Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пролиферация клеток в ходе инициации бокового корня

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Демченко, Кирилл Николаевич, Санкт-Петербург



Российская Академия Наук Ботанический институт им. В. Л. Комарова

На правах рукописи

ДЕМЧЕНКО Кирилл Николаевич

Пролиферация клеток в ходе инициации бокового корня

03.00.05 - ботаника "

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Научные руководители:

д.б.н., профессор М. Ф. Данилова

д.б.н., профессор В. Г. Гриф

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы..................................................................................................10

1.1. Ветвление корней. Распределение боковых и

придаточных корней....................................................................................................................................................10

1.2. Организация роста и пролиферации клеток в кончике

корня......................................................................................................................................................................................................14

1.3. Инициация боковых корней..............................................................................................................22

1.4. Развитие боковых корней и их взаимосвязь с окружающими тканями....................................................................................................31

1.5. Физиологические механизмы регуляции инициации и развития боковых корней..................................................................................................44

Постановка задачи..................>.................................................................................................................51

Глава 2. Материал и методика........................................................................................53

2.1. Эксперименты с проростками Triticum aestivum............................................53

2.1.1. Объект исследования......................................................................53

2.1.2. Методы авторадиографического изучения синтеза ДНК в корнях Triticum aestivum......................................................................................................54

2.1.3. Методы приготовления препаратов..........................................................56

' 2.1.4. Анатомические и морфометрические исследования:

методы анализа......................................................................................................58

2.2. Эксперименты с проростками Cucurbita pepo....................................................61

2.2.1. Объект исследования..............................................................................................................61

2:2.2. Методы приготовления препаратов..........................................................62

2.2.3. Анатомические и морфометрические исследования:

методы анализа......................................................................................................63

Глава 3. Результаты исследования......................................................................65

3.1. Инициация и формирование бокового корня в корнях

проростков Triticum aestivum........................................................................................................................65

. 3.1.1. Организация роста и деления клеток материнского

корня..........................................................................................................................................................................................65

3.1.2. Пролиферация клеток в последующих за зоной растяжения участках материнского корня..........................................................74

3.1.3. Длительность митотических циклов клеток и их отдельных фаз в ходе возобновлении пролиферации за пределами зоны растяжения..........................................................................................................88

3.1.4. Инициация и развитие примордия бокового корня..............90

3.1.5. Формирование бокового корня..................................................................................97

3.2. Инициация и формирование бокового корня в корнях

проростков Cucurbita реро................................................................................................................................102

3.2.1. Структура кончика материнского корня. Организация инициальных клеток и тканей......................................................102

3.2.2. Организация роста, деления и дифференциации

клеток в кончике материнского корня..........................................................................105

3.2.3. Строение зародышевого корня..............................................................................108

3.2.4. Участие тканей материнского корня в инициации и развитии примордия......................................................................................................................................110

3.2.5. Формирование бокового корня.....................................................................112

Глава 4. Обсуждение результатов..........................................................................118

4.1. Пролиферация клеток за зоной растяжения........................................................118

4.2. Значение фазы клеточного цикла в возобновлении пролиферации......................................................................................................................................................................122

4.3. Роль первых делений клеток перицикла в инициации примордия....................................................................................................................................................................................126

4.4. Длительность митотического цикла клеток при инициации примордия.....................................................................................................................................................................129

4.5. Изменение структуры материнского корня в процессе развития бокового корня...............................................................................................132

4.6. Механизмы регуляции инициации и развития боковых

корней..................................................................................................................................................................................138

Выводы................................................................................................................................................143

Список литературы........................................................................................146

Приложение......................................................................................................................................................168

ВВЕДЕНИЕ

Корневая система растения создается за счет ветвления главного и придаточных корней путем образования множества боковых корней, составляющих ее основную массу (Эзау, 1980). Важнейшая функция корня, поглотительная, напрямую связана с его способностью к быстрому росту и ветвлению в почве. Последняя является гетерогенной средой, в которой минеральные вещества, вода, газы и микроорганизмы распространены неравномерно. Необходимость компенсации неравномерности среды приводит к формированию новых меристем и их развитию. Физиологические механизмы, определяющие локальное ветвление родительского корня и его изменение при различных стрессовых ситуациях, таких как локальное внесение удобрений, дефицит влаги и другие, практически не известны. Изучение этих механизмов и закономерностей роста корня необходимо для понимания не только стратегии развития корневой системы в норме, обеспечивающий ее успешную деятельность в условиях сильной конкуренции, но и адаптации к стрессам.

