Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности развития пшениц, различающихся по одному гену систем VRN и PPD

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Особенности развития пшениц, различающихся по одному гену систем VRN и PPD"

г. П?

Г; у

РОССИЙСКАЯ АКАДВ.Ш НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИИ имени К.А.ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи

ФЕЩЕНКО Владимир Владимирович

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПШЕНИЦ, РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ОДНОМУ ГЕНУ СИСТЕМ Ш и РРС

03.00.12 - физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Отологических наук

Москва, 1992

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН

Научный руководитель: кандидат биологических наук В.3.Подольный . кандидат биологических наук Н.П.Аксенова

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор В.Б.Иванов кандидат биологических наук Т.А.Ежова

Ведущее учреждение - Государственный.Ботанический сад РАН

Защита состоится 1992г. вЮ~ часов на заседщ

Специализированного совета по присуждению ученой степени кандид; биологических наук (К 002.45.01) при Институте физиоло! растений т. К.А.Тимирязева РАН по адресу: 127276 Моста Ботаническая ул., 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан "¿0" Л^Ь^^Я 19Э2г.

Ученый секретарь Специализированного совета канд. биол. наук

Л.И.Сергеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Переход растений к генеративному развитию - это ^ЙЗДгйЙт; взаимодействия разных органов растения. Взаимодействие между ними осуществляется посредством фитогормонов.

Взрослые листья могут быть местом восприятия индуцирующего воздействия, местом образования фитогормонов, а в конечном итоге -флорального стимула. Б стеблевом апексе происходит реализация действия гормонов, флоральный морфогенез. Эти два органа растений в основном и служили объектами изучения проблемы цветения (Чайлахян, 1936,1964,1975; МошковЛЭЗб; Миляева и др., 1984).

Однако, можно предположить, _что зона роста, расположенная под апексом, может влиять как на судьбу флорального стимула, идущего из листьев, так и на процессы морфогенеза в апексе. В этой зоне находятся молодые и зачаточные листья, . которые являются мощным источником" фитогормонов (Wardlow,I965; Jacobs,1965) и определяют закладку проводящей системы в стебле (Sachs,1981; Aloni,I987). Исходя из этого они играют большую роль в регуляции донорно-акцепторных отношений в растении. Несмотря на важность этой зоны в координации процессов развития, систематических исследований, направленных на выяснение ее конкретной роли в регуляции перехода к цветению очень мало (Подольный, Четвериков,1986; Подольный и др.,1990).

Обнаружение у растений генов, контролирующих развитие (Reíd, Hurí et,I977¡ Muríet,I979; law et al.,1976; Napp-Zlnn,I979;), позволяет найти новые подходы для разрешения проблемы перехода к цветению. К настоящему времени лишь небольшое число видов растений (горохи, арабидопсис, пшеницы) исследовано генетиками настолько полно, чтобы создать генетические линии, отличающиеся по одному или нескольким генам, т.е. минимальным числом причин.

Создание модели пшениц, oтличáющиxcя между собой по одному гену развития систем vrn и ppd позволяет глубже проникнуть в механизмы, обусловливающие отношение пшениц к яровизации и дайне дня, выявить последовательность событий индукции на уровне целого растения. Таким образом, становится возможным изучение физиологических аспектов действия генов.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью. нашей работы было на основе полученной генетической модели трех биотипов пшениц, различающихся между собой по одному гену систем vrn и ppd. выяснить насколько молодые растущие листья вовлечены в процесс перехода растений к

цветению.

Б задачу работы входило:

1. Изучить рост апексов и листьев у растений разных биотипов в зависимости от длительности яровизации.

2. Исследовать влияние длины дня на рост апекса и молодых листьев у разных биотипов пшениц.

3. Изучить влияние экзогенной гибберелловой кислоты на переход растения пшениц разных биотипов к цветению.

4. Определить активность инвертазы в зоне роста у разных биотипов пшениц.

5. Определить содержание пролиферативного антигена инициалей в зависимости от фэтопериодаческих условий у линий пшениц, отличащихся по одному гену ррс1.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Использование генетической модели трех биотипов пшениц, различающихся по одному гену систем угп и ррй позволяет более точно исследовать особенности перехода их к закладке колоса, позволяет выявить различия в чувствительности растений к яровизации и длине дня.

Впервые показано, что у озимой пшеницы длительность яровизации прямо пропорционально связана с усилением роста молодых и зачаточных листьев, как в условиях длинного, так и в условиях короткого дня, у озимой пшеницы. Также показано, что у двуручки яровизация может частично заменять влияние длинного,дня.

Установлена тесная корреляционная связь, близкая к функциональной, между ростом молодых листьев и развитием растений пшеницы в условиях длинного дня.

Впервые показано, что экзогенная гибберелловая кислота заменяет потребность в длинном дне-у растений пшеницы, несущих рецессивные гены ррй (двуручки и озимой яровизированной), при ее применении на коротком дне и не оказывает существенного влияния на развитие яровой пшеницы, несущей доминантный ген Ррй.

Выявлена более высокая активность инвертазы у растений пшеницы на ДД, чем на КД, причем, существенно большие различия под влиянием фотопериодического воздействия наблюдались у двуручки (рецессивные гены ррй),чем у яровой пшеницы (доминантный Ррй).

