CC BY
45
Биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, No 2, с. 122-126
УДК 577.3
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА, ИНДУЦИРОВАННОГО ОЖОГОМ СЕМЯДОЛЬНОГО ЛИСТА ПРОРОСТКА ТЫКВЫ
© 2007 г. В.А. Воденеев, Р.В. Мамонов, С.С. Пятыгин, В.А. Опритов
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского ve stnik_nngu@mail. ги
Поступила в редакцию 14.02.2007
Исследовано распространение по стеблю проростков тыквы вариабельного потенциала (ВП), индуцированного ожогом семядольного листа. Амплитуда и скорость распространения ВП уменьшаются с увеличением дистанции от области раздражения. Локальное угнетение генерации ВП на участке стебля не препятствует его дальнейшему распространению. Расчет скорости распространения ВП с использованием кабельного уравнения дает результат, значительно отличающийся от зарегистрированного экспериментально. Сделано заключение о неправомерности приложения электрической гипотезы к механизму распространения индуцированного ожогом ВП в стебле проростков тыквы.
У высших растений выделяют два типа распространяющихся электрических реакций: потенциал действия (ПД), генерируемый в ответ на неповреждающее воздействие, и вариабельный потенциал (ВП), возникающий при повреждении [1]. Обе реакции представляют собой переходную деполяризацию клеток. ПД имеет форму компактного импульса, обладающего быстрыми фазами де- и реполяризации (длительность импульса не превышает нескольких десятков секунд). ВП, обозначаемый также как «медленная волна» (slow wave), отличается длительной (до нескольких десятков минут) нерегулярной фазой реполяризации. Распространение ПД по стеблю высших растений происходит по электротоническому механизму, за счет возникновения локальных токов между покоящимся и возбужденным участками ткани [1]. Однозначных представлений о механизме трансмиссии ВП на сегодняшний день не существует. Предложены три основные гипотезы: 1) Электротонический механизм распространения ВП (подобно ПД) [3, 13]. 2) Перемещение некой деполяризующей субстанции («фактора Рик-ка»), продуцируемой в месте повреждения [7]. 3) Распространение гидравлической волны, вызывающей деполяризацию клеток за счет изменения тургора [5, 6, 10, 11].
В настоящей работе проведен анализ возможных механизмов распространения ВП на основании исследования зависимости параметров реакции от дистанции до зоны раздражения, влияния локального подавления генерации ВП на его дальнейшую передачу и расчета скорости передачи с применением кабельного уравнения.
Материал и методы
Объектом исследования служили 22-28-дневные проростки тыквы CucurЪita pepo Ь., выращенные гидропонным способом. Растение располагали в термостатируемой экранированной камере. Электрическую активность регистрировали внеклеточно с помощью макроэлектродов ЭВЛ-1М3 на различном расстоянии от зоны раздражения. В качестве усилителя биопотенциалов использовали трехканальный универсальный иономер ИПЛ-113 с высоким входным сопротивлением (>109П), который был соединен с персональным компьютером. В качестве раздражителя использовали ожог открытым пламенем (5 сек) края семядольного листа.
Опыты производили не менее чем в пятишестикратной биологической повторности. В результатах представлены типичные записи отдельных измерений, а также средние значения и ошибка среднего.
Результаты и их обсуждение
В ответ на ожог семядольного листа в стебле проростков тыквы генерируется ВП (рис. 1), параметры которого могут значительно различаться у отдельных растений. Характерной особенностью ВП является его вариабельность не только у индивидуальных растений или у отдельно взятого растения при повторных воздействиях (результаты не показаны), но также трансформация реакции по мере ее распространения - изменяется амплитуда, скорость де- и реполяризации, количество импульсов.
