Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Полярные потоки ионов Са2+ в тканях колеоптилей кукурузы и их роль в процессах роста растяжением

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Полярные потоки ионов Са2+ в тканях колеоптилей кукурузы и их роль в процессах роста растяжением"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

г 0 д На правах рукописи

Катриченко Маргарита Ивановна

Молярные потоки ионов Са2+ в тканях колеоитилей кукурузы и их роль в процессах роста растяжением

03 00.12 - физиология растений

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Сашсг-Петербург -1998

Работа выполнена в лаборатории биофизики растений Биологического научно-исслецовахельского инстшуга Санкт-Петербургского государственного университета

доктор биологических наук, профессор С.С. Медведев

доктор биологических наук, О Д Быков

доктор химических наук, Г.Я Матевосян

Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова

Защита состоится «25» июня 1998 года в час. на заседании Дисссртационно-го совета Д 063.57.59 по защите диосергаций на соискание учешй степени доктора биологических паук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санга-Петербурт, Университетская наб., 7/9, ауд /3-2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. Горького Санкг-Петербургасого государсгвешюго университета го адресу: Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

Автореферат разослан: 1998 года

Учёный секретарь Диссертационного Совета

доктор биологических шук & (¿>¿¿¿¿3. Е.В. Ермилова

Научный руководитель:

Официальные огаюнепгы:

Везущее учреждение:

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Одна из'наиболее важных проблем физиологии роста и морфогенеза растительного организма связана с выяснением принципов и механизмов взаимодействия составляющих его клеток, тканей и органов. Традиционно ведущая роль в формировании целостности организма отводится фигогор-монам, прежде всего ауксину. Кроме того, важнейшее зтчение в регуляции процессов роста и развития растительных клеток принадлежит процессам мембранного транспорта ионов Ca21" [Bush, 1993; Malho, Trewavas, 1996; Медведев, 1996] и возникающим на их основе цигоплазмагическим градиешам этого катиона [Pierson е. а, 1994; 19%; Hycfc & Heath, 1997]. Градиенты [Бузукашвили, 1988; Timmers е.а, 19%] и полярные потоки ионов Ca21", не связанные с 1ранспирацией и ксилемным транспортом, [Gusman, Fuente, 1984; 1986; Медведев и др., 1989] обнаружены не только в отдельных клетках, но также в тканях и органах растительного организма. Однако реальные механизмы и основные параметры процесса полярного передвижения эндогенного кальция в ткаггях, особенно при вертикальной (нормальной) ориентации, до сих пор неясны Поскольку фиготрошиы подавляют полярные потоки кальция, а блокаторы мембранного транспорта Ca21' угнетают передвижение 14С-ИУК, высказываются предположения о возможном сопряжении процессов транспорта ауксина и кальция в растительных тканях [Guzman, Fuente, 1986; Banuelos е. а, 1988; Медведев и др., 1989]. Механизм этого взаимодействия до сих пор практически не исследован Известно, что дня формирования полярных потоков ионов Ca21" и ИУК в кликах и агогохасте должен постоянно поддерживаться необходимый уровень свободного кальция. Вопрос о регуляции соотношения ионизированного и связанного Ca2' в клеточных компаршентах, в том числе в клеточной стенке, пока еще далек от своего разрешения. Показано, что степень связанности ионов Ca'' с пектиновыми полимерами клеточной стенки может регулироваться микроэлементом бором [Yamauchi е. а., 1986]. Бор, так же как и Ca2f являясь хорошим комплексообра-зователем, способен образовывать координационные связи с входящими в состав апопласта соединениями [Loomis & Durst, 1992;Matohe. а, 1993; 1996; 1997J, одна- . ico нет окончательной ясности, может ли микроэлемент бор повышать подвижность кальция в тканях растений.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в выяснении механизмов ' формирования полярных потоков и градиентов ионов Ca21" в тканях вертикально

(нормалью) ориентсгрованных колеопгилей кукурузы, а также их роли в процессах роста растяжением. В связи с этим были поставлены следующие задами:

1. Изучить параметры полярного потока ионов Са21" и участие систем мембранного транспорта кальция (Са-каналов и Са-АТФаз) в процессе его формирования в тканях колеопгилей кукурузы.

2. Исследовагь возможность сопряжения процессов полярного транспорта ионов Са2* и ИУ К в тканях отрезков колеопгилей кукурузы.

