CC BY
28
Раздел 02.00.10 Биоорганическая химия
УДК 577.175.152:581.144.2 DOI: 10.17122/bcj-2019-1-91-95
Л. Х. Басырова (магистрант) А. Н. Васинская (к.б.н., с. н.с.) 2, А. В. Коробова (к.б.н., с.н.с.) 2, Э. М. Зайнутдинова (к.б.н., доц.) Г. Р. Кудоярова (д.б.н., проф., зав. лаб.) 2
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭТИЛЕНА В РЕГУЛЯЦИИ РОСТА И РАЗВИТИЯ КОРНЕЙ
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра прикладной экологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1, (347)2431737, e-mail: lilya.ufa.95@mail.ru, elvira-zayynutdinova@rambler.ru 2 Уфимский институт биологии УФИЦ РАН, лаборатория физиологии растений 450054,г. Уфа, пр. Октября, 69, (347)2356247,e-mail: link_87@mail.ru, muksin@mail.ru, guzel@anrb.ru
L. Kh. Basyrova A. N. Vasinskaya 2, A. V. Korobova 2, E. M. Zaynutdinova G. R. Kudoyarova 2
THE ECOLOGICAL ROLE OF ETHYLENE IN ROOT GROWTH AND DEVELOPMENT
1 Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia, ph. (347)2431737, e-mail: lilya.ufa.95@mail.ru, elvira-
zayynutdinova@rambler.ru 2 Ufa Institute of Biology of Ufa Federal Research Centre of RAS 69, Prospekt Oktyabrya Str., 450054, Ufa, Russia, ph. (347)2356247, e-mail: link_87@mail.ru,
muksin@mail.ru, guzel@anrb.ru
Архитектура корневой системы (АКС) является важной характеристикой растения, которая формируется в результате таких процессов, как удлинение и ветвление корней. Способность изменять АКС в зависимости от факторов среды лежит в основе выживания растений в неблагоприятных условиях. В данной работе изучено взаимовлияние этилена и ауксина в регуляции этих ростовых процессов. Было проведено сравнение ростовых реакций растений арабидопсиса исходной линии Columbia, нечувствительных к этилену мутантов etr1-1, на введение в среду ауксина индолил-3-уксусной кислоты (ИУК). Показано, что ИУК стимулировала ветвление корней обоих линий, тогда как ингибирование роста корней в длину наблюдалось только у растений Columbia. Сделан вывод о том, что способность растений к рецепции этилена играет важную роль в процессе регуляции удлинения корней ауксинами.
Ключевые cлoвa:Arabidopsis thaliana; etr1-1; ветвление корней; ИУК; удлинение корней; этилен.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (№ 18-34-00239).
Дата поступления 11.02.19
The root system architecture (RSA) is an important characteristic of the plant, which is formed as a result of processes such as elongation and branching of the roots. The ability to change the RSA depending on environmental factors underlies the survival of plants in adverse conditions. In this paper, the interaction of ethylene and auxin in the regulation of these growth processes has been studied. A comparison was made between the growth responses of the Arabidopsis plant of the parent ecotype Columbia and ethylene-insensitive etr1-1 mutants to the introduction of auxin indolyl-3-acetic acid (IAA) into the medium. It was shown that IAA stimulated branching of the roots of both lines, whereas inhibition of root growth in length was observed only in Columbia plants. An important role of plant sensitivity to ethylene in the regulation of root elongation by auxins was concluded.
Key words: Arabidopsis thaliana;ethylene; etr1-1; IAA; root branching; root growth.
This work was partially supported by the Russian Foundation of Basic Research (project No 18-34-00239).
Непредельный газообразный углеводород этилен синтезируется в растениях и выполняет функцию фитогормона. Он способен регулировать прорастание, рост листьев, стеблей и
корней, ассимиляцию углерода, определение
1
пола, созревание плодов, старение органов . Этилен играет экологическую роль, поскольку участвует в формировании адаптивных ответов растений на биотические и абиотические стрессовые факторы. Часто в ответ на неблагоприятные воздействия синтез этилена в растениях резко возрастает, поэтому этот гормон относят к стрессовым. Так, продукция этилена растениями быстро возрастает при поранении, затоплении, засухе, осмотическом стрессе, старении, патогенной инвазии 1-3, что приводит к активации клеточных ответов с помощью этиленового сигнального пути и путем взаимодействия с сигнальными путями других фитогор-монов 1>4.
