Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности водного обмена паренхимных клеток запасающего корня сахарной свеклы

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Особенности водного обмена паренхимных клеток запасающего корня сахарной свеклы"

российская академия наук' ордена трудового красного знамени институт физиологии растении им. К. л. тимирязева

т Б ОД

л -, л. Иа правах рукошш!

1 ' ОПТ Í394

королева о.н.га ллел.С(Ч'(ш:1

особенности кодного обмена 1!л1'енх1шны\ клеток :$лплелюггц«:го корня слхлрпоп пнеклы

Спсцпмлмюоть 0.1.00Л2 фигшологил растений

а i! то г к ф i: р а i'

диссертации на соискание ученой етопоин кандидата Гиюлогпчеекнх паук

Работа выполнена и Институте физиологии растении имени К. А. Тпмнризеаа Российской Академии паук.

11 а у ч н ы е р у к о и о д и т е л и: кандидат биологических паук' H. II. ХОЛОДОПА, кандидат биологических паук Л. Б. МЕЩЕРЯКОВ

О ф и ц и а л ь п ы (! о п а о нннт ы: доктор биологических паук- If. II. IIIЕПЯКОПЛ, кандидат биологических паук Г. А. КУРЕЛЛЛ

Ведущая организация — Московская сельскохозяйственная академии им. К. Л. Тимирязева.

¿г- , г

Нашита состоится «..^лЗ....».^!?^^......líHil года в ... часов

па заседании Специализированного сонета 'Iii 002.15.01 по присуждению ученой степени кандидата биологических наук при 'Институте физиологии растений им. К. Л. Тимирязева РАИ по адресу: 127271), Москва, Ботаническая ул., 35.

С диссертацией можно ознакомиться п библиотеке Института физиологии растении им. К". А. Тимирязева РАН.

Автореферат разослан «.....'991 г.

Ученый секретарь Специализированного сонета, кандидат биологических наук

Л. И. СЕРГЕЕВА

- ь -

Актуальность проблемы. Сахарная свекла - один из немногих растительных объектов, способный накапливать сахарозу в растворенном состоянии до чрезвычайно высокого уровня концентрации. В тканях корнеплодов лучших современных селекционных сортов концентрация сахарозы достигает 18-20%, что составляет более 70% сухого вещества корнеплода. Для значительной части населения земного шара сахарная свекла является основным промышленным источником сахара, этим объясняется постоянный интерес как к селекции и оптимизации условии выращивания, так и к теоретической стороне исследований механизма и регуляции процесса сахаронакопления. Фундаментальные исследования по биохимии и физиологии сахарной свеклы проведены А.Л.Курсановым с сотрудниками (Курсанов, 1977; Туркина, 1985). В работах ряда авторов изучена зависимость сахаронакопления от условий минерального питания (Ulrich, 1955; Pocock et al, 1990), водоснабжения (Milford et al, 1977), температурного режима (Terry, 1968; Milford, Thorne, 1973). Конечной целью является выяснение сущности предела сахаронакапливающей способности клеток.

Тем не менее вопрос о том, как контролируется запасание сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы, остается открытым в настоящее время. Одним из регуляторных звеньев сложного физиологического процесса запасания, по-видимому, является мембранный транспорт (Холодова, 1973; Kholodova, Sokolova, Turklna, Meshcherjakov, 1976).

Аккумулирование сахарозы приводит к значительному возрастанию осмотического давления в ткани корня, что, в свою очередь, может вызывать рост тургорного давления в клетках корня. Многочисленные литературные данные показывают, что идущие в растительных клетках, в том числе и запасающих тканей, процессы поглощения и выхода Сахаров из вакуоли, так же как и метаболические превращения с участием Сахаров внутри.клетки, обнаруживают заметную чувствительность к клеточному тургору (Wyse, 1979; Daie, 1985, 1987, 1989; Kholodova et al, 1989). Возможно, изменение тургорного давления, а, следовательно, и механического напряжения на мембранах запасающих клеток, оказывает влияние на процесс запасания сахарозы, задавая тем самым верхний предел сахаронакопления.

Это придает особую важность условиям водного обмена в за-

пасаюших клетках. Однако особенности водного обмена в запасающих клетках корнеплода сахарной свеклы исследованы мало, есть лишь отдельные данные о величине тургорного давления в клетках периферических зон корня (Palta et al, 1987). Для решения вопроса о регулировании запасания сахарозы в клетках корня сахарной свеклы и выявления факторов, останавливающих этот процесс, необходимо детальное изучение параметров, водного обмена, особенно гидравлической проводимости клеточных мембран и эластических свойств клеточной стенки, наряду с анализом осмотического баланса запасающей ткани.

. Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в изучении закономерностей осмотического баланса и особенностей водного обмена клеток запасающей паренхимы корня сахарной свеклы в связи с сахаронакоплением.

В задачи исследования входило:

1.Изучение изменения осмотического потенциала и концентрации основных осмотически активных веществ в процессе развития корня сахарной свеклы в сопоставлении с ростовыми процессами.

2.Изучение динамики тургорного давления, времени полуобмена воды, гидравлической проводимости мембран и объемного эластического модуля клеточной стенки в индивидуальных клетках запасающей паренхимы корня сахарной свеклы с помощью зонда давления.

. 3.Сравнительный анализ параметров водного обмена запасающих клеток корней двух контрастных по уровню накопления сахарозы форм свеклы.