3. Опепшъ зависимость интенсивности полярных потоков кальция и ауксина от уровня гонов Са2* и микроэлемента бора

4. Проанализировать роль полярных потоков ионов Са21 в регуляции процессов полярного роста растений

Научная новизна. Впервые обнаружены эндогенные полярные акроншальные потоки ионизированного кальция в вертикально ориентированных отрезках колеопгилей кукурузы Полярные потоки ионов Са2' имели нелинейный характер. Периодичность колебаний осцилляции эндогенного полярного штока кальция практически совпадает с периодом колебаний скорости роста отрезков колеопгилей Показано, »по осциллирующие полярные потоки ионов Са2*" определяются согласованной работой Са-каналов и Са-АТФаз. Впервые показано, что полярное передвижение йогов Са21" и ИУК в отрезках колеопгилей кукурузы осутцеспшктся только при определенной концентрации ионов От2' в инкубационной сроде и тканях. При повышении или понижении содержания ионов Са2* полярные потоки кальция и ауксина не регистрируются: Впертые показано, что микроэлемент бор способен регулировать процессы полярного транспорта ионов Са21 и ауксина в тканях колеопгилей в завимосги от содержания кальция. Установлено, что обработка колеопгилей кукурузы Н3ВО3 вызывает повышение уровня ионизированного кальция в тканях. Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют подойти к пониманию гормональных и ионных механизмов взаимодействия отдельных клеток, тканей и органов растительного организма в процессах роста и морфогенеза и мо1уг быть использованы при разработке новых методов выращивания растений, в том числе в условиях невесомости. Разработка механизмов взаимодействия ионов Са21" и микроэлемента бора в процессе роста может бьпъ положена в основу создания более эффективных бгогехнологических приемов, в частности при создании питательных растворов для выращивания растений в гидропонной культуре.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на Ш Съезде ВОФР (СПб, 1993), Чтениях, посвященных 160-летию И. А. Стебуга (СПб, 1994), X Съезде FESPP (Флоренция, 1996), X Междунар. Школе по биол. мембран расг. (Регенсбург, 1995), Гордоновской науч. конф. по гравитационной биол. (Ныо-Ловдон, 1996), ХШ Меж-дупар. Школе по биоф. мембран (Ладек-Злрой, 1997), ХУШ Контр. SPPS (Уппсала, 1997), IV Междукар. конф. «Регуляторы роста и развития расг.» (Москва, 1997), VI Молодеж конф. ботаников (СПб, 1997), Мевдун амга. «Физ.-Хим. основы физи-ол. расг.» (Пенза, 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 11 тезисов. Структура и объем диссертации. Работа изложена на 170 cip машинописного текла и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и обсуждения, заключения и выводов. Диссертация содержит 25 рис и 9 табл; список цитируемой литературы включает 238 источников, из них 199 иностранных авторов.

Объекты и методы исследования Объектам исследования служили целые и декапигированные (на 4 мм) отрезки колеопгилей 4-днев. этвдлиррванных пророспсов кукурузы {Zea mays L.) сорта Краотодарский-235. При определении содерзюишя ионов Ca^ в ткаии целые колеоптили кукурузы разделяли на гопъ зон и гомогенизировали Содержание ионизированного Ca24" измеряли с помошью Са2'-селекхивных электродов. Регистрацию Iюста в длину отрезков колеопгилей проростков кукурузы проводили с помощью электромеханического датчика линейного смешения механотрона 6MXIC. Секрецию ионов Ca2' и It из тканей колеопгилей кукурузы оценивали с помощью ионосе-лекшвных электродов, a if-ионов с помощью стеклянных рН-элеюродов. Огрезки продинкубировались в среде А (15 мкМ СаС12,0,5 мМ КО, 1,5 ч). При необходимости в среду А добавляли ингибиторы. Затем отрезки устанавливали в камеру из органического стекла, рассчитанную та 20 вертикально ориентированных отрезков и состоящую из верхней и нижней ячеек, содержащих по 3 мл среды А. Изоляцию cpenois концов отрезков осуществляли с помощью ланолина. С растворами соприкасались только апикальная и базальная зоны каждого отрезка (но 2 мм). В ходе эксперимента отрезки находились в вертикальном положении в темноте при постоянной температуре 26 °С и 100%-ной относительной влажности воздуха Каличеато ПУК, выделяемого апикальным и базапьньм концалш отрезков, определят с помощью твердофазного иммуноферменгного анализа fWeiler, 1984]. Повтор-

гюсть опытов 4-7 крапая. Результаты щкдставлеиы в виде характерных кривых, гистограмм и таблиц На гистограммах и в таблице приведены средние арифметические значения и их квадратичные отклонения.

