Регуляторные изменения ионного состава жидкой фазы апопласта стебля

Газизова, Наталья Ивановна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Регуляторные изменения ионного состава жидкой фазы апопласта стебля
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Регуляторные изменения ионного состава жидкой фазы апопласта стебля"

РГ6 ОД

'I 9 И V|! РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

КАЗАНСКИЙ ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ КНЦ РАН

На правах рукописи УДК 581.112:581. 82: 576.75

ГАЗИЗОВА Наталья Ивановна

РЕГУЛЯТОРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННОГО СОСТАВА ЖИДКОЙ ФАЗЫ АПОПЛАСТА СТЕБЛЯ

03.00.12 - физиология растений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

КАЗАНЬ - 1995

Работа выполнена в Институте биологии Казанского научного центра РАЕ

Научный руководитель - доктор биологических наук

А. А. Зялалов

Официальные оппоненты - доктор биологических наук,

профессор Л П. Хохлова - доктор биологических наук Ф. Г. Каримова

Ведущая организация - Институт физиологии растений

им. К. А. Тимирязева РАН

заседании специализированного совета К002.16. 01 по присуждению ученой степени кандидата биологических наук при Казанском институте биологии КНЦ РАН (420503, г.Казань, ул. Лобачевского, 2/31).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

(г. Москва)

Защита состоится

1995 г Б

1995 г. в '.7. час. на

Автореферат разослан

1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук

Н. Л. Лосева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Освоение растениями суш могло произойти лишь при появлении у них функционально активных структур, обеспечивающих им оптимальный водный статус, так как живая система исходно адаптирована к обитанию в воде С Грин, Гольдбергер, 1968]. В процессе эволюции у растений не изменились основные принципы конструкции их системы [Грин, Гольдбергер, 1968; Хочачка, Семеро, 1988], функционирование которой происходит лишь в достаточно узком интервале значений химического потенциала воды [JIapxep, 1978].

Накопленные в физиологии, цитологии и анатомии растений данные позволяют предположить, что в обеспечении необходимых для жизнедеятельности клеток условий важную роль выполняет апоп-ластическое пространство, образующее единую гидродинамическую систему высших растений ССаляев, 1969; Курсанов, 1976]. Они указывают на то, что между содержимым ксилемных сосудов стебля, являющихся составной частью системы апопластического пространства [Люттге, Хигинботам, 1984], и окружающими сосуды живыми клетками осуществляется интенсивный латеральный обмен СЗялалов, 1979; 1984; Захарин, 1994; Clarkson, Hanson, 1986; Van Bel, 1990; Mizuno, Katou, 1991 и др.]. Эти факты дают основание предполагать, что живые ткани стебля регулируют состав апопластической жидкости.

Из изложенного следует, что расширение ареала распространения вида, его приспособленность, а также продуктивность сельскохозяйственных культур в немалой степени могут определяться функционированием системы обеспечения оптимального состава апопластической жидкости.

Дель и задачи. Целью настоящей работы явилось исследование влияния тканей стебля на состав жидкой фазы апопласта и оценка роли апопластического пространства в становлении системы обеспечения относительной независимости жизнедеятельности высших растений от внешних условий. В связи с этим были поставлены задачи:

- изучить качественные и количественные изменения катионно-го состава ксилемных перфузатов под влиянием тканей стебля;

- исследовать регуляторное влияние тканей стебля на рН пер-фузируемого через сосуды ксилемы раствора;

- изучить влияние водного дефицита и абсцизовой кислоты на поступление калия в перфузаты;

- проанализировать эволюционное становление апопласта как внутренней водной среды растений."

Научная новизна. Установлено, что ткани стебля влияют на состав жидкой фазы апопласта:' pH, содержание калия, натрия, кальция, магния. Активное влияние тканей стебля осуществляется при участии протонных помп и гормонов. Показано, что в растительном организме механизм регуляции апопластической жидкости может включать карбонатную буферную систему. Выявлено, что характер влияния живых тканей стебля на состав жидкой фазы апопласта изменяется по ярусам стебля и зависит от условий водоо-беспеченности растений. Выдвинуто представление о том, что высшие растения обладают регулируемой внутренней водной средой, которая является основой обеспечения их относительной независимости от внешних условий.

Прослежено эволюционное становление внутренней водной среды у высших растений.

