Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структура мезофилла листа в онтогенезе растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh в условиях измененной силы тяжести

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Структура мезофилла листа в онтогенезе растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh в условиях измененной силы тяжести"

. НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ '^ІНСТИТУТ БОТАНІКИ ім м.г.холодного

на правах рукопису

АДАМЧУК НАДІЯ ІВАНІВНА

Структура мезофілу листка в онтогенезі рослин ДгаЬіборзіз Маїіапа (І-.)НеупЬ при дії зміненої сили тяжіння

03.00.01. - ботаніка

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

Київ-1996

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі клітинної біології і анатомії рослин її ботаніки ім. М.Г.Холодного НАН України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор Є.Л.Кордю»

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор Е.А.І кантидат біологічних наук В.О.Тарасенко

Провідна установа: Київський національний унів

ім. Тараса Шевченка

Захист дисертації відбудеться „V " 1996 р. о годині на зг

спеціалізованої вченої ради К.01.82.01. з присудження наукового ( кандидата біологічних наук у Центральному ботанічному саду ім. М.М.] НАН України за адресою: 252014, м.Київ, вул. Тімірязєвська, N1.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Центра ботанічного саду ім. М.М.Гришка НАН України

Автореферат розіслано "____" вересня 1996 року.

/* <’■

Вчений секретар спеціалізованої ради ' / /

і І,

кандидат біологічних наук .1 , Г.М.Музичук

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми

Відкриття гравічутливості клітин на початку 80-х років XX сторіччя дало поштовх різноманітним дослідженням структурно-функціональної організації клітин різного типу при зміні сили тяжіння. Проте структура, ріст і диференціюнування клітин мезофілу залишаються мало вивченими, хоча з’ясування реакцій фотосинтезуючих клітин на зміну сили тяжіння є однією з актуальніших проблем в пізнанні життєдіяльності рослин в умовах космічного польоту.

Метою наших досліджень було вивчення структурно-функціональної організації фотосинтетичного апарату АгаЬісІорвіз іЬаІіапа (Ь.) НеупЬ на послідовних фазах онтогенезу рослин, та з'ясування закономірностей її змін під дією кліностатування, що частково відтворює біологічні ефекти мікрогравітації.

Були поставлені завдання:

1. Провести порівняльні дослідження ультраструктурної організації клітин мезофілу листка А. Шаііапа та вмісту пігментів при впливі повільного горизонтального кліностатування та в стаціонарних умовах вирощування .

2. Визначити ряд показників: стан пігмент-білкових комплексів, низькотемпературних спектрів флюоресценції, спектрів збудження флюоресценції гомогенатів листків, індукцік флюоресценції листків за умов дії повільного горизонтального кліностатування т< стаціонарного контролю.

3. З'ясувати характер структурно-функціональних перетворень асиміляційного апарату які виникають в умовах зміненої сили тяжіння, і виступають індикаторами стану йог активності.

Наукова новизна

Вперше отримані дані про детальну ультраструктурну будову фотосинтетичног апарату А.ШаІіапа на послідовних етапах розвитку рослин, розвитку клітин ві меристематичних до диференційованих зрілих клітин та клітин в процесі старіння.

Складено ультраструктурний паспорт фотосинтетичного апарату АлЬаІіапа.

Встановлено, що на відміну від контролю, в хлоропластах кліностатованих рослі зменшується кількість тилакоїдів в гранах при варіюванні довжини поперечника гра

зростала ширина інтратилакоїдного простору, збільшувався об’єм тилакоїдів З’ясовано, що в умовах кліностатування відбувається прискорення старіння A. th; виявлялося в скороченні терміну головних фаз розвитку рослин, посиленні ва клітин мезофілу, зниженні вмісту хлорофілів, накопиченні каротиноїдів і пласт зниженні активності фотосистеми 2.

Основні положення, які виносяться на захист

1. Характер рослинної реакції за умов гіпогравігації залежить від фази розвитку.

2. Такі елементи фотосинтетичного апарату як параметри листкової пластинки, шару мезофілу, об'єм клітин мезофілу є анатомо-морфологічними ознаками змінюються в умовах кліностатування. На ультраструктурному рівні дія зазі чинника позначається на зміні розмірів клітин мезофілу і хлоропластів, розвиті системи фотосинтетичних мембран, варіюванні вмісту крохмалю і накі пластоглобул.

3. Серед функціональних ознак фотосинтетичного апарату рослин, які трива перебували в умовах кліностатування, виявлено зменшення вмісту хлорі збільшення каротиноїдів в листках Arabidopsis thaliana L. (Неуп), зміну складу білкових комплексів і взаємодії між ними, в результаті чого швидкість фото: реакцій зменшується.

Апробація роботи

Робота була представлена:

1. на V молодіжній конференції ботаників в Санкт-Петербурзі (23-28 трав року, Санкт-Петербург, Російська Федерація),

2. на II Міжнародній конференції “Біокалоїд 95" (20-22 червня 1995 року, К

3. на 14му міжнародному симпозиумі "Plant roots - from cells to systems’ вересня 1995 року, Брістоль, Великобританія),

4. на 31-st Scientific Assembly of COSPAR, (14-21 липня, 1996, Бер Великобританія).

За матеріалами дисертації опубліковані роботи .

