ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2008, том 55, № 6, с. 874-885
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1:58.04:576.3
ДИНАМИКА РОСТА, ПРОЛИФЕРАЦИЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ КЛЕТОК КОРНЕЙ ПШЕНИЦЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ НИКЕЛЯ
В ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
© 2008 г. Н. П. Демченко, И. Б. Калимова
Ботанический институт им. ВЛ. Комарова Российской академии наук, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 04.06.2007 г.
Изучены динамика роста корней 3-дневных проростков пшеницы (Triticum aestivum L.), пролиферация клеток инициалей чехлика, ризодермы и центральной метаксилемы и структурные изменения в клетках под воздействием NiSO4 в высокой (0.1 мМ) концентрации в течение 72 ч. В корнях контрольных растений обнаружен 12-часовой ритм изменения длины закончивших растяжение клеток. При обработке никелем этот эффект исчезал, и заметное снижение прироста корней отмечали через 12 ч. Через 24 ч рост корней практически прекращался. Растяжение клеток ингибировалось в акропетальном направлении, и длина закончивших растяжение клеток сокращалась. В меристеме и апикальной части зоны растяжения медленный рост клеток продолжался в течение вторых и даже третьих суток. Методом авторадиографии установлено, что наиболее ранним (через 6 ч) эффектом никеля на процессы морфогенеза корня было ингибирование перехода клеток к синтезу ДНК. Клетки, которые успели начать синтез ДНК или находившиеся в других фазах цикла, продолжали медленное продвижение по циклу и завершали его. Сестринские клетки, возникшие в результате деления, выходили затем из цикла в G1-фазе в покой. Установлено, что основным механизмом прекращения пролиферации клеток является ингибирование перехода клеток к синтезу ДНК. В растягивавшихся под воздействием никеля клетках выявлены тканеспецифические нарушения структуры ядра (хроматолизис в ризодерме и коре, пикноз в эндодерме, изменение структуры ядра в центральной метаксилеме). Эти нарушения проявлялись только после прекращения растяжения. Инкубация корней с 0.1 мМ никеля не оказывала влияния на начало дифференциации клеток ксилемы и метафлоэмы и приближала ее начало к кончику корня. Однако через 24 ч инициация и рост корневых волосков ингибировались. Сделан вывод, что вызванные никелем тканеспецифические нарушения структуры ядра в растягивающихся клетках не являются причиной прекращения роста корня, хотя и свидетельствуют о его токсическом действии на клетки в ходе их растяжения.
Ключевые слова: Triticum aestivum - корень - меристема - рост - пролиферация - дифференциация -синтез ДНК - никель.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из распространенных тяжелых металлов, загрязняющих окружающую среду, является никель. Его воздействие на рост и метаболизм высших растений описано в ряде работ и обзоров [1-6]. Избыток никеля в среде быстро сказывается на морфогенезе корневой системы, вызывая торможение роста корня, хромосомные аберрации и различные нарушения в структуре клеток [7-11]. Токсический эффект никеля на корни зависит от его концентрации, времени действия и состава среды. При низких концентрациях никеля в среде отмечена стимуляция роста корня, а при более высоких (но нелетальных) концентрациях прирост корня через 3 дня экспозиции с металлом
Сокращения: ИМК - индекс меченных 3Н-тимидином клеток; МИ - митотический индекс. Адрес для корреспонденции: Демченко Николай Петрович. 197376 Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 2. Ботанический институт РАН. Электронная почта: demch@yandex.ru
составлял около 50% от прироста корней контрольных растений [7]. Ряд авторов [5, 12, 13], изучавших воздействие никеля при таких концентрациях на митотический индекс (МИ) и рост корней проростков кукурузы, полагают, что торможение роста вызвано снижением митотической активности клеток меристемы. Однако пока не ясно, обусловлено ли снижение митотической активности клеток под воздействием никеля увеличением длительности всех фаз митотического цикла [14] или преимущественно G1-фазы, как это обнаружено в корнях проростков Festuca rubra под воздействием цинка [15].
Присутствие в среде ионов Ca снижает ингиби-рующий эффект никеля на митотическую активность клеток меристемы. У проростков Zea mays, выращенных на модифицированной среде Хо-гланда (Ca в концентрации 1 мМ), никель в концентрации 60 мкМ не ингибировал растяжение клеток корня даже у чувствительного к этому ме-
таллу сорта [13]. Серегин с соавт. [5] показали, что в корнях проростков Z. mays размер закончивших рост клеток не изменялся и через 7 суток от начала их инкубации на среде с 35 мкМ Ni(NO3)2 и 3 мМ Ca(NO3)2. Однако при выращивании проростков на среде с такой же концентрацией никеля, но без Ca, металл оказывал токсическое действие не только на деление клеток, но и на их растяжение [14]. Но в последнем случае этот эффект был менее выражен. Так, прирост корней через 2 суток инкубации ингибировался на 88% [14, 16], а длина завершивших растяжение клеток составляла 74% от длины таких же клеток в контроле [14].
