Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структурная изменчивость апексов ячменя в онтогенезе

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гамзаева, Рафина Саидметовна, Санкт-Петербург

$1: ЧЧ-'б / 5'61-&

СЛНКТ- ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 633 16:631.524,

Гамзаева Рафина Саидметовна , ., д1/

СТРУКТУРНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АПЕКСОВ ЯЧМЕНЯ В

ОНТОГЕНЕЗЕ

Специальность:

03.00.12- физиология растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биол. наук, проф. В.М.Буренъ

Санкт-Петербург - Пушкин 1999

Содержание

стр.

Введение.....................................................................................................3

Обзор литературы......................................................................................6

2. Методы исследований.........................................................................33

3. Результаты исследований.....................................................................51

3.1. Влияние возрастающих доз азота на формирование зоны кущения ячменя.........................................................................................51

3.2. Клеточные структуры апекса ячменя формирующего листья..........55

3.3. Влияние азота на формирование проводящих пучков в

листьях ячменя...........................................................................................72

3.4. Клеточные структуры апекса ячменя переходящего

к формированию колосков.......................................................................81

3.5. Клеточные структуры апекса ячменя, образующие колоски............90

4. Физиолого-биохимические особенности формирования продуктивности ячменя на разных уровнях азотного питания.............109

4.1. Накопление азота в органах ячменя.................................................109

4.2. Влияние норм азотных удобрений на активность пептид-гидролаз

и ее изменение в ходе онтогенеза..........................................................114

4.3. Влияние возрастающих норм азота на амилолитическую активность ячменя.....................................................................................123

5. Влияние азота на продуктивность ячменя...............................................131

Заключение................................................................................................136

Выводы......................................................................................................138

Список литературы...................................................................................139

Приложения...............................................................................................154

Введение

Продуктивность растений, т.е. масса их хозяйственно-ценных органов, формируется в онтогенезе. Основу онтогенеза составляют процессы накопления клеток, их дифференциации и образования органов. Существует, очевидно, тесная связь между развитием и продуктивностью, но остается не ясным, как эта связь конкретно реализуется. Наиболее вероятно, что продуктивность определяется количеством метаболитов, притекающих в стеблевые апексы по проводящим тканям. Метаболиты в клетках апексов используются дня образования новых клеток. Из клеток формируются зачатки органов - листьев, колосков, цветков, зерен и других. Число органов зависит от количества поступивших метаболитов в развивающиеся органы в ходе их закладки и дифференцировки.

Развитие растений начинается с функции зиготы. Зигота, а затем ее дочерние клетки, делясь, образуют популяцию, состоящую из однородных по форме меристематических клеток. В ходе дальнейшего развития часть клеток, расположенных внутри популяции, прекращает делиться, вакуолизируется и формирует членики сосудов и ситовидных трубок. Членики сосудов представляют собой мертвые клетки (Эсау, 1980). Их цитоплазма со всеми органоидами, кроме оболочки, деградирует полностью. В члениках ситовидных трубок ядро и тонопласт разрушаются. Цитоплазма становится прозрачной. Окислительное фосфорилирование в ее митохондриях, очевидно, не происходит (Курсанов, 1976). Для того, чтобы дифференцировать меристематические клетки, т.е. разрушить частично или полностью их органоиды, клетка должна использовать активные, достаточно жесткие механизмы, направленные в сторону лизиса мембран и полимеров.

Группы дифференцированных клеток, проводящие пучки, в листьях растений, располагаются локально: они разграничены паренхимными клетками. Неясно, что активизирует литические процессы в популяциях, и как эти процессы локально дифференцируют клетки.

Проводящие ткани обеспечивают приток метаболитов в стеблевые апексы к образующимся зачаткам органов. В зачаточных органах клетки группируются по их количеству и расположению (Бурень, 1981). Необходимо выяснить, какие факторы и как определяют число клеток и их расположение в зачатке органа, т.е. выяснить как формируются зачатки органов. Число органов (листьев, стеблей, цветков, зерен и др.) у растений определяется как их генетическими свойствами, так и условиями выращивания. Число органов может колебаться в 3-5 и более раз.