Результаты и обсуждение Полярные потоки ионов Са2+в псапях отрезков колешшлей кукурузы: механизм формирования. При изучении процессов транспорта йогов Са21" в тканях вер-

2+ , тикально ориентированных

Са и Н , нмоль/см 2+

Са а офезков колеоптилей кукурузы обнаружено, что секреция ионов Са21" из апикальных зои на 30-50% превышает секрецию из базальных зон (рис.1). Наблюдаемое вьвделение ионов Са21" вряд ли определяется провесами (1) физико-химической диф-Время, мин хи л фузии и/или (2) является Рис1СехредаяиощвСа2'иГГюапикшшгой(А)и следствием Н+/Са2^ обмена в

базалшой (Б) зон отрежешкелеотгаей кукурузы ходе роста растяжением т.к

зарегистрированная секреция ионов Н1 была на 1,5 - 2 порядка ниже, чем секреция ионов Са2*' (рис.1), а содержание ионизированного Са2*' в тканях апикалыюй зоны отрезка в несколько раз ниже, чем базальюй (рис.2). Вероятнее всего, преобладание апикальной секреции капыдая над базалыюй есть следствие полярного перемещения ионов Са2* в направлении морфологического атекса осевого органа. При регистрации д инамики секреции ионов Са21" за более короткие промежутки времени (рис.З) бьшо обнаружено, чго полярные потоки Са21" имели нелинейный характер с периодом осцилляции околю 60 минут. Амхшпуда осцилля-ций апикальной секреции Са24' была больше, чем базалыюй. Осцилляции апикалыюй и базалыюй секреции происходит асинхронно. Периодичность

Ж) ± 14,8

153 ±6,5

769 + П 8

476 + 21,4

682 ± 28,0

Рис.2 Распределение ионизированного калыдая в кшеоп-ипе (нмадь / г сырой массы)

МИН

Са2*, нмоль/см2

выделения Са отрезками, верояшо, отражает колебания интенсивности мембранного транспорта этого катиогш и/или определяется оснилля-щмми ростовых процессов. Существует много данных о том, что ростовые процессы могут протекать в нелинейном резюме [(ЗоЮ/ЗиЪа, 1983; Кшие, МШОГе, 1986]. Нам в ^ ё 5 ¥ ходе непрерывной регистрации

Рр^ЗОсцилтацииотфецшшновС^^юашашдш удалось зарегистрировать пе-(А) и базалыюй (Б) зон отрежпв кшеогпилей риодические кпдебания скоро кукурузы. ста шла отрезков колеопги-

лей кукурузы (рис.4). Обнаружены три типа колебаний с периодом 2-4 мин (1), 1020 мин (2) и 40-60 мин (3). Параметры 3-го типа колебаний скорости роста практически совпадали с периодичностью осцилляций в процессе секреции гонов Са2*, которая начинает регистрироваться (также как и 3-й тип ростовых осцилляций) через 2,5-3 часа после выделения отрезков. В случае прямой зависимости наблюдаемых осцилляций секреции ионов Са2* от скорости роста наибольшая амплитуда колебаний секреции должна была бы регистрироваться у базальных зон отрезков, так как

скорость их роста, как известно,

тлАЛ^ 2

0,4 мкм/мин

и

10 МИН

превышает рост апикальных зон колеопгилей. Однако как видно на рис.3, абсолютные величины амплитуды апикальной секреции были выше, чем базалыюй. Поэтому вряд ли можно говорить, что осцилляции секреции Са2* связаны пешередетвегаю с колебаниями скорости роста колеоп-Рис.4 Осцилляции роста отрезков колеопгилей тилей. Скорее всего они опреде-кукурузы- ляклея промессами трансмем-

бранного переноса ионов, осуществляемыми в нелинейном (волновом) режиме. Подтверждением тому ммуг быть данные об осцилляциях концентрации цитоплазматического кальция в клетках высших растений, которые были зарегистрированы

