ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 2, с. 278-286
УДК 581.14:581.845:633.11
РОЛЬ ГЕНОМА В ФОРМИРОВАНИИ ФОТОТРОФНЫХ ТКАНЕЙ ЛИСТЬЕВ ДИПЛОИДНЫХ И АЛЛОПЛОИДНЫХ ВИДОВ ПШЕНИЦЫ
© 2004 г. Е. В. Храмцова, И. С. Киселева
Кафедра физиологии растений Уральского государственного университета им. A.M. Горького, Екатеринбург
Поступила в редакцию 07.10.2002 г.
Изучен рост и мезоструктура фотосинтетического аппарата листа 10 видов растений рода Triticum L. Растения, содержащие геном Au, имеют большую ассимиляционную поверхность листьев, что достигается увеличением площади отдельных листьев на побеге и абсолютной скорости роста. Отмечено уменьшение толщины листа и мезофилла и размеров клеток мезофилла у растений, содержащих геном G. Обнаружено, что особенности внутренней организации листа у видов, различающихся геномным набором, обусловлены изменением его компактности через регулирование размеров и числа клеток в единице листовой поверхности и их складчатости. Эти перестройки не затрагивают пластидно-цитоплазматические отношения в клетке, о чем свидетельствует относительная стабильность показателей 5кл/Укл, £кл/^хлп, и объема клетки, приходящегося на один хлоропласт. Показано, что параметры структуры фототрофных тканей листа, компактность мезофилла и его проводимость для СО2 у аллоплоидных видов пшеницы в сравнении с диплоидными зависят не только от уровня плоидности ядра, но и от его геномного состава.
Triticum - геном Ab, AbG, AuB, AuBD - мезоструктура - скорость роста
Явление полиплоидии широко распространено в природе и играет значительную роль в эволюционном процессе [1, с. 274]. Происхождение видов рода ТгШсыт Ь. тесно связано с аллополип-лоидией за счет спонтанной гибридизации 14-хро-мосомных видов пшеницы с 14-хромосомными видами Ае§Порз и их последующей эволюции [1, с. 326; 2, с. 8; 3, с. 5; 4, с. 16]. Известно, что плоид-ность ядра является важным фактором, влияющим как на структурные [5-8] и функциональные особенности фотосинтетического аппарата листа [9, 10], так и на формирование растения в целом [5, 11, 12]. Однако сведения о влиянии плоидности ядра на фотосинтетический аппарат, полученные на рядах растений-аутополиплоидов, нельзя полностью приложить к растениям, образованным в процессе аллополиплоидизации. Целью нашего исследования было выявление роли генома в формировании фототрофных тканей листа у диплоидных и аллоплоидных видов рода ТгШсыт Ь.
Сокращения: ИМК - индекс мембран клеток; ИМХ - индекс мембран хлоропластов; КОХ - объем клетки, приходящийся на один хлоропласт; АОЯ - абсолютная скорость роста; ИОЯ - относительная скорость роста; 5кл/^хлп - площадь поверхности клетки, приходящаяся на единичный хлоропласт; 5кл/Укл - отношение поверхности клетки к ее объему. Адрес для корреспонденции: Киселева Ирина Сергеевна. 620083 Екатеринбург, пр. Ленина, 51. Уральский государственный университет, кафедра физиологии растений. Факс: (3432) 55-74-01; электронная почта: Irina.Kiselyova@usu.ru, Helene@khramtsov.ur.ru
МЕТОДИКА
Исследования проведены в 1997-2000 гг. на 10 видах растений рода Triticum L., различающихся по происхождению генома: Ab - T. beoticum Boiss. ssp. thaoudar var. balansae (K-40117), T. monococcum L. ssp. macedonicum (K-39415), T. sinskajae A. Filat. Et Kurk, AbG - T. timopheevi (Zhuk.) Zhuk. var. vitic-ulasum (K-38555), AuB - T. dicoccum (Schrank) Schuebl. (K-30728, K-13011, K-7492, K-7530, K-7356, K-34, K-35, K-9, K-39, K-74, K-61, K-58, K-3, K-24, K-9934, K-13649, K-13665, K-13960, K-31622), T. persicum Vav. ex Zhuk. (K-38, K-84, K-50, K-29, K-90, K-45) и AuBD - T. macha Dekapr. et Menabde, T. spelta L. (K-30, K-56), T. vavilovii (Thum.) Jakubz. (K-33770), T. aestivum L. Все образцы из коллекции ВИР, за исключением T. aestivum L. (предоставлены Kрасноyфимской селекционной станцией). Геномы указаны в соответствии с классификацией [3, с. 6; 4, с. 18; 13]. Растения выращивали в полевых условиях мелко-деляночным способом на серых лесных оподзо-ленных почвах в окрестностях Екатеринбурга (Средний Урал, подзона южной тайги).
Для характеристики ростовых процессов оценивали величину ассимиляционной поверхности главного побега растения, за которую принимали суммарную поверхность листьев. Для каждого образца измерения проводили на 10 растениях каждые 3 дня в течение 65 сут. По результатам измерений рассчитывали абсолютную (AGR) и
относительную скорость роста (ЯвЯ) ассимиляционной поверхности [14, с. 54].
