ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 2, с. 253-259
УДК 581.112
РАДИАЛЬНЫЙ ДИФФУЗИОННЫЙ ТРАНСПОРТ ВОДЫ В РАЗНЫХ ЗОНАХ КОРНЯ КУКУРУЗЫ И ЕГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
К ХЛОРИДУ РТУТИ
© 2007 г. И. Ф. Ионенко, А. В. Анисимов
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук, Казань
Поступила в редакцию 20.06.2006 г.
Проведено сравнительное исследование радиального диффузионного транспорта воды в разных зонах первичного корня кукурузы (Zea mays L., сорт Донская 1) методом ЯМР-спиновое эхо. Коэффициенты диффузии воды сильно различались по длине корня по мере удаления от кончика, и характер различий зависел от времени наблюдения за диффундирующими молекулами воды. Обнаружена неодинаковая чувствительность диффузионного переноса воды в разных зонах корня к действию ингибитора аквапоринов - хлорида ртути. Выявленные различия в подвижности молекул воды объясняются морфологическими и функциональными особенностями клеток (тканей) в исследованных зонах корня и трактуются с позиции различного вклада и перераспределения потоков воды вдоль транспортных путей. Причиной уменьшения диффузионного переноса воды могут быть модификации клеточных стенок в эндодерме (отложение суберина), возникающие при удалении от кончика корня и понижающие вклад апопластного транспорта.
Zea mays - зоны корня - диффузия воды - симпласт - проницаемость мембран - аквапорины - метод ЯМР
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших функций корня является обеспечение надземной части растения водой и минеральными элементами из почвенной среды. Поглощаемая корнями вода является основным вкладом в приходную часть водного баланса и, тем самым, обеспечивает нормальное функционирование всего растения. Наибольшее сопротивление для потока воды в корне, как известно, создается на пути радиального транспорта. При этом 70-90% сопротивления на радиальном участке приходится на живые клетки, а оставшаяся часть - на ксилемные [1].
В работах многих исследователей было показано, что радиальная гидравлическая проводимость корней сильно меняется в зависимости от развития и возраста корней [1-4], а также от внешних и внутренних факторов, таких как водный и солевой стресс, недостаток питательных элементов, изменение температуры, потребность в воде надземной транспирирующей части расте-
Сокращения: Д^ - эффективный коэффициент самодиффузии воды; Я - относительная амплитуда эха; Гд - время диффузии.
Адрес для корреспонденции: Ионенко Ирина Феофановна. 420111 Казань, ул. Лобачевского, 2/31. Институт биохимии и биофизики КНЦ РАН. Электронная почта: ionenko@mail.knc.ru
ния [5-9]. Ряд публикаций посвящен локализации основных барьеров для движения воды в корне [1, 10], и мнения по этому вопросу весьма разноречивы. Укоренившееся мнение о том, что главным барьером на пути радиального транспорта воды в корне является эндодерма с поясками Кас-пари [11-13], оспаривается в ряде работ [1, 10, 14, 15], авторы которых полагают, что сопротивление току воды равномерно распределяется на все живые клетки. Такая точка зрения, в частности, предложена в "модели однородного сопротивления" ("uniform resistance model" [16]) для молодых корней кукурузы с незрелой экзодермой. Локализация основного сопротивления для движения воды в радиальном направлении корня несомненно определяется такими факторами, как стадия развития (возраст) корня, преимущество использования того или иного пути транспорта воды в корне, особенности исследуемого объекта и условия его выращивания, от которых зависит наличие дополнительных барьеров в виде модификаций клеточных стенок в эндо- и экзодерме.
Существенная роль в радиальном переносе воды в корне в настоящее время отводится мембранным водопроводящим каналам - аквапори-нам. Считается, что свыше 70% воды из клетки в клетку движется по этим каналам [17-19]. Аквапорины играют важную роль в клеточной осмо-регуляции и трансклеточном переносе воды, они сосредоточены в большом количестве в зонах
Зона I Зона II Зона III
структуре корня, обусловленные дифференциацией клеток и тканей вдоль его оси, а также функциональные особенности и различный вклад водопроводящих путей, целью данной работы было исследование диффузионного транспорта воды в разных зонах растущего корня кукурузы и его чувствительности к ингибитору аквапоринов -хлориду ртути.
Рис. 1. Схема расположения исследуемых зон в первичном корне кукурузы.
Зона I (кончик корня длиной 2 мм): включает корневой чехлик, клетки апикальной меристемы и переходной зоны ("transition zone", согласно [30]). Размер клеток на протяжении этой зоны мало изменялся и они имели в основном изодиаметрическую форму (d = 10-15 мкм). Зона II (участок корня длиной 7 мм, расположенный выше зоны I): включает клетки зоны растяжения и частично зоны дифференцировки. Клетки вытянуты вдоль оси корня, имеют центральную вакуоль. Диаметр клеток коры в радиальном направлении составляет 30-45 мкм. Зона III (участок корня на расстоянии 60-70 мм от кончика): состоит из дифференцированных, прошедших стадию созревания клеток. Характерно наличие эндодермы с поясками Каспари (пунктирная линия) и ламеллами суберина (сплошная линия). Возможно формирование экзодермы. Центральный стержень показывает положение проводящих сосудов ксилемы (примерно с 25 мм от кончика корня начинается зрелая ранняя метаксиле-ма [1]).