Впервые показана большая разница в пролиферативной активности у растений с рецессивными генами ррй на длинном дне по сравнении с коротким, чем у яровой пшеницы, несущей доминантный Ррй. Теоретическая и практическая ценность работы. Полученные в нашей

рэооте данные расширяют современное представление о регуляции роста и развития растений, в частности связанное с физиологическими аспектами действия генов развития. Обнаружение нами тесной корреляции между ростом молодых листьев и апексов у пшеницы в индуктивных условиях, определение активности инвертазы и содержания пролиферативного антигена инициалей в зоне роста свидетельствует о наличии в этой зоне сильного акцептора, включающего в себя прежде всего молодые листья. Это открывает перспективы для более глубокого и детального изучения коррелятивных взаимоотношений в растении на цитологическом, биохимическом и молекулярном уровнях. Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на II Всесоюзном совещании "Генетика развития"(Ташкент,1990), на II съезде ВОФР(Минск,1990), на Международном молодежном конгрессе то физиологии растений(Варна, Болгария,1990), на 14-ой Международной конференции по ростовым веществам растений (Амстердам, Нидерланды, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка использованной литературы. Диссертационная работа изложена на /Щ страницах машинописного текста, содержит /О таблиц и 2-0 рисунков. Список цитируемой литературы включает /¿^наименований, из которыхна иностранных языках.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами наших исследований были растения трех биотипов пшениц: яровые пшеницы Альбидум-43 и Московская-21, озимая пшеница Эритроспермум-993 и двуручка, полученная в результате скрещивания яровой Московская-21 и озимой Эритроспермум-998.

Результаты генетического анализа, проведенного на кафедре генетики МГУ им. М.В.Ломоносова показали, что яровая Московская-21 и озимая Эритроспермум-993 отличаются между собой по одному гену системы 7гп, ответственной за чувствительность к яровизации, и по одному гену системы ррй. ответственной за реакцию растений на длину дня (Агамалова и др,1987). При проведении генетического анализа, который делается путем, скрещивания, во II поколении выделилась форма-рекокбинант, обладающая свойства»® двуручки. У двуручки все гены системы ррй 'такие же, как у озимой, т.е., в рецессивном

состоянии, а гены vrn, как у яровой формы, т.е., один ген этой системы доминантен.

Растения пшеницы выращивали . в камерах фитотрона при лшинисцентном освещении 35 тыс.эрг/см2 с и температуре 20°+1°С и в вегетационных домиках на длинном (18 часов) и коротком-(9 часов) дне. Для выяснения действия генов vrn на рост и развитие пшениц наклюнувшиеся семена озимой формы и двуручки ■ предварительно выдерживали разное количество' дней (20, 40 , 60) в условиях низкой положительной температуры +2°С в холодной комнате. Яровизации проводили таким образом, чтобы она заканчивалась для всех вариантов в один и тот яе день. Контрольные (неяровизированные) семена ставили на проращивание за три дня до снятия действия яровизации с тем, чтобы подравнять различия в росте.

Перестановки с длинного дня на короткий и наоборот делали и в камерах фитотрона, и в вегетационных домиках. Измеряли размеры листьев и высоту апикальной меристемы с помощью бинокуляра МБС-9. Переход растений из вегетативного в генеративное состояние определяли по двун критериям: 1)по степени дифференциации апекса на основании просмотра апексов под бинокуляром; 2)по размерам апекса, так как в известных пределах увеличение высоты апикальной меристемы отражает скорость развития растений. Как правило, апекс длиной более 0.6 нм является репродуктивным. В тех же случаях когда размеры вегетативного и репродуктивного апекса сопоставимы, ш использовали первый критерий и отдельно оговаривали это в тексте.

В экспериментах с экзогенной обработкой гиббереллином использовали гибберелловую кислоту в концентрации 100 мг/л.

Активность кислой инвергазы определяли по методу, предложенному А.Л.Курсановым с соавт. (Курсанов .и др.,1976; Туркина,Соколова, 1971). Содержание суммарного водорастворимого белка определяли по методу Бредфорд (Braáíord,1987).Содержание пролиферативного антигена инициалей"определяли с помощью иммунохимического метода, разработанного А.Д.Володарским с сотрудниками (Володарский, Тихоновская,1936). В ходе биохимических экспериментов высечки из растений фиксировали и хранили в жидком азоте.

Фотографирование апексов производили с помощью светового микроскопа. При злектронномикроскопических исследованиях

использовали общепринятую методику.

Обсчет полученных данных производился на Kop-Videocian фирмы Reichert и персональном компьютере IBM PC.

Опыты проводили в 3-5 химических и в 4-6 Оиолопхеских повторкостях.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ I. Влияние системы генов тгп на рост и развитие апикальной меристемы и листьев у пшениц разных биотипов Различия по генам тгп отчетливо видны в условиях длинного дня, когда снимается влияние генов ррй (Рис.1). На рисунке видно, что ход развития всех трех биотипов на ДЦ проявляет следующие черты: яровая Форма, двуручка и озимая яровизированная пшеницы относительно быстро переходят к репродуктивному развитию (переход к репродуктивному развитию мы оценивали по состоянии апикальной меристемы). Озимая неяровизированная пшеница сильно отстает в развитии, увеличения апекса у нее практически нет несмотря на благоприятный ДЦ. Такие контрастные отличия между озимой пшеницей, полностью яровизированной (в течение 60 суток) и кеяровизированной совсем, обусловлены наличием в их геномах всех генов тгп в рецессивном состоянии.

Таким образом, видно как отличие по одному локусу тгп меняет ход развития. Представляло интерес выяснить как влияет различная длительность яровизации(20, 40, 60 дней) на ход развития апикальной меристемы, на рост зачатков листьев. В качестве контроля мы исполь-зозали неяровизированные растения. Пшеницу выращивали на-ДД и КД.

