ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 3, с. 452-458
УДК 581.143:577.175.1
ДЕЙСТВИЕ ЭКДИСТЕРОНА НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАСТЕНИИ
© 2004 г. И. Ф. Головацкая
Кафедра физиологии растений и биотехнологии Томского государственного университета, Томск
Поступила в редакцию 01.04.2003 г.
Для выяснения физиологической роли фитоэкдистероидов в растении исследовали действие экзогенного экдистерона (ЭКД) и группы фитогормонов (ИУК, ГК3 и 24-эпибрассинолида (ЭБЛ)) на рост колеоптилей Triticum vulgare L. и проростков Arabidopsis thaliana (L). Heynh. экотипа Columbia дикого типа (Col) и его мутанта det2, на активность а-амилазы алейронового слоя семян Hordeum sativum L. и содержание пигментов в стареющих листьях Paseolus vulgaris L. Диапазон действующих концентраций ЭКД зависел от типа регулируемой реакции. Регулирование ростовых процессов осуществлялось широким диапазоном концентраций ЭКД (10-13-10-5 М), тогда как регулирование некоторых метаболических процессов - узким диапазоном (10-9-10-7 М - активация а-амилазы и 10-9-10-8 М - задержка пожелтения листьев). Отмечен синергизм действия ЭКД и ИУК на растяжение колеоптилей, антагонистическое действие ЭКД и ЭБЛ на растяжение колеоптилей и ЭКД и ГК3 на растяжение колеоптилей и активность а-амилазы. Полученные данные позволяют говорить о физиологической активности ЭКД в растении и предположить, что он выполняет функцию источника стеринов или регулятора синтеза ИУК и белков, действие которого, вероятно, обусловлено взаимодействием с рецепторами ЭБЛ и ГК3.
Arabidopsis thaliana - Paseolus vulgaris - Hordeum sativum - Triticum vulgare - экдистерон - 24-эпи-брассинолид - ИУК - ГК3 - рост - а-амилаза - хлорофилл
Стероиды являются группой природных соединений, выполняющих ряд важных физиологических функций в животных и растительных организмах. К стероидам относят гормоны высших животных (эстрогены, андрогены и другие), членистоногих (экдистероиды) и растений (брассино-стероиды) [1-6]. В группе стероидных соединений растений выделяют фитоэкдистероиды. Показано наличие этих соединений в растениях разных таксономических групп: морской красной водоросли Laurentia pinnata, 24 видах папоротникообразных, 7 представителях голосеменных и 23 видах покрытосеменных [7, 8]. Имеются данные о присутствии фитоэкдистероидов в двух близкородственных видах маревых Spinacia olrectea и Chenopodium album [9, 10], представителях сложноцветных Rhaponticum carthamoides и Serratula coronata [11, 12], гвоздичных Lychnis chalcedonica [13] и других. Распространение экдистероидов сильно различается в пределах семейств и даже родов. Различия по содержанию фитоэкдистеро-
Сокращения: БС - брассиностероиды, ЭБЛ - 24-эпибрасси-нолид, ЭКД - экдистерон, Хл - хлорофилл. Адрес для корреспонденции: Головацкая Ирина Феоктис-товна. 634050 Томск, пр. Ленина, 36. Томский госуниверситет, кафедра физиологии растений и биотехнологии. Электронная почта: lapgol@mail.tomsknet.ru
идов между близкородственными видами позволяют думать, что многие гены, участвующие в их биосинтезе, присутствуют во всех видах и разница определяется скорее различиями в регуляции экспрессии. Так, эксперименты с применением метки позволили обнаружить возможность биосинтеза экдистероидов у такого не накапливающего экдистерон (ЭКД) вида, как Zea mays [14].
Содержание фитоэкдизонов в растениях обычно составляет 0.01-0.1% от сухого веса, в некоторых случаях достигая 1-2%. Эти величины на несколько порядков превышают концентрацию зооэкдизонов в организмах насекомых и ракообразных. Концентрация фитоэкдизонов неодинакова в различных частях растения и зависит от стадии развития растения и условий его произрастания [15, 16].
Наличие экдизонов у таких разных организмов, как членистоногие и растения, вызывает естественный вопрос о физиологической роли, которую могут играть эти вещества. В настоящее время установлено, что зооэкдизоны играют роль гормонов линьки и метаморфоза членистоногих. Функции фитоэкдизонов пока мало исследованы. Высказаны предположения об их участии в метаболизме стеринов, в регуляции роста и развития растений, об их защитной роли по отношению к растительноядным насекомым. Показа-
действие экдистерона на морфофизиологические процессы
453
но стимулирующее действие экдистероидов на рост растений риса, междоузлий карликового гороха и колеоптилей пшеницы [17-19].
В связи с выяснением физиологической роли экдистерона в растениях были изучены некоторые особенности рострегулирующей активности экзогенного экдистерона.
МЕТОДИКА
В работе использовали серию биологических тестов, разработанных ранее для эндогенных фи-тогормонов. Оценку свойств ЭКД проводили по степени удлинения сегментов колеоптилей пшеницы Triticum vulgare L. сорта Тулунская [20], удлинения гипокотилей и увеличение площади семядолей интактных проростков Arabidopsis thaliana L. (Heynh.) экотипа Columbia дикого типа (Col) и мутанта det2, дефицитного по брассинос-тероидам, по динамике а-амилолитической активности эндосперма голозерных семян ячменя Hordeum sativum L. сорта Гималайский [21] с учетом содержания редуцирующих сахаров [22] и по задержке старения изолированного листа фасоли Paseolus vulgaris L. сорта Белозерная на основе определения содержания хлорофилла a и b - Хл a и Хл b [23].