Практическая значимость. Оценка порога регулируемости состава жидкой фазы апопласта генотипа может быть включена в физиологическую модель сорта, адаптированного к современным условиям. Результаты исследования могут служить теоретической основой при решении задач агротехники возделывания сельскохозяйственных культур в условиях больших амплитуд колебаний почвенных условий и могут быть использованы в преподавании курса физиологии растений.

Апробация работы. Основные результаты исследования были доложены на II и III съездах ВОФР (Минск, 1991; С.-Петербург, 1993), итоговых научных конференциях КНЦ РАН (Казань, 19901994), на итоговом научном семинаре отдела биологии клетки КИБ КНЦ РАН (1993) и совместном заседании отделов биологии клетки и энергетики и адаптации растений (1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 работы, 2 - находятся в печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и списка литературы^изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков, С? таблиц. Список использованной литературы состоит из

наименований, из них . .т^/^на русском языке.

- 5 -

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектом исследования служили стебли пяти-шестинедельнык растений подсолнечника Helianthus annuus L. (сорт Передовик), которые выращивали в вегетационном домике в сосудах (1 растение на сосуд) на серой лесной среднесуглинистой почве С б кг воздушно-сухой почвы) при влажности почвы 70 % от полной влагоемкости.

Изучение регуляторного влияния тканей стебля на состав жидкости апопласта проводили методом ксилемной перфузии растворов [Захарин, 1994; Clarkson, Hanson, 1986; De Boer, Prins, 1986; Mizuno, Katpu, 19913. Перфузия осуществлялась под таким гидростатическим давлением, которое обеспечивало скорость тока растворов, соответствующую скорости ксилемного тока в нативном растении. Производительность ксилемного потока, а по ней и давление, необходимое для подачи раствора, определяли по величине суммарной транспирации целого растения.

В качестве перфузируемых растворов использовали дистиллированную воду, слабый раствор углекислоты, различные солевые растворы. Чаще всего перфузировали жидкости, существенно отличающиеся по составу от содержимого сосудов ксилемы, с тем, чтобы выявить регуля-торные возможности тканей стебля при крайних нарушениях в составе жидкой фазы апопластического пространства.

Для исключения попадания в перфузаты содержимого ксилемых сосудов и клеток, поврежденных при отсечении сегмента стебля, поверхность срезов промывали дистиллированной водой и первую порцию перфузата, соответствующую примерно двухкратному объему ксилемы, отбрасывали.

рН перфузатов определяли на прецезионном'рН-метре ОР/208 (Radelkis, Венгрия), содержание катионов - на пламенном фотометре FLAPHO-var и спектрофотометре AAS-3 (Carl Zeiss, Германия).. Необходимо отметить,что перенос катионов в ксилемный сосуд и из него следует нормировать на единицу площади поверхности сосуда за единицу времени. Общая плошадь поверхностей сосудов*ксилемы складывается из суммы площадей поверхностей всех сосудов сегмента стебля, которая может быть рассчитана как сумма произведений длины окружности поперечного сечения сосуда на длину сосуда. Сумма длин окружностей сосудов сегментов стеблей, используемых в эксперименте, отклонялась не более чем на 1Z. По длине сосудов сегменты не отличались. Следовательно, площади поверхностей, через которые осуществлялся обмен, в эксперименте были постоянны-

ми. Поэтому данные на рисунках и в таблицах представлены в расчете на сегмент стебля длиной в 10 сантиметров.

Препараты поперечных срезов стебля делали по общепринятой методике [Барыкина и др. ,1963; Полуянова, 19853.

За состоянием водного обмена растений следили по содержанию общей воды-в стеблях и полуденному водному дефициту листьев СНи-чипорович, 1928].

Содержание АБК в ксилемных экссудатах определяли методом твердофазного иммуноферментного анализа [Кудоярова и др. ,1986].

Количество калия, натрия и кальция в тканях стебля определяли после предварительного сухого озоления растительного материала IРубин,1978; Ринькис и др.,19873.

Эволюционное становление внутренней водной среды высших растений прослежено на основе сравнения биологии водорослей, ар-хегониальных и цветковых растений.

Статистическую обработку полученных данных производили по общепринятой методике [Лакин, 1980].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Перфузируя различные растворы через ксилему стебля и нарушая гомеостатические параметры внецитоплазматической жидкости, приводили в действие механизмы поддержания ее адекватного состава, функционирующие --при непосредственном участии окружающих сосуды клеток и тканей.

