CC BY
42
Дендро 2012: перспективы применения древесно-кольцевой информации для целей охраны, воспроизводства и рационального использования древесной растительности
ПОЛИТЕНИЯ КАМБИАЛЬНЫХ ИНИЦИАЛЕЙ
М.Г. РОМАНОВСКИЙ, главк. научн. сотр. Института лесоведения РАН, д-р биол. наук
[email protected] Институт лесоведения РАН Советская 21, п/о Успенское, Московская обл. 143030 Россия
В статье говорится о том, что автором были обнаружены свидетельства перехода делящихся в меристеме клеток, производных от инициальной, к синтезу новых молекул ДНК сразу же по завершении распределения политенных копий. Дочерние клетки переходят от распределительных редукционных делений к митозу. В результате дистальные клетки ряда производных политенной инициали делятся с образованием не двух, а четырех клеток, соответственно оценки исходного уровня политении камбиальной инициали уменьшились вдвое, по сравнению с данными, приведенными ранее. Выявлены работы, свидетельствующие об изменчивости уровней политении и схем редукции политении камбиальных инициалей в онтогенезе, а также у разных таксонов древесных растений. В1940-1980-х гг. политения хромосом по прямым и косвенным признакам была обнаружена в клетках меристем и эмбрионов растений. Достоверно установлена политения яйцеклеток, эмбриональных структур хвойных, палисадной паренхимы мезофилла лиственных древесныхрастений. Но чаще всего политения рассматривается как любопытный казус, а не как общийпринцип строения хромосом в меристемах и эмбриональных структурах. Формирование политенных копий ДНК - основная статья дыхательных затрат ствола, в большинстве случаев превышающая затраты на утолщение вторичных оболочек трахеид, или клеток либриформа.
У хвойных деревьев, из-за отсутствия синтеза новой ДНК в клеточных квантах флоэмы после завершения редукции политении, дыхательные затраты на формирование флоэмы вдвое ниже, чем ксилемы. У лиственных, судя по примерному равенству дыхательных затрат на создание ксилемных и флоэмных квантов прироста, делящиеся клетки в квантах обоих типов перед началом дифференциации одинаково переходят к митозу и синтезу новой ДНК.
Ключевые слова: камбий, политения, редукционные деления в меристемах, митоз
Подготовка доклада для конференции «Денро-12» привела меня к новым неожиданным выводам, существенно уточняющим сделанные ранее в публикации в Лесном Вестнике [8]. Теперь политения воспринимается мной как одно из основных свойств хромосом любых меристематических тканей. Обнаружены свидетельства перехода делящихся в меристеме клеток, производных от инициальной, к синтезу новых молекул ДНК сразу же по завершении распределения поли-тенных копий. Дочерние клетки переходят от распределительных редукционных делений к митозу [15]. В результате дистальные клетки ряда производных политенной инициали делятся с образованием не двух, а четырех клеток, соответственно оценки исходного уровня политении камбиальной инициали уменьшились вдвое по сравнению с данными, приведенными ранее [8]. Выявлены работы, свидетельствующие об изменчивости уровней политении и схем редукции политении камбиальных инициалей в онтогенезе, а также у разных таксонов древесных растений. Все это заставляет еще раз вернуться к обсуждению эффектов политении делящихся камбиальных клеток. Кроме того, статья дает возможность исправить ошибку, допущенную
[8] при оценке величины ксилемного кванта
рассеяннососудистых пород: он содержит не 8, а 64 клетки веретеновидных элементов.