быстрого клеточного деления и растяжения, а также в местах, где наблюдается высокая скорость потока воды. У кукурузы в настоящее время идентифицировано свыше 30 аквапоринов [20]. Показано, что активность аквапоринов зависит от типа и специализации клеток [21, 22] и изменяется в ответ на внешние воздействия и стрессы [6, 23-25]. Появились работы, где демонстрируется различная и неоднозначная чувствительность гидравлической проводимости вдоль растущего корня к ингибитору аквапоринов - хлориду ртути [16, 26] и указывается на вероятность изменения преимущественных путей поглощения воды во время развития корня. Тем не менее, до сих пор остается недостаточно изученным и непонятным вопрос о вкладе разных путей движения воды при ее поглощении корнями, а также процессах, лежащих в основе регуляции поглотительной функции корня.
Ранее мы обнаружили чувствительность диффузионного транспорта воды в корнях кукурузы, измеренных методом ЯМР-спиновое эхо с импульсным градиентом магнитного поля, к воздействию блокатора водных каналов - хлориду ртути [27, 28] и предложили подходы для исследования диффузионного переноса воды в разных ком-партментах растительной ткани [29].
Учитывая то, что в основе изменений транспортных характеристик воды лежат различия в
МЕТОДИКА
Условия выращивания и приготовление образцов. Объектом исследования служили корни 9-дневных проростков кукурузы (Zea mays L.) сорта Донская 1. Семена проращивали в кюветах в течение двух суток между слоями фильтровальной бумаги, смоченной питательным раствором Хогланда-Арнона (1 : 4). Проросшие семена раскладывали на полосы влажной фильтровальной бумаги (15 х 50 см) на расстоянии 2 см друг от друга и 1 см от края бумаги. Затем полосы сворачивали в рулоны и помещали в стаканы, на дно которых наливали питательный раствор. Проростки доращивали в таком виде еще 7 дней при температуре 22 ± 2°С, освещенности 40 Вт/м2 и 12-часовом фотопериоде. В опытах использовали первичные корни проростков кукурузы длиной 12-15 см, из которых вырезали сегменты из разных зон (рис. 1). Зона I - апикальная часть корня длиной 1.5-2.0 мм, включающая меристему и переходную зону (дистальную часть зоны растяжения); зона II - участок корня длиной 7 мм из зоны растяжения клеток (сразу после зоны I); зона III -участок корня длиной 8 мм, расположенный на расстоянии 60-70 мм от кончика корня (зона дифференцированных клеток). Для измерений коэффициентов диффузии в каждую измерительную ампулу помещали образцы из соответствующей зоны в количестве 30 сегментов из зон II и III и 50 сегментов - из зоны I.
В качестве блокатора водных каналов использовали хлорид ртути, который, как известно, является достаточно эффективным в отношении большинства аквапоринов [6, 16, 18, 31, 32]. Для изучения его влияния на диффузионный перенос воды корни интактных проростков кукурузы погружали на 15 мин в питательный раствор, содержащий 0.1 мМ HgCl2. По истечении времени инкубации проростки вынимали из раствора, корни отсекали и разрезали на соответствующие зоны. Концентрация и время инкубации в растворе были выбраны в соответствии с данными других исследователей [18, 19, 31], где было показано, что за 15 мин под влиянием HgCl2 значительно снижалась скорость потока воды, и это снижение было обратимым при последующем воздействии мер-каптоэтанола. Данная концентрация не вызывала значительных побочных эффектов [28], являлась
нетоксичной [33] и не вызывала повреждения мембран [34].
Измерение диффузии проводили в радиальном направлении корня, за исключением зоны I (из-за трудности ориентации слишком маленьких сегментов корней). Все измерения проводили при 22°С.
Измерение коэффициентов диффузии воды методом ЯМР. Измерение диффузии воды проводили на спин-эхо-ЯМР-релаксометре-диффузо-метре на частоте 16 МГц с импульсным градиентом магнитного поля. В основе метода ЯМР-стимули-рованное эхо лежит регистрация диффузионного трансляционного пробега молекул воды по объему образца, помеченного градиентом магнитного поля, за некоторое экспериментальное время диффузии [35]. Экспериментально измеряли диффузионные затухания сигналов спинового эха в зависимости от параметров импульсной последовательности: амплитуды градиентных импульсов магнитного поля (§), длительности импульсов (8) и интервала между ними (1^) - так называемого времени диффузии. Для количественного описания результатов экспериментов использовали формализм эффективного коэффициента самодиффузии воды (Ь^). Формализм заключается в том, что для описания диффузионных затуханий используется соотношение, справедливое для неограниченной диффузии, а дальнейшая интерпретация осуществляется с учетом влияния на диффузионные затухания множества факторов (характера трансмембранного обм
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.