ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 5, с. 715-721
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СТАТЬИ
УДК 581.1
СОДЕРЖАНИЕ ГОРМОНОВ, ВОДНЫЙ ОБМЕН И РОСТ ЛИСТЬЕВ РАСТЯЖЕНИЕМ У РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ ПРИ ПОВЫШЕНИИ ОСВЕЩЕННОСТИ
© 2007 г. Л. Н. Тимергалина*, Л. Б. Высоцкая*, С. Ю. Веселов**, Г. Р. Кудоярова*
* Институт биологии Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа ** Башкирский государственный университет, Уфа Поступила в редакцию 13.07.2006 г.
Повышение освещенности с 20 до 400 мкмоль/(м2 с) ФАР вызывало трехкратное увеличение транс-пирации и устьичной проводимости на фоне снижения относительного содержания воды (ОСВ), а также быстрое торможение роста листа с его последующим сжатием у проростков пшеницы (Triti-cum durum Desf., сорт Безенчукская 139). Впоследствии, через 40-50 мин рост листа возобновлялся; при этом наблюдали увеличение гидравлической проводимости и ОСВ, а также повышение растяжимости листа. Изменение уровня освещенности сопровождалось быстрыми изменениями содержания гормонов, которые были заметны уже через 10 мин после начала воздействия. Отмечено накопление зеатина и зеатинрибозида в зоне роста и дифференцированной части листа, и АБК - в зоне роста листа и корнях. Результаты свидетельствуют о том, что поддержание роста растяжением при увеличении уровня освещения связано с изменением растяжимости клеточной стенки и гидравлической проводимости. Первый эффект может быть обусловлен накоплением цитокининов, а второй - АБК.
Triticum durum - рост - водный обмен - фитогормоны
ВВЕДЕНИЕ
В естественных условиях освещенность часто меняется как следствие переменной облачности, что сказывается на транспирации. Возрастание транспирации создает дисбаланс между поглощением и потерей воды и увеличивает дефицит воды в побеге. Предсказуемым последствием снижения оводненности побега является замедление роста листа растяжением. Однако прекращение роста при возрастании дефицита воды в побеге кратковременно, и впоследствии наблюдается частичное или полное его восстановление [1-3]. Однако механизм восстановления роста листа в этих условиях недостаточно изучен.
Поддержание тургора путем накопления осмотически активных соединений в клетках при дефиците воды [4] способствует возобновлению роста при осмотическом шоке [5]. Тем не менее, при засухе рост листьев замедляется, несмотря на полное восстановление тургора [6]. Осмотиче-
Сокращения: ДТТ - дитиотрейтол, ОСВ - относительное содержание воды.
Адрес для корреспонденции: Тимергалина Лейля Назиров-на. 450054 Уфа, пр. Октября, 69. Институт биологии Уфимского научного центра РАН. Электронная почта: l.n.timergalina@anrb.ru
ское приспособление не является единственным механизмом регуляции роста при ограничении доступности воды. Вторым вероятным механизмом является изменение растяжимости клеточной стенки [7]. Из литературы известно, что свойства клеточной стенки могут быстро меняться в ответ на изменение внешних условий, и быстрое восстановление скорости роста листа у растений может быть следствием увеличения растяжимости клеточных стенок [8].
Рост листа также зависит от доступности воды, которая определяется гидравлической проводимостью [5, 7, 9]. Гидравлическая проводимость у растений варьирует и может увеличиваться с возрастанием транспирации [10, 11]. Однако вклад увеличения гидравлической проводимости в процесс роста листа растяжением изучен недостаточно.
Представлялось важным выяснить, каков вклад перечисленных факторов (осморегуляции, растяжимости клеточных стенок и гидравлической проводимости) в поддержание роста листьев растяжением при изменении уровня освещенности. Также необходимо было выявить регулятор-ные факторы, которые обеспечивают приспособление растений к изменению уровня освещенности. Предполагается, что реакция растений на свет зависит от эндогенных факторов и, в частно-
сти, от уровня фитогормонов. Известно, что свет влияет на содержание гормонов в растениях [12]. Однако основное внимание исследователей было уделено изучению перехода растений от полной темноты к освещению светом определенного спектра или оптимальной интенсивности [13, 14]. Гормональная реакция на изменение интенсивности освещения изучена в гораздо меньшей степени [15]. Все сказанное определило цель работы, которая состояла в оценке вклада осмотического приспособления, растяжимости клеточных стенок и гидравлической проводимости в поддержании оводненности тканей и роста листьев растяжением, а также роли гормонов в реакции растений на повышение уровня освещенности.
МЕТОДИКА
Растения пшеницы (Triticum durum Desf. сорта Безенчукская 139) проращивали в темноте на водопроводной воде при температуре 20-24°C, после чего продолжали выращивание в водной культуре на 10%-ной питательной среде Хоглан-да-Арнона на светоплощадке с 14-часовым фотопериодом при 400 мкмоль/(м2 с) ФАР. Объектом исследования служили 7-дневные проростки пшеницы. За день до экспериментов удаляли зерновку и помещали растения в стаканы со 100 мл питательного раствора для адаптации. После ночного периода растения выдерживали 2 ч при освещении 20 мкмоль/(м2 с) ФАР и определяли скорость роста и растяжимость листа, транспира-цию, относительное содержание воды (ОСВ), устьичную проводимость и гидравлическую проводимость корней, осмотический потенциал листа и ксилемного сока, как описано ниже. В течение этого периода температура оставалась на уровне ночной. Затем освещенность снова увеличивали до 400 мкмоль/(м2 с) ФАР, что сопровождалось повышением температуры на 4°C, и измерения повторяли.