Как видно на рисунке 2, в индуктивных условиях полностью яровизированные растения озимой пшеницы на 17-е сутки переходили к закладке колоса. Остальные варианты (0, 20, 40 дней яровизации) на эту дату оставались вегетативными. При обсчете средних значений высоты апикальной меристемы ке наблюдалось • достоверного различия

между перечисленными вариантами.

Рис.2. Динамика роста апикальной меристемы у озимой пшеницы на длинном дне после 60 дней(1), 40 дней(2), 20 дней(З) яровизации, у неяровизированных растений(4) и на коротком дне после 60 дней яровизации(5),

дни

Что касается роста листьев, то в отличие от апексов, даже недостаточная яровизация стимулировала рост листьев верхних ярусов (т.е., молодых и зачаточных) как на ДД, так и на КД, причем,- чем длительней была яровизация, тем больше стимуляция. Яровизация снимает торможение роста листьев, а усиление их роста предшествует ускорению закладки колоса. Для примера представим данные по 6-ому листу у озимой пшеницы на ДЦ (рис.За), и на ..КД (рис.36), причем,

05 . ы » о

1

Й] . 1 к

Рис.3. Динамика роста 6-го листа у озимой пшеницы:а)на длинном дне после 60(1), 40(2), 20(3) дней яровизации и у неяровизированных растений(4); б) на коротком дне после 60(1), 40(2), 20(3) дней яровизации и у неяровизированных растений (4).

здесь обнаружена положительная зависимость от длительности яровизации не только размеров листа, ко и времени его заложения на ДД и на КД. Однако максимальная стимуляция роста молодых листьев отмечена все-таки у растений, перешедших к репродуктивной стадии развития.

Мы сопоставили степень связи между ростом листьев и апекса у всех вариантов и сравнивали попарно О - 20,0 - 40,0 - 60 дней яровизации и все варианты на определенную дату(табл.I).Оказалось,что связь тем

выше, чем больше длительность яровизации, чем больше возраст

ТАБЛИЦА I

СОЭФФИЦИЕНТ КОРРЕЛЯЦИИ NEW РОСТОМ ЛИСТЬЕВ И АПЕКСА У ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ В УСЛОВИЯХ ДЛИННОГО ДНЯ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЯРОВИЗАЦИИ

дата учета

10 -е сутки 13-е сутки 17-е ci'.-j!

вариант ярус листа ярус листа ярус мета

2-й 5-й 6-й 2-й 5-й 6-Й г-?. 5-й 6-й

0-20-40-60 -0.18 0.30 0.56 -0.44 0.55 0.77 -0.24 0.91 0.96

0-20 -0.03 0.34 0.45 0.28 0.40 0.49 0.05 0.38 0.60

0-40 -0.25 0.64 0.49 0.09 0.19 0.38 0.51 0.41 0.49

0-60 -0.44 0.86 0.87 -0.72 0.54 0.79 -0.93 0.92 0.96

растений и чем выше ярус листа. В момент перехода к закладке колоса степень связи у 5-го и 6-го листа достигает максимальной величины близкой к I, т.е. это уже не коррелятивная, а функциональная

ТАБЛИЦА 2

КОЭФФИЦИЕНТ КОРРЕЛЯЦИИ МЕЖДУ РОСТОМ ЛИСТЬЕВ И АПЕЕССА У ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ В УСЛОВИЯХ КОРОТКОГО дая ПОСЛЕ РАЗЛИЧНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЯРОВИЗАЦИИ

дата учета

10- -е сутки 13-е сутки 17-е сутки

вариант ярус листа ярус листа ярус листа

2-й 5-й 6-й 2-й 5-й 6-й 2-й 5-й 6-Й

0-20-40-60 -0.20 0.32 0.41 0.56 -0.22 -0.35 0.39 0.22 С.06

0-20 0.50 0.32 - 0.51 -0.30 -0.16 0.71 0.16 0.12

0-40 -0.23 0.17 -0.06 0.70 -0.37 -0.36 0.78 -0.03 0.08

0-60 -0.14 0.54 0.60 0.49 -0.11 0.04 0.38 0.33 0.48

зависимость. На коротком дне (табл.2) коэффициент корреляции между ростом молодых листьев и апекса был низким, иногда - отрицательным, и это понятно,поскольку апекс з-этом случае оставался вегетативным,

достоверного увеличения его высоты не наблюдалось. Таким образом, высокая степень связи наблюдается только в условиях перехода к репродуктивному развитию.

Развитие растений двуручки, получивших разную по длительности яровизацию (О, 20, 40 дней) на ДЦ не отличается сколько-нибудь значительно между собой. На 14-15 сутки все варианты на ДД перешли к репродуктивному развитию (рис.4).

При выращивании растений этих же вариантов на КД оказалось, что яровизация - 20 и 40 дней - частично заменяет потребность в длине дня. Растения двуручки после яровизации на КД быстрее переходят к цветению, чем неяровизированные. Так, на 35-е сутки (рис.4) яровизированные растения уже имели репродуктивную апикальную меристему в отличие от неяровизированных, где даже несколько удлиненный апекс оставался вегетативным.

