Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Онтогенетическая изменчивость апексов томата при его переходе от формирования листьев к формированию цветков

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Онтогенетическая изменчивость апексов томата при его переходе от формирования листьев к формированию цветков"

& О"'

г~ ■ На правах рукописи

<---• ш

[ о ! —

•о-•а-

СМ

ЭЛЬ ШАМЕИ ИБРАГИМ ЗАКЕИ

ОНТОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АПЕКСОВ ТОМАТА ПРИ ЕГО ПЕРЕХОДЕ ОТ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТЬЕВ К ФОРМИРОВАНИЮ ЦВЕТКОВ

03.00.12 - физиология растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ-ПУШКИН-1997.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете.

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор БУРЕНЬ В.М.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор БАТЫГИН Н.Ф. доктор биологических наук, ГОНЧАРОВА. Э.А.

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

Защита диссертации состоится " 7 " 199б2г.

в " /У " час. " 2>О " мин. на заседании диссертационного совета Д 120.37.01 в Санкт-Петербургском государственном' аграрном университете по адресу; 189620, С-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе, 2; аудит. 239. корпус 1а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГАУ.

Автореферат разослан "_"_1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие многоклеточных растений включает в себя три основные системы процессов: а) процессы накопления клеток и их растяжение (процессы роста), б) процессы локальной дифференциации клеток (образование тканей) и в) процессы морфогенеза (образование органов). В связи с очевидной в наше время широтой понимания процессов развития растений, приходится исследовать не отдельный фактор развития (фотопериод, гормональный фактор и др.), а последовательную цепь событий, причем, событий, подчиняющихся строгой иерархии и по времени о по структуре. В этом на наш взгляд состоит современный и достаточно трудный подход к изучению онтогенеза многоклеточных растений.

Процесс развитая начинается с деления зиготы и ее дочерних клеток. Трудно сказать, какой сигнал требуется клетке для того, чтобы она приступила к делению, но несомненно, что основные компоненты содержимого клеток перед делением должны удвоиться по массе. Это в первую очередь относится к ДНК. Ее удвоение должно быть точным.

Такая логика позволяет считать, что деление клеток определяется притоком к ним метаболитов общего обмена. Они необходимы для удвоения массы органелл материнской (делящейся) клетки.

Процесс растяжения клеток - это первый шаг на пути к их дифференциации. Он характерен чаше всего для клеток, которые прекратили деления (за исключением клеток камбия). Мы склонны считать, что и растяжение, и дифференциация возможны, как правило, для тех клеток, которые включены в популяцию плотно адгезировавших клеток и находящихся внутри популяции , а не на ее периферии. Группы дифференцированных клеток составляют специфические ткани. Но это только часть проблемы онтогенеза. Почти одновременно с локальной дифференциацией клеток или чуть позже в зоне дифференцированных клеток начинаются процессы морфогенеза, т.е. образование органов. В основе морфогенеза лежит принцип локальной ориентации делений клеток. Система, состоящая из локально дифференцированных клеток, окруженных несколькими слоями меристематических клеток, способна функционировать как морфогенная структура. В системе с дифференцированными клетками появляется возможность локализовать транспорт метаболитов и ориентировать его поток к меристематическим клеткам. Последние, получая метаболиты изнутри популяции, образуют клеточные пластинки по направлению, перпендикулярному потоку метаболитов. Клетки, контактирующие с дифференцированными, делятся периклинально. Популяции клеток, образующиеся за счет так ориентированных делений, представляют собой зачатки органов (листьев,

цветков. цветковых чешуй, тычинок, пестиков и др.). Исследуя механизмы развития, необходимо не только учитывать, но и конкретно понимать роль структур, возникших ранее, как доноров метаболитов и как каркаса для размещения вновь возникающих тканей и органов.

Мы изучали:

1. Изменение клеточных структур вегетативных и генеративных органов томата под действием азотных удобрений.

2. Основные характеристики апексов томата, образующих зачатки листьев.

3. Пути перехода филлогенного апекса к флоригенному.

