Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Световая и температурная регуляция ритмов клеточного деления и продолжительности клеточного цикла в меристемах растений

ВАК РФ 03.00.11, Эмбриология, гистология и цитология

Автореферат диссертации по теме "Световая и температурная регуляция ритмов клеточного деления и продолжительности клеточного цикла в меристемах растений"

¿o

i». §3 СЛНКТ- ПЕТЕРБУРГСКИ Г<ХЗУДАРСТВЕИШ УНИВЕРСИТЕТ О ^

О

^ На правах ругашеи

млчс

Здуард Мэдрисович

СВЕТ0Е\Я И ТЕМПЕРАТУРНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РИТМОВ 'КЛЕТОЧНОГО ДЕЛЕЮ'Д И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ КЛЕТОЧНОГО ГОША В НЕРИСТЕйЛХ PACTE НИИ.

03. 00.11 - ОЬЙРШМОГИЯ, гистология и цитология

AB Т О РЕ ОЕРАТ диссертация ка соискашш ученоЛ степени кандидата бизлсгичеекг:« наук

САНКТ •• ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в Лаборатории цитологии Ботанического института км. Е Л. Комарова Российской Академии Наук

Научный руководитель - доктор биологических наук,

профессор Е Г. Гриф,

Официальные оппоненты доктор биологических наук,

профессор, Е Е Иванов, кандидат биологических наук, Л Ф. Андреева.

• Ездувдя организация - Институт Цитология - РАД

• Вгздга/Лкссеруации состоится " •¿СЛ***— 1995 р. в /^часог. на васодашш диссертационного ученого .срвега Д. 053,5?. £2 па аздите диссертаций на 'соискание ученой степани донора биологических наук при Санкт-Пйтербургском государственной университете пс адресу: 199034 Са!1кт-Штербург,

"О

Уинаерситетойвя-наа* -7/9.■• Ьюлого-почвенный факультет, аудЛЗЗ,

С диссертацией можно овнакошться в Научной библиотеке им. А. М. Горького Заякт-Штербургского государственного университета.

Автореферат разослан ииИруив 1995 Г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Д. К. Обухов

1. ЕВЕДЕГОЯ2

Актуальность темы. Изучение ритмов деления клеток меристем растений было начато около ста лот лазая. В первых работах на корневых меристемах Al11 шп сера (Lewis, 1901; Kelllcott, 1SÛ4) были обнаруяенч суточные ритмы деления ¡слеток с периодом 12 ч. Дальнейшие исследования пяягат, что pifтт обнаруживаются m всегда, а периоды -ритмов могут меняться от нескольких часоз до нескольких суток.'. К началу. 60-х годоп сформировалась концепция экзогенных и зндотн/ых ритмов, которая поелудила основой для глубокого изучения ритмической сгрутсгуры деления клеток и ее связи с, дина.\г,:коЛ клеточного цикла (Bryant, 1969; Тропи и др. , 1975; Рыбаков,Романов,1976; Sens,1980; Deltour,1985). С другой ' стороны, наиболее неясный аспект проблемы - это суточные рчтмы. веется много з!<спериментал.ьных рабОт, в которых .обрааопашз ритмов деления связывается не с кинетикой клеточного цикла., а со световыми или физиологическими ритмам!}, Анализ таких работ показывает, что связь мзляу физиологическим ритмом и делением • клеток неоднозначней Этим объясняется важность изучения -ритмов деления клеток на уровне регуляции клеточного цикла.

■ Цель- к аадачи работы. Основ пая/ цель1 работы заключается в изучении влияния ритма освещения и температуры на ритм деления lueToic и на структуру ¡слетогцгого швепа и корневой мзрнстомя проростков растений, качавших фотосилтеэ.

Научная новизна ■■ работы."Щ о'сноео" результатов дсух^сгрриих экспериментов с контролируемым^ условия«« внешней среды* было впервые доказало ззлшп/иэ ритю освекяш m прододаггелмооть клеточного цзша ii ого '..фаз,''.-'на -ритм дздашш fôaTcii и структуру шкота я корквзоЛ йзристбмз,: Изучена -pass ркшов деления клеток 'в регуляции струотуры клеточного щуиа- .

Практическое ;значение работа. Кэучониэ механизмов регуляции стру!«туры 1слетоадого цикла:»мзрисШШ;. растений имеет больше ( ¡значение язя изучения реакции организмов 'на, йзшиеиио факторов ' »пекшей среди; ' Полученные ресудьтаты могут бть использованы для изучения Фотспориодических реакций. рейтйвых процессов Фотооинтезнрушнх растений при различных те).<порзгурах.

Апробация работы. Ш материалам днседяйЦН№. сделаны доклады кз научных семинарах Отдела бпосиотеттики и цитологии ШШ РЛЯ и на пятой Молодо,иной конфэрвншш ботяпикоа (С-Петербург, 19Э4). Пуб литании. По теме диссертации опуШшковано 3 работа Структура и объем дкесертащгл. Текст диссертации состоит из 7 глав, списка литературы (92 работы), 5 таблиц, б рисунков и 3 приложгниЛ (150 гра&1:сов). Диссертация йэяоийна на 132 с.

2, ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Рихыы ммгогическо^ активности.

