ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2008, том 55, № 3, с. 348-354
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
РЕГУЛЯЦИЯ ГИББЕРЕЛЛИНАМИ РОСТА, РАЗВИТИЯ И ГОРМОНАЛЬНОГО БАЛАНСА РАСТЕНИЙ Arabidopsis НА ЗЕЛЕНОМ И СИНЕМ СВЕТУ
© 2008 г. И. Ф. Головацкая
Кафедра физиологии растений и биотехнологии Томского государственного университета, Томск
Поступила в редакцию 02.05.2007 г.
Изучали роль гиббереллинов в морфогенетических реакциях растений на селективном свету. Проведен сравнительный анализ действия зеленого и синего света на рост, развитие и гормональный баланс растений двух линий Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (экотип Landsberg erecta): дикого типа Ler и его мутанта ga4-1 с нарушенным синтезом ГК4/1. Отсутствие активных ГК4/1 у мутанта ga4-1 обуславливало замедление роста вегетативных и репродуктивных органов и прохождение фаз онтогенеза, снижение апикального доминирования и семенной продуктивности растений. Замедление роста и развития растений мутанта было сопряжено с изменением их гормонального баланса по сравнению с исходной линией: снижением содержания ИУК и отношения ИУК/АБК, увеличением содержания рибозида зеатина и АБК. Действие зеленого света замедляло растяжение и ветвление стебля побега, уменьшало удельную поверхностную плотность листьев и семенную продуктивность растений, задерживало переход растений в генеративную стадию в большей степени при дефиците ГК4/1 (ga4-1), чем при норме ГК4/1 (Ler).
Ключевые слова: Arabidopsis thaliana - линии Ler, ga4-1 - морфогенез - ГК4/1 - ИУК - АБК -рибо-зид зеатина - зеленый и синий свет.
ВВЕДЕНИЕ
Реализация той или иной программы развития у растений во многом зависит как от эндогенных систем регуляции, так и от факторов внешней среды (света). В гормональной системе регуляции существенное место занимает многочисленная группа фитогормонов - гиббереллинов. Собственно гормональной функцией обладают относительно немногие из ГК, имеющие существенную биологическую активность. Физиологическое действие ГК выражается в стимуляции ростовых процессов за счет усиления растяжения клеток и повышения митотической активности меристематических тканей. ГК ингибируют действие продуктов генов GAI, SPY и GAR2, подавляющих рост растения [1, 2]. Повышение уровня ГК значительно стимулирует удлинение побега, главным образом, за счет увеличения длины междоузлий, в то время как дефицит ГК может определять карликовость растений. ГК участвуют во всех стадиях развития растения [3], однако оста-
Сокращения: БГП - боковой генеративный побег, ГГП -главный генеративный побег, ЗС - зеленый свет, РЗ - ри-бозид зеатина, СС - синий свет, УПП - удельная поверхностная плотность.
Адрес для корреспонденции: Головацкая Ирина Феокти-стовна. 634050 Томск, пр. Ленина, 36. Томский госуниверситет, кафедра физиологии растений и биотехнологии. Электронная почта: lapgol@mail.tomsknet.ru
ется недостаточно изученной роль ГК на генеративной стадии развития. Показано, что повышение уровня ГК на стадии детерминации генеративного пути развития меристем подавляет образование генеративных органов в многолетних растениях. В то же время, снижение уровня ГК на более поздних этапах формирования элементов цветка в меристеме так же неблагоприятно сказывается на генеративном развитии. У некоторых розеточных растений обработка ГК индуцирует цветение даже в условиях неблагоприятного светового дня. Эти факты послужили академику М.Х. Чайлахяну основанием для представления ГК в качестве необходимой части гипотетического гормона цветения флоригена [4, 5]. Однако в настоящее время известно, что ответ на действие ГК - один из нескольких путей, поддерживающих цветение в арабидопсисе [6, 7].
Большую роль отводят ГК и брассиностерои-дам в регуляции программ морфогенеза растений [8]. Морфогенез растений на красном свету сопряжен с увеличением содержания и активности ГК [9-12]. Менее исследована зависимость морфогенеза от ГК на синем (СС) и зеленом (ЗС) свету [10, 11]. Практически отсутствуют исследования влияния зеленого света на развитие и гормональный баланс растений Arabidopsis [13]. В связи с этим целью нашей работы явилось изучение роли ГК в регуляции процессов роста, развития и
гормонального статуса растений арабндопснса на СС и ЗС.
МЕТОДИКА
В исследованиях использовали растения Arabi-dopsis thaliana (L.) Heynh. (экотип Landsberg erecta) исходной линии Ler и ее мутанта ga4-1 с нарушенным биосинтезом ГК4/1. Растения выращивали при 16-часовом фотопериоде на синем (СС, 400-500 нм) и зеленом (ЗС, 500-600 нм) свету. В работе использовали синие TL-D 18W/18 и зеленые TL-D 18W/17 люминесцентные лампы (световой поток 2.7 х 1015 квантов/(см2 с)) фирмы "Philips" (графики спектральной плотности излучения представлены на рис. 1). В процессе онтогенеза анализировали ростовые параметры и содержание фитогормонов у растений обоих вариантов.
