Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Взаимосвязь формирования фотосинтетического аппарата и роста на ранних этапах развития растений

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Взаимосвязь формирования фотосинтетического аппарата и роста на ранних этапах развития растений"

£ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ сг;

ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БОТАНИКИ. ИМ. В.Ф.КУПРЕВИЧА

со

УДК 581.132+581Л 4+577.175.1

КАЛИТУХО ЛЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА

ВЗАИМОСВЯЗЬ ФОРМИРОВАНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА И РОСТА НА РАННИХ ЭТАПАХ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

03.00.12 - ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата биологических наук

МИНСК -1997

Работа выполнена в лаборатории физиологии фотосинтетического аппарата Института фотобиологии HAH Беларуси

Научный руководитель: член-корреспондент АНБ,

доктор биологических наук, профессор ЧАЙКА М.Т.

Научный консультант: кандидат биологических наук

ЛЕМЕШВА.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

ДЕЕВАВ.П.

кандидат биологических наук, профессор КАХНОВИЧ Л.В.

Оппонирующая организация — Институт физиологии растений им. КА.Тимирязева РАН.

Защита состоится ". "сентября 1997 г. в _часов на заседании совета по защите диссертаций Д.01.38.01 в Институте экспериментальной ботаники вы. В.Ф.Купревнча (220072, г .Минск, ул. Скорины, 27).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. Я.Коласа НАД Беларуси.

Автореферат разослан " Р-^'^-уа-^997 г.

Ученый секретарь совета

по защите диссертаций, // //5 Р

кандидат биологических наук •Ц.гсХ^у И.В.Рогульченко

-I-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Онтогенетическое развитие растения определяется тесной взаимосвязью двух интегральных процессов — роста и фотосинтеза. До недавнего времени преобладали аналитические исследования этих функций. Были раскрыты основы реализации генетической программы развития и описаны многие механизмы первичных процессов роста [Леопольд, 1968, Кунаева, Чанлахян, 1980, Полевой, 1991, Шевеяуха, 1992, Батыгин, 1986-95]. Параллельно был достигнут значительный прогресс в изучении фотосинтеза и формирования ФСА [Granick, 1967, Годнсв, 1950-88, Шлык, 1956-81, Калер, 1976, Аверина, 1988, Кахнович и др., 1983, Рубин, 1995, Чайка, 1996]. Успех этих относительно автономных научных направлении подготовил условия для исследования механизмов их интеграции.

Существующие теории описывают взаимосвязь роста и фотосинтеза с точки зрения продукционного процесса [Ничипорович,1965-88], с учетом фитогормо-нальной регуляции, донорно-акцепторных отношений и дифференциальной активности генов [Мохроносов, 1978-92, Кефеяи, 1988-94, Коф,1990-94, Ламан, 1985, Деева, 1996 и др]. В настоящее время предполагается, что экспрессия участков генома, ответственных за рост растений и синтез фитогормонов, не зависит от активности генов, кодирующих пнгменты фотосинтстнческого аппарата, тогда как взаимосвязь процессов роста и фотосинтеза реализуется на более поздних этапах с участием регуляторных систем растительного организма. Неоднозначность и противоречивость имеющихся в литературе данных определяет актуальность системных исследований взаимосвязи и регуляции ростовых процессов и формирования фотосинтетнческого аппарата с использованием разных модельных объектов.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Исследования, проведенные на культуре тритикале, входили в плановую тему лаборатории физиологии фотосинтетнческого аппарата Института фотобиологии АНБ "Молекулярно-генетнческне и физиологические аспекты регуляции биогенеза фотосинтетического аппарата, определяющие направленность продукционного процесса" (№ госрегистрации 1996175). Исследование культуры льна-долгунца проводилось в лаборатории гетерозиса и генетики количественных признаков Института генетики и цитологии АНБ в рамках темы "Изучить генетический контроль хозяйственно-ценных признаков, физиолого-биохимические особенности, состояние важнейших органелл клетки, возможность применения новых бнотсхнологических методов н на этой основе разработать приемы селекционного улучшения льна-долгунца в условиях Беларуси" (№ госрегистрации 1994445), финансируемой Белорусским республиканским Фондом фундаментальных исследований.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось выяснение характера взаимосвязи ростовых процессов я формирования ФСА растений с не-

пользованисм модельных объектов, у которых различия по показателям роста и фотосинтеза обусловлены генетически или определяются экзогенными воздействиями. Для достижения поставленной «ели требовалось решить следующие задачи:

• провести сравнительный анализ показателей, характеризующих ФСА и процессы роста у проростков тритикале и льна-долгунца, генетически различающихся по ростовым процессам;

• выявить роль экзогенных гормональных воздействий (ГК, ЭБ) и светового фактора в реализации процессов роста и накопления ФСП в зеленых, этиолированных а постэтиолированных проростках тритикале разного возраста.

Научная новизна полученных результатов. Выделены этапы развития проростков, когда генетически обусловленные, либо вызванные экзогенными гормональными воздействиями различия в интенсивности процессов роста и формирования пигментного аппарата тритикале проявлялись особенно четко: период появления листа из колеоптиля и стадия завершения активного накопления ФСП. Показано, что характер действия ЭБ на накопление ФСП проростками тритикале зависит от состояния фитохромной системы. В ходе анализа эндогенного гормонального баланса, уровня апобелков РЦ ФС1 и содержания ФСП в первом листе и колсоптнлс проростков тритикале выявлено, чю на начальных этапах онтогенеза формирование апобелков РЦ ФС1 тритикале связано с активностью эндогенных веществ цитокининовой природы и практически не зависит от содержания ХЛ. С использованием различных тест-систем (озимый гексаплоидный тритикале, лен-долгунец, экзогенная обработка рострсгуииругощямн веществами, зеленые, этиолированные и постэтиолированные проростки разного возраста) показана положительная взаимосвязь скорости накопления ХЛ а и биомассы растения.