Изучению ритмоп деления клеток ь меристемах высших растений посвящено около 50 публикаций. В большинстве работ ъ качестве объекта использовались корневые меристемы прорастают« семян и луковиц. В четырех работах (Malken, 1963; Murin,1987; Чугункова и др., 1988; Козак, 199Э) одновременно с изучением ритма Оцла определена продолжительность клеточного цикла.

Обзор литературных данных по суточным ритмам деления клеток привйден в Табл. 1Á (корневые меристемы прорастахящх семян и луковиц) и 1В (меристемы фотосинтезируотих растений). В графах таблицы указаны таксономическая характеристик, объект, данные по температуре и освещению* время пошлпеннои (+) и пониженной , (-) штотичёской активности, период ритма и продолжительность клеточного цикла (Гриф, Иванов, 1975,1960). IIa основе анализа литературных данных бьиш сделаны следующие выводы:

1) У одинаковый объектов в сходных условиях внешней среди периоды ритмов могут варьировать в широких пределах,

. 2) В лйристеыах фотосинтез1фущих растений простой суточный риты обнаруживается чаи», чем у проростков.

3) Имеющиеся данные на дают оснований рассматривать ритмы деления клеток как прямой ответ на смену дня и ночи, поскольку Световой ритм строго¡ контролировался только в двух отлах: на Zea mays (Kársten4 4916) И Lemna porpusílla (Halaban, 1972). Кроме того, в первой работе было установлено, что сдвиг начала дня иодйт оказывать влияние на перле д ритма деления клеток.

4) ВиМериотеш фотойимеаируюш растений продолжительность цикла (12 ч) чавто кратна периоду суточного ритма (12-24 ч).

б) Й большинстве цитируемых работ были изучены эндогенные, ритки Первых циклов деления клеток, коруя при прорастании. Эти ритмы стража*»1 динамику выхода из покоя синхронизированных в фазе Gl клеток еародьдп (Jákpb¡ Bûvey.1969 и др). По данным (Троян и др, 41976) , у семян гороха при T-24CÖ черев 25 ч после начала прбраадщшия отношение фаз Gl: Г»: 02 равно 80:10:10, а через S6 Ч: - I5i73:12, Делание клеток начинается черев 40 ч. Максимум иитоаов отмечен через 50 ч. На проростках гороха (Friesner,1920) и лука (Bishop,Klein,1971) показано, »wo сдвиг времени начала йрораадвания 1шзывает соответствушее смешение волны ыототичесгейго индекса первых генераций деления клеток.

6) Как при освепенш, так и в темноте обнаружены 6-,8-,12-н 24-часовые {даиа Иногда ритм может боть сложньас 6/6/3/5 ч. У Beta vulg&ris (Чугункова и flpé 1988), 4/11/10 ч. у Lupínus а!Ьиз (Frieáner,1920}, 15/4/5 у Vicia a/nphtcarpa (Atie)e, 1S25).

TKMgft I A. «ntUSSnMKEl

1 ' 7 .'. ■1 ( t 2 3 » J « I S ? 10 II 12 IS 15 ti 17 1 3 M 20 21 22 21 2». 1 7 8

Vtctfl FflSft 25 1 c * a 12 rassTEK. ms

-II- ;S: - I K aafiuts. tw

-tl- t. ' oast (2/12 HE7 «OTIft, 194?

-ei- ■■ t." CONST I lilt 7( -tb

I tWST t rei -

•11- Iff-20 I «T - a'KKIKS, 1952

•II' : t \ -ft- I m - -11-

24 t - «■ - . 24' 22 Z!fiCf£8-BSSKR, 1952 !

•it- J (» ml K. t ■ ..... 24 1Z- SESGS,. mi

'll- ... -n- . - it: Z m - I? -II-

20 1 ' . ». i It 22 HSSTE EI BLl,. I7S?

. HHRCE« ...'■■■

Gt'OUlUS sr. ■•':'' S-- I BE! '- *ISTER,:n29

litliCtK

muut C.lwnntSE n: J - * - IM.fc FRIE5KR,. 1920

HLUW1 t£Pi i OlOm) 1 1? LEHIi. 1901

-II- X { link! I "C, 12 muam, tin

-ft- 5 t>30ml .. » J ' - - + . S « rwmi?., mo

-II- S t)10«i is ; - J - « . ■*■- 6 • tJ •11-

-If• I . iUKH I - ♦ : a SROQGLEE'/ER-FGSTUTH,

-tt- V J ; -ti- ■ J ; * ' . 2« ' -11- 1524

-II- . J..-" • CPfHi I . ♦ - 24 . -II-

' -II- ■ J 115 »»> «raw J '" > 12 .'EKEti, ttVa.JJfiK.M5E-

-It- J ISO «> - ' —' mr - cs;, at FERt. mi

'll- 1150 ml 21 2 '' - • ' - t- 9.15 19 HflllKEIi, 19i3

-n- -It- 21 ..-J'' r - ♦ 11,17 13 -11-

: -ti- ; 30 2 * ; , - * tS.il 12 -II-

-It- JI50 «ml 21 2 - 2» 18 . -II-

-II- t ( 3 **) . 20 i i ■ » > 12 18 MLf EI At., 19i7

-II- t (>:«•! V I « ■ * * ■ i.1.i 12 ilSliS"., HIEIH, 1971

-h- j 27 2 ■■ * ♦ * 7,t,i 12 8I5IW, »LE!K, 1973

-ii- • i V ?m « 1 t 11.11 12 -II-

tssíiqa j s. mm rarai«««» «tusan* i «кюитаети« ркгато.

