АГРОХИМИЯ, 2012, № 5, с. 16-20
Регуляторы роста растений
УДК 631.811.982:631.547:582.683.2
ВЛИЯНИЕ ЭТИЛЕНА НА РОСТ ПОБЕГОВ И КОРНЕЙ, СООТНОШЕНИЕ ИХ БИОМАССЫ И СОДЕРЖАНИЕ ЦИТОКИНИНОВ В РАСТЕНИЯХ АРАБИДОПСИСА*
© 2012 г. А.Н. Васинская, А.В. Коробова
Институт биологии Уфимского научного центра РАН 450054 Уфа, просп. Октября, 69, Россия E-mail: muksin@mail.ru
Поступила в редакцию 27.10.2011 г.
Провели сравнительное изучение роста побега, корней и содержания эндогенных цитокининов у растений арабидопсиса дикого типа и мутантных растений (ETR-1), потерявших чувствительность к этилену. Потеря чувствительности растений к этилену приводила к ингибированию накопления биомассы корней и повышению содержания в них цитокининов по сравнению с растениями дикого типа. Сделан вывод о том, что этилен необходим для поддержания накопления массы корней, и это может быть связано с его способностью ограничивать накопление цитокининов в растениях. С другой стороны, влияние цитокининов на накопление биомассы корней, по-видимому, не связано с этиленовым сигналингом.
Ключевые слова: этилен, арабидопсис, рост, побеги, корни, биомасса, цитокинины.
ВВЕДЕНИЕ
Этилен, один из фитогормонов, играет важную роль в регуляции роста, развития и адаптации растений к условиям обитания [1-3]. Доступность этиленпродуцирующих препаратов (например, эт-рела, гидрела и т. д.), а также ингибиторов чувствительности к этилену (например, 1-метилцик-лопропена) позволяет воздействовать на жизненно важные функции растительного организма в нужном для человека направлении. Тем не менее потенциальные возможности, которые открывает способность этих соединений влиять на растения, значительно шире, чем область их реального применения на практике в настоящее время. Ограниченность их использования может быть связана с упрощенным представлением о механизме действия этилена на растения. Доминирует мнение о том, что этилен является ингибитором роста [4, 5]. Этот постулат не учитывает сведений о способности этилена стимулировать рост растений при некоторых воздействиях (например, затоплении и затенении) [6, 7]. Было показано, что стимулирующее действие 2,4-Д (2,4-дихлорфен-оксиуксусной кислоты) на растяжение отрезков
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 09-04-00942-а.
колеоптилей кукурузы опосредовано возрастанием продукции этилена [8]. По мнению некоторых исследователей, представление об этилене как ингибиторе роста базируется на экспериментах, в которых растения подвергали воздействию избыточных концентраций этилена [6]. При использовании низких концентраций этилена этот гормон оказывал ростстимулирующее действие [1]. Неоднозначность сведений о способности этилена влиять на рост растений [9] указывает на необходимость дальнейшего изучения действия этилена на растения. Исходя из данных литературы, важную роль в действии этилена на растения может играть его способность влиять на концентрацию других соединений (Vandenbussche). В литературе обсуждается взаимодействие этилена и абсци-зовой кислоты (АБК), а также этилена и ауксинов в регуляции роста растений [3, 5]. Паре этилен-цитокинины уделяется меньше внимания [10, 11], поэтому представляет интерес изучение возможной роли цитокининов в ростовой реакции растений на этилен. Удобной моделью для решения этой задачи являются мутантные растения, потерявшие чувствительность к этилену. Хотя на этом объекте было выполнено большое количество исследований, в основном была изучена отзывчивость ростовых процессов на экзогенный этилен или другие гормоны у нечувствительных к этиле-
ну растений [12, 10]. Цель работы - сравнительное изучение содержания эндогенных цитокини-нов и роста побега и корней мутантных растений арабидопсиса (ETR-1), потерявших чувствительность к этилену, и их исходной формы Columbia (COL) в отсутствие воздействия стрессовых факторов или экзогенных регуляторов, а также выявление характера влияния этилена на рост корней в длину, накопление биомассы побега и корня и их соотношения и возможной роли цитокининов в ростовой реакции растений на этилен.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования служили 4-недельные растения арабидопсиса Arabidopsis thaliana дикого типа (Columbia) и их этиленнечувствительные мутанты (ETR-1).
Для синхронизации прорастания семена на влажной фильтровальной бумаге в чашках Петри помещали в холодильную камеру на 3 сут, затем переносили в сосуды с песком, насыщенным 100%-ным раствором Хогланда-Арнона 1. Растения выращивали в климатической камере при освещенности 120 цмоль фотонов/(м2 • с), температуре 23оС днем и 19оС ночью и продолжительности светового периода 16 ч. После прорастания семян относительную влажность песка поддерживали на уровне 65%.
В возрасте 28 сут определяли сырую массу побегов и корней и фиксировали их в 80%-ном этаноле для экстракции цитокининов.
