436.быстрая реакция растений пшеницы и ячменя на...

<^-2>3£з?

На правах рукописи

Ахиярова Гузель Рифовна

БЫСТРАЯ РЕАКЦИЯ РАСТЕНИИ ПШЕНИЦЫ И ЯЧМЕНЯ

НА ЗАСОЛЕНИЕ

03.00.12 — физиология и биохимия растений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Уфа - 2004

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Работа выполнена в лаборатории физиологии растений Института биологии Уфимского научного центра РАН

Научный руководитель: кандидат биологических наук Дмитрий Станиславович Веселое

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, проф. Искандар Юсуфович Усманов

кандидат биологических наук Вера Викторовна Таланова

Уральский государственный университет им. М.А. Горького, Екатеринбург

Защита диссертации состоится 2004 г. в " на заседании диссертационного совета Д 212. 013. 11 при Башкирском гг»су дарственном университете по адресу: 450074 г. Уфа, ул. Фрунзе, 32, ауд. -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского го •.- дарственного университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, проф., д.б.н. Г.Г.Кузяхметов

'Зп(рС^Ь ЬЛ/Ы 2004г.


3 Общая характеристика работы

Актуальность. В современных условиях площади засоленных почв под воздействием различных антропогенных факторов постоянно возрастают. Неблагоприятные воздействия натрий-хлоридного засоления на растения определяются двумя факторами: (1) снижением доступности воды при низких значениях водного потенциала почвенного раствора; (2) токсическим действием ионов натрия и хлора (Строганов, 1962; Termaat and Munns, 1986). Воздействия этих факторов приводят к подавлению роста растений и, в конечном итоге, к снижению их урожайности. Поэтому исследования физиологических механизмов, обеспечивающих поддержание роста растений в условиях засоления, остаются актуальными (Marcelis and Van Hooijdonk, 1999; Fricke, 2002). Особый интерес представляет оценка скорости ростовых реакций молодых растений. Вследствие неравномерности распределения ионов и влаги в почве (Jackson et al, 1990) корни растений, которые растут с очень высокой скоростью (Иванов, 1988), время от времени попадают в очаги с повышенной концентрацией ионов. Быстрая ростовая реакция связана, прежде всего, с изменением скорости роста клеток растяжением, что, в свою очередь, зависит от обмена воды: испарения ее за счет транспирации через устьица и притока из сосудов ксилемы поглощенной корнем воды. В связи с этим для понимания быстрой ростовой реакции необходимо изучать особенности влияния внешних факторов на водный обмен растений (Boyer et al, 1985; Tardieu et al, 2000; Hsiao et al, 2000). Важную роль в регуляции роста при засолении играет осморегуляция (Fricke and Peters, 2002). Рост клеток растяжением может зависеть и от состояния клеточной стенки (физической растяжимости ее полимеров, соединенных в трехмерную структуру, а также биохимических процессов, влияющих на прочность связи между этими полимерами) (Cosgrove, 1993). В последнее время разработаны подходы для оценки растяжимости клеточной стенки, которые позволили выявить ее роль в контроле ростового ответа на ряд внешних воздействий (Caderas et al., 2000). Известна роль гормонов в регуляции как водного обмена (Zhang and Davies, 1989; Жолкевич и Пустовойтова, 1996), так и роста клеток растяжением (Cleland, 1971; 1980; Кулаева и др., 1984). Показано также, что засоление влияет на содержание

гормонов в растениях (Таланова и др., 1993; Munns et al, 2002). АБК приписывает-j . — — , - _ _ _ _ — ,

\ : » • - . ••- - - - •' —гТТЛ^'Т


4 ся важная роль в регуляции роста при длительном действии засоления (Munns and Cramer, 1996). Однако роль гормональной системы растений в быстрой реакции растений на засоление не достаточно ясна. Вместе с тем в лаборатории, в которой выполнялась данная работа, было установлено существенное участие гормонов в быстрой реакции на изменение температуры (Kudoyarova et al, 1998; Веселое и др., 2002) и при других воздействиях (Vysotskaya et al, 2003). Хорошо известно, что растения разных видов различаются между собой по степени солеустойчивости. Так, по данным литературы, растения ячменя являются относительно солеустой-чивыми, а растения твердой пшеницы - гораздо более чувствительны к действию соли (Строгонов, 1962; Rawson et al, 1988). Поэтому сравнительное изучение быстрых реакций на засоление у растений, различающихся по солеустойчивости, представляет особый интерес.

В связи с этим цель данной работы состояла в выяснении роли гормонов в быстрых реакциях, характеризующих водный обмен и скорость роста растений пшеницы и ячменя в условиях засоления.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. С помощью чувствительного датчика роста провести сравнительный анализ быстрой ростовой реакции листьев растений пшеницы и ячменя на внесение хлорида натрия в питательную среду.

