научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МЕЛАФЕНА НА МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ АППАРАТ КЛЕТОК АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ ПРИ РЕГУЛЯЦИИ РОСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КЛУБНЯХ КАРТОФЕЛЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МЕЛАФЕНА НА МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ АППАРАТ КЛЕТОК АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ ПРИ РЕГУЛЯЦИИ РОСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КЛУБНЯХ КАРТОФЕЛЯ»

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2011, том 47, № 4, с. 484-489

УДК 581.14.21+576.31.347

ВЛИЯНИЕ МЕЛАФЕНА НА МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ АППАРАТ КЛЕТОК АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ ПРИ РЕГУЛЯЦИИ РОСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

В КЛУБНЯХ КАРТОФЕЛЯ

© 2011 г. Т. А. Платонова, А. С. Евсюнина, Н. П. Кораблёва

Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва 119071 e-mail: platonova@inbi.rus.ru Поступила в редакцию 24.06.2010 г.

Показано увеличение площади митохондриального аппарата клеток (укрупнение митохондрий) апикальных меристем при стимуляции ростовых процессов в клубнях растений картофеля Solanum tuberosum L. с помощью препарата мелафен. Выявлен стимулирующий эффект мелафена на диффе-ренцировку митохондрий (увеличение числа конденсированных митохондрий, более богатых кри-стами). Полученные данные свидетельствуют об усилении активности митохондриального аппарата, связанной с возрастанием энергетических потребностей клеток апексов клубней картофеля при активации роста с помощью мелафена.

В настоящее время по-прежнему актуально изучение механизмов действия природных фитогормо-нов и их синтетических аналогов, направленно изменяющих рост и развитие растений, повышающих продуктивность и качество сельскохозяйственных культур, а также их устойчивость к воздействию неблагоприятных условий окружающей среды. Активно ведется поиск и испытания новых синтетических препаратов, действие которых в очень малых концентрациях приводило бы к стимуляции важнейших физиолого-биохимических процессов в растительном организме и, как результат, обеспечивало бы повышение урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. В этой связи значительный интерес представляет регулятор роста нового поколения — синтетический препарат мелафен, представляющий собой меламиновую соль бис(оксиме-тил)фосфиновой кислоты, получаемый с высоким выходом из промышленно доступных продуктов [1]. При изучении ответных реакций растительных организмов было установлено, что мелафен в очень низких концентрациях проявляет рост-регулирую-щую активность и может быть рекомендован в качестве регулятора роста растений, отвечающий современным требованиям технологий применения регуляторов роста для повышения продуктивности важнейших сельскохозяйственных культур [2]. При изучении механизма действия мелафена на растения были установлены следующие факты:

— активация энергетических процессов, в частности дыхания и фотосинтеза, причем препарат в большей степени оказывал влияние на циклическое фотофосфорилирование [3];

— усиление регуляции метаболизма клеток тиро-зинкиназной сигнальной системой и изменение уровня тирозинового фосфорилирования белков

фотосинтетической ассимиляции углерода под действием мелафена [4];

— усиление синтеза фенольных соединений и алкалоидов [5].

Высокая физиологическая активность препарата мелафен связана с его влиянием на физико-химическое состояние биологических мембран растительного и животного происхождения. Это, в свою очередь, приводит к изменению липид-белкового взаимодействия, влияющего на активность ассоциированных с мембранами ферментов [4].

Удобным объектом для изучения молекулярных механизмов действия регуляторов роста являются клубни картофеля Solanum tuberosum L., апикальные меристемы которых в течение определенного времени после уборки находятся в состянии глубокого покоя, т.е. не переходят к росту даже при благоприятных условиях внешней среды. Продолжительность глубокого покоя закреплена генетически и является характерным признаком сорта. По окончании периода покоя меристемы клубней, находящихся в благоприятных условиях (температура, влажность) переходят к росту. При неблагоприятных условиях рост замедляется, наступает период вынужденного покоя. Регуляция прорастания клубней имеет большое значение для практики картофелеводства: подавление прорастания является существенным фактором при хранении урожая клубней картофеля, тогда как стимуляция прорастания важна для предпосевной обработки клубней.

Изучение механизма действия мелафена на ростовые процессы в клубнях растений картофеля показало его влияние на процессы деления, растяжения и активации эндоплазматического ретикулума клеток апикальных меристем [6, 7]. Установлено

увеличение площади пластидного аппарата клеток (укрупнение пластид) и стимулирующее действие препарата на накопление крахмала и развитие периферического пластидного ретикулума в лейкопластах клеток апикальных меристем клубней под действием мелафена [8]. В препарате плазмалеммы из паренхимных клеток обработанных мелафеном клубней отмечалось возрастание активности мем-браносвязанной Н+-АТФазы и увеличение пассивной протонной проницаемости мембраны везикул плазмалеммы, что влияет на поступление низкомолекулярных метаболитов и фитогормонов в клетки апекса и на процессы деления и растяжения клеток апекса клубней картофеля [7]. Однако имеющиеся данные не дают полного представления о механизмах действия мелафена, связанных с интенсификацией физиологических процессов в клетках апикальных меристем в процессе роста. В связи с этим дальнейшее изучение механизма действия этого перспективного регулятора роста на клетки клубней картофеля представляет значительный интерес.