Практическая значимость полученных результатов. Полученные результаты существенно расширяют преставления о сопряженности формирования фотосинтетического аппарата и роста растений на ранних этапах развития и могут быть использованы в курсах лекций по физиологии растений. Обнаруженная взаимосвязь интенсивности роста с накоплением ХЛ а предполагает возможность использования показателей "ХЛ в/ХЛ *" и "скорость прироста ХЛ в" в селекционных программах, направленных на создание высокопродуктивных сортов тритикале и льна-долгунца.

Экономическая значимость полученных результатов. Экспериментально доказанная зависимость эффекта ЭБ на формирование аппарата фотосинтеза от активности системы Фхр может учитываться при разработке приемов практического применения брассиностероидов в растениеводстве.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Сравнительный анализ показателей, характеризующих рост и развитие фотосинтетического аппарата проростков тритикале и льна-долгунца разных сор-

тов, свидетельствует о геногипических различиях, проявление которых существенно зависит от исследуемого органа, возраста проростка и светового фактора.

2. При сочетании экзогенных гормональных воздействий (ГК, ЭБ) и света разного спектрального состава выявлены разные пути реализации фитохроыных эффектов в процессе формирования фотосинтетического аппарата проростков.

3. На модельных объектах, у которых разная скорость роста и ХЛ-образованяя обусловлены генетическими особенностями или экзогенными гормональными воздействиями, показана тесная взаимосвязь между скоростью роста и накоплением ХЛ а.

Личный вклад соискателя. Экспериментальный материал получен автором во время обучения в очной аспирантуре (1992-1995 гг.) в качестве исполнителя плановой темы лаборатории ФФА Института фотобиологии АНБ и во время работы в лаборатории гетерозиса и генетики количественных признаков Института генетики и цитологии АНБ. Выбор условий эксперимента, интерпретация результатов и анализ полученных данных проведены автором самостоятельно.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации были доложены на I и II съездах Белорусского общества фотобиологов и биофизиков (Минск, 1994,1996); на III и IV конференциях "Регуляторы роста и развития растений" (Москва, 1995,1997); на симпозиуме "Фотохимические процессы в растениях под стрессом" (Люблин, Польша, 1995); на конференции "Современные проблемы генетики н селекции" (Минск, 1995); на IV конференции "Брассиностсроиды - биорациональные, экологически безопасные регуляторы роста и продуктивности растений" (Минск,1995); на II съезде Белорусского общества физиологов растений (Минск, 1995); на 23 съезде американского и японского обществ по регуляторам роста растений (Калгари, Канада, 1996); во время обучения в школе по фотосинтезу (Льеж, Бельгия, 1996).

Опубликовштость результатов. По теме диссертации опубликовано 15 работ (2 статьи и 13 тезисов).

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 4-х глав, включающих обзор литературы, материалы и методы исследования, результаты и их обсуждение, выводов. Список цитируемой литературы включает 280 наименований, в т.ч. 137 иностранных. Работа изложена на 129 страницах, проиллюстрирована 26 рисунками и 15 таблицами.

Принятые сокращении: АБК — абсцизовая кислота, ГК — гибберелловая кислота, ДКС — дальний красный свет, ИУК — индолилуксусная кислота, ЗН — зеатин, КС — красный свет, ПД — протохлорофнллид, РЦ — реакционный центр, ССК — светособирающий комплекс, ФГ — фитогормоны, ФС — фотосистема, ФСА — фотосинтстическнй аппарат, ФСП — фотосинтетические пигменты, Фхр — фитохром, ХЛ — хлорофилл, ХП — хлоропласт, ЧПФ — чистая продуктивность фотосинтеза, ЭБ —24-эпибрассинолид, (1 — относительный прирост.

-4-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Материалы н методы исследования

Объектами исследования являлись представители класса однодольных (озимые гсксаплоидные тритикале) и двудольных (лен-долгунец) растений. Сорта тритикале существенно различались по морфотипу (Дар Беларуси - дпинносте-бельнын сорт, Мально - короткостебедьный сорт). Сорта льна-долгунца (Викинг, Белинха, Оршанский 2, Светоч) также различались интенсивностью роста на стадии проростков при одинаковой высоте взрослых растений (80±2 см).

Анализировали зеленые, этиолированные и постэтиолированные проростки тритикале (первый лисп и колеоптиль) и 14-дневные зеленые проростки льна-долгунца (настоящие и семядольные листья, стебель). Растения выращивали на пластиковых сетках в люминостате при 14-часовом фотопериоде, освещенности 8000-12000 лк и температуре 18-22°С. При постэтноляции растения освещали круглосуточно. Для оценки влияния фитохромной системы на накопление ФСП применяли предварительное облучение 4-дневных этиолированных проростков тритикале КС (5 минут, 670 нм), ДКС (10 минут, 730 нм), КС+ДКС (S + 10 минут). Интенсивность освещения составляла 10 и 4 Вт/м2 для КС и ДКС соответственно.

Экзогенную обработку тритикале фнтогормонами проводили путем замачивания семян в течение 6 часов в водных растворах ГК (2S мг/л) и ЭБ (10 г мг/л). Определение морфометричсских показателей (биомассы, площади, длины, УППЛ проростков) проводили по []Бида,1989, Kvet,1971]. Скорость роста определяли по относительному приросту сухой биомассы (dM) в единицу времени (0,3-2 суток). Индекс фоточувствительности рассчитывали как отношение длины постэтнолиро-ванного в течение суток 4-дневного проростка к длине этиолированного проростка того же возраста [Кефели, 1991].

