Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Клеточные механизмы формирования корнеплода у свеклы

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Клеточные механизмы формирования корнеплода у свеклы"

Па

На правах рукописи

о г-

Кулиев Октай Мустафаевич

КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОРНЕПЛОДА У СВЕКЛЫ

Специальность: 03.00.12 - физиология

растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербург - Пушкин 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете.

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор В.М.БУРЕНЬ

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор Н.Ф.БАТЫГИН

доктор биологических наук, В.И.БУРЕНИН

Ведущее учреждение - Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И.Вавилова

Защита диссертации состоится " /3 " _ 1996 в

14 час. 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д120.37.01 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 189620, Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе д.2, ауд.239, уч.корпус I "а".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Аграрного университета.

Автореферат разослан " /3 " /V &Д 1996 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета - _____,

доктор с.-х. наук, профессор, У/у/М^^ В.П.ЦАРЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. После того, как в 1953 г. была разгадана химическая структура ДНК, казалось, что потребуется немного усилий и путь от функций ДНК к образованию целого многоклеточного организма будет установлен, Но уже прошло 43 года, в течение которых были предприняты гигантские усилия для обоснования этого пути, но реальный его ход найти не удается до сих пор.

Исследования, которые ведутся на кафедре физиологии растений СПГАУ дают основание считать, что на пути от функций генов (ДНК) к образованию тканей и органов и их расположению лежит популяция клеток. В популяции с критическим числом клеток за счет взаимодействия между клетками создаются условия, которые приводят х локальной дифференциации клеток и образованию органов.

Свекла, как и другие цветковые растения, образует различные типы тканей и органы. Особенность свеклы состоит в том, что она формирует корнеплод, состоящий из нескольких камбиальных колец и межкамбиальных зон. Кроме корнеплода в первый год жизни свекла образует "розетку" листьев и почти не формирует междоузлий. До сих пор в физиологии уделялось мало внимания строению и функциям апекса свеклы. За двухлетний срок жизни он проходит два состояния: филлогенное (способность формировать листья) и флоригенное - во второй год жизни он способен формировать цветки.

Что лежит в основе этих состояний и какая связь между функциями апекса и образованием корнеплода?

Эти общие подходы к развитию и загадки, которые таит в себе формирующийся корнеплод свеклы, определили задачи наших исследований.

1. Изучить клеточные структуры гипокотиля и заложение первого камбиального кольца.

2. Изучить влияние азотных удобрений на формирование корнеплодов, образование камбиальных колец и межкамбиальных зон .

3. В деталях проследить за образованием каждого камбиального кольца корнеплодов.

4. Найти величину диаметров паренхимных клеток в межкамбиальных зонах.

5. На продольных срезах апекса определить расположение листьев и числа клеток в их основании.

6. Дать полученным результатам общую логику, на основании которой можно, в целом, обосновать последовательность процессов, приводящих к формированию корнеплода и листьев у свеклы.

Научная новизна:

1. Первичная кора гипокотиля столовой и сахарной свеклы состоит из 7 слоев клеток по радиусу и в таком состоянии она отделяется от центральной части корнеплода.

2. Азотные удобрения увеличивают число камбиальных колец и число паренхимных клеток между кольцами.

3. Новые камбиальные кольца образуются за счет раздвоения исходного камбиального кольца.

4. Зачатки листьев на филлогеином апексе расположены так, что своими основаниями перекрывают друг друга и поэтому междоузлия не растягиваются. Листья свеклы остаются в состоянии "розетки".

Положения выносимые на защиту:

1. Камбиальные кольца в корнеплоде свеклы формируются за счет раздвоения исходного камбиального слоя.

2. Азотные удобрения увеличивают число камбиальных колец в корнеплоде и число паренхимных клеток между ними.

3. Филлогенный апекс образует зачатки листьев, так что по вертикали листья покрывают друг друга и поэтому стебель не растягивается. Листья расположены "розеткой*.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на конференции "физиологические формы многоклеточных организмов" (С.-Петербург, 1994) и на "Конференции профессорско-преподавательского состава и аспиранток СПГАУ (1995) и на научных семинарах кафедры физиологии растений.

Объем работы. Диссертация изложена на //0 страницах, включает^ таблицы рисунка. Список использованной ли-

тературы состоит из О.о^ работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Опыты проводились на кафедре физиологии растений СПГАУ с 1992 по 1995 г. Растения свеклы выращивали в вегетационном домике, сетчатом павильоне, на опытном поле кафедры и в зимней оранжерее.