Настоящая работа является частью комплексного биохимического исследования по изучению механизма действия мелафена на ростовые процессы в меристемах клубней картофеля. Синтетические процессы при росте требуют значительных энергозатрат, которые напрямую связаны с активацией энергетического обмена клеток и, в первую очередь, с изменением энергетики митохондрий. Представляло интерес оценить влияние мелафена в рост-сти-мулирующей концентрации на митохондриальный аппарат клеток апикальных меристем клубней картофеля. Митоходрии — одна из наиболее удобных для анализа структур при изучении реакции клеток на действие биологически активных веществ, поскольку их тонкая структура в значительной степени является показателем функционального состояния клеток.

Цель работы — электронно-микроскопическое и морфометрическое изучение митохондрий в клетках апикальных меристем клубней картофеля при прорастании и под действием мелафена в рост-сти-мулирующей концентрации.

МЕТОДИКА

Объект исследования — апексы (апикальные меристемы) клубней картофеля Solanum tuberosum L. сорта Луговской в норме (на стадии прорастания) и под действием мелафена в ранее установленной рост-стимулирующей концентрации [6]. Для опыта брали по 30 клубней, находящихся в состоянии вынужденного покоя и погружали на 10 мин в раствор мелафена в концентрации 10-8 М (сильная стимуляция роста). Контролем служили клубни, обработанные дистиллированной водой. После обработки клубни из опытных и контрольных вариантов высушивали и помещали во влажные камеры при опти-

Таблица 1. Ультраморфометрическая характеристика митохондрий в клетках апикальных меристем клубней картофеля в норме (при прорастании) и под действием мелафена

Вариант Число митохондрий на срезе клетки Общая площадь митохондрий на срезе 2 клетки, мкм2 Площадь одной мито- 2 хондрии, мкм2

Контроль Мелафен, 10-8 М 2.03 ± 0.01 2.04 ± 0.01 0.45 ± 0.02 0.65 ± 0.02 0.22 ± 0.01 0.32 ± 0.03

мальных условиях для прорастания (18°С, темнота). Через 12—14 сут при появлении на клубнях признаков роста из опытных и контрольных клубней под бинокулярным микроскопом МБС-2 (ЛОМО, Россия) извлекали "глазки" (апексы), фиксировали их в 2.5%-ном глутаровом альдегиде на 0.1 М фосфатном буфере (рН 7.1—7.2) и в 1%-ном OsO4, обезвоживали этанолом возрастающей концентрации и ацетоном, заключали в эпоксидную смолу ЭПОН-812 по общепринятой методике. Для сравнительного изучения из контрольных и опытных вариантов были взяты клетки стержневой меристемы апексов и клетки нижнего слоя центральной меристемы, граничащие со стержневой зоной. Согласно ранее полученным данным именно эти клетки являются клетками-мишенями для действия биологически активных веществ при регуляции ростовых процессов в клубнях картофеля [9, 10]. Предварительную ориентировку срезов для определения зональности апексов выполняли под световым микроскопом, используя полутонкие срезы. Ультратонкие срезы, полученные на ультрамикротоме ("LKB", Швеция), контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца [11] и просматривали под электронным микроскопом JEM-100C ("Jeol", Япония). Для количественной оценки митохондриального аппарата клеток апексов была применена специальная компьютерная программа "Cell Counter", позволяющая автоматически обсчитывать площади клеток и различных внутриклеточных структур (в том числе, митохондрий, мкм2) по отсканированным изображениям, полученным с микроскопа (с учетом увеличений микроскопа и разрешений сканера) [12]. Точность вычисления площади определяется погрешностью при фотографировании и сканировании изображения, а также точностью представления вещественных чисел в компьютере.

Число митохондрий на срез клетки (или частоту встречаемости митохондрий) просчитывали визуально на тех же изображениях клетки. Результаты измерений с 30 негативов каждого варианта опыта, выраженные средними морфометрическими показателями, и их стандартные ошибки представлены в табл. 1. Статистическую обработку данных проводи-

Таблица 2. Ультраструктурная характеристика митохондрий в клетках апексов клубней картофеля под действием мелафена (в % от числа просмотренных митохондрий)

Характеристика митохондрий

Вариант строма кристы

форма электронно-прозрачная конденсированная единичные, пластинчатые многочисленные

Контроль Округлая, овальная 58 42 58 42

Мелафен, 10-8 М Округлая, овальная, удлиненная 38 62 38 62

ли с помощью компьютерной программы "Microsoft Excel". Кроме того, наряду со средними морфомет-рическими данными о числе и площади митохондрий представляли интерес показатели, характеризующие разнообразие митохондриального аппарата (по ультраструктурной характеристике) в клетках апексов контрольных и опытных растений. Для этого в каждом случае подсчитывали число митохондрий с той или иной морфологией. Эти данные, выраженные в процентах от общего числа просмотренных митохондрий в каждом варианте опыта, представлены в табл. 2.

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.

Показать целиком