о11 1 1 1 ч 1 ' I 11 ) ' 1 1 1 ч 1 1 I 1 1 I ■ ■ I 1 1 I 11 I 1 О 3 6 9 1216132124 27 00 33 дни

Что касается скорости роста листьев у этих растений на КД, то оказалось, что, как и в случае'с озимой пшеницей, у яровизированных вариантов она была значительно выше, чем у неяровизированной двуручки. Между растениями яровизированными в течение 20 и 40 дней нет достоверной разницы по размерам листьев. Однако размеры листьез этих обоих вариантов значительно превышают таковые у неяровизированной двуручки, а листья самых верхних ярусов - 7-го и 3-го - превышают, соответственно, в.7. и 30 раз (таСл.З).

При подсчете степени связи между ростом листьез и апикальной меристемы выяснилось, что к на КД наблюдается увеличение коз£фкииента корреляции с возрастом растений и с увеличением яруса листа, однако эта корреляция была намного ниже, чем в случае с озимой пшеницей на ДД.

1.4

4

3

Рис.4. Динамика роста апикальной меристемы у двуручки на длинном дне после 40 дней яровизацаиЦ), без яровизации (2) и на коротком дне после 40(3), 20(4) дней яровизации и без яровизации(5).

Таблица 3

Влияние яровизации на рост листьев у дзуручки

дата учета

26-е сутки 35-е сутки

вариант ярус листа ярус листа

5-й 6-й 7-й 5-й 6-й 7-й 8-Й

О дней 170 16.4 1.36 300.0 167.6 25.1 1.29

яро виз.

20 дней 255.1 66.9 2.53 360.2 293.7 178.5 40.5

яровиз.

40 дней 293 74.2 3.12 388.9 313.4 168.4 46.4

яровиз.

Длину листьев измеряли в мм. Исходя из представленных данных, можно сделать вывод,что яровизация снимает тормоз с роста молодых листьев, и стимуляция роста листьев предшествует закладке колоса,что хорошо видно у озимой пшеницы. А у двуручки яровизация частично заменяет потребность в ДЦ. 2. Влияние системы генов ррД на рост и развитие апикальной меристемы и листьев у пшениц разных биотипов Рассмотрим влияние на развитие пшеницы фотопериодических условий, степень чувствительности к которым связывается с состоянием другой системы генов - ррЗ.

Предварительные опыты по выяснению роли фотопериода в развитии проведены на яровой пшенице Альбидум-43, которая отличается крайней раннеспелостью. Для выявления чувствительности пшеницы к длине дня мы проводили опыты с перестановками с ДЦ на КД и наоборот. Перестановки делали через день. Опыты с перестановками (рис.5) позволили выявить начальный период, когда проростки не реагируют на длину дня. Если растения были постоянно на ДЦ или только 3 дня на КД, то закладка колоса у них начинается одновременно. Различия носили лишь количественный характер. Однако после 3 КД, чем позже проростки переставляли на ДЦ, тем позже у них начиналась закладка колоса. Если растения первые 3 дня- находились на ДД, то при перестановке их на КД, они оставались вегетативными, как и растения КД-контроля. Т.е., как и в предыдущем случае, первые три дня проростки не чувствительны к действию длины дня. Если же растения

были на ДЦ первые 5 дней, а потом были переставлены на КД, то качало закладки колоса у них начинается к 7-ому дню - одновременно с растениями ДД-контроля. Однако КД впоследствии несколько тормозит

Рис.5. Динамика изменения размеров апекса у яровой пшеницы Аль-бидум-43 в опытах с перестановками с короткого дня на длинный (КД - ДД) и с длинного не короткий (ДЦ - КД)

формирование зачатка колоса. Такое же торможение в условиях КД видно и при более поздних перестановках, но торможение в этом случае несколько меньше.

Наблюдение за ростом листьев позволило выяснить, что уже к 5-ым суткам видна достоверная стимуляция роста на ДЦ зачатка 5-го листа по сравнению с ростом на КД. Однако, более четкая картина влияния длины дня на рост листьев видна на 7-й день, когда -начинается закладка колоса. На рис.6 представлены данные по длине 3-, 4- и 5-го листьев в перестановках с ДД на КД (понижающийся ряд) и с 'КД на ДЦ (повышающийся ряд).Здесь же показана высота апекса. Как видно из рис.6,чем больше растение получило ДЦ, тем больше размеры апекса как в вариантах с перестановками с ДЦ на КД, так и в вариантах с перестановками с КД на ДД. Такие же изменения видны у 3-, 4- и 5-го листа, и характер изменений размера листа одинаков с характером изменений высоты апекса. Из этого рисунка также видно,что амплитуда изменений у листьев намного больше, чем у апекса. Таким образом, листья реагируют на изменение фотопериодического режима гораздо сильнее, чем апекс.

Следует также отметить, что размеры этих листьев намного больше, чем размеры апекса, т.е., под апексом расположена зона ка порядки превышающая его по массе. Видимо, именно она реагирует на фотопериодическое воздействие. Как и в предыдущих случаях, был рассчитан коэффициент корреляции между ростом листьев и апексоз. Степень

кд-дд дд—КД

Рис.б. Влияние фотопериодического режима на рост листьев и апекса яровой пшеницы Альбидум-43. I - длинный деньШ). 2-5 дней ДЦ, з?тем короткий день Ш). 3 - 3 ДД. затем КД.4 - постояйый кд! ' ДЦ- з - 3 дня КД, затем ДД. Учет на 7-й день после

появления всходов.