при обработке экзогенным ауксином pelle, 1988J, в ходе фото- [Volotovski е. а, 1993], гравшропических реакций [Gehiing е. а, 1990], а также в замыкающих клетках устьиц под действием АБК и экзогенного кальция [Martin е.а, 1995]. Основой механизма формирования Са^-осцилляций в животных клетках, как правило, является взаимодействие потоков Ca2', 4юрмирующихся в результате транспорта этого катиона через плазшлемму и эидомембраны с ysacmevt Са-каналов различных тшюв, Са-АТФаз, фосфоинозищдной системы и кальмодулина [Berrige, 1995]. Предполагается, 'по осцилляции свободного Ca24" в цитоплазме растительных клеток также могут быть следствием ритмичной активности Са-транспоргируюпщх систем [Ward е. а, 1995]. Повышение содержания Ca21 в цитоплазме происходит в результате входа Ca21" в клешу из апопласта и высвобождения его из различных внутриклеточных депо. Снижение его уровня в цигозоле, вероятно, обеспечивается механизмом Cil2 '"-зависимого выкачивания ионов Ca21' при участии Са-АТФаз и/или Са^ЯТ ангапорта Са-волны обнаружены в популяциях животных клеток, связанных между собой межклеточными контактами [Авдонин, Ткачук, 1994]. Возможность распространения Ca2 '-оецшп шций от клетки к клетке показана и у многоклеточного тычиночного волоска Sclcreacea purpurea [Tucker, Boss, 1996]. Можно предположить, что нелинейный характер полярного перед вижения ионов Ca по растительным тканям также является результатом суммации осцилляции трансмембранюго переноса этого катиона в клеточных популяциях

В наших экспериментах эндогенные полярные потоки ионов Ca2f в колеошилях кукурузы подавлялись блокаторами мембршшого транспорта кальция (рис.5). Иши-бигор Са-каналов верапамил практически полностью подавлял выделение ионов Ca21" из апикальных участков отрезков колеопшлей; остаточная секреция составляла менее 5% от уровня контроля. Са^-осцилляции при этом в значительной степени подавлялись, базальная секреция достоверно превышала апикальную (рис.5). Ингибиторы мембраносвязанных АТФаз зритрозин Б и LaCI3 на 60-70% уменьшали количество ионов Ca2*", выделяемое отрезками Акропетальная направленность и осциллирующий характер транспорта кальция сохранялись (рис.5). Обработка этими ингибиторами не вызывала существенных изменений в процессе секреции НГ-ионов. Совокупность полученных данных позволяет заключить, что процесс полярного передвижения ионов Ca2h в осевых органах растений определяется работой систем мембранного транспорта этого катиона Функционирование Са-АТФаз, чувствительных к ортованадату, диэтилстильбестролу и лантану, а также Са-каналов, бло-

кируемых всрштмилом, рутениевым красным и лидокаином, было показано ш очищенном препарате везикул плазмалеммы ш клеток шлсогшшей кукурузы с помощью Са^-чувсгвигельных флуоресцентных зондов Ицдо-1 и хгортетрациклина [Маркова и др., 1995].

Са2+, нмоль/см

50

Контроль, 15 мкМ СаС12

50

25 -

Лантан, 1 мМ

Са2+, нмоль/см2

50

25

Верапамнл, 0,06 мМ

25

Эри грозил Б, 0,01 мМ

Время, мин

Рис5 Влияние ингибиторов мембранного транспорта на секрецию ионов Са^ из апикальной (А) и базальной (Б) зон отрезков копеогпшей кукурузы

Зависимость полярного транспорта кальция от уровня ионов Са + в среде инкубации и псалях ¡солеоишлеи кукурузы. Максимальная итенагвносгь полярного акропегального передвижения Са^ была зарегистрирована при инкубации в среде, содержащей ] 5 мкМ СаС12 (рис.6). Сравнительно небольшое отклонение от данной конпетгграции как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения негативно сказывалось на (}юрмировании полярного акрошлального потока Са2^ в коле-оптютях. Уменьшение концентрации Са21" в срелр до 8 мкМ снижало интенсивность секреции почти в 2 раза, хотя направление транспорта Са24 сохранялось (рис.6). Увe^ личение содеркание кальция в среде до 30 мкМ приводило не только к подавлению вьщеления ионов Са2+ концами отрезков, но и к гафгодической смене секреции га поглощение (рис.6). Подтверждением зависимости полярного трапепорга ионов Са2*"

Са2\ нмоль/смг

50

25-

Oy-f,

■20

Время, мин

Рис.6 Динамика секреадии ионов Са24" из апикальных (А) и базальных (Б) зон отрезков колеон тикей кукурузы в зависимости от содержания СаСЬ в среде (8,15иЗОмкМ) от уровня Са в тканях отрезков колеопшлеи кукурузы являются результаты, полученные при регистрации секреция ионов Са^' го апикальных и базальных концов отрезков, предобработанных хслатором двухвалентных ионов ЭГТА (0,1 мМ) (рис.7). Нарушение полярного транспорта Са2, в надземных, осевых органах Са2+, нмоль/см2 растений сопровождается замед-

лением ростовых процессов [Медведев и др., 1989]. Известно, что транспорт ауксина в расте-

Л А А г-

Я в Б нияхможетосущх-шшьсявко-

1 г—. . .—, лебатеяьном режиме. При срав-

30

15--

Б

ш

а*м са

15мМ

са

эта

ЭлМ

са

зга

15мМ

нении ритмики полярного тран-

„я-.

