CC BY
176
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2006, том 49, №7
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 581.1.581.143
Г.О.Мирзохонова, Н.Н.Назарова, член- корреспондент АН Республики Таджикистан К.А.Алиев СОДЕРЖАНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ У ГЕНОТИПОВ КАРТОФЕЛЯ ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ В УСЛОВИЯХ in vitro
В настоящее время во многих странах производство семенного картофеля ведется на основе биотехнологии. Технология получения безвирусного посадочного материала in vitro из изолированных апикальных меристем с последующим культивированием пробирочных растений непосредственно в грунте нашла применение в производстве [1], но этот опыт имеет ряд технологических ограничений. В последние годы была разработана методика индуцирования микроклубнеобразования в культуре in vitro [2]. Вместе с тем применение микроклубней в качестве семенного материала в производстве также имеет ограничения, связанные с трудностью процессов культивирования in vitro, длительностью периода покоя и т.д. Разработан метод выращивания микроклубней картофеля в гидропонной культуре [3], но он не получил широкого применения из-за трудоемкости технологии. В последние годы опубликованы работы по использованию столонов в микроразмножении картофеля in vitro. В этих работах изучены некоторые морфологические особенности столоновых регенерантов [4]. Эти особенности могут быть обусловлены изменениями физиологических процессов, в том числе фотосинтетической функции.
Данные по изменчивости содержания пигментов пластид у растений весьма противоречивы, что объясняется различными темпами синтеза пигментов, зависящими от условий выращивания, действия экологических факторров, онтогенеза листа. Отмечено некоторое несоответствие между фотосинтезом и содержанием пигментов [5], установлена корреляция между содержанием хлорофилла и урожайностью [6-7], и изменчивость содержания хлорофилла у разных по продуктивности растений [8].
В доступной нам литературе мы не нашли данных о взаимосвязи между содержанием хлорофилла у регенерантов картофеля в связи с условиями культивирования, в частности (при различном соотношении гормонов и сахарозы в культуральной среде) у генотипов с разной продуктивностью в системе in vitro.
В наших опытах ставилась цель отработать режим культивирования регенерантов картофеля в условиях in vitro с различным сочетанием гормонов и сахарозы в культуральной среде (установить оптимальное соотношение гормонов и сахарозы, стимулирующее микро-клубнеобразование, выявить корреляцию между содержанием пластидных пигментов и продуктивностью в системе in vitro).
Материал и методы
Материалом для анализа служили пробирочные растения картофеля (Solanum tuberosum L.) сорта Жуковский ранний (контроль) и полученные от него температуроустойчивые линии - ТУ-растения-регенеранты, сорта Кардинал.
Для культивирования растений in vitro использовали питательную среду Мурасиге и Скуга (МС), содержащую агар-агар - 0.6 % и сахарозу - 2%.
Все растения in vitro поддерживали при температуре +20...+25°С, световой период -16 ч, освещенность - 7000 лк.
Для определения содержания пигментов использовали ацетоновую вытяжку. Для этого
0.1-0.2 г исследуемого растительного материала растирали в ступке с холодным ацетоном до гомогенной массы со стеклянным песком. Гомогенат фильтровали через стеклянный фильтр (№3). Объем экстракта доводили до 3 мл ацетоном.
Спектры поглощения пигментов измеряли на спектрофотометре LKB Ultrospec - II при 662 нм, 644 нм и 720 нм. Содержание пигментов (мкг/мл) рассчитывали по формуле (Шлык, 1971):
- содержание хлорофилл а: хла = 9.784 х Е662 - 0.990 х Е644,
- содержание хлорофилл b: хль = 21.426 х Е644 - 4.650 х Е662.
На рисунках представлены средние арифметические значения из трех экспериментов, в трехкратной биологической повторности в каждом.
Результаты исследований
При культивировании регенерантов картофеля на среде с различными концентрациями фитогормонов и сахарозы наблюдались некоторые морфофизиологические изменения.
