ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 3, с. 373-382
УДК 581.1(04)
СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ МЕЗОФИЛЛА КАК ВОЗМОЖНАЯ ПРИЧИНА ЦИТОКИНИН-ЗАВИСИМОГО ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ В ИЗОЛИРОВАННЫХ ЛИСТЬЯХ
© 2004 г. Е. С. Роньжина
Кафедра агрономии Калининградского государственного технического университета,
Калининград областной
Поступила в редакцию 14.10.2002 г.
Изучали действие БАП на функционирование мезофилла (осмотический потенциал, влияние ингибиторов Н+-АТФазы на приток 14С-сахарозы, направленность углеродного метаболизма, интенсивность темнового дыхания) изолированных листьев тыквы (Cucurbita pepo L.) и бобов (Vicia faba L.). БАП повышал осмотический потенциал и вызывал появление его градиента между обработанной и необработанной частями листа. Ингибиторы Н+-АТФазы не влияли на индуцированный БАП приток 14С-сахарозы. Изменение осмотического потенциала сопровождалось усилением синтеза крахмала и других полимерных соединений и уменьшением образования веществ с относительно небольшой молекулярной массой. Обнаружена лишь незначительная и кратковременная стимуляция темнового дыхания. Сделано заключение, что индуцированный цитокинином транспорт веществ является пассивным процессом и сопровождается повышением осмотического потенциала. Причиной проявления акцепторных свойств листа под действием БАП, вероятно, является обнаруженный нами ранее рост растяжением, сопровождающийся образованием необходимых для роста высокополимерных веществ, и синтез крахмала. Торможение оттока веществ из листовой пластинки, по-видимому, связано с уменьшением уровня транспортных форм углерода, что препятствует их поступлению во флоэму. Индукция притока могла быть вызвана активацией ростовых и метаболических процессов, уменьшением числа молекул органических веществ в единице объема клетки и появлением градиента осмотического потенциала между донорным и акцепторным участками листа.
Cucurbita pepo - Vicia faba - БАП - изолированный лист - аттрагирующий эффект - мезофилл -градиент осмотического потенциала - метаболизм - рост
Аттрагирующая способность - один из наиболее характерных и в то же время наименее изученных физиологических эффектов цитокини-нов. Он заключается в том, что обогащенные ци-токининами ткани и органы ориентируют транспорт ассимилятов в растении к местам повышенного содержания этих фитогормонов [1-3].
Причина этого явления пока неясна. Вероятно, его слабая изученность связана со сложностью и интегральным характером процессов
Сокращения: 5тах - максимальная (окончательная) площадь листа; - осмотический потенциал и его градиент;
ДЕС - диэтилстилбестрол; ррт - одна миллионная часть. Адрес для корреспонденции: Роньжина Елена Степановна. 236000 Калининград областной, Советский пр., 1. Калининградский государственный технический университет, факультет биоресурсов и природопользования, кафедра агрономии. Электронная почта: rhelen@klgtu.ru.
транспорта и распределения ассимилятов в ин-тактном растении, которое к тому же состоит из большого количества доноров и конкурирующих друг с другом за ассимиляты акцепторов. Поэтому начинать изучение аттрагирующего эффекта целесообразно не на целом растении, а на более простых модельных системах. Удачной моделью для этого является изолированный лист. Его преимущество по сравнению с листом на растении состоит в освобождении от контроля со стороны целого растения и от влияния систем более высоких уровней организации и конкуренции за ассимиляты со стороны акцепторов [4, с. 156-158]. Кроме того, отделенные листья лишены притока цитокининов из корней [5, 6] и потому более чувствительны к экзогенной обработке веществами с цитокининовой активностью.
По-видимому, не случайно впервые аттрагирующий эффект цитокининов был выявлен именно
на этой модельной системе. В 1959 г. МоШев, Еп-§е1ЪгееМ и Kulajewa [7] обнаружили, что кинетин, нанесенный на одну половинку зрелого и даже стареющего изолированного листа махорки, вызывал два эффекта. Во-первых, он тормозил ба-зипетальный отток подвижных метаболитов из листовой пластинки в среднюю жилку и черешок; во-вторых, индуцировал их приток из необработанного участка листа в обработанный.
Механизм этого явления до сих пор неясен. В качестве его возможных причин в литературе в разное время обсуждались следующие:
1) стимуляция биосинтетических процессов: синтеза нуклеиновых кислот (особенно РНК) и белка [7-9];
2) активация ростовых процессов [8, 10];
3) стимуляция системы активного транспорта, локализованной на внутренних мембранах клеток мезофилла, и усиление вследствие этого накопления веществ во внутренних компартментах (органеллах) клетки [11];
4) реассимиляция 14С, выделяемого при дыхании [12]. Эта возможность была поставлена под сомнение уже самими авторами, а позднее проверена и опровергнута [13];
5) увеличение степени открытости устьиц, усиление транспирации и повышение вследствие этого притока веществ к акцепторному участку листа по ксилеме [14]. Однако при проверке эти выводы не подтвердились [13, 15];
6) наличие градиента осмотического потенциала (Лу5) между донорной и акцепторной частями листа [13];
7) депонирование (компартментация) веществ в вакуолях клеток мезофилла [16, 17], в частности, вследствие активации вакуолярной кислой ин-вертазы [17];
8) структурные перестройки флоэмы [18] или изменение функционирования мембранных механизмов переноса веществ в системе клеток мезофилл-флоэма [16, 19]. Эти предположения были проверены и опровергнуты уже самими авторами [16, 18, 19];
9) появление градиента концентрации веществ вдоль флоэмы вследствие аккумуляции органических соединений в хлоропластах клеток-спутниц терминальной флоэмы в форме липидов и крахмала [20];
10) структурные и/или функциональные изменения в клетках мезофилла [19].
