Название: Экосистемы, их оптимизация и охрана Выпуск 5 (24) - Научный журнал

Жанр: Экология

Рейтинг:

Просмотров: 1135

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 |



CТРОЕНИЕ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ ARABIDOPSIS THALIANA У МУТАНТНОЙ ЛИНИИ G PROTEIN ALPHA SUBUNIT1-3 (GPA1-3)

Хаблак С. Г., Абдуллаева Я. А.

Луганский национальный аграрный университет, Луганск, serhab_211981@rambler.ru

Изучены особенности строения корневой системы  у растений мутантной линии gpa1-3 Arabidopsis thaliana. Установлено, что у растений линии gpa1-3 формируется стержневая корневая система, у которой сильно развит главный корень, выделяющийся среди разветвленных боковых корней.

Ключевые слова: Arabidopsis thaliana, дикий тип, мутантная линия, корневая система.

ВВЕДЕНИЕ

Большинство систематиков отдел Покрытосеменные разделяют на два класса: Двудольные и Однодольные. Эволюция этих классов происходила разными путями и развела их столь далеко, что однодольные растения не скрещиваются с двудольными [1].

Одним из характерных различий данных классов является разный тип корневой системы. Для двудольных растений характерны обычно стержневые и смешанные корневые системы, а для однодольных – мочковатые корневые системы.

Выяснение принципов, лежащих в основе образования разных типов корневых систем у этих классов растений, является наиболее трудной и еще мало изученной проблемой генетики развития растений. В морфогенезе корневой системы, то есть в

ее формообразовании, происходят процессы заложения, роста и развития клеток,

тканей и органов, которые генетически запрограммированы и скоординированы между собой.

В 1990 году в университете Северной Каролины Чапел Хилл и Алан М. Джонс с использованием метода вакуумной инфильтрации растений экотипа Columbia в присутствии Agrobacterium  tumefaciens,  содержащей вектор pROK2, получили  у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh (1842) мутацию g protein alpha subunit 1-3 (gpa1-3) по гену G PROTEIN ALPHA SUBUNIT 1 (GPA1) с нарушениями в развитии корневой системы, поддерживающую в NASC под номером N6533 [2]. Ген GPA1 участвует в функционировании передачи фитогормональных сигналов в двухкомпонентных хемосигнальных системах растений и кодирует альфа-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (G-белки), состоящих их трех лабильных ассоциированных субъединиц: одной Gα-, одной Gβ- и двух Gγ- субъединиц [3].

Известно, что восприятие гормонов  чувствительными клетками происходит благодаря специфическим рецепторам, расположенных либо на плазмалемме, либо в цитоплазме, либо на внутриклеточных мембранах. Поэтому различают два типа рецепторов:    внутриклеточные    растворимые    белки-рецепторы,    связывающие

© 2011 Ekosistemy, ikh Optimizatziya i Okhrana, 5: 71–78.

Published by V. I. Vernadskiy Taurida National University, Simferopol, Ukraine.

 

фитогормоны и мигрирующие между цитоплазмой и ядром; мембранные белки- рецепторы, связывающие фитогормоны из внеклеточного пространства [4]. Гетеротримерные ГТФ-связывающие белки соединены с мембранными рецепторами GPCR (англ. G protein-coupled receptors), которые в своем строении имеют 7 трансмембраннных доменов, в результате этого они получили название 7 ТМ-рецепторы (от Seven Transmembrane Receptor), семиспиральные рецепторы, или серпентины. Семиспиральные рецепторы, сопряженные с G белком, составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR рецепторы выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу [5].

