Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Клеточные основы роста гипокотиля огурца

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Клеточные основы роста гипокотиля огурца"

Р Г Б

■ Я

о МР - Ь ¿Аль

На правах рукописи

ШИРОКОВА Надежда Павловна

КЛЕТОЧНЫЕ ОСНОВЫ РОСТА ГИПОКОТШШ ОГУРЦА

Специальность 03.00.05 — ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете имени В. И. Ленина на кафедре ботаники.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор ИВАНОВ В. Б.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук

ТИМОНИН А. К.,

кандидат .биологических наук ШАФРАНОВА Л. М.

Ведущая организация: Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева.

Защита состоится ......1990 г. в часов

на заседании диссертационного совета ,К 053.01.10 ® Московском педагогическом государственном университете имени В. И. Ленина по адресу: 129278, Москва, ул. Кибальчича, 6, корп. 5, ауд. 304.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ имени В. И. Ленина по адресу: Москва, Малая Пироговская ул., д. 1.

Автореферат разослан «.../......»..

Ученый секретарь диссертационного совета

ШАТАЛОВА С. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гипокотиль играет заметную роль на ранних этапах онтогенеза растений. При прорастании семян проклевывание корешка осуществляется в результате роста растяжением базадьной части гшюкотиля и роста корня (Обручева, 1977, 1982). У некоторых видов растений на первых этапах жизни проростка " корневая шейка", а иногда и гипокотиль принимают на себя функцию горня, как органа всасывания (Кондратьева-Мельвиль, 1979). При подземном прорастании рост гипокотиля способствует углублению корня в почву. У растений с надземным типом прорастания за счет роста гипокотиля семядоли выносятся через слой почвы к свету, в результате чего растение получает возможность перейти к автотрофному питанию. Интенсивность роста гипокотиля, его конечная длина, а также корреляции между ростом гипокотиля и семядолей определяют как характер прорастания семян, так и дальнейший ход формирования и развития проростка.

В отличие от корня и верхушки побега рост гипокотиля мало изучен. Имеющиеся немногочисленные исследования по распределению роста вдоль гипокотиля, продолжительности делений и растяжения клеток в нем у некоторых видов растений были в основном направлены на изучение влияния определенных факторов (свет, температура, физиологически активные вещества) на эти ростовые процессы. Непосредственно рост гшюкотиля на клеточном уровне практически не изучен. В литературе отсутствуют сведения о таких важных показателях роста гшюкотиля, как протяженность меристемы и размер меристематических клеток, продолжительность митотического цикла, относительная скорость и длительность растяжения клеток. Поскольку гипокотиль обладает ограниченным периодом роста представляет интерес изучение зависимости его роста от деления и растяжения клеток в нем.

Для понимания общебиологической проблемы взаимодействия органов в растении необходимо не только детально изучить рост каждого органа и провести сравнительный анализ их организации роста, но также выявить и степень их взаимовлияния. Отсутствует информация о влиянии отдельных органов проростка на распределение роста по длине гипокотиля , По существу нет сравнительных данных о росте изолированного гипокотиля и гипокотиля интактного проростка, хотя изолированные гипокотили уже давно используются для изучения действия физиологически активных веществ на рост. Нет сравнительных сведений о клеточном росте гипокотиля и корня.

Вше изложенное свидетельствует об актуальности вопросов, связанных с изучением клеточной организации роста гипокотиля.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было познание клеточной организации роста гипокотиля огурца, а также сравнение его роста о ростом корня.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1) изучить рост гипокотиля интактного проростка огурца и определить влияние на его рост семядолей и корня;

2) исследовать распределение делений и растяжения клеток по длине гипокотиля в течение всего периода его роста;

3) установить, как меняется длина и число клеток в гипокотиле;

4) определить соотношение роста делением и растяжением клеток в процессе роста гипокотиля в целом;

5) сравнить на клеточном уровне организацию роста гипокотиля и корня проростка огурца.

Объект работы. В качестве объекта исследования был взят гипо-котиль огурца (Сисишэ заНуиз Ь.) сорта Вязниковский. Огурец -растение с надземным типом прорастания семян, и является удобным объектом для исследования роста гипокотиля.

Научная новизна работы. Подробно изучен рост гипокотиля и распределение роста по его длине у интактного проростка огурца. Впервые было исследовано влияние на процесс роста гипокотиля огурца семядолей и корней. Впервые были установлены принципиальные различия в распределении роста по длине гипокотиля интактного проростка и изолированного гипокотиля. Выявлены характерные признаки анатомического строения гипокотилей различного срока фиксации от момента замачивания семян. Впервые праведен клеточный анализ роста гипокотиля от 24 часов с момента замачивания семян до окончания роста (11 суток). Впервые предложено различать три зоны клеток по длине гипокотиля: зону деления, зону растяжения и зону закончивших рост клеток. Дана подробная характеристика зон клеток в гипокотиле разного" срока роста от момента замачивания семян. Выявлено, что гипокотили 24-120 часовых проростков огурца имеют зону деления клеток, локализованную в верхней части. Установлено, что делений крупных, вакуолизированных, растягивающихся клеток в гипокотиле не происходит. Впервые определены продолжительность митотического цикла и величина относительной скорости образования клеток в гипокотиле. Обнаружена различная протяженность зоны делящихся клеток в разных тканях гипокотиля. Впервые показано, что протяжен-

ность зоны растяжения и число клеток в ней изменяются со временем в ходе роста гилокотиля. Впервые определены относительная скорость растяжения клеток и продолжительность их роста растяжением. Определены изменяющиеся в ходе роста гилокотиля соотношения в нем клеток из разных зон. Впервые выявлен вклад деления и растяжения клеток в рост гипокотиля до момента его прекращения. Впервые изучен клеточный рост изолированного гилокотиля огурца и отмечены его особенности. В ходе сравнительного анализа клеточных основ роста гипокотиля и корня проростка огурца впервые выявлено, что продолжительность митотического цикла, величина относительной скорости растяжения клеток и время роста растяжением в них значительно отличаются.

