CC BY
34
УДК 547.963.3:633.11 Б01 10.18522/0321-3005-2016-3-36-40
ИЗУЧЕНИЕ АКТИВНОСТИ СИНТЕЗА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ПРИ ГЕТЕРОЗИСЕ И СТИМУЛЯЦИИ РОСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ВЫЗЫВАЕМЫХ ДЕЙСТВИЕМ ГИДРАЗИДА МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ
© 2016 г. А.Д. Мамедова, Р. Т. Алиев
Мамедова Афет Дадаш - кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, Институт генетических ресурсов Национальной академии наук Азербайджана, пр. Азадлыг, 155, г. Баку, AZ 1106, Азербайджан, e-mail: [email protected]
Алиев Рамиз Таги - доктор биологических наук, профессор, заведующий отдела физиологии, Институт генетических ресурсов Национальной академии наук Азербайджана, пр. Азад-лыг, 155, г. Баку, AZ1106, Азербайджан, e-mail: [email protected]
Mamedova Afet Dadash - Candidate of Biological Science, Associate Professor, Leading Researcher, Genetic Resources Institute of the Azerbaijan National Academy of Sciences, Azadlig Ave, 155, Baku, AZ 1106, Azerbaijan, e-mail: [email protected]
Aliev Ramiz Tagi - Doctor of Biological Science, Professor, Head of the Physiology Division, Genetic Resources Institute of the Azerbaijan National Academy of Sciences, Azadlig Ave, 155, Baku, AZ 1106, Azerbaijan, e-mail: [email protected]
Изучаются активность синтеза нуклеиновых кислот при гетерозисе и стимуляция ростовых процессов, вызываемых действием гидразида малеиновой кислоты. Установлено, что при гетерозисе содержание ДНК в расчете на клетку у гибридов выше, чем у родителей. Гетерозис и стимуляция роста относятся к категории явлений, связанных с механизмами генетической регуляции развития признака. Оба явления характеризуются увеличением транскрипционной активности ДНК, отношения лабильной фракции к стабильной, доли лабильного активного хроматина, что приводит к интенсификации синтетических процессов, способствуя усилению морфогенеза.
Ключевые слова: нуклеиновые кислоты, хроматин, гетерозис, стимуляция роста, пшеница.
Current work is devoted to study of activity of nucleic acids synthesis in heterosis and stimulate growth processes induced by action of maleic hydrazide. It was reveled that the content of DNA in per cells of leaf tissue of the heterosis hybrids plants was higher than those of their parents. Heterosis and growth stimulation belong to the category ofphenomena relating to the genetic regulation mechanisms of traits. Both phenomena are characterized by increased transcriptional activity of the DNA, ratio of the labile and stable fractions of DNA, and euchromatin portion of DNA, which leads to the intensification of the synthetic processes enhancing morphogenesis.
Keywords: nucleic acids, chromatin, heterosis, growth stimulation, wheat.
Известно, что использование гетерозиса, физиологически активных веществ способствует повышению урожайности растений [1, 2].
Гидразид малеиновой кислоты (ГМК) в малых дозах используют как стимулятор роста (рост-стимулятор) и развития растений [3]. При воздействии ГМК в стимулирующих дозах обычно происходят лишь небольшие нарушения обмена веществ, но это значительно активирует метаболизм, существенно интенсифицирует жизнедеятельность растений.
Анализируя литературные данные, можно констатировать факт активации физиологических процессов при гетерозисе и рост-стимуляции: усиление синтеза хлорофилла, нарастание вегетативной массы [4-6] и др. Высказывается мнение [7], что гибридная мощность во многом напоминает эффект стимуляции, возникающий под влиянием биологически активных веществ или других факторов воздействия, и в мощном развитии вегетативной массы растений ведущую роль играют гены
количественных признаков - ОТЬ, многие из которых идентифицированы молекулярно-генетически-ми методами [8, 9].
Для выяснения причины развития вегетативной массы нами изучались количественные изменения содержания нуклеиновых кислот в расчете на клетку, а также генетическая активность хроматина при гетерозисе и стимуляции ростовых процессов. Изучение генетических механизмов позволит приблизиться к пониманию природы этих явлений и тем самым эффективно контролировать пути повышения урожайности растений и сохранения их продуктивности, что является актуальной фундаментальной и одновременно прикладной проблемой.
Материал и методы
В исследовании использовали гетерозисные гибриды пшеницы (Triticum Ь.), полученные в Институте генетики и селекции АН Азербайджана
(к.б.н. Д. Мамедов), и их родительские формы. Опыты по изучению гетерозиса были проведены на растениях в фазе колошения, по изучению рост-стимуляции - на проростках пшеницы.
