Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение нутаций и роста проростков пшеницы

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Изучение нутаций и роста проростков пшеницы"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕНМЯ НАУМ ' ОРДЕИД ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕШ1Е С'ШИГСЮЙ 5ШОТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ РАСТЕНИЯ

На правах рукописи УЖ 531.143; 581.18; 581.143. 01/. 07

НЕ'1'ЕДЬЕВ Леонид Владиленович ИЗУЧЕНИЕ НУТАЦИЯ И РОСТА ПРОРОСТКОВ ПШЕШШЫ 03. СО. 12. Физиология растепли!

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ЛрК^ТО!" 1РЯ2

/

Работа выполнена в "Сибирском институте физиологии и бшхкшш растений СО РАН

Научные руководители: член-корреспондент РАН

Р. К.'Саляев

кандидат биологических наук Е Я. Кузеианов

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

0. II Родченко

кандидат биологических наук Г. П. Беловекец

Водус^е учреждение: Санкт-Петербургский Университет, кафедра физиологии растений

Защита состоится ___1992 г. в час на

заседании специализированного совета К 003.25. 01 по ваддате диссертаций на соискание ученой степени кандидата биологических наук в Сибирском институте физиологии и биохимии растений СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан " Ш " 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета л гсаадеу.ат биологических наук , _г. П. Лкишкь

Актуальность теш. Рост является одним' из важнейших: проявлений . жизнедеятельности организма и, поэтому, не удивительно, что этому вопросу посвящено множество монографий я обзоров.(см. например, H'ardwick, 19В6,< B'oyer, 198В; Kutschera, 1939; Cosgrove, 1986; Dorffling, 19'86¡ Кефели, 1987; Уоринг и Филипс, 1984; Полевой и С'алаыатова, 1991). Вместе с тем, необходимо отметить недостаточное внимание, уделяемое исследователями ростовым осцилляшшм. Особенно это касается осцилляции с периодом в несколько часов, визуально проявляющихся в виде нутаций. К сожалению, об этом феномене, несмотря на более чем вековую историю изучения, известно не очень много. От-'части зто' связано с недостаточной разработанностью методических подходов для регистрации и анализа нутаций, а >акже с трудностями в интерпретации результатов. Широкое распространение нутаций в растительном мире, сохранение их в эволюции и связь ростом говорит о фундаментальной важности нутаиий для роста и развития растений. Параметры нутаций могут нести важную информацию о ритмичности физиологических процессов и временной организации роста клеток, на основе чего могут быть созданы подходы для управления ростом и морфогенезом.

Цель и задачи исследования. Целью работы было изучить особенности ритмической двигательной активности (нутатш) проростков пшеницу в связи с ростом и морфогенезом, для чего необходимо было:

1. Разработать методику регистрации и анализа нутаций и роста.

2. Исследовать закономерности нутаций и роста в норме и при воздействии различными факторами (микрохирургические вмешательства,

изменение температуры).

3. Определить значение нутаций для роста проростков растяжением и возможность использования нутаций для прогнозирования морфогенетических событий.

Научная новизна. Предложен новый метод для автоматической регистрации нутаций и роста проростков злаков - стробоскопическая фото-сьемка. Показано, что в колеоптиле отсутствует единый центр со строгой морфологической локализацией по управлению ригаическиг ростом. Обнаружено, что колеоптиль по длине не является однородным по активности удлинения клеток и в нем существует, по меньшей пере, три зоны активного удлинения клеток, соответствующие базядьной, срединной и апикальной частям колеонтиля. Определена физиологическая константа ритмического роста - количество нутационных периодов (количества циклов удлинения клеток). Эта величина не прзшша-а 22-25 циклов за время роста колеонтиля и не зависела ни

от измеленйл температуры (с диапазоне Ю-24°1), ни о г микгсхпру с;-

1

■-Í-

гнческих вмешательств (ампутация апекса или основания килеоптиля с серновкой). Установлена связь между основными параметрами нутаций и соответствующими >; а рак т е р и с т и к а: л и клеточного роста. Индикатором количества циклов удлинения клеток служит количество нутационных пери одов, продолжительности цикла - период нутаций,' а величины прироста клеток за соответствующий цикл удлинения - амплитуда нутаций. Упоря доченность нугапиЛ можно считать внешним проявлением синхронности удлинения клеток. Определено, что упорядоченность нутаций уменьшалась при увеличении температуры. Показано, что при 20°С для растущих клеток в колеоптиле пшеницы сорта Скала происходит физиологичес кий переход, проявляющийся в изменении характера нутаций (переход о упорядоченных нутапий к-неупорядоченным), уменьшении максимальной скорости роста колеоптиля и смене способа утилизации питательных ве цестЕ эндосперма (от преимущественного ик использования ма рост к преимущественному отлсяечию с клеточные стенки). Периодический ритмический рост растяжением клеток, приводящий к изгибательным нутаци оинш движениям рассматриваемся как аволшшонно выработанный универ сальный механизм, обеспечиваетиП волночсностъ активного удлинения ра птений.

Практическая значимое.! ь. разработанный метод анализа нутаций по;? соляет по особенностям ритмического роста колсоптилеИ производить о;;спресс~диагностш<:у физиологического состояния и окспресс-селекцча растительного материала, Созданной пакет компьютерных. программ "Ритм" может бить использован для анализа но только ритмов роста, из и лзбых других ритмических процессов. Определена возможность подбора оптимальных услош'.й дл.ч органогенеза в культуре тп.иш (макси-ыалышй выход растений-регенерантов (42;') наблюдался при 18-20°С), с. sa?ar.o для роста проросткор. Результаты исследования могут бить полезны для болэе подробного исследования ростошх процессов, поскольку позволяют извлекать дополнительную информации, "спрятанную" v ростоьых осцилляция*.