4.Изучение роли отдельных компонентов состава клеточных стенок в водном обмене паренхимных клеток корня сахарной свеклы.

Научная новизна.. Изучена динамика осмотического давления и основных осмотически активных веществ (неорганических ионов и сахарозы) в онтогенезе корня сахарной свеклы.

Впервые детально исследованы параметры водного обмена индивидуальных запасающих паренхимных клеток корня сахарной свеклы в процессе развития в течение вегетационного сезона.

Выявлены особенности клеток, наиболее прямо связанные с аккумулированием и удерживанием в них высокой концентрации са-

харозы, состоящие в значительном возрастании осмотического потенциала при снижении вклада неорганических ионов, возрастании тургорного давления, снижении гидравлической проводимости клеточных мембран, увеличении объемного эластического модуля клеточных стенок. Обнаружено, что по мере созревания корня постепенно снижается вплоть до исчезновения характерная для молодых паренхимных клеток зависимость объемного эластического модуля клеточной стенки и гидравлической проводимости мембран от тургорного давления. Продемонстрирована важная роль ионов кальция в изменениях параметров водного обмена запасающих клеток, что может служить основой регуляции поступления еоды и осмотически активных веществ в клетки.

Практическая значимость. Проделанная работа является важной предпосылкой для понимания механизма регуляции аккумулирования сахарозы. Полученные данные могут быть полезны при анализе причин, определяющих предел сахаронакопления этой ценной сельскохозяйственной культуры. Методические разработки, предложенные в настоящей работе, позволяют использовать их для более детального изучения водного обмена растительных клеток и свойств их клеточных оболочек.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзном совещании по физиолого-биохимическим основам продуктивности сахарной свеклы (Киев, 1989), Всесоюзной конференции молодых ученых по физиологии растительной клетки (Минск, 1990), Международном молодежном симпозиуме "Plant metabolism regulation" (Болгария, Варна, 1991)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (три главы), описания объекта и методов исследования, результатов и обсуждения (три главы), заключения, выводов и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 22 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 240 наименований, из которых 186 зарубежные.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ' Растения двух форм свеклы Beta vulgaris L..сахарной сорта Ялтушковская односемянная 030 и кормовой сорта Роте Вальц, бы-

раздавали на опытном участке ИФР РАН (Москва) в летний период с мая по октябрь. Для получения проростков в лабораторных условиях семена свеклы замачивали в слабом растворе перманганата калия на 2 часа,затем проращивали в кюветах на фильтровальной бумаге в термостате при температуре 27° С в течение 3-х суток.

При работе с запасающей паренхимой из ткани корня вырезали центральную часть определенной межкольцевой зоны, исключая несколько рядов клеток, прилегающих к ксилеме или флоэме.

Измерения параметров водного обмена проводили на высечках ткани корня диаметром 5 - 10 мм и толщиной около 1 мм. Сразу после нарезания ткани корня полученные высечки обмывали в течение 2-3 секунд 1мМ раствором СаС12 для удаления с поверхности среза остатков содержимого разрезанных клеток.

При определении осмотического давления в ткани корня для получения клеточного сока был выбран метод механического отжимания из ткани после замораживания - оттаивания, осмотическое давление измеряли в нем с помощью выпаривающего осмометра фирмы Knauer (ФРГ).

Измерения содержания ионов в водных экстрактах ткани производили с помощью ионоселективных электродов и ионалайвера "Orion ЕА 940" фирмы Orion (США).

Содержание Сахаров определяли фенольным методом (Dubois et al, 1956).

Тургорное давление (Р), объемный эластический модуль клеточной стенки (Е), полупериод обмена воды клетка-среда (Ti/г) и гидравлическую проводимость клеточных мембран (Lp) определяли с использованием техники внутриклеточного измерительного зонда давления (Рис.1) (Husken et al, 1978). Для определения величин Е и Ti/g объем клетки увеличивался или уменьшался на строго определенную величину (ÜV) путем инъекции внутрь клетки, либо отбора из клетки клеточного сока с помощью находящегося в ней измерительного микрокапилляра. При этом регистрировались соответственные изменения тургорного давления (Рис.8 А,Б). Полупериод релаксации давления или полупериод входа-выхода воды из клетки -Ti/2- получали из ДЕухфазной релаксационной кривой либо обсчетом вручную (графически), либо с помощью специальной программы на персональном компьютере. Объемный эластический модуль клетки рассчитывали по формуле: Е -

Укл-ДР/ДУ, где ЛР- Ра - Ре -разница начального и конечного давления, ДУ- внутренний объем микрокапилляра, заключенный между крайними положениями, мениска и вычисленный по формуле: ДУ - irh (Rz +г2 +Rr) /3. Гидравлическую проводимость клеточной мембраны - Lp - вычисляли по формуле:

к . Укл 1п 2

Lp —--------— ,где к "---------

Акл (Е + ni) Tl/2

Внутриклеточное осмотическое давление индивидуальных клеток -ni - приравнивали их тургорному давлениюi

Рис.1 Рис.2

Рис.1. Схема измерительного, зонда внутриклеточного давления 1-микрокапшшф, 2-растительная клетка, 3-среда измерения, 4-резиновый уплотнитель, 5-измерительная камера, 6-транс-дуктор, 7- стержень, 8-микромотор, 9-серебряная проволока, 10-мениск клеточный сок/силиконовое масло. Рис.2. Релаксационная кривая изменения тургорного давления (А) и схема движения мениска в микрокапилляре (Б), 1-клетка, 2-микрокапилляр,3,4- положения мениска, по которым рассчитывается величина изменения объема ДУ. "