4. Основные характеристики апекса, образующего зачатки цветков.

5. Физиологические подходы к обоснованию спирального расположения листьев у томата.

Научная новизна.

). Апекс томата, способный формировать примордии листьев, в плоскости поперечного сечения состоит из 200 клеток. Лист закладывается популяцией, состоящей из 80 клеток в плоскости основания.

2. Филлогенный апекс состоит из двух зон меристематических клеток, по 5 слоев в каждой зоне, и 6 слоев дифференцированных клеток.

3. Для перехода апекса в флоригенное состояние, в плоскости его основания должно накопиться более 500 клеток.

4. Филлотаксис у томата основан на образовании локальных зон дифференцированных клеток, которые ориентируют деления меристематических клеток. Из ориентированно делящихся клеток образуются примордии листьев.

Положения выносимые на защиту.

1. Органы томата, листья и цветки, образуются за счет ориентированных делений меристематических клеток. Ориентацию делений обеспечивают популяции локально дифференцированных клеток апекса.

2. Флоригенный апекс отличается от филлогенного апекса своими параметрами. Он имеет большее число клеток по диаметру и большее число слоев дифференцированных клеток.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПГАУ в 1995 и 1996 г., на Всероссийском съезде физиологов растений (Пенза, 1996). По теме диссертации опубликована 1 работа.

Объем работы.. Диссертация изложена на /Л?., страницах, включает 30 таблиц и 24 рисунка. Список использованной литературы состоит из 149 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Развитие как процесс накопления клеток, их локальная дифференциация и морфогенез

В основе развития многоклеточных растений лежат последовательно сменяющие друг друга процессы, начиная от адгезии клеток в популяциях и заканчивая морфогенезом. Эти процессы включают в себя шесть законов, по которым развиваются растения. Клетки делятся, адгезируют и образуют популяцию с критическим числом клеток. Только популяция с критическим числом клеток способна создать градиенты факторов срезы по радиусу популяции. Возникшие градиенты активируют гидролитические ферменты в клетках, расположенных внутри популяции. В результате гидролиза в клетках накапливается осмотически деятельные вешестаа. За счет этого в клетки поступает вода и клетки растягиваются. Так начинается локальная дифференциация клеток. Из растягивающихся клеток формируется элементы проводящих тканей (членики сосудов и ситовидных трубок) и клетки прокамбия.

С дифференцированными клетками контактируют меристематические клетки, расположенные в несколько слоев по периферии популяции. Меристематические клетки получают от дифференцированных питательные вещества и ориентированно делятся. За счет таких делений образуются зачатки органов.

В обзоре литературы о эмбриологии томата использованы данные из монографии Косовой и Кику (1986), на основании которых рассмотрен путь превращения от зиготы до формирования зародыша с двумя семядолями и апексом. Такой зародыш находится в семени томата. Дальнейшие изменения апекса обсуждаются на основе полуденного экспериментального материала.

2. Объекты и методы исследования

Опыты проводили на кафедре физиологии растений СПГАУ с 1992 по 1996 г. В опытах использовались семена томата, предоставленные ВИРом, следующих сортов различных групп спелости: Киевский 139 ( ранний ), Белый налив ( средне-ранний ), Факел ( средний ) и Олимпиец ( поздний ). Опыты проводились в оранжерее и в сетчатом павильоне кафедры физиологии растений.

Методика вегетационного опыта. Растения томата выращивали в вегетационных сосудах емкостью 5 кг смеси торфа и дерново-подзолистой почвы ( 1:3 ). В сосуды вносили удобрения из расчета на сосуд: суперфосфат - 3,8 г, КС1 - 2,4 г., азотные удобрения вносили в количестве

-42,2 г. ( однократная доза). Дозу азота увеличивали по вариантам: 2 дозы, 4 дозы, 6 доз и 8 доз. Контролем служили растения варианта №)РК. Повторкость опытов шестикратная.

В сосуд высевали по 5 растений, к цветению в сосуде оставляли одно растение.

Вели уход за растениями и наблюдения за ходом развития.