Для определения содержания нуклеиновых кислот и фракционного состава ДНК использовали метод ступенчатого воздействия на хроматин растворами разной ионной силы и факторами депро-теинизации [10]. Содержание нуклеиновых кислот выражалось на одну клетку, количество которых определялось по методу Брауна в модификации М.А. Али-заде [11]. Результаты анализов обрабатывали статистически [12].
Пересчет полученных данных на одну усредненную клетку позволил установить ясную картину увеличения абсолютного содержания нуклеиновых кислот у гибридов. Так, в соматической клетке материнского сорта Джафари содержание РНК было 24,4 пг, у отцовского сорта Oviachic -65^31,8, а их гибрид содержал 41,3 пг РНК. Но
Результаты исследований
Первая серия опытов была проведена с целью выяснения характера изменения синтеза нуклеиновых кислот при гетерозисе. У изученных комбинаций скрещивания данные относительного содержания нуклеиновых кислот были пересчитаны на клетку. Результаты исследований свидетельствуют об увеличении массы одной клетки у гибридов первого поколения пшеницы, что косвенно свидетельствует о наличии гетерозисного эффекта (табл. 1).
Таблица 1
более интересными и заслуживающими внимания являются данные, характеризующие абсолютное содержание ДНК на клетку. Гибриды первого поколения в соматической клетке содержат больше ДНК, чем родительские формы. При скрещивании двух тетраплоидных сортов (2п=28) Джафари и Oviachic 65 в клетке гибридного растения образу-
Содержание нуклеиновых кислот в листьях у различных сортов пшеницы и их гибридов первого поколения (начало колошения)
Гибрид, родительская форма Сухая масса одной клетки, г-10-9 ДНК РНК ДНК на клетку, г-10-12 td РНК на клетку, г-10-12 РНК/ДНК
мг% на сухую массу
Джафари х Оviachic 65 7,80 160,0±1,87 530±5,34 12,49±0,16 19,2 41,3±0,42 3,31
Джафари 4,46 181,9±1,29 547±3,46 8,11±0,07 24,4±0,13 3,00
Оviachic 65 5,52 186,0±1,53 587±1,38 10,08±0,08 31,8±0,11 2,91
Севиндж х v.affme 5,90 172,0±2,20 589±0,12 10,18±0,12 16,9 34,7±0,69 3,41
Севиндж 4,38 174,5±1,58 532±7,27 7,64±0,06 23,3±0,27 3,05
V.afflne 4,91 156,1±2,29 537±2,53 7,66±,11 26,4±0,25 3,34
Oviachic 65 x T.turgidum nigrobarbatum 6,98 176,2±1,33 573±6,58 12,30±0,03 18,2 40,0±0,14 3,26
Oviachic 65 5,52 186,0±1,53 587±1,36 10,08±0,08 31,8±0,11 2,91
T.turgidum nigrobarbatum 5,52 144,7±0,54 498±1,68 7,99±0,02 27,5±0,10 3,44
С Севиндж, v.hordeiforme x v.leucurum, ^70306 5,61 163,1±0,73 530±7,88 9,66±0,05 34,8 26,6±0,43 2,90
С Севиндж, v.hordeiforme 4,38 174,5±1,58 582±7,27 7,64±0,06 23,3±0,27 3,05
V.leucurum, ^70306 4,06 163,6±0,60 571±0 6,64±0 23,2±0 5,50
С Севиндж, v.hordeiforme x v.leucurum, ^70338 5,93 176,1±0,47 538±4,42 10,46±0,02 34,0 29,2±0,17 2,80
С Севиндж, v.hordeiforme 4,38 174,5±1,58 582±7,27 7,64±0,06 23,3±0,27 3,05
V.leucurum, ^70338 5,03 178,4±1,02 516±1,71 8,98±0,06 26,0±0,89 2,89
ется два генома материнской формы и два - отцовской. Исходя из этого, можно ожидать, что в клетке гибрида будет половина массы ДНК материнского растения (4,05 пг) и половина - отцовского (5,04 пг), а их сумма должна составить 9,09 пг. В действительности у гибрида количество ДНК на клетку составляет 12,49 пг.
Такой же характер увеличения количества ДНК на клетку наблюдался и у других гибридов, что свидетельствует о наличии у гетерозисных гибридов механизмов регуляции, способствующих увеличению количества ДНК в клетке. По-видимому, такой механизм способствует редупликации молекул ДНК в клетке, приводит к соматической поли-плоидизации, образованию копий генов или повторяющихся последовательностей на молекуле ДНК. Вероятно, при гетерозисном эффекте процессы редупликации ДНК этим не ограничиваются, а имеет место процесс амплификации, когда число отдельных генов увеличивается при неизменном количестве остальных.