Мутация gpa1-3 вызывает у растений на клеточном уровне потерю функций альфа-субъединицы гетеротримерных ГТФ-связывающих белков, которые осуществляют передачу сигнала с активированного гормоном рецептора к эффекторным белкам, генераторам вторичных посредников, или к ионным каналам. В результате не проходит фитогормональный сигнал внутрь клеток к генам- мишеням, что приводит к снижению чувствительности клеток к ауксину, блокированию экспрессии генов, активируемых через зависимые от его сигнальные каскады, и нарушению запуска и регуляции физиологических, морфогенетических программ развития, контролируемых гормоном [6]. Все это является причиной появления у мутантных растений gpa1-3 целого ряда нарушений, таких как ослабление деления клеток, ингибирование устичного открытия, снижение апикального доминирования, развитие круглых листьев, образование тупых стручков, формирование короткого гипокотиля, а также уменьшение количества боковых корней, что приводит собственно к снижению массы корневой системы [7].

В норме у растений A. thaliana дикого типа (WT – wild type) боковые корни формируются на некотором расстоянии от апикальной меристемы глубоко в тканях корня. Они закладываются в перицикле центрального цилиндра. Во время заложения бокового корня группа клеток перицикла делится радиально и тангенально. В итоге этих делений возникает бугорочек, который является зачатком будущего бокового корня. По мере роста, этот зачаток постепенно пробивается сквозь ткани корня и образует на поверхности боковой корень [8]. Однако мутация гена GPA1 вызывает нарушения в индукции образования боковых корней в результате снижения чувствительности клеток к ауксину, который стимулирует образование боковых корней вследствие активизации деления клеток перицикла. Это ингибирует деление клеток перицикла, что приводит к подавлению заложения части корневых зачатков боковых корней в перицикле центрального цилиндра [9].

На данный момент описано 4 аллели гена GPA1, фенотипически похожих между собой (gрa1-1, gрa1-2, gрa1-3, gрa1-4). Тем не менее, роль гена GPA1 в формировании строения корневой системы у A. thaliana остается до сих пор не исследованной, а это имеет важное значение для полного понимания функций этого гена. Поэтому целью настоящей работы было изучение морфологии корневой системы у растений мутантной линии gрa1-3, несущей в своем генотипе рецессивный аллель gрa1-3.

 

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Материалом для исследований служили растения Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (1842) экотипа (раса) Columbia (Col-О) и мутантной линии g protein alpha subunit1-3 (gpa1-3), семена которых были получены из Ноттингемского центра образцов арабидопсиса (Nottingham Arabidopsis Stock Centre (NASC), UK). Растения выращивали в асептической пробирочной культуре на агаризованной питательной среде Кнопа, обогащенной микроэлементами [10]. Питательную смесь разливали в химические пробирки размером 14×120 мм и закрывали их плотными ватными пробками.

Семена к посеву готовили путем яровизации в течение 5 суток при температуре 4-6° С и последующего односуточного проращивания при комнатной температуре. Пробирки для предохранения от нагревания и попадания света на корни растений обвертывали двумя слоями бумаги. После посадки пробирки накрывали полиэтиленовой   пленкой.   Снимали   полиэтиленовую   пленку   при   достижении

семядольными листьями ее поверхности. Растения культивировали при температуре

18–20° С, освещенность круглосуточная в пределах 4000–7000 лк.

При проведении  наблюдений, учетов руководствовались общепринятыми методиками вегетационных и сравнительно–морфологических  исследований [11, 12]. При сравнении корневых систем по числу корней и по их длине объем выборки у дикого типа Соl-О и мутантой линии gpa1-3 составлял по 20 растений. Математическую обработку результатов исследований проводили по Б. А. Доспехову [11], Г. Ф. Лакину [13]. Изображения растений получали с помощью цифрового фотоаппарата Benq DC C1220.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Резушка Таля (A. thaliana) – небольшое растение из семейства Brassicaceae, которое в последнее время стало приоритетным объектом для генетических, молекулярно-биологических  и  других  исследований  [14].  Считалось,  что  для

A. thaliana характерна стержневая корневая система [15]. Однако недавно было установлено, что у растений A. thaliana нормального или дикого типа образуется корневая система смешанного типа, объединяющая в себе систему главного корня и систему придаточных корней [16].

