ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2009, том 45, № 3, с. 354-360
УДК 581.14.21+581.17.174
ПЛАСТИДНЫЙ АППАРАТ КЛЕТОК АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ ПРИ РЕГУЛЯЦИИ РОСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ
С ПОМОЩЬЮ МЕЛАФЕНА
© 2009 г. Т. А. Платонова, А. С. Евсшнина, Н. П. Кораблёва
Институт биохимии им. АН. Баха РАН, Москва 119071 e-mail: platonova@inbi.ras.ru Поступила в редакцию 19.02.2008 г.
Проведено сравнительное ультраморфометрическое изучение пластидного аппарата клеток апикальных меристем клубней растений картофеля Solanum tuberosum L. в норме (при прорастании) и под действием регулятора роста нового поколения - мелафена в ростстимулирующей концентрации. Показано увеличение площади пластидного аппарата клеток (укрупнение пластид) под действием мелафена. Выявлено стимулирующее действие препарата на накопление крахмала и развитие периферического пластидного ретикулума в лейкопластах клеток апикальных меристем клубней.
В настоящее время активно ведется поиск и испытания новых синтетических препаратов, действие которых в очень малых концентрациях приводило бы к стимуляции важнейших физиолого-биохимических процессов в растительном организме. В этой связи значительный интерес представляет регулятор роста нового поколения - синтетический препарат мелафен, представляющий собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, получаемый с высоким выходом из про-мышленно доступных продуктов [1]. При изучении ответных реакций растительных организмов было установлено, что мелафен в очень низких концентрациях проявляет рострегулирующую активность и может быть рекомендован в качестве регулятора роста растений, отвечающий современным требованиям технологий применения регуляторов роста для повышения продуктивности важнейших сельскохозяйственных культур [2]. При изучении механизма действия мелафена на растения были установлены следующие факты:
- активация энергетических процессов, в частности, дыхания и фотосинтеза, причем препарат в большей степени оказывал влияние на циклическое фотофосфорилирование [3];
- усиление регуляции метаболизма клеток тиро-зинкиназной сигнальной системой и изменение уровня тирозинового фосфорилирования белков под действием мелафена [4];
- усиление синтеза фенольных соединений и алкалоидов [5]. Получены данные, на основании которых можно предположить, что высокая физиологическая активность препарата мелафен связана с его влиянием на физико-химическое состояние биологических мембран растительного и животного происхождения. Это, в свою очередь, приводит к изме-
нению липид-белкового взаимодействия, влияющего на активность ассоциированных с мембранами ферментов [4].
Изучение механизма действия мелафена на ростовые процессы в клубнях растений картофеля показало его влияние на процессы деления, растяжения и активации эндоплазматического ретикулума клеток апикальных меристем. В препарате плазма-леммы из паренхимных клеток обработанных мела-феном клубней отмечалось возрастание активности мембранно-связанной Н+-АТФазы и увеличение пассивной протонной проницаемости мембраны везикул плазмалеммы, что влияет на поступление низкомолекулярных метаболитов и фитогормонов в клетки апекса и на процессы деления и растяжения клеток апекса клубней картофеля [6, 7].
Настоящая работа является частью комплексного биохимического исследования по изучению механизма действия мелафена на растения картофеля. Представляло интерес оценить влияние мелафена в ростстимулирующей концентрации на пластидный аппарат клеток апикальных меристем клубней картофеля, поскольку состояние пластидного аппарата в значительной степени отражает физиолого-био-химические процессы, происходящие в клетках меристемы .
Цель работы - электронно-микроскопическое и морфометрическое изучение пластид в клетках апикальных меристем клубней картофеля сорта Луговской в норме (при прорастании) и под действием мелафена в ростстимулирующей концентрации.
МЕТОДИКА
Объект исследования - апексы (апикальные меристемы) клубней картофеля Solanum tuberosum L.
