Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

РАДИОИНДИКАТОРНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОГЛОЩЕНИЯ РУБИДИЯ И СТРОНЦИЯ РАСТУЩИМИ И ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЗРЕЛЫМИ ЗОНАМИ КОРНЯ КУКУРУЗЫ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "РАДИОИНДИКАТОРНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОГЛОЩЕНИЯ РУБИДИЯ И СТРОНЦИЯ РАСТУЩИМИ И ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЗРЕЛЫМИ ЗОНАМИ КОРНЯ КУКУРУЗЫ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА: СССР л

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ммсни К. А. ТИМИРЯЗЕВА

Р Яа правах рукописи

: \ Евгения Анатольевна Бибергйль ~

РАДИОИНДИКАТОРНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОГЛОЩЕНИЯ РУБИДИЯ И СТРОНЦИЯ, РАСТУЩИМИ И ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЗРЕЛЫМИ ЗОНАМИ X КОРНЯ КУКУРУЗЫ ;

: ;■ ■■ (Специальность 03.00.12 — физиология растений) V-V

— Автореферат ' ■■ ■ V:'"

V' "";' :;- : -':' диссертации на соискание ученой степени : кандидата биологических наук -

МОСКВА-1«»

Работа выполнена па кафедре прикладной атомной физики и радиохимии Московской ордена Ленина и ордена Трудового ; Красного ' Знамени сельскохозяйственной /:■ академии им. К. А. Тимирязева. ■ ::/"'/ ■■:'-

V- Научный руководитель—доктор химических паук профессор Рлчинский В. В. . , ■:;.''..'..' :.; ■ ■ ■-"

.Официальные оппоненты:; доктор биологических наук.про*" -' ^ фессор Ягодин Б." Д.; 'V/' .-г,/"//Г-

" \""'кандидат"биологических наук старший, научный сотрудиик/Т' Обручева II. В. ■ '-'-^Г/.^

-..■/-/■Ведущее л р е д п р и я тле— к а ф е д р а бот а и и к и и физиологии ра- -стений'Университета дружбы народов'им; П.Лумумбы. :■'

Защита состоится • ■ - .1978 г. .

в ■ « час< на - заседании -Специализированного.; ."совета " К-120.35.06".вМосковской сёл ьскохозяйствешю^ академий"им. К. А. Тимирязева. ■ .'.-'> ■■ ■■ ■ ■ .у,-■■.■■.■;,.

:"-'■ Адрес;; 127550,.Москва, И-550,: ул. Тимирязевская, 49. V: ^ : '' С диссертацией можно; ознакомиться в ЦНБ ТСХА. Г Автореферат разослан (¿¿¿^Жа^/ьЦ. • . 1978 г.

. ■ Ученый секретарь .. , ■ -.; ". Ч-'-1.. ^ ■■//' .

-Специализированного совета

Мврьенко В. Г.

II .йни -- ■.;■ ■■ - --■ ■■'■ //'..:■

^НОТ^ '. "■■■--'. ■'/- . \ '■.■ " ' -. '. .'■■- ■ . ",' .. ■'.'■'.; ■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема поглощения веществ корнем — одна из важнейших проблем физиологии растений. Изучение работы корня интересно тем, что в фазе растяжения происходит формирование морфологического и метаболического аппарата поглощения и ассимиляции неорганических соединений.

Связь метаболизма клетки на различных стадиях роста и развития с процессом проникновения веществ в клетку исследована слабо.

Прн расчете данных биохимических исследований на «среднюю клетку» картину жизнедеятельности в клетках корня представляется следующей: меристемэтические клетки наиболее метаболически инертны, с переходом к зоне растяжения обмен веществ постепенно усиливается и становится максимально активным у клеток зоны дифференциации.

В отношении поглощения било отмечено, что оно наиболее интенсивно в зонах наиболее интенсивного роста клеток (Обручева, 1965). Наблюдается взаимосвязь между процессом формирования тканей корня и выполнением ими функций поглощения и транспорта веществ. Полное признание единства структуры и функции является методологической основой большинства современных работ в этой области. Изучение процесса поглощения было связано нами с изучением анатомического строения корня и уточнением границ зон корня.

При работе с изолированными растительными тканями становится актуальной проблема их «старения» (Котагпига, Шга1а, 1974; Ьеоиагй, Наиьоп, 1973). Выяснение сущности этого процесса имеет большое значение, поскольку изменения в дыхании клеток и накопление ими ионов могут оказаться либо результатом изменений в мёйболизме клеток, либо артефактом.

Изучение этих вопросов имеет важное практическое и теоретическое значение.

Цель и задачи исследований.' Цель наших исследований заключалась в изучении следующих вопросов:

1. Изучение формирования поглотительного аппарата клеток корня, а также особенности накопления нонов КЬ+ ц.Зг1-'

клетками различных зон корня двухдневного проростка кукурузы.

