ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 3, с. 446-451
УДК 581.1
ГАМЕТОФИТНО-СПОРОФИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ ПЫЛЬЦА-ПЕСТИК.
4. ГОРМОНАЛЬНЫЙ СТАТУС И МЕХАНИЗМ САМОНЕСОВМЕСТИМОСТИ
© 2004 г. Л. В. Ковалева, Е. В. Захарова
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 31.07.2002 г.
У петунии (Petunia hybrida L.) через 4 и 8 ч после самонесовместимого опыления определяли уровень выделения этилена и содержания ИУК, АБК и цитокининов в тканях пестика и его частей (рыльца, столбика и завязи). Прорастание и начальный рост пыльцевых трубок в начальные 4 ч в тканях рыльца сопровождались почти 10-кратным возрастанием уровня выделения этилена рыльцем и 2-кратным увеличением содержания АБК в рыльце и столбике. Прекращение роста пыльцевых трубок в тканях столбика в последующие 4 ч совпадало по времени с 5-кратным увеличением содержания цитокининов в столбике при сохранении высокого содержания АБК в рыльце и столбике. Сделан вывод об участии фитогормонов в механизме гаметофитной самонесовместимости.
Petunia hybrida - пыльца - пестик - гаметофитная самонесовместимостъ - этилен - ИУК - АБК -цитокинины
Самонесовместимость, генетически детерминированный барьер самооплодотворения, в последние двадцать лет является одним из активно исследуемых аспектов репродукционного процесса растений. Однако имеющихся в настоящее время литературных данных о закономерностях прорастания и роста пыльцевых трубок [1-5] недостаточно для разработки целостного представления о специфических межклеточных взаимодействиях мужского гаметофита со спорофитными тканями пестика и о сигнальных системах, функционирующих в системе пыльца-пестик после самонесовместимого опыления.
Одним из вероятных кандидатов на участие в сигнальных системах, регулирующих межклеточные взаимодействия в системе пыльца-пестик, являются фитогормоны. Проведенные в семидесятых годах прошлого столетия в лаборатории Линскенса исследования дали основание авторам предположить, что фитогормоны участвуют в регуляции роста мужского гаметофита в процессе опыления и оплодотворения [6, 7]. В настоящее время более-менее определенные данные, свидетельствующие об участии гормонов в процессе опыления-оплодотворения, имеются только для
Адрес для корреспонденции: Ковалева Лидия Валентиновна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 7(095)977-80-18; электронная почта: ifr@ippras.ru
этилена, который участвует во многих процессах, включая старение и опадение органов цветка после опыления [8-10], а также на ранних стадиях макроспорогенеза [11, 12] и прорастания пыльцевых зерен на поверхности рылец [13].
Первые данные об изменениях в гормональном статусе системы пыльца-пестик при совместимом опылении, полученные на петунии, позволили заключить, что межклеточные взаимодействия в прогамной фазе оплодотворения осуществляются под контролем гормональной системы споро-фитных тканей пестика [14]. В частности, установлено, что в системе пыльца-пестик этилен-ауксиновый баланс контролирует прорастание пыльцы на рыльце, в то время как для роста пыльцевых трубок в тканях столбика существенным является ауксин-цитокининовый баланс. Для установления роли фитогормонов в процессе оплодотворения необходимы сведения об их участии в регуляции прорастания и роста мужского гаметофита в условиях различных репродуктивных "стратегий".
Цель данной работы состояла в определении гормонального статуса системы пыльца-пестик петунии в прогамной фазе оплодотворения при функционировании барьера самоопыления - гаметофитной самонесовместимости. Для этого мы измеряли уровень выделения этилена, а также содержание ИУК, АБК и цитокининов в тканях пестика и его отдельных частей: рыльца, столбика и завязи при прорастании пыльцевых зерен и на на-
чальной стадии роста пыльцевых трубок после самонесовместимого опыления.
МЕТОДИКА
Объектом исследования служили цветки петунии (Petunia hybrida L.) самонесовместимого клона. Вегетативно размноженные растения выращивали в оранжерее Института физиологии растений РАН (Москва) в почвенной культуре при естественном освещении. Накануне раскрытия бутонов проводили удаление тычинок, а для предотвращения случайного опыления на каждый кастрированный цветок надевали мешочек из аг-рила. На следующий день часть кастрированных цветков опыляли пыльцой, собранной из других раскрытых цветков этого же клона (самонесовместимое опыление), оставшуюся часть цветков опыляли пыльцой из раскрытых цветков самосовместимого клона (совместимое опыление).
Уровень выделения этилена в свежем, только что собранном материале определяли газохрома-тографическим методом по описанной ранее методике [15].
Эндогенное содержание ИУК, АБК и цитоки-нинов (суммы зеатина, зеатинрибозида и дигидро-зеатина) определяли при самонесовместимом и совместимом опылении в неопыленных (0 ч) и опыленных (через 4 и 8 ч после опыления) пестиках, рыльцах, столбиках и завязях. Образцы фиксировали жидким азотом, лиофильно высушивали и анализировали методом ВЭЖХ в одной навеске [16].
На графиках приведены средние арифметические из двух биологических повторностей, включающих по три аналитических (каждая состояла из 50 пестиков, или 100 рылец, или 100 столбиков, собранных с 20 растений), и их стандартные ошибки.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Динамика выделения этилена тканями пестика петунии и содержания в них ИУК, цитокининов и АБК во время 8-часового периода роста пыльцевых трубок после самонесовместимого опыления представлены на рис. 1.