Однако эти многочисленные предположения носят разрозненный, зачастую умозрительный характер. Теория, удовлетворительно объясняющая механизм аттрагирующего эффекта цитоки-нинов даже в модельной системе - изолированных листьях, до сих пор не разработана.
В то же время, согласно современным воззрениям, направление транспорта фотоассимилятов в растении определяется, главным образом, процессами, происходящими при загрузке ассимиля-тов в листе-доноре и при их разгрузке в акцепторных зонах растения, т.е. в начале и конце транспортного пути [21, с. 73-80; 22; 23 и др.]. Кроме того, к настоящему времени накопилось довольно много сведений, подтверждающих, что флоэмный транспорт ассимилятов подчиняется закономерностям, основы которых были заложены еще в 1930 г. в осмотической концепции Münch [24].
Учитывая существующие представления о механизме регуляции транспорта ассимилятов в растении, а также полученные нами ранее косвенные доказательства [19], мы предположили, что цитокинин мог вызывать структурные и/или метаболические перестройки в клетках мезофилла, приводя к изменению концентрации веществ и созданию ее градиента между донорной и акцепторной частями изолированного листа. Это, в свою очередь, должно было индуцировать направленный транспорт ассимилятов к обработанному ци-токинином участку по градиенту давления. Настоящая работа посвящена проверке этого предположения и выявлению основных метаболических и структурных перестроек мезофилла, которые могли бы являться причиной аттрагирующего эффекта цитокинина в изолированных листьях.
МЕТОДИКА
Как и ранее [18, 19, 25, 26], в качестве объектов исследования мы использовали тыкву (Cucurbita pepo L., сорт Мозолеевская столовая) и бобы (Vicia faba L., сорт Русские черные).
Условия выращивания растений были аналогичны описанным ранее [18, 25].
Исследования проводили на изолированных листьях среднего (третьего снизу) яруса. В некоторых экспериментах исследовали листья на разных стадиях их развития: при достижении 25% от их окончательной площади (Smax) (ювенильные), 50% от Smax (растущие), 100% Smax (зрелые, только что закончившие рост листья) и при старении, критерием которого являлось 25%-ное снижение содержания хлорофилла. Однако в большинстве опытов использовали только зрелые листья, поскольку именно на этой стадии развития аттраги-рующий эффект цитокинина проявлялся наиболее четко [26].
Площадь листовой пластинки определяли с помощью светочувствительной бумаги. Площадь проекции листа на бумаге измеряли на приборе MOP-Videoplan ("Reichert", Австрия). При изучении динамики роста листа в каждой временной точке анализировали площадь 20 листовых плас-
тинок. Содержание хлорофилла определяли по Vernon [27, c. 130-131].
Постановка опытов соответствовала схеме, разработанной Mothes и др. [7] и подробно описанной нами [25]. Правую половинку отделенного листа однократно опрыскивали 10-4 M раствором БАП, левую - дистиллированной водой. Время обработки составляло не более 48 ч, поскольку, как было выяснено нами ранее, увеличение числа обработок, концентрации БАП или времени после обработки участка листа цитокинином не приводило к дальнейшему усилению аттрагирующего эффекта [26].
Контролем служили отделенные листья, обе половинки которых в течение такого же времени обрабатывали водой. В ряде случаев в качестве дополнительных вариантов исследовали листья интакт-ных растений, необработанные ни цитокинином, ни водой, а также отделенные листья, обе половинки которых были опрыснуты раствором БАП.
В течение всего эксперимента изолированные листья находились во влажной камере на рассеянном свету при комнатной температуре.
Для определения осмотического потенциала (%) клеточного сока его отжимали из растительных тканей с помощью ручного пресса после 2-кратной процедуры замораживания-оттаивания ткани. % измеряли по теплоте испарения водяных паров на выпаривающем осмометре Vapour Osmometre ("Knauer", Германия). Опыты повторяли дважды, биологическая повторность была трехкратной. Для получения каждой пробы использовали листья, взятые с 20-40 растений.
Природу разгрузки ассимилятов в обработанном БАП участке листа изучали с помощью ингибиторов Н+-АТФазы плазмалеммы: орто-ванадата натрия, диэтилстилбестрола (ДЕС) и эритрозина В. За основу брали 10-4 M растворы ингибиторов, как р
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.