На рисунке 1.1 изображена корневая система растений расы Columbia Col-О, которая в увеличенном виде показана на рисунке 1.2. Стрелкой в корневой системе отмечены придаточные корни. Граница между гипокотилем и главным корнем (корневая шейка) часто бывает трудно отличимая, и лишь характер эпидермиса (с устьицами на гипокотиле и без устьиц на главном корне) служит целям маркировки

придаточных корней и дает возможность четко отграничить придаточные корни от

боковых корней главного корня. По всей видимости, эти затруднения в разграничении придаточных корней от остальных корней корневой системы и послужили причиной ошибочного представления о том, что у растений арабидопсиса формируется стержневая корневая система.

 

Рис. 1. Строение корневой системы у растений расы Columbia

в фазу созревания семян

1 –   общий   вид   корневой   системы   экотипа   Col-О   (стрелкой   на   рисунке   отмечены придаточные корни); 2 – фрагмент корневой системы рис. 1.1 при увеличении.

Строение корневой системы у линии gрa1-3 во многом совершенно иное, чем у экотипа Columbia, поскольку в отличие от дикого типа Col-О у растений мутантной линии gra1-3 на гипокотиле не развиваются придаточные корни (табл. 1). Это связано с особенностью мутации gрa1-3, а именно: вызывать дефекты в индукции заложения зачатков придаточных корней.

Как известно, у растений дикого типа A. thaliana придаточные корни имеют эндогенное (внутриродное) происхождение, то есть закладываются во внутренних тканях гипокотиля проростка из клеток перицикла непосредственно около проводящей ткани. Они возникают в зачатках, находящихся в состоянии покоя до стимулирования их роста [17]. Однако в результате мутации gрa1-3 по гену GРA1 во внутренних тканях стебля проростка не происходит заложение корневых зачатков придаточных корней, что в свою очередь ведет к отсутствию на подсемядольном колене придаточных корней. Это является причиной изменения у растений мутантной линии gрa1-3 типа корневой системы.

При детальном рассмотрении морфологии корневой системы у растений линии gрa1-3 в зависимости от происхождения мы различили главный и боковые корни. Придаточные корни, которые должны возникать на участке стебля, расположенного между семядольным узлом стебля и собственно главным корнем, выше корневой шейки, среди корней не были выявлены.

 

Таблица 1

Сравнение средних значений признаков корней корневых систем у экотипа Col-0

и мутантной линии gpa1-3 в фазу бутонизация (на 30 день после прорастания семян)

 Примечание  к  таблице:  ЧК –  число  корней,  ДК –  дина  корней;  достоверно  при  парном

сравнении  признаков  с  контролем  (** –  отличия  высоко  значимы,  0,001  <  p  <  0,01,

*** – отличия максимально значимы, p < 0,001).

Главный корень образуется  из зародышевого корешка семени. Он является продолжением основного стебля, от которого отделяется корневой шейкой. От главного корня отходят боковые корни первого и последующих порядков. По сравнению с боковыми корнями главный корень более толстый и более глубоко проникает в субстрат.

Очевидно, что у растений мутантной линии gрa1-3 корневая система стержневая. Обычно, корневую систему у растений относят к стержневой, если главный корень заметно превышает по длине и толщине боковые корни [1]. В нашем случае в корневой системе растений мутантной линии gra1-3 выделяется собственно главный корень, на котором формируются боковые корни первого порядка. Он характеризуется хорошим ростом и резко отличается от боковых корней по толщине и длине, которых образуется в 2 раза меньше, чем у дикого типа. На боковых корнях первого порядка развиваются боковые корни второго порядка. В силу этого образуются боковые  разветвления,  которые обладают  неодинаковым характером ветвления, темпом роста корней в глубину и в горизонтальном направлении, а также имеют различное расположение на главном корне, что видно хорошо на рисунках 2.1–2.4.

