^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
СТАТЬИ
581.1
ВОЗМОЖНАЯ РОЛЬ ПЛАЗМОДЕСМ В ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛОВ ЦВЕТЕНИЯ В СТЕБЛЕВЫХ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМАХ РАСТЕНИЙ РУДБЕКИИ И ПЕРИЛЛЫ
© 2007 г. Э. Л. Миляева
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 24.07.2006 г.
Проводили подсчет числа плазмодесм в единице длины (1 мкм) клеточной стенки центральной и медуллярной зон стеблевых апикальных меристем длиннодневного (ДД) растения рудбекии двуцветной (Rudbeckia bicolor Nutt.) и короткодневного (КД) растения периллы красной (Perilla nankinensis Lour.) при переходе к цветению. У находящихся на неблагоприятной для зацветания длине дня (контрольных) растений, как рудбекии, так и периллы, число плазмодесм было различно в центральной и медуллярной зонах стеблевых апикальных меристем (САМ), дающих начало репродуктивным органам и стеблям соответственно. Кроме того, у периллы существенно различалось число плазмодесм в антиклинальных и периклинальных стенках первого и второго слоев клеток центральной зоны. После благоприятной для зацветания фотопериодической индукции восемью ДД у рудбекии и двенадцатью КД у периллы в клетках первого и второго слоев центральной зоны значительно увеличивалось число плазмодесм и в периклинальных, и в антиклинальных стенках. В то же время, в медуллярной зоне САМ после фотопериодической индукции число плазмодесм снижалось. Полученные результаты свидетельствуют о вероятной активации процессов межклеточных взаимодействий и усилении интенсивности передачи сигналов в САМ в период перехода растений к цветению.
Rudbeckia bicolor - Perilla nankinensis - стеблевые апикальные меристемы - плазмодесмы - сигналы цветения
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 4, с. 562-571
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Цветение представляет собой одно из главных событий в жизненном цикле растений, поскольку оно обеспечивает воспроизводство в ряду поколений. Переход к цветению происходит под влиянием экспрессии генов цветения, вызванной сложной системой взаимодействий между внешними и эндогенными сигналами.
Согласно теории флоригена, выдвинутой акад. М.Х. Чайлахяном еще 70 лет назад, под влиянием внешних сигналов, таких как фотопериод, яровизация и др., в листьях возникает специальный сигнальный фактор, названный им флоригеном, который из листьев транспортируется по флоэме в стеблевые апикальные меристемы (САМ), где происходят изменения, приводящие к образованию репродуктивных органов. Многолетние экспериментальные работы М.Х. Чайлахяна позволили ему сделать вывод, что флориген многоком-
Сокращения: САМ - стеблевые апикальные меристемы, ДД - длинный день, КД - короткий день, ФИ - фотопериодическая индукция.
Адрес для корреспонденции: Миляева Эльвина Леонидовна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Электронная почта: e_milyaeva@mail.ru
понентен и имеет гормональную природу [1, с. 20-69].
Основным доказательством теории М.Х. Чайлахяна о флоригене стали его классические опыты с прививками листьев индуцированных к цветению фотопериодически чувствительных растений на неиндуцированные растения, что приводило к зацветанию последних. Поскольку межвидовые и межродовые прививки вызывали зацветание подвоев, был сделан вывод, что сигналы цветения универсальны для всех видов растений [1, с. 20-69]. Однако позже многие исследователи подвергали сомнению универсальность сигналов цветения, считая, что для каждого вида существуют свои сигналы, определяющие переход к цветению [2]. В связи с этим, в работах последователей М.Х. Чайлахяна, в том числе и наших, всегда проводилось сравнительное изучение реакций растений разного фотопериодического типа на фотопериодические воздействия. В наших работах было показано, что при переходе к цветению происходят одинаковые изменения в САМ самых разных растений в ответ на воздействие сигнала цветения, что явилось еще одним (хотя и косвенным) доказательством его универсальности [3]. Согласно теории М.Х. Чайлахяна, сигналы цветения возникают в листьях и переме-
щаются по флоэме на значительные расстояния в направлении САМ. Исходя из этих представлений, гормональную систему, регулирующую цветение, можно рассматривать как длиннодистан-ционную сигнальную систему [4, с. 97; 5].
В последние два десятилетия в связи с прогрессом молекулярной биологии появляется все больше и больше доказательств, подтверждающих теорию М.Х. Чайлахяна на новом, молекулярном уровне [6]. Так, была выявлена протяженная цепь взаимодействующих генов и продуктов их экспрессии, принимающих участие в сложном процессе перехода растения от вегетативного состояния к репродуктивному [7-9]. В частности, в листьях были обнаружены гены, экспрессия которых происходит под воздействием фотопериодической индукции (ФИ). Было показано, что продукты экспрессии этих генов перемещаются по флоэме к САМ, где активируют другие гены, непосредственно отвечающие за образование цветков, их элементов (венчика, тычинок, пестиков и др.) и соцветий [10, 11].
Необходимо отметить, что клетки отдельных участков САМ различаются по цитологическим и функциональным характеристикам. В соответствии с этим САМ были разделены на зоны, каждая из которых, как показали наши предыдущие работы, дает начало определенным органам растения. Так, из клеток центральной зоны образуются репродуктивные органы, а из клеток медуллярной зоны - стебли [3, 6, 12].