Апробации работы. На конференции молодых ученых и научных сессиях CHiiiLP (1987,1989,1992), , Всесоюзной молодежной конференции по физпоЛгии растительной клетки (Минск, 1990), на II Всесоюзном сьездо физиологом [¡астений (Минск, 1990), Юбилейном симпозиуме "Uenstlc го-есагсЬ and education! Current trends and next fifty yerars" (Индия, Нью Д.-'Ли, 1991), пи Всесоюзной конференции Тоиотичискио механизмы устойчивости ршлениК и (кзСлагоприищич факторам среды" (Иркутск, 19*1). " .

!fvf/ni;u:;u), оснсиллл» (/^ульт&ти рг.тш иэагк'.-ни в '/работах.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит нз введеш1я, )баора литературы, экспериментальной части (пять глав), общего обсу-сдения, выводов, списка литературы (ИЗ наименований) и приложения. 3абота. изложена на 133 страницах машинописного текста, включая I та-5лицу и 33 рисунка.

¡МТЕРЛШ И «СЩЫ

Объект исследования. В качестве объекта исследования использовали ¡-12 дневные проростки пшеницы Triticua aestivum L. (сорт Скала), ¡ерновки проращивали На влажной фильтровальной бумаге в темноте при зиксированных температурах (Ю°С, 14°С, 18°С, 20°С, 22°С, 24°С, 28°С, 14°С). После достижения колеоптилями длины 5-15 мм проростки перено-;или в кюветы с разбавленной средой Кнопа (1/10). Эксперименты вали I климатической камере ILKA (VEB Unsahin-nfabric, OER) при постоян-гоИ температуре (см.вьппе), и слабом освещении сверху (освещенность !0 лк, пик пропускания зеленого светофильтра № 3C-II - 530 нм). Р&-'истрацип роста и нутаций вели до прекращения роста колеоптиля (прошв первичным листом апекса колеоптиля) в течение 2-6 суток. Времвн-юй промежуток от момента замачивания зерновок до переноса пророст-сов в климатическую камеру для регистрации роста и нутаций рассчитали таким образом, чтобы проростки выращенные при разных темпера-7pax имели примерно одинаковый биологический возраст. Температурный юэффициецг Вант-Гоффа (Qjq) определяли для диапазона 14-24°С.

Методы. Установка для стробоскопической фотосъемки нутаций и роо-•а состояла из широкоформатной фотокамеры "Киев 6С-ТГ " и устройства 1Втоматического экспонирования.При ее использовании на одной и той te фотопластинке получали последовательный ряд наложенных друг на (руга фотоизображений растущего колеоптиля (рис.1). Координаты пере-(ещоиия апекса колеоптиля, из которкх ' ' ! I ю и*

шлодывалась общая траектория нутаций ¡1

I роста определяли при 10-кратном упе- ;

1

\ м ■

\»с.1 Гост vi нутации 4-х су rwuttu при- v \ ^ \ ЮСТКОП 1ШК.Ш11Ы Tritt«* ип nfstjvum I,. |

laporiiстIтрепанные ггробси.чгопчч^ской ютосы'мкой при Ц1°С. L!,ufi«b и ца:»>е ;HTl!|4i-U) фщ'ОСЫ'ММ! ¡Н мин

личении фотоизображении (точность 50 иш) и анализировали с помощью специально созданного пакета компьютерны/: программ "Ритм" на ВЭСМ-6 (BuЯ.Кузеванов, Л.В.Нефедьев, А.Н.Ботоев, СИФИБР СО АН СССР). Кривую скорости роста (рис.. 2а, кривая 2) получали численны« дифференцированием кривой роста колеоптиля (рис.2а, кривая I), определяя максимальную скорость роста в точке перегиба S -образной кривой роста, также момент времени и длину колеоптиля, когда скорость роста становилась максимальной. Промежуток времени от момента замачивания зерновки до момента максимальной скорости роста принимали за стадию ускоренного роста, от момента максимальной скорости роста до момента прекращения роста колеоптиля ~ за стадию замедленного роста. Выявляли тренд (низк частотный высокоамплитудный ритм (рис.26) для последующего его вычитания из исходной нутационной кривой (рис.2в). Определяли величины ну тационных периодов и строили частотные гистограммы (рис.3).

Декапитацию (отсечение апекса I—Iмм) производили у четырехсуточ кнх (стадия ускоренного роста) или пятисуточных (стадия замедленного роста) проростков при 1Ь°С, Удаление основания колеоптиля с зерновкой производили у гштисуточных: проростков (стадия замедленного роста) np¿ 18°С на высоте 10-13 mí; ov цитка зерновки. Отсеченную часть колеоата помещали вертикально в тот ;¡,e питательный раствор, г,до находился цро-ррсток' до ампутации и яродолжоли наблюдение за ростом и нутациями.

Рост отдельных сегментов у интактник колеоптилей определяли при 18°С. Для этого вдоль колеоптилей трехсуточных проростков (длина кож оптиля IQ- 15 мм), растущих api 1В°С, через каидые 1-1,5 ым размещали гранулы сефздекса. Удлинение сегментов колеоптиля оценивали в единицах относительного прироста, т.е. во сколько раз прирос сегмент по отношении к своей первоначальной длине. Прирост сегментов фиксировали через каздые 400 мин»

После прекращения роста колеоптилей от проростков отделяли корешки, зерновку, а такке извлекали первичный лист из колеоптиля. Сырую и сухую массу зерновок, корешков, гюриичнш: листьев и колеоптилей огг ределяли на весах BJU'-ZQOr (точность измерения 0,05 г). Для анализов образцы замораживали ъ »пдког<< азоте и высушивали в лиофплвной установке (п/о Лабор.ММ, Венгрия) при -4Ь°С в течение 10 часов. После лпо^шшзацни определяли сухой вое зерновок, корешков, первичных листьев и колеоптилей.