спорта Са (рис.3) и импульсного базигогального передвижения ИУК обнаруживается сходство временных параметров этих процессов [Wodzidd, Zajaczkowski,

Рис.7 Влияние ЭГТА (0,1 мМ, 2 ч) на секрецию ионов Са2+ из апикальных (А) и базальных (Б) зон отрезков колеоптилей кукурузы 1988]. Волны ауксина, вероятно, способны инициировать осцилляции процессов, которые этот гормон контролирует, и в первую очередь осцилляции активности Н' -АТФаз. В опьпах Felle [1988] обработка ИУК эпидермальных клеток колеоптилей кукурузы инициировала осцилляции мембранного потенциала, [Са24]1ИТ и pH В наших опьпах также наблюдались незначительные колебания интенсивности выделения Нойонов, которые однако были несопоставимы с наблюдаемыми оецшхляциями уровня ионов Са21".

Зависимость полярного транспорта ионов Са2* и ИУК от уровня калмпт в наших растсшш. Предполагается, что процессы полярного транспорта ауксина и Са2*, по-видимому, сопряжены [Вапие^ е. а, 1988; Медведев и др., 1989]. На рис.8 можно видеть, что интенсивность и направление потока ИУК в отрезках колеопга-лей кукурузы зависит от содержания кальция в тканях и среде инкубации Класиче-ский базипетальный транспорт ауксина наблюдался лишь в присутствии в среде 15 мкМ СаС12: интенсивность базалыгой секреции ИУ К более чем в 3 раза превышала апикальную. Инкубация в этой среде отрезков, ттредобработанных ЭГТА (0,01 мМ), приводила кусилению интенсивности секреции гормона из обоих кон цов отрезков

ПУК, нмоль/см2

3 - -

1,5 - А

Б

0 -

Б

У/А

Рис.8 Влияние СаС12 (8 и 15 мкМ) и ЭГТА (ОД мМ) на секрецию ИУК из апикальных (А) и базалшых (Б) зон отрезков калеопшлей кукурузы

8мкМ Са

15мвМ Са

ЭГТА, 8мкМ Са

ЭГТА, 15шМ Са

и как следствие к нарушению полярности его транспорта (рис.8). Нарушение полярности секреции ИУК из концов отрезков наблюдалось и при понижении содержания Са2* в среде до 8 мкМ: базаль-гая секреция ИУК подавлялась, в то время как апикальная секреция возрастала на порядок Аналогичные результаты были получены и при регистрации секреции ИУК из тканей отрезков колеоптилей после обработки хелатором двухвалентных ионов ЭГТА (0,1 мМ) (рда.8). Необход имо отмеппъ, что предобработка ЭГТА тканей отре -

ИУК, нмоль/см2

Рис.9 Влияние 1ИБК (0,1 мМ, 2 ч) на секрецию ИУК из апикалы ых (А) и базаяьных (Б) зон отрезков коясотшен кукурузы

зков колеотшшеи приводит к нарушению полярности процессов транспорта как ионов Са2*, таге и ИУК (рис.7,8). В наших экспе-римнтах обработка тканей отрезков юлеогаилей ингибитором полярного транспорта ауксина (ГИБК) приводит к блокированию полярного транспорта ИУК (рис.9), и подавлению интенсивно-

ции ионов Са2' (рис.10). Направление транспорта Са2(, в отличие от направления транспорта ИУК, сохранялось. При этом амплитуда секрещш Са2' из апикальных концов отрезков падала приблизительно в 2 раза, а из базальных - понта в 3 раза Полученные результаты подтверждают, что процессы полярного передвижения фи-тогормона ИУК и ионов Са2" по тканям отрезков кэлеопгалей кукурузы действительно сопряжены. Можно предположить, что полярный транспорт аукала и ионов Са2' в растительных тканях осуществляется путем эстафетного переноса «клетка-апопласт- клетка". Векторное передвижение ионов Са2' по растению, возможно, яв-Са2\ имоль/см2 Са2+, имоль/см2

Рис 10 Влияние ТЖК (0,1 мМ, 2 ч) на сскреццю юнш Са2*" из апикальных (А) и базальных (Б) зон отрезке» кеяеошилей кукурузы.