Для декальцинирования высечек использовали 1мМ раствор ЭДТА при различных Бременах экспозиции. Ферментную обработку проводили растворами целлюлазы (Onozuka RIO, Serva) 0.4%, пек--тиназы (Macerozyme RIO, Serva) 0.4 при температуре 27° С, остальные обработки проводили при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Осмотический потенциал ткани корня сахарной свеклы. Динамика изменения осмотического давления в корнеплодах, изученная на протяжении 3-х сезонов вегетации, представлена на рис.3. В онтогенезе корня сахарной свеклы происходит непрерывное возрастание осмотического давления клеточного сока. Наиболее интенсивное возрастание величины осмотического давления происходит в первую половину вегетационного сезона - примерно от 200 в тканях проростков до 600 мОсмоль/кг после 2,5 месяцев роста, когда масса корня увеличивается до 100- 150 г (Рис.4). К концу вегетационного сезона снижается как прирост осмотического давления, так и скорость роста массы корня. В зрелых корнеплодах растений сахарной свеклы обычно величины осмотического давления достигают 800 - 1000 мОсмоль/кг, что в 4-5 раз превышает осмотическое давление в корнях молодых растений. В ткани зрелых корней кормовой свеклы наблюдается меньшая величина осмотического давления - 500 - 600 мОсмоль/кг (Табл. 1).

Накопление сахарозы в онтогенезе корня. На протяжении ряда лет наблюдали характерную динамику содержания сахарозы в корнях. На рисунке 4 представлена кривая изменения концентрации Сахаров в ткани корня сахарной свеклы в течение сезона вегетации 1991 года. Интенсивное накопление сахарозы начинается со второго месяца развития растений. Процесс запасания сахарозы описывается S-образной кривой, при сопоставлении которой с графиком роста массы корня заметно, что подъем кривой накопления сахарозы несколько опережает подъем кривой роста. К концу сезона вегетации содержание сахарозы в ткани корня может достигать 17-19 % сырой массы корня (при довольно большом разбросе для индивидуальных корней в наших условиях выращивания), что составляет около 500-700 мМ для зрелых корнеплодов сахарной, тогда как для кормовой свеклы лежит в пределах 100-200мМ.

Содержание ионов в ткани корня. Динамика концентрации неорганических ионов, вносящих существенный вклад в осмотичес-

Рис.3.Осмотическое давление■ткани

корней сахарной свеклы в течение

вегетационного сезона 1987(1),

1988(2), 1991г.(3). §1207 ~ " ~~

Рис.4.Концентрация сахарозы в ткани и масса корней сахарной свеклы в течение вегетационного сезона 1991г,1-сахароза,2-масса.

Рис.5.Концентрации ионов в ткани корней ' сахарной свеклы в течение вегетационного сезона: А-1987, Б-1988, В-1991Г.

кий потенциал ткани корня сахарной свеклы, была исследована на протяжении трех вегетационных сезонов (рис.5 А,Б,В). Основными осмотически активными ионами являются калий, нитрат, хлорид. Содержание . ионов натрия и подвижного (несвязанного) кальция в корнях сахарной свеклы очень невелико (около 1-2 мМ) и не имеет выраженной зависимости от возраста корня.

В период раннего развития корней -до 1.5 месяцев - происходит интенсивное накопление основных подвижных неорганических ионов (К\Ш3~'СГ) в ткани корня. Вследствие этого в корнях молодых интенсивно растущих растений концентрации основных подвижных неорганических ионов довольно высоки. Общее количество и концентрация индивидуальных ионов в значительной степени зависят от минерального питания растений (Холодова с со-авт., 1989), однако характерная динамика изменений концентрации каждого иона в отдельности сохраняется. Максимальных величин содержание ионов достигает в корнях 30-40 -дневных растений, составляя 100-200 мэкв К+, 60-100 мэкв Юз", 40-110 мэкв СГ. Позднее происходит быстрое снижение концентрации подвижных неорганических ионов, связанное, по-видимому, с разбавлением их концентрации из-за быстрого нарастания массы корня и накопления сахарозы в этот период. Суммарное содержание ионов в ткани зрелых корней сахарной свеклы обычно не превышает величины 80 мэкв (Табл.1). Для кормовой свеклы характерны

Таблица 1. Основные осмотически активные компоненты ткани-хранящихся корней.

Форма, Вес, Осмот.давл., Ионы,мзкв Сумма Сахароза, сорт г мОсмоль/кг К+ N03" С1~ ионов мМ.

Ялтуш- 275+70 91Б+137 47+24 20+14 11+15 77+47 521+92 ковская

Роте 485+104 574+33 138+15 63+12 66+11 263+11 154+4'Г Вальц

значительно большие концентрации неорганических ионов. В зрелых корнях кормовой свеклы содержится 150 - 300 мзкв подвижных неорганических ионов, е том числе К+-80 -190 , М0з~ - 60 -100, С1~ - 30 -80 мэкв (Табл.1).

