс рассматривается в двух аспектах: постоянные экспозиции (дни и недели) и резкие (минуты, часы).

Разнообразие ответных реакций растительной клетки на изменение температуры связано с изменением экспрессии генов: ингибирование активных генов, которые контролируют рост, развитие и фотосинтез (Barnett et al., 1980; Блехман, 1987) и активацией системы генов контроля над устойчивостью; в результате наблюдается синтез белков теплового шока (БТШ), специфических адапто-генов и стресс-протекторов, формирование аэренхимы, рост боковых корней и др.

Растительные клетки обычно отвечают на тепловой стресс образованием в цитоплазме так называемых гранул теплового шока (ГТШ) (Neumann et al.,1984; Хохлова и др., 1987; Neumann et al., 1989); аналогичные ГТШ

структуры обнаруживаются и в органеллах (Хохлова и др., 1987; Порфирова и др., 1992) . ГТШ состоят из определенного набора белков теплового шока, нетрансли-руемых м-РНК и элементов цитоскелета (Neumann et al., 1987). Белковый состав гранул в цитоплазме и хлоропла-стах, по-видимому, различен (Порфирова и др., 1992а; Порфирова и др., 19926). Предполагается, что ГТШ защищают м-РНК нормальных белков от деградации во время теплового шока (Nover et al., 1989). Высказывается мнение (Vierling, 1991), что эти структуры, возникающие в результате теплового стресса, способствуют защите от него клеток при повторном нагреве. При действии высокой температуры на суспензионную культуру клеток томата образование ГТШ в цитоплазме сопровождалось повышением теплоустойчивости процесса синтеза нормальных белков (Nover et al., 1984). И.М. Кислюк и др. (1992) отмечают, что в ответ на трехчасовой прогрев растений земляники в цитоплазме и органеллах клеток листьев формировались гранулы, происходило увеличение теплоустойчивости фотосинтеза и движения цитоплазмы. С другой стороны у пшеницы при кратковременном тепловом стрессе образование большого числа ГТШ коррелировало с развитием деструктивных изменений в субмикроскопическом строении клеток (Шаркова и др., 1996). Высказано предполож