В табл.1 приведены данные по содержанию различных катионов в перфузатах через три часа перфузии дистиллированной водой.

Таблица 1. .

Содержание катионов в ксилемном перфузате через три часа перфузии стебля подсолнечника дистиллированной водой

Элемент Содержание,

мкг/сегмент

Калий 364,2 ± 13,6

Кадьций 41,0 ± 2,3

Натрий' 32,2+1,4

Магний 19,4 ± 1,6

Железо менее 0,03

Из данных видно, что ранжированный ряд содержания катионов в перфузатах совпадает с таковым накопления этих элементов в тканях стебля, где К+>Сг£+>Ма+; Mg^+>Fe^" [Бузукашвили, 1988; Полевой, 1989]. Учитывая, что содержание элементов в стебле количественно отражает гомеостатические параметры ионного состава его тканей [Бузукашвили,1988], можно принять, что количество ионов, поступивших з перфузат, вероятно, характеризует гомеостати-руюшие свойства тканей в отношении состава апоплаетической жидкости. Необходимо отметить, что содержание калия на порядок превышает содержание других катионов,что, повидимому, связано с избирательным накоплением калия растительными клетками [Вахмистров, 1985; 1991; Jensen, 1981; Erdei et al. ,19843.

На рис. 1 представлена динамика выхода катионов в перфузаты при перфузии дистиллированной водой. В данном случае наблюдается процесс, обратный насыщению тканей ионами: их вымывание из тканей. Как видно из рисунка, в течение первых 30 минут происходил значительный приток ионов в перфузаты. За это время вышло до 46% калия и магния, 37% кальция и почти 30% натрия от общего количества иона, поступившего в перфузат за три часа перфузии. В следующие 30 минут интенсивность выхода ионов существенно снизилась. Через час-полтора от начала перфузии скорость притока всех ионов практически вышла на характерный для каждого иона стационарный уровень. Опираясь на исследования по изучению кинетики Еыхода ионов из растительных тканей [Сатклифф, 1964; Люттге, Хи-гинботам, 1984; Полевой, 1989], можно полагать, что быстрое и значительное вымывание ионов из тканей стебля, вероятно, обусловлено их поступлением из апопластического пространства, а стационарная фаза связана с притоком из симпласта. Поддержание "на выходе" на протяжении достаточно длительного времени постоянного уровня содержания данных катионов указывает на то, что и в условиях прекращения поступления в корень ряда элементов снабжение этими элементами листьев и конусов нарастания не прекращается. Это обеспечивается благодаря тому, что стебель является емким пулом для многих элементов.

Последующее изучение апопластно-симпластного взаимодействия осуществляли посредством перфузии через сегменты стебля растворов, содержащих различное количество одного из основных элементов - калия. Эти данные представлены на рисунке 2. При перфузии раствора с низкой концентрацией калия (1.0 мМ) наблюдали только

- -

120

100

80 -

60,

ф к

30 60 90 120 150 180 Время, мин.

Рис Д. Динамика притока катионов в перфузаты при перфузии стебля подсолнечника дистиллированной водой : I - калий, 2 - кальций, 3 - натрий, 4 - магний.

4 3

Выделение К+ в раствор

Поглощение К^из раствора

30 60 90 120 150 180 210 240

Время, мин.

Рис.2. Характер изменения концентрации калия в перфу-затах в зависимости от его концентрации в пер-фузируемом растворе: 1-1 кМ, 2-7 Ш, 3-25 т.

поступление этого катиона в перфузаты. При перфузии раствора с содержанием калил 7.0 мМ (концентрация, соответствующая его примерному содержанию в-ксилемном соке подсолнечника), в первые 1,5 часа наблюдалось выделение катиона в перфузаты, а зат^м - его поглощение из перфузируемого раствора. При перфузии раса вора с высоким содержанием калия (25.0 мМ) происходило лишь поглощение катиона из перфузируемого раствора. Следовательно, характер изменений содержания калия в перфузатах зависел от его концентрации в перфуеируемом растворе: в раствор с низкой концентрацией калия катион выделялся, из раствора с высокой концентрацией -поглощался. Здесь четко просматривается наличие прямой i обратной связей, т. е. система апопластическая жидкость - ткан»! стебля представляют- собой элементарную регуляторную систему.