ю

Ы о. £ *

3 £

Длина листа

ы

5 —(—

.о

го г<х»

ю

¡С §

а ы

м О) с*

38

Ж

г.о .о а*-

ь.о

Й

СЪ О

3

З7

связи (табл.4) подсчитывали для растений в возрасте 7, 9 и II дней. Из таблицы видно, что для 2-го листа, рост которого пришелся на ювенильную фазу, когда растение нечувствительно к длине дня, нет

Таблица 4

Коэффициент корреляции между размерами растущих листьев и апекса у растений Альбидум-43 разного возраста

возраст растений ярус листа

2 3 4 5 6

7 дней 9 дней II дней 0.296 0.641 ' 0.362 0.912 0.860 0.955 ^0.855 0.950 0.880 0.844 0.930 0.945 0.669 0.980 0.114

достоверной связи между ростом листа и ростом апекса. Однако для остальных листьев степень связи была довольно высокой и приближалась к единице, так же, как это было у яровизированных растений в условиях ДД.

Такой же подход в отношении перестановок был сделан и для наших моногенных линий пшениц. Опыты с перестановками выявили разницу в характере реакции этих растений на длину дня (рис. 7). У двуручки и озимой яровизированной пшеницы рецессивное состояние всех генов ррй приводит к более растянутой реакции на ДЦ и к более резкому- торможении роста апекса при перестановке на КД, чем у яровой пшеницы.

Рассматривая реакцию. листьев при перестановках с ДЦ на КД и, наоборот, что ход развития листьев напоминает таковой у апекса: такое же резкое торможение роста молодых листьев при перестановке с ДД на КД, такое же усиление роста на ДД. Однако, судя по нашим данным, различия в росте листьев, получивших разное количество индуктивных циклов, выявляются несколько раньше, чем в апикальной меристеме и строго предшествуют усилению роста апекса. Например, на одиннадцатые сутки после появления всходов у озимой пшеницы длина листьев 4-го, 5-го ярусов (табл.5) у растений, находящихся в индуктивных условиях, на порядок превышает размеры листьев на КД, тогда как размеры апекса отличаются лишь в 2-3 раза. Эта разница по размерам листьев в дальнейшем еще более усиливается. Подобная тенденция прослеживается у всех трех форм пшениц.

Рис.7. Динамика роста апикальной меристемы у разных Сиотипов пшениц: I - яровой, 2 - двуручки, 3 - озимой в опытах с перестановками. ■ Цифрами обозначено количество КД и .ДЦ циклов, полученных растением, до перестановки; А) с КД на ДД; Б) с ДЦ на КД

б ^ « -18 22 ДНИ

Таблица 5

Влияние фотопериодических условий на рост листьев и апекса у озимой пшеницы.

яруг листа 7-й день 11-й день 16-й день

4 5 апекс 4 5 апекс 4 5 апекс

вариант

ДД 8.4 0.6 0.16 164 6.2 0.3 337 108 0.7

КД 3.0 0.4 О.И 5.0 0.4 0.12 75 1.4 0.15

3 КЦ 10 0.7 0.16 151 5.0 0.3 311 72 0.6

3 ДЦ 3.2 0.4 0.11 15 0.6 0.12 175 4.5 0.2

Размеры 1шстьев и апексов измерялись в мм

При перестановке растений с ДЦ на КД, как уже упоминалось, наряду с резким торможением роста апикальной меристемы наблюдается и резкая задержка роста листьев. Особенно заметным это торможение развития было у двуручки и озимой, что может объясняться наличием у них рецессивных генов ррЗ, обусловливающих жесткую зависимость от длины дня. У яровой формы торможение роста при этих условиях тоже есть, однако не такое резкое (влияние доминантного рр<1). Проявляется разная реакция растений на неиндуктивный • фотопериод: качественная - у двуручки и озимой и количественная - у яровой.

Статистическая обработка данных позволила выявить тесную корреляцию между ростом листьев и ростом апекса в индуктивных условиях у всех трех биотипов пшеницы. Для иллюстрации в табл. 6 представлены коэффициенты корреляции для всех ярусоз листьев яровой пшеницы на определенные дни. Видно, что степень связи между ростом листа и апекса повышается с течением времени и к моменту перехода к репродуктивному развитию (на 13-е сутки) достигала величины 0.9 у верхних.ярусов листьев, т.е., у молодых и зачаточных. Такая высокая степень связи может отражать функциональную зависимость между ростом листьез и апексов.

По-видимому.как и в опытах с разной длительностью яровизации, фэтопериодичеекая индукция на ранних этапах перехода к цветению в большей степени влияет на молодые и зачаточные листья, чем на

апекс, и характер этого влияния определяется состоянием системы

Таблица 6

Коэффициент корреляции между ростом листьев и апекса у яровой пшеницы Московская-21 на определенную дату

ярус листа день учетё со времени появления всходов

3-й 5-й 7-й 9-й И-й 13-й

I 0.02 0.30 , 0.03.. 0.21 -0.11 0.01

2 0.21 0.56 0.55 0.76 0.74 0.65

3 0.17 0.44 0.58 0.49 0.82 0.74

4 - 0.64 0.59 0.56 0.57 0.77

5 - - 0.59 0.79 0.79 0.82

6 - - - - - 0.87

генов ppd. Тагам образом, показано совпадение данных по степей! связи в постановке опыта по выявлению действия генов ppd с данными по выявлению действия генов vrn. Все это показывает, что зона роста, включающая молодые и зачаточные листья, по-видимому, вовлечена в процесс перехода растений-пиениш к цветению.