Хорошо известно, что как этилен, так и ауксины способны тормозить удлинение корней 5. Можно предполагать, что в регуляции роста корней в длину эти гормоны взаимодействуют 6. Анализ изменения транскриптомики растений под влиянием этилена и ауксинов показал, что их взаимодействие, скорее всего, осуществляется на уровне влияния каждого из них на метаболизм другого гормона 7. Объяснение сходства в действии этилена и ауксинов на удлинение корней может заключаться как в том, что этилен тормозит рост корней через стимуляцию накопления ауксинов в зоне роста корней, так и в том, что действие ауксинов на удлинение корней обусловлено активацией под их влиянием продукции этилена. Сведения о взаимодействии ауксинов и этилена в регуляции роста корней недостаточно убедительны. Целью данной работы было исследование характера влияния ауксина на удлинение и ветвление корней — напрямую или через этиленовый сигналинг.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования служили растения арабидопсиса (Arabidopsis thaliana [L.] Heynh.) экотипа Columbia (Col-0) и нечувствительный к этилену мутант etr1-1. После стратификации на влажной фильтровальной бумаге в чашках Петри в течение 3 дней при температуре 4 оС семена переносили в 100-миллилитровые сосуды с песком, насыщенным раствором Хогланда-Арнона и выращивали в климатической камере (MLR-350H, «Sanyo», Япония) при температуре 23 /19 оС (день/
ночь), 80%-ной относительной влажности воздуха, освещенности 120 мкмоль/(м2-с) ФАР и 16-часовом фотопериоде, как описано в 8. Растения ежедневно получали 3 мл раствора Хог-ланда-Арнона и дистиллированную воду по весу сосудов для поддержания обводненности песка на уровне 60% от полной влагоемкости, как описано ранее 9. Через 2 недели после переноса в климатическую камеру у растений Col-0 и etr1-1 определяли чувствительность роста корней к добавлению экзогенной ИУК. Для этого в питательный раствор ежедневно добавляли препарат ИУК до конечной концентрации 5.7 х 10-6 М. Эта концентрация была выбрана в предварительных опытах как вызывающая наиболее выраженный в количественном плане ростовой ответ у растений исходного генотипа. Выращивание растений в песке позволяло отделить корни от субстрата, не повреждая их. Через 4 сут после начала обработки ауксином у растений измеряли длину главного корня и количество боковых корней на нем (n=20).
Результаты и их обсуждение
Влияние этилена на рост корней, в первую очередь, проявляется в торможении их удлинения 10. Логично, что у мутантных растений арабидопсиса etr1-1, потерявших чувствительность к этилену в результате доминантной мутации, были зарегистрированы более длинные корни по сравнению с исходным экотипом Columbia (рис. 1).
Рис. 1. Длина главного корня 18-дневного нечувствительного к этилену мутанта арабидопсиса etrl-1 и исходного экотипа Columbia (Col-0) через 4 сут после начала введения ИУК (ИУК+) в питательный раствор (до конечной концентрации 5.7 х 10-6 М); статистически значимые различия (n = 20) обозначены различными буквами (p < 0.05, т-тест Стьюдента)
Более длинные корни у etrl мутанта были также зарегистрированы Contreras-Cornejo с соавторами 11. Добавление ИУК в питательную среду приводило к укорочению корней у растений Col-0 на 20% по сравнению с контролем (рис. 1). Важно, что у нечувствительного к этилену мутанта мы не зарегистрировали изменений в удлинении корней под влиянием ИУК.
Введение в питательную среду ауксина индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) приводило к усилению ветвления корней как у растений исходной линии Columbia, так и у нечувствительных к этилену мутантов etr1-1 (рис. 2). Хорошо известна роль фитогормона ИУК в регуляции формирования боковых корней 12,13. Поэтому неудивительно, что в наших экспериментах мы зарегистрировали увеличение количества боковых корней на главном корне.
Рис. 2. Количество боковых корней на главном корне 18-дневных нечувствительных к этилену мутант-ных растений арабидопсиса (etr1-1) и их исходного экотипа Columbia (Col-0) через 4 сут после начала введения в питательный раствор ауксина (ИУК+) до конечной концентрации 5.7 х 10-6 М. Статистически значимые различия (n = 20) указаны звездочкой (т-тест Стьюдента).