Показатели мезоструктуры фототрофных тканей листа изучали по методике Мокроносова и Борзенковой [15] на флаговых листьях главного побега растений в период колошения, когда листья достигали конечных размеров и наибольшей функциональной активности. Использовали высечки из средней части листа сбоку от главной жилки. Для каждого образца в объединенной пробе из листьев 15-20 растений определяли параметры мезоструктуры фотосинтетического аппарата. Фиксацию тканей проводили в 3.5%-ном растворе глутарового альдегида в фосфатном буфере (рН 7.2). Поскольку клетки мезофилла злаков имеют сложную форму, было выделено три их типа: простые, сложные мелкоячеистые и сложные крупноячеистые, как описано ранее [16]. Подсчет числа клеток, хлоропластов и определение их объемов проводили по [15]. Индекс мембран клеток (ИМК) вычисляли как суммарную площадь поверхностей клеток мезофилла, а индекс мембран хлоропластов (ИМХ) - как сумму площадей поверхностей хлоропластов на единицу листовой поверхности [17]. Были определены показатели, характеризующие пластидно-цитоплаз-матические отношения, такие как клеточный объем хлоропласта (КОХ) [16], площадь поверхности клетки, приходящаяся на один хлоропласт (£кл/^хлп), отношение площади поверхности клетки к ее объему (£кл/Укл) и отношение ИМК/ИМХ [16]. Проводимость мезофилла для СО2 рассчитывали по формуле: gm = Б (ИМК) Ь £-1, где Б = = 8 х 10-6 см2/с - коэффициент диффузии СО2 в Н2О, Ь = 0.68 - коэффициент растворимости СО2 в Н2О при 30°С, Ь = 10-4 см - среднее расстояние от поверхности клетки до хлоропласта [18, 19].
Для всех параметров в работе приведены усредненные данные за 1997-2000 гг. В тех случаях, когда вид был представлен несколькими образцами, средние рассчитывали по всей совокупности данных для вида. Достоверность различий между вариантами определяли по непараметрическому критерию Манна-Уитни для уровня значимости р = 0.05. Для выявления признаков, по которым группы видов пшеницы с разными геномами различаются наиболее сильно, был проведен пошаговый дискриминантный анализ.
РЕЗУЛЬТАТЫ
У растений пшеницы с разными генотипами обнаружены отличия по величине максимальной ассимиляционной поверхности, достигаемой в фазу колошения. Суммарная поверхность листьев на растении варьировала от 40 см2 до 130 см2. Наименьшие значения этого параметра были характерны для видов с геномами Аь и Аьв. Виды, унаследовавшие геном Т. игаПи (АиВ и АиВБ гено-
£ о
я о л н о к ч л и се
и
о ч С
100 80 60 40 20 0
£ 200
м £
« 150
л
Е-1
I 100
я! К
к !?
ч о Н
(а)
50
0.58
(б)
0.78 0.64 0.58
Л,
1
I
1
Аь ДьО АиВ ЛиВБ Геном
Рис. 1. Ассимиляционная поверхность растений пшеницы с разными генотипами.
а - площадь, см2; □ - всех листьев главного побега, щ -флагового листа; б - толщина, мкм; - листа, □ - мезофилла, [Щ - доля хлоренхимы, % от общего объема листа. Цифрами указана компактность мезофилла; I -стандартная ошибка среднего (Ы = 10).
мы), превышали их по значениям средних в 1.52.0 раза. В ряду групп видов с геномным составом Аь - Аьв - АиВ - АиВБ наблюдали увеличение поверхности отдельных листьев: так, площадь флагового листа в указанном ряду увеличивалась на 52-68% для средних значений и на 31-78% для значений медиан (рис. 1а).
У изученных растений неодинаковой была также скорость роста ассимиляционной поверхности. Максимальных значений величина АвЯ достигала в период колошения. Разброс значений АвЯ был значителен, и модальные классы этого показателя у групп видов с разным геномным составом перекрывались. По средним значениям виды с геномами АиВ и АиВБ, превосходили виды с геномами Аь и Аьв в 1.5-2.0 раза. Достоверно значимых различий между видами с разным геномным составом в пределах подрода ТгШсыт (АиВ и АиВБ геномы) по этому показателю не обнаружено. Сравнение видов с геномами Аьв и Аь по данному признаку показало, что значения средних у первых были выше, чем у вторых на 5257% (рис. 2а).
Величина ЯвЯ листовой поверхности варьировала достаточно сильно. Модальный класс значений этого показателя у видов с геномом Аь практически совпадал с модальным классом видов, имеющих геномный состав АиВ, а у видов с
н '
^ с.
-Н 6
(М £ о
5
1
0 0.5
(а)
н
¡5*
0.4
0.3
О
с* 0.2
0.1
(б)
Аь АьО АЦБ АЦВБ Геном
Рис. 2. Скорость роста ассимиляционной поверхности у растений пшеницы разных генотипов. а - максимальные за весь период роста значения АОЯ, см2/сут; б - максимальные за весь период роста ИОЯ, см2/(см2 сут); I - минимум и максимум; ш - модальный класс, включающий от 25 до 75% значений
переменной;
медиана.
геномом Аьв - с АЦББ (рис. 26). При попарном сравнении этих групп по значениям средних и медиан показано, что виды с геномным составов Аьв и АЦББ имеют в 1.3-1.4 раза более высокие показатели, чем виды с Аь и АЦБ.
Измерение толщины листа и мезофилла показало, что виды, с геномом Аьв имели наименьшие значения этих признаков, а виды с геномами Аь, АЦБ и АЦББ превосходили их по значениям средних и медиан в 1.4-1.7 раза. Наибольшие значения толщины листа отмечены у видов с геномами Аь и АЦББ. Последние также характеризовались наибольшими значениями толщины мезофилла (рис. 16). Доля хлоренхимы листа, определяемая отношением толщины мезофилла к толщине листа, варьировала от 46% у видов с геномом Аь до 85% у видов с геномным составом АЦБ и АЦББ. Значения среднего арифметического этого показателя от группы к группе изменялись незначительно (рис. 16). Мы не выявили достоверных различий в пределах группы видов, содержащих Аь-геном, так же как и в группе видов, содержащих геном А". Однако между собой эти группы различались достоверно: виды с геномным составом АЦБ и АЦБ
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.