ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2010, том 57, № 3, с. 361-375
== ОБЗОРЫ
УДК 581.1
ИНТРУЗИВНЫЙ РОСТ ВОЛОКОН СКЛЕРЕНХИМЫ1
© 2010 г. А. В. Снегирева*, М. В. Агеева*, С. И. Аменицкий*, Т. Е. Чернова*,
М. Эбскамп**, Т. А. Горшкова*
*Учреждение Российской академии наук Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, Казань **Plant Research International WUR, Wageningen, The Netherlands Поступила в редакцию 31.07.2009 г.
Интрузивный рост — тип удлинения клетки, при котором скорость ее растяжения выше, чем у сопредельных тканей, между которыми интрузивно растущая клетка внедряется по срединным пластинкам. В обзоре рассматривается классический пример интрузивного роста — удлинение волокон склеренхимы, за счет которого эти клетки достигают длины в несколько сантиметров. Обобщены результаты исследований интрузивного роста растительных волокон, а также приведены некоторые характеристики интрузивного роста, полученные авторами на примере волокон льна-долгунца (Li-num usitatissimum L.) и конопли (Cannabis sativa L.). Рассмотрены следующие характеристики интрузивного роста: скорость и продолжительность, соотношение с ростом сопредельных тканей, тип удлинения клетки, особенности структуры первичной клеточной стенки волокон, многоядерность волокон, а также регуляция интрузивного роста. Выявлены гены, резко снижающие экспрессию при остановке интрузивного роста. Приводятся аргументы в пользу обособленности у флоэмных волокон стадий удлинения и формирования вторичной клеточной стенки, а также данные, свидетельствующие о диффузном типе растяжения клетки в ходе интрузивного роста.
Ключевые слова: Cannabis sativa — Linum usitatissimum — волокна склеренхимы — интрузивный рост — симпластический рост — диффузный рост — многоядерность — иммуноцитохимия
ВВЕДЕНИЕ
Изучение механизмов роста клеток является одной из фундаментальных проблем биологии растений. Волокна принадлежат к числу самых длинных клеток растений, длина зрелых волокон достигает сотен миллиметров, что делает их интересными моделями для изучения роста растяжением. Повышает этот интерес то, что для волокон характерен особый тип роста — интрузивный, за счет которого во многом и достигается исключительная длина этих клеток [1, 2].
Интрузивный рост — один из трех типов роста клетки, которые различают по характеру взаиморасположения растущих клеток и согласованности их растяжения; при этом выделяют симпластиче-ский, протрузивный и интрузивный рост. При симластическом типе роста площадь поверхности клеточной стенки увеличивается у соседних клеток с одинаковой скоростью; размер клеток может отличаться лишь за счет частоты делений и време-
1 Материал был доложен на Международном симпозиуме "Plant Fibers: View of Fundamental Biology", Казань, 28—31 мая 2009 г
Адрес для корреспонденции: Снегирева Анастасия Вячеславовна. 420111 Казань, ул. Лобачевского, 2/31, а/я 30. Казанский институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН. Факс: (843) 292-73-47; электронная почта: snegirevan@inbox.ru
ни их прекращения. Контакты между клетками по срединной пластинке не нарушаются. Этот тип роста характерен для большинства клеток в меристеме и зоне растяжения [1—3]. Протрузивный рост — формирование выростов, при котором увеличение площади поверхности клеточной стенки у растущей клетки не затрагивает соседние клетки [4]; характерен для клеток эпидермы. Путем протрузив-ного роста образуются трихомы, такие как корневые волоски, волоски семян, например, у хлопчатника (Ооззуршш sp.), и волоски, создающие опушенность стеблей и листьев.
Интрузивный рост — тип удлинения клетки, при котором скорость ее растяжения выше, чем у сопредельных тканей; при этом клетка внедряется между окружающими ее клетками, прорастая внутри тканей по срединным пластинкам [1—3, 5]. Примерами интрузивного роста у растений служат удлинение волокон, рост веретеновидных инициалей камбия, рост млечников, рост пыльцевой трубки в столбике, при этом классическим примером считаются именно волокна, которые достигают нескольких сантиметров в длину, прорастая между стенками тысяч клеток.
Интрузивный рост — один из трех типов роста клеток растений и одна из ключевых стадий биогенеза волокон, однако охарактеризован он край-
Таблица 1. Количество флоэмных волокон на поперечных срезах стебля льна
Расстояние от апекса, см Количество флоэмных волокон на поперечном срезе
0.3-0.5 40-90
1.5-2.0 500-600
15-20 700-800
20-40 700-800
не слабо. Это во многом объясняется тем, что непосредственное наблюдение интрузивного роста затруднено, а выделение растущих интрузивно клеток в количествах, достаточных для биохимических и молекулярно-биологических анализов, практически невозможно. Причин для этого несколько. Во-первых, интрузивный рост осуществляется клетками, находящимися в толще других тканей. Во-вторых, данные клетки имеют коэффициент прозенхимности (соотношение между длиной и шириной) более 1000 и тонкую клеточную стенку, что делает их чрезвычайно легко повреждаемыми. В-третьих, интрузивный рост не удается воспроизвести in vitro.
