ОНТОГЕНЕЗ, 2013, том 44, № 3, с. 174-178
= БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 581.143.28:58.036
РОЛЬ ФИТОХРОМА В ПРОЦЕССАХ ОРГАНООБРАЗОВАНИЯ
У CUCUMIS SATIVUS L.
© 2013 г. М. И. Сысоева, Е. Ф. Марковская*
Институт биологии Карельского научного центра РАН
185910 Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11
* Петрозаводский государственный университет
185910 Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33
E-mail: sysoeva@krc.karelia.ru
Поступила в редакцию 07.09.12 г. Окончательный вариант получен 19.11.12 г.
Изучено участие фитохрома В в процессах органогенеза в апикальных и пазушных меристемах побега на ранних этапах онтогенеза огурца Cucumis sativus L. при фотопериодах (день/ночь) 10/14, 16/8 ч и круглосуточном освещении на основании сопоставления растений дикого типа и фитохром В-де-фицитного мутанта (lh-мутант). Показано, что у мутанта дефицит фитохрома В вызывал ингибиро-вание заложения листьев как на главном, так и на боковых побегах растения и способствовал увеличению числа зачатков цветов (IV этап органогенеза). В условиях круглосуточного освещения у растений дикого типа отмечено двухкратное по сравнению с мутантом увеличение числа боковых побегов и цветков на IV этапе органогенеза. Кратковременная низкотемпературная обработка мутантов не индуцировала флоральный органогенез, но увеличивала число боковых побегов в обоих вариантах опыта при длинном фотопериоде и круглосуточном освещении. Высказана гипотеза, что фитохром В, через увеличение компактности хроматина, может способствовать согласованию процессов развития с изменениями условий окружающей среды.
Ключевые слова: Cucumis sativus L., /А-мутант, дикий тип, кратковременные снижения температуры, круглосуточное освещение, фотопериод, органогенез, боковые побеги, зачатки цветков.
DOI: 10.7868/S0475145013030099
Растения, как организмы, ведущие прикрепленный образ жизни, вынуждены согласовывать свой рост и развитие с постоянно изменяющимся условиями окружающей среды, среди которых наиболее важными являются свет и температура. Предполагается, что действие этих факторов связано сигнальными путями, и различные реакции растения (регуляция прорастания и цветения, формирование габитуса, повышение морозоустойчивости растений и др.) могут контролироваться этим взаимодействием (Halliday et al., 2003; Franklin, 2009; Franklin, Quail, 2010).
Растения воспринимают световые сигналы фоторецепторами — системой фитохромов. Установлено, что фитохромные фотопревращения являются температуро-зависимыми (Borthwick et al., 1952; Halliday et al., 2003), в связи с чем их рассматривают как кандидатов на роль и температурных сенсоров (Kim et al., 2002; Franklin, 2009). Известно, что фитохромы участвуют в согласовании он-
тогенетических программ с изменяющимися условиями среды (Halliday et al., 2003). В частности, показано, что фитохром В участвует в регуляции термоморфогенетических реакций на действие переменных суточных температур (Sysoeva et al., 2008; Thingnaes et al., 2008; Xiong et al., 2011), роста листьев, наступления цветения (Haliday et al., 1994; Devlin et al., 1996), в процессах закаливания и раз-закаливания растений (Сысоева и др., 2013). Значительно меньше внимание уделяется изучению роли фитохрома В в процессах вегетативного органогенеза у растений на ранних этапах онтогенеза, что и явилось целью настоящей работы.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Опыты проводили на растениях огурца (Cucumis sativus L.) изогенного дикого типа и мутанте, дефицитном по фитохрому В (lh-мутант). Мутант (lh) огурца (с длинным гипокотилем) был получен в лаборатории генетики университета Вагенингена
РОЛЬ ФИТОХРОМА В ПРОЦЕССАХ ОРГАНООБРАЗОВАНИЯ
175
(Нидерланды) (Adamse et al., 1987) и охарактеризован как дефицитный по фитохрому В, содержащий по сравнению с диким типом менее 1% генетических продуктов фитохрома В (López-Juez et al., 1992).
Семена огурца дикого типа и /й-мутанта проращивали двое суток в термостате при температуре 28°С, высаживали в вазоны с песком (полив питательным раствором Кнопа с добавлением микроэлементов, pH 6.2—6.4) и помещали в камеры искусственного климата с относительной влажностью воздуха 60—70%, интенсивностью света 100 Вт/м2 (освещение лампами ДРЛ-400) и фотопериодами (день/ночь) 10/14, 16/8 ч или с круглосуточным освещением. До начала эксперимента растения выращивали при 30°С до выноса семядолей и при 23°С до полного их раскрытия, а затем в течение 6 суток подвергали кратковременным низкотемпературным обработкам (DROP), снижая температуру воздуха с 20 до 12°С на 2 ч ежесуточно путем перестановки растений между камерами. В условиях фотопериодов 10/14 и 16/8 ч кратковременное снижение температуры проводили в конце ночного периода, при круглосуточном освещении — в конце 24-часового цикла. Растения контрольного варианта выращивали при температуре 20°С на протяжении всего эксперимента. К концу опыта растения находились в фазе 1-го настоящего листа.