Содержание ФСП и способность зеленых листьев к темновому накоплению ПД определяли спектрофлуориметряческими методами [Шлык, 1968-71]; фотохимическую активность ХП определяли по [Гаврнленко, Ладыгина, Хандобина, 1975]. ЧПФ рассчитывали по [Ничипорович 1961, Андрианова, Тарчевсжий, 1975]. Скорость накопления отдельных форм ХЛ вычисляли по отношению их относительных приростов (dXJI ак1ХЛ «), исходными данными для расчетов служило содержание ХЛ в единице площади. Уровень эндогенных ФГ и апобелков РЦ ФС1 в 8-дневных проростках тритикале определяли иммуноферментными методами [Савченко и др., 1994, Кудоярова и др.,1986-89, Weiler, 1981]. Статистическую обработку данных проводили по [Рокнцкий, 1974].

ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА И РОСТА У РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ТРИТИКАЛЕ И ЛЬНА-ДОЛГУНЦА

Исследование взаимосвязи и регуляции ростовых процессов и формирования ФСА проводили на разных сортах зеленых и постэтиолнрованных проростков, у которых различия по ростовой функции обусловлены генетически или определяются экзогенными воздействиями (ГК и ЭБ).

Динамика содержания ФСП в единице площади и биомассы первого листа и колеоптиля зеленых проростков тритикале, генетически различающихся по ростовой функции, выражалась кривыми сигмоидного типа: лаг-фаза, которая наблюдалась до появления первого листа из колеоптиля (3-4 день), сменялась экспоненциальным подъемом, затем (7-8 день) отмечался выход кривых на стационарный уровень "рис. 1А", Изменение морфометрических показателен осуществлялось по аналогичному Э-образному типу. Первый лист отличался от колеоптиля большей скоростью роста и ХЛ-образования и, следовательно, более высоким конечным уровнем показателей, характеризующих эти процессы.

Согласно результатам сравнительного анализа, зеленые проростки низкорослого сорта Мально на 25-30% уступали высокорослому сорту Дар по большинству морфометрических показателей (длине, площади и биомассе проростка). По содержанию ХЛ (а+в) в единице площади и биомассы листа Мально превышал Дар "см. рис. 1А". Различия по концентрации ХЛ («+*) особенно четко проявлялись в период появления первого листа из колеоптиля и во время выхода кривой накопления ФСП на стационарный уровень. В эти же периоды у Мально наблюдалась более высокая скорость роста ((1М), величина ЧПФ, способность к темновому накоплению ПД, фотовосстановительная активность ХП "рис. 1В, 2". Наблюдались также сортоспецнфическис изменения в накоплении отдельных форм ХЛ, за счет чего скорость прироста ХЛ а (величина с1ХЛ «МХЛ «) у сорта Мально в указанные периоды были выше, чем у сорта Дар "см. рис. 1В". Полученные нами результаты свидетельствуют о наличии сопряженности между накоплением ХЛ а, интенсивностью работы ФСА на разных стадиях развития проростков и активным приростом сухой биомассы первого листа тритикале .

Положительная взаимосвязь количества ХЛ а с интенсивностью прироста биомассы, полученная на тритикале, подтверждается при анализе различных сортов льна-долгунца. Согласно полученным результатам, высокая эффективность функционирования ФСА льна-долгунца, косвенно оцениваемая по отношению сухой массы проростка к содержанию ХЛ в проростке, сопровождается высоким отношением ХЛ а/ХЛ «ив меньшей степени связана с концентрацией суммарного ХЛ в листе "табл. 1".

ХЛ (а+в), мкг/сы2 % к сорту Дар

Рис.1. Содержание ХЛ (А) и относительный прирост сухой биомассы, ЧПФ к отдельных форм ХЛ (В) в зеленых проростках двух сортов тритикале. Типичные результаты 5-ти экспериментов. М - Мально; Д - Дар; л - лист; кл - колеоптиль,

Рис.2. Скорость восстановления феррицианида калия хлоропластами (мкмоль Фц/мг ХЛ •10 мин, бары) и способность зеленых листьев тритикале разного возраста к темновому накоплению ПД (нмоль ПД/нмоль ХЛ а, линии).

Таблица 1

Содержание хлорофюша и эффективность функционирования фотосинтетического аппарата в проростках различных сортов льна-долгунца

Сорта льна ХЛ(а+<), мг/г сырой массы ХЛо/ХЛ. сух.Мпр. ХЛ (в+<)

лист семядоля стебель лист семядоля стебель

Оршан. 2 2.31Ю.08 1.3010.06 0.2310.01 2.9810.11 2.33+0.09 2.82±0.10 5.37

Викинг 2.20Ю.07 1.2110.04 0.26Ю.01 3.01 ¿0.07 2.45±0.05 2.71¿0.07 6.11

Б ели mea 2.02±0.06 1.2510.05 0.22Ю.01 3.391026 2.5710.08 2.6610.08 6.97

Светоч 1.79Ю.08 0.92±0.04 022Ю.01 3.16Í0.16 2.83±0.18 3.4010.21 7.15

Комплексный анализ проростков показал, что особенностью кодеоптиля тритикале, стебля и семядольных листьев льна-долгунца является более низкое по сравнению с листьями содержание суммарного ХЛ, отношение ХЛ a/XJl в и менее выраженная интенсивность ростовых процессов "см. рис. 1А, табл. 1". Поскольку основная масса ХЛ в выполняет функцию светосбора в составе ССК, снижение отношения ХЛо/ХЛ« может свидетельствовать о смещении баланса основных пнг-мент-белковых комплексов ФСА в пользу ССК. По-видимому, это связано с различиями основных функциональных нагрузок органов прорастающего растения.