Почти одновременно с локальной дифференциацией клеток или чуть позже в зоне дифференцированных клеток начинаются процессы морфогенеза, т.е. образование органов. В основе морфогенеза лежит принцип изменения ориентации делений клеток. Согласно гипотезе В.М.Буреня популяция, состоящая из локально дифференцированных клеток, способна функционировать и образовывать зачатки органов (листьев, цветков, чашелистиков, тычинок). В популяции с дифференцированными клетками появляется возможность локализовать транспорт метаболитов и ориентировать его поток к меристематическим клеткам. Последние, получая метаболиты изнутри популяции, образуют клеточные пластинки по направлению перпендикулярному потоку метаболитов.

В прошлом и сейчас при изучении онтогенеза используется, в основном картезианский метод - метод разделения целого на части. Этот метод позволяет обосновать несколько теорий развития многоклеточных растений (трофическую - Клебс, 1905; гормональную - Чайлахян, 1937; фотопериодическую - Цыбулько, 1978; функциональноцелостную - Ба-тыгин, 1986, 1995 а, б; количественно-позиционую - Бурень, 1984 а, б; 1991, 1994, 1995, Бурень, Копылов, 1987). В каждой из теорий абсолютизируются роль одного или некоторые суммы факторов, регулирующих развитие. Но очевидно, пришло время интегрировать подходы и обосновать общую последовательность событий, приводящую к формированию нового организма.

Представленная нами работа по структурной изменчивости апексов ячменя в онтогенезе посвящена выяснению причин образования органов

у ячменя, образованию в основном листьев и колосков. Результаты экспериментальных исследований, наблюдений, их теоретические обобщения, представленные в диссертации дали возможность в онтогенезе ячменя:

I - Изучить основные характеристики апекса ячменя при переходе его из вегетативного состояния в генеративное

- Изучить основные характеристики апекса ячменя образующего зачатки листьев, по числу клеток и их расположению.

- Изучить переходное состояние апекса, когда он, сформировав листья, не формирует новых органов.

- Изучить основные характеристики апекса, образующего зачатки колосков (флоригенный апекс).

II - Изучить изменение структур вегетативных и генеративных органов под действием азотных удобрений.

Обзор литературы

В основе образования тканей и органов у высших растений лежат, очевидно, общие принципы и механизмы, поскольку тип строения их органов и тканей сходен. Однако многочисленные факты не укладываются в общую теорию, на основании которой можно понять, как из делящихся клеток формируются организмы с локально дифференцированными клетками (тканями) и разнообразными по форме органами.

Из многих определений развития наиболее полно его физиологическую сущность выражают два определения: развитие как "изменения в новообразовании элементов структуры организмов, обусловленные прохождением жизненного цикла" (Сабинин, 1963) и развитие как " процесс посредством которого оплодотворенное яйцо в результате последовательных делений приобретает такую форму и создает такие типы специализированных клеток, которые характерны для взрослых организмов" (Боннер, 1968). Однако из этих определений не вытекает последовательная многоступенчатость развития, иерархичность блоков, в которых образуются и многоклеточные структуры.

После того, как была разгадана химическая структура ДНК клеток и на ее основе позже установлен принцип, определяющий последовательность аминокислот в белках, казалось, что пройдет совсем немного времени и путь от функций ДНК и функций белков в клетках к образованию целого многоклеточного организма будет найден.

Но прошло уже 40 лет, в течение которых физиологи, генетики и другие специалисты предприняли гигантские усилия для экспериментального обоснования этого пути (Боннер, 1968; Белоусов, 1980; Нейфах, Лозовская, 1984; Батыгин, 1986, 1995; Михайлов, 1988; Лима-де-Фариа, 1991; Бурень, 1994 и др.), но его реальный ход до сих пор найти не удается. Неразгаданными остаются причины, приводящие к образованию тканей и органов, не ясно, что определяет место событий, его локальность, и время, когда эти события совершаются.