Теоретическая и практическая ценность работы. Выявленные в работе особенности строения меристемы гипокотиля огурца расширяют представления об интеркалярной меристеме растения в целом и могут быть использованы для дополнения имеющихся о ней сведений. Установленные различия клеточного роста гипокотиля и корня могут быть использованы для дополнения и уточнения имеющихся сравнительных данных о деятельности двух различных меристем. Результаты исследования клеточного роста гипокотиля иктактного проростка и изолированного гипокотиля могут быть включены в учебные курсы и спецкурсы по анатомии и физиологии растений для студентов ВУЗов. Полученные данные по клеточному росту изолированного гипокотиля огурца позволяют рекомендовать учитывать специфику их роста при проведении научных исследований.

Апробация работы. Основные результаты исследования были доложены на научно-практической конференции в Арзамасском педагогическом институте в 1993 г., на 5-ой конференции по экологической морфологии растений памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (Москва, 1994), на семинаре " Проблемы морфогенеза растений" ИОНХ им. Н.С. Курна-кова (Москва, 1995), на заседании кафедры ботаники МПГУ им. В.И. Ленина 16 февраля 199В года.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав (обзора литературы, методической части, результатов эксперимента и их обсуждения), заключения и выводов. Включает 152 страницы основного текста, 10 таблиц и 36 рисунков. Список литературы содержит 180 наименовании, из них 85 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материал и методы исследования Работу проводили на гипокотше этиолированных проростков огурца. Семена проращивали в темном термостате при 27* С на фильтровальной бумаге, смоченной водопроводной водой.

Определение длины гипокотиля и скорости роста его отдельных участков. Удаление органов проростка.

Через 48 ч после замачивания семян на гипокотили, длина которых равнялась 5 мм, наносили тушью метки через каждый мм. 50 проростков с метками служили контролем, а остальные делились на группы по 10-20 проростков, о которыми проводили следующие операции по удалению: 1) удаляли обе семядоли, 2) апикальные половинки от обеих семядолей, 3) одну семядолю, 4) обе семядоли и апикальную почечку, б) главный корень, 6) почечку, семядоли и корень ( изолированный гипокотиль). Кроме того, на часть интактных проростков через 72 ч после начала намачивания семян наносили метки через каждый мм по всей длине гипокотиля, который в среднем равнялся 20 мм. Все проростки выращивали в темноте при 27°С в рулоне влажной фильтровальной бумаги, смоченной водопроводной водой. Ежесуточно измеряли длину всего гипокотиля и расстояния между метками. Для определения влияния главного корня на способность гипокотиля образовывать придаточные корни у 72 часовых проростков отрезали весь корень или его часть, оставляя от него 1 см или 3 мм. Ежедневно измеряли длину гипокотиля, определяли число и длину образовавшихся придаточных корней.

Клеточный анализ роста гипокотиля. Фиксацию гииокотидей проводили через 24 часа от момента замачивания семян и далее каждые сутки до 168 часов, а затем в момент окончания роста, черев 264 часа, в фиксаторе Чемберлена. Материал заключали в парафин по общепринятой методике (Паушева, 1970). Готовили срезы толщиной 10 мкм на салазочном микротоме МЕЕ. Срезы окрашивали последовательно проционовыы ярко-красным 2В5 в 1% растворе соды (Иванов, 1982), затем алциановым синим 8С£ в 1% уксусной кислоте. После проведения через серию спиртов до ксилола срезы заключали в бальзам. На постоянных препаратах, представляющих собой центральные продольные срезы, определяли митотический индекс, измеряли длину клеток в зоне деления гипокотиля, а также длину клеток в зоне растяжения через 24 и 48 часов после замачивания семян. В гипокотилях 72-264 часовых

проростков длину клеток и их число (кроме зоны деления) определяли на продольных срезах живых объектов. Определение числа клеток проводили е 2-3 продольном кортикальном ряду по всей длине гипокотиля,

С целью количественной характеристики процессов, происходящих в области деления и растяжения клеток гипокотиля, использовали формулы, предложенные для анализа клеточного роста корня (Иванов, 1974). Определяли относительную скорость размножения меток, среднюю продолжительность митотическсго цикла, время роста клеток растяжением и относительную скорость роста клеток растяжением в ходе роста гипокотиля. Измерение длины и числа клеток в кортикальном ряду изолированного гипокотиля проводили на продольных срезах живых объектов.

Для изучении анатомического строения гипокотиля были приготовлены микротомные поперечные срезы через верхнюю, среднюю и нижнюю части гипокотиля каждого срока фиксации (о 24 до 264 часов).

Для характеристики роста корня определяли длину и число ме-ристематических клеток, длину зоны деления, число растягивающихся клеток, длину зоны растяжения и длину закончивши рост клеток в 3-4 ряду коры на продольных срезах с живых объектов. Полученные данные позволили определить количественные показатели клеточного роста корня по формулам, предложенным В.Б. Ивановым (1974).

