ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 130-133
УДК 581.1
УСТОЙЧИВОСТЬ К АНОКСИИ МУТАНТОВ РИСА, ЛИШЕННЫХ КОРНЕВЫХ ВОЛОСКОВ
© 2004 г. X. Като-Ногучи, Р. Сасаки, М. Ичии
Кафедра биохимии и питания, факультет сельского хозяйства, Университет Кагавы,
Микки, Кагава, 761-0795 Япония
Поступила в редакцию 28.10.2002 г.
Устойчивость к аноксии проростков риса (Oryza sativa L.) была исследована иа корнях растений дикого типа и лишенных корневых волосков корнях мутанта RH2. Аноксия подавляла рост корней как проростков дикого типа, так и RH2 мутанта, но при этом слабее влияла на корни мутанта. Аноксия активировала алкогольдегидрогеназу в корнях растений дикого типа и мутанта RH2, но индукция была выражена сильнее в мутанте. Эти данные свидетельствуют о большей устойчивости мутанта к аноксии и об отрицательном влиянии корневых волосков на устойчивость к аноксии корней риса.
Oryza sativa - аноксия - алкоголъдегидрогеназа - мутант - устойчивость - корневой волосок
Семена риса могут прорастать, а колеоптили удлиняться при крайне низкой концентрации кислорода и даже под вакуумом [1-3]. Проростки риса выживают в течение 21 сут в атмосфере азота, причем в колеоптилях происходят метаболические процессы, в частности синтез РНК и белка [4, 5]. Такая устойчивость колеоптилей риса связана с их способностью мобилизовать крахмал эндосперма даже при аноксии и поддерживать активный гликолиз, обеспечивающий синтез АТФ [1, 6-8].
С другой стороны, аноксия подавляет рост корней риса, то есть, корни реагируют на анок-сию иначе, чем колеоптили [9, 10]. Однако биохимия устойчивости корней риса к аноксии плохо изучена.
Корневые волоски играют важную роль в поглощении минеральных веществ и воды благодаря большой поверхности для адсорбции [11, 12], но их функциональная роль изучена пока не полностью. В настоящей работе исследована значимость корневых волосков для устойчивости к аноксии проростков риса путем сравнения растений дикого типа и ЯИ2 мутанта, лишенного корневых волосков. Мы измеряли рост корней и колеоптилей этих пророст-
Сокращение: АДГ - алкоголъдегидрогеназа. Адрес для корреспонденции: Kato-Noguchi H. Department of Biochemistry and Food Science, Faculty of Agriculture, Kagawa University, Miki, Kagawa, 761-0795 Japan. Fax: +81-87-891-3086; e-mail: hisashi@ag.kagawa-u.ac.jp.
ков и активность алкогольдегидрогеназы (АДГ) в них.
МЕТОДИКА
Растительный материал. Семена риса (Oryza sativa L., сорт Оочикара) были подвергнуты мутагенезу 10-3 М азидом натрия в течение 6 сут при 20°С, после чего лишенный корневых волосков RH2 мутант был отобран из 60000 М2 проростков [13, 14].
Семена риса дикого типа и RH2 мутанта стерилизовали 25 мМ гипохлоритом в течение 15 мин и промывали 4 раза дистиллированной водой. Затем их проращивали в термостатированной камере на двух слоях увлажненной фильтровальной бумаги (№ 1, "Toyo Ltd", Япония) в темноте при 25°С. Через 3 сут одинаковые проростки переносили группами по 10 штук в 9-сантиметровые чашки Петри, выстланные двумя слоями фильтровальной бумаги, смоченной 10 мл дистиллированной воды, и оставляли в тех же условиях еще на один день.
Изучение влияния аноксии. Чашки Петри помещали в 5-литровые сосуды, через которые можно было продувать газ, и ставили эти сосуды в камеру с температурой 25°С [15]. В течение 48 ч через сосуды непрерывно продували азот со скоростью 200 мл/мин. Через сосуды с контрольными растениями с той же скоростью продували воздух.
дт
ЯИ2
100
80
60
«
ч
о &
н к о м н о
о к к о к к ч и ^ 20
40
Рис. 1. Микрофотографии корней проростков риса дикого типа (ДТ) и мутанта ЯЫ2.
Длину первичных корней измеряли линейкой до и после 48 ч аноксии.
Определение активности АДГ. Первичные корни и колеоптили проростков риса собирали, немедленно замораживали в жидком азоте и хранили при -80°С вплоть до экстракции. Замороженный материал растирали в ступке с жидким азотом. Полученный порошок растирали при температуре льда с 5 объемами раствора, содержащего 100 мМ Трис-НС1, рН 8.0, 10 мМ Ш-ас-корбата, 10 мМ дитиотрейтола, 50 мМ бычьего сывороточного альбумина и 5% глицерина. Гомо-генат центрифугировали при 30 000 g в течение 30 мин. Супернатант немедленно использовали для спектрофотометрического определения активности АДГ по окислению НАД-Н (поглощение при 340 нм) так, как описано Kato-Noguchi [16].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены микрофотографии корней у растений дикого типа и лишенного корневых волосков мутанта ЯИ2. Корни растений дикого типа имели много тонких корневых волосков, а корни мутанта были лишены их. При аэробных условиях средняя длина корня у 6-дневного проростка дикого типа была равна 49.1 ± 4.7 мм, а у мутанта -17.6 ± 1.7 мм (средние величины из трех независимых опытов, проведенных с 10 проростками каждый, и их стандартные ошибки). Размеры колеоп-тиля обычного проростка и ЯИ2 мутанта были равны соответственно 25.4 ± 2.8 и 23.4 ± 2.5 мм. Таким образом, проростки дикого типа и ЯИ2 мутанта имели колеоптили одинаковой длины, но длина первичного корня у мутанта составляла только 36% от длины корня проростков дикого типа. В то же время не было заметной разницы в
Колеоптиль
Корень
Рис. 2. Влияние аноксии на удлинение колеоптилей и корней проростков риса дикого типа (1) и ЯИ2 мутанта (2).