Вероятно, регуляция состава дерфузатов еначале происходит за счет постепенного извлечения катионов (или заполнения ими, в зависимости от 'их концентрации в перфузируемом растворе) из апопластического пространства близлежащих, а затем все более отдаленных от ксилемных сосудов клеток, так как известно, что клеточные стенки являются резервуаром ионов [Вахмистров, 1967; 1991; Саляев, 1969; Starrach, Mayer, 1989]. По мере исчерпания регуляторной мощности апопласта, вероятно, в регуляцию вовлекаются структуры клеток, раположенные внутри пространства, отграниченного плазмалеммой. Наиболее вероятной внутриклеточной структурой, участвующей в этой регуляции, может быть вакуоль, поскольку известно, что в паренхимной клетке вакуоле може-"; занимать до 90% ее объема.

Таким образом, компенсация недостаточного или уменьшение избыточного содержания ионов в жидкости ксилемных сосудов может осуществляться за счет их соответствующего переноса из или в клеточные структуры.

Значительна реакция тканей на изменение рН омывающей их жидкости. Перфузия через ксилему стебля слабого раствора углекислоты позволила установить сложный характер регуляторного воздействия тканей на рН перфузатов, а также выявила сопряженность изменений значений рН с содержанием в них калия. Представленные на рис. 3 данные по динамике содержания протонов и ионов калия в перфузатах свидетельствуют о том, что содержание протонов изменялось двухфазнп и имело явную тенденцию к возрастанию. Между содержанием протонов и ионов калия наблюдались тс-оная отрица-

• - и -

тельная корреляция в течение 1,5 часов перфузии (г- -0,95). Выявленный характер связи изменения концентрации протонов и калия позволяет выдвинуть положение о том, что в растениях регуляция рН может осуществляться при участии карбонатной буферной системы, аналогичной таковой в крови животных. Концентрация протонов в буферных системах, как известно,определяется соотношением кон-.центраций слабой кислоты и ее соли [Киреев,19781. Порядок значений концентрации протонов в перфузатах (рис. 3).определяемый константой диссоциации угольной кислоты, также может'свидетельствовать в пользу функционирования карбонатной буферной системы.

Последующее нарушение корреляции мевду изменениями концентрации ионов свидетельствует о превалировании влияния на рН уже других факторов. Вполне вероятно, что СО2, диффундируя по градиенту рН в цитозоль [Вето, 1985], вызывает его подкисление и активацию Н^-АТФазы плазматических мембран'околососудистых клеток, и, как следствие этого, подкисление среды. Из рис.4, отражающего данные по влиянию ингибитора Н^-АТФазы - АгЫО^ (5х10~5 М) на выход ионов в перфузаты, следует, что характер динамики содержания протонов изменился на противоположный: с течением времени их концентрация уменьшилась. Характер изменений содержания калия остался прежним, хотя значительно увеличились величины концентрации катиона. Высокое значение концентрации протонов в первой порции лерфузата, вероятно, может объясняться смещением Н с адсорбционных центроз клеточных стенок в результате катионного обмена Ад+/Н+, аналогичного тому, что наблюдали, когда в среду вводили Со2+или [Воробьев, 19881. Последующее же

снижение концентрации протонов, вероятно, связано кяк с высокими значениями концентрации ^(функционирование карбонатной буферной системы), так и с тем, что ингибитор мог заблокировать активную экструзию протонов из цитозоля, подкисляющегося вследствие поступления в него СО2

При отсутствии в перфузируемом растворе А^Ш^, факторами, влияющими на рН перфузатов, могут быть также адсорбционная емкость апопл&ета и постепенное подключение в регуляцию механизмов активного транспорта.

Таким образом, есть все основания полагать, что ткани стебля активно регулируют рН омывающей их жидкости, концентрация водородных кс-нов п которой в естественных условиях :"-."-двержена изменениям под влиянием внешних и внутренних фактор*«.

о,

£ ш

о М

1.6 1,2

0,8 0,4 ■

* 2

о, н а

а> £

30 60 90 120 150 180 Время, мин.

Рис.3. Динамика изменения концентрации протонов и калия в.пер-фузатах цри перфузии стебля подсолнечника слабым раствором углекислоты: I - протоны, 2 - калий.

о ы

2,4

2,0 •

1,6 -

р, 1,2

е<

ф 0

и 0,8

-24

16 «

о,

112 я оэ

о «

30 60 90 120 150 180 Время, мин.