При высоких концентрациях фитогормонов и сахарозы регенеранты характеризовались необычным фенотипом: регенеранты 3-4-недельного возраста имели ярко выраженное потемнение листьев, уменьшенный рост и укороченные корневые волоски. Следует отметить, что ТУ-растения-регенеранты заметно отличались от контрольных по ряду ростовых показателей, особенно при 9% сахарозе и 0.1 мг цитокинина (кинетин) или 1.0 мг ауксина (НУК) в культуральной среде. ТУ-растения-регенеранты характеризовались более высоким ростом и развитыми корневыми волосками. При повышенной концентрации кинетина (1.0 мг/л) и сахарозы (9%) наблюдалось различное влияние на образование корневой системы, микроклубней и листьев. Так, у листьев сорта Жуковский ранний были заметны потемнения по краям листа и растения имели укороченный стебель. Корни формировались в пазухе нижних стеблей, микроклубни не формировались. У растений-регенерантов сорта Кардинал наблюдалось утолщение стебля, уменьшение листовой пластинки, корни формировались в пазухе нижнего стебля, микроклубни имели темный цвет (рис. 1).
Рис. 1. Содержание хлорофиллов в регенерантах картофеля при культивировании в средах, содержащих различные сочетания гормонов и сахарозы у ТУ-растений-регенерантов
1. 0.1мг НУК и 9% сахарозы; 2. 0.1мг кинетина и 9% сахарозы;
2. 1.0 мг НУК и 9% сахарозы; 4. 1.0 мг кинетина и 9% сахарозы;
3. 0.1мг НУК и 5% сахарозы; 6. 0.1мг кинетина и 5% сахарозы;
4. 1.0 мг НУК и 5% сахарозы; 8. 1.0 мг кинетина и 5% сахарозы.
При низкой концентрации сахарозы (4 %) и кинетина (0.5 мг) у всех изученных сортов и линий наблюдалось образование микроклубней. Необходимо отметить, что у растений-регенерантов сортов Жуковский ранний и Кардинал наблюдалось раннее пожелтение листьев, а у ТУ-растений-регенерантов листья были темно-зелеными.
В условиях выращивания регенерантов при 4% сахарозы и 1.0 мг кинетина существенных морфологических изменений у всех использованных в опыте сортов и линий картофеля не наблюдалось (Жуковский ранний, Кардинал, ТУ-растения-регенеранты).
При низких концентрациях сахарозы (4%) и высокой концентрации НУК (1.0 мг/л) наблюдались различные морфологические изменения у использованных в опыте сортов и линий. В этих условиях резко уменьшилось корнеобразование у ТУ-растений-регенерантов, но наблюдалось образования микроклубней, тогда как у растений-регенерантов сорта Жуковский ранний усиливалось образовани корневой системы, но не наблюдалось образования микроклубней. А у растений-регенерантов сорта Кардинал наблюдалось образование корневой системы и микроклубней.
Наблюдаемые морфологические изменения в этих условиях могут быть обусловлены изменениями фотосинтетических показателей.
Так, у ТУ-растений-регенерантов заметное повышение содержания как хлорофилла а, так и хлорофилла Ь имело место при повышенных концентрациях сахарозы (9%) и низких
концентрациях ауксина (НУК - 0.1 мг). Повышение концентрации ауксина (1 мг) и сахарозы (9%) также оказывало стимулирующий эффект на синтез хлорофиллов (а и Ь). Вместе с тем следует отметить, что при низких концентрациях кинетина (0.1 мг) и низких (5%) и высоких концентрациях сахарозы (9%) существенного усиления синтеза хлорофиллов (а и Ь) не происходило, так как в этих условиях культивирования регенерантов содержание хлорофилов было примерно в два раза меньше, чем в присутствии НУК. Некоторое стимулирование синтеза хлорофиллов было при повышенных концентрациях кинетина (1мг) и сахарозы (9%) у ТУ-растений-регенерантов. Особо необходимо отметить, что отношение хлорофиллов Ь/а во всех вариантах эксперимента составляло приблизительно 1/3. У ТУ-растений-регенерантов некоторое усиление синтеза хлорофилла наблюдалось при повышенном содержании сахарозы (9%).