- 11 -

Анализ соотношения кУсах ара в онтогенезе корня. Отношение кУсахара было выбрано ведущим показателем баланса ионы-сахара в ткани, поскольку доля ионов калия обычно составляет более половины в суммарном количестве неорганических ионов, входящих "в состав ткани корня. В табл.2 показано изменение соотношения кУсахара в онтогенезе корня сахарной свеклы.

Таблица 2. Соотношение калия и Сахаров в процессе сахаро-накспления в корнях сахарной свеклы, сезон 1991г.

N Возраст, Число Калий,мМ Сахара,мМ Калий/Сахара сут корней в ткани в ткани

1 28 163 * 113.6+6.9 39.2+2.6 2.88

2 35 54 * 110.7+6.7 27.1+11.2 4.72

3 41 32 * 107.2+11.3 24.7+5.8 4.62

4 47 10 92.1+13.0 133.2+24.5 0,72

5 62 5 79.4+14.1 271.5+21.8 0.29

6 70 20 38.5+11.7 229.8+30.0 0.17

г» ! 77 10 32.2+7.6 401.9+54.8 0.08

8 90 7 32.8+5.5 491.0+41.4 0.07

9 97 7 25.5+3.8 503.4+56.9 0.05

10 108 »V 1 23.8+7.8 472.4+69.7 0.06

11 129 10 22.0+3.6 593.0+22.7 0,04

12 139 10 28.5+6.7 605.3+78.9 0.05

Примечание: * - анализировали 10 образцов измельченной массы корней, в остальных случаях - индивидуальные корни.

В возрасте до 5 недель, как уже отмечалось (Рис.5), наблюдается интенсивное накопление ионов калия в ткани молодого корешка. Параллельно с этим по мере, расходования на ростовые процессы снижается содержание Сахаров, поступивших в проросток из эндосперма семени. Далее в течение месяца наблюдается резкое изменение соотношения КУсахара. (от 4.7 до 0.3). Затем, в течение следующего месяца,происходит постепенное снижение этой величины до 0.07 - 0.05. Это соотношение далее, вплоть до уборки корней на хранение, практически не изменяется.

Изменение соотношения калий/сахара в онтогенезе корня от-

- \ о —

ражает общее явление смены осмотически активных веществ б запасающем органе растений сахарной СЕеклы в течение первого года вегетации : в ткани корня интенсивно увеличивается концентрация сахарозы и снижается уровень электролитов. При этом для клеток корнеплода характерно общее возрастание величины осмотического давления клеточного сока, что отражает процесс саха-ронакопдэния.

Для тканей с различным физиологическим статусом по соотношению содержания калия и сахарозы выделяются 3 основные группы: активно растущие ткани с коэффициентом К+/сахара близким к единице, сформировавшиеся органы растений (листья, корни, стебли) -с коэффициентом 4-15, и запасающие сахарозу ткани -коэффициент от 0.01 до 0.6. Запасающий корнеплод сахарной свеклы в течение сезона вегетации проходит 3 стадии развития -активно растущей ткани проростка (коэффициент 1-Е), затем -корня со. специфическими для него функциями поглощения воды и минеральных солей (коэффициент 3-5 у молодых растений), затем - запасающего органа (коэффициент снижается до десятых и сотых долей единицы).

Параметры водного обмена запасающих клеток различных форм свеклы.

Тургорное давление. Измеренное в высечках из 2-4 кольцевой паренхимной зоны корня в 1 мМ растворе CaClg, тургорное давление в запасающих клетках в возрасте 30- 40 сут находилось в пределах 0.5 -0.7 МПа. По мере роста корня происходило постепенное увеличение тургорного давления в запасающих клетках (Рис.бА), достигая в конце вегетационного сезона (возраст растений 150- 160 сут) 1.1- 2.1 МПа и составляя в корнях, убранных на хранение, 1.6 -2.1 МПа (Табл.3). Таким образом, в течение вегетационного периода тургорное давление в запасающих клетка:-: 2-4 зоны паренхимы увеличивается на 1.2-1.4 МПа (Рис. 6А). Однако если измерения проводили ео влажной камере, тургорное давление в паренхимных клетках корнеплодов сахарной свеклы различного возраста составляло 0.24 - 0.44 МПа,'практически не изменяясь по мере развития корня.

При сравнении зрелых хранящихся корнеплодов двух форы свеклы - сахарной и кормовой оказалось, что рассчитанное по большому числу измерений индивидуальных клеток среднее значе-

ние тургорного давления Р у кормовой свеклы (1,27 МПа) значительно ниже, чем у сахарной (1.98 МПа) (Табл.3}, что определяется прежде всего большой разницей концентраций' сахарозы, а. следовательно, и осмотического давления клеточного сока у этих двух форм.

Таблица 3.Параметры годного обмена запасающей паренхимы корня' сахарной свеклы (сорт Ялтушковская) и кормовой (сорт Роте Вальц).

Сорт Услсеия Р1.МПа Т1/2.с Е, МПа Ьр,* Роем,МПа измерения (п) (п) (п) (п) (мОсмоль/кг)

Ялтуы- влажная 0. .44+0. 13 11+5 11, .7+7.3 11.'6+7.9 2.05

ковская камера (3) (16) (16) (16) (821)

Ялтуш- 1мМ СзС12 1. .98+0. 11 13+4 16, ,1+6.6 •5.9+1.7 2.10

кобекая (54) (104) (104) (104) (840)

Роте -"- -1 X . ,27+0. 15 11+5 7, ,0+2.Я си. ОТ1£,, О 1.40

Вальц ' (6) ¡'12) (12) ! (12) (589)

* Примечание: Размерность Ьр - 10 8 м о 1 МПа 1.

