Роль брассинолида в регуляции роста и гормонального баланса Arabidopsis thaliana (l.) Heynh. на зеленом свету

Влияние брассинолида и зеленого света на содержание эндогенных фитогормонов и морфогенез 7-дневных проростков Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа и мутантной формы. Связь между световым и гормональными сигналами в регуляции роста семядолей.

Рубрика Биология и естествознание
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 24.11.2018
Размер файла 191,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вестник Томского государственного университета. Биология

роль брассинолида в регуляции роста и гормонального баланса arabidopsis thaliana (l.) heynh. на зеленом свету

И.Ф. Головацкая, Р.А. Карначук

Биологический институт Томского государственного университета (г. Томск)

E-mail: golovatskaya@mail.tomsknet.ru

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (грант 08-04-90042-Bel_a) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Государственный контракт № П283 от 23.07.2009)

Аннотация

Изучено влияние брассинолида и зеленого света на содержание эндогенных фитогормонов (ИУК, цитокининов и АБК) и морфогенез 7-дневных проростков Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа (Col) и мутантной формы (det2), у которых нарушен синтез брассиностероидов. У проростков формы det2 в темноте обнаружено значительно меньшее содержание свободной ИУК и обеих форм АБК и большее содержание цитокининов (зеатина и рибозида зеатина) и связанной ИУК, чем у проростков формы Col. Совместное действие изучаемых факторов синергически увеличивало уровень свободной АБК и площадь семядолей у мутантой формы проростков. Сделан вывод о связи между световым и гормональными сигналами в регуляции роста семядолей A. thaliana.

Ключевые слова: Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.; фотоморфогенез; зеленый свет; фитогормоны; брассинолид; индолил-3-уксусная кислота; зеатин; рибозид зеатина; абсцизовая кислота.

Irina F. Golovatskaya, Raisa A. Karnachuk

Biological Institute of Tomsk State University, Tomsk, Russia

E-mail: golovatskaya@mail.tomsknet.ru

THE EFFECT OF BRASSINOLIDE ON ARABIDOPSIS SEEDLINGS GROWTH AND HORMONAL BALANCE UNDER GREEN LIGHT

Summary. Studied the effects of brassinolide (BL) and green light (GL) on the content of endogenous phytohormones (IAA, cytokinins, and ABA) and morphogenesis of 7day-old Arabidopsis thaliana (L.) Heynh seedlings of wild type (Col) and its det2 mutant with disturbed synthesis of brassinosteroids. In darkness the mutant det2 contained considerably less free IAA and both forms of ABA, but much more cytokinins (zeatin and zeatin riboside) and bound IAA, as compared to the wild-type seedlings. Level of free ABA and area of cotyledon increased under action of factors GL+BL. The conclusion is that green light and brassinolide signals interact in the control of the cotyledon growth in A. thaliana seedlings.

Key words: Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.; photomorphogenesis; green light; brassinolide; IAA; zeatin; zeatin riboside; ABA.

В связи с прикрепленным образом жизни растения вынуждены быть особенно пластичными в ответах на воздействия окружающей среды. Свет, как наиболее важный внешний фактор, является не только источником энергии для фотосинтеза, но и сигналом, изменяющим программу развития растения. Особый интерес представляет роль зеленого света (ЗС) в жизнедеятельности растений [1]. Его регулирующее действие на растения осуществляется через ряд фоторецепторов [2-4] с участием системы вторичных мессенджеров. Согласно мнению ряда исследователей, в эту систему регуляции вовлечены гормоны. Показано, что гормональный статус растений меняется в зависимости от селективного света [5-7]. Известно, что цитокинины (ЦК) участвуют в регуляции ското- и фотоморфогенеза, но в отношении участия брассиностероидов (БР) в светорегуляции морфогенеза данных недостаточно [7, 8]. В настоящее время показано, что наиболее активный представитель брассиностероидов - брассинолид - регулирует многие процессы в растении от активности протонного насоса, роста клетки, стебля, дифференциации ксилемы, положения листьев, биосинтеза этилена и пигментов, мужской плодовитости и до регуляции фотосинтеза, реакций стресса и фотоморфогенеза [9- 12]. В связи с этим целью работы являлось изучение роли брассинолида в регуляции уровня фитогормонов (ауксинов, цитокининов и абсцизинов) в процессе роста растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. на ранних этапах онтогенеза на зеленом свету.

