ОНТОГЕНЕЗ, 2015, том 46, № 5, с. 313-326
= БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ =
УДК 581.14+576.6+58.071
РАЗВИТИЕ АРБУСКУЛЯРНОЙ МИКОРИЗЫ У СИЛЬНО МИКОТРОФНОГО РАСТЕНИЯ-ХОЗЯИНА -ЛЮЦЕРНЫ ХМЕЛЕВИДНОЙ (MEDICAGO LUPULINA L.)
© 2015 г. А. П. Юрков1, 2, 3, Л. М. Якоби1, Н. Е. Гапеева1, Г. В. Степанова4, М. Ф. Шишова5
всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии 196608 Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, д. 3 2Университет ИТМО 191002 Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9 3Российский государственный гидрометеорологический университет 195196Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., д. 98 4Всеросссийский научно-исследовательский институт кормов им. В.Р. Вильямса 141055 Московская обл., Лобня, ул. Научный Городок, корп. 1 5Санкт-Петербургский государственный университет 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7—9 E-mail: yurkovandrey@yandex.ru Поступила в редакцию 24.11.2014 г.
Окончательный вариант получен 26.02.2015 г.
Показаны основные этапы развития арбускулярной микоризы (АМ) люцерны хмелевидной Medicago lu-pulina с грибом Glomus intraradices. Исследование проведено методами световой и трансмиссионной электронной микроскопии. Начало микоризации зафиксировано на 7-е сутки развития растения. Дальнейшее развитие приводит к формированию арум типа АМ. Корни люцерны на 88-е сутки от высадки проростков (в фазу плодоношения) характеризуются развитием мощного мицелия, сопоставимого по толщине с сосудами центрального цилиндра, развитием арбускул, а также развитием везикул до фазы внутрикорневых спор. Мицелий, арбускулы и везикулы формируются в непосредственной близости от зоны деления кончика корня, что может свидетельствовать об активном развитии гриба в корнях растения. В корне люцерны идентифицированы все фазы развития и размножения гриба, включая внутри-корневые споры (в межклетниках коры корня), что указывает на активное использование микосим-бионтом питательных субстратов растения-хозяина. Описано присутствие (развитие) растительной цитоплазмы вокруг молодых ветвей арбускул, не характерное для внутрикорневых гиф гриба. Наличие активного симбиоза подтверждается усилением накопления фосфора в тканях M. lupulina при наличии микобионта (G. intraradices) в условиях низкого уровня фосфора в почве. В связи с этим данную сорто-популяцию люцерны хмелевидной можно характеризовать как экологически облигатно микотрофное растение в условиях низкого уровня доступного фосфора в почве. Выявлены особенности развития АМ у сильно микотрофной люцерны хмелевидной, начиная с фазы первого настоящего листа и завершая фазой плодоношения растения-хозяина. Полученная растительно-микробная система является перспективным модельным объектом для дальнейших ультрацитологических и молекулярно-генетиче-ских исследований механизмов, контролирующих симбиотическую эффективность арбускулярной микоризы, включая выделение и анализ новых симбиотических растительных мутантов.
Ключевые слова: арбускулярная микориза, Medicago lupulina, люцерна хмелевидная, Glomus intraradices, гриб арбускулярной микоризы, симбиотические структуры, арбускулы, везикулы, споры, световая микроскопия, электронная микроскопия.
DOI: 10.7868/S0475145015050109
ВВЕДЕНИЕ Арбускулярная микориза (АМ) является наиболее распространенным растительно-микроб-
Принятые сокращения: АМ — арбускулярная микориза, АМ-гриб — гриб арбускулярной микоризы, Рд — доступный для питания растений фосфор, сут — сутки.
ным симбиозом. В ее образовании участвуют грибы отдела Glomeromycota (SchuBler et al., 2001; Finlay, 2008) и 80% видов или 92% семейств наземных растений (Wang, Qiu, 2006; Смит, Рид, 2012). Исследование структур АМ — ее морфологии было начато в 1842 г (Nâgeli, 1842). Первые крупные обзоры о растениях, образующих АМ, с подроб-
ными анатомическими описаниями были опубликованы в 1889 г. (Schlicht, 1889). В них отмечены основные морфологические проявления взаимодействия между растением-хозяином и грибом. В 1897 г. было дано определение внутрикорневых (ин-траматрикальных) вздутий — "везикул" (Janse, 1897) и установлено, что другие структуры, названные позднее "арбускулами" (Gallaud, 1905), локализованы во внутренней части коры корня.
И.А. Селивановым в 1960-е годы основана научная школа по изучению микосимбиотрофии и других форм консортивных отношений в растительном покрове различных ландшафтно-географических зон Советского Союза. АМ (везикулярно-арбуску-лярная микориза) описывается И.А. Селивановым, как фикомицетная тамнискофаговая эндомикори-за, а арбускулы — как один из типов гаусторий. Под понятием "тамнискофагия" понимается процесс деградации арбускул, в результате которого они распадаются на фрагменты с образованием "зернистой массы", которая лизируется — переваривается растением (Селиванов, 1975).