Сложности в изучении интрузивного роста волокон приводят к необходимости применения нетривиальных подходов даже для получения базовых характеристик, таких как локализация в стебле, скорость и продолжительность роста, соотношение с ростом сопредельных тканей, тип удлинения клетки и т.д. Большинство имеющихся данных получено на фиксированных препаратах методами микроскопии; в последние годы найдены подходы, позволяющие подключить к анализу методы молекулярной генетики и биохимии.
В обзоре обобщены имеющиеся результаты исследования интрузивного роста растительных волокон, а также приведены некоторые характеристики интрузивного роста, полученные авторами на примере волокон льна-долгунца (Linum usi-tatissimum L.) и конопли (Cannabis sativa L.)
ДОКАЗАТЕЛЬСТВА НАЛИЧИЯ ИНТРУЗИВНОГО РОСТА ВОЛОКОН
Вопрос о наличии интрузивного роста в развитии волокон долгое время дискутировался, хотя аргументы, свидетельствующие о присутствии этой стадии достаточно очевидны. Доказательством наличия интрузивного роста первичных волокон, инициирующихся из прокамбия вблизи апикальных меристем, является увеличение их числа на поперечном срезе органа в ходе развития растений [6, 7]. Рассмотрим это положение на примере первичных флоэмных волокон льна (рис. 1). Эти клетки, образующиеся из прокамбия [1, 2], хорошо идентифицируются на срезах стеб-
ля льна на расстоянии примерно 0.3—0.5 мм от апекса. В этой области волокна растут симпла-стически с клетками окружающих тканей (рис. 1б). При увеличении расстояния от апекса число первичных флоэмных волокон на поперечных срезах стебля льна возрастает от нескольких десятков (в апикальной части) до многих сотен (табл. 1). Флоэмные волокна льна являются первичными флоэмными волокнами, поэтому число этих клеток на поперечном срезе стебля не может увеличиваться за счет деятельности камбия, а является результатом интрузивного роста. Иллюстрация того, что интрузивное удлинение приводит к увеличению числа волокон на поперечном срезе, приведена на рис. 1в. Если внутри отрезка стебля возрастает длина индивидуальных волокон, то на поперечном срезе их число увеличивается, хотя общее число этих клеток в анализируемом отрезке стебля останется прежним.
Для вторичных волокон, которые образуются из камбия в ходе утолщения органа, аргументом в пользу существования интрузивного роста служит превышение длины волокна над длиной камбиальной инициали [1, 8]. Так, максимальная длина веретеновидной инициали камбия конского каштана (Aesculus hippocastanum L.) — 329 мкм, тогда как ее производные — волокна либриформа, могут достигать длины 517 мкм [9]. У разных видов древесных растений волокна вторичной ксилемы увеличиваются до 150—400% от длины камбиальных инициалей [10]. У вторичных флоэм-ных волокон процесс еще более выражен. Вторичные флоэмные волокна стебля конопли достигают длины до нескольких миллиметров, тогда как длина веретеновидных камбиальных инициалей, по нашим данным, составляет 120 ± 12 мкм (n = 8). Вторичные волокна формируются в участке стебля, прекратившем свой рост в длину, и, следовательно, их удлинение может происходить только интрузивно.
ИНИЦИАЦИЯ ИНТРУЗИВНОГО РОСТА
Выявление начала интрузивного роста волокон основывается на том, что для внедрения волокна между другими клетками при интрузивном росте необходима трансформация "тупых" концов, характерных для волокон на ранних стадиях формирования (рис. 1б), в заостренные. Такая трансформация должна сопровождаться появлением характерного "колена" (рис. 1в). Образование "колена" при инициации интрузивного роста было обнаружено, например, на продольных срезах развивающейся древесины [9, 11], а также в апикальной части стебля льна; оно хорошо заметно и после ферментативного выделения индивидуального волокна [12]. "Колена" образуются на обоих концах клетки, свидетельствуя о том, что волокно в стебле удлиняется и в верхнем, и в ниж-
Рис. 1. Некоторые характеристики интрузивного роста первичных флоэмных волокон в стебле льна. а — растение льна в период быстрого роста; указано расположение волокон, находящихся на разных стадиях развития; интрузивный рост может продолжаться до "точки слома" [7, 12]; б — схема продольного среза апикальной части стебля, иллюстрирующая инициацию интрузивного роста волокон, с указанием стадий симпластического и интрузивного роста; в — схема увеличения числа волокон на поперечных срезах стебля за счет интрузивного роста; возрастание длины индивидуальных волокон (при сохранении их общего числа внутри отрезка стебля) приводит к увеличению числа волокон на поперечном срезе (указано цифрами).
нем направлении. В ходе дальнейшего развития волокон "колено" исчезает.
Используя формирование "колен" на концах волокон как маркерный признак начала интрузивного роста, установлено, что интрузивный рост волокон начинается раньше, чем заканчивается симпластический рост окружающих тканей. Так, в стебле льна формирование таких "колен" у первичных флоэмных волокон наблюдается на расстоянии 1—2 мм от апекса стебля (рис. 1), в то время как
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.