Количество оставшихся запасных ьещоств андосперма после прэкращэ-HHí» i «оста колооитилий (Е) ш радами и процентах к исходному сухому в су . 1'м:т:пп и>:г.цу нирноипчошп-нз сухим весом зерновки, кото

П(>иняк«яи за дЮ.и величиной Ь дала относительный OTTOjt сухого веще

1200 1800 2400 3000 3600 ВРЕМЯ, *ягг

• <n I ■

-гт t r

•ГГП"

1200

TTTfrrr

1SCO ГСРгЯ'Д.кте

I | I ! Il "I | 2-ÎCQ 3000

ТП

3G00

3

"О —

(О — Й -Г-

r' CN-

О 600 1200 1-3 00 '2-100 3000 3600

rps?/«r.»t!tr

Iv.s./k Кчн^тик,'. >T/Sfa п кутпций колзо^гшей пшеницу» проаналпзировап-вея с помощью пакета кси'и>тгертнх прг;пкм "Гити". Здесь и даче?; пунктирной линией обозначен момвнг тчскуялыюй скорости роста колеопти-лл; в, - кривая puera (I) и кшвзл скогсет:; роста (2); 6 - крш«ш ну~ гопкк (Л и тренд (2);- э - критя цу?стзш с ».*рггеиигм трендом

180 -

а 160 -

У)

о НО -

а

§ 120 -

й

р 100 -

и а ВО -

«г

Р 60 -

40 -

20 -

о -1

16В 210 232 ПЕРИОД,пел

ftic.3 Частотная гистограмма периодов нутаций колеоптилей пшеницы

при 2öüc

тсй из эндосперма к растущим плеткам (но Реймерсу и Илли, 1974). Ошо-шаиио су ко г о веса тела проростка( корешки, первичный лист, колеоптиль) г. расходу сухого вещества эндосперма за общую продолжительность роста ;:осеоптшШ| дало пронзит гшедлего из зерновки сухого вещества (Р), которое аккумулировалось в теле проростка. Относительные траты на ды~ лелно вычисляли как разницу мевду расходом сухог'о вещества звдосперма, иочороо принимали ва 1С0Й п величиной Р.

Су;шлар;!0б содержание Сахаров в кодеоитилях «шеиицы было определено ми'доювии иьходои» используя сахарозу как стандарт.

i-zv окаирикаитн проводили и 3-4 поиторностпх. Киличестао растений г ;;£«д!?й пени приток ьарьирояало в веаисииос»и от езде експеринон-Гй. /:• ж:п! по нксаедосуш» здшипш аемпормури в посдоряость воалг-

vzßü do ß-ö растаняй, с йтюрикент;: по емн^тоцщ -- л о 4-5, .в зкепер::-im юиишу pounv сегмоитоп по 3-4 проростка, Ског;gsmз psc-* ' впььэдшш с H8j.'t»ai,3öj5,'!m!ci; стандартного прогршздкфо сбеогюцетм

lb

Mi/JimTU

;■ _I*Lii-:*!^___!лj'.ÜJ_¿-iü_.JiiJ'^LU;' Hp!» li'.SyU'.liiOU iüift ■

t j fjf.ocс riiLij v-i-i---: 'i-rj i' - г-> т: i.';t j , ¡;.;г что ас-

¡ли..:- it ч-j—jj ; ) ;>-: ;■■;>; л;;г:1'; /¡-.-родшы j- :и и-. ::-

лю снизу вверх (рие.4а-в). Во-вторых, подтвердилось, что рост и нутации между собой тесьо связаны. После того как внутренний лист прорывал верхушку колеоптиля и последний прекращал рост, прекращались а нутации (рис.4в). В третьих, проростки демонстрировали значительную гетерогенность по упорядоченности ростовой двигательной активности: у одних растений наблюдались более упорядоченные нутации, у других -менее упорядоченные (рис.5). Под степенью упорядоченности нутаций понимается насколько близка нутационная кривая к синусоиде.

I 5

Ю пи'

н

и

Йай.'"

(

чд

Рис.4 Рост и нутации колеоптилей пшеницы в течении трех суток. Видно перемещение волны нутации снизу вверх по увеличению нищмй части колеоптиля, на вовлеченной в нутаиию (а-ш, а также прекращения нутаций после прорывания верхушки колеоптиля растущим внутренним листом и остановки роста колеоптиля (в).

Для установления причины перемещения волны нутационного изгиба снизу вверх исследовали пост растяжением отдельных сегмонтов иитак-тного колеоптиля. Обнаружили, что фронт тормо«ения роста колоопшдл перемещается снизу язорх: первыми прекращают рост сегмент» банальной части, зато;.! сродигной » п кокиз роста копеплтиля - аыи<ально<! (рис.6а).

Численное дифференцированно цривих относительного прироста саг-ментов выявило поремсщонио полни- иаксимальио.1 скороочч! рос сниоу вверх (рис.66), Это говорит о тем, что направление в пни-м-лаоты волны нутационного изгиба определяете»! перемещением ьолни ичкеима-

лопи.) старости роста снизу вверх.

При представлении данных по относительному удлиненна сегментоЕ в трехмерном.изображении (прирост сегментов в зависимости от времени и относительного расположения меток внутри колеоптиля) обнаружили, что в колеоптиле существует, по крайней мере, три участка активного роста, между которыми находятся участки менее активного роста (рис.7).

10-

0 | | | | | | | I i "I ■[■■■) VI" I | I Г1 Г Г1 Г'!" | гт О 10 20 30 40 " 50

АМПЛИТУДА НУТАЦИЙ, ни

Рис,5 Характерные типы траекторий движения колеоптилей пшеницы при 18°С, различающиеся по степени упорядоченности нутаций.

Наличие зон активного роста в колеоптиле показывает, что колеоп-тиль не является однородным по активности клеточного удлинения. Зоны активного роста, пространственно отделенные друг от друга, создают неоднородность в общей структуре роста колеоптиля, которая, очевидно, обеспечивается повышенной способностью к аттракции метаболитов и воды именно этими зонами. Причем аттрагнрукщие свойства проявляются у них в определенный проышутох времени и в определенном пространственном расположении по отношению к узе функционируа-щиы аттрпгиру цим центрам. Следовательно, модно полагать, чти сга~

: <чш. иия

ОТО МОЭ 2!И> <000 РГК1Ш, мим

Рис.б Динамика удлинения (а) и скорости роста (б) отдельных сегментов ннтактного колеоятиля. Цифрами обозначены порядковые номера сегментов, начиная с основания колеоптиля. Точковым пунктиром на графике скоростей роста сегментов (б) обозначено перемещение волны максимальной скорости роста отдельных сегментов во времени вдоль по колеопти-лп снизу вверх.