2. Изучить влияние хлоридно-натриевого засоления на показатели водного обмена (транспирацию, устьичную проводимость, содержание воды, осмотический потенциал), а также на растяжимость листьев растений для оценки значения доступности воды и состояния клеточных стенок в ростовом ответе на данное воздействие.

3. Выявить динамику содержания гормонов (АБК, ИУК и цитокининов) в листьях, корнях и ксилемном соке молодых растений злаков при добавлении NaCl в питательный раствор. Это позволит выявить значение гормонов в передаче сигналов из корня в побег.

4. Сопоставить данные по динамике роста, изменения содержания гормонов и показателей водного обмена, что позволит выявить регуляторную роль гормонов в приспособлении растений к засолению.


5 Научная новизна. Впервые показано, что возобновление роста молодых

листьев после его кратковременной остановки на фоне засоления у растений пшеницы и ячменя связано со снижением устьичной проводимости и уменьшением потерь воды за счет транспирации. Обнаружено быстрое (в течение 10 мин) накопление АБК в листьях растений, что может быть фактором, обеспечивающим закрытие устьиц под влиянием засоления. При сопоставлении уровня притока гормона из корней с его накоплением в листе установлено, что накопление АБК в побеге происходит не за счет поступления гормона из корней с ксилемным соком. Впервые обнаружено быстрое повышение осмоляльности в зоне роста растений под влиянием засоления, что может быть связано с быстрым увеличением содержания ИУК.

Практическая значимость работы. Обнаружен механизм, обеспечивающий устойчивость растений к кратковременному воздействию натрий-хлоридного засоления, основанный на быстром закрытии устьиц, что способствует снижению поступления ионов с транспирационным потоком и обеспечивает поддержание оводненности тканей за счет снижения потери воды в процессе транспирации. Этот эффект может быть использован при разработке биотеста с целью поиска химических регуляторов, способных повышать солеустойчивость растений, и проводить отбор солеустойчивых форм.

Апробация работы. Работа обсуждалась на Конгрессе Федерации Европейских обществ физиологов растений (Creete, 2002), Ежегодной конференции Общества экспериментальной ботаники (Oxford, 2003), конференции молодых ученых в Пущино (май 2003, первая премия на секции экологической физиологии).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ. Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора

литературы, описания методов исследования, результатов и их обсуждения, выводов и списка литературы. Объем основного текста работы составляет 94 стр., включает 4 таблицы и 18 рисунков. Список использованной литературы состоит из *tCo наименований, из них УТТ на иностранном языке.

Автор благодарит своего научного руководителя - к.б.н. Дмитрия Станиславовича Веселова, а также выражает признательность д.б.н., проф. Г.Р. Кудояровой


6 и своим старшим коллегам: к.б.н. А.В. Дедову, И.И. Иванову, СВ. Веселовой, Л.Б. Высоцкой за помощь на всех этапах работы. Особая благодарность - д.б.н. З.Ф. Рахманкуловой за ценные замечания по улучшению структуры обзора литературы.

Объекты и методы исследования Объекты и условия исследования. Исследования проводили на растениях

ячменя (Hordeum vulgare) и яровой твердой пшеницы (Triticum durum L., сорта Бе-зенчукская 139) в лабораторных условиях на водной культуре. Семена проращивали в темноте в течение 2 -3 суток на дистиллированной воде с добавлением 10"5 М СаСЬ, при температуре 24° С. На четвертые сутки проростки пшеницы пересаживали на 10 %-ную, проростки ячменя - на 100 %-ую питательную среду Хогланда-Арнона-I и выращивали при освещенности 18000 лк и 14-часовой продолжительности светового дня. Опыты проводили с растениями пшеницы, у которых активно рос первый лист, и растениями пшеницы в фазе третьего листа.

Засоление вызывали добавлением в питательный раствор хлорида натрия до конечной концентрации 100 тМ.

Методы исследования. Для регистрации роста использовали аналоговый индуктивный электромеханический датчик перемещений (Дедов, 1997). Растяжимость листа измеряли и рассчитывали по методу Х.Томаса с сотрудниками (Thomas et al., 1999). Транспирацию определяли весовым методом. Устьичную проводимость растений определяли с помощью автоматического порометра МкЗ (Англия) равновесного типа с непрерывным потоком воздуха. Относительное содержание воды (ОСВ) рассчитывали по формуле: ОСВ=[(сырой вес - сухой вес)/(тургорный вес - сухой вес)] * 100%. Содержание воды (СВ) рассчитывали по формуле: СВ=[(сырой вес - сухой вес)/сырой вес]х100%. Дефицит воды в тканях растений оценивали как (100-ОСВ) %.Осмотическое давление растительного материала определяли по температуре замерзания с помощью криоскопа - осмометра.

Ксилемный экссудат собирали с помощью специального прибора, в котором движущей силой потока воды было отрицательное давление, создаваемое вакуумным насосом, имитируя транспирацию.


