ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 4, с. 541-548
УДК 581.1:581.557
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В АПОГЕОТРОПНЫХ КОРНЯХ САГОВНИКОВЫХ РАСТЕНИЙ
© 2004 г. Е. С. Лобакова, Г. А. Дубравина*, Н. В. Загоскина*
Кафедра физиологии микроорганизмов биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва * Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 11.03.2003 г.
Исследовали особенности образования и локализации фенольных соединений в апогеотропных корнях (кораллоидах) 6 видов саговниковых растений, относящихся к родам Cycas, Encephalartos и Ceratozamia. Содержание суммы растворимых фенольных соединений в кораллоидах всех изученных видов отличались незначительно. Исключением являлся вид Ceratozamia mexicana, у которого способность к накоплению фенольных соединений была втрое выше. Соединения фенольной природы накапливались в клеточных стенках кортикальной паренхимы кораллоидов, в межклетниках и в специализированных клетках-вместилищах, обнаруживаемых во всех зонах апогеотропных корней. Наибольшее число клеток-вместилищ с фенольными соединениями было выявлено в кортикальной паренхиме центральной части кораллоидов, прилегающей к зоне локализации активных симбиотических цианобактерий, а также в базальной части кораллоидов, где отсутствуют жизнеспособные формы цианобионтов. Высказано предположение, что фенольные соединения влияют на формирование симбиоза цианобактерий с апогеотропными корнями саговниковых растений и процессы их жизнедеятельности.
Cycadaceae - кораллоидные корни - симбиоз - цианобактерии - фенольные соединения - локализация
Саговниковые растения, входящие в состав порядка Cycadales класса Cycadopsida, включают в себя около 150 тропических и субтропических видов, произрастающих в полупустынях, саваннах и на приокеанических территориях [1]. Их характерной особенностью является формирование специализированных ветвящихся структур, так называемых апогеотропных корней (кораллоидов). Последние служат местом обитания и жизнедеятельности микросимбионтов - цианобактерий и бактерий [2-4]. Бактерии располагаются на поверхности апогеотропных корней и в верхних слоях перидермы, а цианобактерии, являющиеся доминантным микросимбионтом, - между клетками кортикальной паренхимы в виде слизистого кольца толщиной 1-3 мм [3].
Механизмы, обуславливающие проникновение и, главное, последующую жизнедеятельность микросимбионтов в апогеотропных корнях саговниковых растений, изучены недостаточно [4]. В то же время в литературе сообщалось о наличии
Адрес для корреспонденции: Лобакова Елена Сергеевна. 119899 Москва, Воробьевы горы. Московский государственный университет, биологический факультет, кафедра физиологии микроорганизмов. Факс: 007 (095) 939-43-09; электронная почта: lobakova@mtu-net.ru
фенольных соединений в клетках апогеотропных корней, окружающих зону локализации симбиотических бактерий [5].
Фенольные соединения являются одними из наиболее распространенных в растениях представителей вторичного метаболизма [6, 7]. Во многих случаях именно они защищают растения от действия патогенных микроорганизмов [7, с. 205], а также обуславливают устойчивость растений к действию биотических и абиотических факторов [8, 9]. Фенольным соединениям отводится и роль сигнальных молекул при формировании бобово-ризобиального симбиоза и арбускулярно-везику-лярных микориз [10].
В связи с вышеизложенным целью нашей работы явилось изучение особенностей образования и локализации фенольных соединений в апогеотропных корнях нескольких видов саговниковых растений, отличающихся степенью инфицирования микросимбионтами.
МЕТОДИКА
Объектами исследования служили апогеотроп-ные корни (кораллоиды) шести видов саговниковых растений, относящихся к родам Cycas (C. revoluta Thumb., C. circinalis L.), Encephalartos (E. horridus
Lehm., E. villosus Lem., E. ferox) и Ceratozamia (C. mexicana Brougn.). Возраст растений E. ferox -30; C. mexicana и E. horridus - 50; C. revoluta и E. vil-lisus - 30 и 50; C. circinalis - 30 и 200 лет. Растения росли в кадках в условиях оранжереи Отдела тропической и субтропической флоры Главного ботанического сада РАН им. Н Н. Цицина.
Для анализа фенольных соединений использовали верхние части кораллоидов (не более 1.5 см от апекса корня), включающие апикальную и центральную зоны. Материал экстрагировали горячим 96%-ным этанолом. В этанольных экстрактах определяли содержание суммы растворимых фенольных соединений спектрофотометри-ческим методом (поглощение при 725 нм) с реактивом Фолина-Дениса [11]. Калибровочную кривую строили по (-)-эпикатехину.
