Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности транспорта воды в сегментах корней Zea mays L

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Волков, Вадим Степанович, Москва

61 • м-3/33^-6

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи

ВОЛКОВ Вадим Степанович

УДК 581.112.6/7+581.144.2

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТА ВОДЫ В СЕГМЕНТАХ КОРНЕЙ ZEA MAYS L.

(03.00.12 - физиология растений)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор 10ЛКЕВИЧ В.Н.

Москва, 1999.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ............................... ........................5

Глаза 1. КРУГОВОРОТ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В РАСТЕНИИ,

ЕГО ДВИЖУЩЕ СИЛЫ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ .... 9 (обзор литературы)

1.1. Редукционизм и холизм.,*. ^щдеменном естествознании и .................. 9

1.2. Системы интеграции растительного организма ________13

1.3. Восходящий водный поток в растении ............ 15

1.3.1. Верхний концевой двигатель восходящего водного тока .............................. 16

1.3.2. Корневое давление - нижний концевой двигатель восходящего водного тока ............. 18

1.3.3. Строение корня ............................ 20

1.3.4. Транспорт воды через корень ............... 24

1.3.5. Осмотическая концепция корневого

давления .................................. 39

1.3.6. Сложная природа корневого давления ........ 42

1.3.7. Метаболическая составляющая корневого давления .................................. 48

1.3.8. Полярность и водный ток ................... 61

1.4. Нисходящий водный поток в растении ............ 65

1.4.1. Флоэмный поток ............................ 65

1.4.2. Другие пути нисходящего водного потока и

выделение воды корнями ..............

1,5. Проблемы единой гидродинамической системы

растения ..................................,... 71

1.6. Эксудация сегментов корней..............................80

Глава 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................84

2.1. Подготовка объекта к опыту ......................84

2.1.1. Сегменты корней .............................85

2.2. Методы исследования ........................................85

2.2.1. Определение интенсивности аксудации

и ее температурного коэффициента...............85

2.2.2. Определение осмотического давления

эксудата .......................................ЭО

2.2.3. Определение гидравлической проводимости

корней и сегментов корней .................. 90

2.2.4. Определение метаболической составляющей корневого давления и движущей силы эксудации сегментов корней ............

2.2.5. Определение концентрации свободных

аминокислот и амидов в эксудате ............ 96

2.2.6. Определение концентрации углеводов

в эксудате ................................. 96

2.2.7. Определение рН эксудата и концентрации

ионов в кем ................................ 97

2.2.8. Определение содержания белка в эксудате .... 98

2.2.9. Измерение разности электрических потенциалов

на поверхности корня или сегмента корня .... 98

2.3. Метаболические регуляторы ...................... 101

2.3.1. Ингибиторы ................................. lui

2.3.2. Стимуляторы ................................ 102

Глава 3. ЭКСУДАЦИЯ СЕГМЕНТОВ КОРНЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЕЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ...... 105

Глава 4. РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ ВОСХОДЯЩИМ И НИСХОДЯЩИМ ПОТОКАМИ

В СЕГМЕНТАХ КОРНЕЙ ............................. 117

Глава 5. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЭКСУДАТА ОТДЕЛЕННЫХ КОРНЕЙ И

СЕГМЕНТОВ КОРНЕЙ ............................... 128

Глава 6. ВЛИЯНИЕ БИОМЕДИАТОРОВ И ИНГИБИТОРОВ

КОНТРАКТИЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ЗКСУДАЦИЮ ОТДЕЛЕННЫХ

КОРНЕЙ И СЕГМЕНТОВ КОРНЕЙ ...................... 137

6.1. Ацетилхолин ..................................... 139

6.2. Норадреналин ................................... 141

6.3. ci-тубокурарин .................................. 141

6.4. Цитохалазин Б .................................. 144

6.5. Общие итоги .................................... 144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................... 148