Иначе реагирует на изменение содержания сахарозы, цитокинина и ауксина растений-регенеранты исходного (контрольного) сорта Жуковский ранний (рис.2). При всех концентрациях кинетина (0.1 или 1 мг), НУК (0.1 и 1 мг) и сахарозы 5 или 9% в культуральной среде не наблюдалось заметного увеличения содержания хлорофиллов (а и Ь). Наоборот, увеличение содержания сахарозы в культуральной среде (9%) оказывало ингибирующее действие на синтез фотосинтетических пигментов у контрольных растений. Увеличение содержания хлорофиллов (а и Ь) наблюдалось только лишь в условиях пониженного содержания сахарозы (5%) и повышенного содержания кинетина в культуральной среде. Причем, наблюдаемое увеличение содержания хлорофиллов характерно только лишь при низких концентрациях сахарозы (5%) в сочетании с низким (0.1 мг) или высоким (1 мг) содержанием кинетина у ис-ходного-контрольного варианта (сорт Жуковский ранний). Особо необходимо отметить усиление синтеза хлорофилла Ь при высокой концентрации кинетина (1мг) и низком содержании сахарозы (5%) у контрольного варианта.
У растений сорта Кардинал наивысшее содержание фотосинтетических пигментов было при низких концентрациях НУК (0.1мг) и высоком содержании сахарозы (9%) в культуральной среде. Повышение концентрации НУК или кинетина (от 0.1 до 1 мг) и сахарозы (5 или 9 %) не оказывало заметного эффекта на синтез хлорофиллов (а и Ь). Но низкая концентрация кинетина (0.1 мг) и низкая концентрация сахарозы (5%) несколько усиливали синтез хлорофиллов, особенно хлорофилла а.
Рис. 2. Содержание хлорофиллов в регенерантах картофеля сорта Жуковский ранний при культивировании в средах, содержащих различное сочетание гормонов и сахарозы.
1. 0.1мг НУК и 9% сахарозы; 2. 0.1мг кинетина и 9% сахарозы;
3. 1.0 мг НУК и 9% сахарозы; 4. 1.0 мг кинетина и 9% сахарозы;
5. 0.1мг НУК и 5% сахарозы; 6. 0.1мг кинетина и 5% сахарозы;
7. 1.0 мг НУК и 5% сахарозы; 8. 1.0 мг кинетина и 5% сахарозы.
Таким образом, отмеченные нами морфологические и фенотипические изменения у ТУ-растений-регенерантов и у контрольных сортов картофеля (Жуковский ранний, Кардинал) при выращивании их в условиях с различным содержанием фитогормонов и сахарозы in vitro позволили установить, что высокая концентрация сахарозы в сочетании с фитогормонами приводит к изменению образования фотосинтетических пигментов в растительных клетках. Причем их воздействие на содержание фотосинтетических пигментов высокоспецифично и зависит от генотипа растения. Содержание хлорофилла b в регенерантах составляет приблизительно 1/3 часть от суммы хлорофиллов. У всех исследованых сортов и линий ТУ-растений-регенерантов значения этого коэффицента были близки. Это имело место только при определенном соотношении фитогормонов и сахарозы в культуральной среде выращивания регенерантов in vitro. Полученные данные указывают на то, что содержание фотосинте-тических пигментов отражает сортовые особенности, а снижение или увеличение содержания каждого пигмента (а и b) не всегда приводило к изменению соотношения между хлорофиллом а и общей суммой хлорофиллов. Изменения соотношения хлорофиллов (а/b) в регенерантах коррелируют с сортовыми различиями по продуктивности. Имеется определенная корреляция между продуктивностью пробирочных растений (клубневой продуктивностью) и отношением хлорофилла а/b: чем выше коэффицент а/b, тем выше клубневая продуктивность и наоборот. Такая тенденция имела место у всех изученных сортов и линий картофеля в ус-
ловиях in vitro, что, возможно, связано с изменением деятельности фотосинтетического аппарата в условиях гормонального и углеводного воздействия. Необходимо заметить, что корреляция между отношением хлорофиллов a/b и урожайностью наблюдается до определенного значения.