3 Влияние гибберелловой кислоты на переход к цветению разных . биотипов пдениц ноногенно различающихся по генам развития Из всех известных фитогормонов гиббереллины наиболее тесно связаны с репродуктивным развитием (Чайлахян,1958,1988; Iang,I956, 1380 ). По М.Х.Чайлахяну гиббереллины обеспечивают первую из двух главных фаз цветения - образование стебля у длиннодневных форм. Считается, что синтез гиббереллинов интенсивнее происходит на ДД. Вместе с тем, остается неясным вопрос о роли гиббереллинов в развитии злаков, в особенности форм, нуздахщихся в яровизации.

Для выяснения влияния гибберелловой кислоты на рост и развитие моногекных линий пшениц разных биотипов мы производили обработку растений этим фитогормоном в концентрации 100 мг/л. В наших опытах гиббереллин не оказывали влияния на развитие яровой пшеницы. Как видно на рис. 8, динамика роста апикальной меристемы независимо от того применялась ли обработка ГК на КД или ДД, была приблизительно одинаковой. Не оказывала ГК существенного влияния и на развитие двуручки и яровизированнои озимой пшеницы на ДД (рис. 9).

Рис.8. Динамика роста апекса у яровой пшеницы Московская 21 на ДД(1), на ДЦ с обработкой ГК(2), на КД(3), на КД с обработкой ГК(4).

дни

Рис.9. Динамика роста апекса в условиях ДД у двуручки: без ■обработки ГК(1), с обработкой ГК(2) и у озимой пшеницы: без обработки ГК(3), с обработкой

дни

Совсем другая картина наблюдалась при обработке растений на КД. Если у контрольных растений двуручки переход наблюдался только на 35-е сутки и только в яровизированных вариантах (рис.4)-, то

Рис.10. Динамика роста апекса у двуручки в опытах с обработкой ГК растений, находящихся в на длинном дне(ДЦ) + ГК(1); на коротком дне(КД): без яровизации и без обработки ГК(2); на КД без яровизации + ГК(3); после 20 дней яровизации + ГК(4); после 40 дней яровизации + ГК(5)

обработка ГК двуручки и озимой яровизированной пшениц привела к ускорению перехода к цветению обработанных растений (на 26-е сутки уже было отмечено заложение колоса) по сравнению с необработанными (рис.10). Озимые растения недостаточно яровизированные (О, 20 и 40 дней) не отвечали ускорением роста апекса на экзогенное введение ГК ни на КД. ни на ДД(рис.П).

Рис.11. Влияние обработки 1К на рост апекса у растений озимой пшеницы в условиях короткого дня. I - неяровизированные растения, 2 - после 20 дней яровизации, 3 - после 40 дней яровизации, 4 - после 60 дней г яровизации

дни

Ускорение развития двуручки и озимой яровизированной пшениц на КД под влиянием ГК такхе указывает на тесную связь с ускорением роста листьев. Так, . если в условиях КД (табл.2) коэффициент корреляции между ростом листьев, и апексов был низок либо отрицателен, то при обработке ГК степень связи увеличивалась (табл.7). Видимо, это связано с переходом растений полностью яровизированных к цветению при обработке ГК в условиях КД.

ТАБЛИЦА 7

Коэффициент корреляции между ростом листьев и апекса у озимой пшеницы в условиях короткого дня после различной по длительности

вариант дата учета

10-е сутки ярус листа 13-е сутки ярус листа 17-е сутки ярус листа

2-й 5-й 6-й 2-й 5-й 6-й 2-й 5-Й 6-Й

0-20-40-60 0-20 0-40 0-60 0.13 0.40 0.06 -0.03 0.31 0.78 0.43 0.66 -0.01 0.01 0.47 0.65 -0.01 0.53 0.37 -0.37 0.11 0.60 -0.47 0.43 0.41 0.59 -0.34 0.67 0.05 0.63 0.74 -0.20 0.57 0.61 -0.22 0.71 0.68 0.79 -0.00 0.79

Полученные результаты показывают, что экзогенная ГК не оказала существенного влияния на ■ развитие пшеницы яровой формы с доминантным геном Ррс1, и смогла имитировать действие длинного дня у форм с рецессивными генами рр<3: двуручки и озимой яровизированной пшениц. У двуручки под влиянием ГК развитие апикальной меристемы ускоряется как в яровизированных, так и в неяровизированных растениях, таким образом, ГК частично заменяет потребность в М и полностью - в яровизации. То, что ГК влияет на переход к цветению в условиях КД только полностью яровизированной озимой пшеницы свидетельствует о строго качественной реакции на его применение. У 8зимой формы яровизация делает апексы способными реагировать на экзогенные гиббереллины, т.е. делает апексы компетентными к репродуктивному развитию. Из ранее представленных данных видно, что степень усиления роста листьев может быть показателем этой компетентности. Согласно литературным данным (Мокроносов,1381: И1е^еЗ-П!,Shibl.es, 1989), зона роста может выполнять функцию акцептора для ассимилятов и,таким образом,усиление акцепторной силы зоны роста предшествует и сопровождает переход к репродуктивному развитию.

Представленные феноменологические данные свидетельствуют о наличии тесной связи между ускорением роста листьев пшеницы и переходом ее к цветению. Возможно, это усиление роста, связано с образованием мощной акцепторной зоны в окружении апекса.