2. Изучение накопления ионов и 5гг+ клетками зон разновозрастных корней кукурузы и связи накопления с энергетикой клеток корня.

3. Изучение транспортной деятельности корня,

4. Изучение анатомических особенностей корня кукурузы^

5. Изучение сущности процесса «старения» и его влияния на накопление ионов н

Объект исследования. Исследования по изучению накопления ионов проводились на отрезках корней интактных растений кукурузы сорта «Стерлинг» (элита). Кукуруза была выбрана по двум причинам. Во-первых, это широко распространенная полеаая культура; во-вторых, чаще всего используемый объект при изучении корневого питания.

Научная новизна работы. Научная значимость результатов исследования заключается в том, что изучение поглощения нонов непосредственно связывается с изучением анатомии корня и четким выделением функциональных зон корня. Новый динамический метод определения поглотительной способности растительного материала позволил обособить процессы накопления, происходящие в отдельных зонах, от процессов транспорта. Использование современного оборудования в-совокупности с современными методами исследования позволило впервые обнаружить изменение механизма поглощения ионов КЬ+ вдоль по корню двухдневного проростка кукурузы.

Практическая ценность к реализация результатов исследования, Результаты исследования могут быть использованы для построения общей картины изменений в клетках корня в процессе их роста, при разработке методик экспериментов по изучению поглотительной деятельности корня. Данные об изменении скорости поглощения ионов корнями растений различного возраста имеют прикладное значение для обоснования сроков внесения минеральных удобрений.

Апробация работы. По теме диссертации были сделаны доклады на XI конференции молодых ученых и специалистов ВИУА и—12 апреля 1977 г. и на 11 Всесоюзном симпозиуме по ионному транспорту в растениях, г. Черкасы, 1977 г.

Объем работы. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 11 рисунков; 33 таблицы и 3 фотографии. Список литературы включает 246 наименований, в том числе 139 иностранных.

Методики исследований

1. Семена кукурузы стерилизовали. Для равномерного про-эастання их заливали на 5 минут горячей водой при 60° и на \ часа теплой — 45°. Проращивали семена в термостате, в тем-2

ноте, при 28ÖC, в кювете на фильтровальной бумаге. Замачивание и прорашивание проводили на деминерализованной ьоде.

Для изучения поглощения на корнях недельных и двухнедельных растений двухдневные проростки высаживались на парафинированные марлевые сетки в сосуды объемом 2,5 л с 1/10 раствора Кнопа, по 50 растений на сосуд. Смену раствора проводили через неделю, так как соотношение массы корней и раствора было достаточно широким (1 :800). За сутки до эксперимента растения высаживали на деминерализованную воду.

Растения выращивались при 12-часовом световом дне, освещенности 10—12 тыс. люкс, создаваемой лампами Л Б-80, и температуре 20° ± 1°.

2. Подсчет числа клеток по участкам корня двухдневного проростка проводился модифицированным методом Брауна (Brown, 1951).

Отрезки корня, по 20 штук в каждой из трех новторностей, фиксировали реактивом Бродского {уксусная кислота :фор-мальдегид 10% : спирт 96% = t : 10 : 4, в течение часа и маце-рировали в 2 мл 6 н, HCl на кипящей водяной бане (1—2 мин.). После встряхивания мацерат разбавляли деминерализованной водой и отмывали от кислоты до pH 4—5 путем многократного центрифугирования. Затем окрашивали красителем «светло-зеленым» (10 мин). После отмыва избытка красителя клетки считали в камере Фукса-Розенталя, Перед началом подсчета объем мацерата доводили до 6 мл. Исходя из объема камеры и объема мацерата, рассчитывали число клеток, приходящееся на один отрезок корня.

3. Подсчет числа корневых волосков основан на определении глубины резкости микроскопа, что позволило вычислить площадь, с которой они просчитывались. Число и длина корневых волосков определялись при помощи объект-микрометра.

4. Анализ анатомического строения корня был основан на определении заложения проводящей системы корня путем последовательного снятия тонких срезов, их окрашивания и фотографирования. Отрезки корня длиной 7 мм и общей длиной 49 мм фиксировались реактивом Бродского (1 час), после чего делали проводку до парафина. Толщина срезов — 10 мкм. Срезы, приклеенные к стеклу белком, отмывали от парафина.

Окраска для фотографирования проводилась проционовы-ми красителями. Срезы окрашивают 0,1% раствором ярко-голубого RS в фосфатном буфере pH 5,6—6,0 при 55—60° в течение часа. После этого срезы тщательно прополаскивали несколькими порциями дистиллированной воды и окрашивали 0,1 % раствором проционового ярко-красного 2BS в 1% рас-

творе соды рН 10,5, в течение 20 минут при комнатной температуре. После промывания в дистиллированной воде срезы заключали в бальзам.