1. Адамчук НИ. Ультраструктурные изменения мезофилла листа Arabidopsis thaliana в условиях клиностатирования. Труды пятой молодежной конференции ботаников в Санкт-Петербурге. / Ботан. ин-т РАН, 24-26 мая 1994 г. - Санкт-Петербург, 1995 - с. 9294.

2. Адамчук Н Е. Будова сім’ядольниго листка A. thaliana cv Colambia в умовах кліностатування.// УБЖ,- 1995, т. 52, N 5, с. 605-610.

3. Adamchuk N.I. Responses of the plant photosynthetic apparatus to clinorotation./ Abstracts. 14th Long Ashton International Symposium, 13-15 September 1995, p. 43.

4. Адамчук H.I. Структурно-функціональні зміни хлоропластів Arabidopsis thaliana L.(Heyn) cv Со1атЬіа.//Фізіологія та біохімія культурних рослин,- 1996, т.28, N 5-6, с. 113117.

5. Adamchuk N.I. The Influence of Clinorotation on the Ultrastructural and Functional Changes of Photosinthetic Apparathus of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh./ Abstracts. 31-st Scientific Assembly of COSPAR, 14-21 July, 1996, Birmingham, p. 312.

Загальна характеристика роботи

Структура та обсяг роботи

Дисертація складається із вступу, огляду літератури, опису об'єкту та методів дослідження, результатів та їх співсгавлення, висновків та списку літератури (227 літературних джерел, 114 з них друковані англійською мовою). Результати досліджень наведені в 15-ти таблицях. Ілюстративний матеріал складають 14 фотознімків і 14 рисунків.

Об 'єкт та методи досліджень.

Об'єктом дослідження був фотосинтетичний апарат рослини-ефемеру з родини Brassiccaceae - A. thaliana (L.) Heynh cv Colambia, що є об’єктом, який широко використовується в різнобічних біологічних дослідженнях, космічній біології зокрема Рослини розвивалися в лабораторних умовах при цілодобовому освітленні, інтенсивністі освітлення 8 тис. люкс та температурі 22-25°С. Рослини A.thaliana вирощувалися : насінин, стерилізованих сумішшю пергідролю і абсолютного спирту (1:1), у високи) цукрових стаканчиках діаметром 3 см і заввишки 17 см на агаризованому поживном’

середовищі Ленгріджа-Квітко (Иванов, 1974). Рослини зростали на по горизонтальному кліностаті з швидкістю обертання 2 оберти на хвилину і у син> вертикальному стаціонарному контролі і досліджувалися на головних фазах он сім’ядольних листків - 7 діб, формування розетки -14 діб, початок цвітіння -кінець цвітіння початок плодоношення - 28 діб.

Загальна морфометрія. Для морфометричних обрахунків розвитку проводилися вимірювання по 100 для кожного показника: кількість npof розвинених рослин, висота рослин, кількість листків розетки, кількість листкії довжина, ширина і площа листкової пластинки молодих листків розетки. П( площі визначалися за обрисами листків на міліметровому папері.

Світлова і електронна трансмісійна мікроскопія. Для дослідження особі морфолого-анатомічної організації листків і ультраструктурної ор субепідермальних клітин палісадної паренхіми проводили фіксацію висічок цент частини листкової пластинки молодих розеткових листків завширшки в 1 мі стандартною методикою.

Повторюваність дослідів трикратна для кожного варіанту. Напівтонкі пр для світломікроскопічних досліджень виготовлялися за допомогою ультрамікрото LKВ, фарбувалися метиленовою синькою і розглядалися в світловий мікроскої Ультратонкі зрізи, отримані теж за допомогою ультрамікротому серії LKB, зніма бленди і сіточки на формварову підложку, контраспувалися цитратом свиі Рейнольдом і вивчалися в трансмісійному електронному мікроскопі JEM U Розглянуті в світловий мікроскоп препарати поперечних зрізів листкової плг молодих розеткових листків були зняті на фотоплівку типу 'Мікрат' на одна збільшенні. Обрахунки висоти зрізів і ширини шару мезофілу виконувалися на мікр Для вимірювання кількості клітин і хлоропластів на одиницю площі зрізу, об'єму і хлоропластів виготовлялися фотографії 18x24 см. Об'єми вищезазначених сі вираховували за формулою для еліпсоїду обертання .

Аналізувалися хлоропласти фізиологічно активних клітин субепідермальног палісадної паренхіми за методикою, описаною в роботі Сілаєвої А.М. (1979).

Для з'ясування функціональних особливостей фотосинтетичного апарату

об'єкту на різних фазах його вегетації вимірювали вміст пігментів в листках A. thaliana на спектрофотометрі SPECORD 40-М. Ацетонові витяжки отримували після розтерання наважок листків в ступці і фільтрування суміші через фільтр N3 за методикою, описаною в практикумі ( під ред. Полякова, 1978).

Морфометричні дані підлягали статистичній обробці на ЕОМ ПК IBM PC/AT за стандартною програмою STAT. Для показників з великим варіюванням значень складалися і аналізувалися гістограми.