Е-<

о

о ц,

¡3

»■о., §

о

О

к

с)

о -

<о

<э

<а -•ф

'Оо /

О© 0

?;!-з.7 Относительное удлинение сегментов колеоптиля во времени в за-згчпосгл от их относительного расположения в иолом колсоптш-Прздстазленное з трехмерном '««обращении.

пифический характер нутаций, присущий каждому индивидуальному растению, будет определять^ особенностями функционирования зон активного роста (их аттраг-лрующей "силой", скоростью их удлинения, степенью координации их роста по отношению друг к другу). Однако, очевиден вопрос о том, существует ли в проростке единый центр, который мог бы управлять удлинением и координацией роста этих зон (и, соответственно, нутациями).

Попытки обнаружения участка колеоптиля, ответственного за генерацию нутаций. Для решения этой задачи использовали технику отсечения верхушки (декапитация) или основания колеоптиля с зерновкой. Наблюдение за ростовой активностью проростков после ампутации апекса или основания колеоптиля показало, что ни декапитация, ни отсечение основания колеоптиля с зерновкой не прекращали нутации (рис.8), видоизменялась лишь форма нутационной кривой.

Обращает на себя внимание зависимость между удлинением колеоптиля и 'суммарной амплитудой нутаций после обсечения основания колеоптиля с зерновкой или декапитацией на стадии замедленного роста (рис.9). Чем больше был прирост колеоптиля, тем больше была суммарная амплитуда нутаций. Количество нутационных периодов на стадии замедленного роста было относительно, постоянным (не превышало 6-10 циклов) и не зависело не только от места ампутации, но и от стадии роста,на которой ампутацию производили. При ампутации апекса на стадии ускоренного роста количество нутационных периодов било 8,5^0,9; на стадии замедленного роста - 8,7^1,25 при отсечении основания колеоптиля с зерновкой - 8,3-1,1 (контроль- 7,8-1,6; указаны средние и среднеквадратичные отклонения).

Таким образом, сохранение способности к нутационным движениям проростков пшеницы после отсечения верхушки или основания колеоптиля говорит о том, что ни основание, ни верхушка колеоптиля, ни зерновка не поддерживают нутации. Этот факт свидетельствует о том, что нутации являются следствием естественной ритмичности роста всой популяции клеток колеоптиля. Очевидно, что в колеоптиле не существует оссбогг "центра" со строгой локализацией, который был бы ответственен за,генерации колебаний и управление ритмическим ростом. О каждый момент времени эту функцию выполняют различные клеточные кластеры к по мере роста "управляющий центр" перемещается снизу вверх. Еиоуально это перемещение определяется'как двняение волны нутационного изгиба. Без осцилляцпй клетки, очевидно, удлиняться не способ-

Рис.8 Рост и нутации 3-6 суточных проростков пшеницы при 18°С, Моменты ампутации апекса или основания колеоптиля с зерновкой обозначены стрелками; а - контроль; б - декапитация на стадии ускоренного роста; в - декапитация на стадии замедленного роста; г - отсечение основания колеоптиля с зерновкой на стадии замедленного роста.

ни, и ритмический характер роста клеток как раз и обусловливает йэ-гибательные нутационные движения. Если это так, то величина прироста клеток должна определять величину отклонения колеоптиля от вертикали (амплитуду нутаций). Высокий коэффициент корреляци:: ыезду суммарной амплитудой нутаций и общим приростом колеоптиля (рис.9) свидетельствует о том, что чем больше прирост клеток, тем больше амплитуда нутаций.

-II-

40 р-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -oLt

СУММАРНАЯ АМПЛИТУДА НУТАЦИЙ,ш

+

Г « 0.912

2

4 б a to 12 u 16 ш го ПРИРОСТ КОЛЕОПТИЛЯ,мы

Рис.9 Взаимосвязь суммарной амплитуды нутаций и прироста колеолти-лей пшеницы после ампутации апекса или основания кслеоптиля с зерновкой на стадии замедленного роста

Влияние температуры на нутации.и рост. Как видно из рис.10, удлинение колеоптиля и характер круговых (нутационных) движений апекса очень сильно зависят от температуры. В диапазоне Ю-18°С наблюдались размашистые хорошо упорядоченные нутации, по форме близкие к синусоидальным кривым. Диапазон 20-22°С, очевидно, являлся переходным температурным диапазоном от упорядоченных нутаций к неупорядоченным.

Упорядоченность нутаций, на наш взгляд, является важным показателем, который характеризует степень кооперативных взаимодействий соседних: клеток и клеточных кластеров при росте. В растущих клетках, участвующих в нутационном изгибе, происходят периодические изменения осмотического потенциала, что должно вести к периодическому удлинению клеток на противоположных сторонах стебля (ilillet et al, . 1983). Клетки можно рассматривать как элементарные осцилляторы (Aston & Heathcote, 1970) характер взаимодействия между которыми отражается на степени упорядоченности нутаций. Можно думать, что упорядоченное, т.е. хорошо скоординированное нутационное движение, проявляется когда клетки колеоптиля хорошо взаимодействуй!' друг с другом в процессе роста, С бдной стороны, волна осмотических изменений и соответствующих механических деформаций, движу-тцаяся от клетки к клетке снизу вверх, является следствием периодического изменения обьема клеток, а с другой стороны - фактором синхронизации благодаря которому и возможна подобная тесная взаимосвязь между уд-

АМПЛИТУДА НУТАЦИЙ, км

Рис.10 Траектории роста и нутации колеоптилей пшеницы, культивируемых при различных температурах.

линявщимися клетками. Учитывая вышеизложенное, нутации колеоптиля следует рассматривать как автоволновой процесс.