Рис. 4. Влияние А^ЛОд ( 5 • Ю-5 М ) на динамику изменения концентрации протонов и калия в перфузатах при перфузии стебля подсолнечника олабым раствором углекислоты : I - протоны, 2 - калий.

Представляется существенным изменение степени воздействия тканей на состав жидкой фазы апопласта в зависимости от междоузлия стебля. Наименьшее количество калия поступало в перфузаты из тканей нижнего (первого) меадоузлия (рис.5). В перфузатах из последующих двух междоузлий количество калия возрастало и достигало наибольшей величины из третьего междоузлия. Выход катиона в перфузаты из тканей четвертого и пятого междоузлий снижался. Характер выноса в перфузаты кальция был сходен с таковым для калия (рис.5).

По иному происходило поступление в перфузаты натрия (рис. 5): количество ионов в перфузатах неуклонно падало с высотой стебля.

Факторы, определяющие приток калия, кальция и натрия в перфузаты, по-видимому, одни и те ле. Их приток зависит по меньшей . мер? от двуу факторов: емкости и насыщенности их пулов. Основной ' емкостью для этих катионов, вероятно, служат вакуоли и клеточные стенки клеток тканей стебля. Представляется, что определенные возможности для интерпретации данных по притоку катионов в перфузаты могут дать количественные показатели анатомического строения междоузлий стебля. Эти данные приведены в таблице 2. Из данных следует, что значительную часть площади поперечного сечения нижнего, самого старого, междоузлия занимает ксилема Чем выше расположено междоузлие, тем меньше доля ксилемы и больше доля паренхимных тканей.

На рис. 6 представлены данные, характеризующие удельную долю площади поперечного сечения паренхимы (третий параметр для определения объема ткани - высота, одинаков для всех сегментов разных междоузлий) и содержание калия в паренхимной ткани. Из рисунка видно, что количество паренхимы до третьего междоузлия увеличиваюсь, а далее изменялось незначительно. Содержание же калия в паренхимной ткани неуклонно падало до четвертого междоузлия, оставаясь на таком же уровне и в пятом междоузлии. Вероятно, взаимодействие этих двух факторов и определяет количество калкя, поступающего в перфузаты из разных междоузлий. Произведения приведенных к одному порядку величин этих факторов образуют график (3, рис.6), аналогичный экспериментальному графику выноса кял1'я в перфузаты (4, рис.6). Таким образом, расчетные данные? "потвегствуют экспериментальным и подтверждают, что характер цзм«н?ний емкостного и концентрационного факторов могут

■н

а> 3

+ М

аз §

500 п

400

300

200 •

100 -

100 Ч

■ 80

- 40

Ь"

2 &

ей

"Ч

а <ю

2 3 4

№ меадоузлия

Рис.5. Приток катионов в перфузаты из.разных мевдо-узлий стебля подсолнечника : I - калий, 2 - кальций, 3 - натрий. Перфузируемый раствор-дистиллированная вода; время перфузии - 3 часа. I меадоузлие - нижнее.

А. 1 е-1

Ф СП

с Ф

я (н

+ О

ф К

к £¿5

400

а 8 350

О Е->

§ й 300 о К >6<

$3 §

ф §

Е-" К О

о к

{

2 3 4

№ междоузлия

к аз

О* ©

§ о

и ф

СО

1,0 §

м ф

V ф

о •

и о и

(51

& о

0,8

0,6

0.4

°'2 1

Рис.6. Зависимость притока калия в перфузаты от удельной доли площади поперечного сечения паренхимы и от содержания в ней калия : I - удельная доля шгощади поперечного сечения паренхимы (А), 2 - содержание калия в паренхиме (В), 3 - произведение величин факторов АиВ (АхВ), 4 - содержание калия в перфузатах. I междоузлие - нижнее.

- 16 -

определять количество катиона в перфузате.

Таблица 2.

Показатели количественной анатомии междоузлий стебля подсолнечника

N N | Коровая Флоэма ! Ксилема Сердцевинная

междо- | паренхима 1 паренхима"

узлий 1 1

1 5, % от г, X от Б, X от 3, | % ОТ

¡мм2 1 ППС мм2 ППС ! мм2 ППС мм2 ППС

1* 28,6 +0,2 35,07 - 21,2 +0,1 25,90 31,9 +0,1 38,73

2 13,7 +0,2 17,08 - - 13,5 ±0,1 16,58 52,4 ±0,2 65,41

4 ' 11,6 +0,1 13,71 1,64 ±0,05 1,93 10,3 ±0,1 12,08 61,4 +0,2 72. 35

5 10,4 +0,1 12,29 1,90 +0,03 2,20 8,5 ±0,1 9,95 64,1 ±0,2 75,52

Примечание: Б - площадь, занимаемая тканью на поперечном срезе междоузлия; ППС - площадь поперечного сечения соответ-

ствующего междоузлия; * - 1-е междоузлие - нижнее.