Объект и методики исследования

Объектами исследования служили растения двух линий Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. экотипа Columbia (Col) и его мутантная форма det2 с нарушенным биосинтезом брассиностероидов [13].

Стерильные семена Arabidopsis высевали в чашки Петри на жидкую питательную среду Ѕ МС [14] с добавлением 10-7 М брассинолида (БЛ). Брассиностероиды любезно предоставлены профессором В.А. Хрипачом (Институт биоорганической химии НАН Беларуси, г. Минск). В контроле использовали среду без добавления гормона. Для синхронизации прорастания семена выдерживали в течение 3 сут в темноте при +6°С, затем 3 ч освещали с помощью люминесцентных ламп ЛД-40 (33 Вт/м2) и помещали в темноту, где экспонировали 7 сут в условиях полной темноты или ежедневного кратковременного (60 мин) освещения ЗС (л = 543 нм, плотность потока квантов 3,0 мкмоль/(м2·с)). Длину гипокотилей и площадь семядолей измеряли у ста проростков каждого варианта.

Количественное определение ИУК, АБК и цитокининов (зеатина и рибозида зеатина - РЗ) проводили с помощью твердофазного иммуноферментного метода [15], используя моноклональные антитела к свободным формам ИУК, АБК и зеатину и антивидовые антитела, меченные пероксидазой («Фармхиминвест», Россия). Измерение плотности растворов определяли на микрофотометре «Specord M-40» при длине волны 492 нм.

Далее на рис. 1, 2 приведены данные в виде средних арифметических со стандартными ошибками.

Результаты и обсуждение

Моделью для изучения фотоморфогенеза были выбраны растения арабидопсис мутантной формы, имеющие многие характеристики светового фенотипа при выращивании в темноте [16]. Световой фенотип растущих в темноте мутантных форм det2 проявлялся в коротких и утолщенных гипокотилях, открытых и расширенных семядолях, раскрытых первичных зародышевых листьях. Гипокотиль у таких проростков был короче и толще дикого типа, а семядоли - крупнее, чем Col (рис. 1).

Преждевременное прекращение роста осевого органа и развитие семядолей в темноте показывают, что в растениях без видимой необходимости происходит экспрессия генов, обычно регулируемых светом. Кроме того, нарушается метаболизм БР, т.к. нарушены реакции преобразования 2Н-кампестерола в Н-кампестанол. Растения формы det2 накапливают только 8-15% уровня кампестанола и меньше 10% других брассиностероидов по сравнению с растениями дикого типа. Такие фенотипические и метаболические различия между мутантным det2 и диким типами арабидопсис позволяют предполагать важную роль DET2 в развитии этих растений.

Данные, представленные на рис. 1, показывают участие БЛ в регуляции морфогенеза линий Col и det2, различающихся по содержанию эндогенных БР, в темноте и на ЗС. Действие 10-7 М БЛ в темноте было малоэффективно в отношении растяжения семядолей обеих линий. Тогда как растяжение гипокотилей проростков дефицитного по БР мутанта det2 увеличилось (на 27%), частично восстанавливая этиолированный фенотип гипокотилей исходной линии. Действие экзогенного БЛ на рост корня зависело от уровня эндогенных БР: при их недостатке (det2) растяжение увеличивалось, тогда как при норме (Col) - тормозилось. Аналогичная ростовая реакция растений дикого типа отмечена и другими авторами [17, 18].