сорта Луговской в норме (на стадии прорастания) и под действием мелафена в ранее установленной ростстимулирующей концентрации [6]. Для опыта брали по 30 клубней картофеля, находящегося в состоянии вынужденного покоя и погружали на 10 мин в 10-8 М раствор мелафена (сильная стимуляция роста). Контролем служили клубни, обработанные дистиллированной водой. После обработки клубни из опытных и контрольных вариантов высушивали и помещали во влажные камеры при оптимальных условиях для прорастания (18°С, темнота). Через 12-14 сут при появлении на клубнях признаков роста из опытных и контрольных клубней 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 7.17.2) и в 1%-ном OsO4, обезвоживали этанолом возрастающей концентрации и ацетоном, заключали в эпоксидную смолу ЭПОН-812 по общепринятой методике. Для сравнительного изучения из контрольных и опытных вариантов были взяты клетки 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 [8, 9]. 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 [10] 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 клеток и различных внутриклеточных структур (мкм2) по отсканированным изображениям, полученным с микроскопа (с учетом увеличений микроскопа и разрешения сканера) [11]. 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) подсчитывали визуально на тех же изображениях клетки. Результаты измерений с 30 негативов каждого варианта опыта, выраженные средними морфометическими показателями и их стандартные ошибки, представлены в табл. 1. Статистическую обработку данных проводили с помощью компьютерной программы "Microsoft Exсel". Кроме того, наряду со средними мор-
Таблица 1. Морфометрическая характеристика пластид в клетках апексов клубней картофеля сорта Луговской под действием мелафена
Вариант Число пластид на срезе клетки, шт. Общая площадь пластид на срезе клетки, мкм2 Площадь 1 пластиды, мкм2
Контроль 1.94 ± 0.10 4.69 ± 0.49 2.49 ± 0.30
Мелафен, 1.75 ± 0.12 6.58 ± 0.38 3.95 ± 0.29
10-8 М
Таблица 2. Ультраструктурная характеристика пластид в клетках апексов клубней картофеля с. Луговской под действием мелафена (% от числа просмотренных пластид)
Характеристика Вариант
пластид контроль (Н20) мелафен, 10 8 М
Форма округлая, овальная, неправильная округлая, овальная, неправильная
Строма плотная, конденсированная плотная, конденсированная
Крахмал 77 88
Белковые включения 40 26
Пласгоглобулы 44 24
Одиночные мембранные структуры 20 20
Трубчатый мембранный комплекс 7 2
Периферический пластид-ный ретикулум 40 53
Делящиеся 8 6
Почкующиеся 1 1
Обкладки из цистерн ГЭР 28 50
фометрическими данными о числе и площади пластид для нас представляли интерес показатели, характеризующие разнообразие пластидного аппарата 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.
Рис. 1. Фрагменты клеток апексов клубней картофеля (при прорастании, контроль): а -клетка стержневой меристемы с пластидами; б-г - пластиды с включениями (КЗ, БВ и ПГ); в - обкладки из ГЭР вокруг пластиды. Обозначения к рис. 1-4: БВ - белковое включение; В - вакуоль; ГЭР - гранулярный эндоплазматический ретикулум; КЗ - крахмальное зерно; КС - клеточная стенка; МС - мембранные структуры пластиды; ПГ - пластоглобулы; Пд - пластида делящаяся; Пл - пластида.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Пластидный аппарат клеток стержневой и пограничного с ней слоя центральной меристемы в контроле (при прорастании) был представлен 1-2 лейкопластами на срез клетки. Средняя площадь 1 пластиды составляла 2.49 ± 0.31 мкм2, а общая площадь всех пластид на срезе клетки - 4.69 ± 0.49 мкм2 (табл. 1). В большей степени пластиды клеток представлены крахмалоносными лейкопластами (ами-лопластами), содержащими крупные зерна крахмала ( табл. 1; рис. 1а-г; 2а, 2в). Крахмал амилопластов (запасной крахмал) может быть использован в дальнейшем при гисто- и органогенезе растения. Содержание крахмала в амилопластах может как возрастать, так и уменьшаться. В этом случае он может использоваться в качестве субстрата при усилении процессов дыхания. Пластиды клеток имели округлую, вытянутую или слегка неправильную форму (рис. 1а-г; 2а-д). Строма пластид сильно конденсированная. Плотную строму имеют не только пластиды, но и некоторые митохондрии клеток. Предполагается, что высокая плотность основного вещества этих органелл может быть связана с высокой концентрацией сахаров в цитозоле [12]. Заслуживающим внимание является присутствие в строме 40% пластид (табл. 2; рис. 1а, 16; 26, 2в) крупных округлых включений, предположительно белковой природы, окруженных одинарной мем-
браной [13]. Число таких пластид в клетках апикальных меристем клубней картофеля сорта Лугов-ской в несколько раз превышает их содержание в клетках апексов ранее изученных нами других сортов картофеля (с. Бронницкий и с. Дезире) [11] и позволяет отнести этот тип лейкопластов не только к амилопластам, но и к протеинопластам. Функции таких пластид заключаются в отложении запасных веществ. В литературе т
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.