Определяли основные параметры апексов растущих растений. Апексы препарировали и под микроскопом МБИ-15 со специальным окуляром измеряли расстояние по прямой между самыми молодыми примордиями листьев. Высота апекса - расстояние от линии диаметра до верхушки апекса. У растений вегетационных опытов делали поперечные срезы стеблей и на них определяли число клеток в коре, камбии и сердцевине.

Содержание хлорофилла определяли на спектрофотометре при длине волны 663 нм (хлорофилл а) и 646 нм (хлорофилл Ь).

Нитраты в листьях определяли из растворов атомокалиевых квасцов. Измеряли потенциал нитратного ионоселективного электрода на ионометре типа ЭВ - 74. Концентрацию нитратов находили по калибровочному графику на основании измеренного потенциала а мВ.

Активность амилаз в листьях томата определяли по количеству гидролизованного крахмала в единицу времени с использованием спектрофотометра при длине волны 595 нм.

Постоянные препараты апексов и стеблей томата готовили по методике Абрамовой, Карлинского ( 1968 ). Эта методика состоит из нескольких операций, включающие фиксацию исследуемого объекта, промывку, обезвоживание, заливку в парафин. Затем с помощью микротома изготавливались тонкие срезы. Перед окраской для удаления парафина срезы проводили через ряд смесей. Подготовленные срезы апексов окрашивали красителем генциановьш фиолетовым по Ньютону. Для анализа клеточного состава стебля использовали сафранин и светло-зеленый по методике .ГоЬашеп ( 1940 ). После обезвоживания и дезинфицирования препараты заключались в канадский бальзам.

Стандартное отклонение определяли на микрокалькуляторе МК-51.

3.1. Клеточные структуры стебля томата

Азот стимулирует рост органов растений и по их длине, и по диаметру. Наши исследования показали, что под действием азота длина стебля томата увеличилась в 3-4 раза ( в зависимости от сорта ) ( табл. 1 ). При этом изменялись параметры тканей. Так, толщина коры над проводящим пучком увеличилась в 4-5 раз, между пучками - в 2-4 раза. Диаметр сердцевины возрос в 2,5-4 раза. Одновременно увеличились диаметры

Таблица 18.

Характеристика структуры стебля томата сортов разных групп спелости ( под первой кистью при у борке ).

Толщина коры, мм Толщина % Мансималь. Число слоев клсток коры Число

Сорт Вариант Толщина между гад сердцевины разрушения диаметр кси- между над слоев кле

стебля, мы пучками пучком мм сердцевины лемног пучками пучком ток ссрд

элемента певины

М„РК 4.05+0.14 0,1010,01 0,21 ±0,04 3,4310,16 0,00 0,0610,004 5,310,57 6,310,57 38.611.5

Белый М,РК 7.4310.42 0,3910,03 0,8410,16 4,44Ю,67 26,4 0,10+0,017 6.010,00 8,010.10 37.011,7

налив ^РК 10,1611,17 0,42+0,04 1,0110.10 6,8610,39 27,9 0,1210,009 6,611,10 9.6Ю.57 34,311,5

К„РК 12,3810,84 0,4910,06 1,14+0,08 8,09Ю,45 44,6 0,14+0,007 7,011,00 9,611,15 27,612.5

К'бРК 9.82Ю.90 0,40Ю,05 1,0910,07 6,0810,34 52,8 0,1310,008 6,610,57 10.310,57 17,312.0

к^к: 4.32±0.38 0,2610,01 0,37+0,05 2,9810,28 0,00 0,0510,008 5,310,57 6+0,00 35,312,5

1Ч-,РК. 8.08Ю.68 0,41+0,02 0,9310.17 5,3710,42 28,8 0,1110,001 6,310,57 710.00 40,012,6

Факел Ы2РК 13,1211,2 0,24+0.05 1,6210,22 9,2111,56 34,4 0,12+0,015 6,611,15 11,312,00 30,613,0