Интересно, что стимуляция ветвления происходила и у мутантных растений, потерявших чувствительность к этилену. Можно предполагать, что влияние ИУК на рост боковых корней не зависит от этиленового сигналинга.
Из рис. 2 также видно, что у контрольных (не обработанных ауксином) мутантных растений etr1-1 количество боковых корней выше, чем у растений исходного экотипа Columbia.
По данным литературы 14, обработка растений арабидопсиса предшественником этилена 1 -аминоциклопропанкарбоновой кислотой (АЦК) приводила к резкому снижению ветвления корней что позволяет сделать вывод об ингибирующем влиянии этилена на формирование боковых корней. В нашей работе мы использовали растения, не обладающие чувствительностью к этому гормону. Поэтому неудивительно, что боковых корней у растений etrl-1 было больше, чем у исходного экотипа Columbia.
Сходные результаты были получены при сравнении растений Columbia с мутантными растениями etr1-3, у которых также была нарушена рецепция к этилену 14. Авторы зарегистрировали большее число боковых корней у мутантных растений и усиление ветвления корней обоих экотипов в ответ на введение в среду ауксина.
Таким образом, полученные нами результаты свидетельствуют о том, что способность растений к рецепции этилена играет важную роль в регуляции длины корней и ее чувствительности к ауксинам. Мутация по гену рецептора этилена ETR1 способствует удлинению корней растений арабидопсиса и резкому снижению чувствительности этого процесса к экзогенной ИУК. Эти результаты отличаются от данных, полученных ранее в экспериментах с обработкой растений аналогичного мутанта синтетическим ауксином НУК 10, транспорт которого (в отличие от ИУК) не зависит от переносчиков ауксинов 15. Отличие в удлинении корней в ответ на НУК и ИУК у растений нечувствительного к этилену мутанта свидетельствует о том, что эта реакция связана с влиянием этилена на переносчики ИУК, что соответствует некоторым литературным данным 10.
Ранее на растениях томата было показано, что чувствительность к этилену необходима для образования придаточных корней 16, а также для поддержания массы корней растений арабидопсиса 17.Наши данные свидетельствуют о важной роли этилена в процессе удлинения корней. В этом отличие наших результатов от ряда работ 18, в которых основную роль в регуляции роста корней отводят ауксинам.
Литература
1. Wang K.L., Li H., Ecker J.R. Ethylene biosynthesis and signaling networks // Plant Cell.- 2002.- V.14.— Pp.131-151.
2. van Loon L.C., Geraats B.P.J., Linthorst H.J.M. Ethylene as a modulator of desease resistance in plants // Trends Plant Sci.— 2006.— V.11.— Pp.184-191.
3. Di BaccioD., Ederli L., Marabottinin R., Badiani M., Francini A., Nali C. Similar foliar lesions but opposite hormonal patterns in a tomato mutant impared in ethylene perception and its near isogenic wild type challenged with ozone // Environ. Exp. Bot.— 2012.— V.75.— Pp.286-297.
4. TrivelliniA., Cocetta G., Verniery P., Mensuali-Sodi A., Ferrante A. Effect of cytokinins on delaying petunia flower senescence: a transcriptome study approach // Plant Mol. Biol.— 2014.— V.87.— Pp.169-180.
5. Takahashi H. Auxin biology in roots // Plant Root.— 2013.— V.7.— Pp.49-64.
6. Muday G.K., Rahman A., Binder B.M. Auxin and ethylene: collaborators or competitors? // Trends in Plant Science.— 2012.— V.17.— Pp.181-195.
7. Stepanova A.N., Yun J., Likhacheva A.V., Alonso J.M. Multilevel interactions between ethylene and auxin in Arabidopsis roots // The Plant Cell.— 2007.— V.19.— Pp.2169-2185.
8. Shtratnikova V.Yu., Kudryakova N.V., Kudoyarova G.R.,Korobova A.V., Akhiyarova G.R., Danilova M.N., KusnetsovV.V., Kulaeva O.N. Effects of nitrate and ammoniumon growth of Arabidopsis thaliana plants transformed with the ARR5::GUS construct and a role for cytokininsin suppression of disturbances induced by thepresence of ammonium // Физиология растений.— 2015.— T.62, №6.— С.792-803.