Не специфическое вещество или набор веществ ведет к образованию многоклеточных структур. На пути от функций генов (ДНК) и образованию тканей и органов, их расположению и времени образования лежит популяция клеток. В популяции с критическим числом клеток за счет взаимодействия между клетками создаются условия, которые и приводят к локальной дифференциации клеток (формированию тканей) и образованию органов (Бурень, 1997). Популяция также способна определить месторасположения ткани и органа, время образования и форму структуры. Эти свойства популяции заложены исходно как в генетической основе организма, так и в правилах (законах) поведения клеток.

Оценивая результаты многолетних опытов Клебс (1905) пришел к выводу, что формирование тканей и органов зависит от отношения подвижных форм углеводов и азотосодержащих веществ. По его мнению, чем больше это соотношение, тем быстрее формируются цветки.

Опыты с короткодневными растениями показали, что прямой связи между содержанием (соотношением) свободных метаболитов в листьях растений, росших на различной длине дня, и сроками зацветания растений не существует (Чайлахян, 1964); на длинном дне у короткодневных накапливается больше углеводов, чем на коротком дне. Изучение суточной динамики углеводов листьев короткодневных и длиннодневных растений показало, что отток метаболитов из листьев наиболее интенсивно идет на благоприятной для зацветания длине дня. У длиннодневных он усиливается на длинном дне, у короткодневных на коротком умеренном дне (Цыбулько, 1978). Эти различия в оттоке связаны с тем, что у длиннодневных на свету синтезируются, в основном, полимерные углеводы (геммицеллюлоза, крахмал) отток которых возможен только после их гидролиза в темноте (Цыбулько, 1978).

Следовательно, накопление углеводов и других метаболитов в листьях не есть еще доказательство обеспеченности этими веществами конуса нарастания, где образуются зачатки органов. Поэтому из данных о содержании веществ в листьях не вытекает вывода о непреложности теоретических обобщений Клебса по значению соотношения углеводов и азот-

содержащих веществ для формирования органов. Более поздние исследования показали, что метаболиты общего обмена - углеводы, аминокислоты, органические кислоты цикла Кребса и другие вещества - могут регулировать образование органов и дифференциацию клеток.

Метаболиты общего обмена необходимы растениям для образования новых меристематических клеток и формирования из них плотных популяций, в которых клетки локально дифференцируются и которые образуют зачатки органов.

В популяциях меристематических клеток высших растений синтезируются спирт и молочная кислота, их дыхательный коэффициент (СОг: О2) в 3-4 раза выше, чем в клетках паренхимных тканей. Из-за плотности расположения нескольких слоев активно функционирующих клеток возникают градиенты факторов внешней среды по радиусу популяции (рис.1). Кислород поступает в клетки зародыша извне. Его используют (перехватывают) клетки, расположенные на периферии популяции (Бурень, 1997). Поэтому приток кислорода к внутренним клеткам ограничивается (рис.1, градиент кислорода). Из популяции с критическим числом клеток тормозится выход СО2. Он накапливается в результате дыхания клеток и его концентрация внутри популяции выше, чем на периферии (рис.1, градиент СО2). Из-за накопления СО2 в центре популяции снижается величина рН, среда подкисляется (рис.1, градиент рН). При такой ситуации число рибосом в клетках центра популяции уменьшается на 20-30 % и в 2-4 раза увеличивается объем вакуолей. К Внутренним клеткам популяции не поступают углеводы, клетки голодают (Бурень, 1997).

Такая обстановка возникает в центре популяции всякий раз. Она создается самими клетками, их числом, расположением и плотностью упаковки.

Рис.1. Градиенты факторов по радиусу популяции, созданные критическими числом клеток (схема, Бурень, 1997)

По диаметру популяции расположено 10 слоев клеток. Такая популяция содержит около 600 клеток (4/Зп3я, где п=5). Пунктиром показаны внутренние клетки, которые обречены на дифференциацию.