К',РК 13,5911,03 0.4910,07 1,30+0,09 9,89+1,27 67,2 0,13+0,007 8,610,57 12,311,52 14,612.5

ИвРК 10,6510,66 0,5410,04 1,4110,15 7,3010,84 89,9 0,1310,010 7,311,5 11,311,52 10,012.6

ИуРК 3.5X10.16 0,1010.01 0,2910,02 2,8310,21 00,0 0,0610,011 4,610,57 5,610,57 28,012,6

Ы,РК 8.1211,08 0,32М.06 0,67^0,19 5,8010,88 49,1 0,1210,008 6,611,15 10,311,52 25,613.0

Олимпиец Ы2РК 14,1411.23 0,4310,06 1,07+0,21 10.6810,69 70.3 0,1310,011 7,310,57 8,611,15 18,3.12,0

Ы„РК 14,9711.02 0,4210.05 1,18+0,24 11,4110,95 93,3 0,1210,017 7,310,57 10,6+1.52 9.612,0

ы„рк 11,7110,52 0.21Ю,01 1,1910,19 9,0110.88 88,4 0,1310,001 6,010.00 8,310.57 13.312,8

крупных ксилемных элементов и число слоев клеток коры ( табл. 1 ). Опыты показали, что под действием азота также возросли диаметры клеток коры, особенно над проводящими пучками.

Повышенные дозы азота ( Ы6РК ) сдерживали рост стебля по диаметру, но поздний сорт томата - Олимпиец реагировал на азот большим увеличением диаметра стебля по сравнению со средним и ранним сортами (табл. 1 ).

3.2. Клеточные структуры филлогенного апекса

Апекс томата, заложившись еще в зародыше, способен формировать листья и, притом, разное их число. Это свойство апекс сохраняет до момента его перехода к образованию цветков.

Апекс побега, образующий листовые примордии, мы назвали филлогенным в отличие от апекса, образующего зачатки цветков. Апекс, формирующий зачатки цветков мы назвали флоригенным.

Апекс образует листья в зоне своего инициального кольца. Продольные срезы апексов позволили установить, что филлогенный апекс по диаметру имеет 16 слоев клеток (табл.2).

Таблица 2.

Число и расположение клеток в филлогенном апексе томата.

Число слоев клеток Число клеш

Состояние по по окруж по диффере в

апекса диаметру ности высоте нцирован основа Всегс

ных НИИ

Образует листья 16±1,6 50±4,5 5±0,9 6±0,7 200±40,7 500±80

Из них 6 слоев - дифференцированных клеток, которые расположены внутри апекса. К периферии от этих клеток расположено 2 слоя периферийных клеток по 5 клеток в каждом слое (табл.2). В основании поперечного сечения филлогенного апекса расположено 200 клеток. Апекс из такого состояния способен заложить зачатки листа (табл.3).

Результаты подсчетов чисел клеток показали, что у томата, независимо от условий азотного питания, лист формируется популяцией меристематичсских клеток, у которой по диаметру расположено 10 слоев клеток (табл.3). По форме основание зачаточного листа близко к кругу и

при радиусе в 5 клеток (10:2) плоскость основания будет состоять из 80 клеток (п) (п=1Ж2, где 11=5, п=80). Поскольку апекс в зоне инициального кольца имеет 50 слоев клеток, этого числа вполне достаточно для заложения примордия листа.

Таблица 3.

Число и расположение клеток в зачатке листа томата.

Формиру емый орган Диаметр основания зачатка, мкм Число слоев клеток Всего клеток

по диаметру основания в плоскости основания по высоте

Лист 90±3,2 10±0,7 80±10,9 3,3±0,4 130±34,2

Последовательность процессов, которые приведут к образованию зачатка листа, будет состоять в том, что апекс накопит критическое число клеток (всего 500, по диаметру - 16), по радиусу основания такого апекса возникнут градиенты факторов среды, за счет этого активизируются гидролитические ферменты и внутренние клетки апекса (6 слоев) дифференцируются. Такие клетки, имея свободные метаболиты, ориентируют деления периферийных меристематических клеток на периклинальные. Эти клетки дадут зачаток листа. Одновременно с образованием одного зачатка листа, который формируется в определенном месте апекса, клетки в других зонах апекса делятся, дифференцируются и очередной лист заложится несколько выше предшествующего и в другом месте апекса. По такому правилу формирования зачатков листьев возникает генетическая спираль, филлотаксис. Физиология филлотаксиса обоснована вкратце в конце реферата.

