ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 3, с. 455-460
УДК 581.1
РОЛЬ АУКСИНОВ И ЦИТОКИНИНОВ В ФОРМИРОВАНИИ
БОКОВЫХ КОРНЕЙ У РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ С ЧАСТИЧНО УДАЛЕННЫМИ ПЕРВИЧНЫМИ КОРНЯМИ
© 2007 г. Л. Б. Высоцкая*, Ä. В. Черкозьянова*, С. Ю. Веселов**, Г. Р. Кудоярова*
*Институт биологии Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа **Башкирский государственный университет, Уфа Поступила в редакцию 17.07.2006 г.
Удаление четырех корней из пяти у 7-8-дневных растений пшеницы приводило к активации роста боковых корней и закладке примордиев боковых корней на оставшемся корне по сравнению с главным корнем интактных растений. Степень выраженности данной ростовой реакции зависела от помещения срезов после удаления корней над или под поверхностью питательного раствора. Анализ содержания ИУК и цитокининов показал накопление этих гормонов в оставшемся главном корне растений с частичным удалением корней по сравнению с главным корнем интактных растений. При этом степень накопления ИУК коррелировала с количеством боковых корней и примордиев боковых корней. Оценка гормонального баланса и транспорта гормонов из побега в корень позволяет обсуждать участие этих гормонов и их взаимодействие в регуляции роста корней как на стадии закладки и формирования примордиев, так и роста боковых корней.
Triticum durum - ауксины - цитокинины - боковые корни
ВВЕДЕНИЕ
Ветвление корней - важная адаптивная реакция, обеспечивающая оптимизацию поглощения из почвы ионов [1, 2]. Корневая система растений отличается высокой пластичностью, и характер ее ветвления меняется в онтогенезе и в зависимости от условий корнеобитания [3]. Выявление механизмов, ответственных за регуляцию образования боковых корней у растений, является насущной задачей физиологии растений. Гормонам растений, в первую очередь, ауксинам и цитоки-нинам, отводится основная регуляторная роль. Вместе с тем, существуют противоречия во взглядах на роль ауксинов и цитокининов в регуляции инициации и роста боковых корней. Большой опыт исследований роли ауксинов в корнеобразо-вании как под влиянием различных факторов внешней среды [4, 5], так и при изучении многочисленных мутантов с измененной структурой корня и дефектами в метаболизме и транспорте ауксинов [6] свидетельствуют в пользу их участия в регуляции закладки примордиев и их дальнейшего роста. В то же время, традиционно цитоки-
Сокращение: ФАР - фотосинтетически активная радиация. Адрес для корреспонденции: Высоцкая Лидия Борисовна. 450054 Уфа, пр. Октября, 69. Институт биологии Уфимского научного центра РАН. Электронная почта: vysotskaya@anrb.ru
нины связывают с ингибированием образования боковых корней [7, 8]. Морфология трансгенных растений с пониженным содержанием цитокининов, казалось бы, подтверждает это мнение. У таких растений наблюдали усиленное ветвление корней [9]. Однако недавние публикации свидетельствуют о новом аспекте в действии цитокининов. Получены мутанты, у которых отсутствуют все три гена, кодирующие гистидинкиназы, выполняющие функцию рецепторов цитокининов [10]. Было показано, что размер и активность апикальной меристемы корней были резко уменьшены у тройных мутантов, что указывает на необходимость системы рецепции цитокини-нового сигнала через гистидинкиназы для роста корней. Противоречивость данных о роли гормонов в регуляции образования боковых корней свидетельствует о необходимости ее дальнейшего изучения.
Удобной моделью для изучения регуляции роста корневой системы являются растения, у которых удалена часть корневой системы [11], поскольку было обнаружено, что у них происходит компенсаторная активация роста корней. Ранее нами было показано увеличение содержания ауксинов и цитокининов в единственном корне, оставшемся после удаления остальных зародышевых корней проростков пшеницы [12, 13], и обсуждалась роль этой гормональной реакции в активации образования боковых корней. Однако в
этих опытах регистрировали лишь появление боковых корней, но не количество заложенных при-мордиев. Для объяснения накопления ауксинов в единственном оставшемся корне было высказано предположение о том, что их поток из побега поступает в один корень вместо пяти [12]. Вместе с тем, в этих опытах скорость транспорта ауксинов из побега не определяли. Исследование водного обмена у растений с частично удаленной корневой системой привело к следующей постановке опытов: в одних опытах поверхность срезов удаленных корней погружали в раствор (П-расте-ния), а в других - размещали над его поверхностью (Н-растения) [13]. В первом варианте вода легко поступала в побег по перерезанным ксилемным сосудам, а во втором поток воды шел только через единственный оставшийся корень. Было замечено более сильное ветвление корней у растений, у которых поверхность среза корней размещалась над раствором. Представляло интерес выяснить, связано ли различие в активности ветвления с изменением содержания гормонов у растений.
Все сказанное определило цель работы, которая состояла в том, чтобы попытаться выявить роль гормонов в регуляции ветвления корней путем сопоставления влияния разных способов удаления корней, с одной стороны, на закладку и рост боковых корней, и, с другой стороны, - на содержание и транспорт гормонов.