Гигантские хромосомы двукрылых насекомых со специфическим штрих кодом из дифференциально окрашенных гетерохроматиновых и эухроматиновых поперечных полос, неповторимым узором маркирующих разные отрезки хромосом, широко использовалось генетиками прошлого столетия [10, 14 и др.]. Исследования гигантских хромосом, впервые описанных Э. Бальбиани еще в 1881 г., во многом определили само становление современной генетики. Каждая политенная хромосома в клетках слюнных желез личинок двукрылых насекомых содержит по 2048 = 211 копий молекулы ДНК. Благодаря политении, или полине-мии, как предлагал называть ее И. Гершкович
[2], события, происходящие на молекулярном уровне (транслокации, дупликации, делеции, инверсии), можно видеть в световом микроскопе и подсчитывать их частоты. Наблюдения за появлением и сменой утолщений, «пуфов» гигантских хромосом в процессе развития личинок двукрылых заложили основы современной генетики развития.
В 1940-1980-х гг. политения хромосом по прямым и косвенным признакам была обнаружена в клетках меристем и эмбрионов растений. Достоверно установлена полите-
134
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2014
Дендро 2012: перспективы применения древесно-кольцевой информации для целей охраны, воспроизводства и рационального использования древесной растительности
ния яйцеклеток, эмбриональных структур хвойных, палисадной паренхимы мезофилла лиственных древесных растений [3, 6, 11-13]. Но чаще всего политения рассматривается как любопытный казус, а не как общий принцип строения хромосом в меристемах и эмбриональных структурах.
Внешний признак политении меристе-матических инициалей - автоматизм делений производных клеток, редуцирующих число копий ДНК, заранее синтезированных во всех хромосомах политенной клетки-инициали
[7]. Подобный автоматизм делений присущ также производным камбия у деревьев [1]. Это побудило меня при анализе работы камбия исходить из допущения политении камбиальных инициалей [8].
Производные камбиальных инициалей пополняют ксилемные радиальные ряды клеток порциями, квантами. Мониторинг газообмена ствола сосны [4, 5] обнаружил подъемы интенсивности эмиссии СО2, соответствующие неоднократному за сезон выходу радиальных ксилемных квантов из 8, 16 трахеид. В промежутках между ксилемными квантами у хвойных древесных пород формируются кванты, состоящие из вдвое меньшего числа элементов, флоэмные, по 4 или 8 клеток; они требуют примерно вдвое меньших дыхательных затрат. Годичные кольца (ГК) генеративно спелых, субсенильных (стадия онтогенеза g3 [9]) хвойных строятся из n квантов по 16 трахеид. Ширина ГК g3-деревьев хвойных пород - 16n трахеид.
Камбиальная инициаль хвойного g^.-дерева, имеющая уровень политении 16t, делится, образуя две 8t клетки. Одна из них остается в составе инициалей и начинает восстанавливать 16t уровень политении хромосом. Вторая переходит к распределительным делениям с редукцией уровня политении 8t ^ 4t ^ 2t. Следующее деление дистальной клетки в ряду производных инициали 2t ^ 11 совершается с переходом к синтезу ДНК, и из клетки, содержащей хромосомы с уровнем политении 2t, вместо двух 1t клеток, получается тэтрада 1t клеток. Тэтрады выходят из камбиальной зоны. Четверки трахеид начинают практически одновременно расширять-
ся, в радиальном направлении, приобретая в ранней древесине изодиаметрическую форму (поздние трахеиды остаются радиально сплюснутыми), а затем «созревать». Четверки клеток, однородных по толщине оболочек, форме, по консистенции и окраске протоплазмы прекрасно читаются в зонах расширения и созревания трахеид.
Производные клетки камбиальной инициали делятся и дифференцируются последовательно. В то время как дистальные клетки ксилемного кванта уходят из камбиальной зоны в зоны растяжения и дифференциации, проксимальные - еще не завершают редукцию политении. В результате квант клеточного прироста разбивается на 2 полукванта.
Задержки последнего в сезоне полукванта или использование полукванта, задержанного в камбиальной зоне ранее, приводят к варьированию ширины ГК на число трахеид полукванта [8]: у генеративно спелых хвойных деревьев ГК - 16n±8 трахеид. Молодые, виргинильные v-сосны строят ГК из 32n±16 клеток. Радиальный поперечник трахеид d, который зависит от класса бонитета насаждения, возраста дерева и условий сезона, в среднем равен d r = 31-36 мкм, соответственно радиальная протяженность ксилемного канта g^.-деревьев ~500-550 мкм.
У лиственных кольцепоровых деревьев, так же как у хвойных, ГК построены из 16n±8 веретеновидных элементов на g-стадии онтогенеза и 32n±16 - на v-стадии. Веретеновидные элементы кольцепоровых пород имеют d ~ 27 мкм. Радиальная протяженность одного кванта g3 деревьев-400-450
мкм. В ранней древесине крупные весенние сосуды раздуваются и деформируют радиальные ряды клеток. Ряд распределения ширины ГК начинается с полукванта ~250 мкм, образуемого деревьями в стрессовых условиях или на сенильной s-стадии онтогенеза, и соответствующего диаметру одного крупного сосуда [8].
У рассеяннососудистых пород ГК v-деревьев состоят из 64n±32 веретеновидных элементов с d ~17 мкм. По-видимому, ГК рассеяннососудистых пород строятся из пос-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2014
135
Дендро 2012: перспективы применения древесно-кольцевой информации для целей охраны, воспроизводства и рационального использования древесной растительности
тоянного числа ксилемных квантов на всех стадиях онтогенеза, от im до 5. Камбиальная инициаль березы, например, регулярно, каждый сезон испускает 3 ксилемных и 3 флоэм-ных кванта. Целые кванты могут заменяться полуквантами. Радиальная протяженность кванта прироста ширины ГК варьирует от 1100 мкм до 550 мкм.
Ширина ГК определяется уровнем политении камбиальных инициалей, числом политенных копий ДНК, накапливаемых в хромосомах клеток-инициалей, и числом делений инициали за сезон (числом квантов, n). У хвойных и твердолиственных <§'23-деревь-ев n = 1 и ГК на высоте 1.3 м формируются обычно из 16±8 клеток, что определяет высокую стабильность ширины ГК и ее зависимость от условий года предыдущего, в котором были синтезированы политенные копии ДНК в хромосомах клеток-инициалей.
Формирование политенных копий ДНК - основная статья дыхательных затрат ствола, в большинстве случаев превышающая затраты на утолщение вторичных оболочек трахеид, или клеток либриформа. У хвойных деревьев, из-за отсутствия синтеза новой ДНК в клеточных квантах флоэмы после завершения редукции политении, дыхательные затраты на формирование флоэмы вдвое ниже, чем ксилемы. У лиственных, судя по примерному равенству дыхательных затрат на создание ксилемных и флоэмных квантов прироста, делящиеся клетки в квантах обоих типов перед началом дифференциации одинаково переходят к митозу и синтезу новой ДНК. При непрерывной регистрации дыхания у сенильного дуба черешчатого, последовательно формирующего один ксилемный и один флоэмный квант, в каждом случае наблюдаются два максимума дыхательных затрат. Первый соответствует формированию политенных копий ДНК в инициали, второй - синтезу ДНК в производных клетках. Величина наблюдаемых максимумов дыхательных затрат примерно одинакова, так же как и суммарное число копий молекул, создаваенмых в инициалях и в дистальных производных клетках. Максимумы разделены интервалом в 7-8 суток. Для прохождения камбиальной
инициалью полного клеточного цикла требуются примерно 2 недели.
Работа выполнена при поддержке гранта НШ-2807.2012.4.
Библиографический список
1. Ваганов, Е.А. Механизмы и имитационная модель формирования структуры годичных колец у хвойных / Е.А. Ваганов // Лесоведение, 1996. - № 1.
- С. 3-15.
2. Гершкович, И. Генетика, пер. с англ. / И. Гершкович. - М.: Наука, 1968. - 704 с.
3. Ермаков, И.П. Содержание ДНК в яйцеклетке Pinus sibirica Du Tour. на разных стадиях ее развития / И.П. Ермаков, Н.П. Матвеева, Л.М. Баранцева // Докл. АН СССР, 1980. - Т. 251. - № 1. - С. 254-256.
