ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 2, с. 290-299
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И СТРОНЦИЯ НА ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК КОРНЕВОГО ЧЕХЛИКА И СТРУКТУРНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ МЕРИСТЕМЫ
© 2007 г. А. Д. Кожевникова, И. В. Серегин, Е. И. Быстрова, В. Б. Иванов
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 13.04.2006 г.
Изучали изменения структуры меристемы корня, роста и деления клеток чехлика при действии солей разных металлов, чтобы установить, как зависит поведение клеток покоящегося центра от состояния клеток корневого чехлика. Двухдневные проростки кукурузы (Zea mays L., сорт Диамант) инкубировали на растворах 35 мкМ Ni(NO3)2, 10 мкМ Pb(NO3)2 или 3 мМ Sr(NO3)2 в отсутствие или в присутствии 3 мМ Ca(NO3)2. Токсическое действие металлов оценивали по ингибированию прироста первичного корня за первые и вторые сутки инкубации по сравнению с корнями, растущими в воде или растворе 3 мМ Ca(NO3)2. Локализацию металлов в тканях апекса корня на первые и вторые сутки определяли гистохимическими методами. Измеряли длину клеток в трех верхних слоях колу-меллы корневого чехлика и рассчитывали в них митотический индекс. В отсутствие Ca(NO3)2 металлы были найдены как в меристеме, так и в чехлике. Pb и Sr выявлялись преимущественно в клеточных оболочках, а Ni - в протопластах клеток. В присутствии Са^03)2 наблюдали снижение содержания металлов во всех тканях корня, что приводило к ослаблению их токсического действия на рост корня. Pb и Ni тормозили деление клеток чехлика. Pb вызывал увеличение длины клеток чехлика уже через 24 ч, а Ni только через 48 ч. Pb вызывал активацию делений клеток покоящегося центра в сторону чехлика. В результате этого, а также возможного участия клеток дерматогена и коры уже через 24 ч возникал новый чехлик. При этом структура меристемы превращалась из закрытой в открытую. Ni вызывал лишь единичные деления клеток покоящегося центра в сторону чехлика через 48 ч. Высказано предположение, что ингибирование делений клеток верхних слоев чехлика и задержка слущивания его клеток может стимулировать деления клеток покоящегося центра. Обсуждается сходство покоящегося центра со стволовыми клетками животных.
Zea mays - стронций - свинец - никель - кальций - корень - меристема - рост - покоящийся центр -корневой чехлик
ВВЕДЕНИЕ
В апексе корня находится небольшая группа клеток, названная Clowes [1] "покоящимся центром", так как они резко отличаются от остальных клеток меристемы длительными митотиче-скими циклами и резко замедленным синтезом белков и нуклеиновых кислот. До сих пор функции и механизмы возникновения и поддержания покоящегося центра еще мало понятны, хотя этой проблеме посвящена большая литература ([2-9] и др.). Имеется ряд фактов, которые позволяют предположить, что поведение клеток покоящегося центра может изменяться в зависимости от состояния клеток корневого чехлика и основной части меристемы. Анализ этих зависимостей
Адрес для корреспонденции: Иванов Виктор Борисович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: ivanov@ippras.ru
является одним из путей выяснения механизмов возникновения и поддержания покоящегося центра в корне.
Меристема корней кукурузы относится к закрытому типу. В этом случае клетки чехлика имеют собственные инициальные клетки, которыми являются клетки первого слоя, непосредственно примыкающего к покоящемуся центру и телу корня. За счет делений этого и нескольких следующих слоев происходит постоянное обновление клеток чехлика, которые непрерывно слу-щиваются по его краям. Клетки покоящегося центра редко делятся по направлению к основанию корня и их производные не участвуют в обновлении чехлика. В корнях с открытым типом меристемы клетки чехлика и дерматогена имеют общие инициальные клетки.
При повреждении клеток меристемы и чехлика происходит активация делений клеток покоящегося центра, что может привести к восстановлению роста корня и образованию нового корне-
вого чехлика. Такие данные были получены при самых разных воздействиях: механическом удалении чехлика [10]; облучении в дозах, недостаточных для полного подавления делений [11]; выдерживании корней проростков кукурузы при низких положительных температурах [12, 13]; действии ингибитора транспорта ИУК - N-наф-тилфталамовой кислотой [14] и при других воздействиях.
Открывание меристемы отмечалось также при обработке корней солями цинка, свинца и кадмия [15]. В данной работе была поставлена цель более детально изучить, как изменяется структура меристемы корня, рост и деление клеток чехлика при выращивании корней на растворах нитратов Pb, Ni и Sr, чтобы установить, как зависит поведение клеток покоящегося центра от состояния клеток корневого чехлика. Ионы тяжелых металлов являются распространенными токсикантами в природе, и поступают в растения, главным образом, через корни. Сравнение структуры меристемы в зависимости от состояния чехлика при разных воздействиях может помочь выяснить, обусловлены ли наблюдаемые изменения прямым действием изучаемых факторов на покоящийся центр или их эффекты вызваны повреждением клеток чехлика. Другими словами, эти исследования проясняют взаимодействие между чехликом и покоящимся центром.
Известно, что Са влияет на поглощение, распределение и проявление токсического действия ионов различных металлов [16]. Поэтому в данной работе было исследовано, как влияет присутствие Ca(NO3)2 на действие изученных металлов, что, в свою очередь, может помочь установить механизм действия последних.