Спектрометрія. Вимір пігмент-білкових комплексів (ПБК) і флуоресцентних характеристик гомогенатів листків рослин A. thaliana проводили на базі відділу біохімії фотосинтезу інституту фізіології рослин і генетики НАНУ з використанням розроблених у відділі спектрофлуорометричних пристроїв.

Загальний розвиток і структурно-функціональна організація

фотосинтетичного апарату A.tlialiana п контролі

З висіяних семи насінин об'єкту у кожному з цукрових стаканчиків розвивалося 3-7 рослин. 80-87% рослин проходили усі фази онтогенезу і утворювали нову генерацію насіння

Оскільки на сьому добу досліду листки розетки рослини не досягають половини своєї геивтичнодетерміиованої величини, диференційовані клітини мезофілу для цієї фази розвитку рослини не зустрічалися на зрізах. Особливості організації спеціалізованих мезофільїшх клітин листків A. thaliana вивчалися протягом наступних фаз онтогенезу рослини. На 28 добу експерименту рослини A. thaliana досягали фази кінця цвітіння, початку плодоношення. Висота рослин коливалася в межах від 11 до 17 см. Асиміляційний апарат об'єкту складався з 5-9 ланцетовидних листків розетки, сформованих на 14 добу досліду і 3-5 сидячих листків стебла - на 21 добу. Верхівка стебла розвивалася в одну або декілька гіллястих китиць з квітками та плодами у вигляді невеликих стручків. Площа молодих листків розетки 15-20 мкм 2. Вони набували ланцетовидної форми, але з розширеним дистальним кінцем, який закінчувався невеликими зубцями.

На поперечних зрізах листкової пластинки 7-8 листків розетки заввишки 63.7±5,4 мкм також розрізняються шари верхнього і нижнього епідермісу, які мали неправильну

подовжену форму і подекуди продихн між ними. Між епідермальними и розташовуйся шар різноманітної форми і переважно кулястих подовжених мезофілу завширшки 44,7±4,3 мкм . Завдяки розвиненим міжклітинникам паренхім теж не диференціюється чітко на палісадну і губчасту складову. За к субепідермального шару палісади приймався шар щільнорозміщених клітин ме: прилягаючий до епідермальних клітин, що мала більші розміри. На 104 мкм2 припадало 20-40 клітин мезофілу.

Спеціалізовані мезофільні мали характерну для цього типу ультраструктурну організацію. Вони були заповнені великою центральною вакуо таніновими включеннями, яка відтіснила у дистальну частину клітини я, цитоплазматичні органели.

Аналіз ультрамікроскопічних зображень медіальних зрізів палісадних хлороп виявив наступні особливості організації цих структур: переважно вони мали пере: несиметричну еліпсоїдну форму і досягали об'єму 40-48 мкм3. Насичена рибосс строма фотосшітезуючих органел була обмежена цілісною двомембранною оболон містила систему фотосинтетичних мембран, зерна крохмалю і пластоглобули. фотосинтезуючнми мембранами хлоропластів диференційованих функціонально акті клітин мезофілу розташовувалися по 5-7 зерен крохмалю на зріз і пластоглобули, кілі яких зростала від 7-10 на 14 добу експерименту до 9-12 на 28 доб> середньостатистичними показниками довжини поперечника гран вірогідної різни виявлено(0.42+0.02 мкм, 0.48+0.01 мкм, 0.46+0.02 мкм відповідно до е вимірювання). Проте за довжиною поперечника гран спостерігалося значне варіюв табл. 1). На зрізах контрольних хлоропластів переважали грани з довжиною попере1 0.4-0.6 мкм. Але, якщо на 14 і 21 добу дослідження зустрічалися грани з поперечнике 0.4 мкм, то на 28 добу - вони майже не виявлялися, проте збільшувалася кількість де гран. Товщина тилакоїдів гран виявилася сталою ознакою ультраструктурної орган хлоропластів. Її значення коливалося в межах 0,56±0,06 нм. Ширина інтратилакоїд простору також вірогідно не змінювалася (табл. 1). Результати обрах) фотосинтетичної поверхні асиміляційних мембран хлоропластів доводить переваж площі тилакоїдів строми над площею поверхні тилакоїдів гран, а максимальні роз

загальної поверхні фотосинтетичних мембран визначені для хлоропластів на 21 добу експерименту і наведені в табл. 1, Онтогенетичні особливості розвитку фотосинтетичного апарату А. іЬаІіапа на різних рівнях його організації відповідають динаміці вмісту головних пігментів в листках досліджуваних рослин у перерахунку на одиницю маси сухої речовини (табл. 2) . Вміст хлорофілу а поступово збільшується від 7 до 21 доби дослідження, коли фіксується його максимальна кількість, що припадає на період цвітіння цієї рослини. Показники вмісту хлорофілу б теж збільшуються під час цих фаз розвитку об'єкту, але їх значення в 2-5 разів виявляються меншими за хлорофіл а. А результати співвідношення вмісту цих пігментів сильно відрізняються лише на 14 добу експерименту. Про накопичення каротиноїдів свідчило збільшення цього пігменту в листках на час початку плодоношення рослин А. іЬаІіапа. Майже подібне значення цього показника було характерним для сім'ядольних листків.