Использование постэтиолвровалных проростков позволило разделить тем-новую стадию развития, где реализуется только программа роста, и световую, включающую рост проростка н формирование ФСА. В постэтиолнрованных, также, как в зеленых проростках, количество ХЛ (a+i) в единице биомассы и площади листа Мально было выше, чем у Дар. Сортовые различия достигали 170% и особенно четко проявлялись на начальных этапах постэтиоляции (в период появления листа из колеоптидя). Однако, в постэтиолнрованных проростках, в отличие от зеленых, наблюдалось снижение относительного прироста ХЛ в у Мально по сравнению с Дар "рнс. 3(1)". Одновременно снижался и относительный прирост сухой биомассы (dM).

Как было отмечено ранее, в определенные периоды онтогенеза (появление листа из колеоптидя и выход кривой накопления ФСП на стационарный уровень) для зеленых проростков Мальво характерна более высокая, чем у Дар, интенсивность накопления биомассы и ХЛ а. В постэтиолнрованных проростках наблюдается обратная зависимость, когда Мально уступает сорту Дар по скорости роста и приросту ХЛ а. Указанные различия между зелеными и постэтиолированными проростками могут быть обусловлены их разной фоточувствительностью, поскольку тормозящее действие света на длину постэтиолнрованных проростков Мально проявлялось в большей степени, чем на длину Дар "см. рис. 3(1)". Cornac-

но литературным данным [Борзенкова,1978, 51с1ш12,1980, ОеЬе-Каго-» et.al.1989, Бе Огее^ШЗ,8пп1Л1,1992], причиной этого могут быть особенности системы Фхр и различия в гормональном балансе исследуемых сортов.

180 140 120 100 60 ео

•40 20 о

Рис.3. Влияние светового фактора (зеленение в течение суток) на показатель

"(Шыахл«" 1 амЦ и индекс фоточувствительностиЩпроростков тритикале. Представлено в процентах к высокорослому сорту (1), к ГК-обработаннын (2) и ЭБ-обработаиным (3) проросткам.

Как показали исследования, изученные сорта тритикале существенно различались по эндогенному гормональному балансу. Между содержанием изученных гормонов (АБК, ИУК, ЗН) и количеством ХЛ («+«) в постэтнолнрованных и зеленых листьях и колеоптилях тритикале не было обнаружено четкой взаимосвязи. Вместе с тем, количество эндогенного ЗН положительно коррелировало с содержанием апобелков, иммунохимнчески идентичных апобелкам РЦ ФС1 "рис. 4". Экспериментальными данными, подтверждающими этот вывод являются: сходный уровень как ЗН, так и апобелка в листьях обоих сортов; гораздо более высокое содержание ЗН и апобелка РЦ ФС1 в зеленых колеоптилях тритикале, чем в листьях; большее количество как гормона, так и белка в колеоптилях сорта Дар по сравнению с Мально "см. рис. 4". Опубликованные данные свидетельствуют о высоком уровне апобелков в колеоптилях ячменя [Савченко, Абрамчик, Чайка, 199195]. На этиолированных проростках пшеницы показана также взаимосвязь содержания апобелков РЦ ФС I и количества экзогенного вещества с цнтокининовой активностью (БАП). Таким образом, полученные нами результаты расширяют и дополняют сведения, имеющиеся в литературе.

%

: 1

рИ[ 1 | ....... \ -'""Г

35 30 25 20 15 10 5 0

Зеатин, нг/г сырой биомассы х 10

----М"

-0".

лист

Апобслок РЦ ФС I (Е 492)

колеоптиль

2000 - колеоптиль ___--

1 500 -

1 000 - первый лист м

500 п - о

Общий белок (мкг/мл,

Рис.4. Эндогенное содержание зеатина и апобепка РЦ ФС I в 8-дневных зеленых проростках тритикале. М — Мально, Э —Дар.

Согласно полученным результатам, эндогенный баланс ФГ изученных сортов характеризовался органо- и сортоспецифичностью, что, по-видимому, связано с различиями в интенсивности процессов роста и формирования ФСА. В последующих опытах для модификации указанных процессов были использованы экзогенные рострегулирующие вещества.

ВЛИЯНИЕ ЭКЗОГЕННЫХ РОСТРЕГУЛИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ НА

ПРОЦЕССЫ РОСТА И НАКОПЛЕНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ ПРОРОСТКАМИ ТРИТИКАЛЕ

Для модификации роста проростков и накопления в них ФСП использовали ГК как широко известный стимулятор роста [Муромцев, 1978-84, Ннкешг, 1984, Ке-фелн,1974-94, Полевой, 1982-91] и ЭБ - физиологически активный представитель нового класса ФГ полифункционапьного действия ркека\уа,1991, Хрипач,1993].

Обработка семян тритикале ГК, как правило, снижала содержание ХЛ(а+«) в единице площади и биомассы зеленых проростков обоих сортов вследствие усиления ростовых процессов "рис. 5 А". Действие ГК на интенсивность роста (¿М)

усиливалось в период появления листа из колеоптиля и на стадии выхода кривых накопления ФСП на плато. Между относительным приростом биомассы и накоплением ХЛ а (<1ХЛв/с1ХЛ«) наблюдалась ярко выраженная положительная связь.