9. Arkhipova T.N., Prinsen E., VeselovS. Yu., Martinenko E.V., Melentiev A.I., Kudoyarova G.R. Cytokinin producing bacteria enhances plant growth in drying soil // Plant and Soil.— 2007.— V.292.— Pp.305-315.
10. Ruzicka K., Ljung K., Vanneste S., Podhorska R., Beeckman T., Friml J., Benkova E. Ethylene regulates root growth through effects on auxin biosynthesis and transport-dependent auxin distribution // Plant Cell.— 2007.— V.19.— Pp.2197-2212.
11. Contreras-Cornejo H.A., Lopez-Bucio J.S., Mendez-Bravo A., Macias-Rodriguez L., Ramos-Vega M., Guevara-Garcia A.A., Lopez-Bucio J. Mitogen-activated protein kinase 6 and ethylene and auxin signaling pathways are involved in Arabidopsis root-system architecture alterations by Trichoderma atroviride //Molecular Plant-Microbe Interactions.— 2015.— V.28.— Pp.701-710.
12. Casimiro I., Beeckman T., Graham N., Bhalerao R., Zhang H., Casero P., Sandberg G., Bennett M.J. Dissecting Arabidopsis lateral roots development // Trends Plant Sci.— 2003.— V.8.— Pp.165-171.
13. Teale W., Paponov I., Ditengou F., Palme K. Auxin and the developing root of Arabidopsis thaliana // Physiol. Plant.— 2005.— V.123.— Pp.130-138.
References
1. Wang K.L., Li H., Ecker J.R. [Ethylene biosynthesis and signaling networks]. Plant Cell., 2002, vol.14, pp.131-151. DOI: 10.1105/tpc.001768.
2. van Loon L.C., Geraats B.P.J., Linthorst H.J.M. [Ethylene as a modulator of desease resistance in plants]. Trends Plant Sci., 2006, vol.11, pp.184191. DOI: 10.1016/j.tplants.2006.02.005.
3. Di Baccio D., Ederli L., Marabottinin R., Badiani M., Francini A., Nali C. [Similar foliar lesions but opposite hormonal patterns in a tomato mutant impared in ethylene perception and its near isogenic wild type challenged with ozone]. Environ. Exp. Bot., 2012, vol.75, pp.286-297. DOI: 10.1016/ j.envexpbot.2011.08.001.
4. Trivellini A., Cocetta G., Verniery P., Mensuali-Sodi A., Ferrante A. [Effect of cytokinins on delaying petunia flower senescence: a transcriptome study approach]. Plant Mol. Biol., 2014, vol.87, pp.169-180. DOI: 10.1007/s11103-014-0268-8.
5. Takahashi H. [Auxin biology in roots]. Plant Root, 2013, vol.7, pp.49-64. DOI: 10.3117/ plantroot.7.49.
6. Muday G.K., Rahman A., Binder B.M. [Auxin and ethylene: collaborators or competitors?]. Trends in Plant Science, 2012, vol.17, pp.181195. DOI: 10.1016/ j.tplants.2012.02.001.
7. Stepanova A.N., Yun J., Likhacheva A.V., Alonso J.M. [Multilevel interactions between ethylene and auxin in Arabidopsis roots]. The Plant Cell., 2007, vol.19, pp.2169-2185. DOI: 10.1105/tpc.107.052068.
8. Shtratnikova V.Y., Kudryakova N.V., Danilova M.N., Kusnetsov V.V., Kulaeva O.N., Kudoyarova G.R., Korobova A.V., Akhiyarova G.R. [Effects of nitrate and ammonium on growth of Arabidopsis thaliana plants transformed with the ARR5::GUS construct and a role for cytokinins in suppression of disturbances induced by the presence of ammonium]. Russian Journal of Plant Physiology, 2015, vol. 62, no.6, pp.741752. DOI: 10.1134/S1021443715060151.
9. Arkhipova T.N., Prinsen E., VeselovS. Yu., Martinenko E.V., Melentiev A.I., Kudoyarova G.R. [Cytokinin producing bacteria enhances plant growth in drying soil]. Plant and Soil, 2007, vol.292, pp.305-315. DOI: 10.1007/ s11104-007-9233-5.