ляется отражением суммирования анатомо-мор^юлотической и фцшологичесюй полярности отдельных клеток ткани [Маркова и др., 1997], подобно тому, как суммарная полярность транспорта ауксина складывается из индивидуальной способности к полярному транспорту ИУК каждой клетки [Уорринг, Филлиппс, 1984]. В то время как в исследовании механизмов трансмембранного переноса кальция с участием Са-АТФаз и Са-каналов [Медведев и др., 1989, Маркова и др, 1995; Bush, 1995; Pineros, Tester е. а, 1997; White, 1998] достигнуты значительные успехи, принципы регуляции его передвижения через фазу клеточной стенки практически не исследованы.

Роль бора в регуляции полярных потоков ионов Са2+ и ИУК. Для нормального протекания процессов роста, в том числе и полярного, необходим определенный уровень тонов Са21 в клетках и тканях раегшелыгого оранизма [Hepler & Waine, 1985; Pickard, Ding, 1993; Медведев и др., 1989]. Полагают, что обработка растительных тканей экзогенным кальцием (СаС12) и хелаторами двухватапных катионов (ЭГТА и др) приводит преяедс всего к обеднению ионами Са2' фазы клеточной

стенки. Изменение ионообменных свойств апопласга способно индуцировать целый каскад событий, и первую очередь изменение интенсивности мембранных и дальних потоков Са2*, приводящее в конечном итоге к изменениям параметров роста. Однако до сих пор нет ясных предгавлений о том, как растительный организм поддерживает необходимый уровень ионизированного кальция в атопласте в процессе роста Известно, что микроэлемент бор наряду с Са* участвует в стабилизации структуры клеточной стенки [Match е. а, 1996]. Показано, что борат-полисахарид?пае эфиры обладают особым свойством: формироваться и диссоциировать в зависимости от рН [Loomis & Durst, 1992]. Предполагается, что таким образом они могут изменять конформацию полимеров и степень их ассоциации с другими молекулами, вызывая изменение числа отрицательно заряженных групп, открытых для формирования ионных и координационных связей. Изменение количества фиксированных зарядов та полимерах клеточной стенки может вызвать изменение концентрации ионов, способных маскировать эти заряды, в том числе и ионов Са21". Нами было показано, что внесение в среду Н3ВО3 (10 мкМ) изменяет угол гравшропического изгиба и рост обеих сторон отрезков колеошилей кукурузы в зависимости от концентрации кальция [Медведев и др., 1990]. Вероятно, микроэлемент бор может изменять подвижность ионов Са2+в растительных тканях в ходе роста. Действительно, предобработка растительных тканей H3BOj (ОДмМ) приводила к повышению уровня ионизированного Са21" в гомогенате колеотпилей кукурузы (табл. 1). Предобработка тканей отрезков колеопгилей кукургузы боратом оказывала влияние на секрецию йогов Са2*" из концов отрезков в зависимости сгг содержания кальция в среде

Табл.]. Действие бора на выяснение ионов Са2^ из тканей отрезков колеогптаей кукурузы

инкубации (рис.11). Предобработка боратом (10 мкМ ЩЗОз) отрезков колеошилей, инкубировавшихся в среде, содержащей 8 мкМ СаС12, приводила к незначительному повышению интенсивности и воссгапоаленшо полярности секреции ионов Са2ь. В том случае, когда содеркание кальция в инкубационной среде увеличивали в 2 раза (15 мкМ СаСГг), происходило уменьшение шгтенсивпости секреции из апикальных концов отрезков и инверсия полярности транспорта Са2' (рис. 11). Подобная зависимость наблюдалась при регистрации секреции ионов Са2*" из тканей отрезков,

Са2+, нмоль/г сырой массы Ч

Контроль 64, 3 ± 3, 0

НзВОз, 0, 1 мМ 80, 3 ± 3, 7

обедненных кальцием. Однако и в этом случае действие бора зависело от содержания Са* в деде. Предобработка боратом (10 мкМ) тканей, обедненных кальцием и ин-

Са2+, нмоль/см2

А

-Ь

Рис.11 Влиягмс ЩЗОз на секрецию ионов Са^из апикальных (А) и базальных (Б) зон отрезков коле-опгилей кукурузы

кубировавтихет в среде с 15 мкМ СаС1г, воссшивливала уровень секреции ионов Са^ из апикальных концов отрезков и подавляла секрецию ионов Са* из базальных кон--цов отрезков. При этом полярность транспорт Са2+ не толь-ш восстанавливается до уровня, регистрируемого в тканях с нормальным содержанием Са* (рис.1), но и возрастает почти в 2 раза (рис. 11).