7 Для определения содержания гормонов растительный материал гомогенизи

ровали и экстрагировали 80 %-ным этанолом. Спиртовой экстракт отделяли центрифугированием и упаривали до водного остатка Экстракцию АБК и ИУК из аликвоты водного остатка проводили по модифицированной схеме с уменьшением объема (Veselov et al., 1992). Цитокинины, содержащиеся в аликвоте водного остатка, концентрировали на картридже С-18, с которого их элюировали 5 мл 80 %-ного этанола. После упаривания спирта цитокинины растворяли в минимальном объеме 80%-ного этанола и наносили на тонкослойную пластину, которую проводили в системе растворителей бутанол: аммиак: вода (6:1:2). Положение нахрома-тограмме зеатина, его рибозида и нуклеотида определяли с помощью соответствующих метчиков. После элюции гормонов в течение ночи из соответствующих зон фосфатно-солевым буфером (рН 7,4) их содержание определяли с помощью иммуноферментного анализа (ИФА) по модифицированной методике (Kudoyarova et al., 1998). Интенсивность поступления АБК из корней в побег рассчитывали по формуле Vn= С Утр, где Vn- скорость доставки АБК из корней (нг гормона/растение в час), С - концентрация АБК в ксилемном соке (нг/мкл пасоки), а V тр- скорость транспирации (мкл воды/растение в час) (Jackson, 1993).

Результаты н их обсуждение

1. Быстрая ростовая реакция растений пшеницы и ячменя на засоление.

Изучение быстрой ростовой реакции растений на засоление было одной из наиболее важных задач в нашей работе. Как видно из рисунка 1, добавление NaCl в питательную среду вызывало сходный ростовой ответ у листьев растений пшеницы и ячменя. Не удалось также обнаружить принципиальных различий в реакции первого и третьего растущих листьев ячменя. Практически мгновенно рост листа прекращался. На протяжении последующих 60 мин длина листа не менялась, а затем удлинение возобновлялось на уровне 30-40 % от исходной скорости роста

Наблюдаемая нами ростовая реакция растений в ответ на засоление питательного раствора, по времени и характеру проявления напоминает ростовую реакцию, описанную в работах Г.Тиела с сотрудниками (Thiel et al., 1988), Дж.Пассиоура и Р.Маннс (Passioura and Munns, 2000).


50 -j

I 4° | 30 1 20 2 10 i о ;« « [ f ««Ilrtg^—, , , , , ,

- 1 0 ? 10 ¥ 30 40 50 60 70 80 90 100110120 130 140

-20

-30

-40

время, мин

щшж>Г , , , , , , 40 50 60 70 80 90 100110 120 130 140

время, мин

Рис. 1. Скорость роста первого листа пшеницы (а) и третьего листа ячменя (б) при засолении. Стрелкой на графике показано время добавления хлорида натрия в питательную среду.

Для нас было важно получить ответы на следующие вопросы: (1) почему прекратился рост листа, (2) почему он возобновился, (3) почему после возобновления роста его скорость была ниже исходной.

1.1. Механизм торможения и возобновления роста при засолении.

Быстрое (практически мгновенное) прекращение роста, которое мы наблюдали в наших экспериментах (рис 1), указывает на гидропассивный характер данного эффекта (Munns et al, 2001). В растущие клетки вода поступает по градиенту водного потенциала между питательным раствором и растущими клетками. До-


9 бавление соли в питательный раствор снижало его водный потенциал. В результате исчезал градиент водного потенциала, обеспечивающий рост. Таким образом, причина прекращения роста листьев при добавлении соли вполне легко объяснима. Сходная реакция на дефицит воды описана в литературе как при действии соли (Thiel et el., 1988; Passioura and Munns, 2000; Munns et al, 2001), так и при повышении температуры (Tardieu et al, 1998; Фархутдинов и др., 2003) и добавлении ПЭГа к питательному раствору (Chazen and Neumann, 1994; Веселое, 1999). Быстрая ростовая реакция у растений твердой пшеницы и ячменя, различающихся по степени устойчивости к засолению, была одинаковой. Относительная устойчивость растений ячменя к засолению связана с их низкой способностью поглощать токсичные ионы натрия и хлора и активно избавляться от них за счет работы соответствующих каналов, выводящих данные ионы из клеток корня обратно в питательный раствор (Jeschke et al, 1993). Однако в течение первых часов после добавления NaCl в питательный раствор токсичные ионы, вероятно, еще не успевают попасть в листья растений, и, видимо, поэтому преимущество ячменя как более солеустой-чивого вида еще не проявляется. Полученные нами результаты соответствуют данным литературы о том, что сначала при действии засоления растения страдают главным образом от недостатка воды, и лишь затем начинается токсическое действие ионов (Munns et al, 2001).