Рис. 1. Влияние брассинолида (БЛ, 10-7 М) на морфогенез 7-дневных проростков арабидопсиса в темноте (Т) и при деэтиоляции на зеленом свету (ЗС, 543 нм, 3 мкМ·квант/(м2·с), 60 мин)

проросток брассинолид эндогенный фитогормон

Деэтиоляция на ЗС низкой интенсивности (543 нм, 3 мкМ·квант/(м2·с)) была малоэффективна в отношении ингибирования роста гипокотилей у обеих линий, но существенно увеличила размеры семядолей (на 17 и 25% соответственно у det2 и Col). Из полученных данных видно, что чувствительность ростовых реакций к ЗС у мутантного типа арабидопсис была меньше, чем у дикого типа. Возможно, недостаток БР, выступающих в качестве трансдукторов светового сигнала, снижал ответные реакции растений типа det2 на свет.

Обработка БЛ (10-7 М) повысила ростовой ответ семядолей на действие ЗС. При этом был отмечен аддитивный эффект совместного действия ЗС и экзогенного гормона на рост семядолей дикого типа и синергический эффект - на рост семядолей мутантного типа (см. рис. 1). Последняя ростовая реакция была аналогична реакции, отмеченной нами для линий экотипа Landsberg erecta (Ler) при совместном действии ЗС и другого брассиностероида 24-эпибрассинолида (ЭБЛ) [19]. Кроме того, экзогенный БЛ восстанавливал ростовую реакцию корня растений мутантного типа на ЗС до уровня дикого типа.

Различия в морфогенезе проростков Col и det2 были обусловлены изменениями их гормонального статуса (рис. 2). В темноте деэтиолированные проростки фенотипа det2 характеризовались повышенным уровнем ЦК (зеатина и РЗ) и связанной ИУК, пониженным уровнем свободной ИУК и обеих форм АБК по сравнению с этиолированными проростками фенотипа Col. Подобную динамику гормонов отмечали для выращенных на свету растений и другие авторы [7]. Результаты анализа гормонального баланса показали, что мутация гена DET2 сопряжена с 7-кратным снижением отношения ИУК свободная/зеатин и 2-кратным увеличением отношения свободных форм ИУК/АБК по сравнению с нормой.

Деэтиоляция на ЗС уменьшила содержание обеих форм ИУК в растениях мутантного фенотипа и только свободной формы гормона в проростках дикого типа. Светозависимое снижение активности ауксинов после облучения красным светом показано другими авторами [20, 21]. ЗС повысил уровень зеатина у дикого типа за счет высвобождения из связанных форм, а у мутантного типа снизил уровень обеих форм ЦК. В деэтиолированных проростках обеих линий уменьшилось содержание свободной и связанной АБК по сравнению с этиолированными проростками.

Обработка 10-7 М БЛ проростков мутантного фенотипа в темноте по уровню ИУК и ЦК частично напоминала их деэтиоляцию на ЗС. Оба фактора, гормон и свет, действующие по отдельности, устанавливали одинаковый уровень ингибитора роста АБК у обеих линий растений.

Совместное действие факторов (БЛ+ЗС) на проростки арабидопсиса снизило уровень РЗ у обеих линий и синергически увеличило уровень свободной АБК в проростках мутантного типа (рис. 2), что показано нами ранее для Ler при действии ЭБЛ на ЗС [19]. Регуляция БЛ гормонального баланса арабидопсиса, вероятно, зависела от светорегулируемого изменения уровня эндогенных гормонов, в том числе и БР [22, 23].

Таким образом, впервые показано, что брассинолид участвует в регуляции морфогенеза на начальных этапах онтогенеза A. thaliana в темноте и при деэтиоляции на зеленом свету. Брассинолид изменяет баланс эндогенных фитогормонов. Аддитивный или синергический характер совместного действия брассинолида и зеленого света с длиной волны 543 нм на рост семядолей разных линий арабидопсиса проявляется через изменение уровня эндогенных фитогормонов, в том числе и уровня АБК (det2).

