ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2009, том 56, № 2, с. 241-246
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
ЭНДОГЕННЫЕ АУКСИНЫ И ВЕТВЛЕНИЕ КОРНЕЙ ПРИ ИЗОЛИРОВАННОМ ПИТАНИИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ
© 2009 г. И. И. Иванов
Институт биологии Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа
Поступила в редакцию 06.11.2007 г.
При изолированном питании в водной культуре неравномерность распределения элементов питания в среде сказывалась на содержании ауксинов в корнях пшеницы (Triticum durum Desf.). Содержание ИУК в корнях, контактировавших с раствором солей более высокой концентрации, по сравнению с корнями, функционировавшими в разбавленном питательном растворе, значительно повышалось уже через сутки выращивания проростков на питательной среде с неравномерным распределением ионов. На вторые сутки оно достигало максимума и стабилизировалось на более высоком уровне. Эти корни лидировали также по числу сформировавшихся зачатков боковых корней, максимальные различия по этому показателю наблюдались спустя 1-2 дня после повышения уровня ауксинов в корнях. Появление большего числа боковых корней на материнских корнях, контактировавших с более концентрированным питательным раствором, отмечали спустя еще 1 день. Таким образом, повышение концентрации питательного раствора лишь для части корневой системы приводило к возрастанию содержания ИУК в этих корнях, что предшествовало их усиленному ветвлению. Такая гормональная реакция растений может играть важную роль в изменении скорости роста и ветвления корней, в конечном счете, улучшая питание растения.
Ключевые слова: Triticum durum - ИУК - корень - развитие - ветвление - изолированное питание
ВВЕДЕНИЕ
Регуляция ветвления корней является важным адаптивным механизмом, обеспечивающим приспособление растений к среде обитания корней. Корневая система растений в естественных сообществах и агроценозах функционирует в условиях неравномерности распределения ионов и воды в почве. Концентрация и распределение ионов в питательной среде влияет на скорость роста и ветвление корней [1]. Пластичность корневой системы позволяет корням использовать содержащиеся в почве элементы минерального питания с максимальной эффективностью. Так, хорошо известна способность корней разрастаться в очаге с повышенным содержанием элементов питания [2, 3]. В лабораторных условиях удавалось в какой-то мере воспроизвести эту реакцию, когда питанием обеспечивалась лишь часть корневой системы растения [4], что позволяет изучать механизмы, участвующие в регуляции ветвления.
Фитогормоны являются одним из важных эндогенных факторов, от которых зависит рост рас-
Сокращения: ВК - корни на среде Хогланда-Арнона (I) повышенной концентрации; НК - корни на среде пониженной концентрации; ИФА - иммуноферментный анализ; ФТ -физиологический раствор с Твин-20; ФТБ - физиологический раствор с Твин-20 и белком.
Адрес для корреспонденции: Иванов Игорь Игоревич. 450054 Уфа, проспект Октября, 69. Институт биологии УНЦ РАН. Факс: 007 (347) 235-62-47; электронная почта: i_ivanov@anrb.ru
тений [5]. В то же время, гормональной регуляции роста корней уделялось меньше внимания, чем росту побега. Еще в 1976 г. Torrey [6] отмечал недостаточный интерес исследователей к изучению роста корней, сетуя, что мы забываем о том, чего не видим ("out of sight - out of mind"). Это высказывание остается справедливым до настоящего времени. Предпочтение к изучению роста побега связано не только с тем, что корни "спрятаны" от наших глаз в почве, а и с тем, что их трудно извлечь оттуда для изучения. Поэтому весьма важной задачей является подбор таких условий выращивания растений в гидропонной культуре, которые позволили бы адекватно воспроизвести ростовую реакцию корней и выявить ответственные за нее эндогенные факторы.
Несмотря на сложности изучения роста корней, накоплены сведения об участии гормонов в этом процессе. Особая роль отводится ауксинам, которые играют важную роль в регуляции как корнеобразования [7], так и роста корней в длину [8] и в стимуляции их ветвления [9, 10]. Предполагается, что ауксины участвуют в ростовой реакции корней на уровень и распределение ионов в почве. Вместе с тем, необходимо отметить, что в литературе крайне мало сведений о влиянии уровня и распределения ионов на содержание эндогенных ауксинов в корнях. Представления о значении ауксинов в ростовой реакции, обеспечивающей адаптацию к уровню и распределению ионов
в окружающей среде, базируются, главным образом, на косвенных данных: реакции растений на экзогенные ауксины и особенностях роста корней у мутантных растений, потерявших чувствительность к ауксинам. Так, характерная ростовая реакция корней на дефицит фосфора у ауксино-вого мутанта и его исходной формы резко различалась [11], у мутантов также отсутствовала характерная реакция на неравномерность в распределении нитратов [12]. Хотя эти косвенные подходы указывают на участие ауксинов в ростовой реакции корней на уровень и распределение ионов в почве, необходимо изучать влияние этих факторов на содержание эндогенной ИУК для того, чтобы выявить действительное значение ауксинов в регуляции роста корней. Между тем, таких данных в литературе крайне мало. Было показано влияние аммонийной и нитратной форм азота [13] и дефицита фосфора [14] на содержание ауксинов в корнях. Кроме того, обнаружили, что стимуляция роста боковых корней при резком изменении содержания нитратов в среде сопровождается накоплением в них ИУК [15]. Вместе с тем, в литературе нет сведений о влиянии неравномерного распределения элементов минерального питания в среде на содержание эндогенных ауксинов в корневой системе. Ранее мы выявили различия в содержании цитокининов и АБК в корневых прядях, помещенных в питательные растворы разной концентрации [3, 16]. Однако влияние неравномерного распределения ионов в среде на содержание в корнях ауксинов не изучалось.