Интересно было также выяснить, за счет чего растению удавалось возобновить рост. В ходе анализа воздействия ряда стрессовых факторов (Hsiao et al., 1998) было высказано предположение, что возобновление роста после его кратковременной остановки связано с изменениями свойств клеточной стенки. Растяжение клеточной стенки происходит тогда, когда давление воды, поступающей в клетку (тургорное давление) превышает некое пороговое значение. При дефиците воды ее приток прекращается, а растяжение клеточной стенки продолжается, приводя к падению тургора до тех пор, пока его значения не окажутся ниже порогового. Д.Томпсон с сотрудниками (Thompson et al., 1997) и Р.Маннс (Munns, 1993) показали, что при этом рост может возобновиться за счет изменения свойств клеточной стенки. Она становится менее жесткой. При этом пороговое значение тур-гора, необходимое для поддержания роста, снижается и рост возобновляется.


10 1.2. Влияние засоления на физико-химические свойства листа.

Для того, чтобы выяснить, не связано ли возобновление роста с увеличением растяжимости листа, мы провели эксперименты с использованием датчика роста по схеме, предложенной Х.Томасом с сотрудниками (Thomas et al., 1999). При этом увеличивали тянущее усилие, подвешивая дополнительный груз к датчику роста. По разнице скорости роста до и после подвешивания груза рассчитывался коэффициент растяжимости листа: е = (Xi - Xo)/(Lgr х Да) (сек'1 х Па"1), где - Хо (м/сек)-скорость роста без груза, Xi (м/сек)- стабильная скорость роста после добавления груза, Lgr (м) - длина зоны растяжения листа. Да - изменение тянущего усилия, которое рассчитывалось по формуле Да =9,8 Р/106 яг2 (н/м2= Па), где Р -вес груза (кг), а г - радиус основания листа (м). Как видно из таблицы 1, через 40 мин после добавления NaCl в питательный раствор растяжимость листа не только не увеличивалась, но даже снижалась.

Таблица 1 Влияние засоления питательного раствора на изменение коэффициента растяжимости листа растений ячменя и пшеницы, Б (сек^МПа"1)

Время после засоления, мин ячмень

пшеница

20

0,89±0,05

2,68±0,12

30

0,89±0,06

1,79±0,08

40

0,71±0,05

1,60±0,07

Это свидетельствует об увеличении жесткости клеточной стенки. Следовательно, возобновление роста, которое мы наблюдали через 60 мин после начала воздействия, никак нельзя объяснить изменением свойств клеточных стенок. ДжЛинч с сотрудниками (Lynch et al., 1988) также фиксировали увеличение жесткости клеточных стенок листа растений ячменя, однако данный эффект проявлялся при более длительном воздействии засоления. В нашей работе показано, что изменение физико-химических свойств клеточных стенок листа может происходить уже в течение первого часа при засолении питательного раствора.

/. 3. Изменение осмотического потенциала под влиянием засоления. Как указывалось выше, причиной прекращения роста при засолении было

исчезновение градиента водного потенциала между растущими клетками и пита-


11

тельным раствором. Один из способов восстановления этого градиента заключает

ся в снижении осмотического потенциала растущих клеток за счет накопления в

них осмотиков. Как видно из рисунка 2, у растений пшеницы и ячменя мы

действительно наблюдали увеличение осмоляльности клеточного сока из расту

щей зоны.

I 600 1

5 500 S | 400

( 300

200-1

| 100 S

РЗ [ ДЗ

Контроль

14 | ,'11

ЫаСД 40 мин

РЗ | ДЗ

NaCI, 120 мин

J 800

600

400

? 200 4 -

Рис. 2. Содержание осмотически активных веществ в клеточном соке, взятом из растущей (РЗ) и дифференцированной зон (ДЗ) первого листа пшеницы (а) и третьего листа ячменя (6).

Анализ образцов сока с помощью сканирующего микроскопа (S-4100,

Hitachi) и анализатора с рентгеновским излучением (Link, Oxford) в Университете

Пайсли (Шотландия) показал, что возрастание осмоляльности было связано с на

коплением сначала ионов калия (первые часы), а затем через сутки - ионов натрия

(см. табл. 2.).


12 Таблица 2

Содержание ионов (мМ) в клеточном соке, взятом из растущей и дифференцированной частей побега ячменя

Ионы

Na+

К+

Зоны

растущая

дифференц.

растущая

дифференц.

Время после начала засоления, ч 0

216

414

152±6

14818

7

6±5

8±6

196±5

174±22

20

32±5

38114

19518

142111

72

6919

II1124

19414

18213

Важно то, что это накопление осмотиков было избирательным и происходило преимущественно в растущей зоне листа. Отмеченное нами отсутствие увеличения осмоляльности в дифференцированной зоне листа в первые часы воздействия соответствует данным В.Фрике (Fricke, 1997), также полученным на растениях ячменя. Мы обнаружили более быстрое накопление осмотиков в растущей зоне листа, чем другие исследователи (Matsuda and Riazi, 1981) и получили экспериментальное подтверждение предположению о возможности быстрой осморегуля-ции (Thiel et al, 1988). Тем не менее это был недостаточно быстрый эффект для того, чтобы только за счет него можно было объяснить возобновление роста. Поскольку добавление 100 мМ NaCl (что соответствует 170 мосмоль/кг) снижало водный потенциал питательного раствора на 0,4 МПа, восстановление градиента водного потенциала могло происходить в результате накопления в цитоплазме растущих клеток такого же количества ионов (170 мосмоль/кг). Из рисунка 2 видно, что накопление такого количества ионов наблюдалось лишь через 20 часов после начала воздействия. Таким образом, восстановление роста, которое наблюдалось через 60 мин после добавления соли в питательный раствор, не могло быть вызвано только осморегуляцией.