ПБК реакційних центрів (РЦ) фотосистем» 1 (ФС1) майже не виявлялися на 14 добу експерименту, максимальні їх характеристики припадали на 21 добу, на 28 день дослідження вони знижувалися, Світозбиральний комплекс (СЗК) фотосистеми 2 (ФС2) в олігомерній формі визначається невеликими піками, а ПБК РЦ ФС2 майже не проявляють своєї присутності. ПБК СЗК ФС2 у мономерній формі максимально відмічається у період рослинного цвітіння, для І4 і 28 доби експерименту характерні нижчі його значення. Проте для цих строків розвитку рослин властива висока присутність вільного хлорофілу, що різко знижується на час рослинного плодоношення.

Спектри низькотемпературної флюоресценції (рис. 1) і спектри збудження флюоресценції (рис. 2) в ФС1 контрольних варіантів мають виражені довгохвильові і короткохвильові максимуми, що протягом двох тижнів постійну величину і зменшуються на 28 добу експерименту. Велнчина співвідношення цих спектрів максимальна під кінець генеративного періоду розвитку рослин 1.02 у порівнянні з 0.95-0.96 , що було характерним для попередніх фаз розвитку. Аналіз показників індукції флюоресценції листків контрольних рослин виявив, що співвідношення <2Ь невідновлюючнх РЦ ФС2 до загальної кількості РЦ ФС2 збільшується у контрольних зразках від 0.16 до 0.26-0.27. Фотохімічна ефективність в ФС2 зростає на 21 добу і різко зменшується на 28 добу, а

Таблиця 1

Ультраструктурний паспорт хлоропластів субепідермальних клітин палісади верхніх розеточних листків А. Ніаііапа

Показники 14 діб 21 доба 28 діб

Парціальні об’єми, %:

тилакоїди гран 9.15±0.26 17.60i0.63 ll.90i0.49

тилакоїди строми 16.55±0.73 19.95і0.48 18.15i0.55

строма 32.60±1.53 27.40il.21 39.20il.25

зерна крохмалю 40.45±1.51 24.75і0.36 29.00i0.60

пластоглобули 0.20±0.08 0.90±0.23 І.ІОіО.16

Абсолютнні об’єми, мкм3:

хлоропласт 45.68±3.44 40.88І0.96 46.41il.56

тилакоїди гран 5.2ІІ0.32 7.72±4.57 5.22І0.40

тилакоїди строми 8.96±0.49 7.50±0.50 9.24І0.49

строма 27.80±0.42 13.50i0.52 17.16il.50

зерна крохмалю 23.69il.78 ll.50i0.61 11.91і2.76

пластоглобули 0.10І0.04 0.75±0.11 0.8ІІ0.11

Кількість елементів на зрізі хлоропласту:

зерен крохмалю 4.50І0.45 5.05і0.46 4.30І0.44

пасгоглобул 8.20І0.54 7.25І0.34 6.65І0.40

Кількість тилакоїдів в грані 7.40±0.98 5.79І0.21 6.64І0.26

Довжина поперечника гран, мкм 0.46І0.02 0.48і0.01 0.42І0.02

Товщина тилакоїда гран, нм 5.60І0.28 5.50і0.36 5.4ІІ5.82

Товщина інтратилакоїцного простору, нм 1.40І2.00 10.91±0.93 10.70±1.18

Фотоактивна поверхня фотосинтетичних мембран, мкм2:

тилакоїдів гран 270*11 378ІІ7 257±10

тилакоїдів строми 30б±14 ЗЗІІІ7 305±10

загальна 526І22 709І27 562±14

Таблиця 2

Вміст пігментів в листках А. Иіаііапа, мг/г одиниці маси сухої речовини

Термін вирощування Пігменти

хлорофіл а хлорофіл ь хлорофіли а+ь каротиноїди

7 діб: контроль кліностатування 0.13*0.05 0.22±0.04 0.08*0.01 0.09*0.00 0.21*0.09 0.32*0.06 0.04*0.01 0.04*0.00

14 діб: контроль кліностатування 0.37±0.08 0.37*0.01 0.07*0.01 0.08*0.01 0.43*0.05 0.44*0.08 [0.02*0.01 0.02*0.01

21 доба: контроль кліностатування 0.69*0.04 0.55*0.19 0.39*0.01 0.13*0.01 1.08*0.08 0.67*0.09 0.02*0.03 0.05*0.01

28 діб: контроль кліностатування 0.61*0.03 0.43*0.07 0.31*0.01 0.13*0.01 0.92*0.04 0.54*0.05 0.04*0.01 0.09*0.01

інтенсивність темнових процесів темнових процесів фотосинтезу характер постійними значеннями 2.01-2.24.

Співставлення експериментальних і літературних даних

На 28 добу дослідження рослини контрольних і кліносгатованих і знаходилися в фазі кінця цвітіння, початку плодоношення. Цієї фази розвитку досі % рослин у контролі і 73% рослин при тривалому горизонтальному кліноста Головним чином зменшення кількості рослин, що росли в умовах зміненої сили було пов’язане з тим, що гіпокотилі деяких проростків ще сьомої доби експериме стелилися по поверхні поживного середовища, або росли в агар. Таким чином, прі припиняли свій ріст і гинули.