Ярко-красным красителем окрашиваются: слой пектиновых веществ, окружающих кончик корня, крахмальные зерна, оболочки клеток, цитоплазма, ядра и ядрышки, то есть углеводы и белки. Проционовый ярко-голубой окрашивает только белки. Поэтому после двух окрашиваний белки имеют лиловый цвет, а углеводы — ярко-красный. Фотографирование проводилось при увеличении Х12 и Х46 на черно-белую бумагу для поляроида, тип 107, на микроскопе НУ-2.

5. Определение накопительной (сорбционной) способности растительной ткани проводили динамическим методом в сочетании с методом радиоактивных индикаторов. Эксперименты проводились на отрезках корней длиной 1 мм (зоны меристемы, растяжения и корневых волосков). Для загрузки отрезков корней были использованы стеклянные колонки диаметром 7 мм с краном. Толщина стекла — I мм. В колонку, наполненную водой, помещали маленький кусочек ваты, 2 см кварцевого песка и на него растительный материал. Две стеклянные бусины, опущенные сверху, исключали перемещение отрезков корня при смене раствора. Поглощение меченых ионов рубидия (^ИЬ) и стронция (893г) происходило из проточного аэрируемого раствора.

Регистрация излучения меченого элемента проводилась при помощи торцового счетчика Т-25-БФЛ с толщиной окна 1,0— 1,2 мг/см2. Сигнал со счетчика подавался на радиометр Б-2, интегральную схему ИСС-3 и самописец КСП-4. Состав растворов, из которых осуществлялось поглощение, был следующим: в варианте с рубидием — глюкоза 10 г/л; КЬ(8вЙЬ)С1 10~4М, СаСЬ Ю-4 М; в варианте со стронцием—глюкоза 10 г/л, 5г(8а5г)С1г Присутствие в среде кальция необходимо

для поддержания нормального функционирования мембранных структур. Однако присутствие кальция в варианте со стронцием искажало бы картину поглощения последнего в связи с конкуренцией этих ионов за переносчик. На поглощение катиона большое влияние оказывает сопутствующий анион. Поскольку во всех опытах нами были использованы хлористые соли рубидия и стронция, то и для кальция были выбрана эта форма соединения.

Глюкоза использовалась в качестве дыхательного субстрата. Расчет количества элемента, поглощенного клетками корня, проводился по формуле (1):

где ш, — количество элемента, в мкг, поглощенного отрезка-

ми корней; mP — количество меченого элемента, в мкг; содержащегося в объеме колонки перед щелью коллиматора, в отсутствии растительного материала; К — величина калибровки на ленте самописца, в см, соответствующая величине mp; Н — величина отклонения пера самописца от прямой, отсекающей (1—d) часть калибровки, и соответствующая количеству элемента, поглощенного корнями, d — доля объема, занимаемого корнями в колонке.

Зная плотность упаковки корней в колонке и объем перед щелью коллиматора, можно рассчитать количество поглощенного вещества в мкг/100 мг сырой массы корней:

p = <2)

где шк и d— известные величины, V —объем перед щелью коллиматора, находится расчетным путем и в наших условиях равен 0,2 см3.

В результате преобразований формула (1) расчета количества поглощенного элемента в мкг/100 мг сырой массы корней принимает вид: для стронция —

1,78-Н-.100

м-к

для рубидия —

1,71 • Н - 100 М-К

Pi = Pi =

где М — масса растительного материала, находящаяся против щели коллиматора и равная М = V

Для сравнения поведения К к № изучали кинетику накопления этих ионов клетками зоны корневых волосков в течение трех часов. Состав раствора: глюкоза 10 г/л, СаС1г 10-4М К("К)С!' 10-4М. Расчет накопленного элемента проводился по формуле:

4,7 • Н. 100

Р3 =

м-к

6. Определение связи накопления ионов с процессом «старения» проводилось динамическим методом. Отрезки корней выдерживали в течение 3 и 6 часов («старение») в колонках в проточном аэрируемом растворе следующего состава: в варианте с рубидием — глюкоза 10 г/л, СаСЬ 1СММ; в варианте со стронцием — глюкоза 10 г/л, после чего в колонки подавался раствор того же состава, но с меченым элементом. Контролем служили отрезки корня, получившие раствор, с меткой сразу же после отделения. Меченый раствор пропускали в течение 3 часов.

Поскольку одной из вероятных причин «старения» счита-

гот загрязненность растительного материала микроорганизмами, нами был проведен ряд экспериментов в присутствии антибиотиков; пенициллина и стрептомицина — по 30 мг/л и хлор-амфеникола — 5 мг/л.

Антибиотики присутствовали в растворах в течение всего времени эксперимента, то есть 3, 6 и 9 часов. Параллельно была проведена серия опытов без антибиотиков.

7. Проводилось определение количества микроорганизмов на корнях двухдневных проростков кукурузы.