10. Ruzicka K., Ljung K., Vanneste S., Podhorska R., Beeckman T., Friml J., Benkova E. [Ethylene regulates root growth through effects on auxin biosynthesis and transport-dependent auxin distribution]. Plant Cell, 2007, vol.19, pp.21972212. DOI: 10.1105/tpc.107.052126.
11. Contreras-Cornejo H.A., Lopez-Bucio J.S., Mendez-Bravo A., Macias-Rodriguez L., Ramos-Vega M., Guevara-Garcia A.A., Lopez-Bucio J. [Mitogen-activated protein kinase 6 and ethylene and auxin signaling pathways are involved in Arabidopsis root-system architecture alterations by Trichoderma atroviride]. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2015, vol.28, pp.701-710. DOI: 10.1094/MPMI-01-15-0005-R.
14. Negi S., Ivanchenko M.G., Muday G.K. Ethylene regulates lateral root formation and auxin transport in Arabidopsis thaliana // The Plant Journal.- 2008.- V.55.- Pp.175-187.
15. Marchant A., Kargul J., May S.T., Muller P., Delbarre A., Perrot-Rechenmann C., Bennett M.J. AUX1 regulates root gravitropism in Arabidopsis by facilitating auxin uptake within root apical tissues // The EMBO Journal.-1999.- V.18.- Pp.2066-2073.
16. Clark D.G., Gubrium E.K., Barrett J.E., Nell T.A., Klee H.J. Root formation in ethylene-insensitive plants // Plant Physiol.- 1999.-V.121.- Pp.53-60.
17. Коробова А.В., Высоцкая Л.Б., Васинская А. H., Кулуев Б. Р., Веселов С.Ю., Кудоярова Г.Р. Связь накопления биомассы корней с содержанием и метаболизмом цитокининов у нечувствительных к этилену растений // Физиология растений.- 2016.- Т.63, №5.- С.636-643.
18. Alarcon M.V., Lloret P.G., Salguero J. Auxin-ethylene interaction in transversal and longitudinal growth in maize primary root // Botany.- 2013.- V.91.- Pp.680-685.
12. Casimiro I., Beeckman T., Graham N., Bhalerao R., Zhang H., Casero P., Sandberg G., Bennett M.J. [Dissecting Arabidopsis lateral roots development]. Trends Plant Sci., 2003, vol.8, pp.165-171. DOI: 10.1016/S1360-1385(03)00051-7.
13. Teale W., Paponov I., Ditengou F., Palme K. [Auxin and the developing root of Arabidopsis thaliana], Physiol. Plant, 2005, vol.123, pp. 130138. DOI: 10.1111/j. 1399-3054.2005.00475.x.
14. Negi S., Ivanchenko M.G., Muday G.K. [Ethylene regulates lateral root formation and auxin transport in Arabidopsis thaliana]. The Plant Journal, 2008, vol.55, pp.175-187. DOI: 10.1111/j.1365-313X. 2008.03495.xNegi et al., 2008
15. Marchant A., Kargul J., May S.T., Muller P., Delbarre A., Perrot-Rechenmann C., Bennett M.J. [AUX1 regulates root gravitropism in Arabidopsis by facilitating auxin uptake within root apical tissues]. The EMBO Journal, 1999, vol.18, pp.2066-2073. DOI: 10.1093/emboj/ 18.8.2066.
16. Clark D.G., Gubrium E.K., Barrett J.E., Nell T.A., Klee H.J. [Root formation in ethylene-insensitive plants]. Plant Physiol., 1999, vol.121, pp.53-60. DOI: 10.1104/pp.121.1.53.
17. Korobova A.V., Vysotskaya L.B., Vasinskaya A.N., Kudoyarova G.R., Kuluev B.R., Veselov S.Y. [Dependence of root biomass accumulation on the content and metabolism of cytokinins in ethylene-insensitive plants]. Russian Journal of Plant Physiology, 2016, vol.63, no.5, pp.597603. DOI: 10.7868/S0015330316050079.
18. Alarcon M.V., Lloret P.G., Salguero J. [Auxin-ethylene interaction in transversal and longitudinal growth in maize primary root]. Botany, 2013, vol.91, pp.680-685. DOI: 10.1139/cjb-2013-0133.