Отже, повільне горизонтальне кліностатування не мало летального впл розвиток об’єкту. Його дія позначилася на відсутності чіткої орієнтації росту рс гравітаційному полі Землі, що можливо є результатом порушення енергетичного оі клітинах при дії зміненої сили тяжіння (Лауринавичюс и др., 1984, Заботина, Таирбеков и др., 1988), а саме, зміни вмісту полісахаридів в клітинній обол мінеральних елементів біомаси рослин. Також нами стверджується, і метаболітичними змінами об’єкту при юнносгатуванні пов’язане прискорення ро рослин. Так у рослин експериментальних варіантів формування листкової рс цвітіння і плодоношення на 2-3 дні випереджало контрольні. Про прискорення сг досліджуваних рослин під дією стресу зміненої сили тяжіння свідчить скорі контрольне жовкнення листків розетки і егиолювання сім’ядольних листків.

Взагалі, показники онтогенетичного розвитку А. Шаііапа як в контролі, т експериментальних умовах були подібними до значень, наведених в рс (Кондратьева-Мельвиль, 1980, Кондратьева-Мельвиль, Водолазский, 1982, Пі Визир, 1982, Меркис, Лауринавичюс, 1983, Усманова, 1989). На сьому добу дослід; формувалося два фотосинтезуючих закруглених сім’ядольних листка на невелі гіпокотилі. Так як і при експонації сім’ядольних проростків А. Лаііапа на ' орбітальної станції "Салют-7" (Меркис, Лауринавичюс, 1983), в наших дослідженії виявлено вірогідну різницю розмірів сім’ядольних листків. Відсутність змін аиат морфологічних і ультраструктурних показників розвитку сім’ядоль скоріш за все пов’

А %

К(,

А %

і- ’т

; \

І \

732 /\ І \

685

693

\г

•і І

■}

•І (

№

\

ГГ тт.-|*п’''-ґ7 1 ‘ГГГІ Т

685 693 {

Г:><: /

;'V >

і \ /

/ \ •

{,

1 • V

\

з І і'

,'!~П 1-ГГП тгттггггг-1, ■:■ П' І ІТТ1

7№ 7-4С- X, НМ

контроль кліностатування

Рис. 1 Низькотемпературні спектри флюоресценції гомогенатів листків Айіаііапа на • 28 добу

А, %

632

А, %

684

і І.

655 і?’

•'•і і. » *1

1

і-»—т-ггг’-:

Ху нм

контроль кліностатування

Рис. 2 Спектри збудження довгохвильової флюоресценції гомогенатів листків А. (Ьаііапа на 28 добу

13 детермінованістю цих органів в зародку насіння, що було сформоване на рос природніх умов дії гравітаційного поля. Між сім’ядольними листками на дослідження теж починають закладатися листки розетки. Клітини мезофілу цих розвиваються із апікальних меристем латеральної зони листкових зачатків, що за структурними особливостями були подібні до апікальних клітин, описаних в і (Якубова, Акимова, 1976). Хлоропласти цих клітин перебували в ювінільній фор що свідчили малі їх розміри і нерозвиненість системи фотосинтетичних мемб фотосинтезуючі органели у рослин контрольного і юііностатованого варіанті подібні. В місцях контактів хлоропластів і мітохондрій виникали мієліноподібні т відміну від контрольних хлороплдастів ці органели у кліностатованих характеризувалися активацією периферійного ретикулуму хлоропластів і виник локальних ущільнень популяції рибосом цитоплазми біля хлоропластів, що мох результатом посилення обміну між стромою хлоропластів і цитоплазмою. Але р« вивчення ультраструктурної організації хлоропластів проводилися на хлорог диференційованих клітин мезофілу верхніх листків розетки, що були вже сформо:

14 добу дослідження і характеризувалися високою фізіологічною активністю на 28 д

За висотою поперечного зрізу і товщиною шару мезофілу листкової пла контрольних і кліностатованих варіантів були подібні. Зазначений факт підтві припущення (Меркис, 1990), що системи, які визначають гравітропічне подрази індукцію безпосередньо не пов’язані із ростовими і формотворчими процесам дозволяє рослині, яка зростала за умов зміненої сили тяжіння завершил онтогенетичний цикл. Виявлене зменшення площі листкової пластинки росли тривалий час перебувалии у космосі,потоншення їх листкової пластинки (Черевч< др., 1985,1986) скоріш за все можуть бути пов’язаними із видовою специфікою р Проте для кліностатованих рослин виявилося властивим зменшення кількості кліті припадали на одиницю площі зрізу і розвиток широких міжклітинників. По-пері мало викликатися посиленням газообмінних процесів в листках за умов кліностату Схожий ефект виникав при експонації рослин у космосі (Мирославов, 1974). Незваз на те, що в клітинах мезофілу на поперечних зрізах листкової пластинки кліностатс рослин збільшувалася кількість хлоропластів у клітинах, кількість цих орган

одиницю площі зрізу була у експериментальних зразків меншою. Цьому сприяло збільшення об’єму клітин мезофілу. Нами припускається, що виникнення цього ефекту при тривалому кліностатуванні спричинено двома процесами, а саме: потоншенням оболонок клітин за рахунок зменшення кількості полісахаридів (Недуха, 1988 а, б, Попова, Штокова, 1989) внаслідок активації гідролаз (Nedukha, 1994, Brawn, 1994) і збільшення вакуолізації клітин, про що свідчили дані збільшення співвідношення маси сирої і сухої ваги листків A. thaliaina (6.16+0.09 у контролі і 8.14+0.19 при кліностатуванні).