Навеска отрезков корней (1 г) зоны корневых волосков помещалась в колонку по описанной выше методике. В течение 6 часов через одну колонку пропускали аэрируемый раствор глюкозы 10 г/л, СаСЬ— Ю-,М, пенициллина, стрептомицина и хлорамфеникола. Через другую колонку — раствор того же состава, но без антибиотиков. Затем корни встряхивали 10 мин в конической колбе со 100 мл водопроводной воды, отбирали 10 мл в колбу с 90 мл воды, опять встряхивали и т. д. до 4 раз. Из каждой колбы брали по 0,05 мл раствора для посева на крахмало-аммиачный агар в чашках Петри. Состав питательной среды:

(ЫН4)2504 — 2 г СаСОз —3 г

КаНРО* — 1 г

Мд504 — 1 г

ЫаС1 — I г

Крахмал растворимый — 10 г Агар —25 г

Вода — 1 л.

Через 5 дней проводили подсчет колоний.

8. При определении связи накопления ионов 1?Ь+ и 5гг+ с метаболизмом различных зон корня были использованы азид 10_3М, арсенит 2* 10~3М и низкая температура.

При работе с зоной меристемы осторожным обтиранием кончика корня фильтровальной бумагой удаляли корневой чехлнк, так как сорбция на нем сильно искажала картину накопления ионов, кроме того, присутствие чехликов затрудняло фильтрацию раствора через растительный материал.

Отделенные корни выдерживали два часа в колонках в проточном, растворе с ингибитором, после чего подавался меченый раствор (также с ингибитором).

Поскольку ионы Ыа-1", присутствующие в растворе, могут оказывать ингибируюшее действие на накопление КЬ+ и Бг2* клетками корня, мы сочли необходимым установить максимальную концентрацию этого иона, при которой он еще не угнетает поступление 1?Ь+ и 5г2+ в клетку. С этой целью был введен вариант, где вместо ингибитора использовался ЫаС( в концентрациях Ю~аМ и 2* 10~аМ. Все растворы готовились на деминерализованной воде. рН 5,6—5,75.

9. Определение поглощения ионов ЯЬ+ и Згг+ целыми раз-

новозрастными растениями кукурузы проводили по анализу растительного материала и растворов.

Десять проростков в возрасте 2 дня, 7 дней и 14 дней, подобранных по длине корня, помещали на меченый раствор при температуре 22° и 3°. Объем меченого раствора— 125 мл. Состав растворов: 1) глюкоза 10 г/л, СаС1г— 10_4М, Б!Ь(в^Ь)С1 — 10-"М; 2) глюкоза 10 г/л, 5г(895г)С12 — 10"4М. Корневые чехлики удаляли, а проросткн помещали на 3 часа на активный раствор, затем переносили на 3—5 минут на деминерализованную воду для удаления ионов с поверхности и из свободного пространства корня. Проростки делили на побег, зерно и корень. Корни брали целиком, а также разделяли на зоны, высушивали и взвешивали. Активность растертого растительного материала определялась радиометром ПП-8 и счетчиком Т-25-БФЛ. Для расчета количества иона, поглощенного корнями, готовили эталоны. 0,3 мл исходного активного раствора высушивали на фольговой чашечке с растертым нерадиоактивным материалом. Зная удельную активность элемента в эталоне, рассчитывали содержание элемента в образцах. Для контроля проводилось дополнительное определение количества поглощенного иона по убыли активности из раствора.

10. Определение транспорта ионов из различных зон корня проводили путем наложения 1 мм поясков фильтровальной бумаги, смоченной активным раствором. Состав раствора: глюкоза 10 г/л, СаС13—10-<М, НЬ<"ЧгЬ)С1'— 10"4М. Края пояска смазывали тонким слоем вазелина, чтобы предотвратить передвижение активного раствора по поверхности корня. Поясок накладывали на 15 минут, в течение которых его периодически смачивали. Корень находился в условиях влажной камеры. После снятия пояска корень погружали в деминерализованную воду. Через 3 часа его лиофильно высушивали на лиофилизаторе типа «Криолайзер». Диаграмму распределения радиоактивности вдоль по корню снимали на Актиграфе-3, С части корней после снятия пояска удаляли кору, затем отдельно высушивали кору и отель и снимали диаграммы.

11. Проводилось определение содержания Са и К по зонам корня двухдневного проростка кукурузы. Отрезки корня высушивали.

Навески растертого растительного материала сжигали в кварцевых пробирках с концентрированной азотной кислотой. Соотношение навески и кислоты 1 : 10. По мере озоления в пробирки добавляли кислоту. Позрачный раствор выпаривали досуха. Осадок переносили 5% НС1 в колбы объемом 10 мл. Определение Са и К в исходных и контрольных растворах проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре марки «иЫкат». Весь цифровой материал, полученный в экспериментах, подвергали статистической обработке.