ВЫВОДЫ ................................................... 157

ЛИТЕРАТУРА

159

ВВЕДЕНИЕ

Транспорт воды ~ важнейшая физиологическая Функция, играющая решающую роль в пространственно-временной интеграции жизнедеятельности организма (Жолкевич и др., 1989), - нередко еще рассматривается как совокупность простых физических процессов, ограниченных анатомо-морфологической структурой растения и определяемых, в основном, действием факторов внешней среды (например.* Kramer, 1983; Steudle, 1994). В то же время накоплены убедительные доказательства существования многоступенчатой физиологической регуляции транспорта и непосредственного участия живых клеток в создании и поддержании направленного водного тока в растении. Особенно значительный вклад в развитие этого направления внесли отечественные физиологи, разработавшие, в частности, представление о роли сократительных систем в передвижении воды по растению (Можаева, Пилыдикова, 1978; Жолкевич и др., 1989). В последние годы применение новых методов молекулярной биологии и биофизики, разработка оригинальных модельных подходов подтвердили сложный характер природы транспорта воды в растении и сделали вопрос о его движущих силах одной из горячих точек современной биологии: обнаружены специализированные белки, участвующие в трансмембранном переносе воды, и показана специфическая экспрессия их генов (Maure1, 1997; Schaffner, 1998); выявлено, что в ксилеме отсутствуют ожидавшиеся, согласно простым физическим аналогиям, низкие гидростатические давления (Zimmermann и др., 1995); методом ЯУР продемонстрирована рециркуляция значительных количеств воды в рас-

тении (KDckenberger и др., 1997); предложены новые конкретные модели участия живых клеток и их транспортных систем в подъеме жидкостей у деревьев (Canny, 1995а, 1998), создании корневого давления (Кундт, Робник, 1998; Hundt, 1998; Мелещенко, 1998), неосмотическом движении растворов через мембрану (Zeuthen, 1996). В то же время проблема движущих сил транспорта воды еще далека от своего разрешения, и новые данные скорее свидетельствуют о сложности процесса, нежели исчерпывающе объясняют его механизм.

Еще менее выяснены различия движущих сил разнонаправленных водных потоков, образующих в совокупности единую гидродинамическую систему растения, в которой вода непрерывно циркулирует. Между тем, изучение природы движущих сил диаметрально противоположных водных потоков и путей, по которым они направляются, имеет принципиально важное значение не только для выяснения механизмов транспорта воды как такового, но также для идентификации единой гидродинамической системы и ее роли в жизнедеятельности растения.

Цель и задачи исследования.

Цель настоящей работы заключалась в изучении распределения и регуляции водных и ионных потоков в корне с использованием новой модельной системы - сегментов корней, которые способны к эксудации с обоих концов - базального и апикального (Волков. Жолкевич, 1993). Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи.*

1. Определить интенсивность и температурный коэффициент Qio эксудации, осмотическое давление эксудата и гидравлическую проводимость сегментов корней при эксудации как о базального,

- —

так и с апикального концов и сравнить полученные данные с данными по эксудации "целых" отделенных корней.

2. Сравнить химический состав (концентрацию ионов, содержание аминокислот и Сахаров) эксудата сегментов корней при эксудации в противоположных направлениях.

3. Определить электрическую поляризованность сегментов и ее связь с эксудацией в противоположных направлениях.

4. Измерить метаболическую составляющую движущей силы эксудации сегментов корней при эксудации с баеального и апикального концов и испытать влияние метаболических ингибиторов (ингибиторы контрактильных систем и энергетического обмена при дыхании) и стимуляторов (нейромедиаторы) на зксудацию.

5. Исследовать особенности противоположно направленных водных потоков в сегментах, вычлененных из разных зон корня.

6. На основе полученных данных охарактеризовать особенности эксудации с апикального и базального концов сегментов.