Robertson [12] обнаружил, что при концентрации 5 мкМ NiSO4 и выше рост корней Z. mays прекращался в течение 24 ч. При этом никель инги-бировал как деление, так и растяжение клеток, в то время как на клетки зрелых тканей заметного влияния не оказывал. При летальной концентрации NiSO4 (20 мкМ) рост корней практически прекращался уже через 8 ч от начала экспозиции с металлом, но очень медленный рост корня еще продолжался и даже при более высоких концентрациях. Причиной медленного роста корня, по мнению автора [12], был остаточный рост уже прекративших деление клеток меристемы, в то время как клетки зоны растяжения становились жесткими и теряли способность к растяжению. Однако динамика пролиферации клеток и процесса их растяжения под воздействием высоких и летальных концентраций никеля авторами не была прослежена.
Опыты по восстановлению роста корней после воздействия никеля в летальной концентрации (20 мкМ) показали, что если продолжительность экспозиции была больше 8 ч, то рост корней не восстанавливался, так как деление клеток уже прекратилось [12]. В нашей предыдущей работе [17] было показано, что при воздействии 0.1 мМ NiSO4 в течение 48 ч на корни проростков Triticum aestivum, выращенных на 0.25 нормы раствора Кнопа, растяжение клеток прекращалось раньше, чем деление клеток в меристеме. Длина зоны растяжения сокращалась, а длина закончивших растяжение клеток уменьшалась в несколько раз. Обнаружено изменение структуры клеточной оболочки в проходивших растяжение под воздействием никеля клетках эндодермы, которое вызывало ее окрашивание реактивом Шиф-фа. В этих клетках наблюдался пикноз ядра. В вышерасположенных участках корня в проходивших растяжение клетках начинался некроз сначала в эндодерме и внутреннем слое коры, а затем в перицикле. Однако через 48 ч митозы встречались среди дистальных клеток рядов ризодермы и коры, а также в эндодерме, перицикле, стелярной паренхиме и у клеток-спутников протофлоэмы. В это время клетки ризодермы, экзодермы и средних слоев коры уже прекратили деление, а их длина увеличилась. Это свидетельствует о том, что и
рост клеток в меристеме еще продолжался. Кроме того, инициация примордиев боковых корней не ингибировалась и наблюдалась значительно ближе к кончику корня. Отмеченные выше инги-бирование роста и пролиферации клеток, а также нарушения в структуре клеточной оболочки и ядра в эндодерме и других тканях под воздействием 0.1 мМ N1804 в течение 48 ч не являются признаками летального исхода для корней, поскольку медленный рост и деление клеток в разных тканях меристемы еще продолжались, а инициация примордиев боковых корней не ингибировалась.
Однако последовательность прекращения роста, синтеза ДНК и деления клеток, а также появление структурных нарушений в клетках разных тканей корня под воздействием никеля в высоких (летальных) концентрациях пока исследована недостаточно. Возможно, вызванные никелем какие-то еще структурные нарушения в клетках во время их растяжения, кроме снижения пластичности клеточных оболочек [18], и его общетоксическим действием [19] тоже приводят к ингибирова-нию роста корня. Кроме того, неизвестно, чем вызвано прекращение пролиферации клеток под воздействием никеля в высоких (летальных) концентрациях - ингибированием перехода клеток к синтезу ДНК или/и к митозу.
Цель настоящей работы заключалась в изучении особенностей роста клеток вдоль продольной оси корня, синтеза ДНК и деления клеток, а также структурных нарушений в клетках разных тканей корней проростков Т. aestivum под воздействием №804 в высокой (0.1 мМ) концентрации. Основываясь на данных литературы, мы были уверены, что результаты нашей работы позволят глубже понять токсическое действие никеля на рост корня и выявить механизм прекращения пролиферации клеток.
МЕТОДИКА
Работу проводили на корнях проростков яровой пшеницы (ТтШеит aestivum Ь.) сорта Московская 37. Зерновки замачивали в 200 мл водной взвеси нистатина с активностью 250 000 ед. в течение 40 мин, подвергали стратификации при 4°С в течение 6 ч и проращивали в чашках Петри на смоченной водой фильтровальной бумаге в термостате в темноте при температуре 26°С. Через 26 ч проростки переносили на пластины двух вегетационных сосудов объемом 1.4 л. Корни проростков погружали в аэрируемый раствор Кнопа (0.25 нормы) и выращивали в темноте при температуре 23-24°С. Через сутки проращивание продолжили при той же температуре, но при 16-часовом фотопериоде и освещенности 19.3 Вт/м2. Через 72 ч от начала проращивания из каждого вегетационного сосуда отбирали по 20 проростков, измеряли длину центрального зародышевого корня.
Затем в сосудах меняли среду: в одном сосуде ее состав оставался прежним (контроль), в другом среда содержала 0.1 мМ NiSO4 (опыт). Среду в сосудах меняли через каждые сутки. Световой период начинался через 1 ч после начала опыта. Через каждые 6 ч в течение первых суток и через 12 ч следующих суток, а также через 72 ч в опыте отбирали из каждого вегетационного сосуда по 20 проростков и измеряли длину корней.
Выбранная нами концентрация (0.1 мМ) никеля в течение 48 ч экспозиции корней не приводила к их летальному исходу, так как клетки в меристеме еще про
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.