Об’єм тилакоїдів гран був вірогідно менший у хлоропластів кліностатованих рослин (4.57+0.49 мкм3) лише на 21 добу дослідження, а об’єм тилакоїдів строми при дії кліностатування зростав(10.37+0.21 мкм3) і ця вірогідна різниця була характерною для усіх строків вимірювання. Проте, якщо на 14 добу експерименту в хлоропластах кліностатованих рослин спостерігалося збільшення вмісту крохмалю у хлоропластів кліностатованих рослин (29.95+1.70 мкм3), то на 28 добу в дослідному варіанті вміст цих сполук зменшувався (3.99+1.28 мкм3) майже до повного їх зникнення в органелах.

За своїми анатомо-морфологічними особливостями A. thaliana належить до видів із закритою флоемою (Гамалей, 1990), де блокування відтоку асимілянтів призводить до накопичення крохмалю в мезофілі. Але, оскільки включення хлоропластів в процеси регуляторного депонування здійснюється скоріше, саме в цих органелах відбувається компартментація цукрів. А посилення під час кліностатування гідролітичних процесів, або зниження синтезу моноцукрів, та активності крохмальсинтезуючих ферментів глюкансинтетаз, таке припущення висловлюється в роботі (Недуха, 1986), сприяють прогресуюче зменшення кількості крохмалю в хлоропластах рослин, які тривалий час перебували в умовах зміненої сили тяжіння.

Проте об’єм пласгоглобул в хлоропластах зростав протягом рослинного онтогенезу. Найбільший його вміст фіксувався в експериментальному варіанті на 28 добу і перевищував контрольне значення більш ніж у півтора рази. Але це збільшення відбувалося не за рахунок зростання об’ємів пластоглобул, як це зазначалося в результатах космічних досліджень A. thaliana (Кордюм и др., 1989), а за рахунок вірогідного збільшення їх числа (6.65+0.40 у контролі і 10.65+0.66 при кліностатуванні). Нами припускається, що набуття хлоропластами зігнутої або S-подібної форми пов’язане

із зміною осмотичної ситуації в клітині, проліферацією клітинної оболонки. Хлороп подібних форм описані в роботах (Абилов и др., 1985, 1986, Алиев и др., 1985). Вонії виявлені в клітинах палісади листків Еріїіепсіпіт гасіісапз, орхідеї, що тривалий г перебувала в умовах космічного польоту. Також нами, як і в зазначеній роботу виявлені порушення організації внутрішньої мембранної системи, такі як дезінтеї тилакоїдів. При аналізі параметрів складових системи фотосинтетичних меі фізіологічно активних хлоропластів нами виявлено, що як у контролі, так експериментальних варіантах кількість гран на зріз хлоропласту майже не змінювалас 28 добу в усіх варіантах дослідження поступово збільшувалася частка гран, що мі більшу кількість тилакоїдів. Але в хлоропластах кліностатованих рослин, на відмії контрольних, більшість гран містила 3-5 тилакоїдів. Вірогідної різниці середньостатистичними показниками кількості тилакоїдів в грані не виявлено, але була характерною для значень довжини поперечника гран. Зменшення величини і показника в хлоропластах кліностатованих рослин склало майже 20%. Проте при а співвідношень гран за довжиною поперечника на зрізі на 28 добу експеримеї кліностатованого варіанту вивявлясться збільшення кількості гран, що мають меншу

0.5 мкм) або більшу (поверх 0.6 мкм) довжину поперечника.

З’ясовано, що товщина тилакоїдів гран хлоропластів фізіологічно активних к є досить сталою величиною і дорівнює 5 нм, а вісь товщинау інтратилакоїдного прої збільшувалася у хлоропластів кліностатованих рослин. Вірогідна різниця виявлялася добу дослідження (15.22+0.98 нм). Можливо, ця ознака є наслідком розконтактуї мембран тилакоїдів гран, що суттєво впливає на функціонування фотосистеї дослідженнях (Недуха и др., 1991) в хлоропластах мезофільних клітин пшениці піс: добової експонації рослин у космосі кількість тилакоїдів в гранах мала тенденціі збільшення, що при ширині гран в 0.35 мкм вказувало, за припущенням авторі; зменшення інтратилакоїдного простору в умовах мікрогравітації. Також досліднії визначено зменшення тилакоїдів гран на зрізі хлорошатів при перебуванні росл космосі, але цей показник, як і об’єм крохмалю, має широке варіювання і де залежність (Силаева, 1982).

За умов тривалого кліностатування відбуваються значні зміни величини поверхні фотосинтетичних мембран досліджуваних хлоропластів. Головним чином вірогідна різниця між експериментальними і контрольними показниками виявлялася на 28 добу. Для тилакоїдів гран властивим було зменшення їх фотоактивної поверхні мембран (189+8 мкм2), для тилакоїдів строми - збільшення (457+23 мкм2), тому різниця між значеннями загальної фотоактивної поверхні фотосинтетичних мембран контрольних і кліностатованих варіантів в цей строк вимірювання не була статистично вірогідною. Максимальні величини зазначеного показника спостерігалися на 21 добу дослідження, що відповідає фазі цвітіння рослин. Також ці дані узгоджуються з результатами вимірювання вмісту головних пігментів листків А. іЬаІіапа в перерахунку на одиницю маси сухої речови листків (табл. 2). Слід зауважити, що лабораторні рослини А. Шаііапа відрізняються від рослин дикого типу зменшенням вмісту хлорофілів (Усманова и др., 1989).

