УДК 581.14.21:581.17.174
ИЗМЕНЕНИЕ ПЛАСТИДНОГО АППАРАТА КЛЕТОК АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ ПРИ РЕГУЛЯЦИИ РОСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ ЖАСМОНОВОЙ КИСЛОТЫ
© 2010 г. Т. А. Платонова, А. С. Евсюнина, Н. П. Кораблёва
Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва 119071 e-mail: platonova@inbi.ras.ru Поступила в редакцию 10.11.2009 г.
Проведено сравнительное ультраморфометрическое изучение действия жасмоновой кислоты (ЖК) на пластидный аппарат клеток апексов клубней картофеля, находящихся в различном физиологическом состоянии. Показано, что применение ЖК на клубнях в состоянии вынужденного покоя, приводило к уменьшению площади пластидного аппарата клеток апексов и подавлению пролиферации пластид. Обработка на стадии роста не вызывала изменений в площади пластидного аппарата, подавляя процесс деления, но стимулируя почкование пластид в клетках апексов. Общим ответом на действие ЖК, независимо от физиологического состояния клубней, являлась стимуляция развития внутренней мембранной системы пластид, уменьшение в них белковых включений и увеличение числа обкладок из цистерн гранулярного эндоплазматического ретикулума вокруг оболочек пластид. Изменения в ультраструктуре пластид могут свидетельствовать об усилении биосинтетической активности пластидного аппарата клеток апикальных меристем клубней картофеля под действием ЖК.
Фитогормон жасмоновая кислота (ЖК), ее метиловый эфир и другие жасмонаты — низкомолекулярные соединения оксилипиновой природы образуют новую группу регуляторов роста и иммунитета растений [1]. Эти соединения обладают сходной биологической активностью и являются сигнальными молекулами, участвующими в регуляции всех этапов жизнедеятельности растения — от прорастания семян и клубней до созревания плодов и старения листьев. Кроме того, жасмона-ты контролируют устойчивость растений к биотическим и абиотическим стрессам [2, 3].
Для растений картофеля Solanum tuberosum L. было показано, что содержание жасмонатов изменяется в разных органах растения в течение периода вегетации, достигая максимума в клубнях к началу периода глубокого покоя [4]. Обработка ЖК растений in vitro приводила к стимуляции образования клубней на столоне: увеличивалась скорость клубнеобразования, число, размеры и вес клубней [5, 6]. Высказывалось мнение, что образование клубней под действием экзогенной ЖК происходит за счет активного растяжения клеток, но, одновременно с этим, наблюдаются изменения в морфологии апикальных меристем столона клубней [7, 8]. В опытах in vivo в зависимости от концентрации ЖК подавляла или стимулировала прорастание клубней и образование боковых корней на проростках. Подавление прорастания и продление периода глубокого покоя является существенным фактором при хранении урожая клубней картофеля. Ранее было
установлено, что растяжение клеток является ведущим процессом на начальных этапах прорастания клубней картофеля, а клетки стержневой меристемы апексов клубней являются клетками-мишенями, наиболее чувствительными к действию физиологически активных веществ [9 —11].
Клубни картофеля являются удобным объектом для изучения молекулярных механизмов действия регуляторов роста. Апикальные меристемы клубней в течение определенного времени после уборки находятся в состоянии глубокого покоя, т.е. не переходят к росту даже при благоприятных условиях внешней среды. Продолжительность глубокого покоя закреплена генетически и является характерным признаком сорта. По окончании периода покоя меристемы клубней, находящихся в благоприятных условиях (температура, влажность), переходят к росту. При неблагоприятных условиях рост замедляется на определенный, характерный для каждого сорта период времени — период вынужденного покоя. Использование в опытах клубней картофеля, находящихся в различном физиологическом состоянии (вынужденный покой, начало роста) позволяет оценить действие ЖК на отдельные ультраструктурные параметры, в частности, на пла-стидный аппарат клеток апексов клубней на различных стадиях прорастания (при переходе от вынужденного покоя к росту), характеризующиеся разной интенсивностью обменных процессов в клетках меристем.
Таблица 1. Морфометрическая характеристика пластид в клетках апексов клубней картофеля в различном физиологическом состоянии и под действием ЖК
Вариант опыта Число пластид на срезе клетки Общая площадь пластид на срезе клетки, мкм2 Площадь одной пластиды, мкм2
Контроль (вынужденный покой) 1.50 ± 0.01 9.81 ± 0.70 6.54 ± 0.65
ЖК, 10-8 М 1.32 ± 0.01 3.76 ± 0.38 2.89 ± 0.29
Контроль (переход от покоя к росту) 1.51 ± 0.01 9.34 ± 0.68 6.19 ± 0.55
ЖК, 10-8 М 1.50 ± 0.01 10.40 ± 0.72 6.99 ± 0.84
Настоящая работа является частью комплексного биохимического исследования по изучению механизма действия ЖК на растения картофеля [12, 13]. Представляло интерес изучить влияние ЖК на пластидный аппарат клеток апикальных меристем клубней картофеля, поскольку состояние пластидного аппарата связано с изменениями в физиолого-биохимических процессах, происходящие в клетках меристемы при регуляции ростовых процессов.