Работа по изучение клеточных основ роста проводилась на микроскопах Ш -2Е и АМР1Л УАЬ.

На графиках и в таблицах приведены средние арифметические значения и их доверительные интервалы, полученные при усреднении результатов 8-6 опытов. Всего исследовано около ЮСО объектов при изучении роста гипокотиля и 2000 препаратов для познания клеточных основ его роста. Статистическая обработка результатов проводилась по общепринятой методике (Шюхинский, 1980),

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Рост гипокотиля интактного проростка огурца.

Рост гипокотиля интактного проростка продолжался 11 сут до средней длины 116 мм (рисЛ) и описывался типичной 3-образной кривой. Максимального значения скорость роста достигала на 4-5 сут от момента замачивания семян, а затем начинала снижаться. Для изучения изменения скорости роста по длине гипокотиля использовали метод нанесения туиеЕых меток. Гипокотиль 48-ми часового поороегка рос по всей длине, но продолжительность роста его участков зачетно ра-

Время от начала набухания семян,сут

Рис. I Длина отдельных участков, и целого гипокотиля интактного проростка огурца. I- первый участок/базальный/, 2- второй участок, 3- третий участок, 4- четвертый участок, 5- пятый участок /апикальный /, 6- целый гипокотиль.

- ? -

зличалась. Только апикальный участок рос в течение всего периода роста гипокотиля (11 суток). Остальные участки последовательно прекращали рост по мере удаления от основания гипокотиля, причем, базальныи участок переставал расти уже через 72 часа (рис.1). Продолжительность роста участков и их конечная длина сокращались по мере удаления от верхушки гипокотиля. Таким образом, апикальный участок является областью максимального роста гипокотиля интактно-го проростка огурца. Его конечная длина составляла 75% от длины закончившего рост гипокотиля (рис.1). Аналогичная картина наблюдалась в междоузлиях многих растений (Серебряков, 1952; Enrigt, Сшп-bie,1973; Garrison,1973), в гипокотиле салата (Hacker et. al.,1964). Кривые роста отдельных участков гилокотиля огурца имеют вид, сходный с типичной S-образной кривой (рис.1). Наблюдавшееся в первые дни после начала опыта ускорение роста гипокотиля сопровождалось удлинением зоны роста, которая начинала сокращаться на 6-7 сут. Скорость роста гипокотиля максимальна на некотором расстоянии от семядольного узла, а не непосредственно под ним. Это связано с тем, что скорость роста растягивающихся клеток выше чем - пролифе-рирующих, расположенных непосредственно под семядольным узлом.

Влияние на рост гипокотиля отдельных органов проростка.

Рост гипокотиля после удаления семядолей.

У проростков с обеими удаленными семядолями рост гипокотиля резко замедлялся и прекращался на седьмые сутки от начала набухания семян, то есть через 5 сут после отрезания семядолей. Такие гипокотили достигали длины только 15.0 мм. Максимальная скорость их роста была отмечена в 1-ые сут после операции. Сопоставление роста отдельных участков гипокотиля у интактных проростков и у проростков с удаленными семядолями (табл.1) показало, что у последних к моменту окончания роста гораздо меньше прирост верхнего отрезка, тогда как остальные участки короче, только в 1.5-2 раза. Рост гипокотиля проростков с удаленными обеими семядолями или семядолями и почечкой одновременно, был одинаков.

После удаления одной семядоли или половинок от обеих семядолей рост гипокотиля продолжался на 2 сут дольше, чем при удалении обеих , и прекращался на 7-ые сут после операции. За время роста они достигали меньшей длины, чем гипокотиля интактных проростков, но существенно большей, чем гипокотили проростков с обеими удаленными семядолями (табл.1). К моменту окончания роста рззмеры четы-

Таблица 1,

Длина (мм) целого гшокотшгя и участков между метками по окончании их роста у интактного проростка и у проростков с удаленными частями.

Варианты опытов.

Участки ГШ. Гш. инт. пр-ка Без двух сем.и поч, Без 2-х семяд. Без 1-й семяд. Без под обеих семяд. Без гд корня Изолир гипок.

I (базаль. участок) 2 ± 0.3 1.5 ± 0.4 1.5±0.3 2 ± 0.7 2 ± 1.5 2-± 1 2 ±0.8

2 4 ± 0,6 2 ± 0.6 2.2±0.6 4 ± 0.9 4 ± 1.7 3± 1 2 ±0.5

3 7 ± 1.4 3.2±0.9 3.3±0.9 8±1.9 6 ± 0.8 5 ±1.3 2.4 ± 0,6

4 15 - 3.2 4.2 ±0.6 4.2±0.5 15±2.7 13 - 4 10-2.9 3.3 ± 0.5

5 (апик. участок) 88-11.7 3.6 ± 0.5 3.5±0.6 35±5.7 34±9.4 ТТ-7.8 3.3 ± 0.6

Весь гипок. 116-10.3 15 ± 1.7 15—1.8 64±9.1 59 ± 8 $7±8.3 13±1.5

рех нижних участков гипокотилей с частично удаленными семядолями были практически такими же, как у гипокотилей интактных проростков, но апикальный сегмент достигал гораздо меньшей длины.