СЕЖКТЕО. PCI, m 0С1Ш ГСШШ QMS мюии» 1 mvtm «¡ШЕИ» АПШШ (ПРЕЯЯ ertoiI IKW3I i РИТМ ¡ i mn mof

Гс СВЕТ ! 2 1 Ii i it ï 10 11 ? П И 15 14 IT 6 19 26 21 22 2: 2«

«ÍEMÍEK

CWYSMIEHai SM1F0US Ï - I UFT ( - n FCPH.-.n, IVA

Ct£?lî WHLtíSlS 4 - Í ♦ V i f 12 11 o*a, mi

CKWCUÍCEtt

' ' Í 1 ♦ » . ♦ - ■ f 5.M3 • BS«, m¡

£H£iTOl»a«

»»An* átesete 7 IfBüliJA i ' :■ * 2» - Buwtws, mi

CASSEL ISfiCEif

ШЕКАШ« игакя; ■■■■•i" 22 2 KI - 17 HISSER, mo

ПИШСМПА'ЩЩМ''- «

Юкш i Ц-25 1 4 15.» - SlHOKK, 1952.

ИЮПЮбМИМЕ : i ■ ; -Ii- í ♦ к 'II-

KTÜÜÜOfMlIfiCcftE

£1(Ш OEKSA ■ г ' "■ - ■ ! j '■• 2« - SAÏtltKJi, Jï52

йш 1

vim »два : t ■ ' 1 - * ♦ «,11 12 If*tí, ¡1K

tftlISCESE

юшш ociraitrr J 1 21 - иши, it5;

tfumce« с

ияикшик п-л тын reí - - HAISSÍ*. Iî72

юшдок

IrlíEKSRW SMÎCMS tí-»' í 2< • ГЛ1К5, Ш2

оисши* S?KKEUI« '■'i' 17-» I * . 21 - 1Í52 .

«ЯКЕ* cvtlUDSirCl IS i 17-И I - - ♦ 12 - »ILfKES, 1SÍ.E

рармеише ;

mtrn soiwirEiM г- lîlMKS» t » 2« 12 BUNKING, И57

POACEAE * ,

smn lierais • i 20-30 J ' * • ♦ . - * . 5,<.s - ЛЕШЕВ К

«mtew vuls«üe * 14-25 1 2t - FP«. ИИ'

-tb ' 2 -//- I • ♦ 24 - -//-

KítWtS i ÎÎ ï KT i - И KdSlEX, lîll

ísjpsci tamil ' г ' . 25 7 ¡'' ' J 12 -

I<-15 erra I 25 eu icí » ' ♦ ' 12 - •II'

•4h ' ' 7 ■ » ci lOtt ■ f ! 2< * -II'

7) В верхушечных меристемах фотосиитезируших растений период ритма обычно равен 12 .или 24 ч. (изучено И видов),

3) Ритмы в корневых меристемах фотосинтезирутощих растений были изучены только для 3 видов. Било обнаружено 3 различных ритма: с двумя максимумами в 2 и Н ч, у Oepis capillaris (Ono, 1937); простой суточный ритм с одним максимумом в 13. ч. у Hordoum vulgare (Гриф, 1959); у Tradascanti a paludosa ритмов деления клеток не обнаружено (Wimber,, i960).

2. 2 Структура лролн?{ерирук5яэЙ популяции кортодоЯ меристехяА

Изучение степени синхронности деления и продолжительности цикла сестринских клеток (Frcese, 1954; Груздев, Свипеа, 1963; Иванов, 1971, 1974) и щгсофртометрическое изучение продолжительности фгз цикла в рядах дочерних клеток разных участков меристемы (Демченко, 1975,1981,198-1 и др.) показавают, что:

1) Кинетическая гетерогенность необходима для нормальной пролиферации. Неравномерность деления сестринских клегск - это основной источник десинхронизаши деления клеток. В меристеме продол-ютелькоеть цикла клеток колет различаться в 1.5-2 раза Различия внутри одной ткани незначительны. Для меристемы не характерен скользящий рост, нарушающий клеточньлз контакты.

2) Деление клетки происходит после достижения ею некоторого критического размера. Это стабилизирует среднюю длину клеток.

3) Имеется обратная связь ме,т.ду прододяительностья цикла и числом полустволовых клеток. Это имеет значение для регуляции скорости пролиферации в меристеме (Кравец, Гродзинский, 1976). Адаптивное изменение продолжительности цикла проявляется ¡сак результат адаптивной реакции отдельных фаз цшсла (там т).

Тагам образом, регуляция продолжительности фаа клеточного Ш1кла лйяит а основе регуляции пролиферации (и ритмов деления клеток), а кинетическая неоднородность клеток и межклеточные взаимодействия вахные факторы, стабилизирующие проливанию.

а МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ-

Опыты проводились на фотосинтезирущих 7-дневных проростках озимой пвеницы (Tritlcuro aestivum L) на стадии 4-х листьев. Растения выращивались в непрозрачных вегетационных сосудах на растворе Кноппа в строго контролируемых условиях внешней среды. На основе метода авторадиографзш был изучен клеточный цикл з корневых меристемах растений. Для этого перед началом фиксаций была введена кратковременная (15 мин,) метка метил-Ю-тимидшт. Фиксации проводились в течение 43 час с интервалом в 2 час.

Фиксация (по Навашину 10:4:1), окрашивание (по Сёльгену), изготовление продольных микротомнкх срезов (толщиной 7 wo.') и авторадиографов были выполнены но обычным методикам.

Бшо проведено 8 двухфакторных опытов, В каждом ;га опытов растения выращивались при постоянной температуре (25 или 15 С) и постоянном освещэниц ( непрерывном иди ритмическом день/кочь: 2/2, 8/8, 12/12 час), Кроме того, были изучены эффекты резкого изменения температуры и ритма освещения, а также интенсивность фотосинтеза во всех основных опытах.

Динамика деления клеток и доли меченых митозов (Quastler, Sherrnan, 1959) изучались методом световой микроскопии на продольных срезах в коре меристемы. Продолжительность меточного шита и его фаз была определена по графикам процента меченых профаз. Сглаживание всех графиков производилось одним и тем же способом (интерполирование средних 0-спла1:1кон на 0.2-часовой сетке; вычисление средних на 2-часовых интервалах; сгламивание полученных' точек -О-еплайярм.на ^часовой сетке). Данный способ сглаживания.' хорошо ' сохраняв* глобальные экстремумы и облегчает сравнение графитов.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ Основные результаты приведены в.Таблице 2. На основании полученных данных обнаружено, что тецпературкое и световое влияние на меточный цикл взаимосвязано.--

4.1 Продаис/гс-кь|юсть icwäTOUitaro шзиа я ото фгиз, 4 Влияние ттео&турЫ на Прсдслеттёльность цнкла зависит от ритма .освещения. Так при оптимальной температуре 25°С и при-освещении 8/8 продол;«геельнссть цикла равна 1Q ч. Эта величина значительно большз продо.шп'еяьнасти '.цикла при освещении 12/12 и 24/0 (9-12 ч) и не отличается от продолмлельностп цикла при пониженной тешераа'уре 15°С я освещении 2/2 (19 ч).

С дгдгой стороны, продолжительность цикла при освещении 8/8 меньше зависит от температуры, чем r/ри освещении 12/12. Так в опытах о осяощзнием 8/Ö продолжительность цикла при 25°С равна 19 ч., а при 15 J0 £ö Ч. При -освещении 12/12 продолжительность цикла равна 12 ч. к 29 ч. соответственно. Таким образом, при освещении б/О темпарэтурний коэффициент равен 1.3, а при 12/12 2.5. Ото отлична связано со значительным удлинением клеточного цикла'при .освещении'ö/в. •

2. Влияние освещения на продолжительность -щиаа зависит от температуры. При 25^0 И совещании 8/8 продолжительность цикла в 2 раза больше, чем при осведеиии 12/12 и 24/0. При 15°0 продолжительность шасла «еныпе вависиг от ритма освещения (19 Ч. при освещения 2/2 и 25-30 % При 8/8 I) 12/12).

Таким образом, норма реакции меристемы на ритм освещений в значительной степени зависит от температуры.

3- Изучение продолжительности Фаз клеточного цикла при постоянных условиях внешней среды показывает, что световой риги 8/6 приводи* гс значительному увеличению продолжительности

таблица 2. клеточшк цикл к показатели яюяифератйшоя• активности в зоне кош корневой маи'.сгеш triticum- aestxvum.

ТЕМПЕРАТУРА (°С) 25 15 25->15

СВЕТОВОЯ ИНН (ДЕНЬ/НОЧЬ) 24/0 а. /й 12/12 2/2 3/8 12/12 12/12->2/2 e/3

ПОЗТОРНОСГЬ ОПЫТА X 2 _________ 1 2 i 1 ~ 1 1 2 1 2 3 i

СРЕЛЧЙЯ ПГОдашГШЬНССТЪ ФАЗ ХДЕТОЧНЭГО. ЩКЛА (В ЧАСШ..

ЕЗСЪ ЦИКЛ 9 12 19 19 10 10 19 28 27 . 30 25 25 21

S-4A3A 4 4 3 a « 6 10 10 9 25 20 12 7

КйЮАДЬНОЕ ЗНАЧЕНИК 4 S в 4 7 5 9 9 7 12 7 13 7

G2-4A3Ä 3.6 7.Э 2.S 2.5 5.8 з.е 5.6 4.1 4.1 2.9 2.2 3.2 2.2

KMHiЙМЬКОЕ ЗНАЧЕпКЕ i 3 1 3 1 з ■ 3 1 2 t i 1 1

KÜTU3 0.3 0.3 0.Ô 1.0 0.3 0.4 0.9 1.8 1.6 2-2 1.3 1.7 i.e

СЗ-ФАЗА 0,9 -0.2 ?.б 7.5 -0.1 о.э 1.5 12.1 12.1 -0.3 1.2 9.2 lo.o

сршйз ПЮДСШИТЫЬКОСТЬ ш шточного цик. 5А (В DíOüEHTAK по отж-зения к ПГОДОЛВГГЕЛЫЮСГИ ПИКШ.