Цель работы — электронно-микроскопическое и морфометрическое изучение действия ЖК на пластиды клеток апикальных меристем клубней картофеля сорта Луговской, находящихся в различном физиологическом состоянии.
МЕТОДИКА
Объект исследования — апексы (апикальные меристемы) клубней картофеля Solanum tuberosum L. сорта Луговской: на стадии вынужденного покоя (контроль 1), при выходе из покоя в начале прорастания (контроль 2) и под действием ЖК в концентрации 10-8 М [12]. Для опытов брали по 30 клубней картофеля, находящегося в состоянии вынужденного покоя, погружали их на 10 мин в раствор ЖК в концентрации 10-8 М. Через 2 нед таким же образом обрабатывали клубни, находящиеся уже на начальной стадии прорастания. Контрольные клубни в том и другом случае обрабатывали дистиллированной водой. После обработки клубни из 2 опытных и 2 контрольных вариантов высушивали и помещали во влажные камеры в оптимальные условия для прорастания (18°С, темнота). Через 12—14 сут ( при появлении на контрольных клубнях признаков активного роста) из опытных и контрольных вариантов под бинокулярным микроскопом МБС-2 (ЛОМО, Россия) извлекали "глазки" (апексы), фиксировали их в 2.5%-ном глутаровом альдегиде на 0.1 М фосфатном буфере (рН 7.1—7.2) и в 1%-ном OsO4, обезвоживали этанолом возрастающей концентрации и ацетоном, заключали в эпоксидную смолу ЭПОН-812 (Россия) по общепринятой методике. Для сравнительного изучения из контрольных и опытных вариантов были взяты клет-
ки стержневой меристемы апексов и клетки нижнего слоя центральной меристемы, граничащие со стержневой зоной. Согласно ранее полученным данным именно эти клетки являются клетками-мишенями для действия биологически активных веществ при регуляции ростовых процессов в клубнях картофеля [9—11]. Предварительную ориентировку срезов для определения зональности апексов выполняли под световым микроскопом, используя полутонкие срезы. Ультратонкие срезы, полученные на ультрамикротоме ("LKB", Швеция), контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца [14] и просматривали под электронным микроскопом JEM-100C ("Jeol", Япония). Для количественной оценки пластидного аппарата клеток апексов была применена специальная компьютерная программа Cell Counter, позволяющая автоматически обсчитывать площади различных внутриклеточных структур (мкм2) по отсканированным изображениям, полученным с микроскопа (с учетом увеличений микроскопа и разрешений сканера) [15]. Точность вычисления площади определяется погрешностью при фотографировании и сканировании изображения, а также точностью представления вещественных чисел в компьютере.
Число пластид на срез клетки (или частоту встречаемости пластид) посчитывали визуально на тех же изображениях клетки при увеличении микроскопа 13000. Результаты измерений с 30 негативов каждого варианта контроля и опыта, выраженные средними арифметическими значениями, и их стандартные ошибки представлены в табл. 1. Статистическую обработку данных проводили с помощью компьютерной программы Microsoft Ехсе1. Кроме того, наряду со средними морфометрическими данными о числе и площади пластид использовали показатели, характеризующие разнообразие пластидного аппарата (по ультраструктурной характеристике) в клетках апексов контрольных и опытных растений. Для этого в каждом случае подсчитывали число пластид с той или иной морфологией. Эти данные, выраженные в процентах от общего числа просмотренных пластид в каждом варианте опыта, представлены в табл. 2.
Таблица 2. Ультраструктурная характеристика пластид в клетках апексов клубней картофеля под действием ЖК (% от числа просмотренных пластид)
Обработка в состоянии Обработка в начале
Характеристика вынужденного покоя прорастания
пластид
контроль ЖК, 10-8 М контроль ЖК, 10-8 М
Форма Округлая, Округлая, Округлая, Округлая,
овальная, овальная, овальная, овальная,
неправильная неправильная неправильная неправильная
Строма Плотная, Плотная, Плотная, Плотная,
конденсированная конденсированная конденсированная конденсированная
Крахмал 88 65 85 90
Белковые включения 31 18 31 15
Пластоглобулы 61 58 50 58
Одиночные 32 62 38 71
мембранные структуры
Трубчатый мембранный 3 5 3 5
комплекс
Периферический 76 77 77 77
пластидный ретикулум
Делящиеся 14 2 18 11
Почкующиеся 18 3 12 15
Обкладки 15 34 18 28
из цистерн ГЭР
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Согласно нашим наблюдениям, пластидный аппарат клеток слоев стержневой и пограничной с ней центральной меристемы в контроле (при прорастании после обработки клубней водой в состоянии вынужденного покоя) представлен 1—2 лейкопластами на срез клетки. Средняя площадь 1 пластиды составляла 6.54 ± 0.65 мкм2, а общая площадь всех пластид на срезе клетки — 9.81 ± 0.70 мкм2 (табл. 1). В большей степени пластиды клеток представлены крахмалоносными лейкопластами (амилопластами), содержащими крупные зерна крахмала (табл. 2, рис. 1а—1в, 1д). Крахмал амилопластов (запасной крахмал) используется клеткой при гисто- и органогенезе растения. При этом м
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.