Таким обравсм, после полного или частичного удаления семядолей значительно сильнее подавлялся рост апикальной части гипокотиля, чем базапьной (табл.1). Наблюдаемое явление свидетельствует о том, что наиболее чувствительными к полному и частичному удалению семядолей являются делящиеся клетки, расположенные в апикальном участке гипокотиля.

Роот гипокотиля после удаления главного корня.

У проростков с удаленным главным корнем рост гипокотиля продолжался 12 сут и заканчивался на сутки позже, чем у интактных проростков. Длина гипокотиля при окончании роста была лишь на 20% меньше длины гипокотиля интактных проростков (табл.1). Максимальная скорость роста гипокотиля проростка с удаленным главным корнем наблюдалась на седьмые сутки, а не на пятые, как у контроля (ин-тактного). По-видимому, это обусловлено образованием на гипокотиле придаточных корней в течение третьих-седьмых оуток после удаления главного корня. Появление придаточных корней в основном компенсировало отсутствие системы главного корня у проростка. Об этом свидетельствует то, что конечная длина гипокотиля, выросшего без главного корня близка к длине контроля и то, что соотношение приростов участков, расположенных на разном расстоянии от семядольного узла, было у него практически таким же, как у гипокотиля интактно-го проростка (табл.1).

Рост изолированного гипокотиля.

Длина изолированного гипокотиля удваивалась в первые сутки после операции, а в последующие трое суток увеличивалась незначительно. К моменту прекращения роста он достигал небольшой длины (13-20 мм) (табл.1). Практически рост изолированного гипокотиля и гипокотиля проростков с полностью удаленными семядолями почти не различался. Изолированный гипокотиль рос значительно медленнее гипокотиля интактного проростка. Особенно сильно отличается рост аликалиного участка (табл.1). Изменение характера роста изолированного гипокотиля свидетельствует о значительном влиянии семядолей и" корней на процесс роста гипокотиля огурца.

Образование придаточных корней на гипокотиле пророотка огурца.

Для изучения влияния главного корня на процесс образования придаточных корней на гипокотиле, мы сравнивали число и длину образовавшихся придаточных корней на гипокотиле проростков с полностью и частично удаленным главным корнем у двух сортов огурца. Выявили, что придаточные корни возникают на гипокотиле проростка как с полностью, так и с частично удаленным главным корнем. Число образовавшихся корней значительно больше при полном удалении главного корня. Следует отметить, что, чем больше длина оставленной части главного корня, тем меньше образуется корней на гипокотиле. Средняя длина придаточных корней больше на гипокотиле проростка беа корня.

Проведенный гистологический анализ поперечного среза гипокотиля огурца в месте формирования на нем придаточного корня показал, что заложение корня происходит из производных пучкового камбия, ориентированных в сторону флозмы. Это согласуется с литературными данными для большинства двудольных (Баранова, 1951).

Анатомическое строение гипокотиля этиолированного проростка огурца.

На поперечном срезе гипокотиль имеет округло-четырехреберное строение. Под однослойной эпидермой расположена первичная кора, которая состоит из 5-6 рядов клеток. Гипокотили 24-254 часовых проростков имеют постоянное, не изменяющееся с их возрастом и по длине, число рядов клеток коры. В гипокотиле 48-264 часовых проростков наружный ряд клеток коры в области ребер переходит в уголковую колленхиму. В связи с разным возрастом частей гипокотиля, по его длине прослеживается различная степень гистологической дифференциации. В нижней части гипокотиля огурца, которая является более зрелой по сравнению со средней и верхней, ткани являются также более зрелыми. В гипокотиле 24 часового проростка на всем его протяжении имеется.4 тяжа прокамбия. Гипокотили 48-264 часовых проростков имеют различное строение системы проводящих тканей в верхней и нижней частях. В верхней части гипокотиля имеется 6 проводящих пучков открытого биколлатерального типа. В средней и нижней частях гипокотиля проходят 4 открытых биколлатерадьных пучка. В основании гипокотиля огурца внутренний луб редуцируется, пучки становятся коллатеральными, а затем в результате переориентации проводящих тканей происходит переход в стель корня. Аналогичная картина характерна для гипокотиля тыквы (Камилова, 1974). Стреми-

тельный переход отелей гшюкотиля и корня у тыквенных представляет собой исключение, отклонение от обычного типа " переходной зоны", которая простирается обычно от основания корня до основания семядолей.

Клеточные основы роста гипокотиля этиолированного пророста огурца.

Клеточный рост гипокотиля огурца анализировали в области коры. Для гипокотиля характерен согласованный (симпластный) рост. Отсутствие скользящего роста значительно облегчает изучение клеточного роста гипокотиля. -Клетки разных тканей, расположенные на одном и том же расстоянии от семядольного уала будут удаляться от него с одинаковой скоростью. Поэтому для характеристики роста клеток можно изучить их рост только в одной ткани, той, где это сделать легче ( Иванов, 1974).

Зона деления клеток гипокотиля.