График выноса натрия в перфузаты линейный: чем выше по стеблю, тем меньше его содержание в перфузате. Расчет коэффициента корреляции показал, что его вынос теснейшим образом сопряжен с содержанием натрия в тканях различных междоузлий (г=+0,95). Прямолинейность изменения содержания натрия в перфу-затах, вероятно, связана с тем, что натрий в большей степени локализован в клеточных стенках. Чем выше по стеблю, тем меньше доля ксилемы и тоньше клеточная стенка. В нижнем же междоузлии удельная доля клеточных стенок велика по сравнению с верхними молодыми междоузлиями (табл. 2).

Характер воздействия тканей стебля на состав жидкой фазы апопласта может зависеть также и от"условий водообеспеченности растений. На рис.7 представлены данные, показывающие изменения рН перфузатов при перфузии сегментов стебля"растений, имеющих различный водный статус. Перфузаты из стеблей растений, оптимально обеспеченных водой, имели более низкие значения рН, чем

перфузаты, полученные из сегментов стеблей растений, подвергнутых двухдневному водному дефициту. Было рассчитано суммарное за 3 часа перфузии изменение количества протонов в перфузатах (относительно их содержания в перфузируемом растворе), которое отражает возможности тканей стебля регулировать содержание протонов, т. е. протонную буферную емкость. Количественная оценка протонной емкости была сделана по Мизуно и Катоу CMizuno, Katou, 1991]. Эта величина в перфузате из сегмента стебля оптимально обеспеченного водой растения составила 8,44х10~®мзкв Н*7сегмент,

а из сегмента стебля недостаточно обеспеченного водой растения -А ,

11,82x10 мэкв Н /сегмент. Дефицит воды оказал влияние на удельное содержание различных катионов в перфузатах (рис.8): увеличилась доля калия, а доли кальция и натрия уменьшились. Данные свидетельствует о том, что при изменении условий водообеспечен-ности растений меняются регуляторные свойства тканей стебля.

Выше нами была показана сопряженность изменений содержания протонов и калия в перфузатах. Устойчивость этой сопряженности подтверждается и тем, что независимо от условий водообеспечения растений, это сопряжение сохраняется. Так, в перфузатах из стеблей растений, "переведенных" в условия недостаточного водоснабжения, возросла протонная буферная емкость и содержание калия, а в перфузатах из стеблей растений, находящихся в - условиях оптимального водоснабжения, оказалась меньшая протонная емкость и, соответственно, меньшее удельное содержание калия.

Действие неблагоприятных факторов, особенно водного дефицита, надо полагать, включает механизмы гормонального контроля транспорта ионов в растении. Известно, что в растениях, при водном стрессе происходит увеличение содержания абсцизовой кислоты [Жолкевич, Пустовойтоза,1993; Пустовойтова, Жолкевич,1993]. Поэтому представлялось интересным исследовать влияние этого гормона на поступление в перфузаты одного из основных элементов их содержимого - калия. В табл.3 представлены данные, отражающие поступление ионов калия в перфузаты при перфузии через сегменты стеблей растений раствора с АБК (5х10~ М).

АБК уменьшила поступление калия в перфузаты как из стеблей растений, оптимально обеспеченных водой, так и находящихся в течение 6 дней в условиях водного дефицита. На шестой день засухи почти в три раза увеличилось содержание АБК в ксилемных экссудатах, что согласуется с литературными данными [Zhang, Davies,

7,5 7,3

<й 7 т

Е, '

■а

ф и

и 6,91

Оч

6,7-

120 150 180 Время, мин.

Рис.7. Влияние условий водообеспачения растений на рН перфу-затов : I - оптимальное водообеепечение (влажность почвы 70 % от ПВ), 2 - недостаточное водообеепечение (2 дня влажность почвы 40% от ПВ).