Максимальная скорость роста колеоптиля при повышении температуры увеличивалась, достигала своего максимума в диапазоне 22-24°С, а затем уменьшалась (рисЛ1а). Зависимость максимальной скорости роста от температуры, представленная в координатах Аррениуса, показывает существование фазового перехода при температуре около 20°С (рис.116), выше которой нутационные колебания колеоптиля становятся неупорядоченными.

Максимальная амплитуда нутаций зависела от температуры и уменьшалась при еэ увеличении (рис,12а). Подобная зависимость была характерна и для конечной длины колеоптиля, которая такаа уменьшалась .при повышении температуры (рис.126).

Количество периодов нутаций (нутационных циклов) хорошо регистрировалось только на стадии замедленного роста. За этот промежуток

МАКС.СКОРОСТЬ РОСГА, иш/ш

18 20 22 24 26

ТЕМПЕРАТУРА, С

Рис.П Зависимость максимальной скорости роста колеоптилей пшеницы от температуры;- а- в линейных координатах; б- в координатах Аррени-уса. Сплошными линиями обозначены линейные регрессии. Точка пересечения линий регрессии показывает существование температурного фазового перехода около 20°С.

времени в диапазоне Ю-24°С количество нутационных циклов было относительно постоянным (не превышало 8-10 циклов) и практически не зависело от. температуры (коэффициент корреляции г= 0,195) (рис.13). К сожалению, невозможно было зарегистрировать общее количество периодов нутаций в течение всего времени роста колеоптиля, т.к. в начальную фазу роста амплитуда нутаций мала. Однако, нет оснований предполагать, что эта характеристика зависит от температуры на фазе ускоренного. роста.

При повышении температуры модальный период уменьшался (рис.14, кривая I). Такую же зависимость показала-и общая продоляительность роста колеоптиля (рис.14, кривая 2). Любопытно, что при этом наблюдалась достаточно высокая положительная корреляция ( г® 0,996) про-долйительности роста и модального периода в температурном диапазоне 14-28°С, Величина температурного коэффициента Вант-Гоффа (Чэд) в обоих случаях составляла 2,08 (для диапазона 14-24°С). Следовательно, можно говорить об устойчивой связи между продолжительностью ро-

14

1В 1Э 20 22 24 25 29 30 ТЕМПЕРАТУРА. С

ДЛ!.!НА КОЛЕОПТИЛЯ.ым

10 20 22 2* ТЕМПЕРАТУРА,С

25 28

Рис.12 Зависимость максимальной амплитуды нутаций (а) и конечной длины колеоптиля пшеницы (б) от температуры.

12

10

КОЛИЧЕСТВО ПЕПИДСЯ НУТАЦЯЯ,шт

г я 0.1ГЗ у Я о.ои* + 7. Э

10

12

22

24

25

14 16 13 20

ТЕМПЕРАТУРА. С

Рис.13 Количество периодов нутотщи колеоптилей пшеницы при различных температурах на фазе замедленного роста. Точковнм пунктиром обозначена линейная регрессия, показывающая независимость количества периодов нутаций от температуры.

-1сЗ-

ста и модальным периодом нутаций колеоптиля .'и полагать, что они регулируются в большей степени не диффузионными или автокаталитическими процессами, а метаболической активностью, связанной с простыми цепочками ферментативных реакций. Поскольку количество кутацион- . иых циклов практически не зависело от температуры, а продолжительность периода нутаций и роста колеоптиля регулировались температурой в одинаковой степени, можно заключить, что продолжительность роста колеоптиля определяется продолжительностью цикла нутаций в исследованном температурном диапазоне. Таким образом,, при изменении температуры продолжительность роста колеоптиля будет изменяться пропорционально изменению длительности периода нутаций.

ШДАЛЬНЬД ПЕРИОД,ыим ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ РОСТА,ч ^

18 го 22 2i ТЕМПЕРАТУРА, С

—иоболы-ша псриоЗ —*— пройоджигпзлытост!» роста

Рис,14 Кривые зависимости модального периода нутаций (I) и продолжительности роста (2) колеоптилей пшеницы от температуры.

Как было показано, клетки в растущем органе удлиняются ритмически - на выпуклой стороне изогнутого стебля они удлиняются, а на вогнутой стороне - еидимого роста на наблюдается, Следовательно, длительность каждого периода нутаций, по сути, является продолжительностью соответствующего никла удлинения клеток, участвующих в нутационном изгибе(Killst et al, 1238). Таким образом, рассматривая продолкительность или количество периодов нутаций, правомерно будет говорить о продолжительности или количестве циклов удлинения клеток.

Поскольку, увеличение длины колеоптиля при понижении температуры связано не с-увеличением количества клеток, а с большей их длиной (Allen et al, 1962),то при более низкой температуре за каждый цикл удлинения, клетки должны прирастать в большей степени, чем при более шсокой температуре. Именно этим, очевидно, объясняется увеличение; величины иггкбг. (амплитуды нутаций) при понижении температу-

ры.

• Таким образом, нутации могут служить весьма информативным индикатором параметров циклического клеточного удлинения. Индикатором количества циклов удлинения служит количество нутационных периодов, продолжительности цикла - период нутаций, а величины прироста клеток за соответствующий цикл удлинения - амплитуда нутаций. Упорядоченность нутаций можно считать внешним проявлением синхронности удлинения клеток. Кроме '¿ого, появляется возможность по тому, на каком по счете циклу удлинения находятся клетки, оценить объективно их биологический возраст.

Влияние температуры на утилизацию проростком сухого вещества эндосперма. Кривая температурной зависимости оттока запасных веществ из эндосперма к растущим клеткам проростка имела один локальный максимум (при 20°С) и один локальный минимум (при 24°С) (рис.15, кривая I). Т.е. относительный отток из зерновки су:;ого вещества увеличивался при увеличении температуры от 14°С до 20°С; затем при дальнейшем увеличении температуры от 20°С до 24°С отток уменьшался и начиная с 24°С и до 28°С отток вновь увеличивался.

ги 45 30 15 О

12 . 14 . 15 18 20 22 24 23 2 в 20 ТЕМПЕРАТУРА, С

Рис.15 Температурная зависимость относительного оттока запасных веществ из эндосперма к клетка;,; проростка (I) и относительных трат на дыхание проростком (2).