При понижении уровня СаС12 в среде инкубации до 8 мкМ не было зарегистрировано ни повышения интенсивности, ни восстановления полярности сегфеции Ca21".

Известно, что микроэлемент бор так же как и Ca21", оказывает влияние на содержание и процесс полярного транспорта ИУК по растительным тканям [Школьник, 1974; Hu, Brown, 1994]. Оказалось, что бор может регулировать интенсивность и направление потока ИУК в тканях колеопгилей кукурузы в зависимости от содержания Ca21" в среде инкубации (рис. 12). В наших экспериментах полярный базипеталь-ньш транспорт ИУК обнаруживался при том же уровне Ca21" в среде (рис.8), при котором регистрировался шфопетальный полярный транспорт ионов Ca2' (рис.6). Добавление бора в среду, содержащую 8 мкМ СаС12, приводило к восстановлению полярности транспорта и Ca2' (рис. 11), к ИУК (рис. 12). В то же время бор не способствовал проявлению полярности транспорта ИУК при инкубации тканей отрезков колеопгилей в бескальциевой среде, а после предобработки тканей ЭГТА - и в присутствии в среде кальция (рис.12). Тот факт, что базипетальное перемещение ИУК наблюдается в тех же условиях, при которых регистрируется акропетальный транспорт Ca2*", является еще одним подтверждением предположения о возможном сопряжении этих противонаправлеггых полярных потоков. Учитывая литературные

данные, согласно которым осцилляции цигазольного кальция в клетках животных могут

ПУК, нмоль/см'

4 т

быть носителями стимул-специфичной информации, и проанализировав результаты собственных экспериментов, мы пришли к заключению, что осциллирующие полярные потоки ионов Са'*, реги-арирусмые ш уровне ткани, могут выполшпь подобную раугоггорную функцию та уровне целого растительною организма Аксиальные по-

токи ионов Са , вероятно,

Рис.12 Влияние бора (10 мкШ1зВСЬ) га са<ренцюИУК из апикальных (А) и базалкных (Б) зон отрезков колеотпи-лей кукурузы

могут контролировав и корректировать патярное перемещение фитотормона ауксина в тканях осевых органов растений. По-видимому, ритмичность ростовых процессов в осспых органах растений может быть отражением нелинейного импульсного передвижения не только фигогормона ауксина, но и иопов кальция.

Выводы

1. В вертикально ориешнрованньтх отрезках колеопгилей кукурузы обнаружены эндогенные полярные акропеггальные потоки ионизированного Са2*. Апикальные зоны выделяли та 30-50% больше Са21', чем базальные. Одновременно регистрируемая оекреция Н1-ионов была на 1,5-2 порядка ниже, чем секреция ионов Са2*.

2. Полярные потоки Са2* имели нелтпейный характер. Секреция ионов Са2* происходила в осциллирующем режиме с периодом около 60 минут. Амплшуда осцилляции апикальной секреции Са2* была больше, чем базальной. Осцшыяции апикальной и базальной секреции происходили асинхронно.

3. Блокатор Са-каналов верапамил (0,06 мМ) практически полностью подавлял ак-эопетальиый осциллирующий поток Са2* в отрезках колеоппстсй кукурузы. ЬаС1. '1мМ) и ингибитор мембранносвязанных АТФаз эритрозшт Б (0,01-0,1мМ) на 6070% уменьшали количество ионов Са2*, выделяемое отрезками; акропетальная га-травленноегь и осшшпдтуюший характер транспорта Са2* при этом сохранялись.

4. Обнаружены три типа колебаний скорости роста отрезков колеопгилей кукурузы, один из которых совпади с периодом осциллядий секреции Са^.

5. Полярное передвижение ионов Са21" и фигогормона ИУК в отрезках колеопгилей кукурузы осуществлялось только при определенной концентрации СаС12 в ерзде инкубации (15 мкМ). При повышении (цо 30 мкМ) или снижении (до 8 мкМ) уровня кальция в среде полярные потоки и ауксина не регистрировались. Ингибитор полярного транспорта ауксина ТИБК (0,1 мМ) подавлял процессы полярного транспорта ИУК и ионов Са2,~.

6. Установлено, что обработка колеопгилей кукурузы борной кислотой вызывала повышение уровня ионизированного кальция в тканях колеопгилей кукурузы. Действие бората (Н3ВО3, 10 мкМ) на полярное передвижение ионов кальция и ауксина зависело от содержания Са2' в среде и тканях колеошилей. Предполагается, что влияние бората на процесс полярюго транспорта ИУК опосредовано изменениями уровня ионов Са21" в тканях. Физиологически; эффекты микроэлемента бора в растительных клетках, вероятно, могут быть связаны с регуляцией пула ионизированного кальция в апопласге и других клеточных компаргмешах.