Впервые в работе детально исследована эксудация сегментов корней, которые предложены в качестве новой модельной системы для изучения транспорта воды и ионов в корне. Показано, что сегменты способны к эксудации не только в направлении восходящего водного потока, но и в противоположном ей направлении (нисходящий водный поток). Анализ химического состава эксудата позволил сделать вывод, что в обоих случаях при эксудации водные потоки движутся по ксилеме и, следовательно, в ней одновременно возможны противоположно направленные потоки. Оригинальные данные получены при изучении интенсивности этих пото-

ков в равных участках корня, Высказана гипотеза, что обнаруженные потоки могут отражать реальную картину транспорта воды в растении при низкой интенсивности транспирации, характеризуя тем самым особенности его единой гидродинамической системы. Впервые показано различие параметров эксудации сегментов корней в противоположных направлениях и выявлена электрическая поляризованность сегментов. Продемонстрировано стимулирующее воздействие нейромедиаторов ацетилхолина и норадреналина на эксудацию как сегментов, так и "целых" отделенных корней, а также получены новые убедительные доказательства сложной природы корневого давления и участия сократительных и сенсорных систем в его создании. Предложена оригинальная математическая модель, удовлетворительно описывающая эксудацию сегментов корней и объясняющая различия в эксудации с разных концов сегментов.

Хотя полученные данные имеют преимущественно фундаментальное значение для понимания особенностей транспорта воды и ионов в корне, функционирования единой гидродинамической системы растения и создания корневого давления, результаты работы могут быть также использованы для обоснования и разработки оптимальных методов поливного режима растений и повышения их продуктивности в условиях дефицита водных ресурсов. Материалы диссертации были использованы при чтении лекций по водному обмену растений для студентов высших учебных заведений.

Глава 1. КРУГОВОРОТ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В РАСТЕНИИ; ЕГО ДВИЖУЩИЕ СИЛЫ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ (обзор литературы),

1.1. Редукционизм и холизм в современном естествознании

и биологии.

Философская концепция редукционизма, утверждающая "возможность полного сведения высших явлений к низшим" (Философский словарь, 1991, стр. 387), пустила глубокие корни в современной биологической науке, как и во всем естествознании. Выявление химической основы наследственности и последующее постижение генетического кода живых организмов, мощнейший прорыв в области молекулярной биологии, успехи биофизики и, наконец, создание генетической инженерии - все эти выдающиеся достижения биологии XX века казалось бы проложили единственный и ясный путь к постижению и четкому описанию природы жизненных явлений. Недаром распространено мнение, что "начало жизни, ее происхождение - это и есть возникновение (в силу физико-химических причин) матричных конвариантно реплицирующихся молекул [нуклеиновых кислот]. Далее, под давлением естественного отбора автоматически идет биологическая эволюция" (Шноль, 1990, стр. 26), Подобные взгляды достаточно просты и кажутся убедительными. Недаром в настоящее время тратятся огромные силы на установление нуклеотидной последовательности генома человека, вкладываются грандиозные средства для внедрения одиночных генов в живой организм, чтобы придать ему те или иные овойо-

тва...

Успехи, однако, не столь колоссальны, как вложенные ресурсы. Становится все более ясным, что организм - это не просто сумма генов и ни в коей мере не последовательность нуклео-тидных nao (Strohman, 1997). А выдающийся биохимик В,А. Зн-гельгардт отметил: "В отношении же молекулярной биологии мы должны признать, что по-прежнему остается непознанной самая коренная, величайшая, стоящая перед нами задача - сущность, природа самого явления жизни" (Энгельгардт, 1984, стр. 223).

Если в физической науке к середине XX века редукционизм занял явно господствующее положение, то в биологии расчлени-тельному редукционизму всегда в большей или меньшей степени противостоял холистический взгляд, утверждающий организм как некую неделимую целостность. "Редукционизм и антиредукционизм - одни из основных полярных общенаучных концепций в современной биологии" (Семенов, 1990, стр. 108). Видение организма как целого традиционно отличало физиологию - физиологию как животных, так и растений.

Среди первых попыток описания свойств живого - книга Э.С. Бауэра "Теоретическая биология" (Бауэр, 1935). Автор выводил важнейшие проявления жизнедеятельности организма (обмен веществ, размножение, приспособление, раздражимость и др.) как следствия некоего интегрального свойства всей протоплазмы -устойчивого неравновесия белковых структур. Отмечалось, что устойчивое неравновесие характерно для целого организма и связано с коллективными переходами белковых ансамблей. Сходные положения несколько ранее высказывал А,Г. Гурвич (Гурвич, 1991), который вводил также представление о биологических по-

.1 .1 _ 1А "