Содержание работы

I. Изучение анатомических особенностей корня кукурузы., В связи с тем, что для изучения накопления ионов зонами корня необходимо четкое выделение границ этих зон, первым этапом-дайной работы было выделение зон корня. В целях контроля и большей точности это проводилось двумя методами: на основе измерений числа клеток н на основе анатомического строения корня. В таблице 1 приведены результаты исследований. В отрезке корня 0—1,5 мм содержится наибольшее количество клеток, минимальных по объему. С 1,6 мм наблюдается

Таблица I

Изм«ннене объема и числа клеток вдоль по корню кукурузы

Расстояние от апекоа хоря я, ми Число клеток, 107мм Объем клетки, 10-6 мм5

0—1,5 . 70±3 М.0±0,5

1,6—3,0 36.5 ±1.0 29,3 ±0,9

3,1—5,0 15,3±0,6 55,0 ±2,1

5,1—7,0 9,6 ±0,6 82.1 ±5,2

7,1—9,0 6,7 ±0.3 115,0 ±5,6

9,1—11,0 * 4 * 5,6±0,3 145,4±8.1

11,1—13,0 » ♦ » , » 7.1 ±0,3 110,3±4,4

13.1—15.0 6,6 ±0.3 126.0^:5.1

Сумма . 5,7±0,1 145,0 ±1,4

15,1—25,0 ; Кора .' . Стебель . 3,6 ±0.1 2,1 ±0.ф.

резкое уменьшение числа клеток на единицу длины корня и значительное увеличение нх объема. Приблизительно с 9 мм объем клеток почти не меняется. При подсчете клеток под микроскопом было отмечено следующее; с 1,6 мм до 3 мм число мелких меристематических клеток снизилось приблизительно в 4 раза; на отрезке 3,1—5,0 мм — меристематических клеток в 20 раз меньше, чем в зоне 0—1,5 мм, на отрезке 5,1— 7,0 мм меристематические клетки отсутствуют, попадаются элементы трахей; на отрезке 7,1—9,0 мм обнаружены сформировавшиеся элементы проводящей системы, а на отрезке 9,1 — 11,0 — отдельные корневые волоски. Результаты анализа анатомического строения корня Доказывают, что на расстоянии приблизительно 1,3 мм от апекса происходит заложение сосудов метаксилемы, а образование пери цикл а можно заметить около инициальных клеток. Заложение элементов флоэмы заметить значительно сложнее, вследствие того, что они отличаются меньшей жесткостью и прочностью стенок по сравнению с элементами ксилемьь На основании полученных данных была проведена дифференциация корня на зоны (табл. 2).

Дифференциация кормя на зоны на основании различных методов изучения (мм)

Зоны корня По числу клеток По анатомическому строению С учетом обоих методов

Меристема ...... 0—3,5 0—1,3 0—1,3

Переходная!..... 1,6—3,0 1,4—3,4 (,4—3,4

Растяжение..... 3,1—5.0 3,5—5,9 3,5—5,0

Переходная 2 . ... 5,1—7,0 6,0—9,3 5,1—9,3

Корневые волоски . . . 7.1—25,0 9,4—25,0 9,4—25,0

Для более полной характеристики поглотительной деятельности корня определяли площадь поверхности зон корня, количество и длину корневых волосков, а также их диаметр.

Наибольшая поверхность поглощения соответствует зоне корневых волосков. Процент поверхности, развиваемой корневыми волосками в условиях влажной камеры, колеблется вдоль по корню от 19% до 83%. Число корневых волосков увеличивается приблизительно до 36 мм, а длина их не меняется с 26 мм от апекса корня. Диаметр корневых волосков по всей длине зоны оставался постоянным — 7,8 мкм,

2., Изучение сущности процесса «старения* и его влияния на накопление ионов и 5гй+.

Результаты четырех серий экспериментов с мечеными ионами и 5гг+ на зоне корневых волосков и стели корня двухдневного проростка кукурузы представлены в таблицах 3 и 4. Из данных таблиц видно, что процесс накопления ионов клетками заметно интенсифицируется с увеличением времени «старения». Присутствие в растворах антибиотиков значительно снижало этот эффект. Контроль за количеством микрофлоры на корнях показал, что антибиотики снижали количество микроорганизмов за 3 часа примерно в 2 раза, а за 6 часов — в 48 раз,

3. Особенности накопления ионов 1?Ь+ и Зг2* клетками различных зон корня двухдневного проростка кукурузы. Связь накопления с энергетикой клеток корня.

Нами изучалось накопление ионов Ш>+ и 5г2+, поглощение которых корнем подобно поглощению таких важных элементов минерального питания, как К и Са. При сравнении кинетики накопления Ш) и К (табл. 5) видно, что в клетках зоны корневых волосков накапливаются равные количества этих ионов как по сумме, так и в различных фазах процесса (мг-экв/100 мг сырой массы).

