CC BY
27
УДК 611.018.1, 635:64
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСТОЙЧИВОСТИ МОБИЛИЗАЦИИ ЗАПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ПРОРАСТАНИИ СЕМЯН ТОМАТА В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ СРЕДЫ
Е.Н. БАРАНОВА, A.A. ГУЛЕВИЧ*, Н.В. ЛАВРОВА (Кафедра хранения и переработки плодов и овощей)
Получены данные о цитологических маркерах-мишенях, по которым можно провести оценку повреждений растений томата при засолении. На проростках томата подтверждена специфичность нарушений процессов утилизации запасных веществ: крахмала, запасных белков и липидов. Установлено, что кроме специфичной дл осмотического и солевого воздействий картины замедленной утилизации, четко идентифицируется также повреждение ядерного компартмента клеток растений томата.
Ключевые слова: запасные вещества, ультраструктура, прорастание, засоление, осмотик, Na2SO4, томат, пластиды, олеосомы, вакуоли.
Прорастание семени и формирование проростка является критическим периодом в жизненном цикле растений, особенно при неблагоприятных условиях окружающей среды. Засоление почв представля ет собой сильный повреждающий фактор для развития проростков, значительно снижающий продуктивность с.-х. культур [3, 4].
В мировой литературе имеется очень мало сведений о сущности процессов, из-за которых происходит замедление (ингибирование) прорастания семя н и формировани проростков в условиях солевого воздействия . В основном привод тс сведени по оценке динамики морфометрических показателей различных частей семени [5] и учет изменений тотальных запасных резервов эндосперма семя н растений [6]. Единичны также случаи исследования биохимической активности ферментов, участвующих в мобилизации запасных резервов семян, произрастающих в условиях засоленности внешней среды [1, 7, 8]. Информативность подобных исследований можно значительно увеличить, применив для изучения
процессов распада и утилизации запасных веществ в прорастающих семенах цитологические методы.
Ранее, на модели развивающихся проростков одного из представителей двудольных растений — люцерны посевной, методами электронной микроскопии нами было детально изучено вли ние солей и осмотика маннитола на процесс мобилизации запасных веществ, депонированных в пластидах, липидных капл х (олеосомах) и в белковых телах клеток сем долей [2]. Было показано, что у растений, раз-вивавшихс в услови х засолени среды, наблюдаются четко тестируемые изменени в мобилизации запасных веществ. Обнаружена специфичность действия осмотика и солей, которая про вилась в общем стимулирующем влиянии низких концентраций солей на рост и развитие растений, а также в ингибирующем эффекте их высоких концентраций. В насто щей работе нами были поставлены задачи: 1 — на примере проростков томата, выращиваемого на почвах с вторичным засолением, подтвердить полу-
* Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН.
ченные ранее данные о влия нии солей на утилизацию запасных веществ в клетках семядолей, на структурную организацию ядер, характеризующую функциональное состояние генетического аппарата клетки; 2 — детально изучить процесс преобразования внутриклеточных компартментов, в которых депонированы запасные вещества (крахмал, липиды и белки), как в нормальных услови х, так и в услови х адаптации к солевому стрессу.
Методика
В качестве объекта использовали развивающиес проростки томата (Ьусоретвісоп евсиІеШиш Ь.) сорта Белый налив. Осмотический стресс искусственно индуцировали Ма2Б04 и маннитолом. Для унификации условий воздействи концентрации реагенты выравнивали по осмотическому давлению до 600 кПа.
Семена (по 100 шт.) проращивали в чашках Петри на дистиллированной воде без доступа света при 22-25°С в течение суток, а затем в условиях 12-часового фотопериода при 18-20°С в темноте и 22-25°С на свету в водных растворах солей. Для электронномикроскопического анализа отбирали листья семядолей 20-дневных проростков томата. В качестве контроля использовали те же части проростков, вз тые на 2, 4 и 8-е сутки после про-растани .
Для электронной микроскопии фрагменты сем дольных листьев шириной
0,5-1 мм и длиной 1-2 мм фиксировали в 2%-м растворе глутарового альдегида на 0,1 М фосфатном буфере с добавлением сахарозы (15 мг/мл, pH 7,2) в течение 4 ч при комнатной температуре. Постфиксацию материала проводили в 1%-й четырехокиси осмия на том же буфере в течение 2 ч. Дегидратацию и заключение материала в эпоксидную смолу проводили по стандартной методике. Ультратонкие срезы готовили на микротоме ЬКВ — V (ЬКВ, Швеция). Срезы окрашивали цитратом свинца и просматривали на трансмиссионном
электронном микроскопе Н-300 (Хитачи, Япония) при ускоря ющем напря -жении 100 кВ и рабочем увеличении Х10000.
Результаты и их обсуждение
Дл изучени нарушени процессов, свя занных с утилизацией запасных веществ, я вля ющихся первичным материалом нарастани растительных тканей в проростках, мы исследовали утилизацию запасных веществ сем -долей томата (крахмальных зерен и пластоглобул в пластидах, запасного белка в вакуол х, олеосом в цитоплазме) в контроле (рисунок Ж“И) при предобработке сол ми и осмотиком. Кроме подсчета количества неутилизованных в св зи с засолением запасных веществ, мы обращали внимание также на процессы преобразования компартментов. В данном случае можно утверждать, что имитирующий осмотическое воздействие маннитол вызывал замедление утилизации белка и препятствовал слиянию вакуолей; количество крахмала в пластидах также значительно превышало контроль (рисунок А-В). Раствор Ма2Б04 способствовал изменени м в дерном компартменте клеток (рисунок Г, Д), вызыва по вление конденсированных участков хроматина, препятствовал утилизации липидов (рисунок Г, Д, Е), однако оказывал менее заметное вли -ние на утилизацию белка и крахмала. Подобные наблюдени позвол ют подтвердить полученные нами ранее данные о специфическом действии солей и осмотика на утилизацию запасных веществ растений люцерны и преобразование содержащих запасающих компартментов в структуры, характерные дл вегетирующих тканей.