Бремя полусбмена зоды. В течение сезона Еегеташш з клетках 2-4 колец запасающей паренхимы сахарной свеклы наблюдалось возрастание средних величин времени полуобмена воды от 7 до 13 секунд (рио.бБ), однако достоверных различий не получено, поскольку для индивидуальных клеток характерна довольно значительная вариабельность по этому параметру - различия составляют до 10 секунд для клеток корней одного возраста. Также не обнаружено существенных различий полупериода релаксации внутриклеточного давления Т1/2 у двух форм свеклы. Величины Т1/2 лежали в пределах от 4 до 15 сек.»составляя в среднем для хранящихся корней сахарной свеклы 13 сек., а для клеток корней кормовой свеклы 11 сек. (табл.З).

Объемный эластический модуль клеточной стенки. В течение вегетационного -периода в клетках 2-го кольиа запасающей паренхимы корней сахарной свеклы значения Е возрастали в среднем от 2 до 14 МПа (Рис.бВ), а, учитывая разбросы индивидуальных измерений, диапазон изменения величин Е был намного выше. Данный

факт отражает процесс сильного вторичного утолщения клеточных оболочек и, по-видимому, определенных биохимических изменений в них, в результате чего и происходит значительное падение их эластичности. Величина объемного эластического модуля клеточных стенок Е корнеплода хранящейся кормовой свеклы оказалась более чем в два раза ниже в сравнении с сахарной (Табл.3). Таким образом, клеточные оболочки корнеплода сахарной свеклы являются более жестким структурным образованием с меньшей способностью к растяжению, чем клеточные оболочки кормовой свеклы. Максимальные величины Е, зарегистрированные нами для клеток зрелых корнеплодов сахарной свеклы, превышали 30 МПа. Эта величина соответствует верхнему уровню значении, полученному с помощью зонда давления для некоторых других растительных клеток, в основном водорослей Chara и Nitella (Steudle, 1990, 1993).

Гидравлическая проводимость мембран. Гидравлическая проводимость была рассчитана по результатам измерений тургорного давления и времени полуобмена воды в течение., вегетационного периода в клетках запасающей паренхимы корня сахарной свеклы. Средние значения Lp при значительном разбросе индивидуальных величин снижаются в течение периода вегетации приблизительно в 5 раз (Рис.бГ). Такая направленность и размер изменений может означать, что потоки воды в клетку и из нее во взрослом корне с высоким тургорным давлением существенно ограничены в сравнении с потоками воды в клетках молодого корня. Величина гидравлической проводимости клеточных мембран в зрелом корнеплоде сахарной свеклы оказалась приблизительно в 5 раз ниже в сравнении с кормовой (Табл.3). Значительно более низкая величина Lp указывает на резкое ограничение возможности движения воды в клетку и из нее у сахарной свеклы по сравнению с кормовой.

Практически для всех клеток высших растений измеренная с помощью зонда давления гидравлическая проводимость мембран имеет порядок 10~6 - 10~7 м сек-1 МПа-1 (Steudle, 1990, 1993). Полученные нами результаты указывают, что паренхимные клетки зрелого корня кормовой свеклы (с гидравлической проводимостью в среднем 3-10"7 м сек-1 МПа-1) принципиально не отличаются по этому параметру от остальных растительных объектов. У сахарной свеклы гидравлическая проводимость мембран запасающих клеток

зрелого корня на порядок н?ске - в среднем б- 10~8м сек-1 Ша~х Это выделяет запасающие клетки сахарной свеклы, среди прочих клеток высших растений они обладают наименьшей гидравлической проводимостью.

г-1

25 20

€

о.

1.0 0,5 О

0

40 80 1

ут

30

м <и о

Е-

20

10

Т&0

40 80

8

Рис.6.Параметры водного обмена запасающих парэнхимных клеток корня сахарной свекш в течение вегетационного сезона 1991 г.: А-тургорное давление, | Б-время полуобмена воды, В-объемный эластический модуль, Г- гидравлическая проводимость мембран. Зависимость параметров водного обмена (Е. Ьр) от тургор-ного давления клетки.- Представлялось важным оценить, проявляется ли зависимость параметров водного обмена Е и Ьр от тур-

горного давления, обнаруженная ранее у ряда объектов (Dainty, Ginsburgyl964; Steudle, Zímmermann, 1974; Zimmermann, Steudle, 1975; Tomos e.t al, 1981; Brinckmann et al, 1984), также на корне сахарной свеклы. Для этого были взяты 4 возрастные группы: 1- возраст растений 36-47 сут, 2- 79-86 сут 3- 123-130 сут и 4- 158-165 сут.

На рис.7А показана зависимость объемного эластического модуля клеточной стенки Е от тургорного давления для указанных 4-х возрастных групп. Для клеточных оболочек молодых корней характерно резкое увеличение объемного эластического модуля с увеличением тургорного давления клетки. Снижение угла наклона прямых е онтогенезе свидетельствует о постепенной потере зависимости Е от Pt с возрастом, то есть клетки зрелого корня практически перестали растягиваться в ответ на дополнительное увеличение тургорного давления.