В качестве стандартных образцов использовали ИУК, ГК3 ("Serva", Германия) и экдистерон (20-гидроксиэкдизон, "Sigma", США). Опытные растворы содержали гормоны в концентрации 10-13-10-5 М. Контролем служили 2%-ный раствор сахарозы (сегменты колеоптилей пшеницы) и дистиллированная вода (другие биотесты). Для изучения временн0го хода активации а-амилазы в алейроновом слое ячменя экзогенными гормонами проводили фиксацию проб через 1, 2, 5, 15 и 24 ч.
Длину колеоптилей пшеницы и гипокотилей Arabidopsis измеряли под лупой БМ-51-2 (увеличение 8.75х), а площадь семядолей Arabidopsis -под микроскопом МикМед-1 ВАР.1 с помощью винтового окулярного микрометра МОВ-1-15 (увеличение 150х) ("ЛОМО", Россия). В каждом варианте анализировали по 90 проростков.
На рисунках приведены средние арифметические из двух-трех независимых экспериментов и их стандартные ошибки. При сравнении вариантов опыта руководствовались t-критерием Стью-дента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты, приведенные на рис. 1а, свидетельствуют об участии ЭКД в растяжении клеток колеоптилей пшеницы. Сегменты из зоны роста колеоптилей в присутствии ЭКД увеличивали длину по сравнению с контролем (2%-ная сахароза) в темноте. Наибольший прирост отметили при
действии ЭКД в диапазоне концентраций 10-1010-7 М, меньших по сравнению с диапазоном действующих концентраций ИУК (10-7-10-5 М). Аналогичный эффект ИУК был отмечен и для колеоптилей овса [24]. Другими авторами также показано стимулирующее действие экзогенного ЭКД на рост и обмен веществ Chlorella vulgaris Beijer-inck (Chlorophyceae), проявляющееся при обработке этим веществом в широком диапазоне концентраций от 10-15 до 10-7 М [25].
Совместное действие ЭКД и ИУК при высоких концентрациях веществ (10-7-10-6 М ИУК и 10-810-5 М ЭКД) приводило к значительному удлинению колеоптилей пшеницы (рис. 1а, 16). Если к предварительно обработанным ЭКД колеопти-лям добавляли ИУК (рис. 16), эффект был более существенным по сравнению с эффектом действия ЭКД после предобработки ИУК (рис. 1а). Можно предположить, что аддитивный эффект воздействия ЭКД и ИУК на рост колеоптилей обусловлен существованием двух различных механизмов действия этих веществ. Синергизм мог бы быть опосредован тем, что ЭКД усиливал чувствительность ткани растения к ауксину.
Растяжение сегментов колеоптилей под влиянием ГК3 (рис. 1в) происходило в диапазоне концентраций (10-13-10-7 М), меньших по сравнению с ИУК. Действие ГК3 было заметно сильнее, чем действие ЭКД. При совместном действии ЭКД и ГК3 в области оптимальных концентраций ГК3 происходило снижение прироста, тогда как в области неэффективных концентраций ГК3 прирост увеличивался.
24-эпибрассинолид (ЭБЛ) действовал на растяжение колеоптилей пшеницы в том же диапазоне концентраций, что и ИУК (рис. 1а, 1г). Сходство между эффектами, вызываемыми действием ауксинов и (брассинолида) БС, показано и в других тестах биологической активности ауксина, таких как удлинение сегмента крючка карликого гороха, колеоптиля и мезокотиля кукурузы, эпикоти-ля фасоли лучистой и распрямление крючка ги-покотиля карликовой фасоли [26, 27].
Добавление ЭКД в присутствии низких неэффективных концентраций ЭБЛ повышало прирост колеоптилей на величину, соответствующую действию 10-6 М ЭКД. В то же время на фоне высоких активных концентраций ЭБЛ экдистерон снижал его эффект на растяжение клеток, проявляя ан-тибрассиностероидное действие. Можно предположить, что для начала действия ЭКД используются рецепторы ЭБЛ. В пользу этого предположения свидетельствуют данные о структурном сходстве между экдистероидами и брассиностеро-идами [28] и данные по снижению эффекта одновременного действия ЭКД и ЭБЛ на развитие насекомых, т.е. антиэкдистероидное действие БС [29].
Логарифм концентрации, M
(в) ¿ 5
«
«
о р
нтр1
о к т о
180г
(б)
140
р1
и £
11
м
* 9
т
о
о а /
и р
tí 5
_i_i_i_i_i_i_i_i
-13 -11 -9 -1 -5 Логарифм концентрации, M
§18°
&160 н
ко140
-11 -9 -1 -5 Логарифм концентрации ЭВД, M
(г) 3
-1 -5 Логарифм концентрации, M
Рис. 1. Влияние экзогенных ИУК (а, б), ГК3 (в), 24-эпибрассинолида (г - ЭБЛ) и экдистерона (а, б, в, г - ЭКД) на растяжение отрезков колеоптилей пшеницы.
а - ЭКД (1), ИУК (2), ИУК + 10-6 М ЭКД (3); б - ЭКД (1), ЭКД + 10-6 М ИУК (2), 10-6 М ИУК (3); в - контроль (1), ЭКД (2), ГК3 + 10-6 М ЭКД (3), ГК3 + 10-9 М ЭКД (4), ГК3 (5); г - контроль (1), ЭКД (2), ЭБЛ (3), ЭБЛ + 10-6 М ЭКД (4). Контрольные отрезки колеоптилей выдерживали на 2%-ной сахарозе в течение 24 ч. Приведены средние значения из 3 опытов, по 90 растений в каждом варианте, и их стандартные ошибки.
Установлено, что БС выполняют в растениях разнообразные функции. Они могут вызывать удлинение стебля, рост пыльцевой трубки, эпинас-тию, индукцию биосинтеза этилена, активацию протонного насоса, дифференци
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.