Нами доказано, что в клетках томата под действием неблагопри тных условий, имитирующих засоление (осмотический фактор — маннитол, токсический и осмотический факторы — Ма2Б04), происходит замедление утилизации запасных веществ и преобразование содержащих их компарт-
Ультраструктура клеток мезофилла семядольных листьев томата при взаимодействии с маннитолом (А-В), Ма2в04 (Г-Е) и в контрольных условиях (Ж-И)
ментов, изменение роста и размера клеток при растяжении, изменение их пролиферактивной активности. Таким образом, на растениях томата подтверждено, что внутриклеточные цитологические мишени (маркеры) чувствительны к воздействия м, имитирующим засоление, как это было ранее установлено дл растений люцерны (Medicago sativa L.) [2]. Установлено также, что солевые факторы специфически вли ют на дра клеток семядолей томата, что позволя ет визуально идентифицировать структурные изменения, свя занные, возмож-
но, с эпигенетическими ответами на действие абиотических факторов, в данном случае — засолени .
Полученные данные в дальнейшем планируетс использовать дл оценки солетолерантности растений, модифицированных методами генетической инженерии или клеточной селекции. Результаты данной работы позвол т проводить комплексную физиологическую оценку эффективности ин-тродуцированных генов, свя занных с усилением адаптивных возможностей растений. Важно, что метод цитологических маркеров можно использовать
на ранних этапах отбора модифици- ка в вакуолях) являются высокочувстви-
рованных растений, что позволит тельными и специфически реагирую-
отделять линии, действительно обла- щими на различные типы засоления и
дающие устойчивостью к засолению, осмотические воздействия.
от линий, просто прошедших успеш- Для детальной характеристики по-
ную генетическую трансформацию, вреждения метаболических процессов
но не проя вивших толерантность к мо>но эффективно использовать уль-
различным абиотическим стрессовым траструктурное обследование процессов
воздействия м, в т.ч. к засолению. утилизации запасных веществ с фик-
сацией преобразований запасающих ааключение компартментов клетки растений.
Изученные цитологические маркеры - Работа частично профинансирована
мишени (утилизация крахмала в пласти- грантом РФФИ 07-08-00610-а и про-
дах, липидов в олеосомах и запасного бел- граммой РАСХН 04.03.03.01.
Библиографический список
1. Баранова Е.Н., Лаврова Н.В., Гулевич А.А. Динамика утилизации запасных веществ в семядолях люцерны под влиянием солей и осмотика // Известия ТСХА, 2005. Вып. 4. С. 169-173.
2. Домаш В.И., Сосновская Т.Ф., Шарпио Т.П., Забрейко С.А. Активность системы протеолиза люпина желтого (Lupinus luteus L.) и ячменя (Hordeum vulgare L.)
в условиях солевого стресса / / Известия НАН Беларуси. Сер. Биол. Наук, 2006. № 3. С. 22-26.
3. Hosseini M.K.,Powell A.A., Bingham I.J. Comparison of the Seed Germination and Early Seedling Growth of Soybean in Saline Conditions // Seed Sci. Res., 2002. Vol. 12. P. 165-172.
4. Joshi AJ , Mali BS, Hinglajia H. Salt tolerance at germination and early growth of two forage grasses growing in marshy habitats // Environ. Exp. Bot., 2005. Vol. 54. P. 267-274.
5. Rogers ME, Noble CL. Halloran GM , Nicholas ME. The Effect of NaCl on the Germination and Early Seedling Growth of White Clover (Trifolium repens L.) Populations Selected for High and Low Salinity Tolerance // Seed Sci. Technol, 1995. Vol. 23. P. 277-287.
6. Soltani A., Gholipoor M., Zeinali E. . Seed reserve utilization and. seedling growth of wheat as affected by drought and salinity // Environ. Exp. Bot., 2006. Vol. 55. P. 195-200.
7. Ben Miled D.D., Zarrouk M., Cherif A. Sodium Chloride Effects on Lipase Activity in Germinating Rape Seeds, 2000. Vol. 28. Part 6. P. 899-902.
8. Lin C.C., Kao C.H. NaCl stress in rice seedlings: starch // Bot. Bull. Acad. Sin., 1995. Vol. 36. P. 169-173.
9. Voigt E.L., Almeida T.D., Chagas R.M., Ponte L.F.A., Viügas R.A., Silveira J.A.G. Source-sink regulation of cotyledonary reserve mobilization during cashew (Anacardium occidentale) seedling establishment under NaCl salinity // J. Plant Physiol, 2008. Vol. 166. P. 80-89.
Рецензент — д. с.-х. н. И.В. Кобозев
SUMMARY
Data on cytological markers-targets by which one can make an evaluation of injuries (defects) in tomato plants on saline soils are gathered. Specificity of reserve substances utilization process abnormalities has been proved in tomato seedlings: starch, reserve proteins and lipids. It has been discovered that apart from specific for osmotic and saline effect overmoderated utilization, nuclear cells compartment injury is clearly identified in tomato plants.
Key words: reserve substances (matter), ultrastructure, germination, salinization of soil, osmotic, Na2SO4, tomato, plastids, oleosomes, vacuoles.
