ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 3, с. 440-445
УДК 581.1
ОТВЕТНАЯ РЕАКЦИЯ КОРНЕЙ Lupinus albus НА СИГНАЛ О НЕДОСТАТКЕ ФОСФОРА В СРЕДЕ
© 2004 г. Ч. М. Тян, Б. Ван, Ч. С. Сонг, В. П. Ли, Ф. Л. Цинь*
Школа науки о жизни и технологии, Цзао-тун Университет Сианя, Сиань, Китай * Отдел питания растений, Китайский сельскохозяйственный университет, Пекин, Китай
Поступила в редакцию 20.09.2002 г.
Выделение органических кислот в ризосферу индуцируется низким содержанием фосфора в корнях белого люпина (Lupinus albus L.). Мы исследовали ответную реакцию корней белого люпина на сигнал о недостатке фосфора в окружающей среде. Корневую систему разделяли на две части: часть корней погружали в раствор без фосфора, а остальные корни - в раствор, содержащий достаточное количество фосфора. Мы показали, что сигнал о недостатке фосфора воспринимают кончики корней длиной 1 см. Этот сигнал передается от одного кончика корня к другому и может вызывать накопление малата в кончиках корней и образование протеоидных (кластерных) корней. Для исследования влияния на эти процессы фитогормонов, мы применили обработку корней гормональными препаратами. Добавление индолилмасляной кислоты к содержащему фосфор раствору вызывало образование протеоидных корней, в которых, однако, не накапливалась лимонная кислота. Напротив, внесение БАП в раствор, не содержавший фосфора, подавляло образование протеоидных корней и накопление малата в кончиках корней, и этот ингибиторный эффект усиливался с увеличением концентрации БАП.
Lupinus albus - органические кислоты - индолилмасляная кислота - 6-бензиламинопурин - разделение корневой системы - дефицит фосфора
Во многих регионах мира фосфор является основным фактором, лимитирующим рост растений. Различные растения могут по-разному реагировать на дефицит фосфора. Некоторые виды выделяют из кончиков корней органические кислоты, в частности лимонную кислоту [1]. Выделение лимонной кислоты в ризосферу может повысить доступность фосфора путем его мобилизации из трудно растворимых фосфатов Бе и А1 [2] или фосфатов Са [3]. Органические кислоты могут снижать поглощение Р из почвы в следующем порядке: трикарбоксильные кислоты > дикарбок-сильные кислоты > монокарбоксильные кислоты [4]. Протеоидные корни (рис. 1) представляют собой похожие на ершики скопления корешков, покрытых плотным слоем корневых волосков, развивающиеся на боковых корнях [5]. Их образование типично для корней белого люпина в ответ на недостаток фосфора [6-8]. Такие корни могут выделять большие количества лимонной кислоты [9]; иногда это количество достигает 11% от
Сокращения: ИМК - индолил-3-масляная кислота; МДГ - ма-латдегидрогеназа; ФЭПК - фосфоэнолпируваткарбоксилаза. Адрес для корреспонденции: Tian Zhong Min. Department of Biomedical Engineering, School of Life Science and Technology, Xi'an Jiao-tong University, Xi'an, 710049 China. Fax: 86-292-6686-68; e-mail: mzhtmzht@163.com
сухого веса растения [4]. Процесс зависит от возраста растения и степени недостатка фосфора. Keerthisinghe с соавт. [10] детально исследовал выделение лимонной кислоты, активность ферментов, участвующих в синтезе этой кислоты, и поглощение Р вдоль оси протеоидного корня. Выделение цитрата и активность фосфоэнолпиру-ваткарбоксилазы (ФЭПК) и малатдегидрогеназы (МДГ) были наивысшими в молодых протеоидных корешках (на расстоянии 1-3 см от кончика корня). В то же время выделение цитрата из зон на расстоянии 0-1 и 5-9 см от кончика составляло всего 7% от такового в зоне 1-3 см (в расчете на единицу длины корня). Откуда же берутся органические кислоты? Hoffland [11] обнаружил активацию ФЭПК в листьях рапса, страдающего от недостатка Р, что совпадало с накоплением цитрата в побеге. Он также показал, что предоставление побегам 14СО2 приводило к 9-кратному повышению удельной радиоактивности органических кислот, выделяемых из корней, дефицитных по Р, в сравнении с корнями, растущими при нормальном его снабжении (0.25 мМ Р). Однако Johnson с соавт. [8] сообщили, что лимонная кислота, выделяемая протеоидными корнями, частично синтезировалась из углерода в самих корнях, благодаря активации в них ФЭПК, МДГ и ци-тратсинтезы. Опыты по мечению интактных побегов и корней показали, что синтез лимонной
Рис. 1. Распределение протеоидов в корневой системе (а) и форма протеоидных корней (б).
кислоты, выделяемой корнями при дефиците Р, прямо связан с нефотосинтетической фиксацией углерода корнями; этот углерод составляет 2534% углерода, выделяемого в составе цитрата и малата.
В связи со сказанным, задачей данной работы было узнать, какая часть растения воспринимает сигнал о недостатке Р в среде и как растение отвечает на этот сигнал.
МЕТОДИКА
Выращивание растений. Семена белого люпина Lupinus albus L. (сорт Амига, выведенный в Центре семеноводства юго-западной Германии) стерилизовали 10%-ной H2O2 в течение 30 мин, затем ополаскивали бидистиллированной водой в течение 15 мин и проращивали в темноте на влажной фильтровальной бумаге. Проросшие семена переносили в кварцевый песок и оставляли в нем до полного развертывания двух семядолей. Проростки переносили в 2-литровые пластмассовые сосуды с питательным раствором следующе-
Рис. 2. Схема разделения корневой системы и ее расположения в контейнере с питательными растворами с Р или без Р.