МЕТОДИКА
Семена пшеницы (Triticum durum Desf. сорта Безенчукская 139) проращивали в темноте на водопроводной воде при температуре 22-25°C, после чего растения переносили в контейнеры, заполненные водопроводной водой и помещали на светоплощадку с 14-часовым фотопериодом при 450 ммоль/(м2 с) фотосинтетически активной радиации (ФАР). За два дня до начала экспериментов водопроводную воду заменяли на 10%-ный раствор питательной среды Хогланда-Арнона. Температура воздуха в течение светового периода была в переделах 22-25°С.
Объектом исследования служили 7-8-дневные проростки пшеницы. За день до экспериментов удаляли зерновку и помещали растения в стаканы со 100 мл питательного раствора для адаптации. Перед началом эксперимента убеждались в том, что на главном корне растений еще не было боковых корней. Отрезали четыре зародышевых корня из пяти, оставляя один корень. Оставшийся после редукции корневой системы главный корень помещали в питательном растворе таким образом, что срезы после удаления корней располагались над поверхностью питательного раствора (Н-растения) или в самом питательном растворе (корни удаляли под водой с помощью острого
лезвия, таким образом, предотвращая их закупорку воздухом (П-растения)). Такая постановка опытов давала нам возможность наблюдать ростовую реакцию растений с редуцированной корневой системой, у которых был зарегистрирован временный дефицит воды и торможение роста побега (Н-растения) или таковые отсутствовали (П-растения) [13].
Количество боковых корней и примордиев боковых корней определяли через 1.5 суток после удаления корней при помощи микроскопа после фиксации корней по Кларку в смеси этилового спирта с ледяной уксусной кислотой (3 : 1) и окрашивания ацетокармином [8].
Для оценки транспорта гормонов из побега в корень изолированные побеги помещали в 20 мМ раствор ЭДТА, рН 7.0, для предотвращения закупорки флоэмных сосудов и выдерживали в темноте при 24°С [14]. Чтобы исключить смешивание флоэмного сока с ксилемным, через 15 мин раствор ЭДТА заменяли на свежий и пробирки вновь помещали в темноту на 3 ч.
Определение содержания фитогормонов: ИУК, цитокининов (зеатин + зеатинрибозид + зе-атиннуклеотид) в тканях растений и водном растворе с ЭДТА проводили с помощью иммунофер-ментного анализа [15] через 3 ч после удаления части корней. Для экстракции гормонов из растительного материала использовали 80%-ный этанол [12, 13].
На рисунках и в таблицах представлены средние значения биологических повторений и ошибки средних, а также указано число биологических повторностей (п).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Удаление четырех корней из пяти у семидневных растений пшеницы приводило к активации роста боковых корней (табл. 1). Возрастало число выявляемых визуально боковых корней на оставшемся корне по сравнению с их числом на главном корне интактных растений. Через 1.5 дня зона корня с боковыми корнями была длиннее у растений с частично редуцированной корневой системой, чем у интактных растений (примерно 2/3 от средней длины корня у первых и половина - у вторых). Средняя длина главного корня ни в одном из вариантов не отличалась от длины главного корня интактных растений.
Из табл. 1 видно, что удаление части корней приводило не только к активации появления боковых корней, но и к увеличению количества и плотности примордиев на оставшемся корне. Плотность примордиев после воздействия была значительно больше в акропетальной части главного корня обоих вариантов (данные не представ-
Таблица 1. Длина главного корня (ГК), количество боковых корней (БК), примордиев боковых корней (ПБК) и их плотность у интактных растений (контроль), растений с погруженными в питательный раствор (П-растения) и расположенными над раствором (Н-растения) поверхностями срезов удаленных корней через 1.5 дня после частичной редукции корневой системы (п = 50)
Вариант Длина ГК, см Количество БК Количество ПБК Сумма БК и ПБК
на корень на 1 см корня на корень на 1 см корня на корень на 1 см корня
Контроль 18.4 ± 1.3 5.0 ± 1.1 0.27 21.8 ± 1.8 1.2 26.8 1.5
П-растения 18.2 ± 1.1 8.0 ± 2.1 0.44 28.0 ± 2.3 1.6 36.0 2.0
Н-растения 18.9 ± 0.7 12.9 ± 1.9 0.68 32.0 ± 1.9 1.7 44.9 2.4
Таблица 2. Содержание ИУК и цитокининов (ЦК) в главном корне и скорость их вытекания из изолированного побега в раствор, содержащий ЭДТА, у интактных растений (контроль), растений с погруженными в питательный раствор (П-растения) и расположенными над раствором (Н-растения) поверхностями срезов удаленных корней через 3 ч после частичной редукции корневой системы (п = 9)
Вариант Содержание ИУК, нг/г сырой массы Содержание ЦК, нг/г сырой массы Скорость вытекания гормона из побега, пг/(растение ч)
ИУК ЦК
Контроль 122 ± 16 14 ± 3 130 ± 9 256 ± 10
П-растения 214 ± 23 40 ± 7 230 ± 12 297 ± 19
Н-растения 342 ± 34 56 ± 9 320 ± 17 314 ± 23
лены). Между развившимися боковы
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.