Полученные данные позволяют предполагать участие брассиностероидов в трансдукции сигнала зеленого света при регуляции фотоморфогенеза растений арабидопсиса.

Авторы выражают благодарность М.В. Ефимовой за помощь в проведении ряда экспериментов.

Литература

1. Карначук Р.А. Регуляторное влияние зеленого света на рост и фотосинтез листьев // Физиология растений. 1987. Т. 34, вып. 4. С. 765-773.

2. Карначук Р.А., Постовалова В.М., Беленькая Е.В., Жуланова С.Г. Фитохромный контроль метаболизма 14С-углеводов в растениях // Физиология растений. 1978. Т. 25. С. 268-271.

3. Головацкая И.Ф. Роль криптохрома 1 и фитохромов в регуляции фотоморфогенетических реакций растений на зеленом свету // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 822- 829.

4. Головацкая И.Ф., Карначук Р.А., Ефимова М.В. и др. Роль криптохрома 1 и фитохромов А-Е в регуляции роста арабидопсиса на зеленом свету // Вестник Томского государственного университета. 2007. № 297. С. 184-187.

5. Карначук Р.А., Негрецкий В.А., Головацкая И.Ф. Гормональный баланс листа растений на свету разного спектрального состава // Физиология растений. 1990. Т. 37, вып. 3. С. 527-534.

6. Карначук Р.А., Головацкая И.Ф. Гормональный статус, рост и фотосинтез растений, выращенных на свету разного спектрального состава // Физиология растений. 1998. Т. 45, вып. 6. С. 925-934.

7. Chory J., Reinecke D., Sim S. et al. A role for cytokinins in de-etiolation in Arabidopsis: det mutants have an altered response to cytokinins // Plant Physiol. 1994. Vol. 104. P. 339-347.

8. Neff M., Nguyen S.M., Malancharuvil E.J. et al. BAS1: A gene regulating brassinosteroid levels and light responsiveness in Arabidopsis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 96. P. 15316-15323.

9. Хрипач В.А., Лахвич Ф.А., Жабинский В.Н. Брассиностероиды. Минск: Наука и техника, 1993. 287 с.

10. Прусакова Л.Д., Чижова С.И. Роль брассиностероидов в росте, устойчивости и продуктивности растений // Агрохимия. 1996. № 11. С. 137-150.

11. Clоuse S.D., Sasse J.M. Brassinosteroids: Essential Regulators of Plant Growth and Development // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998. Vol. 49. P. 427-451.

12. Головацкая И.Ф., Никонорова Н.М. Рост и продуктивность растений в зависимости от их чувствительности к свету и способа обработки брассинолидом // Агрохимия. 2008. № 1. С. 46-51.

13. Koorneef M., Rolff E., Spruit C.J.P. Genetic control of light-inhibited hypocotyl elongation in Arabidopsis thaliana L. Heynh // Z. Pflanzenphysiol. 1980. Vol. 100. P. 147-160.

14. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassay with tobacco tissue culture // Physiol. Plant. 1962. Vol. 15. P. 473-497.

15. Кудоярова Г.Р., Веселов С.Ю., Каравайко Н.Н. и др. Иммуноферментная система для определения цитокининов // Физиология растений. 1990. Т. 37. С. 193-199.

16. Chory J., Peto C., Feinbaum R., Pratt L., Ausubel F. Arabidopsis thaliana mutant that develops as a light-grown plant in the absence of light // Cell. 1989. Vol. 58. P. 991-999.

17. Clouse S.D., Langford M., Hall A.F. et al. Physiological and molecular effects of brassinosteroids on Arabidopsis thaliana // Plant Growth Regul. 1993. Vol. 12. P. 61-66.

18. Schumacher K., Chory J. Brassinosteroid signal transduction: still casting the actors // Curr. Opin. Plant Biol. 2000. Vol. 3. P. 79-84.