1.4. Роль транспирации и устьичной проводимости в регуляции водного обмена и ростовой реакции растений пшеницы и ячменя.

Источником воды для растущих клеток листа является ксилема побега. Ее водный потенциал зависит от соотношения количества воды, поступающей из


13 корней и теряемой за счет транспирации (испарения с поверхности листа преимущественно через устьица). Как видно из рисунка 3, в первые 10 мин после добавления соли в питательный раствор листья пшеницы и ячменя продолжали терять за счет транспирации столько же воды, как и до воздействия, что неизбежно должно было привести к снижению водного потенциала и торможению роста, что мы и наблюдали (рис. 1).

н т , —5--

ИЬ*-*-^-" ~ * - * - т N

1 —о— контроль

* - " " * - > > *

,

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Время после начала воздействия, мин

240

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ПО 120 Время после начала воздействия, мин

Рис 3. Скорость транспирации у проростков пшеницы (а) и ячменя (б) при действии засоления.

Однако затем транспирация снижалась. Очевидно, это происходило за счет закрытия устьиц, о чем говорят данные, полученные с помощью порометра (см. рис. 4).


14

н о S

8.

I1

140

13 28 43 59 73 88 105

время после начала воздействия, мин

Рис 4. Влияние засоления на устьичную проводимость третьего листа растений ячменя.

Снижение транспирации наблюдали как у растений пшеницы, так и ячменя. Наиболее существенно потери воды растением сокращались именно тогда, когда происходило возобновление роста (рис.3). Это дает основание предполагать, что причиной возобновления роста бьио закрытие устьиц, что приводило к восстановлению баланса между сниженным уровнем поступления воды из корней и ее потери за счет транспирации. Соответственно возрастали значения водного потенциала ксилемы, что приводило к восстановлению градиента водного потенциала между ксилемой и растущими клетками, а как результат этих изменений - к возобновлению роста. В пользу данного предположения служат данные по относительному содержанию воды в побегах растений (рис.5).

Как можно заметить из рисунка 5, если в первые 10 минут наблюдалось увеличение дефицита воды (равного [100-ОСВ] %) в дифференцированной части побегов ячменя и пшеницы, что совпало с прекращением роста побегов, то затем, к моменту начала восстановления роста ОСВ в побегах заметно увеличивалось.


15

Снижение транспирации и устьичной проводимости под влиянием засоления описано в литературе (Sohan et al, 1999). Но нами впервые показано, что это был быстрый эффект, обеспечивающий возобновление и поддержание роста при засолении

S?

10 30 45 75 10 75 время после начала воздействия, мин

Рис. 5. Относительное содержание воды в дифференцированной зоне побегов пшеницы (а) и ячменя (б) при засолении.

/.5. Возобновление роста после кратковременной остановки при засолении. Причина поддержания более низкой скорости роста по сравнению с исходной.

Оставалось выяснить, почему рост растений возобновлялся со скоростью ниже исходной. Одной из причин могло быть увеличение жесткости листа, о чем свидетельствуют данные, полученные при измерении растяжимости листа. Таким образом, полного восстановления роста не происходило потому, что повышалась жесткость структур клеточных стенок листа. Опираясь на некоторые общие соображения, можно предполагать, что этот эффект может иметь защитную функцию. Как упоминалось выше, засоление приводит к накоплению осмотически активных веществ в клетке. В естественных условиях соли распределены в почве неравномерно (Иванов, 1988; Caldewell et al.2001), и быстро растущие корни из очага с высокой их концентрацией в любой момент могут попасть в зону с низким содержанием солей (а также при орошении или в


16 случае выпадения большого количества осадков). Это может привести к резкому возрастанию доступности воды, и ее поток, устремившись в растущие клетки листа, мог бы привести к нарушению целостности клеток, если бы не происходило увеличение жесткости клеточных стенок. Таким образом, можно думать, что увеличение жесткости клеточных стенок необходимо как раз для защиты клеток от слишком быстрого увеличения их объема в такой ситуации. В литературе также есть сведения о снижении растяжимости листьев при засолении (Munns, 1986; Lynch et al, 1988). Однако мы впервые обнаружили, что это происходит быстрее, чем указывается в цитируемых работах, где снижение растяжимости регистрировали лишь через сутки.