% к необработанному ФГ контролю

Рнс.З. Влияние ГК и ЭБ на биомассу и накопление ХЛ в единице площади листа зеленых и 3-дневных постэтиолированных проростков тритикале. 0 часов зеленения соответствует содержанию ПД в этиолированных проростках.

В ходе постэтиоляции проростков экзогенная ГК способствовала увеличению относительного прироста биомассы, индекса фоточувствительности н повышению относительного содержания ХЛ а в листьях обоих сортов тритикале "см. рис. 3(2), 5 В". По данным литературы экзогенные гиббереллины, также, как и красный свет, могут способствовать увеличению эндогенного пула гибберелаинов [Hsiao,1989, Холодарь,1989-95, Evans,1976], что сказывается на интенсификации процессов роста и хлоропластогенеза [Кулаева,1980, Mathis,1989]. В нашем случае экзогенная ГК усиливала ростовые процессы и снижала содержание ХЛ (д+#) в единице площади и биомассы сортов тритикале, генетически различающихся по ростовым процессам. Согласно полученным результатам, активный прирост сухой биомассы зеленого и постэ1иолироваиного ГК-обработанного листа сопровождался повышением относительного прироста ХЛ а по сравнению сХЛ в.

При использовании экзогенного ЭБ были специально подобраны условия: концентрация вещества и способ обработки растений (замачивание семян при 10 2 мг/л ЭБ), когда морфометрические показатели и скорость прироста биомассы проростков существенно не менялись. Вместе с тем ЭБ оказывал стимулирующее действие на накопление ХЛ (а+в) в единице площади и биомассы листа "рис. 5 С". Наиболее выраженный эффект ЭБ проявлялся в период выхода листа из колеопти-ля. Для этой модельной системы также наблюдалась положительная связь скорости накопления сухой биомассы (dM) и прироста ХЛ о.

В этиолированных проростках ЭБ снижал содержание предшественника ХЛ - ПД - до 60-80% от необработанного ЭБ контроля "рис. 5 D". На начальных этапах постэтиоляции ЭБ также не оказывал позитивного влияния на содержание ХЛ в первом листе и колеоптиле тритикале. По мере увеличения времени световой экспозиции наблюдалось постепенное проявление стимулирующего действия ЭБ на накопление пигмента. Максимальный эффект достигался после выхода листа из колеоптиля. При постэтиоляции обработанных ЭБ проростков также прослеживается сопряженность прироста биомассы и интенсивного накопления ХЛ а, проявляющаяся, однако, в снижении обоих показателей по сравнению с листьями контрольных растений "см. рнс. 3(3)". На индекс фоточувствительности ЭБ не оказывал существенного влияния. Полученные нами данные позволяют считать, что ЭБ-опосредованное ускорение накопления ФСП на ранних этапах развития проростков тритикале существенно связано с действием светового фактора. Предполагается, что реализация физиологического эффекта ЭБ может зависеть от функционального состояния фоторецепторных систем [Krizek,1983, Не,1991, Kamuro,1991].

Для выявления эффективности действия использованных ФГ от состояния системы Фхр была поставлена серия экспериментов с облучением этиолированных 4-дневных проростков тритикале (5 мин КС, 10 мин ДКС, 5+10 мин КС+ДКС) и последующей темновой инкубацией проростков в течение 2, 8 и 24 часов. Опыты показали, что реакция этиолированных тритикале на кратковременное воздействие

свстом в красной и дальней красной области соответствовала представлениям, имеющимся в литературе [Virgin,1983, Mitrakov, 196!, Porath, 1973, Kasemir, 1981-83, Mohr, 1966-83]. Однако, в колеоптилях обоих сортов было отмечено отсутствие синтеза ПД после инициированного красным светом перехода части пигмента в XJI. С учетом этой специфики колеоптилей, дальнейшие исследования проводили на листьях проростков.

Сочетание светового и экзогенных гормональных факторов изменяло уровень ФСП в ходе темновой инкубации проростков тритикале. Обработка ГК несколько снижала стимулирующее действие КС на накопление XJI и ПД в листьях обоих сортов. Вместе с тем совместное действие КС и ЭБ более, чем в 2 раза увеличивало скорость синтеза ПД и XII в этиолированных растениях. Наиболее четко позитивное действие сочетания КС и ЭБ проявлялось в период выхода листа из колеоптиля, когда в системе лист-колеоптиль осуществляется сложная перестройка функциональных нагрузок, затрагивающая в первую очередь гормональный баланс проростка [Weiler, 1981-86, Москалева,1990, Полевой,1991]. Эффект КС на ЭБ-обработанные проростки частично обращался ДКС, что позволяет предполагать зависимость действия ЭБ на содержание ФСП от состояния Фхр системы.

В ходе дальнейшей постэтиолиции проростков на белом свету (через 12 часов темноты после облучения) содержание XJI в ДКС-растениях достоверно не отличалось от неосвещсного контроля "рис. 6". Продосвсщсние растений КС существенно повышало скорость накопления XJI в зеленеющих листьях обоих сортов. Для КС+ДКС-растений был характерен промежуточный эффект.

Рис.6. Накопление ХЛ (а+*) в зеленеющих листьях тритикале Мально после

обработки этиолированных проростков красным (-), дальним красным (--) и

К+ДК светом (—). (-) - темновой контроль.

После 1 часа экспозиции на свету КС- и ГК+КС-растения характеризовались сходной способностью к накоплению ХЛ, которая значительно превышала способность к зеленению ГК-проростков, не освещенных предварительно КС "табл.2".

