ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 99-109
УДК 581.174.1
УЛЬТРАСТРУКТУРА ХЛОРОПЛАСТОВ И ИХ ЗАПАСНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ПЕРВИЧНЫХ ЛИСТЬЯХ ШеБетЬгуаШкетит егуБгаШпит ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПУТРЕСЦИНА
И ^С1
© 2004 г. Н. В. Парамонова, Н. И. Шевякова, Вл. В. Кузнецов
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 04.08.2003 г.
Исследовали структуру хлоропластов и запасных отложений в 3-й паре листьев факультативного галофита МезетЬгуашНетит сгузгаШпит Ь. в условиях засоления №0 (300 мМ), при обработке листьев путресцином (ПУТ, 1 мМ) и совместном действии этих двух факторов. Хлоропласты растений хрустальной травки на 6-е сутки отвечали на действие как №0, так и ПУТ уменьшением объема и набуханием гранальной системы. Различия, выявленные в них между вариантами, в основном касались запасных включений. При засолении содержание крахмала уменьшалось почти в 3 раза по сравнению с контролем, количество же пластоглобул практически не изменялось. Под влиянием ПУТ и ПУТ + №0 отмечалось дальнейшее снижение содержания крахмала на площадь среза хлоропласта, тогда как площадь пластоглобул на срез хлоропласта, напротив, увеличивалась в 8 и 10 раз соответственно. Во всех опытных вариантах происходили изменения внешнего вида и электронной плотности пластоглобул. Так как в хлоропластах обоих вариантов с ПУТ не отмечали деструктивных изменений, высказывается предположение, что увеличение количества пластоглобул связано с изменением направленности метаболизма в сторону образования более восстановленных продуктов. В хлоропластах всех вариантов наблюдали отложения ферритина, наиболее значительные - в условиях засоления, особенно в околососудистой паренхиме. Предполагается, что способность растений хрустальной травки к накоплению в хлоропластах большого количества Бе, как и обнаруженные в них ранее пектинсодержащие "карманы" и межклетники, относятся к генетически детерминированным признакам адаптации растений к засолению и водному дефициту.
МезетЬгуашНетит сгуз1аШпит - путресцин - солеустойчивостъ - улътраструктура - хлоропласты - крахмал - пластоглобулы - ферритин - фитин
Хрустальная травка - факультативный гало-фит, солеустойчивость которого формируется в процессе перехода с С3-типа фотосинтеза на САМ [1, 2]. Предельный адаптационный потенциал растений в ювенильный период (С3-фото-синтез), когда растения образуют только первичные листья, не превышает 0.5-1.0 М КаС1 [3], хотя во время функционирования САМ-фотосинтеза растения устойчивы к 2 М №С1 и более. Относительно низкая солеустойчивость хрустальной травки в молодом возрасте в значительной степени зависит от ее ограниченной способности транспортировать ионы в вакуоли, а также от неразви-
Сокращение: ПУТ - путресцин.
Адрес для корреспонденции: Парамонова Наталья Васильевна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 07 (095) 977-80-18; электронная почта: v1kuzn@ippras.ru
тости анатомических структур, специализированных для компартментации ионов, которые формируются у взрослых САМ-растений [1, 4]. Ранее было высказано предположение, что в молодом возрасте адаптация к засолению может обеспечиваться на более тонком, ультраструктурном уровне [5]. Как показали исследования ультраструктуры, первичные листья М. сту81аШ-пит образовывали "карманы" между клеточными стенками, заполненные аморфными полисахаридами предположительно пектиновой природы, что приводило к увеличению площади внеклеточной абсорбции ионов Ка+ и С1- и к более быстрой адаптации растений к засолению и водному дефициту [5]. Повышение содержания пектинов в апопласте хрустальной травки при засолении было установлено и методами инфракрасной спектроскопии [6].
Барьерную роль против проникновения ионов из апопласта в цитоплазму у хрустальной травки
99
7*
может выполнять субериновая пластинка, непроницаемая для воды и растворенных веществ, образование которой с наружной стороны клеточной стенки индуцировалось обработкой растений путресцином (ПУТ) [5]. Весьма существенно, что процесс суберинизации клеточной стенки, а также более значительное развитие "карманов" с аморфными полисахаридами были сильнее выражены при совместном действии NaCl и ПУТ, что указывало на участие полиаминов в адаптации этого галофита к засолению.
Задача настоящего исследования была сформулирована следующим образом: выяснить, индуцирует ли NaCl и обработка растений хрустальной травки ПУТ изменения в ультраструктуре самой клетки и ее органелл и, прежде всего, хлоропластов. Выбор хлоропластов в качестве объекта исследования определялся не только тем, что выживание растений хрустальной травки при засолении обусловлено "перепрофилированием" деятельности хлоропластов с С3-типа фотосинтеза на САМ, но и тем обстоятельством, что эти органеллы являются основным местом синтеза полиаминов [7]. В литературе высказывалось мнение о защитном действии полиаминов на структуру хлоропластов. Полиамины в хлоропла-стах в норме ассоциированы с ССК ФС II [8, 9], а в условиях хлоридного засоления способны защищать хлорофилл и обе фотосистемы от деградации [10, 11]. Кроме того, продукты биосинтетической деятельности хлоропластов (углеводы, белки, липиды, фенольные и другие соединения), поступая в различные компартменты клетки и в апопласт, обеспечивают их жизнедеятельность. Так, по данным Trachtenberg [12], у Aloe arbore-scens пластиды на ранних стадиях развития, а плаз-малемма на поздних, принимают участие в синтезе и секреции слизи в апопласт. Фенольные соединения и липиды, которые также образуются в хлоро-пластах [13, 14], участвуют в лигнификации и суберинизации клеточных стенок.