* * *

Таким образом, параллельное изучение роста и водного обмена растений пшеницы и ячменя показало, от чего зависит ростовая реакция растений на засоление: рост листа прекращался потому, что добавление соли снижало доступность воды для растений, а затем возобновлялся потому, что закрывались устьица. При этом снижался транспирационный поток, с которым в растения могли поступать токсичные ионы, что давало растению время для накопления осмотиков и осморе-гуляции. Повышение жесткости клеточных стенок, по-видимому, способствует защите клеток от последствий резкого возрастания притока воды из корней при увеличении ее доступности. Однако необходимо было понять, под влиянием каких регулирующих факторов происходил ряд событий: (1) закрытие устьиц, (2) избирательное накопление осмотиков в растущих клетках и (3) снижение растяжимости клеточных стенок (т.е. увеличение их жесткости). Как известно, на все эти процессы оказывают влияние гормоны. Поэтому необходимо было оценить влияние засоления на их уровень в растениях.

2. Содержание гормонов в растениях пшеницы и ячменя на Фоне засоления.

С помощью иммуноферментного анализа было изучено влияние засоления на содержание ИУК, АБК и различных форм цитокининов в растущей и дифференцированной зонах листа, корнях и ксилемном соке растений. Добавление NaCl


17 в питательный раствор приводило к быстрому изменению содержания всех исследованных гормонов.

2.1. Абсцизовая кислота.

Содержание АБК в той или иной степени возрастало практически во всех органах и тканях обработанных растений пшеницы и ячменя. Мы приводим данные для ячменя (для пшеницы данные приведены в диссертации). Наиболее быстрое и значительное накопление гормона было обнаружено в растущей зоне листа (рис. 6). Увеличение содержания гормона в дифференцированной зоне листа предшествовало закрытию устьиц (рис. 36).

250 -,

контроль NaCI, 10 Nad, 30 Nad, 1 ч контроль 2 Na<3, 2 ч контроль Nad, 20 ч мин мин ч 20 ч

Рис 6. Влияние засоления питательного раствора на содержание АБК в растущей, дифференцированной зоне третьего листа и корнях ячменя.

Способность АБК закрывать устьица хорошо известна и широко обсуждается в литературе (Mansfild and McAinsch, 1995). Наибольшее распространение получила гипотеза о том, что увеличение продукции и экспорта АБК из корней является сигналом, генерируемым корнями в стрессовых условиях, который обеспечивает реакцию побега (Zhang and Davies, 1991). Такое увеличение поступления АБК из корней также наблюдали и под влиянием засоления (Munns et a), 2001). Однако этот эффект был обнаружен только через сутки после начала воздействия соли.


18 Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что засоление не

приводило к достаточному увеличению концентрации АБК в ксилемном соке (17,8+1,9 и 19,5+2,1 в контроле и опыте соответственно) Поэтому многократное возрастание содержания АБК в листе (особенно в растущей зоне) нельзя, по-видимому, объяснить увеличением притока АБК из корней. Таким образом, скорее всего накопление АБК в листе при засолении связано с ее синтезом в самом листе. Правда, не исключено, что в листе АБК могла освобождаться из предшественника (например, конъюгата АБК), который возможно поступал из корней. Поэтому в последующем, вероятно, необходимы дальнейшие эксперименты для проверки этой гипотезы.

Каким бы ни был источник накопления АБК в листе, возрастание ее концентрации могло иметь важное функциональное значение. Как уже упоминалось, повышенная концентрация АБК в дифференцированной зоне могла индуцировать закрытие устьиц. Вместе с тем, АБК накапливалась также в растущей зоне листьев, причем уровень ее накопления там был даже выше, чем в дифференцированной зоне. С чем мог быть связан этот эффект? Хорошо известно, что АБК является ингибитором роста (Кефели, 1989) и ее накопление приводит в некоторых случаях к возрастанию жесткости клеточных стенок (Hsiao et al, 1998). Последние данные позволяют нам предполагать, что накопление АБК могло быть причиной снижения растяжимости листа, которое мы наблюдали в наших экспериментах под действием засоления. То, что АБК может накапливаться и действовать таким образом при засолении, известно из литературы (Wolf et al., 1990; Zhao et al., 1991; Thomas et al., 1992; He and Cramer, 1996; Munns and Cramer, 1996; Gomez - Caderas et al„ 1998). Новыми являются наши данные о том, что это может происходить так быстро.

2.2. Индолилуксусная кислота Ранее было показано снижение содержание ИУК в побегах растений через

сутки после засоления (Wang et al., 2001). В наших экспериментах концентрация ИУК под влиянием засоления менялась быстрее, и, кроме того, нами обнаружено не ее снижение, а накопление в зоне роста листьев, как растений пшеницы, так и ячменя (рис. 7а, б).