Обе части корневой системы были погружены в раствор. Левая секция контейнера заполнена раствором без Р (-Р), а правая - раствором с Р (+Р).
го состава: 7.5 х 10-4 M K2SO4, 6.5 х 10-4 M MgSO4 10-4 M KCl, 2 х 10-3 M Ca(NO3)2, 2.5 х 10-4 M KH2PO4, 10-5 M ЭДТА-Fe, 10-6 M MnSO4, 10-5 M HBO3, 10-7 M CuSO4, 10-6 M ZnSO4, 5 х 10-9 M (NH4)6Mo7O24. рН раствора подводили до 6.2. В случае среды, не содержавшей Р, KH2PO4 заменяли 1.25 х 10-4 M K2SO4. В каждый сосуд высаживали по шесть одинаковых проростков. Растворы непрерывно продували воздухом и меняли через день. Растения выращивали при 25°С днем и 18°С ночью при освещенности 185-210 мкЕ/(м2 с) и 14-часовом фотопериоде.
Разделение корневой системы. Через 7 сут после переноса проростков на питательный раствор удаляли семядоли и главный корень, а корневую систему делили на две части (рис. 2): одни корни погружали в раствор без фосфора (-Р) в одном из отсеков двухкамерного контейнера, а остальные корни - в раствор, содержащий фосфор (+Р). В каждом контейнере находилось по три растения. В контроле обе камеры контейнера заполняли раствором без фосфора (С-Р) или с фосфором (С + Р). Питательные растворы непрерывно продували воздухом и меняли через день. Каждую обработку проводили в 3 повторностях.
Применение гормональных препаратов. Опыты с гормонами проводили на 7-е сутки после переноса проростков на питательный раствор и удаления семядолей. Инд олил-3-масляную кислоту (ИМК) добавляли к раствору, содержащему Р, в концентрациях 0.01, 0.1 и 0.5 мг/л. БАП добавляли к раствору, не содержащему Р, в концентрациях 0.01, 0.1 и 0.5 мг/л. Через 5, 10 и 15 сут кончики корней и протеоидные ткани замораживали при -20°C.
0.5 см, 0.1 г сырого веса) замораживали в жидком азоте и хранили при -80°С. Образцы тканей гомогенизировали с 5% (по объему) Н3Р04. После центрифугирования супернатант разбавляли в 10 раз буфером для элюции, используемым при ВЭЖХ, и анализировали методом обращенно-фазной ВЭЖХ.
ВЭЖХ органических кислот. Органические кислоты, экстрагированные из корней и их выделений, фракционировали методом ВЭЖХ в хроматографе 8Ышаё7и ЬС-10А (Япония) с колонкой СЬС-ОББ С-18 (150 х 6 мм). Элюцию производили 18 мМ КН2Р04-Н3Р04, рН 2.1-2.25, со скоростью тока 0.7 мл/мин и температурой в колонке 27°С. Органические кислоты измеряли при 214 нм, используя УФ-детектор БРБ-ЮА. Методом ВЭЖХ определяли следующие органические кислоты: щавелевую, винную, яблочную, малоновую, молочную, уксусную, малеиновую, лимонную, янтарную и фумаровую [12].
Определение фосфора. На 7-, 14- и 24-е сутки после начала обработки растения собирали, определяли сухой вес побегов и корней после их высушивания при 60°С в течение 72 ч и определяли фосфор методом, описанным в [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Через 7 сут после разделения корневой системы прирост сухого веса растений уменьшился по сравнению с растениями с неразделенной корневой системой. Увеличение длины и сырого веса корней в тех частях корневой системы, которая росла в содержащем Р (+Р) и лишенном Р (-Р) растворах, не отличалось от соответствующих параметров в контрольных растениях, растущих в растворах с Р (С + Р) и без Р (С - Р). Протеоидные корни образовывались во всех случаях. Общее содержание Р в корнях снижалось, потому что только часть корневой системы росла в полной питательной среде. Однако, согласно наблюдениям, сделанным КееПЫ$Ы§е с соавт. [10], этого количества Р было достаточно для роста и развития белого люпина.
Рис. 4а показывает, что 1-сантиметровые кончики корней, растущих в растворе без Р (-Р) или с
Влияние разделения корневой системы в течение 14 сут на содержание фосфора в растениях люпина
Обработка Содержание Р, мг/г сухого веса Содержание Р, мг/г сырого веса
корень стебель + листья растение корень стебель + листья растение
Разделенная корневая система (+Р, -Р) Контроль (С + Р) Контроль (С - Р) 6.49 ± 0.38 11.64 ± 0.29 1.24 ± 0.16 4.48 ± 0.57 6.29 ± 0.8 1.13 ± 0.11 5.11 ± 0.49 8.08 ± 0.66 1.17 ± 0.15 0.69 ± 0.05 1.11 ± 0.08 0.23 ± 0.03 0.91 ± 0.13 1.15 ± 0.16 0.43 ± 0.04 0.83 ± 0.07 1.14 ± 0.09 0.35 ± 0.04
Примечание. Представлены средние значения для 20 проростков и их стандартные ошибки.
Рис. 3. Схема локального сбора корневых выделений. 1 - диск наложен так, чтобы поглощать выделения из протеоидного корня; 2 - диск наложен так, чтобы поглощать выделения из кончика корня.
Сбор корневых выделений. Из хроматографи-ческой бумаги вырезали диски диаметром 5 мм; их промывали трижды метанолом и бидистилли-рованной водой, высушивали на воздухе в стерильных условиях и хранили в темных склянках. Корневые выделения собирали спустя 7, 14 и 24 сут после разделения корневой системы на две части (рис. 3). Корни ополаскивали трижды биди-стиллятом и расстилали на поверхности увлажненного во
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.