7. Высказывается предположение о том, то осциллирующие полярные потоки ионов Са21", регистрируемые в растительных тканях, являются одним из основных элементов пространственно-временной рауляции процессов полярного роста и морфогенеза растений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Медведев С.С., Маркова И.В., Катриченко М.И., Штонда И.А. Участие бора и кальция в гравигропической реакции колеопгилей .кукурузы. Вест. ЛГУ. 1989. Сер.З. Вып.2. N10. С.64-68.

2. Маркова И.В., Катриченко М.И., Шевцов Ю.И., Батов А.Ю., Медведев С.С. Полярные потоки Са2+ в растительных тканях. П. Механизм формирования. Физиол. раст. 1997. Т.44. N6. С.900-908.

3. Ю.И. Шевцов, Н.В. Годубсва, М.И. Катриченко. Осцилляции роста осевых органов кукурузы и редиса. Вест. СПбГУ. 1997. Сер.З. Вып 3. N17. С.99-105.

4. Маркова И.В., Катриченко М.И., Коровина Н.В.. Ми1фоэлеменг бор и формирование полярных потоков кальция и ауксина в колеопгалях кукурузы. Вест. СПбГУ. 1997. Сер.З. Вын.2. N10. С.115-121.

5. Катриченко М.И., Маркова И.В, Шевцов Ю.И. Регуляция гкиирного транспорта ауксина ионами кальция и микроэлеметггом бором.Тезисы докладов IV Междунар. конф. «Регуляторы роста и развития раст.». Россия. Москва. 1997. С. 90-91.

6. Кагриченжо M.И., Маркова Й..В. Взаимодействие кальция и бора в регуляции гравитропизма. Тезисы докладов Ш Съезда ВОФР. Россия. СПб, 1993. С.124.

7. Моштсов A.B., Калинина А.Ю., Катриченко М.И. Ауксин-зависимый транспора' ионов кальция через плазмалемму, полученную го клеток колеоптилей кукурузы. Тезисы VI Молодежной, конф. ботаников. Россия. СПб 1997. С. 59.

8. Батов А.Ю., Маркова И.В., Монлсов A.B., Калинина А.Ю., Катриченко М.И-, Медведев С.С. ИУК-чувствительные кальциевые каналы плазмалеммы клеток ко-леошилей кукурузы. Тезисы докладов ГУ Международной конф. «Регуляторы роста и развития раст.». Россия. Москва. 1997. С. 74-75.

9. Medvedev S.S., Markova I.V., Batov A.Y., Katrichenko M.I., Shevtsov Yu.I. Phys. and chem. basis of the plant morphogenesis. Annual symposium <dTiys.-chem. basis of plant physiol. Russia Penza. Pushino. 1996. P.70-71.

10. Katrichenko M.I., Markova I.V., Batov A.Y., Moshkov A.V., Medvedev S.S. Participation of Ca-channels and Ca-ATPses in creating of polar oscillation calcium fluxes in plants. Cell. & Molec. Biol. Letters. V.l. Suppl.l. 1997. Bioph. of membrane transport. Proceed, of ХШ School. Poland. Part II. P.260-261.

11. Katrichenko M.I., Markova I.V., Medvedev S.S. Boron as a regulator of calcium level in the cellular compartments. Proceed, of XVIII SPPS Congress. Uppsala. Sweden. 1997. P. 146.

12. Katrichenko M.I., Markova I.V, Medvedev S.S. Role of microelement boron m regulation growth and gravitropism. Proceed, of X FESPP Congress. Florence. Italy. 1996. P.326.

13. Medvedev S.S., Markova I.V., Katrichenko M.I.. Ca2+ polar fluxes as an essential element of the growth and morfogenesis. Proceed, of X FESPP Congress. Florence. Italy. 1996. P. 192.

14. Medvedev S.S., Markova I.V., Batov A.Y., Katrichenko M.I., Moshkov A.V. The role of polar calcium fluxes in axial growth and gravitropic response. «Gravitational effects in living systems: Mechanosensitivity, Calcium and Adaptation» New London, New Hampshire. Gordon Research Conference. 1996. P.31.

15. Markova I.V., Batov A.Y., Katrichenko M.I., Moshkov A.V., Medvedev S.S. Participation of Ca-channels and Ca-ATPases in creating of polar calcium fluxes in plants. Proceed. ofXInt. Workshop on Plant Membrane Biol. Germany. 1995 P.65.