Рис.7. Зависимость объемного эластического модуля клеточной стенки (7А) и гидравлической проводимости мембран (7Б) от тур-гора клетки для 4-х возрастных групп паренхимных. клеток: 136-47,2- 79-85, 3- 123-130, 4- 158-165 сут.

Увеличение тургорного давления в клетках молодого корня приводит к ' резкому падению гидравлической проводимости (рио.7Б). Уменьшение наклона прямых отражает потерю способное-

ти к регуляции водообмена увеличивающимся тургорным давлением с возрастом. В результате в клетках корней взрослых растений увеличение Pt практически не вызывает более снижения величины Lp. Другими словами, взрослые клетки с максимальны),i содержанием сахарозы и высоким тургорным давлением становятся, по-видимому, как бы "замкнутыми" для обмена еодой и растворенными веществами с внешним пространством. Речь здесь может идти, вероятно, как о некоторой модификации клеточных мембран, так и о замыкании каналов плазмодесм (Fraser 1S69; Spanswick 1972; Во-лякина,1986).

Влияние отдельных компонентов клеточной стенки на параметры водного обмена. Основными структурными компонентами клеточной стенки являются целлюлоза, гемицеллюлоза и пектины -соли полигалактуроновых кислот, в основном кальциевые. Кальций, связываясь с полигалактуроновыми кислотами, образуёт сшивки - "кальциевые мостики", что обусловливает прочность и жесткость клеточной стенки (Pitman, 1955, Demarty et al,1984, Cosgrove 1993). В то же время другая хорошо известная функция кальция - его роль в стабилизации мембран и поддержании целостности клетки (Steveninck, 1965, Ferguson, 1984). В модельных экспериментах с проводящими тканями сахарной свеклы было показано, что кальций принимает участие в удерживании сахарозы, поскольку обработка ЭДТА в 7-10 раз увеличивала выход сахарозы из ткани, а последующая обработка раствором CaClg устраняла этот эффект (Kholodova, Sokolova. Turkina, Meshcherjakov, 1976).

Для сравнительной оценки роли целлюлозы, пектинов и кальция в поддержании низкой эластичности клеток зрелого корня сахарной свеклы были проведены эксперименты с избирательным ферментативным гидролизом целлюлазами или пектиназами, а также с декальцинированием ткани в 1 Ш растворе ЭДТА.

Тургорное давление. Обработка ферментами з течение 2-х часов - как пектиназой, так и целлнзлазой - не оказала заметного влияния на тургорное давление клеток, наблюдавшиеся изменения находились в пределах ошибки измерения. Обработка же раствором ЭДТА снизила тургорное давление клеток на 20% (Рис ЗА). Более длительная обработка экспериментальными растворами (в течение 24 часов) вызвала следующие изменения: в контроль-

1203 100 80 60 40 20 О 100^ 80 60 40 20 0

д

í г ь ч $ в

150

100

50

0

1 г

г 5 V 5 6

Рис.8. А-тургорное давление, Б-время полуобмена воды, В-объем-ный эластический модуль, клеточной стенки, Г-гидравлическая проводимость мембран в запасающих паренхимных клетках корня сахарной свеклы после обработки следующий растворами:

1- контроль, 1мМ СаС1о, 2 часа; 4- пектиназа 0.4%, 2 часа;

2- 1мМ СаС12, 24 часа; - 5- пектиназа 0.4%, 24 часа;

3- целлюлаэа 0.4%, 2 часа; 6- ЭДТ-А, 1мМ, 2 часа.

ном варианте - небольшое снижение РЬ ( менее 5% ); после обработки пектиназой - снижение Р1 на 15%. Изменения тургорного давления в результате оказанных воздействий происходили только в сторону его уменьшения.

Время полуобмена воды. Обработка ферментами несколько увеличила время полуобмена воды, в большей степени это проявилось при обработке пектиназой (Рис.8Б). При выдерживании ткани в контрольных условиях (1 мМ СаС1г ) в течение 24 часов наблюдалось значительное - в 2.4 раза - увеличение времени обмена воды. Обработка раствором ЭДТА снижала 14/о почти на 20%. Таким образом, воздействие растворами Сайг и ЭДТА приводило к противоположным изменениям Бремени полуобмена воды.

Объемный эластический модуль. Все виды обработки вызывали значительное изменение Е, при этом ферментирование снижало величину Е до 70-80% от исходного уровня, к такому же результату приводило 24-часовое инкубирование в растворе 1 мМ СаС1а. Наибольший эффект был достигнут при обработке раствбром ЭДТА -величина объемного эластического модуля снизилась на 38% (Рис.8В). В результате всех оказанных воздействий происходило уменьшение величины Е по сравнению с контрольным вариантом.