Влияние »старения» на накопление меченых ионов КЬ+ и 5г2+ клетками зоны корневых волосков и стели корив двухдневного проростка кукурузы (мкг/100 мг сырой массы)

Показатели

Зона корня, времн (чесы) условия «старения» и накоплено за 3 часа накоплено во 2-й фазе накоплено ЗгС^г) за 3 часа накопленс ЭгС^г) во 2-й фазе

Зона корневык ВОЛОСКОВ Без антибиотиков 0 3 в 4,9 ±0.4 10,0±0,9 12.4±1,1 4,1 ±0.3 9,4 ±0.7 11,7± 1,0 15,2±и 15,9 ±0,5 24,5 ±2,3 6,0 ±1,3 7.3 ±0.4 12,6± 1,0

С антибиотиками 0 3 6 2.6 ±0,5 4,2 ±0,5 3,9±0,3 2,2 ±0,4 4,0±0,4 3.5 ±0,3 18,5±1,6 15,9±1.8 15,5± 1,5 8Л±1,5 8,0±1,4 6.7 ±0,5

Стебель Без антибиотиков 0 3 6 2,3 ±0.2 4,0 ±0,4 7,5 ±0,7 1.1 ±0,2 3,4 ±0,2 6,9 ±0,8 15,8±2,6 12,5 ± 1.2 15,2±1,4 3,6:4:0.8 5,5 ±0,6 £,2±1,0

С антибиотиками 0 3 6 1,3±0,1 1,2 ±0,1 2,0 ±0,3 0,6±0,» 0,6 ±0,1 1,4 ±0,2 9,6 ±1.3 7.3 ±0,9 13,2±1,2 3,1 ±0,7 2.0 ±0,4 Е,5±0,9

Таблица 4

Влияние антибиотиков на количество микроорганизмов на «стареющих» отрезках корней кукурузы (10е на 1 г сырой массы корней)

Время «старения», часы

Варианты 3 6

Без антибиотиков . 1,72 2,4

С антибиотиками .....* 0,76 0,05 Таблица 5

Накопление НЬ(»6КЬ) и К(4гК) клетками зоны корневых волосков корня двухдневного пророста кукурузы (мкг-экв/100 мг сырой массы)

Поглощаемый Накоплено

ион всего в 1-й фазе во 2-й фазе

0.09 0,05 0,04

0.10 0.05 0,04

10

Накопление КЬ+ и 5г8+ клетками зон корпя двухдневного проростка кукурузы (мкг/100 мг сырой массы)

Зоны корня Показатели

накоплено за 3 часа накоплено I накоплено в !-й фазе во 2-й фазе

Меристема Растяжение Корневые волоски Стеяь 1,3 ±0.3 б,0±0,2 4,9 ±0.4 2.3 ±0.2 0.3 ±0,1 0,4 ±0,2 0,8 ±0,1 1,2+0,2 1,0±0.2 5,5 ±0,3 4,1 ±0.3 1,1±0,2

ю-4М Меристема Растяжение Корневые волоскн Стель 15,6± 1,5 11,8±2,0 15.2+1.3 15,8±2,6 10,7± 1,3 5.1±1,7 9,2± 1,6 12,1±1,5 4,9 ±0,5 6,7±1,4 6,0 ±1,3 3,6 ±0,8

В таблице 6 представлены данные по изучению накопления КЬ(86КЬ) и 5г(695г) клетками зон корня. Видно, что клетки зоны растяжения накапливают большие количества меченого ИЬ (в расчете на 100 мг сырой массы), чем клетки зоны меристемы и корневых волосков. Поглощение меченого стронция клетками разных зон корня практически одинаково.

Непрерывная запись кинетики накопления ионов позволяет выявить двухфазность процесса. Первая фаза—проникновение и распределение ионов в свободном пространстве корня. Вторая фаза — их проникновение внутрь клетки. При сравнении накопления ионов стелью и отрезками зон корневых волосков можно отметить, что ионы рубидия накапливаются стелью во второй фазе в 3,6 раза, а стронция — в 1,7 раза менее интенсивно, чем зоной корневых волосков.

Для выявления связи между накоплением ионов и метаболизмом клеток зон корня была проведена серия опытов с ингибиторами дыхания и низкой температурой. Результаты представлены в таблицах 7 и 8. Из данных табл. 7 видно, что ни пониженная температура, ни присутствие ингибиторов не оказывают существенного влияния на накопление рубидия клетками зоны меристемы во второй фазе, в то время как накопление этого нона клетками зон растяжения и корневых волосков подавляется в значительной степени соответственно (в1 % от контроля) на 92% и 64% при действии азида. Эти результаты являются достаточно убедительным аргументом для развития важного представления о том, что в процессе дифференциации клеток корня происходит изменение механизма поглощения ионов.