На рисунке 2.1–2.4 изображены некоторые варианты корневой системы у растений мутантной линии gрa1-3, наблюдаемые нами в онтогенезе растений в фазу созревания семян. На рисунке 2.1 представлена корневая система, которая практически не имеет на главном корне боковых корней. На рисунке 2.2 показана сложная корневая система, у которой главный корень разветвлен только в верхней части. На рисунке 2.3 изображена сложная корневая система, которая отличается от корневой системы, представленной выше, тем, что главный корень разветвлен не в

 

Рис. 2. Морфология корневой системы у растений мутантной линии gрa1-3

в фазу созревания семян

1 – коревая система с главным корнем, у которого практически отсутствуют боковые корни; 2 – сложная коревая система с главным корнем, разветвленным в верхней части; 3 – сложная коревая система с главным корнем, ветвящимся в средней части; 4 – сложная коревая система с главным корнем, разветвленным в верхней и нижней части.

 

верхней части, а только в средней части. Рисунок 2.4 иллюстрирует корневую систему с главным корнем, у которого боковые ответвления разветвляются не в верхней и средней части, как у вышеописанной корневой системы, а в верхней и нижней части. К изображенному на рисунке 2.4 моменту образуется сложная корневая система с двумя зонами ветвления – верхней и нижней. Эти две разветвленные зоны корней соединяются между собой главным корнем – осью первого порядка.

Таким образом, в рамках внешнего строения у растений мутантной линии gрa1-3 формируется стержневая корневая система, имеющая ясно выраженный главный корень, который длиннее и толще боковых корней. Эта корневая система характерна для основной массы двудольных растений.

Изучение влияния рецессивного аллеля gрa1-3 по гену GРA1 на строение корневой системы позволило нам выявить основные особенности генетического контроля формирования у растений стрежневой корневой системы. Наши данные свидетельствуют, что переход корневой системы от одного типа к другому в процессе онтогенеза генетически обусловлен и зависит от генов, регулирующих активность не только апикальной меристемы корня, но и функционирование клеток

перицикла. При этом центральная роль в морфогенезе образования разных типов

корневых систем у растений наряду с верхушечной меристемой корня принадлежит также перициклу центрального цилиндра, который является одним из главных координирующих центров, влияющих на морфогенетические процессы корневой системы.

ВЫВОД

По       результатам    исследования строения         корневой        системы          у          растений

A. thaliana мутантной линии gрa1-3 установлено, что отсутствие на гипокотиле придаточных корней вследствие образования нарушений в инициировании заложения их зачатков в перицикле центрального цилиндра является причиной изменения типа корневой системы. В результате чего мутантный ген gрa1-3 ведет к образованию у растений стержневой корневой системы, которая представлена главным корнем с боковыми корнями первого и последующих порядков ветвления.

Список литературы

Андреева И. И. Ботаника / И. И. Андреева, Л. С. Родман. – М.: Колос, 1999. – 488 с.

Ma H. Molecular cloning and characterization of GPA1, a  G  protein  alpha  subunit  gene  from Arabidopsis thaliana / H. Ma, M. F. Yanofsky, E. M. Meyerowitz // Proc Natl. Acad. Sci. U S A. – 1990 – Vol. 87, №10. – 10. – Р. 3821–3825.

Weiss  C.  A.  Immunolocalization  of  the  G  protein  alpha  subunit  encoded  by  the  GPA1  gene  in

Arabidopsis / C. A. Weiss, H. Huang, H. Ma // Plant Cell. – 1993. – Vol. 5, №10. – Р. 1513–1528.

Полевой В. В. Физиология растений : [учеб. для биол. спец. вузов] / В. В. Полевой. – М. : Высшая школа, 2006. – 464 с.

Pandey S. The Arabidopsis putative G protein-coupled receptor GCR1 interacts with the G protein alpha

subunit GPA1 and regulates abscisic acid signaling / S. Pandey, S. M. Assmann // Plant Cell. – 2004. – Vol. 16, №6. – Р. 1616–1632.

 

Weiss C. A. The G protein alpha subunit (GP alpha1) is associated with the ER and the plasma membrane in meristematic cells of Arabidopsis and cauliflower / C. A. Weiss, E. White, H. Huang, H. Ma // FEBS Lett. – 1997. – Vol. 407, №3. – Р. 361–367.