Із зниженням вмісту пігментів фотосинтезу в 1.5-2 рази при кліностатуванні корелює збільшення кількості каротиноїдіз, що протягом рослинного розвитку накопичуються в листках. При завершенні генеративного періоду жовтих пігментів контрольних ростин містилося в 2.5-3 рази менше ніж кліностатованих. Результати наших досліджень відповідають даним космічних експериментів. Зниження вмісту хлорофілів в умовах мікрогравітації спостерігалося у рослин гороху (Лауринавичюс и др., 1984, Румянцева и др., 1989). Автори Лауринавичюс и др. (1984) пов’язують цей ефект із можливою затримкою синтезу цих пігментів під час космічного польоту, або посиленням їх руйнування, що вбачається нами більш вірогідною. Збільшення вмісту каротиноїдів при експонації рослин у космосі автори пояснюють здатністю цих пігментів виконувати функцію терморегулювання, накопичнючи надлишкову енергію квантів, тобто виконувати таким чином роль теплового фільтру. Ми ж вважаємо цей ефект ознакою швидшого старіння рослин в умовах кліностатування. Отже, отримані дані можуть розглядатися як доказ порушення функціювання внутрішніх регуляторних механізмів при зміні сили тяжіння, фотосинтетичного апарату зокрема.

Денситограми електрофоретичного розподілу хлоропластів для 14, 21, 28 добових рослин мають типовий для цих кривих вигляд і складаються із декількох смуг, ідо відповідають ряду пігмент-білковнх мембранних комплексів. Головним чином, різниця

між контрольними і експериментальними варіантами полягає в зменшенні олігом форми ПБК СЗК і збільшенні вільного хлорофілу. Окрім того, для 14 добових р< відносна інтенсивність смуги 685 нм була вищою у порівнянні з смугою 693 нм. У рі на 28 добу співвідношення інтенсивностей вказаних смуг (685-693 нм) стає однако контрольними значеннями. Хоча сумарна їх інтенсивність, як і раніше, зберігається ( високою для кліностатованих варіантів. Ці дані можуть означати, що ефектиЕ захоплення енергії в реакційних центрах ФС2 знижена для кліностатованих рослин. ( того, погіршено перенесення електронів між різними формами хлорофілу в особливо для проростків рослин. В спектрах збудження довгохвильової флюоресі ФС1 (рис. 2) спостерігається слабка відмінність між варіантами на 14 добу. Голо чином вона полягала в невеликому короткохвильовому зсуві головної смуги спектр кліностатованих рослин. Протягом кліностатування ця відмінність зростає. А збільшується короткохвильовий зсув максимуму і змінюється співвідношення ампл при 650 і 680 нм в спектрах як контрольних, так і дослідних варіантів. Остання велі змінюється не монотонно: максимальна різниця характерна для 21 добових рос. зменшується для 28 добових. Також зміни стосуються форми спектрів.

Отже, виходячи із цих спостережень можна прийти до висновку, що для кліностатованих рослин спостерігаються зміни в обміні енергією між різними фор хлорофілу, а також зменшення ефективності переносу на антенні форми реакці центрів. Також при кліностатуванні знижується активнисть світозбиральних компл ФС2, що перебували в олігомерній формі. Знижувалась активність фотохімії в Особливо цей ефект проявлявся на 28 добу кліностатування. Ефективність про темнової фази під впливом фізичного чинника теж знижувалася.

Відомо, що живі організми, рослинні зокрема, здатні реагувати на будь-які : умов оточуючого середовища в досить широких межах і можуть набувати незворі змін при екстремальному впливі або при тривалій дії фактору. Отже, пові горизонтальне кліностатування не є екстремальним чинником для розвитку інтак рослин, адже вони проходять головні фази онтогенезу і формують нову генер насіння.

Спираючись на характеристики зон рослинного реагування під дією будь-яких зовнішніх подразників (Силаева и др., 1978) визначаємо наступні зони рослинного реагування на дію кліностатування, зважаючи на короткий у порівнянні з терміном онтогенетичного періоду інших рослин розвиток А. Шаііапа. Протягом семи діб росту спостерігається посилення розвитку рослин за експериментальних умов. Протягом наступних семи днів показники розвитку фотосинтетичного апарату досліджуваних рослин майже однакові. Лише у кліностатованих рослин спостерігається прискорення процесу формування розетки листків. На 21 добу експерименту рослини цвітуть, а на 28 добу експерименту рослини формують плоди і набувають незворотніх змін.

Висновки:

1. На основі вперше проведеного комплексного дослідження, вивчено будову і функціональний стан фотосинтетичного апарату А- Лаііапа в онтогенезі рослин в нормі і при дії кліностатування.