19. Карначук Р.А., Головацкая И.Ф., Ефимова М.В., Хрипач В.А. Действие эпибрассинолида на морфогенез и соотношение гормонов у проростков Arabidopsis на зеленом свету // Физиология растений. 2002. Т. 49. С. 591-595.

20. Briggs W.R. Red light, auxin relationships and the phototropic responses of corn and oat coleoptiles // Am. J. Bot. 1963. Vol. 50. P. 196-207.

21. Muir R.M., Zhu L. Effeet of light in the control or growth by auxin and its inhibitor(s) in the sunflower // Physiol. Plant. 1983. Vol. 57. P. 407-410.

22. Clouse S.D. Integration of light and brassinosteroid signals in etiolated seedling growth // Trends Plant Sci. 2001. Vol. 6. P. 443-445.

23. Li J., Nagpal P., Vitart V. et al. A Role for brassinosteroids in light-dependent development in Arabidopsis // Science. 1996. Vol. 272. P. 398-401.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Выявление трансформантов среди растений Т2 поколения. Выявление инсерционных мутантов, имеющих фенотипические изменения. Идентификация трансгенной природы трансформированных растений Arabidopsis thaliana. Использование метода полимеразной цепной реакции.

    контрольная работа [380,4 K], добавлен 25.03.2016

  • Физические свойства воды и почвы. Влияние света и влажности на живые организмы. Основные уровни действия абиотических факторов. Роль продолжительности и интенсивности воздействия света - фотопериода в регуляции активности живых организмов и их развития.

    презентация [2,8 M], добавлен 02.09.2014

  • Влияние света на питание и испарение. Значение света для распределения растений. Сила света и направление световых лучей. Классификация растений по отношению к свету. Направление листьев и освещение. Различия в анатомическом строении.

    реферат [17,3 K], добавлен 21.01.2003

  • Биосинтез компонентов молока. Влияние гормонов на процесс молокообразования. Закономерности секреции молока. Механизм регуляции молокообразования. Роль коры больших полушарий в регуляции лактации. Роль стимулов доения на процесс молокообразования.

    курсовая работа [61,3 K], добавлен 26.09.2009

  • Рефлексы, участвующие в регуляции дыхания. Разновидности рецепторов бронхо-легочного аппарата, принимающих участие в регуляции дыхания. Рефлексы, возникающие при изменении объема легких. Дополнительные разновидности патологических дыхательных движений.

    презентация [2,4 M], добавлен 08.01.2014

  • Основные системы регуляции метаболизма. Функции эндокринной системы по регуляции обмена веществ посредством гормонов. Организация нервно-гормональной регуляции. Белково-пептидные гормоны. Гормоны - производные аминокислот. Гормоны щитовидной железы.

    презентация [5,3 M], добавлен 03.12.2013

  • Представления о регулировании физиологических функций. Механизмы регуляции: нервно-рефлекторные и гуморальные. Виды нервных волокон. Законы проведения возбуждения. Функциональное значение нейронов структурных элементов, процессы, протекающие в них.

    контрольная работа [29,6 K], добавлен 21.01.2010

  • Клеточные основы роста растений. Рост тканей в зависимости от её специфичности. Процесс превращения эмбриональной клетки в специализированную (дифференциация). Основные части побега. Особенность роста листа однодольных растений. Морфогенез корня.

    курсовая работа [90,0 K], добавлен 23.04.2015

  • Контуры регуляции функций. Схема локальной регуляция функции. Состав внутренней среды. Схема гомеостатического механизма. Формирование систем регуляции. Понятие о функциональном элементе ткани по А.М. Чернуху. Механизм взаимосвязи между клетками.

    презентация [290,4 K], добавлен 15.02.2014

  • Четыре основные системы регуляции метаболизма. Организация нервно-гормональной регуляции. Эндокринная система организма человека. Поджелудочная железа человека, ее анатомия, топография, макроскопическое и микроскопическое строение. Инсулин и глюкагон.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 23.02.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.