19 Как и все гормоны, ауксины характеризуются полифункциональностью. Из

многочисленных свойств этого гормона наиболее интересна на наш взгляд способность ИУК активировать транспортную мембранную АТФ-азу (Полевой, 1979). Как известно, этот фермент участвует в транспорте в клетку ионов и преимущественно ионов калия (Blatt, 2002). Как отмечалось ранее (табл. 2), в наших экспериментах мы наблюдали избирательное накопление калия в клеточном соке зоны растяжения. Именно в этой же зоне было обнаружено наиболее выраженное накопление ИУК. Это дает нам основание предполагать, что ИУК могла быть ответственной за осморегуляцию в зоне роста листа за счет активации транспортной АТФ-азы.

а 5

в *•

[Л,#111,1

• контроль D опыт

/ м 10 20 30 60 15

время после начала воздействия, мин 50

Рис. 7. Влияние засоления на содержание ИУК в растущей зоне растений пшеницы (а) и ячменя (б).

Известно также, что ИУК способна повышать растяжимость клеточной стенки растений (Cleland, 1971). Эти сведения несколько противоречат нашим данным о том, что в зоне роста растений при засолении растяжимость снижалась на фоне накопления ИУК. Но одновременно здесь же происходило накопление АБК, которая является антагонистом ИУК в ее действии на рост клеток растяжением. Кроме того, изменения концентрации цитокининов также могли внести свой вклад в этот процесс, что видно из данных, представленных в следующем разделе.


20 2.3. Цитокшины.

В наших экспериментах было изучено влияние засоления на содержание

производных зеатина (свободного основания, его рибозида и нуклеотида) в расте

ниях ячменя. Выбор производных зеатина объяснялся тем, что в экспериментах,

которые проводили Д.С.Веселов и С.В.Веселова в лаборатории проф. В.Хартунга в

Вюрцбургском университете (неопубликованные данные) бьшо показано, что

именно соединения этого класса цитокининов наиболее отзывчивы на засоление.

К сожалению, нами не изучалось влияние засоления на содержание цитокининов у

растений пшеницы. Это послужит задачей наших будущих исследований.

Как видно из рисунков 8 и 9, засоление вызывало снижение содержания

зеатина и его рибозида в зоне роста листа.

Ш раст. зона листа • диф.зона листа • корни

контроль NaCI, Юмин NaCI, ЗОмин NaCI, 1ч.

Рис. 8. Содержание зеатина в растущей, дифференцированной зоне третьего листа и корнях контрольных и опытных растений ячменя.

В корнях, наоборот, содержание рибозида зеатина возрастало. Поскольку

корни считаются основным местом синтеза цитокининов (Кулаева, 1969), накоп

ление их в корнях и снижение содержания в листьях (в зоне роста) указывают на

то, что засоление могло ингибировать отток цитокининов из корня в побег.

Какое может быть функциональное значение тех изменений в содержании

цитокининов в листьях растений, которое мы наблюдали в наших экспериментах?


21 Известно, что цитокинины стимулируют рост клеток листа как за счет деления, так и растяжения (Кулаева и др. 1984).

контроль NaCI, Юмин NaCI, ЗОмин NaCI, 1ч.

Рнс 9. Содержание зеятинрибозида в растущей, дифференцированной зоне третьего листа н корнях контрольных и опытных растений ячменя,

По последним данным литературы такое действие цитокининов может быть связано с их способностью стабилизировать мРНК экспансинов, белков, участвующих в растяжении клеточной стенки за счет разрыва водородных связей между полимерами клеточной стенки (Downes and Crowell, 1998). Эти данные позволяют сделать предположение, что снижение содержания зеатина (активной формы цитокининов) в растущей зоне листьев может способствовать снижению растяжимости листа, которое мы наблюдали при действии засоления.

Накопление активных форм цитокининов в дифференцированной части побегов ячменя выглядит на первый взгляд неожиданно. Хорошо известно, что цитокинины препятствуют закрытию устьиц (Bengston et al., 1979) и увеличивают скорость транспирации (Incoll and Jewer, 1987), являясь при этом по своему физиологическому эффекту антагонистами АБК. Однако П.Блэкмен и В.Давиес (Blackman and Davies, 1983) показали, что обработка зеатином и синтетическим цитокинином кинетином высечек из листьев не мешает устьицам закрываться в результате увеличение содержания в них абсцизовой кислоты. Сходным образом и в нашем слу-


22

чае накопление активных форм цитокининов в дифференцированной части побега

не препятствует закрытию устьиц, вызванному увеличением концентрации АБК.

Тем не менее, остается неясен физиологический смысл накопления цитокининов.

В нескольких работах (Шап, 1971; Gadalah, 1999) показано, что кинетин препятст

вует накоплению натрия в клетках побега при засолении, изменяя проницаемость

мембран. В соответствии сданными, полученными М.Гадаллахом (Gadallah, 1999),

можно предположить, что зафиксированное нами увеличение содержания актив

ных форм цитокининов в дифференцированной части побегов ячменя при засоле

нии связано с предотвращением накопления ионов натрия в клетках побега и под

держанием соотношения ионов K+/Na+, что способствует повышению образования

хлорофилла и накоплению растворимых Сахаров.