Так, например, гибрид v.ferrugineum х Sava по содержанию суммарной ДНК в клетке отличается от всех остальных испытуемых сортов и гибридов пшеницы. У него наблюдаются самые высокие показатели массы одного колоса и массы зерна в колосе. По содержанию суммарной ДНК в клетке
Таким образом, можно предположить, что гете-розисный эффект у гибридов первого поколения заключается в активации комплекса генов.
Функциональная активность клеточного ядра сопряжена с ее структурным состоянием в хроматине, который представляет собой субстанцию хромосом интерфазного ядра. Если структура генома заключает в себе потенциальные возможности растений, то активность генома является показателем интенсивности и характера реализации генотипа в морфогенетиче-ских процессах. В оценке функциональной активности генетического аппарата интерфазных ядер по их структурному состоянию могут быть использованы такие показатели, как соотношение лабильной и стабильной ДНК, выделяемых из хроматина дробной экстракцией растворами разной ионной силы.
Как видно из табл. 2, исследуемые нами гибриды пшеницы по содержанию суммарной ДНК в клетке находятся в прямой связи с показателями эффекта гетерозиса (масса одного колоса и масса зерна в колосе).
он отличается от своих родительских форм. Если у гибрида в клетке содержится 39,6 пг ДНК, масса одного колоса равна 2,7 г, масса зерна в колосе -1,9 пг, то у родительских форм эти показатели равны соответственно 35,9 и 31,7 пг ДНК, показатели эффекта гетерозиса - 2,3 и 1,6 г; 2,0 и 1,6 г.
Таблица 2
Изменение содержания РНК и фракций ДНК у гибридов пшеницы в связи с эффектом гетерозиса
(начало колошения)
Гибрид, родительская форма Масса одного колоса, г Масса зерна в колосе,г РНК в одной клетке, г-10-12 Фракции ДНК в одной клетке, г-10-12 % от общего содержания ДНК Соотношение лабил./стабил.
Лабил. Стабил. Остаточная Всего Лабил. Стабил. Остаточная
Mexico 50 x Sava 2,4 1,8 107,8 14,6 20,0 1,33 35,9 40,6 55,6 3,8 0,73
Mexico 50 1,7 1,2 70,1 11,3 20,7 1,58 33,6 33,7 61,6 4,7 0,55
Sava 2,0 1,6 80,0 12,4 17,4 1,91 31,7 39,0 55,0 6,0 0,71
Mexico 50 x Прибой 2,3 1,8 143,0 12,8 21,7 2,42 37,0 34,6 58,4 5,8 0,59
Mexico 50 1,7 1,2 70,1 11,3 20,7 1,58 33,6 33,7 61,6 4,7 0,55
Прибой 2,2 1,4 87,4 10,2 24,0 1,71 35,9 28,3 67,0 4,7 0,42
V.ferrugine um x Sava 2,7 1,9 119,0 17,3 20,4 1,80 39,6 43,8 51,6 4,6 0,85
V.ferrugine um, k-48177 2,3 1,6 101,0 15,8 18,8 1,28 35,9 44,0 52,5 3,5 0,84
Sava 2,0 1,6 80,0 12,4 17,4 1,91 31,7 39,0 55,0 6,0 0,71
V.ferrugine um x Прибой 2,2 1,5 127,0 11,8 21,1 1,95 34,9 33,8 60,5 5,6 0,56
V.ferrugine um, k-48177 2,3 1,6 101,0 15,8 18,8 1,28 35,9 44,0 52,5 3,5 0,84
Прибой 2,2 1,4 87,4 10,2 24,0 1,71 35,9 27,3 67,0 4,7 0,42
По содержанию суммарной ДНК аналогичные данные получены и у гибридов Mexico 50 x Sava и Mexico 50 x Прибой. Гибрид v.ferrugineum x Прибой по содержанию суммарной ДНК не отличаются от родительских форм. Соответственно, у этого гибрида не наблюдается эффект гетерозиса.