Гидравлическая проводимость. Инкубирование в растворе целлюлазы привело к возрастанию гидравлической проводимости на 58%. Раствор пектиназы вызвал небольшое снижение Ьр, при длительном инкубировании в этом растворе в течение 24 часов Ьр возрастала до 161% от исходного уровня. ЭДТА, как для выше описанных параметров, оказала наибольшее воздействие: гидравлическая проводимость в этом эксперименте возросла в 2.5 раза (Рис.8Г). Обработка раствором Сайг в течение 24 часов привела к пртивоположному эффекту - снижению Ьр на 28%. На гидравлическую проводимость клеточных мембран оказали сильное влияние все виды экспериментальной обработки. По - видимому, это свидетельствует о том, что Ьр -параметр, суммирующий в себе вследствие кооперативного эффекта происходящие изменения объемного эластического модуля клеточной стенки и собственно гидравлической проводимости клеточных мембран.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование осмотического баланса и его составляющих - основных осмотически активных веществ в процессе

развития корнеплода сахарной свеклы 1-го сезона вегетации позволило выявить 3 фазы развития с различным осмотическим статусом. Удобным критерием для характеристики осмотического баланса является отношение К+/сахароза, поскольку динамики концентраций основных осмообразующих ионов в ткани корня схожи (Рис. 5 А,Б,В). Так как возрастные изменения концентрации основных неорганических ионов (К+, Шз~, Cl") подобны друг другу, по-видимому, падение концентрации основных неорганических ионов является результатом разбавления при увеличении объема запасающих клеток, пропорционального поступлению в них сахарозы (Холодова, 1989). Обратная корреляция между концентрацией сахарозы и калия, отмеченная некоторыми авторами (Семенов, 1986; Холодова с саавт., 1989; Красавина, 1989), вероятно, возникает в результате такой взаимосвязи и отражает посредничество ростовых процессов.

Сопоставление полученных для запасающей паренхимы сахарной свеклы величин Р и Е с аналогичными данными для ряда других растений, появившимися в последние годы, с применением той же техники зонда давления, подтверждает специфику нашего объекта. Так, тургорное давление Р клеток сахарной свеклы, измеренное в гипотонических условиях, в 4-10 раз выше, чем у таких объектов, как лист традесканции, корни злаков (Brlnckmann et al, 1984; Jones et al, 1988; Nonaini, Schul2e, 1989) и в 3-20 раз превышает величины Р для водорослей (Steudle, Zimmermann, 1977). Объемный эластический модуль Е также имеет в среднем более высокие величины для клеток зрелого корня сахарной свеклы в сравнении с большинством клеток других высших растений (Zimmermann, Steudle, 1980, Westgate, Steudle, 1985; Meshcheryakov et al, 1992). Только для, зрелых запасающих клеток сахарного тростника (Moore, Cosgrove, 1991) были получены близкие значения (в среднем 14 МПа).

Таким образом, достижение физиологической зрелости корнеплода сахарной свеклы сопровождается значительным укреплением структуры клеточной стенки в противоположность процессам ее деградации, характерным для созревающих сочных плодов (Hawker, 1985).

Гидравлическая проводимость мембран запасающих клеток молодых корней сахарной свеклы и зрелых корнеплодов кормовой

- gl -

свеклы не отличается по величине от измеренной с помощью зонда давления гидравлической проводимости мембран большинства других, функционально различных, растительных клеток, например, корней злаков (Jones et al, 1988). Однако по мере созревания корнеплода сахарной свеклы этот параметр претерпевает существенные изменения, его величина снижается в 4-5 раз, выходя на уровень самых низких значений ( порядка Ю-8 м сек-1 МПа"1), характерных лишь для зрелых запасающих клеток сахарного тростника (Moore, Cosgrove, 1991).

Большой интерес представляет собой обнаруженная нами зависимость объемного эластического модуля клеточной стенки и гидравлической проводимости клеточных мембран от тургорного давления, сильно изменяющаяся по мере развития корня. Эти данные свидетельствуют о том, что в онтогенезе происходят существенные качественные и количественные изменения клеточных структур. Как показали результаты нашей работы по выяснению роли отдельных компонентов клеточной стенки в поддержании её низкой эластичности, модулятором этого параметра могут являться ионы кальция. Декальцинирование высечек снижало величину объемного эластического модуля на 38%, одновременно снижая тургорное давление на 20% и увеличивая гидравлическую проводимость в 2,5 раза.

Обнаруженная нами обратная зависимость гидравлической проводимости мембран растущих клеток от тургорного давления свидетельствует в пользу триггерной роли тургорного давления в гомеостазе растительной клетки. Природа тургор-преобразова-тельного механизма восприятия сигнала в настоящее время является предметом дискуссий (Dale, Sutcliffe, 1986).

На основании полученных данных можно указать на несколько факторов, способных оказать регулирующее воздействие на аккумулирование сахарозы в клетках запасающей паренхимы корня сахарной свеклы. Прежде всего, важное воздействие может оказать потеря эластичности клеточных оболочек как результат биофизических и биохимических изменений при их утолщении в процессе вегетации, о чем свидетельствует обнаруженное нами снижение в несколько раз величины объемного эластического модуля. В результате резко ограничивается способность клеток к дальнейшему увеличению размера. При изучении растущих тканей стебля Nonami

и Воуег наблюдали противоположную закономерность - увеличение эластичности клеточных стенок при низких водных потенциалах, что способствует росту (Нопагп1, Воуег, 1990). В запасающих клетках сахарной свеклы поступающая сахароза, поднимающая осмотическое давление клеточного содержимого, не вызывает более роста растяжением, и концентрация ее в клетке значительно возрастает. В результате в рано окончивших рост мелких клетках концентрация сахарозы оказывается более высокой, чем в крупных клетках, что подтверждается прямыми аналитическими данными (МШогс!, 1973).

В том же направлении сказывается и эффект сильного снижения с возрастом гидравлической проводимости клеточных мембран в паренхиме сахарной свеклы. Возможно, это обусловлено специфическим составом жирных кислот мембран зрелых корнеплодов сахарной свеклы (Цыдендамбаев, 1981).