Сходная же зависимость быкл характерна и для ошиситглыилс трат ма дыхание проростком (рнеЛи. кривая 2), кота лочилъшр макси:.'>и пиахо-дился на на 2йсС, а ка !5о0,

Содергсанио водорастворимых Сахаров с цитоплизис ¿.«оток ко.двоатидн после прекращения его роста такчо изнпнялоОь при уьоличснид 'геыпор?.';у-рц (рис..16). В диапазоне 14-ДО°С содержите сахароз умеььиалоеъ, за-

ОТНОСИГЕЛЬНЬЕ ТРАТЫ СУУОГО ВЕЩЕСТВА, г

I

тем 1 увеличивалось С16-24 С) и после 24 С вновь уменьшалось.

СУША СЛУАЮВ,икг/1 т cyi.foto колесо.

12 14 16 18 20 22 24 ТЕМПЕРА ГУ РА, С

Рис.16 Содержание Сахаров в колеоптиле на ] г его сухого веса в зависимости от температуры (на момент прекращения роста колеоптиля).

Отношение сухой массы колеоптиля к его длине (после прекращения роста колеоптиля) дало сухую массу единицы длины колеоптиля. Поскольку сухая масса колеоптиля складывается,в основном, из сухого веса клеточных стенок, а количество клеток от температуры не зависит {Allan at al, 1962), то этот показатель может характеризовать сухой вес единицы длины клеточной стенки для усредненной клетки колеоптиля. При увеличении температуры от 14°С до 20°С этот показатель имел тенденция к уменьшению и локальный минимум наблюдался при 20°С (рис.17), за счет, вероятно, более тонких клеточных стенок. Это свидетельствует об использовании питательных веществ,в пеовую очередь, на обеспечение растяжения, а не на увеличение механической прочности колеоптиля. Дальнейшее повышение температуры вело к закономерному увеличении этого показателя.

CVV 6~(Й КОЛ, «яг/ 1 ьы Ьш колзсигшлс

ia го 27 ТЕМПЕРАТУРА,С

2Е 23

Рис.ГЛУдельное содержанка сухой массы в единице длины колеоптиля в зависимости от температуры.

-Ш-

Таким образом, в диапазоне 14-28°С существует, по крайней мере, четыре возможности ути :изации питательных веществ эндосперма клетками колеоптнля: I) накопление в цитоплазме удлиняющихся клеток; 2) -с-пользование на .дыхание; 3) растяжение клеток; 4) отложение в клеточные стенки. В температурном диапазоне "ниже 18-20°С"работа метаболических систем подчинена росту растяжением; поступающие а цитоплазму питательные взщества быстро используются именно на удлинение клеток, * не ингибирул поток, веществ из зерновки. Очевидно, в области IB-2Q°C создаются наиболее оптимальные условия для функционирования аттраги-рующих зон в колеоптиле, поскольку именно при этой температуре с наибольшей эффективностью реализуется основная функция колеомшяя : максимально возможная длина за минимально короткий промежуток времени для скорейшего достижения поверхности почвы. В диапазоне 20-24°С равновесие смещается в сторону увеличения концентрации Сахаров в цитоплазма, которые используются не столько на удлинение, сколько на отложение н клеточные стенки. Причем интенсивность последнего процесса меньше, чей скорость поступления Сахаров ы клетки, т,а, наблюдается некоторая разбалансировка в процессах, обеспечивающих растяжение клеток. После 24°С удлинение клеток еще сильнее ингибнруется, однако, нптенснЕностгм пкдечвшш Сахаров s клеточшэ стенки увеличивается, за счет чага уменьшаемся концентрация Сахаров ч цитоплазме и повышается поток• ьенузстс из зерновки. Т.е. диапазон 20-24°С, очевидно, является критическим, где происходит переход метаболических систем клетки из одного функционального состояния в другое - т.о. переход от преимущественного использования сухого вещества зерновки на удлинение (14-20°С) к npeia^ecvccHiioMj' «го ислользовздии fia отложение с клзточииз стоики (oleo 2-1°С) чоper» этап иредпарателыгаго накопления сахароз п цнтоп-лрзнй (20-21°). И поскольку яплгштсн диапазоном пврзходгал,

vo кстаболичкевих систем является намшгзо егдбнаы&к п

COOTWjíCTPüííH'J tifilIMtiHOf ПДОКБЯТЮЛ! ЫЗ ТОЛЬКО ДЛ:! УДЛИНСНИЛ ОСИ ППГЦ;-

¡uií o i:oci':¡j но также н дли спихтаниаанич их роста ио отмомснип друг

АРУУ' fi «ПП!;)Г, 4TU уПОр.ЧДО'Н НЬОО'П) нут;41пй

'•.'.ü'.'ia ¡¡MOI ¡no roc-'Q Л'/\\ ¡\;i!ï, m¡'0'Wi, и мл-агииглы!:';: i:".;-

i ' * : !K>"¡.:;< : '.•¡.-■x <¡ ;'.;.<".; ■ не; ÍV v.yyy Oí

; ¡ ' j. i > ; i i с Cu ; i'ivufii.'.í^.. •!<;■ íh , о до:.1; tn^f-Hocït: no)¡:ipy:--Jí :;;:)('» ".'!• ;o ■■< r~p; i; '-;:oi¡:¡, .:ü-'!i;ot-:¡'>. r, i :v;¡. • г i ;лкишпг Í.,

•''! , o .. /-'VKü.x-i ;! ¡¡СП"«}:.'•<)!::;.'!:.;! • i, ■>>!'<) ¡!;1 '! ¡ >■; íbuv>:ii;¡'r s

í'pM'üí'.i:!;1-'"-» ¡!uHt' 'ti'i"¡;; jl;¡y¡!i\, I!. JÍ l/"l. ., I'iu IK-ÍI O !<.■> ■

i"-' I " ■•■•••■ »•> i'üV.í.i У'!.!!!?: .;.J4 4.ul4": ,••.'< i>,H r. .ti (II ' l ' ч ï i ' i i.