3 .3. Клеточные структуры апекса томата, переходящего к формированию цветков

По ходу экспериментов мы обнаружили состояние апекса, которое назвали промежуточным. Такой апекс не формирует ни листьев, ни цветков.

Апекс, образующий зачатки листьев, по высоте имеет 3-5 слоев клеток, промежуточный апекс - от 14 до 22 слоев (табл.4 ).

В табл.4 приведены данные, характеризующие более раннее состояние переходного апекса и более позднее, перед образованием зачатков цветков,

Таблица 4.

Клеточные структуры апексов, переходящих к образованию цветков.

Состояние апекса Диаметр апекса, мкм Высота апекса, мкм Число клеток Число диф ференциро ванных кл« ток в центр

по диаметру по высоте

Переходящ. 324±12,3 176+0,5 25±0,5 14±1,5 5+0,0

Переходящ. 325±8,5 233±3,6 25±1,8 22±0,8 5±0,0

Такое значительное число клеток по высоте является наиболее надежным признаком того, что такой апекс не будет формировать листья. По диаметру промежуточный апекс имеет 25 клеток. И всего в таком апексе содержится от 3430 клеток (раннее состояние) до 10780 (предфлоральное состояние). Можно считать, что такое промежуточное состояние апекса достигается взрывом скорости образования клеток. Такой интенсивности накопления клеток в апексе ранее не наблюдалось.

3.4. Клеточные структуры флоригенного апекса томата

Сформировав листья и немного задержавшись в промежуточном состоянии апекс побега томата приступает к формированию цветков. Зачатки цветков - это зачатки новых, генеративных органов, но в начале своего развития они, как и зачатки вегетативных органов, состоят из популяций меристематических клеток.

Зачатки цветков отличаются от зачатков листьев и числом в них клеток, и расположением клеток (табл.5).

По диаметру флоригенного апекса расположено 27 слоев клеток, из них 8 слоев дифференцированных. По диаметру расположено еще две зоны меристематических клеток, каждая из которых состоит из 9 слоев клеток, включая тунику. Диаметр флоригенного апекса составляет 350

мкм, его высота - 255 мкм (табл.5). Кроме отличий по числу клеток, флоригенный апекс имеет иную форму.

Таблица 5.

Характеристика основных параметров флоригенного апекса томата. _( начало заложения цветочных бугорков )._

Диаметр Высота Число слоев клеток

Состояние апекса, апекса, по по дифферен-

апекса мкм мкм диаметру высоте цированных

Флоригенное 370+3,5 250+4,0 27,3+0,5 17,3±0,5 8±0,0

Он близок к цилиндру. В плоскости поперечного среза флоригенный апекс состоит из 572 клеток. Весь флоригенный апекс содержит около 9724 клеток. Среди этих клеток - есть 8 слоев дифференцированных клеток, расположенных по диаметру, и 9 слоев, расположенных на высоте апекса. Вся популяция дифференцированных клеток содержит 502 клетки. На збразование первых зачатков цветков флоригенный апекс может затратить 5222 клетки (9724-502=9222).

В состоянии, когда зачатки цветков надежно выделились на апексе, «ы нашли их основные характеристики, которые представлены в табл.6.

Таблица 6.

Основные параметры зачатков цветков томата._

Диаметр Число слоев клеток

Зачатки основания, Высота, по по

цветков мкм мкм диаметру высоте

1 205±5,0 110±5,0 17±1,0 11 + 1,0

2 195±5,5 95±11,0 16±1,0 9±2,0

Цветок томата в момент заложения состоит из 17 слоев клеток по щаметру, более молодой зачаток - из 16 слоев. Зачаток каждого цветка формируется сразу так, что около 16-17 слоев клеток делятся одновременно периклинально. Такое согласованное деление клеток ¡озможно потому, что меристематичеекие клетки "посажены" на гопуляцию дифференцированных клеток.