Интересные результаты получены при сравнении содержания отдельных фракций ДНК и показателей степени гетерозиса: первые два гибрида по содержанию лабильной ДНК превосходят родительские формы; по содержанию стабильной ДНК почти не отличаются от них. Эффект гетерозиса у этих гибридов высок. Гибрид v.ferrugineum x Sava по содержанию как лабильной, так и стабильной ДНК превосходит свои родительские формы; именно этот гибрид и отличается высоким гетеро-зисным эффектом среди остальных испытуемых гибридов. У гибрида, полученного от комбинации скрещивания v.ferrugineum x Прибой, содержание лабильной и стабильной ДНК ниже показателей
обоих родителей. Соответственно, у него содержание суммарной ДНК в одной клетке также ниже по сравнению с родителями; эффекта гетерозиса по продуктивности не наблюдалось.
Факт увеличения лабильной фракции ДНК свидетельствует о высокой активности геномов у гете-розисных гибридов по сравнению с родительскими парами.
Следующая серия исследований была проведена с целью изучения изменений синтеза нуклеиновых кислот в пересчете на клетку при стимуляции ростовых процессов, вызываемых действием стимулирующей рост концентрации ГМК. Результаты опытов представлены в табл. 3.
Анализ данных, полученных при пересчете на клетку, показал активацию синтеза РНК при стимуляции ростовых процессов. Хотя при этом отмечается ослабление синтеза ДНК, однако обращает на себя внимание факт усиления у опытных растений транскрипционной активности ДНК.
Таблица 3
Изменение содержания РНК и ДНК в клетке проростков пшеницы при стимуляции и ингибировании ростовых процессов, вызываемых действием ГМК
Вариант РНК, пг Фракции ДНК, пг % лабил. от общей ДНК Лабил. Стабил. РНК ДНК
Лабил. Стабил. Остаточная Сумма
Контроль 31,340 2,058 6,658 1,384 10,100 20,5 0,31 3,10
Стимуляция роста 48,198 2,160 5,942 1,632 9,734 22,2 0,36 4,95
Контроль 22,048 2,544 3,614 1,506 7,664 33,2 0,70 2,88
Стимуляция роста 22,616 2,104 1,495 0,465 4,064 51,8 1,40 5,57
Изучение фракционного состава ДНК показало, что при стимуляции ростовых процессов у растений не отмечено определенной закономерности по содержанию лабильной фракции ДНК: через 24 ч воздействия ГМК отмечается незначительная активация лабильной ДНК, через 48 ч - его содержание уменьшается. Что касается стабильной ДНК, то отмечено ослабление синтеза этой фракции у опытных растений.
Следует отметить, что при стимуляции ростовых процессов наблюдается увеличение процентного содержания лабильной от общей ДНК. Так, после 24 ч стимуляции ростовых процессов увеличение этого показателя у опытных растений составило 22,2 %, после 48 ч - 51,8 % в сравнении с контрольными растениями. При этом отмечается увеличение отношения лабильной ДНК к стабильной, что может указывать на высокую скорость биосинтетических процессов у опытных вариантов.
Стимуляция ростовых процессов в наших исследованиях сопровождалась увеличением РНК, РНК/ДНК и доли ДНК эухроматина в ядре, отношения лабильной фракции ДНК к стабильной.
Таким образом, гетерозис и рост-стимуляция относятся к категории явлений, связанных с механизмами генетической регуляции развития признака. Эти явления характеризуются увеличением транскрипционной активности ДНК, отношения лабильной фракции к стабильной, доли лабильного активного хроматина, что приводит к интенсификации синтетических процессов, способствуя усилению морфогенеза.
Литература
1. Birchler JA., Yao H., Chudalayandi S., Vaiman D., Veitia R.A.
Heterosis // The Plant Cell. 2010. Vol. 22, № 7. Р. 21052112.
2. Тосунов Я.К., Миргородский И.Ю., Чернышева Н.В.
Применение препарата Гумата К на томатах // Научные достижения молодежи Кубани: материалы науч. конф. Краснодар, 2001. С. 25.
3. Ракитин Ю.В. Гидразид малеиновой кислоты как регу-
лятор роста растений. М., 1973. 368 с.
4. Гончарова Ю.К. Наследование признаков, определяю-
щих физиологический базис гетерозиса у гибридов риса // Сельскохозяйственная биология. 2010. Т. 45, № 5. С. 72-78.
5. Тосунов Я.К. Повышение продуктивности и качества
томата под действием регуляторов роста: дис. ... канд. с.-х. наук. Краснодар, 2008. 150 с.
6. Karlberg A. Molecular Analysis of Factors Regulating
Wood Formation and Seasonal Growth Cycles in Hybrid Aspen: Doctoral Thesis Swedish University of Agricultural Science. Umeä, 2011. Р. 1-70.