Для исследования качественного состава фенольных соединений этанольные экстракты тканей упаривали досуха. Остаток растворяли в небольшом объеме этанола и использовали его для хроматографии в тонком слое целлюлозы [12, с. 65]. В качестве растворителя применяли смесь (н-)бутанол : уксусная кислота : вода (40 : 12 : 28). Предварительную идентификацию фенольных соединений проводили на основании специфической флуоресценции в УФ-свете, по значениям Щ сравнительно с Щ метчиков-стандартов и по качественным реакциям со специфическими реагентами: смесью хлорного железа и красной кровяной соли - на все классы фенольных соединений; ванилиновым реактивом - на флаваны (катехины и проантоцианидины); диазо-тированным (п-)нитроанилином (на фенилпропа-ноиды) и хлористым аллюминием - на флавоно-лы [12, 13].
Цитохимические исследования проводили на срезах (толщиной 10-30 мкм), полученных из различных зон (апикальной, базальной и зоны с активными цианобактериями) апогеотропных корней на микротоме-криостате (Россия). Локализацию растворимых фенольных соединений выявляли по реакции с хлорным железом, локализацию флаванов (катехинов и проантоцианидинов) - с ванилиновым реактивом [14]. Препараты просматривали и фотографировали с помощью микроскопа Ergavall ("Ziess", Германия) и Laborlux D ("Leitz", Германия).
Для электронно-микроскопического исследования образцы фиксировали 2%-ным глутаровым альдегидом на какодилатном буфере в течение 30 мин, обезвоживали в спиртах возрастающей концентрации, затем в абсолютном ацетоне, высушивали при критической точке, напыляли золотом и просматривали в сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-405 (Япония) при ускоряющем напряжении 75 кВ [15].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Определение суммарного содержания растворимых фенольных соединений в апогеотропных корнях показало, что изученные виды саговниковых растений незначительно отличались друг от друга по этому показателю (рис. 1). Только для вида C. mexicana было характерно существенное накопление фенольных соединений, которое превышало таковое у других видов в 3.5-8 раз. Представители родов Cycas и Encephalartos обладали более низкой и почти одинаковой способностью к образованию фенольных соединений. Исключением являлся вид C. circinalis, накапливающий наименьшее по сравнению с другими изученными видами количество этих веществ. Следует также отметить, что во всех случаях содержание фенольных соединений в апогеотропных корнях практически не зависело от возраста растений.
Исследование фенольного комплекса кораллоидов методом одномерной тонкослойной хроматографии показало присутствие в нем от 7 до 11 соединений в зависимости от вида растения. Во всех случаях были обнаружены катехины - (-)-эпикатехин и (+)-катехин, проантоцианидины, а также соединения фенилпропаноидной природы (и-)оксибензойная кислота, кофейная кислота и несколько производных фенолкарбоновых кислот, которые пока не идентифицированы (рис. 2). Некоторые различия в составе фенольного комплекса апогеотропных корней в основном были обусловлены видовыми особенностями растений, а не их способностью к синтезу фенольных соединений.
Поскольку в составе фенольного комплекса кораллоидов саговниковых растений присутствовали флаваны, то при проведении цитохимических исследований использовали как реакцию с хлорным железом (на растворимые фенольные соединения), так и реакцию с ванилиновым реактивом (на флаваны), которая обладает большой чувствительностью и широко используется при изучении их локализации [16].
Основными местами отложения фенольных соединений в кораллоидах саговниковых растений служили стенки клеток кортикальной паренхимы, межклетники и специализированные клетки-вместилища, которые по форме и размерам не отличались от окружающих их клеток паренхим-ного типа (рис. 3-6). На тангентальных срезах кораллоидов клетки-вместилища обычно были расположены в кортикальной паренхиме и центральном цилиндре, а их численность зависела от функциональной зоны апогеотропного корня и видовой принадлежности растения. Так, в кораллоидах представителей рода Cycas они, как правило, были распределены хаотично между клетками кортикальной паренхимы и перицикла (рис. 3). На радиальных срезах в апикальной и централь-
ной зонах корней их число было невелико и практически одинаково. В базальной же части клетки-вместилища с фенольными соединениями были расположены упорядоченно в кортикальной паренхиме и перицикле в виде колец - параллельно эндодерме и единично - в центральном цилиндре.
В кораллоидах E. villosus, E. horridus, E. ferox и C. mexicana локализация фенольных соединений была иной. Так, в апикальной части корней многие клетки содержали фенольные соединения, о чем свидетельствовало их слабо-розовое окрашивание ванилиновым реактивом, однако клетки-вместилища отсутствовали. В центральной зоне, зоне локализации активных цианобактерий, единичные клетки-вместилища с фенольными соединениями или их группы обнаруживались во внешнем и внутреннем слоях кортикальной паренхимы (рис. 36). Наибольшее их число было отмечено в клетках кортикальной паренхимы, прилегающей к месту локализации симбиотических цианобактерий. Кроме того, наблюдалось формирование пограничных слоев из клеток-вместилищ, ограничивающих вдоль внешней и внутренней сторон кольца зону симбиотических циано-
бактерий и клетки кортикальной паренхимы (рис. 4). Реакцию на флаваны давали также специализированные транспортные клетки
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.