Проведенный клеточный анализ гщгакотиля огурца позволил выявить в нем область клеточных делений. Участок гипокотиля, где наблюдали фигуры митозов, назвали зоной деления клеток. Зона деления клеток гипокотиля в отличие от зоны деления в кончике корня является интеркалярной (вставочной) меристемой, не имеющей инициальных клеток. Она локализована в верхней (апикальной) части, сразу же под семядольным узлом. Зона делящихся клеток имеется только в ги-покотшшх 24-120 часовых проростков огурца и полностью отсутствует в 144-264 часовых. Средняя длина области пролиферирующих клеток составляет 1,3 мм (табл. 2). Ее протяженность увеличивается на 0,4 мм в период от 24 ч до 48 ч, затем несколько уменьшается к 72 ч и далее сравнительно мало изменяется до 120 часов. В процессе роста ' гипокотиля число клеток в зоне деления не остается постоянным" (табл.2). В период от 24 ч до 48 ч число клеток в ней значительно . возрастает. Это объясняется тем, что скорость образования клеток -выше старости выхода их из зоны деления. Уменьшение количества пролиферирующих клеток после 48 ч от момента замачивания семян указывает на то, что скорость их образования стала ниже скорости перехода к растяжению. На протяжении интеркалярной меристемы средняя длина клеток в продольном ряду коры гипокотиля огурца меняется: мало. Средняя длина клеток в зоне деления равна 21 мкм, но она варьирует в зависимости от срока фиксации гипокотиля (табл.3). Длина делящихся клеток (клеток в митозе) примерно в 1,5 раза превышает среднюю длину меристематичеоких клеток (табл.3). В гипокотиле огу-

- 12 -Таблица 2

Длина гипокотиля и изменение баланса числа клеток в одном ряду коры в течение периода роста гипокотшш.

Время с Длина Длина зо- Число Число Число Число Прирост

момента гипоко- ны деления клеток клеток закон- клеток числа

замачи- тиля клеток в зоне в зоне чивших во всем клеток

вания мм да деления растяжения рост клеток гипоко-тиле -

24 2.020.4 1.2±0.2 46.77.1 15- • 8.1 0 61.8± 8.8 .. о

48 5.1-0.7 1.6±0.2 86.8± 21.1 7126.0 0 157.9± 30.8 96.1

72 20.91.9 1.3-0.2 74.9± 10.3 140 ±, 18.3 14± 3.1 241.724 83.8 . .

96 ; 45±3.1 1.1±0.1 63.2~ 12.7 15214.1 6912.2 28416.9 42.3

120 69-5.9 1.4-0.3 59.813.5 14417.0 12119.3 325.318.5 41.3

144 90.'Т± 4.4 0 0 177± 26.3 186^ 29.3 363.^ 23.1 37.8

168 107.4± 4.6 0 0 123± 31.0 238± 32.3 36130.3 0

Закончившие 149± 48.4 0 0 0 36722.2 зет-22.2 6

рост

264

рца самые длинные клетки в меристеме были делящимися. Это свидетельствует о том, что в основной части зоны деления нет клеток вышедших из митотического цикла и все клетки участвовали в пролиферации.

Митотический индекс (Мй), показывающий процент делящихся клеток от их общего числа в ряду коры меристемы гипокотиля огурца в момент наблюдения, изменяется в зависимости от срока фиксации материала. Наибольшее значение МИ, равное 6%, наблюдали у 24 часовых гипокотилей. В каждые следующие сутки его роста происходило снижение МИ на 1%. Митозы по длине меристемы распределены неравномерно. Наибольшее число митозов встречается на расстоянии 300-500 мкм от семядольного узла. Значение относительной скорости образования клеток, показывающей сколько клеток возникает за единицу времени из одной клетки, в гипокотиле снижается в период с 48 ч до 96 ч. Затем до 120 ч она не изменяется, снижаясь до нуля в 144 часовом гипокотиле. Частота делений, или продолжительность митотического цикла (Т), возрастает в гипокотиле более, чем в 2 раза в период с 48 ч до 96 ч и мало меняется с 96 ч до 120 ч от момента замачивания семян.

Снижение значения МИ и относительной скорости образования клеток , увеличение продолжительности митотического цикла свидетельствуют о понижении митотической активности меристематических клеток в период с 48 ч до 120 ч.

Проведенный анализ зоны деления клеток в эпидерме и флоэме показал, что протяженность области пролиферирующх клеток в гипокотиле не одинакова для рядов клеток разных тканей. Первыми кончают делиться клетки флоэмы, затем почти одновременно - эпидермы и коры..

Число и длина делящихся клеток в различных тканях не одинаковы. Это обусловлено происходящей дифференциацией клеток в меристеме гипокотиля. Значение МИ в области коры и эпидермы практически одинаковы.

В коре гипокотиля были выявлены комплексы клеток, наличие которых свидетельствует о происходящих клеточных делениях, локализованных в верхней части гипокотиля.

Зона растяжения клеток гипокотиля.

Клеточный анализ продольных срезов гипокотилей различного времени роста от момента замачивания семян позволил выявить наличие в них зоны растяжения клеток. Рост клеток растяжением отмечен и в

Таблица з

Длина клеток и размеры зон деления и растяжения, а также зоны закончивших poor клеток в растущем пшокотиле огурца.