Лизосомы клеток (мелкие вакуоли) при таких жестких условиях разрушаются, гидролитические ферменты из них выплескиваются в цитоплазму, отчего органеллы клеток, расположенные внутри популяции, лизируют. В клетках за счет гидролиза накапливаются осмотически активные вещества и поэтому в клетки активно поступает вода. Они прекращают деление и растягиваются. Из таких клеток образуются в дальнейшем элементы проводящих тканей - членики сосудов и ситовидных трубок.

Таким образом, популяция с критическим числом плотно упакованных клеток способна создать градиенты факторов по своему радиусу и локально дифференцировать клетки, т.е. сформировать элементы проводящих тканей. Проводящие ткани образуются не потому, что в исходных клетках синтезировались тканеспецифические гистогены, и не потому, что гены этих клеток избирательно считывались. Не потому! В популяции сами клетки, взаимодействуя между собой, создают дифференцирующие факторы. Они основаны на общих генетических свойствах клеток, т.е. для дифференциации используются гидролитические ферменты, но специфичность дифференциации, ее локальность основаны не на генных факторах непосредственно, а факторах, которые создают целые клетки, как живые организмы. Только через судьбу клеток в целой популяции, зависящую от их положения, можно приблизиться к причинам локальной дифференциации. Отдельная клетка, функции ее генома не создает в себе факторов локальной дифференциации (Бурень, 1997).

На кафедре физиологии растений ЛСХИ в 1952-1953 годы, были проведены исследования по влиянию длины дня на формирование колоса озимой ржи. Замедляя прохождение световой стадии перемещением растений в условия короткого дня (12 часовой фотопериод) были получены измененные формы растений в частности формы с ветвистыми колосьями. Эти колосья мы сфотографировали и представили на рис. 2 и 3. Образование такого рода колосьев по нашим представлениям можно объяснить так, что при коротком дае (12 часовой фотопериод) в колос не поступают метаболиты, что ускоряет дифференциацию колоса, поэтому

вместо колосковой и цветоносной чешуи формируются колосковые стерженьки второго порядка (ветвление колоса) . Мы проводили свои расчеты на основании которых составили следующую таблицу.

Таблица 1. Влияние длины дня на структуру колоса озимой ржи (сорт Белозерная) (наши подсчеты из работ Мауриня, 1953)

Число колосков Длина колоса Число колосковых стерженьков Длина стерженька, см

контроль (ест .день) 12 ч. (фотоп,) контроль (ест .день) 12 ч. (фотоп.) контроль (ест .день) 12 ч. (фотоп.) контроль (ест.день) 12 ч. (фотоп.)

40 120 5,5 10 0 15 0 2,4

Недооценка физиологами роли метаболитов общего обмена в развитии растения связана с тем, что, по их мнению, в растениях действует специфический фактор (фермент или группа ферментов, морфогенов), который определяет быть или не быть органу, быть или не быть дифференцированной клетке. Развитие рассматривается по аналогии с процессами обмена веществ, в которых для хода любой реакции нужен специфический катализатор. Но развитие - это не элементарная реакция. Растение - это накопление клеток в популяции, взаимодействие между клетками, в результате которого клетки дифференцируются, и популяция клеток образует органы (Бурень, 1986).

Первую популяцию клеток формирует зигота, а затем ее дочерние клетки, делясь, образуют популяцию меристематических клеток по форме близкую к шару, т.е. изорадиальную популяцию (Поддубная- Арнольди, 1964). У всех высших растений зародыши на ранних этапах формирования представляют собой сферические популяции. По диаметру популяции состоят из многих слоев меристематичеких клеток. Три характеристики в расположении клеток - многослойность, плотность и связь через плазмодесмы - отличают популяции высших растений от низших.

Рис.2. Влияние длины дня на структуру колоса озимой ржи {наше фото из работы Мауриня, 1953).

1. контроль (естест. день);

2. ветвящийся колос (фотопериод 12 часов).

¿3 /

А

Рис.3. Ветвящийся колос (1) и колосковые стерженьки (2, 3,4). (Наше фото из работы Маур