Прорастание и начальный рост пыльцевых трубок в тканях рыльца в первые 4 ч сопровождались почти 10-кратным возрастанием уровня выделения этилена тканями пестика, в то время как при совместимом опылении он возрастал лишь в 7 раз. В последующие 4 ч выделение этилена тканями пестика снижалось в обоих случаях. Как свидетельствуют данные, представленные на рис. 2, основным местом синтеза этилена являются ткани рыльца.
4
(N ^
и м
о —
— н
в о
§ Й
ч В
О \
и ч
3 « га
Пестик
12 3
JL
1.5
К
к
о а
1.0
& к
е и о
О
Р
о а
~ и &
О
и &
О
■&0.5
[ЯП III I
и
к
се
% 1-н
& к
е и о
о
X
£1
JL
е
и
К !
се ' *
&
е
И
о
О
JÜ
JL
0 4 8
Время после опыления, ч
Рис. 1. Динамика выделения этилена и содержания
ИУК, АБК и цитокининов в пестике петунии при
опылении.
1 - неопыленный пестик; 2 - совместимое опыление;
3 - несовместимое опыление.
В динамике содержания ИУК в системе пыльца-пестик в течение 8-часового периода роста пыльцевых трубок после самонесовместимого опыления прослеживалась, так же как и в случае совместимого опыления, тенденция к незначительному повышению, однако в первом случае концентрация ИУК была значительно ниже, чем при совместимом опылении (рис. 1). Согласно данным рис. 2, рыльца и столбики характеризовались одинаковым уровнем содержания ИУК.
3
2
1
0
0
8
7
1
0
6
5
4
3
2
1
X
и
« 'V
4.0 3.5 3.0 2.5
§ я 2.0
«
л
* & 1.5
о -и
1.0
га я 0.5 0 1.4
1.2 1.0
Рыльце
123
К
е
к ¡А
(о & 0.4
0.2 Оя 0
0.8 0.6
ИИ
га <
е
к к
л
Н
8 7 6 5
о< ^
« &
нр
о к
д,
от 11
й
6
к
се
и &
о
л ^ Й ^ я а
5 Я я о
6 к « к
И щ
о Й
О
т
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 8 7 6 5 4 3 2 1
Столбик
ЯП
ЯП
0
Время после опыления, ч
Рис. 2. Динамика выделения этилена и содержания ИУК, АБК и цитокининов в рыльце и столбике петунии при опылении.
1 - неопыленные; 2 - совместимое опыление; 3 - несовместимое опыление.
Содержание АБК в системе пыльца-пестик при самонесовместимом опылении резко отличалось от такового при совместимом опылении (рис. 1): в первые 4 ч после самонесовместимого опыления содержание АБК возрастало в 2 раза, оставаясь на этом высоком уровне и в последующие 4 ч, тогда как при совместимом опылении содержание АБК не изменялось значительно по сравнению с неопыленными пестиками (около 3 нг/пес-тик). Анализ содержания АБК в отдельных частях пестика (рис. 2) показывает, что повышение содержания АБК в системе пыльца-пестик при
самонесовместимом опылении происходило как в тканях рыльца, так и столбика, однако содержание АБК в рыльце превышало в 2 раза ее уровень в столбике.
Особенно резкие различия выявлены в динамике содержания цитокининов: через 8 ч после самонесовместимого опыления во время торможения и остановки роста пыльцевых трубок в тканях столбика отмечено 5-кратное повышение содержания цитокининов в системе пыльца-пестик (рис. 1). Из данных, представленных на рис. 2, очевидно, что резкое повышение содержания ци-
4
3
2
5
4
3
3
2
1
0
0
токининов обусловлено его повышением именно в тканях столбика.
Данные по содержанию фитогормонов в завязях пестика при самонесовместимом опылении на рис. 2 не приведены, так как их уровни были чрезвычайно низки (0.03 нл этилена в час, менее 0.15 нг ИУК, 0.12 нг АБК и 145 нг цитокининов на одну завязь) и не могли оказать заметного влияния на гормональный статус системы пыльца-пестик в прогамной фазе оплодотворения.
Таким образом, гормональный статус системы пыльца-пестик при самонесовместимом опылении резко отличался от ее гормонального статуса при совместимом опылении, менялся при прорастании пыльцевых зерен на рыльце и во время роста (а затем и торможения) пыльцевых трубок в проводниковых тканях столбика. Две составные части пестика, в которых осуществляется прогам-ная фаза оплодотворения, имели различный гормональный статус. Для рыльца характерна способность к интенсивному образованию этилена (как и при совместимом опылении) и более высокий (по сравнению с совместимым опылением) уровень АБК. Прорастание пыльцевых зерен на поверхности рыльца проходило при 10-кратном повышении уровня выделения этилена и 2-кратном повышении содержания АБК в тканях рыльца и столбика. Торможение роста пыльцевых трубок в межклеточном пространстве проводниковой ткани столбика проходило при 5-кратном повышении содержания цитокининов в тканях столбика и сохранении высокого уровня АБК в тканях рыльца и столбика.
ОБСУЖДЕНИЕ
Между растущими пыльцевыми трубками и проводниковой тканью пестика, с
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.