Современные исследования показывают, что ряд видов растений образуют парис тип АМ, при котором вместо арбускул (арум тип АМ) формируются кольца гиф в клетках растения-хозяина. Известен и промежуточный тип АМ (Dickson, 2004). Становление и развитие АМ обычно делят на 5 основных фенотипических этапов: 1) преинфек-ционное развитие — Pid ("preinfection development")', 2) формирование апрессориев — Apf ("apressoria formation"), 3) проникновение гриба в кортекс корня — Pen ("penetration"); 4) дифференцировка арбускул для арум типа АМ — Ard ("arbuscule differentiation"), либо развитие внутриклеточных колец гиф гриба для парис типа — Icd ("intracellular coils development"); 5) стабилизация микобионта — Myp ("mycobiontpersistence"), включающая развитие арбускул, везикул и внутри/внекорневого мицелия (Marsh, Schultze, 2001; Koide, Mosse, 2004). Было показано, что в большинстве растений, ми-коризуемых грибами, АМ представлена арбуску-лами и везикулами, реже (на порядок) образуются только везикулы. В некоторых случаях формируются везикулы и кольца гиф гриба, например, у скабиозы вида Scabiosa ochroleuca L. (Pawlowska et al., 1996) и люцерны вида Medicago sativa L. (Boyetchko, Tewari, 1990). Выявлены основные гены, контролирующие стадии развития АМ (Duc et al., 1989; Klingner et al., 1995; Larkan et al., 2007; Mo-randi et al., 2009). И.А. Тихоновичем в 1990-е годы организована научная школа по изучению моле-кулярно-генетических основ формирования и функционирования взаимовыгодных растительно-микробных систем с применением модельных бобовых растений (Tsyganov et al., 1994; Jacobi et al., 2003; Borisov et al., 2004; Тихонович, Проворов, 2009). Но, несмотря на большое количество данных, посвященных анализу разнообразия струк-
тур АМ, механизмы инициации ее формирования, а также способы регуляции эффективности данного типа симбиотических отношений во многом еще остаются неясными. Особенно редкими являются исследования, нацеленные на сравнительный анализ развития АМ в ходе онтогенеза растения-хозяина.
Кроме того, для исследования механизмов, контролирующих симбиотическую эффективность АМ, используются в основном мутанты, характеризующиеся дефектами в формировании различных стадий развития АМ. На таких модельных растениях в настоящее время активно исследуется общий сигналлинг ризобиального и микоризного симбиоза (Horvath et al., 2011). Однако для эффективного исследования основных механизмов эффективности АМ, на наш взгляд, целесообразно использовать модельные системы, включающие высокоэффективный АМ-гриб и сильно микотрофное в оптимальных для развития АМ условиях растение. Оптимальными условиями для развития АМ, как известно, является низкий уровень доступного для питания растений фосфора (Рд) в почве (Смит, Рид, 2012). Именно в этих условиях максимально проявляется основное действие микобионта на растение-хозяина — усиление фосфорного питания за счет симбиотрофного и/или автотрофного его поступления. Проведенные нами ранее исследования позволили отобрать необходимое модельное растение — люцерну хмелевидную (Юрков и др., 2007). На данном растении получены мутанты, с применением которых проводятся исследования механизмов, контролирующих симбиотическую эффективность арбускулярной микоризы (Юрков, Якоби, 2011).
В связи с вышеперечисленным цель настоящего исследования заключается в анализе развития АМ на разных стадиях развития сильно микотрофного в условиях низкого уровня фосфора в почве растения-хозяина — сортопопуляции ВИК32 люцерны хмелевидной.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объекты исследования
Люцерна хмелевидная (Medicago lupulina L. var. vulgaris Koch, однолетняя) — один из наиболее широко распространенных видов рода Medicago (подрод Lupularia (Ser.) Grossh., сем. Leguminosae Endl.). Диплоид (2n = 16), самоопылитель, размер генома ~500 Мб, семенная продуктивность до 500 семян с растения и более при выращивании в теплице для размножения. Для настоящего исследования использовали сортопопуляцию ВИК32 люцерны хмелевидной — линия MlS-1. Растения этой линии демонстрируют признаки карликовости в отсутствии инокуляции АМ-грибом и условиях низкого уровня доступного фосфора в почве
(Рд). Для инокуляции использован штамм арбус-кулярного микоризного гриба (АМ-гриба) Glomus intraradices Shenck&Smith — изолят RCAM00320 (по ранее принятой классификации — CIAM8) из коллекции лаборатории экологии симбиотических и ассоциативных микроорганизмов ВНИИСХМ. Данный штамм представляет собой высокоэффективный штамм АМ-гриба (Якоби и др., 2000; Юрков и др., 2008) и, являясь облигатным симбионтом, поддерживается в лабораторных условиях на плектрантусе (Plectranthus australis L.) согласно методическим разработкам С. Джианина-ззи с соавт. (Gianinazzi et al., 2002).
Микровегетационный метод
В работе применен метод вегетационного эксперимента, обеспечивающий оптимальные условия для развития АМ и позволяющий избежать спонтанного заражения ризобиями и иными сим-биотическими микроорганизмами (Юрков и др., 2007). Субстрат для выращивания — воздушно-сухую почвенно-песчаную смесь в соотношении 2 : 1 автоклавировали при 134°С, 2 атм. в течение 1 ч, повторно через 2 сут (токсичность после обработки не возникает). Растения выращивали в стерилизованном ультрафиолетом световом боксе с неактивной вентиляцией. Р
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.