Время Длина Средняя Средняя Сред- Длина Длина Средняя Длина

с мо- всего длина длина няя ЗОБЫ ЗОШ длина ЗОНЫ

мента гшо- клеток клеток длина деле- растя- клеток клеток

зама- коти- во всем в зоне клеток ния жения закончи закон-

чива- ля гшоко- деления В METO клеток клеток вшах ро чивших

ния ч мм тиле мкм мкм 39 МКМ мм мм ст мкм рост мм

24 2.02- 33.5± 26.8- 39.6± 1.2- 0.8* 0

0.4 5.8 2.2 2.5 0.2 0.2

48 5.1± 0.7. 33. Z± 5.7 18. 3.1 31 5.1 1.6* 0.2 3.41.1 0

72 20.9± 1.9 90.85.5 17.7± 1.9 263.6 1.30.2 154.9 360; 30.6 5.010.9

96 45-3.1 158-10.3 18.2- 27.3- 1.1± 16.1± 360- 25-5.6

2.1 2.4 0.1 3.1 49.7

120 69-5.9 212.3± 25.5± 34± 1.4- 17.7- 383± 46*8.5

11.9 5.2 3.1 0.3 3.0 33.9

144 90.Т± 250.2- - 0 19± 388- 72-12.2

4.4 14.2 7.1 26.8

.168 107.4 298.8± — - 0 13-2.5 395- 93-

4.6 30.5 54.9 5.1

264 14948.4 405± 30.б - а 0 405± 30.6 14948.4

гипокотиле других растений (Mohr, Appuhn, 1962; Hacker et al... 1964; Котова, 1994). В гипокотиле огурца зона растяжения клеток расположена непосредственно ниже зоны клеточных делений. Средняя длина клеток на протяжении зоны растяжения увеличивается в 5-7 раз в 24-48-ч-х гипокотилях и в 10-11 раз в гипокотилях всех других сроков фиксации. Делений, растягивающихся клеток не наблюдали.

Протяженность зоны растяжения клеток увеличивается с. 0.8 до 19 мм в период с 24 ч до 144 ч, а затем снижается до нуля у 264 ч гипокотилей (табл.3). В ходе роста гипокотиля изменяется и число клеток в ее составе (табл.8). Значительное увеличение числа растягивающихся клеток происходит до 72 часов.

Характеристика зоны клеток закончивших рост.

Начиная с 72 ч после намачивания"семян в гипокотиле огурца появляется зона закончивших рост клеток, расположенная в нижней части гипокотиля, за зоной растяжения. На ее протяжении средняя длина клеток практически не изменяется (рис.2). Исключение составляют лишь нижние клетки, расположенные на границе с корнем. Их длина у 72-264. часовых гипокотилей меныве средней длины клеток закончивших рост. Следовательно, клетки первыми перешедшие к растяжению, закончили рост с меньшей длиной, чем перешедшие к растяжению позже. В закончившем рост гипокотиле (264 ч) до средней длины его клеток не дорастают кроме базальных, также апикальные клетки, последними перешедшие к растяжению (рис.2).

Число клеток в зоне закончивших рост клеток и ее протяженность постоянно возрастают в перид с 72 ч до 264 ч (табл.2,3).

Баланс числа клеток по мере роста гипокотиля.

Изменение длины клеток по длине гипокотиля.

Проведенные измерения позволили подсчитать, как изменяется во времени число делящихся, растягивающихся и закончивших рост клеток в одном кортикальном ряду гипокотиля (табл.2). Результаты свидетельствуют об изменении соотношения долей этих трех типов клеток в ходе роста гипокотиля. Отметим, что процент делящихся клеток в период с 24 ч до 120 ч неизменно снижается, падая до нуля в 144 ч. Растягивавшиеся клетки составляют большинство от общего числа их в ряду коры гипокотилей 72-120 часовых проростков (табл.2). В 144-168-ч-х гипокотилях значительная часть клеток закончила рост, а в 264 часовых - все клетки имеют свою предельную длину.

ш

Рис. 2 Изменение длины клеток по длине гипокотиля, считая от. семядольного узла.

По оси абсцисс - номер клетки от семядольного узла. По оси ординат - длина клеток.

Обозначения: а - 48 ч-ой гипокотиль, б - 96 ч-ой гипокотиль, • в - 144 ч-ой гипокотиль, г - 168 ч-ой гипокотиль, д - закончивший рост гипокотиль / £64 ч /, * - конец митозов. Примечание; на графиках в, гид - длина закончивших рост клеток / в плато / представлена горизонтальной прямой, а длина базальных клеток не показана.

- 17 -

По длине 24-48 часовых гипокотилей нами выявлены только две зоны клеток: деления и растяжения. Гипокотиля 72-120 часовых проростков представлены всеми тремя группами клеток: делящимися, растягивающимися и закончившими рост. В период от 144 ч до 168 ч в гипокотиле можно наблюдать только растягивающиеся и прекратившие рост клетки. Гипокотиль 264 ч проростка состоит только из закончивших рост клеток (табл.2,3; рис.2).

Подробный клеточный анализ продольных срезов гипокотилей разного срока фиксации позволяет заключить, что длина клеток по длине гипокотиля значительно изменяется (рис.2). У всех гипокотилей, не -зависимо от сроков фиксации, апикальная область является самой мелкоклетной. Далее за мелкими клетками в 24-168 часовых гипокоти-лях следуют клетки зоны растяжения, в пределах которой их длина увеличивается в среднем в 10-11 раз (рис.2). Начиная с 72 ч в нижней части гипокотилей появляются закончившие расти клетки длиной 360-400 мкм (рис.2; табл.3). Сходная картина изменения длины клеток по длине гипокотиля отмечена у горчицы белой (Mohr, Apphun, 1962) и у салата ( Hacker et al., 1964).

Вклад деления и растяжения клеток в рост гипокотиля.