Морфофизиологический анализ проводили на фиксированных в 50%-ном этиловом спирте препаратах с использованием бинокулярной лупы МБС-9 (Россия) по методике Куперман (1984). Определяли число листовых примордиев на главном и боковых побегах, число боковых побегов, зачатков цветков по этапам органогенеза. Все показатели рассчитывали на одно растение. Всего было проведено два независимых опыта в 15-кратной биологической повторности. Данные обрабатывали методами математической статистики c использованием пакета программ Statgraphics. На рисунках приводятся средние по двум независимым опытам и их стандартные ошибки (Р< 0.05).
РЕЗУЛЬТАТЫ
В условиях всех изученных фотопериодов число листьев, заложенных в терминальной меристеме у C. sativus L. дикого типа было больше, чем у фито-хром В дефицитного мутанта (рисунок, а—в). Особо ярко это проявилось при круглосуточном освещении, когда в терминальной меристеме растений дикого типа было заложено в 2 раза больше листьев, чем у /й-мутанта (рисунок, в). DROP не оказывал влияния на закладку листьев в терминальной меристеме как у дикого типа, так и у мутанта.
Число боковых побегов у растений дикого типа и /й-мутанта при фотопериодах 10/14 и 16/8 ч было одинаковым (рисунок, г, д), а при круглосуточном
освещении отмечено двукратное увеличение данного показателя у дикого типа по сравнению с /й-мутантом (рисунок, е). DROP не влиял на закладку боковых побегов у растений огурца дикого типа и вызвали снижение или увеличение этого показателя у мутантных растений в условиях короткого и длинного фотопериодов, соответственно (ри-сунок, г, д).
Число листьев на одном боковом побеге у растений огурца дикого типа было больше, чем у /й-мутанта при всех изученных фотопериодах, особенно при круглосуточном освещении (рисунок, ж—и). DROP не оказывал влияния на число листьев на боковых побегах у дикого типа и мутанта при круглосуточном освещении, снизил его значение при фотопериоде 10/14 ч и стимулировал — у мутантов при фотопериоде 16/8 ч.
Число зачатков цветков на IV этапе органогенеза при фотопериодах 10/14 и 16/8 ч оказалось больше у мутанта, чем у дикого типа (рисунок, к, л), а при круглосуточном освещении оно снижалось в обоих вариантах опыта (рисунок, м). Ежесуточные 2-часовые снижения температуры увеличили число зачатков цветков у дикого типа, но не оказали существенного влияния на флоральный органогенез у мутантных растений.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты дают основание предположить участие фитохрома В в органообразова-тельных процессах у Cucumis sativus L. в условиях разных фотопериодов. Установлено, что при коротком (10/14 ч) и длинном (16/8 ч) фотопериодах фитохром В оказывает различное действие в зависимости от исследуемого показателя органогенеза. Так, дефицит фитохрома В вызывал ингибирова-ние в заложении листьев как на главном, так и на боковых побегах растения. Ранее в литературе отмечалось значительное снижение скорости образования розеточных листьев у фитохром В дефицитного мутанта арабидопсиса (Halliday et al., 2003). Нами впервые показан эффект замедления процесса органогенеза (по скорости развития боковых побегов) у фитохром В-дефицитного мутанта. Отсутствие ингибирующего эффекта по скорости развития главного побега растений дикого типа и мутанта может быть связано с кратковременной (2 ч) продолжительностью этого воздействия, что согласуется с ранее полученными результатами (Сысоева и др., 2007). Однако такие краткосрочные низкотемпературные обработки привели к увеличению числа листьев на побеге при длинном фотопериоде и уменьшению у растений, выращенных на коротком дне. Дефицит фитохрома В не оказал влияния на закладку боковых побегов в условиях обоих фотопериодов, что может лимитироваться условиями освещенности. Известно, что фитохром В и интенсивность света
12 10 8 6
4 2
0
5
16
14
12
10
8
6
4
2
0 14
12
10
(г)
ал
(д)
til
(ж)
\\Ш гь
(з)
РГ^.ГТ
(к)
kit
контроль DROP
(л)
Irin
контроль DROP
(в)
(е)
ш
(и)
Ш.
I
Li
(м)
Ii
контроль DROP
Влияние ежесуточных кратковременных снижений температуры (DROP) на процессы органогенеза апикальных меристем у растений огурца дикого типа (Q) и дефицитного по фитохрому В мутанта (И) в условиях разных фотопериодов. По оси абсцисс — вариант опыта; по оси ординат — число: а—в — листьев на главном побеге; г—е — боковых побегов; ж— и — листьев на одном боковом побеге; к—м — цветков на IV этапе органогенеза. Фотопериоды (день/ночь), ч: 10/14 (а, г, ж, к) 16/8 (б, д, з, л), 24/0 (в, е, и, м).
взаимодействуют в регуляции бокового ветвления у арабидопсиса (8и й а1., 2011). Кратковременные снижения температуры вызвали усиление бокового ветвления как у дикого типа, так и у ¡к -мутанта в условиях длинного фотопериода или при кругло-
суточном освещении. Ранее данный эффект отмечался нами для растений огурца (гибрид Зозуля) (Сысоева и др., 2007).
Известно, что фитохром В-дефицитные мутанты являются раннецветущими (Halliday et al.,
4
3
2
1
0
8
6
4
2
0
РОЛЬ ФИТОХРОМА В ПРОЦЕССАХ ОРГАНООБРАЗОВАНИЯ
177
2003). Последнее подтверждают и полученные нами в настоящем исследовании данные. В частности, установлено, что у /й-мутанта при всех ф
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.