лях - понятие, заведомо предполагающее целостность живого организма, А,Г, Гурвич и впоследствии А.Д. Сабинин уделяли большое внимание структуре - сложной и целостной характеристике живого, Так, Сабинин писал: "Структура, свойственная живой протоплазме, существует только до тех пор, пока идут основные процессы жизнедеятельности,,, Если под действием тех или иных внешних условий наступает смерть клетки, то перестает существовать и структура протопласта,,, в живой среде поддержание структур возможно только при наличии процесса, являющегося источником энергии,,, Дыхание - это процесс, приводящий к освобождению энергии веществ, используемых в качестве дыхательного материала, и поэтому оно может быть источником энергии, нужной для поддержания структур протоплазмы" (Сабинин, 1955, с, 71-72). Сабинин ссылается также на оригинальные работы В.В. Лепешкина, который еще в начале 1930-ых годов показал, что при отмирании клеток и, следовательно, разрушении структуры протоплазмы выделяется энергия, частью в виде коротковолнового ультрафиолета. Интенсивность обнаруженного излучения, названного некробиотическим, тем больше, чем в лучших для роста и синтеза белков условиях находились клетки перед гибелью.

Антиредукционистские взгляды на организм высказывались и другими учеными, Начал активно развиваться, в том числе и в биологии, системный подход; при этом организм рассматривался как целостная совокупность элементов и связей между ними (Философский словарь, 1991). Одну из первых версий общей теории систем создал, кстати, биолог - Л. фон Берталанфи (Философский словарь, 1991, стр. 44). Системный взгляд на организм углубляется в настоящее время, развивают его и физиологи растений

(Уюманцев, 1988). В качестве конкретного примера системного подхода в физиологии растений можно привести концепцию донор-но-акцепторных отношений, развиваемую АЛ. Мокронооовым и его последователями (Мокроносов, 1983). Оригинальны, отметим, и системные взгляды, распространяемые в общей зоологии (Левуш-кин, Шилов, 1994).

Волна редукционизма в физике и последующее усиление его позиций в биологической науке, связанное, во-многом, о приходом в нее исследователей с физическим образованием, сменяются во второй половине XX века отливом. Начался зтот процесс опять-таки в физике и связан в значительной степени с работами ученых школы И. Пригожина - "в наши дни основной акцент научных исследований переместился с субстанции на отношение, связь..." (Пригожин, Стенгерс, 1988, стр. 49). Произошел научный переворот - стало ясно, что окружающий нас мир чрезвычайно сложен. Он не простая сумма инертных точек, скрепленных линейными связями, а множество взаимодействующих нелинейно, рассеивающих потоки энергии элементов. Эти элементы соединяются в заполняющие наш мир диссипативные самоорганизующиеся структуры, развитие которых удивляет сложной красотой и порой принципиально не предсказуемо (Николис, Пригожин, 1990)„ Новое научное и философское мировоззрение нашло свое отражение в возникшей синергетике (Лоскутов, Михайлов, 1990; Новое в синергетике. Загадки мира неравновесных структур, 1996; Малинецкий, 1997), возрос интерес к нелинейным объектам (СЬизоу, 1988; Молчанов, 1992), появилась теория катастроф (Арнольд, 1990), изучаются, самоподобные фрактальные структуры (Пайтген, Рихтер, 1993). Синергетика проникает во все области знания, появилась

даже дискуссионная концепция об эволюции жизни на Земле как самоорганизации без естественного отбора (Лима-де-Фариа,

1991),

Итак, все развитие естествознания и биологии подводит нас к необходимости пристальнее взглянуть на целостный живой организм, заняться поиском и изучением связей, объединяющих его части и интегрирующих их в единую систему, Проникновение к глубинным тайнам биологических систем .. выдвинуло теперь в поисках ответа на вопрос, что такое жизнь, на первый план изучение биологической саморегуляции как свойства, не только присущего всему живому, но, видимо, и определяющего само явление жизни" (Курсанов, 1982, сто, 56).

1.2. Системы интеграции растительного организма.

Функционирование любой живой системы как целостной возможно лишь тогда, когда ее элементы (для многоклеточного организма - клетки, ткани и органы) объединены сложным