Анализ результатов исследования показал, что рост гипокотиля огурца обусловлен как делением. , так и растяжением клеток. Эти два процесса не равнозначны в отдельные периоды его роста. Рост гипокотиля в период с 24 ч до 48 ч происходит в результате делений и растяжения клеток, прячем, образование новых клеток и увеличение протяженности меристематического участка оказывают заметное влияние на его ход. Преимущественное значение в удлинении гипокотиля в период с 48 ч до 144 ч имеет рост растяжением клеток. Начиная с 144 ч гипокотиль растет исключительно растяжением до момента его прекращения ( 264 ч).

. В результате клеточных, делений увеличивается число клеток, а, следовательно, возрастают потенциальные возможности для дальнейшего роста растяжением отдельных клеток и всего гипокотиля.

Клеточный рост изолированного гипокотиля.

Рост изолированного гипокотиля происходит только растяжением клеток. Делений клеток в нем не наблюдали. Клеите закончившего рост изолированного гипокотиля не дорастают до средней длины клеток закончившего рост гипокотиля интактного проростка. Клеточ-

ный рост гипокотиля огурца, таким образом, происходит под влиянием семядолей и корней проростка.

Рост корня проростка огурца.

Сравнение клеточной организации роста гипокотиля и корня.

Результаты клеточного анализа корня проростка огурца позволили определить протяженность меристемы, число и среднюю длину меристе-матических клеток, протяженность зоны растяжения и число клеток в ней, среднюю длину закончивших рост клеток. Эти данные дали возможность рассчитать по формулам (Иванов, 1974) значение митотического цикла (Т), относительную скорость растяжения клеток (Кр) и длительность растяжения (табл.4).

Сравним клеточную организацию роста гипокотиля и корня, В отличие от гипокотиля корень растет в течение длительного времени и достигает несколько большей длины ( 155 мм), Однако кроме самых апикальных клеток продолжительность роста и делений клеток корня значительно меньше, чем у гипокотиля. В период интенсивного роста в одном продольном ряду клеток коры корня на протяжении меристемы примерно 72 клетки. Это число будет возникать, если в потомстве клетки, отделившейся от первой клетки на границе покоящегося центра и основного тела корня, проходит примерно 5 циклов делений до выхода из меристемы (Иванов, 1974). Так как длительность митотического цикла составляет в среднем 8,4 ч, время жизни потомства клеток в меристеме корня составляет 42 ч. Рост растяжением в корне продолжается всего 7,2 часа (табл.4) Поддержание длительного роста корня происходит за счет смены потомств клеток, еы-ходящих из покоящегося центра.

В этиолированном гипокотиле огурца, в котором деления клеток происходят более длительное время, чем у других изученных растений, за время роста число клеток увеличивается примерно в 6 раз Это происходит за счет примерно 6 циклов делений клеток, после чего деления прекращаются, так как в гипокотиле нет покоящеогся центра или аналогичных клеток, за счет которых может поддерживаться длительный рост. В отличие от корня, 5-6 циклов делений в гипокотиле проходят за 5 сут, а продолжительность растяжения составляет от 53 до 71 часов, что значительно больше, чем в корне (табл.4). Таким образом, в отличие от корня клетки гипокотиля, перешедшие к активным делениям, делятся в течение большого вре-

Таблица 4.

Данные сравнительного анализа клеточного роста гипокотиля и корня проростка огурца (в период времени 72 -96 ч. для корня и 96 - 12Q я. для гшокоталя с момента замачивания семян).

Измеряемая величина ГИПОКОТИЛЬ корень

Скорость роста всего органа, мм/ч 1.0 1.1

Длина меристемы , мм 1.2*0.2 1.0*0.2

Средняя длина клеток меристемы , мкм 21.8*3.7 14.2*1.1

Число клеток меристемы 61.5*13.1 72.9*3.9 '

Миготический цикл,ч 26.1 8.4 .

Длина зоны растяжения,мм 15.9*3.0 3.2*0.5

Число растягивающихся клеток 148 41.7*5.4

Длина закончивших рост клеток , мкм 371*41.8 229*24.7

Относительная скорость растяжения клеток, 0.065 0.38

Длительность растяжения , ч 61.1 7.2

мени, ко имеют существенно ■ больичю длктедьность митоти^зотах циклов-. Аналогично клетки, перешедшие к растяжению, растут в гипокотилях дольше, но с гораздо менькей скорость», чем в корнях.

Заключение -

В заключения рассмотрено, как в целом происходи? рост гипокотиля огурца с учетом подученных в диссертации результатов! Длительный роет (11 суток) гипокотиля огурце происходит за счет растяжения клеток и по причине наполнения зоны растяжение вновь образованными клетками в результате происходящих делений. Протяженность растущей часта в каждый момент времени о? момента замачивания семян равна сумме длин меристемн и зоны растяжения клеток. Наиболее активно растущая область гипокотиля переме:цеется в хода его роста акропетаяьно, что обусловлено передвижением зону растяжения клеток, имеющих высокую скорость роста. Наиболее интенсивный рост гмпототидя на 4-5 сутки обусловлен значительной протяженностью йены растяжения клеток я наибоньшим числом клетрк в ней от их общего количества в продольном кортикальном ряду в дачный момент времени. Рост растяжением ш«т преимущественное значение в росте гипокотиля огурца, 8 то же время, образование клеток в процессе деления является необходим?:!?' условием для длительного роста гипокотиля•растяжением.