Для опытов взяли сорт свеклы столовой - Бордо-237 и сорт свеклы сахарной - Ромонская-06. Семена свеклы высевали в сосуды емкостью 5 кг сухой почвы. В почву вносили удобрения: азот (аммиачная селитра) - 0.20 г д.в.- стандартная доза, суперфосфат - 0.25 г д.в. и хлористый калий -0.25 г д,в. на 1 кг почвы. В опытах использовали 5 вариантов, отличавшихся по содержанию азота: РК (контроль, без внесения азота) , %РК, ^РК, ^РК, ^РК (от одной до четырех доз азота) . В сосуде к уборке оставляли по одному растению. В период вегетации растений в сосудах поддерживалась постоянная влажность почвы в пределах 60-80 % от полной влагоемкости. Вели фенологической наблюдение: регистрировали сроки появления листьев, определяли размеры их пластинок и черешков, конфигурацию их оснований.

После уборки корнеплоды взвешивали, в области шейки корнеплода делали поперечные и продольные срезы и на них определяли число камбиальных колец и расстояния между кольцами.

В средней части корнеплода вырезали пластинку толщиной 0.5 см и из нее пробочным сверлом диаметром 4-9 мм высекали кусочки ткани с таким расчетом, чтобы в кусочек вошло 2 соседних камбиальных слоя. Кусочки помещали на застывший 12 % раствор желатины, подкрашенной метиленовым синим, и выдерживали в термостате при температуре 25 °С в течение 2.5 часов. Кусочки свеклы снимали и под микроскопом МБИ-15 по отпечаткам клеток на желатине определяли число клеток между камбиальными кольцами и величину диаметров клеток.

В фазу "еилочкл" делали продольные срезы апексов свеклы на микротоме по методике Абрамовой и Карлинского (1968) . Срезы фотографировали и на них определяли числа клеток в различных структурах апекса и расположение клеток.

Стандартное отклонение определяли на микрокалькуляторе МК-51.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1. Клеточные структуры гипокотиля свеклы

Гипокотиль свеклы состоит из клеток коры и клеток центрального цилиндра. Через 10-12 суток от всходов первичная кора отмирает и сбрасывается. В момент сбрасывания кора по радиусу состоит из 7 слоев клеток. Клетки коры в это время имеют диаметр около 43 мкм. Исходные клетки, из которых формировались клетки коры имели диаметр 8-10 мкм. В условиях зимней теплицы при сниженной интенсивности света и низкой температуре (6-8 °С) кора отмирает не через 10, а через 60-90 суток. Но независимо от сроков отмирания, число слоев клеток по радиусу остается постоянным - 7. В этих условиях величина диаметров клеток коры снижается в 1.5 раза.

Наши исследования показали, что клетки центрального цилиндра в зоне их контакта с клетками первичной коры имели более высокую активность протеолитических ферментов (ПФ), чем клетки средней части цилиндра. Активность ПФ увеличивается при недостатке 02 (Бурень, 1987). МЫ предполагаем, что 7 слоев клеток коры ограничивают доступ О2 к клеткам центрального цилиндра. Активные ПФ обеспечивают заложение первого кольца камбиальных клеток и стимулируют отделение коры.

3.2. Формирование корнеплодов свеклы в зависимости от доз азотных удобрений

Уже через 25 суток от посадки корнеплоды свеклы столовой вариантов N3 - ^РК превосходили корнеплоды контроля по величине диаметра более, чем в 2 раза (табл.1).

Масса корнеплодов к уборке возрастала почти пропорционально величине их диаметров, одновременно с увеличением диаметров заметно увеличилось число камбиальных колец (табл.2).

Таблица 1. Динамика изменения диаметров корнеплодов в зависимости от доз азотных удобрений

Дозы азота

Свекла столовая

Свекла сахарная

25

55

Срок вегетации (сутки) 85 117 25 55

85

117

РК ГТзРК И2РК И3РК И4РК

9,640,51 19,341,50 14,542,73 22,641,79 34,546,91 53,149,73

31,845,84 43,649,72

20,141,60 47,549,52 67,845,81 72,645,11

20,841,83 21,341,50 58,247,52 78,843,43 86,647,30

59,347,58 79,546,71 91,143,а

8,140,75

15,345,85

18,ЗО.,86 20,511,37

19,0±2,13

14,132,63

32,8*5,45

39,047,84

44,516,41

46,647,36

21,1±0,98

42,£¡47,00

54,3±6,47

56,047,61 62,546,59

30,040,49]

53,641,56 !

72,541,941 72,842,31 1

73,542,15|

Таблица 2. Влияние азота на массу корнеплодов и число камбиальных колец

Дозы азота

Свекла столовая

Свекла сахарная

Масса, г Число камбиальных колец

Масса, г Число камбиальных колец

РК Я^РК М2РК Н3РК 1Т4РК

31,941,56 87,1+1,56 270,048,36 372,045,80 зв5,046,34

3,540,54

5

5,340,51

6

6,340,51

45,841,12 171,343,50 355,845,86 382,842,38 395,544,73

4

5,340,51 6

6,340,51 6,5

Число камбиальных колец зависит от диаметра корнеплода и его массы (табл.2). Корнеплоды свеклы столовой в контроле образовали 3.5 камбиальных колец, корнеплоды варианта ^РК - 6.3 колец (табл.2), корнеплоды сахарной свеклы - от 4 (в контроле до 6.5 (вариант ^РК). Азот изменил также ширину межкамбиальных зон (МКЗ) (табл.3).