Проростки риса в возрасте 4 сут подвергали аноксии в течение 48 ч. Контрольные проростки оставались 48 ч на воздухе. Удлинение колеоптилей и корней при аноксии выражали в процентах от удлинения контрольных колеоптилей и корней. Представлены средние значения из трех независимых опытов (10 растений в каждом) и их стандартные ошибки.
числе клеток эпидермиса в корнях проростков дикого типа и ЯИ2 мутанта [13, 14]. Также известно, что отсутствие корневых волосков на корнях ЯИ2 мутанта наследуется как один рецессивный ген [13, 14].
Четырехдневные проростки риса дикого типа и ЯИ2 мутанта подвергали аноксии в течение 48 ч и определяли влияние стресса на прирост корней и колеоптилей (рис. 2). Удлинение колеоптилей обычных и мутантных проростков составляло 76 и 73% от контроля, соответственно, а удлинение корней составляло 20 и 43% от контроля. Это говорит о том, что рост колеоптилей проростков дикого типа и ЯИ2 мутанта был в равной степени устойчив к аноксии, в то время как рост корней был более устойчив у мутанта, чем у проростков дикого типа.
Аноксия индуцировала активность АДГ в ко-леоптилях и корнях проростков дикого типа и ЯИ2 мутанта (рис. 3). Активность АДГ в колеоп-тилях проростков дикого типа и ЯИ2 мутанта увеличивалась, соответственно, в 17 и 16 раз, тогда как в корнях проростков - в 7 и 14 раз. Таким образом, в колеоптилях проростков дикого типа и ЯИ2 мутанта активность АДГ возрастала в равной степени, в то время как в корнях мутанта она возрастала вдвое сильнее.
Недостаток кислорода индуцирует активность АДГ, фермента спиртового брожения, у многих
1
2
0
132
КАТО-НОГУЧИ и др.
л о о я
(н 20
о &
ч о
~ 10
I
н <
л н о о к я н н
S 0
<
дт
RH2
дт
RH2
Рис. 3. Влияние аноксии на активность АДГ в проростках риса дикого типа и ЯИ2 мутанта.
Проростки риса в возрасте 4 сут подвергали аноксии в течение 48 ч. Контрольные проростки оставались 48 ч на воздухе. Представлены средние значения из трех независимых опытов, проведенных в 4 аналитических повторностях, и их стандартные ошибки. 1 - контрольные проростки; 2 - проростки, подвергнутые аноксии. ДТ - дикий тип; ЯИ2 -мутант, лишенный корневых волосков.
растений [17-20]. Исследования нулевых мутаций по АДГ у разных растений, в том числе у риса, демонстрирует важность этого фермента в развитии устойчивости к недостатку кислорода [21-23]. Индукция АДГ позволяет гликолизу осуществляться длительное время, благодаря потреблению пиру-вата и образованию НАД+ в условиях, когда доступ кислорода ограничен и гликолиз заменяет цикл Кребса как главный источник АТФ [17-20]. Для нескольких сортов риса было показано, что скорость роста проростков при аноксии коррелировала с активностью спиртового брожения [24, 25]. Таким образом, индукция АДГ может быть важна для прорастания риса и роста его проростков при аноксии.
Корневой волосок - это длинный узкий цилиндрический вырост одной клетки эпидермиса, для которого характерен концевой рост. Корневые волоски обеспечивают контакт корня и ризосферы [26-27]. Они увеличивают всасывающую поверхность корня, и их изучают главным образом с точки зрения физиологических свойств их плаз-малеммы в связи с поглощением воды и ионов [11, 12, 27, 28]. У лишенных корневых волосков мутантов АгаЫйор51& была обнаружена большая скорость поглощения кислорода корнями, чем у растений дикого типа [12]. Однако неизвестно, участвуют ли корневые волоски в развитии устойчивости корней растений к аноксии.
Полученные нами результаты показали, что при аноксии активность АДГ была выше в лишенных корневых волосков корнях мутанта риса ЯИ2, чем в корнях растений дикого типа (рис. 3).
Соответственно, устойчивость корней мутанта к аноксии также была выше (рис. 2). На основании этих данных можно предположить, что корневые волоски отрицательно влияют на устойчивость к аноксии корней риса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Perata P., Guglielminetti L, Alpi A. Mobilization of Endosperm Reserves in Cereal Seeds under Anoxia // Ann. Bot. 1997. V. 79 (Suppl.). P. 49-56.
2. Setter T.L., Ellis M, Laureles E.V., Ella E.S., Sena-dhira D, Mishra SB, Sarkarung S, Datta S. Physiology and Genetics of Submergence Tolerance in Rice // Ann. Bot. 1997. V. 79 (Suppl.). P. 67-77.
3. Vartapetian B.B., Jackson MB. Plant Adaptations to Anaerobic Stress // Ann. Bot. 1977. V. 79 (Suppl.). P. 320.
4. Mujer C.V., Rumpho ME, Lin J.-J, Kennedy R.A. Constitutive and Inducible Aerobic and Anaerobic Stress Proteins in the Echinochloa Complex and Rice // Plant Physiol. 1993. V. 101. P. 217-226.
5. Ricard B, Rivoal J., Spiteri A., Pradet A. Anaerobic Stress Induces the Transcription and Translation of Sucrose Synthase in Rice // Plant Physiol. 1991. V. 95. P. 669-674.
6. Guglielminetti L, Perata P., Alpi A. Effect of Anoxia on Carbohydrate Metabolism in Ric
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.