Таблица 7

¡3 Влияние низких температур и ингибитор о» на накопление №(**№>) клетками »он корня двухдневного проростка кукурузы

(мкг/100 мг сырой массы)

Ингибиторы мегабаднзмз

Накоплено по зонам кория контроль 5 часов Азид, 10->М 5 часов Арсенкт, 5 часов №С1 ю-'М 5 часов ШС! 2-10-3М 5 часов контроль 3 часа низкая температура 3 часа

Меристема . . . . - Всего Во 2-й фазе 1.2+0,1 1,0 ±0.2 0,8 ±0,1 0,6 ±0,1 1,1 ±0.2 0.8 ±0,1 — 0.9 ±0,3 0„6+0,1 1,4 ±0,3 1,0 ±0,2 1,1 ±0,1 0,8 ±0,1

Растяжение..... Всего Во 2-й фазе «±1.9 ■»¿±1,0 1,1 ±0,1 1,0 ±0,1 1,4 ±0.2 1,3+0,2 9.0±2,8 6,9 + 1,4 _ 6,0 ±0,2 5,5 ±0,3 2,9+0,8 2,2+0,5

Корневые волоски . . , Всего Во 2-Й фазе 5,7 ±0,7 5,1 ±0,6 1,2±0,1 0,8 ±0,1 1,8 ±0,4 1 0±0,2 6,1 ±0.4 5,7+0,4 5,7 ±0,6 5,2+0,5 4,9 ±0,4 4,1 + 0,3 2,2 ±0,3 1,7 ±0,1

Таблица 8

Влияние низких температур и азида натрия на накопление 8г(,95с) клетками зон корня двухдневного проростка

кукурузы (мкг/100 мг сырой массы)

Ингибиторы метаболизма

Накоплено по зонам корня контроль, 5 часов Азид, 10-3М 5 часов ЫаС1, Ю-»М 5 часов контроль 3 часа низкая температура, 3 часа

Меристема 15 «то ['о 2-й фазе 12,3± 1,4 4,3 ±0,7 14,3±0.7 3,6 ±0,7 15,1 ±0,1 3,9 ±0,6 15,6± 1,5 4,9+0,5 17,8+23 6,3±1,3

Растяжение Всего Во 2-й фазе !2,8±1,1 6,9±1,0 14,6 ±0,4 5.3 ±0,2 13,4+0,2 5,1 ±0,6 11,8+0,2 6.7+1,4 16,7+25 6,6+1,3

Корневые волоскн Всего Во 2-й фазе 11,9 ±1,8 5,5 ±0,9 14,2±2,0 6,6 ±03 16,8± 1,3 4,9 ±0,4 15,2±и 6,0 ± 1,3 12,6 ±0,8 5,2 ±0,4

Накопление стронция практически не меняется от действия низких температур и азида натрия по всем зонам (табл. 8). Можно предположить, что в процессе дифференциация клеток механизм накопления вг остается неизменным, преимущественно энергонезависимым.

4. Изучение накопления ионов н 5гг+ клетками зон

разновозрастных корней кукурузы. Связь накопления с энергетикой клеток корня.

Для того, чтобы выяснить, происходит ли изменение в соотношении между энергозааиснмым и энергонезависимым накоплением ионов с возрастом растений, был поставлен ряд экспериментов на интактиых растениях и отрезках корней (зона корневых волосков). Накопление меченого рубидия клетками зоны корневых волосков подавляется низкой температурой как у двухдневных, так и у четырнадцатидневных растений, в то время как накопление стронция не зависело от действия низких температур (табл.9):

Таблица 9

Влияние возраста и низкой температуры на накопление НЬ(№М>) и $г("5г) клетками зоны корневых волосков корня двухдневного проростка кукурузы (мкг/100 мг сырой массы)

Накоплено 2 дня 7 дней 14 дней

* о К 20" 5* 20° 5* 20° 5°

[?ь+ Всего Во 2-й фазе 4.9 ±0,4 4,1 ±0,3 2,2 ±0,3 1,7±0.1 4,4 ±0.2 2,6 ±0.3 3,3 ±0,5 1,8 ±0,4 8,8 ±0,5, 6,8 ±0,8 0,3 ±0,9 4,8 ±0,6

5г»+ Всего Во 2-й фазе 15,2±|,3 6.0±|,3 12,6 ±0,8 5.2 ±0,4 8,Б ±0,7 3,4 ±0,5 7.4 ±0,4 з.г±о,з 6.4 ±0,4 1,8±0,2 7.0 ±0,2 2.1 ±0,1

Можно предположить, что в накоплении рубидия клетками зоны корневых волосков (от второго до четырнадцатого дня развития) преобладают энергозависимые процессы, а в накоплении стронция — энергонезависимые.

Аналогичные результаты были получены на ннтактных корнях.

По анализу содержания элементов в клетках зоны корневых волосков семи- и четырнадцатндневных растений можно предположить, что количество накопленного иона (в расчете на 100 мг сырой массы) с возрастом растения увеличивается, а количество накопленного 5га+ — уменьшается.

5. Транспортная деятельность корня.

Количество н направление транспорта ионов зависели от

ряда причин, в том числе от того, На каком участке корнй они поглощены. Важно было выяснить качественную картину перемещения 13Ь(86РЬ) вдоль по корню двухдневного проростка кукурузы.