тельной активности является упорядоченность нутаций. В этом случае он будет показывать не только степень синхронности удлинения клеток, но и служить удобным инструментом для экспр'есс-индикачии оптимальности условий для роста проростков.

ОБИЕЕ ОБСУЖДЕНИЕ

Данные, представленные в настоящей работе свидетельствуют, что клетки в растущем колеоптиле мотаю рассматривать в качества элементарных осцилляторов. Такое определение растягивающихся клеток подразумевает, что, во-первых, их рост осуществляется периодически, т.е. существует фаза интенсивного удлинения клеток и фаза относительного покоя, когда видимого роста не наблюдается.и, во-вторых, они является достаточно автономными образованиями, способными к интеграции в единое целое рост-спнхронизирующими сигналами, которые они могут воспринимать, генерировать и передавать соседним клеткам.

Мокно полагать, чте ростовой сигнал, имеющий, скорее всего, гидростатическую природу, поступающий от улиняющихся клеток, будет распространяться во все стороны. Но информационное значение он будет чметь только для клеток, готоеых воспринять его. Таким образом, создается определенное направление в восприятии и передаче ^соседним клеткам сигнала, управляющего ростом. При условии незатухания распространяющегося сигнала, волна роста приобретет автоколебательный характер и будут наблюдаться нутации, которые, с едкой стороны, являются результатом распространения автоволн:!, а с другой - необходимым условней для ее существования.

Степень синхронности удлинения клеток,к, следовательно, степень упорядоченности кутаний будут определяться скоростью передачи рост-синхронизирующего сигнала и периодом времени, необходимого для подготовки клеток к следующему циклу удлинения и, соответственно, для передачи этого сигнала соседним клеткам, которые, получив его, так-тло начнут удлиняться, Поскольку температурный коэффициент- Для

периода нутаций составлял 2,08, то это говорит о биохимической природе факторов, определяющих периодичность генерации таких сигналов. Речь, в данном случае, мокет идти о ферменативных системах, контролирующих осмогику клеток (взаимопревращения высокомолекулярных и низкомогеаулярних углеводов, метаболизм органических кислот, мембранное перенеосчики и конные насоси). При повышении температуры долгий увеличиваться частота сигналов, стимулирующих растяжение. Однако, систем}.:, о5есп';«ш ваг/дао клетки энергией для роста из-за ссо-

аЯ инертности могут "не успевать" подготовить плетку к растяжению. 3 результате автоволне роста растяжением в этой части колеопткля исчезнет. Все же условия для возникновения автоволн сохраняются и, поэтому, в другом локусе колеоптиля возникнет другая автоволна пли несколько автоволн. Таким образом, постоянное исчезновение и возникновение множества автоволн никогда не обеспечат синхронного удлинения клеток, а, значит, и упорядоченности нутаций. Вероятно, именно этим п обусловлен переход нутаций из упорядоченного состояния в неупорядоченное при 20-22°С. Более низкая температура, уменьшал скорость распространения рост-стимулируащего сигнала, создает, скорее всего, условия для синхронизации роста соседних клеток. Это подтверждается тем то, чем ниже температура, тем выше упорядоченность нутаций, способствующая большему приросту клеток и, соответственно, большей амплитуде нутаций.

Как известно, клетки в колеоптнле достаточно плотно упакованы и прочло связаны между собой (sinnott, 1939). Поэтому, их значительные смещения друг относительно друга без серьезных разрывов н трещин исключена. Очевидно, удлинение клеток вуэмомно только при условии изгиба растущего растительного органа, который может обеспечиваться разниц«it а осмотическом потенциале противоположных сторон стебля. К тому ле, ^ такие изгибательние движении тнга шы для всех растущих растительных органов (Heathcote, 1982), тогда как прекращение удлинения означает и прекращение нутаций (Arnal, 1953; Millet at al, -1988).

Плотность упаковки клеток обусловливает не только механическую прочность стебля, по и возможность для передач!! незатухающих рсст-координирупщнх сигналов, объединяющих клетки единый ансамбль осшы-ляторов. В этом смысле интересна параллель • с формированием мор-

||!Огегаасс зон в каллусноП культура, которые, как известно, отлнчэйтсл от ноыорЬогашого каллуса плотностью смей структуры. В этой связи, сигналы, которыми могли бы обмениваться клетки, были Он более аффективна для nm-еграшп клеток в организованную структуру а .галяуса при 18-20°С. Как'отмечено выше, в этом температурном диапазоне ецэ вогио-пон скоордкпиросйншЙ рост клеток (достаточно высокая степень упорядоченности нутаций), сухое вещество r-вдоспарма используется нуенно

удлиненно клеток и, наконец, наблюдается достаточно шеокая ыак-с:к.*.2дьнш1 скорость роста. Другими словами, эти условия могут быть Зяагоприятшлш для устойчишх пвтокодеоа:н'1, которые спсссбетэуаг sca:-::tHH02P.mro и подкергиишэ организованных упорядоченных структур (Пу?}!лоз,ДО37) поергдетгхм координации роста клеток. Цодтвередшеп

атому могут служить эксперименты ко регенерации целых растений из каллусной культуры пшеницы (сорт Скала), проведенные при 12-14°С, 18-20°С, 26-28°С, где наибольший выход растений регенерантов наблюдался именно при 18-20°С (Киге^епоч ег в1, 1990).

Таким образом, появляется возможность управления дифференцировкой и морфогенезом в культуре тканей не только модификацией баланса фи-тогорыонов или регуляторов роста в питательной среде, но и подбором оптимальных температурных условий. Думается, что развитие этих подходов позволит в дальнейшем прогнозировать и программировать оптимальные условия для этого процесса.

Изучение ритмической составляющей роста позволяет глубже и под другим углом зрения интерпретировать получаемые результаты. Разрабатываемые в данной работе подходы дают возможность извлекать информации, которую содержат в неявном виде ростовые осцилляции. Полученные данные гогут быть полезны для моделирования пространственно-временных взаимоотношений в растущем растении, для определения общих принципов, на которых строится взаимодействие между собой отдельных клеточных кластеров в организме без чего невозможно понимание закономерностей морфогенетических процессов и грамотное управление ими.