Таким образом, действие ГК на накопление ФСП проявлялось независимо от наличия активной формы Фхр. Суммируя полученные результаты, можно сделать вывод об аддитивном действии КС и ГК на накопление ФСП в листьях этиолированных и постэтиолированных проростков тритикале.

Таблица 2

Влияние обработки красным светом и фнтогормонами на содержание ХЛ в листьях тритикале, постэтиолированных в течение часа

Обработка Мально, % Дар Беларуси,%

КС 190+8 160+3

ГК 88+2 80+2

ЭБ 90+5 82+4

КС+ГК 200+9 175+5

КС+ЭБ 222+7 223+8

Эффект совместного применения КС и ЭБ был особо выражен на начальных этапах постэтиоляции тритикале и проявлялся в 25-50%-ном усилении действия КС на накопление ХЛ "см. табл. 2". Синергизм, отмеченный для действия КС+ЭБ на формирование пигментного аппарата проростков, подтверждает предположение о значимой роли Фхр в реализации ЭБ-зависимой стимуляции накопления ФСП. Можно предположить, что образование физиологически активной форны Фхр вызывает изменение ионной проницаемости плазматических мембран, облегчая транспорт нлн взаимодействие стероида со специфическими рецепторами и, следовательно, способствуя проявлению физиологического эффекта брассиносте-роида. С другой стороны, возможно взаимодействие Фхр и ЭБ на уровне генетического аппарата клетки, поскольку фу-форма Фхр и брассиностероиды могут действовать на мембранном и геномном уровне [МоЬг,196б, Волотовский, 1992, СЬиБе е1. а1, 1991 -92, "Цив, АшЬгаоп.ШЭ, Каишш,1991].

Таким образом, соотношение ростовых процессов и формирования фотосинтетического аппарата определяется скоординированным взаимодействием важнейших регуляторных систем — генетической, фоторецепторной и гормональной, которое в значительной степени зависит от стадии развития растений.

ВЫВОДЫ

1. У проростков тритикале, генетически различающихся по интенсивности роста, обнаружены различия по содержанию хлорофилла н активности фотосинтетического аппарата.

На фоне 8-образного хода кривых накопления хлорофилла в единице площади и биомассы первого листа и колеоптиля выделены этапы, когда сортовые различия проявлялись особенно четко: период появления первого листа из колеоптиля и стадия завершения активного накопления ХЛ.

2. На отмеченных этапах развития зеленые проростки короткостебедьного сорта Мально характеризовались более высокой скоростью прироста сухой биомассы, увеличением чистой продуктивности фотосинтеза, содержания ХЛ («+«) в единице биомассы н площади первого листа, относительного прироста ХЛ а, способности к темповому накоплению протохлорофиллида, фотовосстановнтельной активности хлоропластов. Аналогичные данные о взаимосвязи интенсивности накопления биомассы и величины ХЛ а/ХЛ с были получены на зеленых проростках различных сортов льна-долгунца.

Постэтиолированные проростки сорта Мально, в отличие от зеленых, уступали сорту Дар по скорости роста и приросту ХЛ а, что по-видимому, связано с особенностями системы фитохрома и гормонального статуса исследуемых сорюв.

3. Сорта тритикале существенно различались по эндогенному гормональному балансу зеленых, этиолированных и постэтиолированных проростков. Между количеством свободных форм фитогормонов (абсцизовая кислота, нндолилуксус-ная кислота, зеатин) в единице биомассы первого листа и колеоптиля и концентрацией ХЛ не было обнаружено положительной взаимосвязи. Содержание зеатина коррелировало с уровнем апобелка РЦ ФС1, что свидетельствует в пользу позитивного влияния эндогенных цитокнниаов на формирование белков фотосинтети-чсского аппарата.

4. Влияние экзогенной гибберелловой кислоты проявлялось в стимуляции процессов роста обоих сортов тритикале и снижении содержания фотосинтетических пигментов в единице площади и биомассы листа. Установлено независимое от наличия физиологически активной формы фитохрома действие гибберелловой кислоты на формирование пигментпого аппарата и рост проростков.

5. Обработка семян тритикале эпнбрассинолидом существенно не влияла на показатели роста, повышая содержание фотосинтетических пигментов в единице площади и биомассы листа. Показано, что реализация стимулирующего влияния эпибрассинолнда на формирование фотосинтетического аппарата в значительной степени зависит от светового фактора и определяется физиологически активной формой фитохрома.

6. У однодольных (тритикале) и двудольных (лен-долгунец) растений органы с низким содержанием ХЛ (колсоптиль тритикале, стебель и семядольные листья льна-долгунца на стадии проростков) характеризуются менее выраженной интенсивностью ростовых процессов и более низким по сравнению с листьями отношением ХЛ а/ХЛ *. Комплексный анализ проростков тритикале, включающий физиолого-биохимическое исследование листа и колеоптиля, подтверждает важ-

ную для развития растений регуляториую роль колеоптиля, которая определяется наличием фотосинтетических пигментов, высоким содержанием фитогормонов и апобелков РЦ ФС1.

7. Использование модельных объектов, у которых различия по показателям, характеризующим формирование фотосинтетического аппарата и рост проростка, вызваны экзогенными воздействиями (гиббереяловая кислота, эпибрассинодид), подтвердило результаты, полученные на объектах, генетически различающихся по ростовым процессам. Различия наиболее четко проявлялись в период появления первого листа из колеоптиля и на стадии выхода кривых накопления XJI на плато. При исследовании зеленых и постэтиолированных проростков активный прирост сухой биомассы первого листа сопровождался повышением относительного прироста ХЛ а.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Особенности формирования фотоситетического аппарата у проростков разных форм тритикале и их гибридов / Л.Ф. Кабашникова, С.Н. Кабанова, Л.Н. Калитухо и др. II Тез, докл. I съезда Бел. о-ва фотобиологов и биофизиков. -Минск, 1994.-С.-70.