4. Забуга, Г.А. Дыхательный газообмен СО2 растущего ствола сосны обыкновенной: автореф. дисс. ... канд. биол. наук. 03.00.12. / Г. А. Забуга. - Иркутск: Сиб.ИФ и БР СО АН СССР, 1985. - 18 с
5. Загирова, С.В. Камбиальная активность и углекислотный газообмен ствола Pinus sylvestris / С.В. Загирова, С.Н. Кузин // Физиология растений, 1998.
- Т. 45. - № . 5. - С. 778-783.
6. Мокроносов, А.Т. Фотосинтетическая функция и целостность растительного организма.(42-е Тимирязевское чтение) / А.Т. Мокроносов. - М.: Наука, 1983. - 64 с.
7. Мэзия, Д. Митоз и физиология клеточного деления, пер. с англ. / Д. Мэзия - М.: Изд-во Иностранной литературы, 1963. 430 с. (Приложение, 46 фотографий).
8. Романовский, М.Г. Политенная модель работы камбия / М.Г. Романовский // Лесной Вестник. Вестник МГУЛ, 2012. - № 7(90). - С. 72-77.
9. Смирнова, О.В. Онтогенез дерева / О.В. Смирнова, А.А. Чистякова, Л.Б. Заугольнова, О.И. Евстигнеев, Р.В. Попадюк, А.М. Романовский // Ботанический журнал, 1999. - Т. 84. - № 12. - С. 8-20.
10. Bridges C.B. The Bar Gene a Duplication // Science. 1933. N 83. P.210.
11. Maksymowich R. Analysis of leaf development. Cambridge: Univ. press, 1973. 109 p;
12. Nagl W. Ueber Endopolyploidie, Restitutions Kernbildung und Kernstrukturen im Suspensor von Angiospermen und einer Gymnosperme // Osterr. Bot. Zeitschrift. 1962. V 109.
13. Nagl W. Banded polytene chromosomes in the legume Phaceoles vulgaris // Nature. 1969. V 115. P. 322.
14. Sturtevant A.H. A gene in Drosophils melanigster that transforms famales into males // Genetics. 1945. N 30. P. 297.
15. Webster P.L., Davidson D. Evidence from thymidine H3-labeled meristems of Vicia faba of two cell populations // J. Cell Biol. 1968. V. 39. P. 332.
136
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2014
Дендро 2012: перспективы применения древесно-кольцевой информации для целей охраны, воспроизводства и рационального использования древесной растительности
CAMBIAL INITIALSPOLYTENY
Romanowsky M.G., chief scientific collaborator, PhD in biology, main scientist of Federal State foundation Science Institution of Forest science of Russian Science Academy.
Institute of Forest Science, Russian Academy of Sciences (ILAN), Sovetskaya 21, Uspenskoe, Moscow region, 143030 Russia
The article reads that the author found out evidences of transfer of dividing cell in meristem derived from the initial, to the synthesis of new DNA molecules immediately after the completion of polytene copiesdistribution. Daughter cells are transferred from the distribution of the reduction divisions to mitosis.In the distal cells of a number of polytene initial deri-vativesdivide forming not two, but four cells, respectively evaluation of baseline level of cambial initial polytrny grow twice less compared with the data given earlier. Works are detectedshowing the variability ofpolytene levels and schemes of cambial initials polytenyreduction in ontogeny, as well as with different taxons of woody plants. In 1940-1980’s. chromosomespolyte-neby direct and indirect evidence was found in the meristem cells and plants embryos. Oocytespolytene, coniferousembryonic structures, palisade parenchyma mesophyll of deciduous woody plants is conclusively established. But more often polyteneis regarded as an interesting incident and not as a general principle of chromosomes structure in meristems and embryonic structures. Formation ofpolytene DNA copies is the main point of stem breathing expenditures in most cases exceedingexpen-ditures for secondary walls thickening of tracheids or libriformcells. For conifers due to the lack of new DNA synthesis in the cell quanta ofphloem after completion ofpolytenyreduction, breathing expenditures on the formation ofphloem are one half as high than ofxylem. For deciduous judging by the approximate equality of the breathing expenditures for building ofxylemand phloem growthquanta, dividing cells in the quanta of both types before srarting of differentiation equally transfer to the mitosis and synthesis of new DNA.