Проведенный сравнительный анализ клеточной организации роста гипокотиля и корня позволяет заключить, что в основе различий их роста лежит разное строение интеркалярной меристемы гипокотиля и апикальной меристемы корня. Длительный рост корня проростке огурца обусловлен сменой потоштв клеток, выходящих из покоящегося центра. Ивтеркалярная меристема гипокотиля не имеет покоящегося центра, или аналогичных клеток, поэтому после 5-6 циклов делений, деления КЛСТОК КОЩ'^ВТС'Я

ВЫВОДУ

1. Г'ияокотйль этиолированного яятактного проростка огурца растет 11 суток до средней длины 116 мм. Его рост описывается типичной образней кризом. Максимальная скорость роста гипокотиля приходится на 4-5 сутки от момента замачи^ани* семян. В процессе роста гипокотиля наиболее активно расту я$ая область перемещается акрояетально, Веохняя часть гипокотиле1 является областью максима-

льного роста. Б ходе роста гипокотиля растущая часть о 24 ч до 144 ч увеличивается, а затем, с 144 до 264 ч уменьшается до нуля.

2. Существенное влияние на рост гипокотиля оказывают семядоли. Частичное и полное удаление семядолей у проростка уменьшает конечную длину гипокотиля и его верхнего участка, снижает продолжительность роста. Вещества, содержащиеся и образующиеся в семядолях проростка огурца, в большей степени влияют на процесс деления клеток, чем на их растяжение. В изолированном гипокотиле не происходят деления клеток, а клетки закончившие рост, не дорастают до средней длины закончивших рост клеток гипокотиля интактного проростка. Удаление главного корня приводит к образованию придаточных корней, которые почти полностью компенсируют отсутствующую систему главного корня. Рост гипокотиля без главного корня близок к контролю.

. 3. По длине гипокотиля 24-48 часовых проростков можно выделить две зоны клеток: зону деления и зону их растяжения . В 72-120 ч-х гипокотилях имеются все три зоны клеток: деления, растяжения и закончивших рост клеток, Гипокотиля 144-168 ч-х проростков представлены растягивающимися и закончившими рост клетками. 264 ч-ые гипокотили состоят только из закончивших рост клеток.

4. Зона деления и зона растяжения клеток в гипокотиле пространственно разделены. Зона делящихся клеток локализована в верхней части гипокотиля, непосредственно под семядольным узлом, а зона растяжения клеток расположена за зоной деления, ниже,

5. Протяженность зоны деления клеток в гипокотиле огурца в среднем равна 1,3 мм. Все клетки в ней участвуют в пролиферации. Деления клеток происходят в период с 24 до 120 ч и прекращаются между 120 и 144 ч., после 5-6 циклов деления клеток.

6. Делений крупных, растягивающихся клеток, в гипокотиле огурца не происходит,

7. Имеющиеся комплексы клеток в гипокотиле огурца свидетельствуют о происходящих митозах в его верхней части.

8. Клетки, перешедшие к растяжению, растут с гораздо большей скоростью, чем в меристеме гипокотиля. Средняя длина клеток на протяжении зоны растяжения увеличивается в среднем в 10-11 раз.

9. -Зона клеток закончивших рост расположена в нижней части гипокотилей 72 - 240 ч-х проростков, ее протяженность и число клеток в ней неизменно увеличиваются с течением времени, В 264 ч гипокотиле все клетки закончили рост.

10. Выявлено изменение соотношения в ходе роста гипокотиля количества трех типов клеток: делящихся, растягивающихся и закончивших рост. Число делящихся кортикальных меток, в одном продольном ряду с 48 ч до 144 ч уменьшается, а.число растягивающихся возрастает. С 72 ч до 254 ч увеличивается и число закончивших рост ¡меток. Длина клеток по длине гипокотиля значительно изменяется. Независимо от срока фиксации гипокотиля, апикальная область является самой мелкоклетной (20-60 мш). Далее расположены растягивающиеся в 5-11 раз клетки и еще ниже по длине гипокотиля - закончившие рост клетки (360-400 мкм).

11. Рост гипокотиля огурца обусловлен делением и растяжениям клеток. Удлинение гипокотиля происходит в основном в результате роста клеток растяжением. Образовавшиеся е ходе митозов новые клетки создают потенциал для дальнейшего удлинения гипокотиля при переходе их к растяжению.

12. Клетки гипокотиля огурца в отличие от клеток корня делятся в течение боле? длительного времени, но характеризуются больвей длительностью митотического цикла. Рост растяжением клеток гипокотиля происходит дольше, но с гораздо меньшей скоростью, чем в корне.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Широкова Н. П. Рост гипокотиля огурпд// Успехи экологической морфологии растений и ее влияние на смежные науки. Межвузовский сборник научных, трудов. Тезисы докладов, М.: Изд-eo Прометей ШТУ, 1994 - 0,170..

2, Широкова Н. П. Влияние отдельных частей проростка на рост гипокотиля// Биология и экология в системе современного педагогического образования. Материалы межвузовской научно-практической конференции. В 2-х частях - ОПб.ч. 1. 'Гегтсы докладов, С. Петербург - Ставрополь, 1994 г.. С. 31-32.

3, Широкова Н. П. Некоторые закономерности роста гипокотиля огурца// Актуальные вопросы экологической морфологии растений. Межвузовский сборник научных трудов. М.: Над-во Прометей МОГУ, 1995, С. 99-102.

4. Широкова Н. П., Иванов В. В, Рост гипокотиля этиолированных проростков огурца. 1. Рост гипокотиля интактных проростков и проростков с удаленными семядолями и корнями// Физиология растений,

1995, Т. 42, ВЫП. б, С. 905-УЮ.