Поскольку проводящие пучки в апикальных участках САМ отсутствуют, основными путями симпластного транспорта сигнальных и пластических веществ в этих органах являются плаз-модесмы - высокоспециализированные межклеточные каналы, свойственные только многоклеточным организмам. Было показано, что плазмодесмы представляют собой "квази-орга-неллы", которые меняются в зависимости от физиологического состояния ткани или органа и, как правило, чувствительны к сигналам, регулирующим рост и развитие растений [13, 14]. В последнее десятилетие было обнаружено, что через плазмодесмы свободно проходят не только низкомолекулярные вещества, но и макромолекулы белков и рибонуклеопротеидов и разные формы РНК, а также и транскрипционные факторы, определяющие судьбу клетки во время развития органа [15-17].
Длиннодистанционные сигналы, образующиеся в листьях под влиянием ФИ, в неизменном виде или многократно преобразуясь, транспортируются в САМ, где вызывают экспрессию сложной системы генов цветения, и появляющиеся новые продукты (сигнальные факторы) перемещаются в пределах САМ между отдельными зонами и клетками. Эту совокупность можно рассматри-
вать как систему короткодистанционных сигналов, действующих в пределах САМ. Смена типа морфогенеза в САМ с вегетативного на репродуктивный приводит к появлению вместо стебля и примордиев листьев примордиев элементов цветка, а на клеточном уровне выражается в изменениях плоскостей клеточных делений, сокращении продолжительности фаз клеточных циклов в клетках САМ и др. [2, 18].
Изменение числа плазмодесм косвенно позволяет судить об изменении интенсивности межклеточных взаимодействий, обеспечивающих передачу сигналов от клетки к клетке внутри апекса.
Целью нашей работы было выявление и сравнение числа плазмодесм в единице длины клеточной стенки в разных слоях и зонах САМ у растений двух противоположных по фотопериодической чувствительности групп: длиннодневной рудбекии двуцветной и короткодневной периллы красной, при переходе к цветению под влиянием ФИ.
МЕТОДИКА
Длиннодневные растения рудбекии двуцветной (Rudbeckia bicolor Nutt) и короткодневные растения периллы красной (Perilla nankinensis Lour.) выращивали на неблагоприятной для цветения длине дня: рудбекию на коротком дне (8 ч света и 16 ч темноты, КД), периллу на длинном дне (16 ч света и 8 ч темноты, ДД) до возраста трех месяцев, в котором, как показали наши предыдущие исследования, эти растения обладали максимальной чувствительностью к ФИ [19]. Затем их подвергали воздействию благоприятной для зацветания ФИ: восемью ДД (16 ч света и 8 ч темноты) для рудбекии и двенадцатью КД (8 ч света и 16 ч темноты) для периллы. Одна группа растений на всем протяжении опытов оставалась в условиях неблагоприятной длины дня и служила контролем. По окончании опыта стеблевые почки с растений срезали, апикальные участки САМ размером в 2-5 мм3 фиксировали реагентом Кар-нуа [20, с. 27], проводили через серию спиртов и заключали в парафин. Продольные срезы, изготовленные на ротационном микротоме ("Reichert", Австрия), окрашивали гематоксилином и реактивом Шиффа по Фельгену [20, с. 110]. Просмотр и фотографирование проводили под световым микроскопом Атр1гуа1 ("Carl Zeiss", Германия) с помощью фотоустановки mf-matic ("Carl Zeiss").
Для электронной микроскопии кусочки апикальных участков САМ объемом 1.0-1.5 мм3 помещали в фиксирующую жидкость, состоявшую из 3%-ного глютарового альдегида в фосфатном буфере с добавлением 25 мг/мл сахарозы. После 18 ч фиксации при 4°С образцы промывали пяти-
Рис. 1. Схема продольного среза САМ.
Стрелками обозначены стенки и слои клеток, в которых проводили подсчет плазмодесм.
кратно в холодном буфере и постфиксировали в 1%-ном OsO4 в течение 3 ч. После обезвоживания в серии спиртов в возрастающих концентрациях образцы заключали в эпон по общепринятой методике. Ультратонкие срезы, полученные с помощью ультрамикротома LKB-4800 ("LKB", Швеция), контрастировали 1%-ным уранилацетатом в 70%-ном этиловом спирте, а затем цитратом свинца по Рейнольдсу.
Просмотр срезов и подсчет плазмодесм проводили под электронным микроскопом JEM-100B и JEOL-100 (Япония). В каждом варианте было исследовано по 100 несерийных срезов (по 25 срезов для каждой из 4 рассмотренных комбинаций). В разных слоях центральной и медуллярной зон САМ с помощью программы Image Tool был проведен компьютерный подсчет числа плазмодесм в антиклинальных и периклинальных клеточных стенках. Подсчеты проводили на 5-10 ультратонких срезах стеблевых апексов растений, полученных в опытах нескольких лет. Частоту встречаемости плазмодесм определяли как число плазмодесм на границе двух клеток в 1 мкм длины этой границы на срезе. Сравни
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.