Таблица 3.. Влияние азота на ширину межкамбиальных зон свеклы сахарной

Дозы МКЗ, считая от центра, мм

азота -

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6

РК 4 410,49 3 810,40 3 ею,49 2,110,40 - -

И1РК 6 510,31 5 710,42 4 811,33 4,110,40 2,310 81 -

М2РК Ч 310,40 6 410,49 5 610,75 4,610,81 3,510 54 2

К3РК 8,010,вз 7 610,51 6 011,09 5,011,09 4 2,510,31

И4РК 8,310,25 6 810,41 5 510,54 4,510,54 3,510 44 3

Азот, начиная от варианта Ы^РК и до ^РК,увеличил ширину МКЗ (табл.3), причем, сохранилась по всем вариантам стабильная связь: корнеплоды варианта Ы^РК формировали МКЗ почти в 2 раза шире, чем корнеплоды контроля (табл.3). Итак, корнеплод, сформировав одно камбиальное кольцо, по мере роста образует 4-5 колец и почти столько же межкамбиальных зон.

Многолетние исследования кафедры физиологии растений СПГАУ, в которых дано обоснование причин образования тканей и органов (Бурень. 1984) позволяют допустить, что прямо, на генах невозможно и ненужно шифровать ткань и место ее расположения, так же невозможно и ненужно шифровать орган и место его расположения. В целом связь между функциями клеток и образованием многоклеточных структур (тканей и органов) идет через процессы накопления клеток, их локальной дифференциации и морфогенеза.

В своей работе мы рассматриваем роль клеточных механизмов в образовании и размещении тканей и органов.

3.3. Клеточные механизмы образования корнеплода свеклы

Любой орган растения, в том числе и корнеплод, - это специфическая популяция клеток, параметр которой определяется числом входящих в нее клеток, форма - расположением клеток . Чтобы найти физиологические причины образования органов

(корнеплодов), надо искать причины, определяющие и параметр, и форму клеточной популяции.

Подсчет числа клеток в межкамбиальных зонах (МКЗ) показал, что оно не постоянно и что азот способен изменить (увеличить) число клеток во всех межкамбиальных зонах (табл.4).

Таблица 4. Влияние азота на количество слоев клеток между камбиальными кольцами (свекла сахарная)

Дозы Межкамбиальные зоны, считая от центра

азота -

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6

РК 41 5±0 54 37 511 51 32 311 12 26 111 02 - -

^РК 51 6±1 □ 8 45 811 16 39 910 98 35 311 50 27 110 66 -

Ы2РК 55,5±1 50 810 98 47 810 68 40 511 18 31 15 610 98

И3РК 56 8±1 69 55 811 32 43 1±1 16 39 111 17 31 611 36 18 810 75

И4РК 56 812 84 50 310 51 41 110 97 33 510 89 26 611 28 21 111 43

Подсчет показал, азот (^РК) увеличил число клеток в МКЗ относительно контроля, варианта РК, в 1.3-2.2 раза. Если сравнить числа клеток в вариантах Ы2РК, ^РК с числом клеток в варианте ^РК, оказывается, что насыщение по числу клеток достигается уже в варианте Ы^РК. Близкие показатели получены и для корнеплодов свеклы столовой, хотя здесь насыщение по числу клеток наблюдается в варианте ^РК. Эта особенность формирования корнеплода на фоне различных доз азотных (возможно и других видов) удобрений представляет интерес для решения вопросов сортовой агротехники свеклы. Продуктивность свеклы будет тем выше, чем больше число клеток будет заложено между камбиальными зонами. Возможно, что для увеличения числа клеток в МКЗ, расположенных дальше от центра корнеплода, необходимо дать удобрения не в начале ее вегетации, а в более поздние сроки.

Анализ величины диаметров паренхимных клеток межкамбиальных зон показал, что азот увеличивает их размеры в 1.2-2.0 раза (табл.5).

Таблица 5. Влияние азота на величину диаметров клеток межкамбиальных зон у свеклы сахарной

Дозы Межкамбиальные зоны, считая от центра

азота -

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6

РК

К2РК Ы3РК Ы4РК

Величина диаметра паренхимных клеток, на наш взгляд, как и число клеток в МКЗ - это показатель комфорта жизни корнеплода. От величины этих клеток, их вместимости будет зависеть продуктивность свеклы.