Из анализа рис. I можно предположить, что поглощенный меристемой меченый рубидий движется вверх по корню. От участка 3,5—5,0 мм ионы также перемещаются вверх, от участка 9,5—11,0 мм рубидий транспортируется в равной степени вверх и вниз по корню. По диаграммам найден приблизительный процент перемещения меченого рубидия из различных зон корня. Он будет равен для меристемы — 95,6±2,5%, растяжения— 85,9±!,3% н для зоны корневых волосков — 89,3± 0,3%.

Таблица 10

Количество поглощенного к накопленного нона ЙЬ+ клетками различных зон корня двухдневного проростка кукурузы в зависимости от температуры

{мкг/100 мг сырой массы)

Температура Поглощено (иакопленне+транспорт) Накоплено

меристема растяжение корневые волоски меристема растяжение корневые 1 ПОЛОСКИ

Контроль 4,6 4.9 6,0 1.4 6,0 4.9

Низкая температура 2,4 1.9 3,4 1,1 2.9 2,2

В таблице 10 представлены данные, на основании которых можно судить о доле транспорта в процессе поглощения иона 1?Ь+ клетками зон корня двухдневного проростка кукурузы. Можно предположить, что в зоне меристемы подавляется только транспорт, а в зонах растяжения и корневых волосков — как транспорт, так и накопление. Или же уменьшение транспорта в зону меристемы объясняется подавлением накопления в вышележащих зонах.

Выводы

1. Меченый рубидий наиболее интенсивно накапливается в зоне растяжения. Минимальные количества ионов накапливаются в зоне меристемы. Накопление меченого стронция происходит с одинаковой скоростью по всем зонам корня двухдневного проростка кукурузы (в расчете на 100 мг сырой массы).

2. В процессе дифференциации клеток корня кукурузы происходит изменение механизма накопления ионов В зоне меристемы преобладает энергонезависимый процесс накопле-

СКОРОСТЬ СЧЕТА,

имп/мнн.

А ■ :

0 1 2 3 4 длина ко^ад , СМ

Рис.. 11« Распределение меченого рубидия вдоль по корню двухдневного проростка кукурузы« Заштриховано место . наложения пояска с активным раствором: А - в зоне • меристемы, Б - в зоне растяжения, В — в зоне корневых

ВОЛОСКОВ. ' .Г'-;-"-- ■

ния ионов, в зонах растяжения и корневых волосков — Энергозависимый.

3, В процессе дифференциации клеток корня двухдневного проростка кукурузы нами не обнаружено изменение механизма накопления ионов Sr2+. Процесс накопления ионов SrI+ оставался преимущественно энергонезависимым. В процессе роста и развития клеток первичного корня кукурузы происходит формирование структур метаболического аппарата транспорта и поглощения ионов Rb+, в то время как механизм проникновения в клетку ионов Sr2+ остается неизменно метаболически неопосредованным.

4. Накопление ионов Rb+ первичным корнем кукурузы подавляется низкой температурой в течение всего периода роста растения до четырнадцатого дня. Накопление ионов Sr!+ практически не зависит от действия низкой температуры.

5. По предварительным данным,'меченый рубидий, поглощенный апикальной частью корня (0—5 мм), транспортируется вверх, а поглощенный клетками зоны корневых волосков вверх и вниз по корню.

6. На основании подсчета числа клеток и анализа анатомического строения корня двухдневного проростка кукурузы были выделены следующие зоны: меристема 0—1,3 мм; растяжение — 3,5—5,0 мм, корневые волоски 9,4—25,0 мм.

7. Число корневых волосков увеличивается приблизительно до 36 мм от апекса корня, а длина их не меняется, начиная с 26 мм, оставаясь приблизтельно равной 380—450 мкм. Диаметр корневых волосков по всей длине зоны— 7,8 мкм. Корневые волоски увеличивают всасывающую поверхность корня в б раз.

S, Прн «старении» отрезков зоны корневых волосков и стели корней двухдневных проростков кукурузы наблюдалось увеличение скорости накопления ионов кЬ+ и Sr2+, в значительной степени определяемое деятельностью микроорганизмов.

9. При анализе кривых трехчасового накопления К(42К) и Rb{wRb) выявлена идентичность процессов накопления этих элементов.

Список опубликованных работ ло теме диссертации

1. Бибергаль Е. А„ Мазель Ю. Я. Анатомические особенности главного корня кукурузы и их связь с поглощением ионов. «Докл. ТСХА», вып. 213, 1975, с. 77—80.

2. Бибергаль Е. А,, Мазель Ю. Я. Радиоинднкаторный метод изучения особенностей поглощения ионов dv*"-(seRb) тканями первичного корня кукурузы.

вып. 223, 1977, с. 64—69.

Л 107826 11/УП—78 г. Объем 1 п. л. Заказ 1072.

Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К, А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тн мир язе ВС ко я ул., 44