Для определения содержания свободных форм ИУК и АБК растительный материал фиксировали жидким азотом, затем фитогормоны экстрагировали 70%-ным этанолом и экстракт выпаривали до водного остатка. Водную фазу подкисляли (рН 2.7-3.0), после чего фитогормоны экстрагировали диэтиловым эфиром [14]. Разделение фитогормонов проводили с помощью ТСХ на пластинках Silufol UV-254 в системе растворителей этилацетат : хлороформ : уксусная кислота (100 : 100 : 1). В качестве стандартов использовали образцы ИУК ("Serva", Германия) и АБК ("Sigma", США).
Выделение цитокининов проводили по методу, включающему экстракцию растительного материала 70%-ным этанолом, упаривание экстракта до водного остатка и экстрагирование последнего при рН 8.0 n-бутанолом [15]. Хроматографиче-ское разделение цитокининов осуществляли на пластинках Silufol UV-254 в дистиллированной воде. В качестве стандартов использовали зеатин и рибозид зеатина ("Sigma").
Количественное определение фитогормонов проводили с помощью твердофазного иммуно-ферментного метода [16], используя специфические антитела к свободным формам ИУК, АБК, зеатину и рибозиду зеатина ("Фармхиминвест", Россия).
На графиках приведены средние арифметические значения и их стандартные ошибки из двух независимых экспериментов, каждый из которых проведен в 3-кратной (определение фитогормонов) и 30-кратной (ростовые параметры) биологической повторности.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Выращивание на свету разного спектрального состава мутантных линий арабидопсиса с нарушениями в синтезе или восприимчивости к гормону
Рис. 1. Спектры излучения люминесцентных ламп фирмы "Philips".
а - синие лампы TL-D 18W/18, б - зеленые лампы TLD 18W/17.
позволяет всесторонне изучить регулируемые гормонами и светом реакции и попытаться объяснить пути трансдукции сигнала, опосредованные рецепторами гормонов и света.
Изучаемый нами мутант ga4-1 - полукарлик, прорастающий без дополнительной обработки экзогенными ГК. У ga4-1 блокирован процесс образования фермента ГК-3-Р-гидроксилазы (GA4), катализирующей поздние цитоплазматические этапы биосинтеза ГК в проростках - превращение неактивных групп ГК9/20 в активные гК4/1 [3, 17]. Прорастание семян мутанта поддерживается пулом активных ГК, образованных с помощью функционирования другой ГК-3-Р-гидроксилазы (GA4H) на стадии зародыша.
Сравнение морфологии растений двух линий арабидопсиса, выращенных при синем или зеленом свете, показало, что растения мутанта с дефицитом активных ГК4/1 отличались от растений Ler меньшей длиной главного генеративного побега (ГГП), но большим числом боковых побегов (БГП), при этом, однако, количество ярусов достоверно не различалось у обеих линий (рис. 2). Из этого следует, что недостаток активных ГК4/1 в большей степени вызывал торможение процессов растяжения и апикального доминирования растений, чем закладку метамеров.
В процессе онтогенеза растений мутанта ga4-1 на СС происходило более активное растяжение
(а)
(б)
5 см
Ьег
804-1
Ьег
80,4-1
Рис. 2. Внешний вид 47-дневных растений A. tha.lia.na L. (Heynh.), выращенных на синем (а) и зеленом (б) свету.
ГГП, по сравнению с ЗС (рис. 3а). Одновременно на СС формировалось большее число БГП второго и третьего порядков, общая длина которых превышала длину ГГП растений мутанта на ЗС и растений дикого типа на СС (рис. 36). Действие ЗС замедляло растяжение и ветвление стебля побега, уменьшало удельную поверхностную плотность (УПП) листьев и семенную продуктивность растений, задерживало переход растений в генеративную стадию в большей степени при дефиците ГК4/1 ^4-1), чем при норме ГК4/1 ^г) (рис. 2).
Количество листьев у мутанта ga4-1 и их УПП уменьшались по сравнению с растениями дикого типа на СС и ЗС. В то же время, на ЗС УПП листьев растений обеих линий была ниже, чем у растений, которые выращивали при СС (данные не представлены). Эти результаты согласуются с данными для других видов, у которых обнаружено уменьшение толщины листа и количества клеток в единице площади листа при облучении СС или ЗС [18, 19].
Накопление сухой биомассы растений ga4-1 на СС увеличивалось активнее, чем на ЗС (рис. 3в). Кривая роста биомассы на СС характеризовалась ярко выраженной логарифмической фазой с 26-по 47-е сутки, совпадающей с активным образованием БГП. На ЗС кривая роста биомассы была пологой, что могло быть связано с замедлением клеточного роста БГП [16, 17]. Принимая во внимание известные факты регуляторной и энергетической роли света, различия в морфологии и накоплении биомассы можно объяснить разным набором активируемых регуляторных фоторе-
о
и <
Щ
ю о к
^ , м
К -
ч И
"я ° 6 о
^ и
и В
ю Ю
о о . к к4
(а)
А
26
47
61
о
« 2 о м
§12 и
ю
с«
м
к £ -
И И
с«
м к Ё0
26
47
61
0.03 г
с« О О
с« «
с«
0.02
£0.01
0
26 47 61
Возраст растений, сутки
Рис. 3. Динамика роста главного побега (а), отношения общей длины боковых побегов к длине главного побега (б) и сухой массы (в) растений мутанта ga4-1 A. thaliana на синем (1) и зеленом (2) свету.
цепторов на селективном свету, разной организацией и деятельностью фотосинтетического аппарата.
Главным фактором, определяющим продуктивность арабидопсиса, характеризующим его ге-нотипические признаки, является число семян на одном растении. Недостаток ГК4д обу
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.