S -ФАЗА 45 35 44 43 42 . 53 55 37 35 84 82 47 35

G2-4A3A 42 . S3 13 13 55 37 34 14 15 o 0 12 10

»поз 3 2 4 - • ь 2 • 3 4 6 S 7 6 6 7

Gl-íАЗА 10 0 ■ 33 33 0 7 7 43 44 0 4 35 48 1

срадза проюаишышхъ фаз мгкэа jb пкшштах sa-сон ÄEHJCI >: вройаштаььгст«. .

ПРОФАЗА 35 3S 31 23 41 40 34 ЗЭ 3S 50 48 40

hilAÍASA 23 34 « 33 35 30 : 34 31 35 25 27 1 . 30 32

AHAÎA3A И 7E30ÎA3A 2? 27 25 32 24 30 ; 32 30 2a 25 25 ! so i i 2S i . .

¿ошлтш агошшдивйса аспб

i СШЬ"« ЮТ1ГИЧЕ.-КИН HHiD.C 3.4 2.3 4.5 5.1 3.3 4-3 i.ö í e.4 S.8 ! 7.4 6.6 i 6.5 1 7.5

BTBià 0?H?r. rSiKVAiUM ¡0 т 3? 1? о с». IS Î 24 2S i 15 24 1 t ... i 20

га-2»дия за шжг ö.S 1.7 : л 1Л 1.1 1.1 : 3.0 i 3.2 1.0 1 1.1 1.0 i 1-P i.P

13 5 25 24 24 s is [ КГТ K2Î 1 20 "ü ! б 1

Ч.Сг.Г- ГЕГ-.ХГ'.ЦЙ?. SA СЕПНЛ sVíbí- 1 '_> 1.3 i.4 1.5 2.7 2.7 : ; i iií.1 нет; i o.e o.e í C.2 _

Фазы G1 (39-44?. от продолжительности никла), Эта величина не чапиопт от температуры, причем в ловториостях опытов структура цикла практически совпадает. При освещении 24/0,:.2/5 и 12/12 Фаза (31 занимает от 0 до ЗОХ, а структура цикла в повторностях отличается (возможно, это связано с нвстащгонарным движением по циклу, поскольку ловторности отличаются по времени введения К'ткн на 4 часа).

<1. Изучение продолжительности фаз клеточного цикла при ревком изменении условий внешней среды показало, что Изменение ритма освещения с 12/12 на 2/2 увеличивает продолжительность фази ûl с 1 до 9 ч (в процентном отношении фаза G1 в структуре цикла увеличите гея до 407.). Анализ других фаз яоказизет, что игмйнешю продолго1телыюсти Фазы Gl может бить коррелировало либо с изменением продолжительности фазы S (освещение 12/12), лиоо Фаэы -G2 (при друг»« ритмах освещения).

5. Илучение зависимости п рододжительности фаз клеточного цикла от длины корт! показало, что с ростом корня наблюдается закономерное изменение структуры клеточного цикла, связанное с уволичонием продолжительности фазы G2,

б- Изучение обоего вида графиков процента меченых митозов показывает, что обычно графики для повторностей опытов сходны. В большинстве опытов (за Исключением опытов с освешением 8/8) графики, построенные Оеэ учета длины корня, заметно отличаются от теоретических ( пр»шодимых< например, в работе Епифанова, Терских. 1969). lia таких графиках величина максимумов процента меченых митозои уменьшается, а кшотонныё участки приобретают волнообразный вид. Анализ графиков, построенных для меристем корней разной длины побывает, что это связано с увеличением продолжительности фазы G2 с ростом корня. 4. 2. &шажя клотск. .

1. Влияние изменения ритма освещения с 12/12 на 2/2. В данном опыте отмечается синхронизация двиаеши клеток по циклу, поскольку отклонения от средней величины игготического индекса s фиксациях р^зко снижаются (по сравнению с освещением 12/12), а среднее значение не изменяется. Колебания становятся регулярным! (с периодом б ч) в течение 24 ч. ДагншЯ промежуток времени близок к продолжительности цикла (26 ч) и ко времени одной генерации (25 и. ). Период ритма деления клеток (6 ч. ) . значительно мгньке сродолжлтельности цикла Образование такого ритма uù.vt бить свиэано с резким измененном структуры циклаи V. Гит мы .у.ур.кн клеток пш< ритмическом осведении. îto сравнении с vx>3kiiw изменением ритма освеиения. в любом из сплтов с постоянным ритмическим освеоением отмэчается менее регулярная карпша колебаний шгготнческого индекса. Наилучаее

- и -

совпадение времени максимумов и минимумов в нсвторностях иииг.1 отмечено при пониженной температуре и освещении 12/12.

Обнаружено, что период ритма деления клегск близок к суткам при освещении 12/12 (25, 15*0} И 6/8 Иродоллп-йдьность

цикла з этих опытах равна 10, 28 и 10 чао. Если околоеуточной ритм деления клеток образуется при продолжительности цикла, не кратной суткам, то это сложный ритм. 011 образуется либо путем регуляторного изменения продолжительности Фаз щнспа, либо эа счет ритмообразуюаей фракши клеток (Рыбаков, Романов, 1й7(Ш.