2. Лемеш В А., Калитухо Л.Н., Хотылева Л.В. Фотосинтетические аспекты развития растений льна-долгунца в онтогенезе II Тез. докл. I съезда Бел. о-ва фотобиологов и биофизиков. - Минск, 1994. - С-. - 75.

3. Photosynthetic apparatus adaptation to different light action / M.T. Chaika, L.F. Kabashnikova, A.S. Klimovich, L.N. Kalituho H Photochemical processes in plants under stress: Abstr. - Kazimierz Dolny, Poland, 1995. - P, B-5.

4. Калитухо Л.Н., Кабашникова Л.Ф., Чайка M.T. Соотношение ростовых и фотосинтетических процессов при воздействии экзогенных регуляторов роста // Регуляторы роста и развития растений: Тез. докл. конф. - Москва, 1995. - С. 70-71.

5. Лемеш ВА., Калитухо Л.Н. Генотипнческая вариабельность признаков фотосинтеза в онтогенезе растений льна-долгунца // Современные проблемы генетики и селекции: Тез. докл. конф. - Минск, 1995. - С. 43.

6. Калитухо Л.Н., Чайка М.Т., Кабашникова Л.Ф. Влияние брассиностеро-идов на биогенез фотосинтетического аппарата тритикале // Брассиностероиды -биорациональные, экологически безопасные регуляторы роста и продуктивности растений: Тез докл. конф. Минск, 1995, С. -13-14.

7. Kalituho L.N., Kabanova S.N., Chaika M.T. Spesifities of wheat, rye and triticale pigment apparatus as a result of adaptation to different light conditions // Adaptation in plant breeding: EUCARPIA XIV Congress. - Finland, 1995. - P. 34.

8. Калитухо Л.Н., Кабашникова Л.Ф., Чайка M.T. Взаимосвязь ростовых процессов и накопления фотосинтетических пигментов на ранпих этапах развития

двух сортов озимого тритикале //Тез. докл. II съезда Бел. о-ва физиологов растений. - Минск, 1995. - С. 51-52.

9. Хотылсва Л.В., Лсмсш В А., Калитухо Л.Н. Сравнительный анализ показателен роста н фотосинтеза в онтогенезе различных по продуктивности сортов льна-долгунца //Тез. докл. II съезда Бея. о-ва физиологов растений. - Минск, 1995.

- С. 62-63.

10. Калитухо Л.Н., Кабашникова Л.Ф., Чайка М.Т. Взаимосвязь ростовых процессов и формирования фотосинтетического аппарата на ранних этапах онтогенеза тритикале И Becni АНБ. Сер. б^ял. навук. - 1996, №2. - С. 80-85.

11. Effect of 24-epibrassinosteroid on pigment apparatus formation / L.N. Kalituho, M.T. Chaika, V.M. Mazhul, VA. Khripach // Issue II of the PGRSA Quarterly. - 1996. - Vol. 24, N 1&2. - P. 21.

12. Лсмсш, BA., Калитухо Л.Н., Хотылева Л.В. Соотношение показателей роста и содержания фотосинтетических пигментов в онтогенезе растений льна-долгунца // Молскулярно-клсточные основы функционирования биосистсм: Тез. докл. II съезда о-ва фотобиологов и биофизиков. - Минск, 1996. - С. 56.

' ' 13. Kalituho L.N. Photosynthesis and growth processes during the early stages of triticale seedlings development //Bulletin de la Societe Royale des Sciences de Liege.

- 1996.-Vol. 65, N4-5.-P. 358.

14. Влияние эндогенных веществ с цитокинниовой активностью на фотосинтетический аппарат зеленых проростков тритикале / Л.Н. Калитухо, Л.Ф. Кабашникова, Л.М. Абрамчик, М.Т.Чайка // Регуляторы роста и развития растений: Тез. докл. конф. - Москва, 1997. - С. 17-18.

15. Лемеш ВА„ Титок В.В., Калитухо Л.Н. Морфофизиологнческая характеристика различных сортов и образцов льна на стадии проростков // Доклады АНБ, - 1997.-Т. 41, № 1.-С. 88-92.

РЭЗЮМЕ Кал^туха Людмша Мшалаеуна

Узаемасувязь працэсау фаряаравяння фотасштэтьпнага апарату i росту на равна

этапах разшццв раслш

Ключшыа слови: хларафш, фотасштэтычиы апарат, ф1тагармоны, штэн-аунасць росту, трыцшале, лен-даугунец, фЬахром, праростак, калеопщль.