4 Определение активности инвертазы в зоне роста у пшениц, различающихся по одному гену системы ррй Одним из показателей акцепторной силы может быть активность инвертазы. Как известно, инвертаза является ключевым ферментом, активность которого тем выше, чем выше потребление ассимилятов. Инвертаза разлагает сахарозу - основной " продукт транспорта ассимилятов, на глюкозу и фруктозу которые уже могут использоваться для любых синтетических процессов. Мы измеряли активность инвертазы у растений яровой пшеницы и двуручки в условиях ДД и КД. _ Для определения брали отрезки растений длиной 4-5 мм, включающие в себя стеблевой апекс и молодые и зачаточные листья. Материал фиксировали на день 1 перехода к репродуктивному развитию растений на ДЦ.

Оказалось, что у яровой формы на ДД активность инвертазы была выше, чем у растений на КД на 2в-27 %% на I г сырого веса, а при пересчете на один апекс --на 33%. У двуручки разница между активностью инвертазы на ДД и КД составляла 47-50 К на I г сырого веса, а на один апекс - 90-95%% (табл.8).

Данные о значительно большей- активности инвертазы в зоне молодых и зачаточных листьев у растений, индуцированных к цветения, еще раз подтверждают наличие в этой области мощного акцептора. Таким образом, усиление роста листьев может быть обусловлено увеличенной активностью ферментных систем, ответственных за ускорение потребления углеводов, а, соответственно, за ускорение роста листьев и в дальнейшем - апикальной меристемы.Большая разница

Таблица 8-

Активность инвертазы у двуручки и яровой пшеницы в условиях длинного и короткого дня

активность инвертазы (мг сахарозы/ч) двуручка яровая пшеница

КД ДД КД ДД

на 1г сыр. веса -на I апекс 27.5 0.344 40.5 0.655 19.36 0.36 24.44 0.48

между активностью инвертазы на ДД и КД у двуручки по сравнению с яровой формой может отражать их различие в состоянии генов ррй: рецессивное - у двуручки и доминантное - у яровой.

5. Определение содержания пролиферативного антигена инициалей в зоне роста у пшениц, моногенно отличающихся по состоянию системы

генов ррй

С помощью метода иммунохимического анализа с использованием антител против маркерных белков было проведено исследование физиологического состояния меристемы на основе содержания в ней антигена, который, по данным А.Д.Володарского, отражает пролиферативный процесс. Оказалось (рис.12), что у растений двуручки на ДД на дату перехода к закладке колоса содержание белка, отражающего пролиферацию - пролиферативного антигена инициалей (ПАИ) - на ДЦ было в 8 раз больше, чем у растений на КД в тот же день. У яровой формы содержание ПАИ на ДД было в 2 раза больше, чем на КД, т.е.,и здесь наличие потребности в ДД, обусловленное присутствием рецессивных генов ррй у двуручки, приводит к огромной разнице в уровне пролиферативного белка. У яровой формы, несущей доминантный Ррй, разница гораздо меньше.

При определении содержания ПАИ в растениях двуручки на 8-й день,т.е., когда различия в размерах апекса еще отсутствуют,'но уже есть различия в размерах молодых листьев на ДД и КД, было показано,

'что содержание ПАИ у ДД-варианта в 2 раза больше, чем у растений на

Рис.12. Относительное содержание ПАИ в апикальной меристеме пшениц в условиях ДЦ и КД: у двуручки на 8-й день после появления всходов(I) и на дату перехода к закладке колоса(2); у яровой формы на дату перехода к закладке колоса(3). Содержание ПАИ на КД принято за 100?!

12 3

КД. Так как размеры высечек и их вес были приблизительно одинаковы, то это позволяет сделать заключение о том, чт такое различие.может быть вызвано усилением роста листьев, связанное с реакцией на длину дня. То, что разница в содержании ПАИ наблюдалась - и в тот момент, когда различий в размерах и внешнем виде апекса еще нет, говорит об ответственности за усиление пролиферативной активности •именно зачатков листьев.Это хорошо согласуется с 'ранееизложенными данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ^

Одним из органов, вносящих большой вклад в коррелятивные взаимоотношения в растениях, являются молодые листья. Имеются данные, что именно они определяют направленность потока ассимилятов (Мокроносов,1981), т.е., зона роста под апексом имеет большое значение для разных сторон жизнедеятельности растений и, как мы видам, зга зона вовлечена' в процесс перехода к цветению у пшениц разных биотипов.

М.Х.Чайлахян выделяет в переходе к цветению.две фазы:, I фаза -заложение и рост стебля;.II фаза собственно закладка репродуктивных органов. Одним из классических объектов, на которых была обоснована гипотеза о двухфазности, - была рудбекия (Чайлахян,1958). В то же время, как показано В.З.Подольным и А.Г.'Четвериковым (IS8S), у рудбекии стимуляция роста молодых листьев предшествует закладке зачатка соцветия, т.е., по-видимому, речь идет о разных сторонах одного и того же процесса.Вероятно,одной из сторон физиологического смысла I фазы перехода к цветению является формирование мощного акцептора. На основании наших данных можно предположить, что у

пшеницы акцепторная активность расположенной под апексом зоны роста контролируется ' генами систем угп и рра. Рецессивное состояние каждой из этих генных систем связано с жестким контролем ростовой активности этой зоны. Рецессивное состояние генов 7гп определяет ингибирование роста молодых листьев, некомпетентность апекса для рецепции гиббереллина и последующего перехода к репродуктивному развитию. Яровизация снимает это ингибирование и, таким образом, определяет возможность дальнейшей реакции на длинный день. По мнению некоторых исследователей (Ме^егв, 193?; Ьап§,1955; Чайлахян, 1933) в результате яровизации -могут образовываться вещества -предшественники гормона цветения - верналины.