Рис. 1. Вариабельный потенциал, индуцированный ожогом семядольного листа проростка тыквы. Начало измерений совпадает с моментом нанесения раздражения
Авп, мВ
60
50 40 30 Н 20 10 Н 0
п=23
—I--------------------------------------------------------1-1-1-1-1-1-1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
V, мм/с
0,3
0,25 -0,2 0,15 -0,1 -0,05 0
п=23
—I---------------------------------------------1-1-1-1-1-1-1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
расстояние, см
Рис. 2. Зависимость амплитуды (Авп) (а) и скорости распространения (г) (б) вариабельного потенциала от расстояния до зоны раздражения
а
б
На рис. 2 представлена зависимость амплитуды и скорости распространения ВП от дистанции до зоны раздражения. Как видно из рисунка, указанные параметры значительно снижаются с увеличением расстояния, что согласуется с данными, полученными на подсолнечнике [12]. Декремент амплитуды и скорости составил 12% и 8% на 1 см пути соответственно. Это принципиально отличает ВП от ПД, который характеризуется постоянной амплитудой и скоростью [9, 12]. Обнаруженные особенности могут указывать на различия в механизме распространения ВП и ПД.
ПД, как отмечалось выше, характеризуется электрическим способом распространения. При этом скорость распространения сигнала (у) подчиняется кабельному уравнению [1, 3]:
У =
dV/
dt
^ ■ с„ (к+к,)
(1)
где dV/dt - крутизна фронта импульса в момент достижения порога возбуждении, V^h - величина порога возбуждения, Ст - емкость мембраны, (К0 + Яг) - сумма внутреннего и наружного со-
противлений. Следовательно, наличие связи между крутизной переднего фронта и скоростью распространения электрической реакции может служить показателем электрического способа распространения. Заменив в выражении (1) сумму (Ко + Я,) на Ят/Л2 в соответствии с уравнением для кабельной постоянной X, получим:
у = Л
dV,
dt
(2)
Величина X для проводящих путей стебля тыквы была ранее определена в нашей лаборатории [2] и составляет 3,4 мм. Способ измерения параметров, входящих в выражение (2), представлен на рис. 1. Скорость распространения ВП, рассчитанная по выражению (2), составила 22,6±2,6 мм/с. Это на порядок превышает максимальную экспериментально зарегистрированную скорость распространения ВП (2,3±0,8 мм/с) (рис. 26). Столь значительные различия расчетной и экспериментально определенной скорости противоречат электрической гипотезе передачи ВП.
В ряде случаев на фоне вариабельного потенциала возникали импульсы ПД? эксперимен-
б
а
Рис. 3. Влияние ЭГТА (2 мМ) (а) и NN3 (1мМ) (6) на генерацию вариабельного потенциала, индуцированного ожогом семядольного листа проростка тыквы. Начало измерений совпадает с моментом нанесения раздражения. Место внесения агента отмечено серым блоком
тально зарегистрированная скорость распространения которых составила 24±2,2 мм/с, что хорошо согласуется со скоростью распространения ПД, рассчитанной по выражению (2) (21,3±3,2 мм/с).
Определенные по выражению (2) скорости распространения ПД (21,3±3,2 мм/с) и ВП (22,6±2,6 мм/с) были близки вследствие высокого сходства величин Vth и dV/dt у этих реакций. Таким образом, в стебле проростков тыквы может происходить распространение ПД, подчиняющееся кабельному уравнению, и ВП, не подчиняющееся ему.
Проведенный анализ скорости распространения ВП в стебле проростков тыквы противоречит данным, полученным другими авторами на традесканции [3]. Согласно их исследованиям, скорость распространения ВП находится в соответствии с кабельным уравнением, на основании чего был сделан вывод об электрической природе трансмиссии ВП. Имеющиеся расхождения, возможно, связаны с тем, что в цитируемой работе авторы оценивали скорость комплексной реакции - ВП, сцепленного с ПД.
Неэлектротоническую природу распространения ВП подтверждают также опыты с угнетением генерации ВП на локальном (около 1 см) участке стебля (рис. 3). Локальное угнетение генерации ВП осуществляли путем удаления ионов Са2+ из внеклеточной среды (Rousset et а1., 2002) с помощью ЭГТА и подавления метаболической компоненты мембранного потенциала с помощью NaN3 [4]. Применение обоих агентов вызывает значительное угнетение ВП в зоне их действия (рис. 3а, б). Однако локальное угнетение реакции не сказывается драматически на ее дальнейшем распространении. Отсюда следует, что электрические изменения не играют ключевой роли в процессе трансдукции ВП.