3.4. Клеточные механизмы формирования розетки листьев и апекса побега у свеклы

Если бы апекс побега свеклы формировал листья и междоузлия, как это делают апексы других растений (томатов, картофеля, пшеницы), то, скорее всего, корнеплод не смог бы образоваться.

Анализ параметров оснований черенков самых молодых листьев (19 лист) показал, что их толщина близка 1 мм. Это очень много. Микротомные препараты филлогенного апекса показали, что лист располагается по вертикали инициального кольца апекса и в зоне контакта листа с апексом расположено 18 слоев клеток. Основание листа по вертикали расположено не только в верхней части инициального кольца, но простирается вниз, контактируя с зоной апекса, где расположены дифференцированные клетки. Основание другого очередного листа немного поднято над первым слоем верхней частью, также простирается вниз не менее, чем на 16 клеток. При таком расположении листьев на апексе между зачатками листьев не остается полосы

70,111,12 64,411,49 69,110,68 62,710,76 - -

90,211,40 88,612,25 80,811,33 77,811,94 71,510,83 -

123,611,03 113,411,02 104,411,11 94,111,17 87,211,43 75,711,33

128,511,22 123,611,21 114,710,76 104,311,21 100,411,49 90,810,98

129,311,04 125,811,60 120,812,31 118,311,03 108,410,80 103,711,99

клеток, из которых могло бы сформироваться междоузлие. Основание листьев перекрывают по вертикали апекса друг друга, поэтому зона апекса, заключенная между основаниями листьев, может расти только в ширину, но не в высоту.

Диаметр меристематических клеток апекса равен 7.6 мкм. В нижней части зоны инициального кольца апекса диаметр клеток достигает 68.8 мкм, т.е. размер клеток увеличивается в 9-10 раз. Такое увеличение диаметров клеток приводит к тому, что розетка (укороченный стебель), не имея возможности расти вверх, разрастается вширь. За счет этого и образуется укороченный и расширенный стебель. Полученные сведения позволяют обосновать последовательность процессов, которые приводят к образованию корнеплода.

Апекс образует листья и не формирует стебель с удлиненными междоузлиями. Все метаболиты фотосинтеза и поглощенные из почвы, оттекают в гипокотиль. Его клетки делятся и образуется первое кольцо камбия. При накоплении клеток в камбии, он раздваивается, т.е. исходное камбиальное кольцо выделяет к периферии новое камбиальное кольцо. Между ними закладывается слой паренхимных клеток. Вновь возникшее камбиальное кольцо способно дать новое. Так образуются новые слои камбия. Для этого необходим приток метаболитов из листьев. Метаболиты не используются для образования клеток стебля, они могут утилизироваться только в формирующемся корнеплоде.

В целом, начало всему заложено в особенностях расположения листьев на апексе. Оно таково, что исключает формирование междоузлий. Поэтому и образуется корнеплод. Причину такого перекрывающего расположения листьев надо искать в способности клеток апекса к дифференциации. Эта способность определяется активностью гидролитических ферментов в клетках апекса. Сама активность ферментов и устойчивость клеточных органелл к лизису при дифференциации представляют собой свойства, заложенные в геноме клеток свеклы.

ОСНОВНЫЕ выводы

1. Количество камбиальных колец, расстояние между камбиальными кольцами и величина диаметров клеток возрастает в 1.5 - 2.0 раза под действием повышенных доз азотных удобрений.

2. Утолщение корнеплода под действием азотных удобрений происходит как за счет увеличения количества клеток в межкамбиальных зонах, так и за счет увеличения их диаметров.

3. Первичная кора в момент отмирания состоит из 7 слоев клеток.

4. Первое камбиальное кольцо образуется за счет активации протеолитических ферментов в зоне контакта первичной коры с центральным цилиндром.

5. Каждое новое камбиальное кольцо, кроме первого, образуется за счет раздвоения предшествующего кольца.

6. Листья свеклы закладываются в инициальном кольце апекса побега так, что они по вертикали перекрывают друг друга и не оставляют ни одного слоя клеток для формирования междоузлий.

7. Клеточные механизмы образования корнеплода функционируют так, что само расположение клеток в органах и их число определяют структурные особенности формируемых органов.

Опубликованные работы:

1. В.М.Бурень, О.М.Кулиев Формирование корнеплодов у свеклы столовой.//В сб. Программированное возделывание кормовых корнеплодов на Северо-Западе Нечерноземной зоны./ На-учн.тр.СПГАУ. - С.-П., 1993

2. В.М.Бурень, О.М.Кулиев Особенности роста диаметра корнеплода свеклы в зависимости от азотных удобрений.// Депонирована НИИТЭИагропромом, объемом 8 стр. под N.39 ВС-96, 1996