История изучения бокового корня насчитывает более 100 лет (de Janczewski, 1874; Van Tieghem, Douliot, 1889; Whiting, 1938, и др.). У различных видов двудольных и однодольных растений изучено положение бокового корня на материнском корне и участие его тканей в формировании нового органа (Guttenberg, 1960, 1968; Esau, 1965; Seago, 1973). Боковые корни закладываются на материнском корне эндогенно в

акропетальной последовательности и имеют определённую локализацию относительно проводящей системы. Предприняты шаги по выявлению регуляторных механизмов развития бокового корня, участия гормонов и других физиологически активных веществ, а также основной последовательности процессов при его продвижении наружу (Popham, 1955; Bonnett, Torrey, 1966; McCully, 1975, Blakely et al., 1982; Barlow, Adam, 1988; Hmche, Rost, 1986, 1992a,b; Charlton, 1991, 1996, и др.). Лишь у немногих видов изучены процессы становления ростовых зон бокового корня, а также параметры митотического цикла клеток его меристемы (MacLeod, 1972a,b, 1973a,b, 1977, 1990; MacLeod, MacLachlan, 1974a,b,c,d, 1975a,b,c; MacLeod, Thompson, 1979; Дубровский, 1986a,б, 1987, и др.). Однако инициация и начальные этапы формирования этих меристем изучены не достаточно. Выяснение закономерностей инициации и развития боковых корней составляет существенный раздел общей программы изучения корневых систем растений. Изучение инициации и ранних этапов развития боковых корней можно рассматривать как альтернативный путь исследования закономерностей формирования корневой меристемы в эмбриогенезе. (Scheres et al., 1994; Sussex et al., 1995). Исследования в этом направлении важны также и для выявления общих закономерностей образования нового органа. Выявление этих закономерностей является одной из наиболее актуальных проблем морфогенеза растений. Эти обстоятельства вызвали интерес к детальному изучению инициации и последующего развития боковых корней.

В настоящее время анатомия растений переходит от простого описания структуры к выявлению закономерностей ее развития в ходе онтогенеза. Изучение развития бокового корня является наиболее удобной и перспективной моделью (Dolan et al., 1993; Sussex et al., 1995; Scheres, Wolkenfelt, 1998). Проводится поиск генов, ответственных за инициацию и развитие примордиев (Wyatt at al., 1993; Aeschbacher et al., 1994; Taylor, Scheurmg, 1994; Celenza et al., 1995; Smith, Fedoroff, 1995; Sussex et al., 1995, и др.). В этих исследованиях важное место должно

занимать выявление наиболее ранних структурных изменений в клетках, которые сопровождают или обуславливают включение новой программы развития клеток и экспрессию генов, её осуществляющих. Для выполнения таких задач требуются детальные анатомические исследования.

Широким фронтом проводятся исследования начальных этапов инициации примордиев бокового корня (Lloret et al., 1989; Casero et al., 1993, 1995, 1996; Laskowski et al., 1995). Особенно важно выявление самых ранних этапов инициации боковых корней, связанных с возобновлением пролиферации и функционирования новой меристемы, а также особенностей структуры материнского корня в тех участках, где эти события происходят. Возобновление пролиферации клеток происходит и при регенерации, но и в этом случае оно связано с положением клетки в системе многоклеточного организма и определяется особенностями пути её развития в ходе онтогенеза.

В ходе формирования и развития примордия бокового корня происходит рост и пролиферация клеток определенных тканей материнского корня. В корнях некоторых видов растений примордий бокового корня появляется уже в меристеме, а у других видов - на значительном удалении от кончика материнского корня (за пределами зон меристемы и растяжения). Поэтому, для выявления общих закономерностей и различий в характере роста и пролиферации клеток в ходе инициации и начальных этапов развития боковых корней, исследованы два вида растений (Triticum aestivum L. и Cucurbita pepo L.), различающиеся локализацией участка материнского корня, в котором появляются примордии боковых корней.

Цель и задачи исследования: Целью настоящего исследования является изучение пролиферации клеток корня в ходе инициации и на ранних этапах развития бокового корня. Для достижения поставленной цели с помощь методов световой микроскопии (морфометрии и

авторадиографии) решали следующие задачи:

1. Изучить пространственную и временную организацию синтеза ДНК и деления клеток в корне Triticum aestivum.

2. Выяснить, зависит ли способность клетки к возобновлению пролиферации от фазы митотического цикла, в которой она завершила её в зоне деления.

3. Оценить степень дифференциации клеток разных тканей корня Triticum aestivum в участках возобновления синтеза ДНК и деления клеток.

4. Определить последовательность начала деления клеток разных тканей материнского корня и плоскость первых делений клеток в ходе инициации примордиев боковых корней Triticum aestivum и Cucurbita реро.

5. Установить, изменяется ли длительность митотического цикла клеток материнского корня, участвующих в инициации примордия бокового корня, по сравнению с клетками апикальной меристемы.

6. Выяснить вклад клеток разных тканей материнского корня в формирование примордиев боковых корней Triticum aestivum и Cucurbita реро.