Ритм освещения 8/8 при -пониквиной температуре пишоднг к полному исчезновению околосуточного ритма деления клеток.

В случае ритма освещения 2/2 при той-ие температуре ритм деления (слеток выралон не четко. Периоды небольших колебаний равны 6-8 1| (га« и в случае резкого изменения ритма ос.адвдшм), а период больших колебаний равен 18-час (времени одной генерации).

3. Ритмы деления клеток при непрерывном оопещеини.

При оптимальной температуре и непрерывном освоении ритмы деления .клеток.' выражены слабо. Отмечается снижение 'сродного значения митотическога индекса (до 3?.), по сравнения с дкйш из вариантов ритмического освещения. Максимум митотичсокого ' индекса наблюдается один раз за 48 часов в каждой -нолторнссти. Смещение. максимумов' в повторнестяхблизко к 12 часам.- Научение менее выраганных колебаний показыцаот, что их период (?-1£ ч) близок ко времени одной генерации (7-10 ч), Изучение графиков для меристем длинных и коротких корней показывает, что оба йти ритма исчезают. Таким образом, при непрерывном освещении ритш деления клеток в корневой меристеь(е либо отсутствует, либо их период близок к 12 часам, -

4.3. Измероихв. дотсжодюс^ радиометрическим методом показало, что интенсивность фотоспитзоа ме-.вааисит от ритма освещения. Поэтому обнаруженное влияние ритма осйес&нга на структуру цикла непосредственно Не связано с •• ¡алм«неикем

.интенсивности фотосинтеза, т.е. имеет регуляторный ад-акгьр.

4.4. 5йОдодмрова1Сзо о^разоваюсяркст^в дел^шя »штж. Для теоретического Изучения ритма деления клеток была. иаюмиюнлна детерминированная модель, позволяющая «мутировать циклироьание метки в популяции с заданна: начальной структурой цикла (при одинаковой продолжительности цикла) и правилами периодического нестационарного движения клеток, кзходягцихся в чувствительной (¿азе цикла Получена следуг;ц-ле основные результаты.

1) Сутсгвуш. некоторые. 1фй*ическяе величины. длительности и периода тормомеиил клеток в чувствительной фазе ци;<ла, кйтсры.-опрзд'еляют возш.таость образования ритыа с периодом, близким к

' - 12 -

продолжительности клеточного цикла. Эти же величины определяют устойчивость структуры клеточного цикла.

2) Устойчивый ритм деления-клеток образуется в том случае, если длительность и период тормоявния близки к критическим владениям. Иначе а.) ритм становится -сломим с периодом, равным продолжительности цикла, б) либо ритм становтся нерегулярна, Л1 <бо его период намного больше продолжительности цикла s) ритм исчезает, а мнтотмческий индекс становится равным отношению продолжительности митоза к продолжительности цикла.

3) Ясе эти возможности колебаний митотического индекса были обнаружены в экспериментах при различных сочетаниях светового и температурного факторов среды.

4) Структура цикла всей системы наиболее устойчива в случае двух Фракция с одинаковой продолжительность» цикла, одна из /«торы;< стационарна В такой системе обычно образуется слоздый ритм деления с периодом, равным продоллоиельностк цикла.

б) Небольшие изменения начальной структуры цикла могут быть причиной непредс/саауемого изменения ритма деления клеток. Это связано с изменением критических величин торштетг (п.1).

Результаты моделирования показали, что ритм деления клеток шж?т быть непосредственно связан с восстановлением структуры цикла, непрерывно изменяющейся .при нестационарном движении по циклу всех или части клеток пролиферирутодеЯ популяции.

5. обсуждение-

Изучение зависимости, ритмов, делении клеток от структуры и продолжительности клеточного цикла показывает, , что характер ритма определяется структурой цикла. Структура цикла имеет адаптивной значение, поскольку абсолхггная продолжительность Фаз изменяется непропорционально при изменении температуры и ритма освещения. Обнаружено, что наибольшие изменения связаны с продолжительностью фаз G2 и G1. Этот результат подтверждает подо«зние о стабилизации клеточного 'цикла путем адаптивного изменения продолжительности его фаз (Кранец, Гродзкнский, 1385). Поэтому, вероятно, структура цикла определяет норму реакции меристемы на'ритм освещения, а норма реакции, в свою очередь, определяет характер ритмов деления "клеток.

Изучение иехшаяиав регуляция cTpyicrypy цикла в меристемах ¿отосшгтевируквих растений затрагивает проблему устойчивых и , неустойчивых периодов в развитии. Б отличие, от проростков, для вторых характерно быстрое изменение структуры цикла (Jakob, Лн е-у, 1069; Del tour, Jaeqmard, 1S74; Троян И др. , lâ75), у н'отосинтезирушасс растений быстрое изменение структуры цикла происходит только ка определенных этапах онтогенеза Эти этапы

устойчивы н приводят к изменении фракции роста (например,

переход в генеративную фазу (ОопШег, ]аос1пт\11 еь а!., 19В?). Регуляцию структуры цикла в онтогенезе можно рассматривать на основе стабилизирующих механизмов, обшях для- всех фаз развития. В частности, одним из таких механизмов метет бить ритм деления клеток, стабилизирующий отношение числа чувствительных клеток к общему числу клеток.