МЕТОДИКА
Зерновки кукурузы (Zea mays L., сорт Диамант), простерилизованные в течение 20 мин 1%-ным раствором формалина, проращивали в кюветах на смоченной дистиллированной водой фильтровальной бумаге в течение двух суток в темноте при 27°С. Проростки с длиной главного корня 20-40 мм пересаживали в вегетационные сосуды объемом 3 литра на растворы 35 мкМ Ni(NO3)2, 10 мкМ Pb(NO3)2 или 3 мМ Sr(NO3)2 в отсутствие или в присутствии 3 мМ Ca(NO3)2. Наши предварительные эксперименты показали, что эти соли в приведенных концентрациях, за исключением 35 мкМ Ni(NO3)2, вызывали приблизительно 50%-ное ингибирование роста корня за вторые сутки инкубации в отсутствие Ca(NO3)2, тогда как Ni(NO3)2 приводил к подобному ингибированию роста лишь в присутствии Ca(NO3)2. Особенностью влияния Ni являлось усиление ингибирова-ния роста со временем, чего не наблюдали в присутствии 10 мкМ Pb(NO3)2 или 3 мМ Sr(NO3)2. Со-
ли вносили однократно. Контролем служили проростки, выращенные на дистиллированной воде или 3 мМ Са(№03)2. Сосуды выдерживали в течение двух суток при постоянном освещении, температуре 26°С и аэрации.
Токсическое действие металлов оценивали по ингибированию прироста первичного корня за первые и вторые сутки инкубации по сравнению с корнями, растущими в воде или 3 мМ Са(№03)2. Длину корня измеряли линейкой с точностью до 1 мм.
Локализацию металлов в тканях апекса определяли на первые и вторые сутки инкубации на свежеприготовленных вручную с помощью безопасного лезвия продольных и поперечных срезах корня гистохимическими методами. РЬ выявляли с помощью дитизона [17], Sr - с помощью родизоната натрия [18], а № - диметилглиоксим-ным методом [19]. О локализации металлов судили по специфическому окрашиванию тканей.
Для цитологических исследований апикальные участки корней (около 8-10 мм) через 24 и 48 ч после начала инкубации фиксировали в смеси Бродского (формалин : 96%-ный этанол : ледяная уксусная кислота в соотношении 10 : 3 : 1) в течение 1 ч, промывали 96%-ным этиловым спиртом и оставляли в 70%-ном спирте. Контролем служили корни проростков, выращенных на дистиллированной воде или растворе Са(№03)2.
Для приготовления постоянных препаратов фиксированные корни заключали в парафин, предварительно проводя через серию спиртов и хлороформ. Срезы толщиной 10 мкм делали на микротоме фирмы "MSE" (Англия) и заключали в канадский бальзам после окрашивания. Первая партия препаратов была окрашена сначала 0.1%-ным раствором проционового синего МХ-Я в дистиллированной воде в течение часа при 60°С, затем 0.1%-ным раствором активного красного 5СХ в 1%-ном растворе №а2С03 в течение 20 мин и 0.1%-ным раствором алцианового синего 8GS в 3%-ной уксусной кислоте в течение 20 мин при комнатной температуре. Вторая партия препаратов была окрашена 0.15%-ным раствором галло-цианина в 5%-ном растворе хромовых квасцов в течение 48 ч при комнатной температуре и подкрашена после промывки алциановым синим 8GS. Третья партия препаратов была окрашена по ШИК-методу [20] с подкрашиванием алциановым синим 8GS. Использованные методы позволяли охарактеризовать различия в концентрации белков (проционовые красители), РНК (галлоциа-нин) и окрасить клеточные стенки (активный красный 5СХ, алциановый синий GS). Использование этих методов позволило четко выделить клетки покоящегося центра на срезах.
На постоянных препаратах с помощью окулярной линейки проводили измерения длин клеток в трех верхних слоях колумеллы корневого
Ca Ni + Ca Pb + Ca Sr + Ca
Рис. 1. Прирост корня за первые и вторые сутки инкубации на дистиллированной воде и на растворах 35 мкМ Ni(NO3)2, 10 мкМ Pb(NO3)2 или 3 мМ Sr(NO3)2 в отсутствие (а) или в присутствии (б) 3 мМ Ca(NO3^. 1 - 0-24 ч, 2 - 24-48 ч.
чехлика и подсчитывали в них митотический индекс.
Микрофотографии с временных и постоянных препаратов получены с помощью видеокамеры TK-C1480E ("JVC", Япония) на микроскоп Am-plival ("Carl Zeiss", Германия).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Влияние солей тяжелых металлов на рост корней в длину
В отсутствие Ca(NO3)2 Ni и Pb ингибировали рост корней, начиная уже с первых суток инкубации. Ингибирующее действие Ni на рост корня усиливалось от 43% за первые сутки до 88% за вторые сутки; ингибирование роста в присутствии Pb со временем не усиливалось; Sr же снижал прирост лишь на вторые сутки инкубации (рис. 1).
Прирост корней проростков, выращенных на растворе Са(№03)2, не отличался от прироста корней на дистиллированной воде (рис. 1). В присутствии Са токсическое действие N1, РЬ и Sr осл
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.