7. Конарев В.Г., Ахметов Р.Р., Гилязетдинов Ш.Я. О при-
роде гетерозиса и его проявления по данным биохимии и молекулярной генетики // Физиологические и биохимические аспекты гетерозиса и гомеостаза растений. Уфа, 1976. С. 5-20.
8. Gepts P. A comparison between Crop Domestication, Clas-
sical Plant Breeding and Genetic Engineering // Crop Science. 2002. Vol. 42(6). Р. 1780-1790. Doi: 10.213 5/cropsci2002.1780;20.
9. Asins M.J. Present and future of quantitative trait locus analy-
sis in plant breeding // Plant Breeding. 2002. Vol. 121(4). Р. 281-291. Doi: 10.1046/j.1439-0523.2002.730285.x
10. Алексеев В.Г. Гетерогенность ДНК проростков пшеницы
и активность генома // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1973. Т. 52, № 1. С. 46-56.
11. Али-заде М.А., Ахундова Э.М., Алиев Р.Т., Гаджиева Ш.И.
Метод пересчета показателей относительного содержания веществ на одну клетку листа растения // Изв. АН Азерб. ССР. Серия Б. 1979. № 6. С. 29-33.
12. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами
стат. обработки результатов исследований). М., 1985. 351 с.
References
1. Birthler J.A., Yao H., Chudalayandi S., Vaiman D., Veitia R.A.
Heterosis. The Plant Cell., 2010, vol. 22, no 7, pp. 21052112.
2. Tosunov Ya.K., Mirgorodskii I.Yu., Chernysheva N.V.
[The use of the preparation Humate K on tomatoes]. Nauchnye dostizheniya molodezhi Kubani [Scientific achievements of Kuban youth]. Scientific conf. materials. Krasnodar, 2001, p. 25.
3. Rakitin Yu.V. Gidrazid maleinovoi kisloty kak regulyator
rosta rastenii [Maleic hydrazide as a plant growth regulator]. Moscow, 1973, 368 p.
Поступила в редакцию
4. Goncharova Yu.K. Nasledovanie priznakov, opredelya-
yushchikh fiziologicheskii bazis geterozisa u gibridov risa [Inheritance of attributes that determine the physiological basis of heterosis in rice hybrids]. Sel'skokhozyaistvennaya biologiya, 2010, vol. 45, no 5, pp. 72-78.
5. Tosunov Ya.K. Povyshenie produktivnosti i kachestva
tomatapod deistviem regulyatorov rosta: dis. ... kand. s.-kh. nauk [Increasing the efficiency and quality of tomato under the influence of growth regulators]. Krasnodar, 2008, 150 p.
6. Karlberg A. Molecular analysis of factors regulating wood formation and seasonal growth cycles in hybrid aspen. Doctoral Thesis Swedish University of Agricultural Science. Umea, 2011, pp. 1-70.
7. Konarev V.G., Akhmetov R.R., Gilyazetdinov Sh.Ya. [On
the nature of heterosis and its manifestations according to biochemistry and molecular genetics]. Fiziologicheskie i biokhimicheskie aspekty geterozisa i gomeostaza rastenii [Physiological and biochemical aspects of heterosis and homeostasis of plants]. Ufa, 1976, pp. 5-20.
8. Gepts P. A comparison between Crop Domestication, Clas-
sical Plant Breeding and Genetic Engineering. Crop Science, 2002, vol. 42(6), pp. 1780-1790. Doi: 10.213 5/cropsci2002.1780;20.
9. Asins M.J. Present and future of quantitative trait locus
analysis in plant breeding. Plant Breeding, 2002, vol. 121(4), pp. 281-291. Doi: 10.1046/j.1439-0523.2002.730285.x.
10. Alekseev V.G. Geterogennost' DNK prorostkov pshenitsy i
aktivnost' genoma [The heterogeneity of the DNA genome of wheat seedlings and activity]. Trudy po priklad-noi botanike, genetiki i selektsii, 1973, vol. 52, no 1, pp. 46-56.
11. Ali-zade M.A., Akhundova E.M., Aliev R.T., Gadzhieva Sh.I.
Metod perescheta pokazatelei otnositel'nogo soderzhaniya veshchestv na odnu kletku lista rasteniya [The method of conversion rates relative content of substances on one square sheet plants]. Izvestiya AN Azerb. SSR Seriya B, 1979, no 6, pp. 29-33.
12. Dospekhov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami stat.
obrabotki rezul'tatov issledovanii) [Methods of field experience (with the fundamentals of statistical processing of the results of research)]. Moscow, 1985, 351 p.
19 мая 2016 г.