Мэта работы заключалася у высвятленш узаемасувяз1 працэсау фарьпра-ванпя фотасштэтычнага апарату i росту расти. Работа зроблена з дапамогай спектрафлуараметрычных [Шлык, 1968-71], ¡мунаферментных [Weiler, 1981-86, Ку-даярава i ¿нш.,1986-89, Саучанка i шш„ 1994], 6iflxiMi4Hbix [Гаурыленка i ¡нш.,1975] метадау. Паказчым росту ananisasaAi па [Бщл,1989], статыстычны аналп правей-

зены па[Раюцю,1971]. Быт выкарастаны аб'егсгы, у яюх рознща па пахазчыках росту 1 фотасзнтэзу абумоулена гснетычна або выкшкава эюагснным1 уздзеяннямь

У зяленых, этыяляваных 1 постэтыяляваных праростках трышкалс, розных па марфатыпу, выяулена гснетычная рознща па cкopacцi росту, фотаадчуваль-насц1, эндагеннаму гарманальнаму балансу, фарм1раванню í актыунасц1 фотаспн-тэтычнага апарату. Вылучаны этапы, каш адрозненш праяуляшся найболып вы-разна. Паказана станоучая узаемасувязь утрымання эндагснных цытаюшнау 1 апа-бялкоу рэакцыйнага цэнтра фотасястэмы I. Для праросткау трыцжале, апрацава-ных экзагенным1 рострэгупятарам1 (пберэлавая кзслата, эшбрасшалщ) знойдзсны розныя шлях1 рэалЬацьп фхтахроыных эфсктау у працэсс фар*правання фотасшт-этычнага апарату. На мадэльных аб'сктах, у ямх розная хуткасць росту 1 хларафш-утварэння выклжана гснстычныы! асабл1васцям1 щ эюагспным1 гарманальным! уздзеянням1, паказана цесная узасмасувязь скорасщ росту 1 назапашвання хлара-фша а. Атрыманыя вынш магоць ¡стотнас значэннс для разумения суадносш пра-цэсау фарм1равання фотасштэтычнага апарату 1 росту раыпн 1 каардынугочай рсот рэгуляторных ястэм у рэал^зацьп праграмы развщця раипнных аргашзмау.

РЕЗЮМЕ

Кадитухо Людмила Николаевна

Взаимосвязь процессов формирования фотосинтетического аппарата и роста на ранних этапах развитая растений

Ключевые слова: хлорофилл, фоюсинтетнческий аппарат, фитогормоны, интенсивность роста, тритикале, лен-долгунец, фитохром, проросток, колеоптиль.

Цель работы состояла в выяснении взаимосвязи процессов формирования фотосинтетичеосого аппарата и роста растений. Работа выполнена с помощью снектрофлуориметрических [Шлык, 1968-71], иммуноферментных [\Veilcr, 1981 -86, Кудоярова и др.,1986-89, Савченко и др., 1994], биохимических [Гавриленко и др., 1975] методов. Показатели роста анализировали по [Бидл11989]1 статистический анализ проведен по [Рокицкий,1971]. Были использованы модельные объекты, у которых различия по показателям роста и фотосинтеза обусловлены генетически или определяются экзогенными воздействиями.

У зеленых, этиолированных и постэтиолированных проростков тритикале, различающихся по морфотипу, обнаружены гснотипические различия по скорости роста, фоточувсгвительности, эндогенному гормональному балансу, формированию и активности фотосинтетического аппарата. Выделены этапы, когда различия проявлялись наиболее четко. Показана положительная взаимосвязь содержания эндогенных цитокининов и апобелков реакционного центра первой фотосистемы. Для проростков тритикале, обработанных экзогенными рострегуляторами (гибберелловая кислота, эпибрассннолид) выявлены разные пути реализация фи-

тохроыиых эффектов в процессе формирования фотосинтетического аппарата. На модельных объектах, у которых разная скорость роста и хлорофилл-образования обусловлена генетическими особенностями или экзогенными гормональными воздействиями, показана тесная взаимосвязь скорости роста и накопления хлорофилла а. Полученные данные имеют существенное значение для понимания соотношения процессов формирования фотосинтетического аппарата и роста растений и координирующей роли регуляторных систем в реализации программы развития растительных организмов.

SUMMARY

Kalituho Liudmila Nikolaevna

Relation of processes of photosynthetic apparatus formation and growth on early stages of

plant development

Key words: chlorophyll, photosynthetic apparatus, phytohormones, growth intensity, triticale, flax, photochrome, seedling, coleoptile.

The goal of the work was to elucidate the relations between the processes of photosynthetic apparatus formation and plant growth. The work was carried out by absorbance and fluorescence spectroscopy [Shlyk, 1968-71], immunochemical [Weiler, 1981-86, Kudoiarova et. al, 1986-89, Savchenko et. al, 1994], biochemical [Gavrilenko et. al, 1975} methods. Growth characters were analysed according to [Bidl, 1989], statistic analysis was made according to [Rokitsky, 1971]. Model objects having growth and photosynthesis differences have been used. This differences were caused genetically or provoked by exogenous influences.

Some differences in growth rate, photosensivity, endogenous hormonal balance, formation and activity of photosynthetic apparatus have been found for green, etiolated and postetiolated triticale seedlings having genetic distinctions on morphotype. The stages was picked out when the differences were the most well-defined. Positive relation between endogenous cytokinin content and level of apoproteins of photosystem I reaction centre has been shown. Different ways for realization of phytochrome effects in process of photosynthetic apparatus formation have been elucidated for triticale seedlings treated with gibberellic acid and epibrassinolide. Relation between growth rate and chlorophyll a accumulation has been demonstrated using the model objects with different growth reactions. Received data are essential for understanding of relations between photosynthetic apparatus formation and plant growth and regulation of this processes via activity of the main regulatory systems.

Калитухо Людмила Николаевна

Взаимосвязь формирования фотосинтетнческого аппарата и роста на ранних этапах развития растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано к печати 2.0.08.1997

Формат 60X84 1/16. Усл.печл. 1,31

Усл. кр.-отт. 1,51. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ

Институт физики им. Б.И.СтепановаНАНБ 220072, Минск, пр.Скорины,68 Отпечатано на ризографе ИФ НАНБ Лицензия ЛВ 685 от23.12.93г.