Р,

а> §

ф о а л

100

80 60 40 20

Влажность почвы 70 % от ПВ

40 % от ПВ ( 2 дня )

Рис.8. Влияние условий водообеепечения растений на удельное содержание катионов в перфузатах (через 3' часа пер-

фузии дистиллированной водой ):|_|- К С а'

-I

1989; 1990]. Возможно поэтому влияние засухи и гормона при перфузии было аддитивным.

Таблица 3.

Влияние АБК (5x10 ° М) на приток калия (мкг/сегмент) в ксилемные перфузаты из стеблей растений подсолнечника при

засухе

% от ПВ | I | раствор | 1 1 1 2 з

70 н2о АБК 395 ±16 344 ±17 535 ±20 443 ±19 623 ±26 506 ±25 .

Н'^Э/АБК 1,15 1,21 1,23

40 НоО АБК 284 ±15 234 ±12 408 ±19 317 +18 481 ±19 _ 365 ±21

Н^Э/АБК 1,21 1,29 1,32

Таким образом, полученные экспериментальные данные свидетельствуют о зависимости регуляторных свойств стебля от условий водообеспеченности растений и о гормональном контроле поступления калия в перфузаты.

Перфузия сегментов стебля дистиллированной водой, растворами углекислоты и солей разных концентраций вызывает нарушение состава жидкой среды, омывающей симпласт. В ответ на эти нарушения, в соответствии с принципом Ле-Шателье-, система живых тканей стебля отвечает процессами, направленными на восстановление исходного состава, т. е. со стороны тканей осуществляется регуляция состава омывающей их жидкости.

Вероятно, регуляторное воздействие тканей стебля на состав жидкой фазы апопласта может осуществляться физико-химически и физиологически. Первая составляющая механизма регуляции может быть основана на процессах адсорбции-десорбции ионов на структурах клеточных стенок. Вторая - активная составляющая, может быть связана с переносом ионов в/из симпласта и модифицироваться физиологически активными веществами. Благодаря активной и пассив-

ной регуляции может обеспечиваться значительная буферная (демпферная) емкость апопластической жидкости в отношении протонов, ионов калия и кальция.

Важнейшей особенностью жидкой фазы апопласта является также относительная стабильность и высокий уровень химического потенциала воды, обеспечиваемые наличием покровной ткани [Зялалов, Газизова, 1992].

Поддержание определенного уровня термодинамического состояния воды апопластического пространства и регуляция состава его жидкой фазы дают принципиальную основу для распространения концепции Клода Бернара о внутренней среде- организма и на высшие растения. Следовательно, жидкую фазу апопласта можно считать регулируемой внешней средой для симпласта и внутренней водной средой высшего растения по отношению к его внешней среде обитания.

Необходимо отметить, что благодаря взаимодействию тканей и органов в растениях может реализовываться выдвинутый У. Кенноном [Cannon, 1929] принцип саморегуляции постоянства внутренней среды организма- гомеостаза.а точнее,знантиостаза- поддержание функций в процессе онтогенетических изменений [Mangum, Towle,1Q77].

Анализ эволюционного становления внутренней водной среды позволил установить, что для предшественников сосудистых растений - водорослей, характерно как значительное развитие клеточной оболочки [Седова, 1977], обеспечивающей формирование апопластического пространства, так и выделение разнообразных веществ, перемещающихся в цепи: цитоплазма - свободное пространство [Пеше-ходько, 1976; Титлянов, Беликов, 1976; Ерохин, 1979; Ташбиев, 1984; Khaleafa ;et al., 19853. Клеткам высших растений также присуще это свойство. И оно особенно ярко проявляется в культуре клеток и тканей [Бутенко, 1986; Рощина, 1989; Koch-Неitzmann et al.,1989; Singh et al. ,1989; Hyeon-Je et al. ,1989; Heijden et al. , 19891. Это общее для водорослей и высших растений свойство влиять на среду выделением веществ, свидетельствует о преемственности в эволюции функции регуляции состава внутренней водной среды. Также общим для водорослей и высших растений является и то, что значения химического потенциала воды среды обитания водорослей и внутренней водной среды высших растений близки и находятся в пределах 250 Дх/моль [Зялалов, Газизова, 1992]. Причем, достигнута большая степень независимости термодинамического состояния внецитоплазматической воды высших растений от внешних условий (рис.9). Это стало возможным благодаря отграничению

Рис.9. Термодинамическое состояние воды в средах водорослей и высших наземных растений. I- водоросли, II - высшие растения. I - симпласт, 2 - внешняя среда водорослей и внутренняя среда высших растений, 3 - внешняя среда высших наземных растений.