В связи с вышеизложенным цель настоящей работы состояла в подборе условий для воспроизведения в гидропонной культуре ростовой реакции корней на неравномерность распределения ионов в почве, изучении влияния этих условий на содержание ИУК и попытке, путем сопоставления гормональной и ростовой реакций растений, выявить участие ауксинов в регуляции ростового ответа корней.
МЕТОДИКА
Объектом исследования были проростки твердой пшеницы (Triticum durum Desf.) сорта Бе-зенчукская 139, который был отобран в качестве наиболее подходящей модели из ряда сортов мягкой (T. aestivum L.) и твердой (T. durum Desf.) пшениц с различной отзывчивостью на локальное размещение удобрения в почве [17].
Семена проращивали на плотиках на дистиллированной воде. Для изолированного питания использовали блоки из двух сосудов емкостью 450 мл каждый с питательной средой Хогланда-Арнона (I) различной концентрации с добавлением одного и того же количества микроэлементов. Пятидневные проростки с пятью развитыми зародышевыми корнями рассаживали на стыки со-
судов наподобие наездников (в англоязычной литературе - "fence-sitters") так, чтобы два зародышевых корня находились в сосуде с питательным раствором повышенной концентрации (ВК, 500% питательной смеси Хогланда-Арнона), а три других - в растворе пониженной концентрации (НК, 1% питательной смеси Хогланда-Арнона). Для закрепления проростков использовали пластиковые трубочки с прорезями. Растения выращивали при 14-часовом освещении (16 клк). В дневные часы температура воздуха поддерживалась на уровне 22-24°С, в ночные - 16-18°С. Смену питательного раствора не проводили. Потребление воды растениями компенсировали ежедневным добавлением ее до начального объема.
Корни фиксировали по Кларку в смеси этилового спирта с ледяной уксусной кислотой (3 : 1), а затем окрашивали ацетокармином для подсчета числа боковых корней и их зачатков [10]. Боковыми корнями считали бугорки, полностью прорвавшие кору материнского корня.
Выделение и количественное определение содержания ИУК проводили, как описано Весело-вым [18].
Навески корней гомогенизировали, экстрагировали 80% этанолом, фильтровали, и упаривали этанол в токе воздуха до водного остатка, который подкисляли 1 N HCl и дважды экстрагировали серным эфиром. Затем гормон реэкстрагиро-вали в 1% раствор соды и снова повторяли процедуру двойной эфирной экстракции. Экстракционное фракционирование проводили с уменьшением объема фракций, после чего полученный эфирный экстракт метилировали диазометаном. После метилирования упаривали эфир досуха, и хранили образцы в холодильнике. Перед иммуноферментным анализом (ИФА) сухой образец растворяли в аликвоте 80% этанола.
Иммуноферментный анализ. Разбавленный конъюгат гормона с белком в фосфатном буфере, рН 7.4, разливали в лунки планшета по 200 мкл и инкубировали при 37°С 1.5-2 ч или ночь в холодильнике при 4°С. После трехкратной промывки планшета физиологическим раствором с 0.5% Твин-20 (ФТ, pH 7.0) готовили разведения стандартов гормона и разливали образцы. Для этого в лунки вносили по 100 мкл ФТ, содержавшего белок (ФТБ), и затем добавляли по 10 мкл спиртового раствора образца или, для калибровки, по 10 мкл десятичных разведений раствора стандарта ИУК ("Sigma", США). Затем во все лунки разливали по 100 мкл разбавленной в ФТБ сыворотки к определяемому гормону и инкубировали 60 мин при 37°С.
После трехкратной промывки планшета раствором ФТ во все лунки разливали по 200 мкл разбавленного в ФТБ конъюгата пероксидазы и выдерживали их 45-60 мин при 37°С. Снова трое-
ДО
■Б 8
к «
К 6
о к к
л
^ 4 & 4
о и о о
0 12 3 4
Время действия
изолированного питания, сутки
25 г
20 -
к 15
е р
о
ек
к ч о м
е е
н
д
е р
О
Э10
5
0 12 3 4 Время действия изолированного питания, сутки
е
е2
0
0
5
5
Рис. 1. Содержание ИУК в корнях пшеницы при выращивании в условиях изолированного питания.
1 - ВК; 2 - НК. ВК/НК = 500 : 1, % от стандартной концентрации среды Хогланда-Арнона (I).
Рис. 2. Число зачатков боковых корней в корнях пшеницы при выращивании в условиях изолированного питания. 1 - ВК; 2 - НК.
кратно промывали планшет раствором ФТ, и в каждую лунку разливали по 200 мкл фосфатного буфера, рН 5.8, содержав
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.