В экспериментах с хлоридом ртути корни обрабатывали 50 мМ HgCl2 в течение 5 мин. За 15 мин до повышения освещенности раствор HgCl2 заменяли исходным. В некоторых случаях обработка хлоридом ртути продолжалась 5 мин и впоследствии корни обрабатывали дитиотрейтолом (ДТТ, 5 мМ) за 15 мин до повышения освещенности.
ОСВ определяли как разницу между сырым и сухим весом, отнесенную к разнице между весом в состоянии насыщения водой ("тургорный" вес) и сухим весом, выраженную в процентах.
Рост растений регистрировали с помощью датчика роста на основе линейного дифференциального трансформатора с подвижным сердечником ДЛТ-2 [16]. Для измерения растяжимости листа дополнительный груз массой 2 г подвешивали к коромыслу датчика роста со стороны сердечника.
Коэффициент растяжения (е) рассчитывали по формуле [17]:
е = X -Xo)/(LgrAG) (с-1 Па),
(1)
где Х0 - скорость роста без груза (м/с), Х1 - стабильная скорость роста после добавления груза (м/с), Ь^ - длина зоны растяжения листа (м), Аст -изменение тянущего усилия, рассчитанное по формуле:
Ag = 9.8P/106nr2 (Па),
(2)
где P - масса груза (г), a r - радиус основания листа (м). В предварительных опытах с нанесением туши на равном расстоянии вдоль листа было установлено, что зона растяжения первого листа располагается внутри колеоптиля и совпадает с ним по размерам, что облегчило измерение ее длины.
Транспирация оценивалась весовым методом по потере веса стаканчиком с 10 проростками в 100 мл питательного раствора за 10 мин. Стаканчик закрывали алюминиевой фольгой с отверстием для проростков, чтобы предотвратить испарение воды с поверхности раствора.
Устьичную проводимость измеряли с помощью автоматического порометра MK3 ("Delta-T Devices", Англия), скорость ассимиляции углекислого газа определяли на инфракрасном газовом анализаторе CIRAS 1 ("PP Systems, Hitchin, Herts", Англия).
Определение осмотической гидравлической проводимости (далее по тексту - гидравлическая проводимость) проводили, согласно методике [18]: срезали большую часть надземной части, и к основанию листа с помощью силиконовой трубки присоединяли тонкий стеклянный капилляр. Вес пробы ксилемного сока, собранной в течение 1 ч при 24°С, определяли на аналитических весах по разнице веса капилляра до и после сбора сока. Ксилемный сок из 10 капилляров брали для измерения осмотического потенциала.
Гидравлическую проводимость (LOC) вычисляли по формуле:
LOC = J/A¥n (мг/(г сырого веса ч МПа)), (3)
где J - скорость потока воды (мг/г сырого веса ч) и - разница осмотических потенциалов питательного раствора и ксилемного сока (МПа).
Скорость потока воды из корня (J) выражали в мг ксилемного сока в час на 1 г сырой массы корней. Осмотический потенциал (осмоляльность) тканей и ксилемного сока растений измеряли на цифровом микроосмометре ("CAMLAB Limited", Англия). Образцы тканей быстро замораживали в жидком азоте, перед измерением размораживали и собирали тканевую жидкость при помощи шприца.
л
4 о
5 S
S
s я
ей
а
S
с о
w
cd
a
H Л H О
о a о w О
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
0
i i i
10 20 30 40 50 60 Длительность опыта, мин
70
Рис. 1. Динамика скорости транспирации 7-дневных растений пшеницы при разных уровнях освещенности.
Стрелкой обозначен момент перенесения растений с низкой освещенности (20 мкмоль/(м2 с)) на высокую (400 мкмоль/(м2 с)).
Определение содержания фитогормонов (ИУК, АБК и цитокининов (зеатин + зеатинрибо-зид + зеатиннуклеотид)) проводили с помощью иммуноферментного анализа [20]. Для экстракции гормонов из растительного материала использовали 80%-ный этанол [3].
Все эксперименты повторяли не менее трех раз, каждый раз в трех биологических повторно-стях. При определении осмотического потенциала, скорости транспирации и содержания гормонов
биологической повторностью служили 10 растений (один образец). Определение содержания гормонов в каждом образце проводили в трех аналитических повторностях. Для оценки скорости роста и растяжимости клеточной стенки использовали индивидуальные растения. Достоверность различий оценивали по критерию Стьюдента. Данные на рисунках и в таблицах представлены средними арифметическими и их стандартными ошибками.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Повышение освещенности вызывало увеличение скорости транспирации по сравнению с исходным уровнем, который наблюдался в течение первых 40 мин (момент повышения освещенности указан стрелкой). Повышенный уровень транспирации поддерживался растением в течение всего дальнейшего эксперимента (рис. 1). Наблюдаемое при повышении освещенности быстрое снижение скорости ро
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.