* * *

Таким образом, проведенные нами эксперименты свидетельствуют о том,

что концентрация фитогормонов довольно быстро изменяется под влиянием на-

трий-хлоридного засоления, и эти изменения могут иметь важное регуляторное

значение, обеспечивая поддержание роста листа на стабильном уровне. Это дости

гается за счет: (1) накопления АБК, которая, с одной стороны, закрывает устьица и

тем самым позволяет растению экономить воду, а с другой - снижает растяжи

мость клеточной стенки; (2) накопления ИУК, которая может активировать транс

портную АТФазу, обеспечивая накопление ионов калия в зоне роста листа; (3)

снижения уровня цитокининов, которое в сочетание с накоплением АБК в зоне

роста может способствовать ограничению растяжимости листьев.

Выводы

1. Добавление хлорида натрия в питательный раствор вызывает быструю сходную ростовую реакцию у листьев растений пшеницы и ячменя, которая заключается в мгновенном торможении роста и его последующем возобновлении со скоростью ниже исходной.

2. Восстановление роста листа при действии засоления обусловлено умень- » шением дефицита воды в побеге за счет снижения устьичной проводимости и сокращения потери воды при транспирации. Уменьшение устьичной проводимости может быть связано с накоплением абсцизовой кислоты, которое наблюдали в дифференцированной зоне листа.


23

3. Обнаружено преимущественное накопление осмотически активных веществ (в частности, ионов калия) в зоне растяжения листа, которое также способствует поддержанию его роста при действии засоления. Параллельное накопление ИУК в зоне роста листа дает основание предполагать участие ИУК в механизме реализации осморегуляции.

4. Стабилизация скорости роста листа на уровне ниже исходного связана с уменьшением растяжимости клеточных стенок листа. Снижение растяжимости листа по-видимому объясняется накоплением АБК и уменьшением содержания цитокининов в зоне роста.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Ахиярова Г.Р., Сабиржанова И.Б., Веселова СВ., Симонян М.В. Участие гормонов в быстром транспирационном ответе растений пшеницы на осмотический и холодовой шок. Материалы юбилейной научной конференции «Молодые ученые Волго - Уральского региона на рубеже веков», 24-26 октября 2001г., г.Уфа. Уфа, 2001.С.13-14.

2. Kudoyarova G., Dedov A., Veselov D., Mustafina A., Sabirjanova I., Akhi-yarova G. Growth response of wheat seedlings to reduced water potential of nutrient medium. Plant under environmental stress. International symposium. 2001, Moscow, K.A. Timiryazev Institute of Plant Physiology, 2001, p. 145-146.

3. Akhiyarova G., Veselov D., Kudoyarova G., Fricke W. The effect of salinity on growth and water relation of barley plants. Abstracts of 13th Congress of FESPP (2-6 September, Crete, Greece, 2002), p. 504.

4. Ахиярова Г.Р., Веселое Д.С. Гормональная регуляция роста и водного обмена при засолении. Тезисы 6-й Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука 21 века», 20-24 мая 2002 г., г. Пущино. Пущино, 2002.- Т.З. - С. 186-187.

5. D.S.Veselov, A.R.Mustafina, I.B.Sabirjanova, G.R.Akhiyarova, A.V.Dedov, S.U. Veselov, G.R.Kudoyarova. Effect of PEG-treatment on the leaf growth response and auxin content in shoots of wheat seedlings. Plant Growth Regulation. 2002. V. 38. P. 191-194.

6. Д.С. Веселое, И.Б. Сабиржанова, Г.Р. Ахиярова, С В . Веселова, Р.Г. Фар-хутдинов, А.Р. Мустафина, А.Н. Митриченко, А.В. Дедов, СЮ. Веселое, Г.Р. Ку-доярова. Роль гормонов в быстром ростовом ответе растений пшеницы на осмотический и холодовой шок. Физиология растений. 2002. 49. 572-576.

7. Ахиярова Г.Р., Веселов Д.С. Регуляция роста и водного обмена растений при засолении. Тезисы 7-й Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология — наука 21 века», 14-18 апреля 2003 г., г. Пущино. Пущино, 2003. -С.150-151.

8. W.Fricke, G.Akhiyarova, D.Veselov, G.Kudoyarova. Rapid and tissue-specific changes in ABA and in growth rate in response to salinity in barley leaves. Journal of Experimental Botany. 2004 (in press).


Подписано в печать 28.01.2004 г.

Отпечатано с готовых диапозитивов 171 «ПРИНТ» 450054, г.Уфа Пр.Окпыбря, 71.

Лщензш Б 848047М 42 от 15 мая 1996 г. Заказ М 5. Тираж 100 жх 2004 г.


436.быстрая реакция растений пшеницы и ячменя на...

Documents