химический потенциал воды (Дж/моль). Стрелки указывают направление потока среды.

апопласта (его жидкой фазы) от внешней среды покровной тканью.

Макроэволюция высших растений шла в направлении их отрыва от внешней водной среды путем эволюции систем управления своей внутренней водной средой. Совершенства в этом достигли цветковые и голосеменные растения. У менее продвинутых отделов - псилофи-тообразных, плаунообразных и папоротникообразных еще сохраняется зависимость от водной среды: их половое поколение - гаметофит, может развиваться только в водной среде. У голо- и покрытосеменных же растений развитию заростка обеспечена относительно' независимая от внешних условий внутренняя водная среда благодаря его размещению в спорофите.

Примечательно и то, что эволюция стели шла в направлении увеличения площади контакта водопроводящей системы с живыми клетками. Эволюционная продвинутость таксона также обязательно предполагает увеличение площади контакта симпласта с внутренней водной средой. Это, надо полагать, означает повышение адаптивности растительного организма.

Таким образом, макроэволюция растений шла менее всего в направлении биохимической адаптации, а более - в направлении обеспечения надлежащих условий осуществления биохимических процессов посредством совершенствования системы регуляции внутренней водной среды. Принимая,что общей стратегией адаптациогенеза является обеспечение относительной независимости онтогенеза, морфогенетических и физиолого-биохимических процессов от внешних условий [Шмальгаузен, 1983; Хочачка, Сомеро, 1988; №уЬе, 1965], по всей вероятности, следует считать, что совершенствование системы внутренней водной среды - основной способ реализации этой стратегии не только в царстве животных, но и растений.

ВЫВОДЫ

1. Стебель растений подсолнечника изменяет и в течение определенного времени поддерживает на стационарном уровне содержание ионов водорода, калия, кальция и магния в перфузируемых растворах, что свидетельствует о регуляторном воздействии тканей стебля на состав жидкой фазы апопласта.

2. Изменение рН перфузатов из сегментов стеблей подсолнечника сопряжено с изменением концентрации в них калия. Механизм сопряжения может осуществляться через функционирование карбонатной буферной системы.

3. Ингибитор Н -АТФазы А^Од изменяет характер влияния тканей

стебля на содержание протонов и калия, что указывает на участие Н+ -помпы в регуляции состава жидкости апопласта стебля.

4. Абсцизовая кислота снижает поступление калия в перфузируемый раствор, что свидетельствует о гормональном контроле переноса калия в апопластическую жидкость и из нее.

5. Характер регуляторного влияния тканей стебля на состав жидкости апопласта изменяется по междоузлиям и в зависимости от условий влагообеспеченности растений.

6. В эволюционном аспекте апопластическую жидкость высших растений следует рассматривать как часть внешней водной среды водорослей, отграниченной покровной тканью, и она может быть определена как внутренняя водная среда растений, обеспечивающая их относительную независимость от внешних условий.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Зялалов А. А. , Газизова Е И. Эволюция гомеостаза в царстве растений // Деп. в ВИНИТИ N 3G43-B91.-1991.

2. Зялалов А. А., Газизова Е И. Функция внецитоплазматического пространства высших растений и преемственность в ее эволюции // Журнал общей биологии. 1992. Т. 53. N. 6. С. 851-860.

3. Газизова Е И. , Зялалов А. А. , Газизов И. С. Система обеспечения относительной независимости от внешних условий у высших растений // Тез. докл. III съезда ВОФР. - С.-Петербург, 1993. С. 281.

4. Газизова Е И. , Зялалов А. А., Газизов Л С. Регуляторные изменения pH перфузатов из стебля подсолнечника // Физиология растений. 1995. - В печати.

5. Зялалов A.A. .Газизова Е И. , Газизов И. С. Компоненты обеспечения протонного гомеостаза внутренней водной среды растений // Докл. РЖ 1995. -В печати.

Отпечатано в кмс РИВЦ Министерства, сельского хозяства и продовольствия Республики Татарстан заказ N 3&0; тираж У5 экз. г.Казань, ул. Оренйургский Тракт. 24. тел. 37-42-35

Информация о работе

Газизова, Наталья Ивановна
кандидата биологических наук
Казань, 1995
ВАК 03.00.12

Автореферат

Похожие работы