Последовательность процессов, приводящих к образованию зачатков ¡ветков, в целом, сходна с процессами образования зачатков листьев. Только в дальнейшем зачаток цветка, имеющий в своем составе

значительно больше клеток, чем зачаток листа, сможет образовать новые структуры - чашелистики, лепестки, тычинки и пестик.

3.5. Физиология филлотаксиса у томата.

Филлотаксис - порядок расположения листьев на стебле.

У томата каждый пятый лист расположен над первым по вертикали. При этом спираль, соединяющая последовательно расположенные листья, делает два оборота.

После того, как заложился примордий первого листа, на расстоянии немного меньше, чем 0,5 оборота спирали, сформируется примордий второго листа. Это происходит потому, что внутри апекса, в его дифференцированных клетках, выделяется донорная зона (ДЗ ), из которой метаболиты перетекают в меристематические клетки и обеспечивают их локальные и ориентированные деления. Так сформируется примордий второго листа.

Меристематические клетки примордия сразу не дифференцируются и не используют метаболит^. Тогда внутри апекса выделяется третья донорная зона. Она даст зачаток третьего листа. Эта последовательность событий будет повторяться столько раз, сколько зачатков листьев будет заложено ( до 12 раз у томата ). Одновременно один зачаток листа над другим, в принципе, не может заложится.

Предложенная модель основана на накоплении клеток, которое регулирует генетический фактор, и эпигенетических процессов, основу которых составляют взаимодействия между клетками.

Результаты наших опытов и состояние современной логики в генетике и морфологии позволяют предложить такую модель:

иРНК накопление деление

ДНК тРНК синтез белка функции белка метаболитов клетки рРНК в клетке

популяция локальная образование образование целого многокле-клеток дифферен органов точного организма в т.ч. томата

циация

В этой модели на пути от функции ДНК к признаку введена популяция клеток. Только в популяции возможна локальная дифференциация клеток ( образование тканей ) и только популяция, имеющая соответствующее число клеток, способна заложить орган в

определенном месте. Образование тканей и органов, их соответствующее расположение и есть процесс формирования многоклеточного организма.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Под действием азота увеличивается диаметр стебля томата. Азот у томата увеличивает, в основном, диаметр коры и сердцевины и их клеток, а также проводящей системы.

2. Примордий листа томата образуется в результате ориентированных делений меристематических клеток апекса и состоит из 80 клеток в плоскости основания.

3. Апекс, способный формировать зачаток листа, в плоскости поперечного сечения инициального кольца состоит из 200 клеток.

4. Филлогенный апекс состоит из 2 зон меристематических клеток, по 5 слоев клеток в каждой зоне, и 6 слоев дифференцированных клеток.

5. Апекс образует примордий листа потому, что метаболиты дифференщтрованных клеток ориентируют деления меристематических клеток в зоне инициального кольца.

6. Апекс томата, сформировав примордий листьев, имеет период, когда он не формирует ни листьев, ни цветков - переходящий период.

7. В переходящий период апекс томата состоит из 25 слоев клеток по диаметру. Из них - 5 слоев дифференцированных клеток. Такой апекс состоит из 10780 клеток.

8. Апекс, способный заложить примордий цветка состоит из 572 клеток в шюскости поперечного сечения. Такой апекс имеет 8 слоев дифференцированных клеток.

9. Зачаток цветка томата состоит из 230 клеток в плоскости поперечного сечения и по высоте - 10 слоев клеток.

10. Физиология филлотаксиса у томата основана на последовательном использовании метаболитов дифференцированных клеток для локальных делений клеток, которые входят в состав примордиев листьев.

Опубликованная работа

Buren V.M., El.Shamey I.Z. The role of metabolites in phylotaxis of tomato. -Physical-Chemical Basis of plant physiology. Pushchino, 1996, p.63