2. Виявлено вікові зміни ультраструктурних елементів фотосинтетичного апарату А. Ааііапа, які проявлялися у збільшенні площі і об'єму фотосинтетичних мембран на 21 добу, що відповідає фазі цвітіння рослин, збільшенні кількості тилакоїдів в грані і накопиченні пластоглобул.

3. Встановлено, що на відміну від контролю, в хлоропластах кліностатованих рослин зменшувалася кількість тилакоїдів в гранах при варіюванні довжини поперечникг гран, зростанні ширини інтратилакоїдного простору, збільшувався об'єм тилакоїдІЕ строми. Вірогідна різниця цих показників виявлялася, а на 28-му добу дослідження, колі більшість рослин перебувала в фазі плодоношення. Об'єм зерен крохмалю у хлоропласті! кліностатованих рослин зростав на 14 добу дослідження, на 28 добу - він зменшуваво майже до повного зникнення крохмалю.

4. Виявлено, що максимальний вміст хлорофілу був притаманний рослинам на 21-і добу, то&го фази цвітіння. У кліностатованих рослин він був у 1.5-2 рази менший зі контрольний. Кількість каротиноїдів поступово збільшувалася в листках рослини на 2! добу і в 2.5-3 рази перевищувала контрольні показники.

і

5. Визначено, що функціональний стан пігмент-білкових ком кліностатованих рослин відрізнявся від контрольного, а саме: виникала відмінність нативних форм хлорофілу, складу пігмент-білкових комплексів, а також взаємо ними, що може спричиняти уповільнення переносу енергії до реакційних центр наслідок, швидкості фотохімічних реакцій.

6. З'ясовано, що в умовах кліностатування відбувається прискорення стар Ааііапа, що виявляється в скороченні терміну головних фаз розвитку рослин на ". Структурно-функціональними ознаками цього процесу є визначене нами пос вакуолізацц клітин мезофілу, зниження вмісту хлорофілів, накопичення каротиі пластоглобул, зниження активності в ФС2.

7. Запропоновано використовувати ультраструктурний паспорт хлоропла Лаііапа, модельної рослини, для експрес-оцінки стану фотосинтетичного апарат умовах мікрогравітацн та кліностатування, так і під дією інших екзогенних чинні-

Анотація

Н.И. Адамчук. Структура мезофилла листа в онтогенезе растений АгаЬісіорзіз І (Ь.) Неупії в условиях измененной силы тяжести.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических нг специальности 03.00.01. - ботаника, Центральный ботанический сад им. Н.Н.Г НАН Украины, Киев, 1996.

Защищается дисертация, по материалам которой опубликовано 5 научных При использовании различных методических подходов получены новые д; касающиеся динамики структурной и функциональной организации ассимиляцис аппарата растений, длительное время растущих при клиностатировании, к< воспроизводит частичные биологические еффекты микрогравитации. В/ проявилось в увеличении размеров клеток мезофилла и уменьшении их числ развитии листа в условиях оиносгатирования. Значительные изменения ультрастру хлоропластов фотосинтетических клеток проявились на 21-е сутки эксперим уменьшилось количество тилакоидов в фане и увеличилась длина тилакоидов стро*

Это коррелировало с изменениями в содержании хлорофиллов, количество которых уменьшалось при клиностатировании. Также уменьшался объём крахмала, а пласгоглобул - увеличивался. Это соответствовало увеличению содержания каротиноидов, изменениям светособирающих комплексов и транспортной их активности. Полученные результаты обсуждаются в свете современных представлений об адаптации растений к условиям изменённой силы тяжести.

Работа выполнялась при поддержке гранта 349-Б Президиума Национальной академии наук Украины.

Brief information

N.I. Adamchuk Structure of leafs mesophyll in the ontogenes of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh under the influense of change gravity condition.

Thesis for a candidate of biological sciences degree, speciality 03.00.01 - botany. N.N.Grishko Central Botacal Garden, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1996.

The thesis material of which has been used to publish 5 research works is defended.

Today is known microgravity affects the root statocytes may cause the actual disturbunces in plant assimilative organs. Nevertheless, the dinamics of structural and functional rearregments of the assimilative plant apparatus through the protracted time under altered stress is unknown. In this way the goal of our experiments was to provide the study of a structural and functional organization of the photosinthetic apparatus of Arabidopsis thaliana under the influence of clinorotation, which reproduces partially the biological effects of microgrovity. It was shown an increase of the mesophyll cell size and decrease of its number, during leaf growth under clinorotation. The essential changes of chloroplasts ultrastructural in the photosynthetic cells were reveald on the 21st day of experiments. A decriase of a thylakoid number in the both granae and a increase of a length of the thylakoids in a stroma.

It is correlated with the changes in a content of chlorophylls, which has decreased undei clinorotation was described also. A sturch volume decreased but a number of plastoglobulae increased. It is appropriated to an increase of a carotynoids content changes of light-harvesting complexes and the transport activity between them.

At least, clinorotation conditions called the inhibition of the photosynthetic appa A.thaliana. Selected results are discussed with the modem views how plant adapt to the ii of altered gravity.

This work was supported by Presidium of National Academy of Sciences of grant number 349-Б.

Ключові слова: Arabidopsis thaliana, мікрогравітація, кліностат

морфометрія, мікроскопія, листок, мезофіл, хлоропласт, пігменти, спектрометрія, індукція флюоресценції.