Полученные нами данные о различии параметров водного обмена различных форм свеклы (сахарной и кормовой) также укладываются в эту схему.

Возможно, верхний предел сахаронакопления запасающих клеток корня сахарной свеклы зависит от способности клетки сохранять процесс транспорта сахарозы при снижении поступления в клетку воды на фоне высокого тургорного давления.

На основании проведенных сравнительных измерений удалось выяснить, что по мере увеличения концентрации сахарозы в запасающих паренхимных клетках происходят существенные изменения параметров водного обмена в них. По-видимому, это является следствием изменения состава и структуры мембран клетки и клеточной стенки.

Большое значение имеет также взаимозависимость накопления сахарозы и других осмотически активных компонентов и их ком-партментация в запасающей ткани.

ВЫВОДЫ

1. В течение вегетационного сезона в корне сахарной свеклы осмотическое давление поднимается от 100-200 мМ у проростков до 800-900 мМ в заключительный период роста зрелых корней. При этом изменение функции корня сопровождается сменой основных осмотически активных веществ. Эта роль переходит от основных подвижных неорганических ионов (К+, Юз-, С1~) к сахарозе.

- 23 -

2. Впервые измерена динамика тургорного давления в индивидуальных запасающих паренхимных клетках корня сахарной свеклы в течение вегетационного сезона при различных осмотических условиях. Тургорное давление запасающих клеток, измеренное в гипотонической среде, возрастает в онтогенезе от 0.5-0.7 до 1.5-2.0 МПа.

3. С помощью экспериментов по релаксации тургорного давления в индивидуальных клетках корня измерено Еремя полуобмена воды и рассчитаны величины объемного эластического модуля клеточной стенки и гидравлической проводимости клеточных мембран. Обнаружено, что в онтогенезе корня сахарной свеклы происходит возрастание средних величин объемного эластического модуля в 7 раз и снижение гидравлической проводимости в 5 раз, значимых изменений времени полуобмена воды не наблюдается.

4. Показано, что различающиеся по уровню накопления сахарозы корнеплоды сахарной (сорт Ялтушковская) и кормовой (сорт Роте Вальц) свеклы обладают существенными различиями параметров водного обмена запасающих клеток: у сахарной свеклы в 1.5 раза выше осмотическое и тургорное давление, в 2 раза выше величина объемного эластического модуля, а гидравлическая проводимость клеточных мембран в 5 раз ниже.

5. Обнаружена прямая зависимость объемного эластического модуля клеточной стенки от тургорного давления у молодых корней, которая постепенно снижается по мере созревания корня, и практически исчезает у зрелых корней. Выявлена обратная зависимость гидравлической проводимости мембран от тургорного давления в клетках корня молодых растений (в возрасте до 130 дней).

6. В экспериментах с использованием гидролитических ферментов и ЭДТА показана значительная роль Са++ в обратимых изменениях тургорного давления, времени полуобмена воды, объемного эластического модуля клеточной стенки и гидравлической проводимости мембран в паренхимных клетках зрелых корней, что может служить основой регулирования поступления осмотически активных веществ в клетку.

7. Выявлены изменения параметров еодного обмена клеток запасающей паренхимы корня сахарной свеклы, сопряженные с процессом сахаронакопления. Запасающие клетки зрелых корней са-

харной свеклы отличаются от других растительных клеток максимальными значениями тургорного давления (1.9-2.1 МПа) и объемного эластического модуля клеточной стенки (10-23 МПа), а также минимальными значениями гидравлической проводимости мембран (порядка 10"е м с_1МПа-1). Таким образом, в результате исследования водного обмена запасающих клеток корня сахарной свеклы показана существенная специфика объекта.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Холодова В.П., Мещеряков А.Б., Машкова А.X., Печенова Т.В., Лукьянова О.А. Содержание основных осмотически активных компонентов в тканях корнеплода сахарной свеклы //Физиоло-го-биохимические основы продуктивности сахарной свеклы. Киев : ВНИС, 1989. С. 160..

2. Kholodova V.P., Meshcheryakov А.В., Lukianova О.А. Transport, systems for sucrose and monosaccharides in sugar beet root cells // Abstr. 8 Intern, workshop on plant membrane transport. Italy. 1989. C. 180.

3. Лукьянова О.А. Водный потенциал ткани корня сахарной свеклы в процессе сахаронакопления // IV Всесоюзная конф. молодых ученых по физиологии растительной клетки. М.: АН СССР ,

1990. С. 54.

4. Lukianova О.А., Kholodova М.Р., Meshcheryakov А.В. Turgor pressure and osmotic potential in sugar beet root cells // Abstracts of V-th international youth symposium on plant metabolism regulation. Varna: Bulg. Acad of sciences. 1990. P. 11.

5. Lukianova O.A., Kholodova M.P., Meshcheryakov A.B. Turgor pressure and osmotic potential in sugar beet root cells //Plant metabolism regulation. Sofia : Bulg.Acad.of sciences,

1991. P. 13.

6. Мещеряков А.Б., Лукьянова 0.A., Холодова В.П. особенности водного обмена запасающей паренхимы корня сахарной свеклы Beta vugaris L. в связи с сахаронакоплением // Физиология растений. 1992. Т. 39. Вып. 6. С. 1116.