5.1. СОпая схема ре г/ля».ют рш?а колонка ологм

Возможны два способа стабилизации структуры и>игла - путем восстановления некоторой "равновесной" структуры цикла и путем образования фракций с различной стру.ггурой цнчаа. Образование фракций - более длительный процесс, который мол»» приводить к нарушении-целостности популяции. Поэтому основным механизмом следует считать быстрое, восстановление некоторой оптимально» (при данных условиях среды) структуры клеточного иикла.

На основании полученных данных нредлолйна схема сопряхиенин клеточного цикла и ритма факторов среди, 'которая основана на представлении о важном значении структуры ¡неточного цикла в регуляции клеточной пролиферации.; Основные положения схема-

1) В начале прорастания формируется устойчивая структура цикла (за счет десинхррнизации синхронизированных в фвзе 01 клеток), йот процесс сопровождается эндогенным ритмом долепил ' клеток, обусловленным изменением структуры цикла.

2/ Экзогенный ритм образуется в случае, если возникает ритм регуляторных процессов, изменяющих структуру клеточного цикла. Тогда норма реакции меристемы определяется изменением чжуи чувствительных ¡у.оток во времени»

3) Ритм деления 1Слаток приводит к периодическому увеличат« общего числа клеток н к уменьшению доли Чувствительных клеток. В результате реакция -меристемы на 'внешний- ритм уменьшается н структура клеточного цикла стабилизируется, о Чем Оольгаая часть (слеток участвует в образовшши ритма, тем больше иамэнпотси структура цикла. Если сопряжение ааусчо* ритма Деления клеток оказывается неэффективным, то ¡восстановление структуры цикла возможно путем разделения популяция на Фракции с различать йен структурой цикла Этот путь создает условия для не адаптивного изменения продолжительности щеточного цикла.

Увеличение фрщщии роста отмечено в верхушечной меристем« при переходе в Генеративную фазу ра&вития ((ЗопЫиог, ]асаггдгс1 еЬ а1, 1987 и др.). Этот процесс не сопровождается изменением ритма деления клеток в корневой меристеме (Гриф,1959). Поэтому ритм деления меток и увеличение фракций роста взаимосвязаны, что подтверждает существование-подобного.механизма сопряжения,

4) Число клеток,-'.участвующих в образовании простого ритма, должно быгь равно общему числу чувствительных клеток.

Таким образом, непрямое воздействие ритма освещения на ритм делания клеток можно объяснить тем, что ритм деления клеток участвует в адаптации структуры цикла к ритму освещения при постоянной температуре.'

Г\ 2. Продшиштель»гость фаз G1 к G2 клеточшго цикла.

Сравнение продолжительности фаз G1 и 62 в разных вариантах опытов показывает, что:

1.) При освещении 8/8 увеличение продолжительности фазы Gl сопряжено с уменьшением продолжительности фазы G2.

2) Изученные варианты освещения (24/0, 2/2, 8/8, 12/12) не оказывают значительного влияния на интенсивность фотосинтеза

3) Увеличение продолжительности Фазы G2 в процессе роста корня зависит от ритма освещения (наиболее четко при 12/12).

4) Чем меньше продолжительность фазы G2, тем меньше отличие мэристзм длинных и коротких корней по митотическому индексу.

5) Не обнаружено фазы цикла, которая бы резко отличалась от других Фаз по чувствительности к температурному фактору. V

На основании этих данных можно предполагать, что световая регуляция структуры никла связана с согласованным изменением продолжительности фаз G2 и G1" (т. е. она специфична). Напротив, температурная регуляция продолжительности фаз клеточного цикла неспецифична, как и в случае проростков (Гриф, Валович, 1973).

5. 3. Прадшаш'ел&мость фаз 61 и 62 и ритм деления клоток.

Имеется спяэь между продолжительностью фазы G2 и характеров колебания митоттгеского индекса} чем больше продолжительность фавы 62, тем ритм деления клеток менее выражен. При одинаковой продолжительности фазы G2 (опыты при пониженной температуре и освещений 12/12 и 8/8) в случаа большей продолжительности фазы . G1 (8/0)) митотичеекмй индекс стабилизируется. Таким образом, фазы G1 и G2 в оначительной степен.. определяют норму реакции меристемы и возможность образования ритма деления клеток.

Структура цикла, в опытах с. освещением 8/8 при оптимальной и пониженной температуре не отличается (S: G2: M: G1, - 43:13:3:39 И 37:14:6: 43). Однако, в первом случае ритм близок к регулярному суточному, в во втором отсутствует. Таким образом, каждой температуры оптимальная структурацикла' может быть различной.

Б. 4. Уршшх регуляция ржгма далешя »исто«.

Кзложаиние дагошо о независимости при определенных условиях . околссугочнсго ритыа деления клеток от Продолжительности цикла подтеержламг положение о сложной взаимосвязи суточной кинетики и кинетики клеточного цикла (Рыбаков, Романов, 1976). С учетом полученных данных, о влиянии освещения на продолжительность фаз G2 к G1 можно предполагать, что регуляция ритма деления клеток имеет, до меныве-Й «ере, три уровня.