В отличие от генов угп, система генов рра больше связана с реализацией перехода к репродуктивному развитию. Именно поэтому в условиях ДД так высока степень корреляции между ростом листьев и апексов. По-видимому, усиление роста молодых листьев функционально связано с переходом растений пшеницы к цветению.

Полученные данные также позволяют предположить существование двух уровней гормональной регуляции исследуемого процесса, в частности, связанного с гиббереллинами. Так, у генотипов с рецессивными генами рра гибберелловая кислота заменяет потребность в длинном дне. Следует отметить, что согласно данным М.Х.Чайлахяна и Б.Н.Ложниковой (1952), у озимой пшеницы ДД вызывает резкое повышение эндогенного уровня гиббереллинов по сравнению с КД. Таким образом, можно предположить, что в нашем случае экзогенные гиббереллины имитируют повышение их уровня в условиях ДД. Система же геноз угп определяет нечувствительность даже к экзогенным гиббереллинам. Одной из причин такой нечувствительности согласно современным представлениям может быть низкий уровень рецепции гиббереллинов. Литературные данные показывают, что гиббереллины могут контролировать инвертазную активность.

На основании изложенных данных, предлагается следующая схема участия генов развития пшеницы в переходе к цветению (рис.13).

Рис.13. Схема участия генов развития пшеницы в переходе растений от вегетативной к репродуктивной фазе

КОМПЕТЕНТНОСТЬ АЛЕКСА

яроагаАцня

Растения с рецессивными генами vrn нуждаются в .яровизации, в результате которой могут синтезироваться (стрелка I) гипотетические вернали--ны - предшественники гиббереллинов, возникает компетентность апекса (2) для рецепции гиббереллина.•

Следует отметить, что растения пшеницы с рецессивными генами vrn без предварительной яровизации не отвечают ускорением развития на применение экзогенного гиббереллина ни на ДД, ни на- КД.

Растения пшеницы' с доминантным Vrn способны к синтезу верналинов (3) и рецепции гиббереллина (4) без яровизации.

- У растений с рецессивными генами ppü синтез гиббереллинов из верналинов (9) и последующий- переход к цветению происходит на ДД (5)' и прерывается коротким днем (6). Обработка экзогенным гиббереллином на КД (7) ускоряет переход к репродуктивному развитию.

. Растения с доминантным Ppd могут синтезировать гиббереллины как на КД, так и на ДД (8). Переход к генеративному развитию может• быть осуществлен и на ДЦ, и на КД.

Представленная схема иллюстрирует взаимодействие систем генов развития vrn и ppd.

ВЫВОДЫ:

I. Усиление субапикальной зоны роста, включающей молодые и зачаточные листья, предшествует и сопровождает переход к репродуктивному развитию. - .

II. Доминантное или рецессивное состояние генов систем vrn и ppd определяет интенсивность роста молодыз и зачаточных листьев.

III. Экзогенный гиббереллин не влияет на скорость развития яровой формы пшеницы, несущей доминантный ген Ppd, и частично заменяет

кд+гк

ПЕРЕХОД К РЕПРОДУКТИВНОМУ РАЗВИТИЮ

потребность в длинном дне у двуручки и озимой, несущих рецессивные гены рра.

IV. У растении, несущих рецессивные гены рра, активность инвертазы намного выше на длинном дне по сравнению с коротким, чем у растений с доминантным геном Рра.

V. Содержание бежа, ответственного за пролиферацию (ПАЮ, у растений пшеницы с рецессивными генами рр<1 выше на длинном дне по сравнению с коротким, чем у растений с доминантным геном Рра.

VI. Полученные данные показывают, что усиление акцепторной активности зоны молодых и зачаточных листьев является одним из необходимых условий для перехода к репродуктивной фазе развития, к количественно и качественно контролируются системами генов тгп и

711. На. основании представленных данных предложена схема участия генов развитая пшеницы в процессе перехода к цветению

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Кокшарова Т.А., Агамалова С.Р., Подольный В.З., Фещенко В.В. Генетико-физиологическое изучение типов развития мягкой пшеницы// Четвертое Всесоюзное совещание "Клеточный цикл растений",1989, Ужгород. Тезисы, с.67.

2. Фещенко В.В., Агамалова С.Р., Кокшарова Т.А., Подольный В.З., Чайлахян М.Х. Отражение хода онтогенеза в интенсивности роста молодых и зачаточных листьев у пшениц, различающихся по генам развития// Тезисы докладов II Всесоюзного совещания "Генетика развития" - Ташкент - 1990, т.1, с.174-175.

3. Feshchenko 7.7., Poäolnyi 7.Z. .Development genes determine the character oí the growth oí wheat leaves. Influence oí рра gsnes/ZAbstracts oí the 7-th International Youth Symposium on Plant Metabolism Regulation. 7arna, Bulgaria, 1990, p.54.

4. Podolnyi 7.Z., Feshchenko 7.7. Wheat development genes act via the control oí leaí growth and sink strengtn// Abstracts oí 14-th International Conference oí plant growth substances -Amsterdam, The Netherlands - 1991 , p.125.

5. Фещенко B.B., Подольный B.3., Агамалова С.P., Кокшарова T.А. Влияние- системы генов vrn на рост листьев и развитие апикальной меристемы у различных биотипов пшениц// Биологические науки, 1992, N 5, с.

6. Фещенко В.В., Подольный В.З., Кокшарова Т.А., Агамалова С.Р. Влияние системы генов ppd на рост и развитие апикальной меристемы и молодых листьев у пшениц разных биотипов// Биологические науки, 1992, Я 6, с.

рра.