Вместе с тем необходимо констатировать, что между общим содержанием хлорофиллов и продуктивностью на уровне пробирочных растений не обнаруживается прямой корреляции, что характерно для всех изученных сортов и линий регенерантов картофеля in vitro.
Можно также предположить, что высокая концентрация углеводов в культуральной среде влияет на отношение содержания хлорофиллов а/b (по сравнению с фитогормонами), и это является одной из причин нарушения функции фотосинтеза и отражается на продуктивности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Президентского фонда фундаментальных исследований.
Институт физиологии растений и генетики Поступило 8.11.2006 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Наимов С.Н., Алиев К.А., Партоев К., Каримов Б.К.,Анварова М., Мукимов Т., Сулангов М., Меликов К. - Вклад физиологии, генетики, селекции и биотехнологии растений в решение проблем сельского хозяйства Таджикистана. Душанбе, 2006, с. 58-74.
2. Морозова С.Е., Мелик-Саркисов О.С. - Физиология растений, 1978, т. 25, № 2, с. 373-378.
3. Чернобровкина М.А., Чернобровкин С.Л., Мартиросян Ю.Ц., Розанов В.В., Мелик-Саркисов О.С.
- Сельскохозяйственная биология. 1994, № 3, с.65-72.
4. Назарова Н.Н., Мирзохонова Г.О., Алиева С.К., Каримов Б.К., Алиев К.А. - Известия АН РТ, 2005, № 3-4 (153), с. 36-39.
5. Хотылева Л.В., Лемеш В.А. - Биоэнергетические процессы при гетерозисе. Минск, 1991, с. 116151.
6. Абдуллаев Х.А., Каримов Х.Х. - Индексы фотосинтеза в селекции хлопчатника. Душанбе: Дониш, 2001, 267 с.
7. Роджер М.Джиффорд, Колин Л.Д. Дженкинс. - Фотосинтез. М, 1987, т. 1, с. 389-410.
8. Тарчевский И.А., Андрианова Ю.Е. - Физиология растений, 1980, т.27, № 2, с. 341-347.
Г.О.Мирзохонова, Н.Н.Назарова, Ц.А.Алиев МИЦДОРИ ПИГМЕНТХ,ОИ ФОТОСИНТЕТИКЙ ДАР ГЕНОТИЩОИ КАРТОШКА ДАР ШАРОИТИ in vitro
Гуногунтагирёбии пигментх,ои фотосинтетикии генотипх,ои картошка дар ша-роити in vitro омухта шудааст. Нишон дода шудааст, ки гуногунтагирёбии пигментх,о аз микдори ауксинх,о, ситокининх,о ва карбогидратх,о вобастагии зич дорад. Таносуби хлорофмлли а нисбат ба хлорофилли b дар шароити in vitro низ аз карбонгидратх,о ва фитогормонх,о вобаста аст.
G.O.Mirzokhonova, N.N.Nazarova, K.A.Aliev THE CONTENTS OF PHOTOSYNTHETIC PIGMENTS OF POTATOES GENOTYPES in vitro
It is necessary to mention, that between the common contents of chlorophyll and efficiency is not found out of direct correlation, and it is characteristic for all investigated varieties and lines of potatoes regenerates in vitro.
Is shown, that the high concentration of sugar in medium has influences the relation of the contents chlorophyll a/b (in comparison with phytohormone), and it is one of the reasons of infringement of photosynthetic function and is reflected in efficiency.