Первый уровень - это уровень стационарного движения клеток пролиферирующей популяции по циклу. На этом уровне температура и структурно-фужщнональние особенности меристеш определил' продолжительность фгш цикла (и некоторую оптимальную структуру цикла). Ритм деления' клеток на этом уровне не образуются.

Второй уровень - это механизмы нестационарного движения ¡ю циклу. Зто уровень быстрого (по сравнении с продолжительностью цикла) изменения продолжительности фаз 01 и <32, обусловленного реакцией меристемы на ритм освещения. На этом уровне колебания митотического индекса полностью повторяют изменения структуры цикла, обусловленные изменением продолжительности его фаэ.

Третий уровень - зто уровень обратной связи (ритм деления клеток), которая восстанавливает оптимальную структуру цикла путем изменения отношения числа чувствительных клеток (в фазе 01 или (32) к общему числу клеток (см. 5.1). . -6. НЙЮЛЫ '■ ;;

6^1 Ритмы деления клеток.

1. Простой экзогенный суточный ритм, в образовании которого участвует больиая часть клеток популяции, возможен только при условии, что его период равен продолжительности цикла. Анализ литературы показывает, что большинство работ по ритма« деления клеток Сьию выполнено на проростках, у которых эндогенный ритм образуется как следствие синхоониаации клеток в фазе 01.

2. При оптимальной температуре (25 С) не обнаружено прямой зависимости между ритмом деления клеток и сменой дня и ночи. При пониженной температура (15°С) суточный ритм деления клеток (с подъемом митотического индекса в конце темпового периода) отмечен только При освещении 12/12, Слиеком к естественному.

3. Суточные ритмы деления клеток с периодом 20-21 чао Оыля 'отмечен« при оптимальной температуре, освещении 12/12 и в/8, а такт при,пониженной температуре и освещении 12/12.

• 4. При освещении 24/0 и 12/12 наблюдается енижзни» средней величины митотического индекса (и продолжительности митоза.1 при Длине корня, большей 50 мм. Таким образом, показано, что структура клеточного Ш;лла в процессе роста корня изменяется неодинаково при различных ритмах освещения.

5. Период ритма может отличаться от продолжительности цикла. Поэтому в общем случае определение продолжительности цикла по периоду ритма не корректно.

6, Резкое изменение освещения (с 12/12 на 2/2) ийм<п(ени'.>т ритм деления клеток. Вначгм наблюдается ритм с периодом 6 ч. на протяжении времени одного цикла (26 ч), .Затем период ритмл значительно увеличивается. Такой ритм можг»т быть обусдоил^-н быстрым (за время'одного цикла) изменением структуры цикла

'5.8. Нродадюячш» кость »шуточного цикла и его фаз.

1. Влияние температуры и ритма оевеаения на клеточный цикл ва&имоевяааяо. При оптимальной температуре.продолжительность, цикла при освещении С/8 в 2 раза больше, чем при 12/12. При пониженной температуре это отношение близко к 1. Коэффициент из мочения продолжительности■цикла при понижении температуры на 10ÜC равен 1.5 и 2, 5 при освещении 8/8 и 12/12 соответственно.

2. Струга-ура -клеточного цикла изменяется непропорционально при разных сочетаниях температуры и ритма освещения. Наиболее аначит.^льно изменяется продолжительность фаз G3 и 62.

3. При оптимальной температуре продолжительность фазы G2 в мериотетх длинных корней больше, чем в меристемах коротких. При пониженной температуре такой зависимости не наблюдается. . Адаптация структуры.цикла при понидаэнии лемпературы происходит за счет увеличения продолжительности фазы 62. .

4. Резкое изменение ритма освещения синхронизирует деление клеток за врет, близкое к продолжительности фазы 02/ Поэтому можно, предполагать,. что при некоторых условиях периодическое тормолсеннс в Фазе G2 вызывает ритм деления клеток.

б. 3. Рола ры-ша ;сзлшм5 клехш в ^гудяцкм лролк^срагрки:

Изучение ритма деления - клеток иструктуры клеточного "цикла при различных сочетаниях факторов внесшей среды показывает, чго возможность образования ритма деления клеток определяется структурой цикла. Поэтому можно- предполагать» что ритм деления клеток стабилизирует структуру цикла; изменявшуюся в процессе реагирования меристемы на ритм освещения.

Список работ* опубликованных по теме диссертации;

1. Гриф В.Г. , Уачс Э.к- Ритмы шгготической активности и клеточшае циклы в меристемах растений. У/ Цитология, 1994. Т.Зб, МИ, С. 1069-1084.

2. Ызчс Э. Ы. Регуляция ритмов митотической активности в онтогенезе корня Triticum aestivüm. V-ая молодегшая конференция ученых-ботаников в ЕИНе (Санкт-Петербург, 1394).

3. Gr i f V. а. Wachs E.U. Proliferation and cell-cycle dyne-urn es in the root, meri stem. // Abstracts. 9-th Congress of trn Federation of European Societies of Plant Physiology.' Brno, Czech Republic. 3-8 July 1994. Supplement to Biologie Plantarum. Vol 33. P. 13. - Prague, 1994.

занял 21. 21.¿3.95 г.Тнр. loo мэ. Типографы» a COT скв '>!кпях«тор' Тел.