МЕТОДИКА
Растения Mesembryanthemum crystallinum L. в течение 5 нед. выращивали из семян в почвенной культуре в условиях оранжереи при естественном освещении (май-июнь), как описано ранее [5]. С начала образования 3-й пары листьев (юве-нильная стадия развития) растения рассаживали по одному в вегетационные сосуды и подвергали действию засоления и обработке экзогенным ПУТ по ранее описанной в работе [5] схеме: контроль - растения росли в сосудах с почвой (0.5 кг) с ежедневным поливом 100 мл воды; NaCl - почву в течение первых 3 сут ежедневно поливали 100 мМ раствором NaCl (по 100 мл); ПУТ - растения дважды в день в течение 6 сут опрыскивали раствором 1 мМ ПУТ, полив проводили, как в кон-
троле; №С1 + ПУТ - в почву в течение первых 3 сут вносили по 100 мл раствора 100 мМ КаС1, и параллельно дважды в день в течение 6 сут растения опрыскивали раствором 1 мМ ПУТ. За 6 сут обработки каждое растение получало 12 мкмолей ПУТ.
Материал для электронной микроскопии отбирали на 6-е сутки опыта и фиксировали по описанной ранее методике [5]. Статистическую обработку результатов, включающую расчеты средних арифметических из 3-5 биологических повторностей (по 2-3 аналитических в каждой) и ошибки репрезентативности их стандартных отклонений, проводили с помощью пакета прикладных программ БТАТвКАРШСБ.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Контроль. Хлоропласты имели хорошо развитую гранальную систему, которая располагалась в тонкозернистом матриксе меньшей электронной плотности, чем мембраны гран и стромы (рис. 1 а-е). Крайние тилакоиды в гранах могли быть слегка расширены (рис. 1а, 1в, 1д). Между наружной мембраной хлоропласта и плазмалем-мой отмечались контакты, чему способствовали длинные протуберанцы цитоплазматической мембраны в сторону хлоропластов (рис. 1г). Взаимодействие между этими структурами осуществлялось также посредством канальцев шероховатого ретикулума, которые с одной стороны контактировали с плазмалеммой, с другой - с хлоропласта-ми. Хлоропласты, по-видимому, обменивались веществами с цитоплазмой и свободным пространством клетки с помощью везикул, отделяющихся от оболочки хлоропластов (рис. 16, 1в). Из запасных веществ в хлоропластах наблюдались крахмальные зерна (от 1 до 5), которые занимали почти 9% от общей площади среза хлоропласта (рис. 1а, 1е, 1з; таблица), темные (рис. 1а, 1е, 1л), либо светлые, более крупные по размерам, плас-тоглобулы (рис. 1з, 1и, 1к). Незначительные отличия в окраске двух типов пластоглобул могли быть обусловлены толщиной их среза в хлоропласте. Все пластоглобулы снаружи были ограничены тонким темным контуром (рис. 1ж). Пластоглобулы часто контактировали с тилакоидами гран и стромы (рис. 16, 1ж), либо с небольшими электронноплотными глобулами (рис. 1и). Представляет интерес и тот факт, что электронная плотность пластоглобул в хлоропластах совпадала с электронной плотностью цитоплазменных глобул (рис. 1к, 1л). Липиды в хлоропластах составляли 0.66% от общей площади среза хлоропласта (таблица). Изредка в матриксе хлоропластов встречались небольшие отложения феррити-на, содержащего железо (рис. 1д).
№С1. При воздействии КаС1 хлоропласты в некоторых клетках несколько округлялись вследст-
Рис. 1. Хлоропласты в мезофилле контрольного варианта.
а - матрикс заполнен крахмальными зернами и темными пластоглобулами (стрелки); б, в - стрелкой показана инвагинация наружной мембраны хлоропласта; г - плазмалемма образует множественные складки, контактирующие с хлоропластами; д - стрелкой показано скопление ферритина; е - скопление темных пластоглобул, в некоторых из них отмечалась более светлая сердцевина; ж - стрелками показаны контакты пластоглобулы с тилакоидами; з - светлые пластоглобулы и крахмальные зерна; и - увеличенный фрагмент из (з), контакт темной глобулы с крупной светлой пластоглобулой (стрелка); к - стрелками показаны сходные по плотности светлые пластоглобулы и цитоплазменные липидные глобулы; л - в хлоропластах показаны темные пластоглобулы, в цитоплазме - сходные по плотности цитоплазменные глобулы. КР - крахмал, ИН - инвагинация, ПГ - пластоглобула, ПЛ - плазмалемма, КС - клеточная стенка, ХЛ - хлоропласт, ФР - ферритин, ЦГ - цитоплазменная глобула, ФТ - фитин, В - вакуоль, Ц - цитоплазма, ВП -впячивание. Масштабная линейка - 0.25 мкм.
Площадь (5) хлоропластов и запасных включений (мкм2)
Вариант 5 хлоропласта 5 крахмального зерна Количество крахмальных зерен на хлоропласт 5 крахмала на срез х
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.