Научная новизна. У изученных представителей однодольных и двудольных растений, различающихся локализацией участка, в котором происходит инициация примордия бокового корня, выявлены общие закономерности и различия в характере роста и пролиферации клеток материнского корня, участвующих в инициации примордия. Выяснена пространственная организация синтеза ДНК и деления клеток в материнском корне пшеницы. На клеточном уровне детально изучена последовательность возобновления пролиферации клеток разных тканей в ходе инициации бокового корня. Установлено, что в случае формирования примордия за пределами меристемы, возобновление синтеза ДНК предшествует возобновлению деления клеток, а инициация примордия бокового корня происходит на фоне возобновления пролиферативной активности клеток разных тканей материнского корня. Впервые показана зависимость способности клетки к возобновлению пролиферации в зоне инициации боковых корней от фазы митотического цикла, в которой она остановилась при выходе из апикальной

меристемы. В корнях проростков изученных видов растений выявлена самая ранняя стадия в инициации развития примордиев боковых корней. Получены сравнительные данные о продолжительности митотического цикла исходных клеток зачатков боковых корней и клеток апикальной меристемы. Выявлено изменение длительности митотического цикла клеток в ходе инициации примордия. Установлено, что первые деления клеток, участвующих в инициации примордия, всегда являются антиклинальными (поперечными по отношению к продольной оси корня). Окончательно выяснен вклад клеток разных тканей материнского корня изученных видов в формирование примордия. Рассмотрены возможные причины различий состава участвующих в этом процессе тканей.

Теоретическая и практическая значимость работы. Данная

работа является теоретической и направлена на выявление механизмов регуляции морфогенеза растений на клеточном уровне. Результаты работы вносят важный вклад в современное представление о меристемах корня и репродукции клеток в них. Данные настоящей работы об организации роста, пролиферации и дифференциации клеток в корнях изученных видов растений позволят использовать последние как модели для изучения путей и механизмов регуляции этих процессов, а также для определения влияния на них физических и химических факторов. Полученные данные расширяют наши представления о механизмах ветвления корня и позволяют глубже понять взаимосвязь корневой системы с окружающей средой.

Морфогенез корневой системы составляет один из существенных разделов онтогенеза растений. Материалы диссертации могут быть включены в программу курсов по физиологии, анатомии и морфологии растений, читаемых в университетах, педагогических и сельскохозяйственных вузах, а также при подготовке учебников по этим дисциплинам.

Апробация работы. Результаты работы представлены на 4-м Симпозиуме Международного общества исследователей корня (Алма-

Ата, 1995); на V и VI Молодёжных конференциях ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 1995, 1997); на Международной конференции по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 1997); на заседании секции Анатомии и морфологии Русского Ботанического общества (Санкт-Петербург, 1997); на Конференции "Проблемы ботаники на рубеже XX-XXI веков" в рамках П(Х) съезда Русского ботанического общества (Санкт-Петербург, 1998); на 5-м Международном симпозиуме "Структура и функция корня" (Стара Лесна, Словакия, 1998); а также на научных семинарах Отдела Анатомии и морфологии БИН РАН (1995-1998).

Данная работа была поддержана Российским Фондом фундаментальных исследований (гранты 96-04-48719, 97-04-49712), стипендиями Мэрии С.-Петербурга для студентов, аспирантов и молодых учёных в 1997 и 1998 годах.

Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, 1 находится в печати.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 213 страницах текста, проиллюстрирован 8 диаграммами и 7 таблицами, 82 оригинальные фотографии представлены в приложении. Список процитированных работ включает 247 названий, из которых 198 зарубежных авторов.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям, доктору биологических наук, профессору Марии Фёдоровне Даниловой и доктору биологических наук, профессору Валерию Григорьевичу Грифу за предоставление темы и постоянное внимание при выполнении работы. Особая благодарность Николаю Петровичу Демченко за ценные советы и замечания в ходе выполнения этой работы, а также за всё то, чему я научился у него за все годы работы. Я благодарю O.K. Никифорова и А.Н. Кондратьева за ценные советы при подготовке иллюстративного материала. Я также благодарен всем сотрудникам отдела Анатомии и морфологии БИН за внимание, проявленное к данной работе.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Ветвление корней. Распределение боковых и

придаточных корней

Первый корень семенного растения развивается в ходе прорастания из апикальной меристемы на корневом полюсе зародыша. Этот корень называется главным, или первичным (Воронин, 1964; Эзау, 1969, 1980). У голосеменных и двудольных главный корень и формируемые им боковые корни составляют стержневую корневую систему. У однодольных первичный корень живет относительно короткое время, и корневая система формируется придаточными корнями, возникающими на побеге, часто в связи с пазушными почками. Эти корни разветвляются и образуют довольно однородную систему, называемую мочковатой корневой системой. У злаков некоторые из придаточных корней закладываются еще в зародыше, в котором помимо первичного корешка можно также н