Экстракцию, очистку и концентрирование ци-токининов проводили, как описано ранее [13]. Концентрацию цитокининов в побегах и корнях растений определяли с помощью твердофазного иммуноферментного анализа, используя антитела к зеатинрибозиду, имеющие также высокую кросс-реактивность к зеатину и зеатиннуклеотиду [14].
Статистическую обработку проводили по стандартным программам MS Excel. На рисунках и в тексте представлены средние величины и стандартная ошибка показателей 3-х и более биологических повторностей (n).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Мутантные растения ETR-1, потерявшие чувствительность к этилену, прорастали медленнее, чем растения исходной формы COL. Согласно данным литературы, этилен способен противодействовать на этой стадии ингибирующему влиянию абсцизовой кислоты, и, следовательно,
(а)
0.06
^ 0.05-1 ¡ °-04"
5 °'03"
6 0.02-
^ 0.010-
□ COL И ETR-1
Побеги
Корни
(б)
|100
,¡g 80
|60-
м 40 te
| 20 а о
- -i- 1
- 1 i 1
COL
ETR-1
Рис. 1. Сырая масса побегов и корней - (а), n = 15; длина корней - (б) четырехнедельных растений арабидопсиса исходной линии COL и этиленнечувствитель-ных мутантных растений ETR-1, n = 15.
потеря чувствительности к этилену может подавлять прорастание [15]. Возможно, этим объясняется то, что в опытах авторов в начале онтогенеза масса мутантных растений была меньше, чем растений исходной формы (результаты не приведены), что соответствовало данным литературы [16]. Однако затем скорость роста растений изменилась, и через 28 сут после начала прорастания масса побегов мутантных растений уже достоверно не уступала массе растений исходной формы (рис. 1а). При этом корни мутантных растений были длиннее, чем растений дикого типа (рис. 1б). Поскольку многократно сообщалось о способности этилена тормозить удлинение корней, возможно, потеря чувствительности к этилену привела к увеличению длины корней мутантных растений по сравнению с растениями исходной линии.
Сложнее было определить скорость накопления массы корней мутантных растений. Их масса была достоверно меньше, чем растений исходной линии (рис. 1б). Корни мутантных растений были явно более тонкими, что часто приводило к их разрыву в момент сбора образцов. В целом обнаруженное авторами снижение биомассы корней мутантных растений указывало на то, что этилен, хотя и ингибирует удлинение корней, в то же время необходим для поддержания накопления их биомассы.
Ингибирование накопления массы корней му-тантных растений на фоне поддержания нормаль-
18
ВАСИНСКАЯ и др.
ного роста их побега приводило к увеличению соотношения массы побега и корня (1.69 и 3.13 у диких и мутантных растений соответственно), что свидетельствовало об относительной активации роста побега по сравнению с корнями мутантных растений. Такая реакция - относительная активация роста побега за счет относительного подавления накопления массы корней - является характерным ответом растений на цитокинины [17, 18]. Важно, что по сравнению с чувствительными к этилену растениями у мутантных растений действительно наблюдали повышение содержания цитокининов, особенно ярко выраженное в их корнях (рис. 2а). При этом отмечено увеличение содержания 3-х активных форм цитокининов: зеатина, зеатинрибозида и зеатиннуклеотида (рис. 2б, в). В литературе есть сведения о способности этилена активировать распад цитокининов [11]. Эти данные позволили предположить, что потеря чувствительности растений к этилену может привести к снижению активности распада цитокининов, что, в свою очередь, должно повысить уровень цитокининов в растениях. Величина содержания этого гормона в экспериментах авторов подтвердила, что потеря чувствительности к этилену приводит к повышению содержания цитокининов, и, следовательно, этилен может снижать уровень цитокининов в растениях. Известно, что избыточные концентрации цитоки-нинов подавляют рост и развитие корневой системы [19]. Опираясь на эти данные литературы и результаты собственных исследований, можно предположить, что этилен способствует накоплению биомассы корней растений через нормализацию уровня цитокининов и предотвращение их чрезмерного накопления.
Результаты авторов также помогают лучше понять механизм действия цитокининов на рост корней. По данным литературы, эти гормоны тормозят не только накопление биомассы, но и удлинение корней [19]. Однако в опытах авторов у мутантных растений, потерявших чувствительность к этилену, накопление цитокининов в корнях не сопровождалось торможением их удлинения: они были длиннее, чем у растений исходной линии (рис. 1, 2). Из литературы известно, что экзогенные цитокинины не подавляли удлинение корней мутантов, потерявших чувствительность к этилену [10]. Полученные авторами данные указывали на то, что у нечувствительных к этилену мутантов блокировано действие на удлинение корней не только экзогенных, но и эндогенных цитокининов. Результаты подтвердили, что способность цитокининов подавлять удлинение корней осуществлялась через этилензависимый
140-, 3 120 -
fe Зеатин Зеатинрибозид Зеатиннуклеотид
Зеатин Зеатинрибозид Зеатиннуклеотид
Рис. 2. Суммарное содержание цитокининов в побегах и корнях - (а), содержание зеатина, зеатинрибозида и зеатиннуклеотида в побегах - (б) и корнях - (в) четырехнедельных растен
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.