Key words: cambium, polytene, reduction divisions in meristems, mitosis
References
1. Vaganov, E.A. Mehanizmy i imitacionnaja model’ formirovanija struktury go-dichnyh kolec u hvojnyh [Mechanisms and simulation model of formation of structure of annual rings in conifers]. Lesovedenie (The forest science), 1996. № 1. pp. 3-15.
2. Gershkovich, I. Genetika, per. s angl. [Genetics, translation from English] M., Nauka, 1968. 704 p.
3. Ermakov, I.P., Matveeva N.P., Baranceva L.M. Soderzhanie DNK v jajcekletke Pinus sibirica Du Tour. na raznyh stadijah ee razvitija [The DNA content in egg Pinus sibirica Du Tour. at different stages of its development]. Dokl. AN SSSR (Reports of Academy of Sciences of the USSR), 1980, v. 251. № 1. pp. 254-256.
4. Zabuga, G.A. Dyhatel’nyj gazoobmen SO2 rastushhego stvola sosny obyknoven-noj: avtoref. diss. ... k.b.n. 03.00.12. [Respiratory gas exchange CO2 growing stem of Pinus sylvestris: abstract of thesis of candidate of biological Sciences 03.00.12]. Irkutsk, Institute SIPPB SB RAS, 1985. 18 p.
5. Zagirova, S.V., Kuzin S.N. Kambial’naja aktivnost’ i uglekislotnyj gazoobmen stvola Pinus sylvestris [Cambial activity and carbon dioxide gas exchange stem of Pinus sylvestris]. Fiziologija rastenij (Physiology of plants), 1998. v. 45, № . 5. pp. 778783.
6. Mokronosov, A.T. Fotosinteticheskaja funkcija i celostnost’ rastitel’nogo organizma (42-e Timirjazevskoe chtenie)[Photosynthetic function and integrity of plant organism (42 Timiryazev reading)]. M., Nauka, 1983. 64 p.
7. Mjezija, D. Mitoz i fiziologija kletochnogo delenija, per. s angl. [Mitosis and physiology of cell division, translation from English]. M., Publishing house of Foreign literature, 1963. 430 p.
8. Romanovskij, M.G. Politennaja model’ raboty kambija [Polytene model cambium]. The Forest Bulletin. Vestnik at MSFU, 2012. № 7 (90). pp. 72-77.
9. Smirnova, O.V., Chistjakova A.A., Zaugol’nova L.B., Evstigneev O.I.,. Popadjuk R.V, Romanovskij A.M. Ontogenez dereva [Ontogeny of a tree]. Botanicheskij zhurnal (Botanical journal), 1999. v. 84. № 12. pp. 8-20.
10. Bridges C.B. The Bar Gene a Duplication // Science. 1933. N 83. P.210.
11. Maksymowich R. Analysis of leaf development. Cambridge: Univ. press, 1973. 109 p;
12. Nagl W. Ueber Endopolyploidie, Restitutions Kernbildung und Kernstrukturen im Suspensor von Angiospermen und einer Gymnosperme // Osterr. Bot. Zeitschrift. 1962. V. 109.
13. Nagl W. Banded polytene chromosomes in the legume Phaceoles vulgaris // Nature. 1969. V. 115. P. 322.
14. Sturtevant A.H. A gene in Drosophils melanigster that transforms famales into males // Genetics. 1945. N 30. P. 297.
15. Webster P.L., Davidson D. Evidence from thymidine H3-labeled meristems of Vicia faba of two cell populations // J. Cell Biol. 1968. V 39. P. 332.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2014
137