Проведенное исследование не дает однозначного ответа на вопрос о механизме передачи ВП, однако позволяет с довольно высокой долей уверенности исключить электрическую гипотезу из числа рассматриваемых. Следовательно, ВП нельзя в полном смысле рассматривать как распространяющуюся электрическую реакцию. ВП, по сути, является местной электрической реакцией, генерируемой клетками в ответ на действие некоего распространяющегося фактора. Вопрос о природе этого фактора
остается открытым. Не исключено, что природа фактора, индуцирующего генерацию ВП, может зависеть от типа раздражителя. Также возникает вопрос о том, почему ВП не всегда индуцирует ПД, несмотря на то, что происходит значительная деполяризация, превышающая пороговую. Поиск ответов на эти вопросы требует дальнейших исследований.
Список литературы
1. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. Биоэлектрогенез у высших растений. - М.: Наука, 1991. - 216 с.
2. Ретивин В.Г., Опритов В.А. Кабельные свойства стебля высшего растения // Физиология растений. 1987. Т. 34. С. 5-12.
3. Цаплев Ю.Б., Зацепина Г.Н. Электрическая природа распространения вариабельного потенциала у традесканции // Биофизика. 1980. Т. 35. С. 708-712.
4. Julien J.L., Frachisse J.M. Involvement of the proton pump and proton conductance change in the wave of depolarization induced by wounding in Bidens pilosa // Can. J. Bot. 1992. V. 70. P. 1451-1458.
5. Malone M. Rapid, long-distance signal transmission in higher plants // Adv. Bot. Res. 1996. V. 22. P. 163-228.
6. Mancuso S. Hydraulic and electrical transmission of wound-induced signals in Vitis vinifera // Aust. J. Plant Physiol. 1999. V. 26. P. 55-61.
7. Pickard B.G. Action potentials in higher plants // Bot. Rev. 1973. V. 39. P. 172-201.
8. Rousset M., de Roo M., Guennec J.-Y., Pichon O. Electrophysiological characterization of tomato hypo-cotyls putative action potentials induced by cotyledon heating // Physiol. Plant. 2002. V. 115. P. 197-203.
9. Stahlberg R., Cleland R.E., Van Volkenburgh E. Decrement and amplification of slow wave potentials during their propagation in Helianthus annuus L. shoots // Planta. 2005. V. 220. P. 550-558.
10. Stahlberg R., Cosgrove D.J. The propagation of Slow Wave Potentials in Pea Epicotyls // Plant Physiol. 1997. V. 113. P. 209-217.
11. Stankovic B., Zawadzki T., Davies E. Characterization of the variation potential in sunflower // Plant Physiol. 1997. V. 115. P. 1083-1088.
12. Stankovic B., Witters D.L., Zawadzki T., Davies E. Action and variation potential in sunflower: an analysis of their relationship and distinguishing characteristics // Physiol. Plant. 1998. V. 103. P. 51-58.
13. Wildon D., Doherty H., Eagles G., Bowles D., Thain G. Systemic responses arising from localised heat stimuli in tomato plants // Annals of Botany. 1989. V. 64. P. 691-695.
PROPAGATION OF THE VARIABLE POTENTIAL INDUCED BY A COTYLEDONARY-LEAF INJURY OF A PUMPKIN GERMINANT
V.A. Vodeneev, R V. Mamonov, S. S. Pyatygin, V.A. Opritov
We study propagation of the variable potential (VP) induced by a cotyledonary-leaf injury over a pumpkin-germinant caulis. The VP amplitude and propagation speed decrease with increasing distance from the stimulus area. The local inhibition of VP generation on a caulis segment does not prevent its subsequent propagation. The VP propagation speed calculated from the cable equation differs drastically from the experimental values. We conclude that the electric hypothesis cannot be applied to the mechanism of injury-induced VP in a pumpkin-germinant caulis.