швода

1. Разработан методический подход для регистрации и анализа ритмического роста проростков злаков, включающий в себя установку стробоскопической фотосъемки и созданный пакет компьютерных программ "Ритм". Получение ни негативе траектории роста и нутаций позволяет производить экспресс-диагностику и селекцию растений по особвшюстям ритмического роста на ранних этапах развития,

2. Используя анализ удлинения отдельных сегментов интактного.ко-леоптиля пшеницы, охарактеризованы пространнствемно-временныо особенности ьго роста. Обнаружены, по меньшей мере, три зоны активного роста кльток, отделеншш друг от друга зонами менее активного роста.

3. Обнаружен температурный фазовый переход (20~24°С), в котором Происходит переключение физиологических характеристик нутаций, роста растяжением колеоитиин и утилизации питательных веществ сндоспе-риа. Переход из одного состояния («[юимущоствоинов использование еу*ьго иг.-щ&стли ня удлинение клеток (14-20°С)) в другое (преимущес-ТМйШШО испольаошжо сухого иещества на отложении в клиточнно стоики (тмератуи £4°С)) происходит чнреп мтаи предварительного накоплении ь иитоштпмч (ЙО-Й«|°С>, Нодоход нутштй от у норн

доченного состояния в неупорядоченное и достижение максимальной скорости роста колеоптиля происходил в диапазоне 20~22°С, что связывается синхронность» поступления и использования вещества эндосперма на рост.

4. Определено, что нутацци колеоптиля являются авговолновым процессом, который псддергкивеется ритмическим растяяение клеток. Показа-по, что ни отсечение апекса, ни основания колеоптиля с зерновкой не прекращает кутацнн. Доказано отсутствие строгой морфологической локализации цетра, поддерживающего нутации в колеоптиле.

5. Установлена физиологическая константа ритмического роста ~ количество нутационных периодов. Эта величина не превышала 22-25 пери-

да

одов за время активного роста колеоптиля и не зависеяа^от температуры (в диапазоне Ю-24°С), ни от микрохирургических вмешательств (отсечение апекса или основания колеоптиля с' зерновкой).

6. Определено, что основные характеристики нутаций (амплитуда, период и количество нутационных периодов, упорядоченность нутаций) являются индикаторами соответствующих характеристик клеточного удлинения (волнчипа прироста клеток, продол>.;ительнсать и количество циклов удлинения клеток, степень синхронности удлинения клеток). ч

7. Подтверждено, что рост растяжением и нутации между собой таено связаны : без удлинения нот нутаций, а нутации возможны только во время удлинения. Определено значение нутаций для роста р&стяксниен плотно упакованных п прочно связанных друг с другом клеток. Активное удлинение нокет. осуществляться только при условии нэгибатолмшх (нутационных) движений, являющихся результатом акроперольного распространения по спирали автоволвы роста клеток.

8. Показано, что по характеристикам ритмического рос га (уиорядо-'гэяисегь нутацнй к максимальная скорость роста колеолтияя) имеется гознсгность подбора оптимальных условий дня скоординированного роста :петск колеоптиля и самоорганизации зон вторичной диЗДирочщиротш п культуре тканей. Клетки рассматриваются, как оенчллируищка эл^монтн с аттрагнрущими свойствам», способные ¡с интеграции а организованную структуру рОСТ-С)1НХрОНИЗИруЮ!111!МИ сигналам!!.

атд раг./г по те:.!;с дтажпглцчн

I. Пефедьсв Л.В. Нпуичип; ритмической чвират^лыкп! шстрпмости проростков кшониш// Гозисн 1У.О'.'осоюздЫ Н'Чф^ишиш мяюгых. уч-Ч'М-по физиологи» рас1Чт:ль'(ой к;,Ч! гни (Линек, С» ши >»,и, Г.'гЧ) .Москва, МЮ.- С Л 70.

2. Куэеванов В.Я,, Нефедьев Л.В., Ботоев А.Н., Саляев Р.К, ¡Ритмичность роста проростков злаков. I. Система регистрации и анализа рост и нутаций/ СИФИБР СО АН СССР. - Иркутск, 1990. - 19с.- Деп.' в 'ВИНИТИ № 5000 - В90.

3. Куэеванов В.Я., Нефедьев Л.В., Сумцова В.М., ЛайкевйЧ С.В., Саляев Р.К. Влияние температуры на ритмы роста проростков и каллусов пшеницы// Всесоюзная конференция по генетическим механизмам устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды (Иркутск, 8-12 июля 1991).- Новосибирск,1991.- С.27.

4. Нефедьев Л.В., Куэеванов В.Я., Саляев Р.К. Ритмичность роста проростков злаков. II. Влияние температуры на рост и нутации/ СИЖБ1 СО АН СССР.- Иркутск,1991,- 16с. - Деп. в ВИНИТИ № 4051 - B9I

5. Нефедьев Л.В., Куэеванов В.Я., Саляев Р.К. Ритмичность роста проростков злаков. III. Существует ли центр, ответственный за генерацию нутаций?/СИШБР СО АН СССР,- Иркутск, 1991.- 13с.- Деп. в ВИНИТИ № 4776 - B9I.

г 6. Kuzevanov V.Ya., Hefed'ev L.V., Sumtsova V.M., lankevich S.V., Salyeev R.K. Growth rhythmicity and chemical differentiation of cells in wheat seedlings and calluses// Abstracts of Vllth International Congress on Plant Tissue and Cell Cultures (Amsterdaa, iune 24-29» -1990).- Amsterdam 1990.- P.300.

7. Nefed'ev L.V., Kuzevanov V.Ta., Lankevich S.V., Broofe tf.A., Salyeev E.K. The effect of temperature on growth and circusnutations of wheat seedlings// Abstracts of Golden Jubilee Symposium on Qenetic Research and Education: Current Trends and the next Fifty Tears (Нет? Delhi, February 12-15, 1991).- Hew Delhi, 1991.- P.219.

-PA-