Ullah H. Modulation of cell proliferation by heterotrimeric G protein in Arabidopsis / H. Ullah, J. G. Chen, J. C. Young, K. H. Im, M. R. Sussman, A. M. Jones // Science. – 2001. – Vol. 292, № 1. –

Р. 2066–2069.

Malamy J. Organization and cell differentiation in lateral roots of Arabidopsis thaliana / J. Malamy, P. Benfey // Genes Dev. – 1997. – Vol. 124, №4. – Р. 33–44.

Chen J. G. Differential roles of Arabidopsis heterotrimeric G-protein subunits in modulating cell division

in roots / J. G. Chen, Y. Gao, A. M. Jones // Plant Physiol. – 2006. – Vol. 141, №3. – Р. 887–897.

Большой практикум по физиологии растений: Учебн. пособие для студентов биол. спец. вузов / [Б. А. Рубина, И. А. Чернавина, Н. Г. Потапов и др.]. – М.: Высш. школа, 1978. – 408 с.

Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов

исследований) / Б. А. Доспехов. – М.: Агропромиздат, 1985. – 351 с.

Ягодин Б. А. Агрохимия / Б. А. Ягодин, Ю. П. Жуков, В. И. Кобзаренко; под ред. Б. А. Ягодина. –

М.: Колос, 2002. – 584 с.

Лакин Г. Ф. Биометрия / Г. Ф. Лакин. – М.: Высш. шк., 1990. – 352 с.

Иллюстрированный каталог генетической коллекции арабидопсиса Луганского НАУ / [И. Д. Соколов, П. В. Шелихов, Л. И. Сигидиненко и др.]. – Луганск: Изд-во ЛНАУ, 2004. – 36 с.

Кондратьева-Мельвиль Е. А. Морфологическое и анатомическое строение Arabidopsis thaliana

(Brassicaceae) в онтогенезе / Е. А. Кондратьева-Мельвиль., Л. Е. Водолазский // Бот. журнал. – 1982. – Т. 67, № 8. – С. 1060–1069.

Хаблак С. Г. Корневая система Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа расы Landsberg / С. Г.

Хаблак, Я. А. Абдуллаева // Экосистемы, их оптимизация и охрана. – 2010. – Вып. 2. – С. 92–98.

Beeckman T. The peri-cell-cycle in Arabidopsis / T. Beeckman, S. Burssens, D. Inzé // J. Exp. Bot. – 2001. – Vol. 52, №11. – Р. 403–411.

Хаблак С. Г., Абдуллаєва Я. А. Будова кореневої системи Arabidopsis thaliana у мутантної лінії g protein alpha subunit1-3 (gpa1-3) // Екосистеми, їх оптимізація та охорона. Сімферополь: ТНУ, 2011. Вип. 5. С. 71–78.

Вивчено особливості  будови кореневої системи у рослин мутантної лінії gpa1-3 Arabidopsis thaliana. Встановлено, що у рослин лінії gpa1-3 формується стержнева коренева система, у якої сильно

розвинений головний корінь, що виділяється серед розгалуженого бічного коріння.

Ключові слова: Arabidopsis thaliana, дикий тип, мутантна лінія, коренева система.

Hablak S. G., Abdullaevа J. A. Structure of root system of Arabidopsis thaliana at the mutant strain g protein alpha subunit1-3 (gpa1-3) // Optimization and Protection of Ecosystems. Simferopol: TNU, 2011. Iss. 5. P. 71–78.

The features of the structure of the root system of plants mutant lines gpa1-3 Arabidopsis thaliana was studied. It was established that plant lines gpa1-3 are formed tap root system, which has a strongly developed of taproot which distinguish among the branched lateral roots.

Key words: Arabidopsis thaliana, wild type, mutant line, root system.

Поступила в редакцию 17.10.2011 г.

Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2011. Вып. 5. С. 79–85.

УДК 582.929.4-035.85 (477.75)



Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 |

Оцените книгу: 1 2 3 4 5

Добавление комментария: