в системе целого растения

УДК 581.1(04)
ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ
АКЦЕПТОРНЫХ СВОЙСТВ ЗАПАСАЮЩИХ ОРГАНОВ
В СИСТЕМЕ ЦЕЛОГО РАСТЕНИЯ
Е.С. Роньжина
Изучена взаимосвязь роста и метаболизма запасающих акцепторов разного типа (клубней
стеблевого происхождения у картофеля, плодов (ягод) у томатов, корневых и стеблевых клубеньков у чистяка весеннего) с процессами транспорта и распределения ассимилятов в системе целого
растения. Сделан вывод о том, что акцепторные свойства запасающих органов и тканей определяются процессами роста растяжением и накопления высокополимерных веществ, повышающими
осмотический потенциал в запасающей паренхиме акцепторов и поддерживающими его на постоянном уровне благодаря утилизации притекающих ассимилятов. Градиент осмотического потенциала и давления в проводящей системе на участке между донором и акцептором является движущей силой флоэмного транспорта и распределения веществ в растениях.
Solanum tuberosum, Ficaria verna, Lycopersicon esculentum, донорно-акцепторная система, запасающие органы, аттрагирующий эффект, ассимиляты, рост, метаболизм, флоэмный транспорт
ВВЕДЕНИЕ
Согласно концепции донорно-акцепторных отношений, с функциональной
точки зрения зеленое растение представляет собой хорошо сбалансированную донорно-акцепторную систему. Донорами в ней являются фотосинтезирующие органы, в первую очередь взрослые зеленые листья, которые снабжают органическими веществами все другие части растения, акцепторами - гетеротрофные ткани
и органы. Обмен ассимилятами, метаболитами и, возможно, электрофизиологическими сигналами между донорной и акцепторной частями растения осуществляется через флоэму [1-4].
В функционировании донорно-акцепторной системы ведущую роль отводят акцепторам [1-3 и др.]. Об этом свидетельствуют две группы фактов: зависимость интенсивности и качественной направленности фотосинтеза от функциональной активности акцепторов, а также аттрагирующая активность акцепторных
органов, выражающаяся в их способности ориентировать транспортные потоки ассимилятов в свою сторону.
Механизм регуляторного влияния акцепторов в донорно-акцепторной системе пока не ясен, как не ясны и многие другие процессы, управляющие синтезом, транспортом и распределением ассимилятов в растениях.
Изучая эту проблему на модельной донорно-акцепторной системе – изолированном листе, – мы показали, что главными факторами, определяющими акцепторные свойства растительных тканей, являются рост растяжением, сопровождающийся образованием высокополимерных веществ, и синтез крахмала. Эти процессы приводят к повышению осмотического потенциала (ψp) в акцепторной части системы и формированию его градиента (Δψp) и градиента давления в проводящей системе на участке между донором и акцептором [5, 6]. Мы предположили,
что аналогичные явления существуют и в целом растении. Данная работа посвящена проверке этого предположения.
МЕТОДЫ
Исследования проведены на картофеле (Solanum tuberosum L., сорт
Невский), ранневесеннем эфемероиде чистяке весеннем Ficaria verna Huds.
(Ranunculus ficaria L., Ficaria ranunculoides Moench.) и томатах (Lycopersicon
esculentum Mill., сорт Balkonzäuber). Основанием для выбора объектов было наличие мощных запасающих акцепторов разных типов: у картофеля – клубней стеблевого происхождения, у томатов – плодов (ягод), у чистяка - клубеньков двух
типов: корневых (клубневидно утолщенных придаточных корешков) и стеблевых
в пазухах листьев [7, 8].
Растения картофеля выращивали в дерново-подзолистой почве в естественных условиях света, температуры и влажности воздуха с соблюдением необходимых элементов технологии, принятой для культуры, без применения пестицидов. Для обеспечения контакта со столонами и клубнями использовали перфорированные сосуды объемом 10 л согласно устным рекомендациям А.Т. Мокроносова (ИФР РАН) и А.М. Маркарова (Коми ГПИ).
Томаты выращивали в сосудах объемом 10 л по одному растению на сосуд
в защищенном грунте в пленочных теплицах на солнечном обогреве согласно
технологии, принятой для этой культуры на питательном субстрате, составленном
из гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы с добавлением около 15%
торфа, песка, минеральных удобрений, пестициды не применяли.
Растения чистяка произрастали в естественных условиях.
Объем запасающих органов вычисляли исходя из их линейных размеров, с
использованием микрометра МК-025 (Россия) для чистяка, штанген-циркуля (Россия) для картофеля и томатов. Объем (V) клубней картофеля вычисляли с учетом их длины (a), ширины (b), толщины (c) по формуле V = 0.56 a.b.c [9], клубеньков чистяка, в зависимости от их конфигурации, - по формуле шара либо эллипсоида вращения, плодов томатов - по формуле шара.
Аттрагирующую активность запасающих органов оценивали по притоку
14
С-ассимилятов. Для этого растения экспонировали в атмосфере с 14СО2 [10]
(концентрация СО2 – 0,5%, удельная активность - 4 МБк/моль СО2, время экспозиции - 20 мин, температура воздуха 18-22°С в зависимости от объекта, интенсивность света - 600-1000 Вт/м2 ФАР). После распределения 14С ткани фиксировали при 105 и высушивали при 50-60°С. Радиоактивность органа просчитывали
путем жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии [11] или на торцовом счетчике аппарата «Волна» («Изотоп», Россия).
Фракционирование углеводов проводили по [12] в нашей модификации
[13]. Аминокислоты экстрагировали 96%-ным этанолом согласно [14]. Аминный
азот определяли формольным методом [15]. Белки выделяли 96%-ным этанолом с
выполнением комплекса операций по их осаждению и экстракции [14]. Количественное определение белков в экстракте проводили по [16] с использованием
спектрофотометра «Specol-11» (Carl Zeiss, Германия).
Клеточный сок отжимали механическим путем после трехкратного замораживания-оттаивания тканей. Его осмотический потенциал ψp измеряли на рефрактометре ИФР-470 (Россия).
Воспроизведение и биологическая повторность опытов были трехкратными, при измерении объема запасающих органов повторность была десятикратной.
На рисунке представлены средние арифметические значения и их стандартные
отклонения. Достоверность различий между вариантами оценивали по t-критерию
Стьюдента при доверительном уровне Р = 0,95. Взаимосвязь между параметрами
устанавливали с помощью корреляционного анализа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При изучении механизмов регуляторного влияния акцепторов в системе
целого растения мы сосредоточили внимание на изучении запасающих органов с
симпластной разгрузкой ассимилятов - клубнях стеблевого происхождения у картофеля, стеблевого и корневого происхождения у чистяка, перикарпе томатов [1719 и др.]. В органах с апопластной разгрузкой регуляция, по-видимому, осуществляется на уровне транспортных процессов на мембранах.
В работе была сопоставлена динамика роста органа в онтогенезе с его аттрагирующей активностью и тéми показателями, которые, по нашему мнению,
могли определять акцепторную функцию органа: ψp, баланс растворимых и нерастворимых веществ, оводненность органа (рисунок).
Полученные результаты показали, что между всеми параметрами существовала сильная связь ( / r / = 0,70 – 0,99). Так, в онтогенезе рост органа сопровождался интенсификацией притока 14С-ассимилятов из листьев, по величине
которого оценивали аттрагирующую способность акцептора (рисунок, а).
Согласованно изменялись и другие параметры, в первую очередь ψp (рисунок, б), соотношение растворимых углеводов и полимеров, особенно крахмала и
компонентов клеточной стенки (рисунок, в), аминного азота и белков (рисунок, г),
оводненность тканей (рисунок, д).
Так, для периода формирования акцепторов и усиления по мере роста их
аттрагирующей активности были характерны высокие значения ψp, который снижался к концу онтогенеза, что зачастую предшествовало снижению притока 14Сассимилятов в акцепторы (рисунок). Сходная закономерность наблюдалась у всех
изученных растений.
При этом величина ψp коррелировала с аттрагирующей активностью органа (r = минус 0,83 – минус 0,85). Более того, у всех изученных растений существовал Δψp между взрослыми донорными листьями и акцепторами, величина которого
находилась в диапазоне от минус 0,06 до минус 0,12 МПа (данные не приводятся).
Такая зависимость четко указывала на важность осмотического состояния
акцепторных тканей для регуляции транспорта и распределения ассимилятов. Это
хорошо согласуется с представлениями о регуляторных механизмах флоэмного
транспорта веществ в растениях, основанными на закономерностях, вскрытых
Мюнхом [20]. Движущей силой транспорта аccимилятов он считал градиент давления в проводящих путях, возникающий в результате формирования Δψp вдоль
флоэмы.
При анализе причин изменения ψp мы обнаружили, что, во-первых, величина ψp коррелировала с объемом органа (r = минус 0,96 - минус 0,98). Повидимому, рост органа приводил к уменьшению молярной концентрации веществ
20
40
60
-0,10
3
-0,20
-0,30
1
-0,40
(б)
8
0,00
Приток
С, кБк
Приток 14
14С,
кБк
Осмотический потенциал,
МПа
0
(а)
80 100
6
4
2
2
3
-0,50
2
0
0
Углеводы, мг/г сухой массы
2
100,00
2
80,00
60,00
40,00
1
20,00
1
0,00
0
20
40
60
80
20
40
60
8,0
100
Белки, аминный азот,
% сухой массы
(г)
(в)
120,00
80 100
(г)
(д)
1
6,0
1
4,0
2,0
0,0
0
20
40
60
80
100
(е)
(д)
14,00
Вода:сухое вещество
1
3
12,00
10,00
8,00
6,00
1
4,00
2,00
2
0,00
0
20
40
60
80
100
Объем акцептора, %
Рис. Осмотический потенциал (а), приток 14С-ассимилятов (б), растворимых (светлые точки) и нерастворимых (темные точки) углеводов (в), аминного
азота (светлые точки) и белков (темные точки) (г), отношение вода:сухое
вещество (д) в запасающей паренхиме как функция объема клубня картофеля (1)
и чистяка весеннего (2), перикарпа томатов (3)
в единице объема клетки, повышая тем самым ψp. Включение метаболических
процессов, в том числе синтеза структурных полисахаридов и белков, способствовало длительному протеканию роста в онтогенезе. Действительно, r между
объемом органа и долей нерастворимых веществ в общем пуле углеводов или азотистых веществ был очень высок (например, у картофеля для полисахаридов r =
0,92 – 0,99, белков r = 0,78), что указывало на важность метаболических процессов для роста органа.
Более того, изменение направленности метаболизма акцептора и само
должно было изменять ψp. Между величиной ψp и содержанием нерастворимых
веществ (r = минус 0,69 – минус 0,98 для углеводов и r = минус 0,66 для белков) и
их долей в общем пуле углеводов или азотистых веществ (для полисахаридов r =
0,92-0,99, белков r = 0,78) была также выявлена сильная связь.
В первой половине вегетации в акцепторах шло накопление растворимых
углеводов и аминного азота, уровень которых резко снижался во второй половине
вегетации, при этом повышалось содержание крахмала, белков и компонентов
клеточной стенки (данные по фракционному составу ассимилятов не приводятся).
Таким образом, доля полимеров в онтогенезе акцептора увеличивалась. Повидимому, синтез высокомолекулярных веществ являлся еще одним фактором,
приводившим к повышению ψp.
Процессы синтеза биополимеров протекали в течение всего периода активного функционирования запасающих органов. Поэтому можно полагать, что
функциональная роль акцепторов заключается в утилизации притекающих веществ и, тем самым, - в подержании возможности транспорта ассимилятов из донорных в акцепторные органы в онтогенезе в течение длительного времени.
Эти рассуждения подтверждает сильная взаимосвязь между содержанием
воды в акцепторе и притоком 14С-ассимилятов (r = минус 0,60 - минус 0,85), объемом органа (r = минус 0,82 – минус 0,92), долей нерастворимых углеводов
(r = минус 0,73 – минус 0,87) и белков (r = минус 0,67).
Полученные результаты дают основание считать, что акцепторные свойства запасающих органов и тканей в системе целого растения, вероятно, определяются процессами роста и накопления высокополимерных веществ, повышающими ψp в запасающей паренхиме акцепторов и поддерживающими его на постоянном уровне благодаря постоянной утилизации притекающих ассимилятов. Совокупность этих процессов создает возможность постоянного транспорта веществ от доноров к акцепторам в онтогенезе, а также регулирует интенсивность
и направленность транспортных потоков ассимилятов в растении, обеспечивает
интеграцию его функционально различных частей в единую донорноакцепторную систему. По-видимому, эти механизмы, сходные для всех изученных типов запасающих органов, являются универсальными, по крайней мере, у
растений с симпластной разгрузкой ассимилятов в акцепторах.
Можно также заключить, что поскольку различные формы ассимилятов
характеризуются различными осмотическими свойствами, их взаимопревращение приводит к изменению внутриклеточного давления вдоль транспортного пути и тем самым обеспечивает контроль над флоэмным транспортом и распределением веществ в растениях.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Мокроносов А.Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза / А.Т.
Мокроносов. - М.: Наука, 1981. - 194 с.
2.
Мокроносов А.Т. Фотосинтетическая функция и целостность растительного организма (ХLII Тимирязевское чтение) / А.Т. Мокроносов. - М.: Наука,
1983. - 42 с.
3.
Мокроносов А.Т. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты / А.Т. Мокроносов, В.Ф. Гавриленко. – М.: Наука, 1992. – 320 с.
4.
Курсанов А.Л. Транспорт ассимилятов в растении / А.Л. Курсанов. М.: Наука, 1976. - 646 с.
5.
Роньжина Е.С. Структурные и функциональные перестройки мезофилла как возможная причина цитокинин-зависимого транспорта веществ в изолированных листьях / Е.С. Роньжина // Физиология растений. – 2004. – Т. 51. - №
3. – С. 373 - 382.
6. Роньжина Е.С. Фотосинтез: физиология, онтогенез, экология / Е.С.
Роньжина, Ю.В. Гамалей, П.Ю. Воронин и др.; под ред. Е.С. Роньжиной. – Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО "КГТУ", 2009. – 372 с.
7. Mudrack F. Über die Assimilaxionstatigkeit und washstum von Ficaria verna
/ F. Mudrack // Planta. – 1935. – V. 23. - № 1-2. – S. 71 – 104.
8.
Горышина Т.К. Ранневесенние эфемероиды лесостепных дубрав /
Т.К. Горышина. – Л.: Изд-во Лен. ун-та, 1969. – 232 с.
9. Meinl G. Über den Zusammemhard zwischen dem Volumen und der Oberfläche der Kartoffel / G. Meinl, H. Gessler // Der Züchter. - 1960. – Bd. 30. - H. 70. – S.
117 – 121.
10. Заленский О.В. К вопросу о взаимоотношениях фотосинтеза и дыхания
в ассимилирующей клетке. Исследование гликолиза и цикла Кребса на свету и в
темноте в клетках хлореллы / О.В. Заленский, Е.К. Зубкова, Н.С. Мамушина, Л. А.
Филиппова // Ботанич. журн. - 1980. - Т. 65, вып. 9. – С. 1141 - 1149.
11. Роньжина Е.С. Сравнительный анализ действия фузикокцина, АБК и
БАП в связи с проблемой аттрагирующего эффекта цитокининов / Е.С. Роньжина
// Физиология растений. – 2004. - Т. 51. - № 4. - С. 493 - 499.
12. Белозерский А.Н. Практическое руководство по биохимии растений /
А.Н. Белозерский, Н.И. Проскуряков. – М.: Советская наука, 1951. – 388 с.
13. Роньжина Е.С. Структурные и функциональные перестройки мезофилла как возможная причина цитокинин-зависимого транспорта веществ в изолированных листьях / Е.С. Роньжина // Физиология растений. – 2004. – Т. 51. - № 3. –
С. 373 - 382.
14. Щипарев С.М. Практикум по биохимии растений/ С.М. Щипарев, С.С.
Медведев, Е.И. Шарова, О.В. Танкелюн; под ред. В.В. Полевого, С.М. Щипарева.
– СПб.: Изд-во СПбГУ, 1996. – 200 с.
15. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений/ Б.П. Плешков. – М.:
Колос, 1968. – 184 с.
16. Bradford M.M. A Rapid and Sensitive Method for the Quantitation of Micrograms Quantities of Protein Utilizing the Principle of Protein-Dye Binding // Anal.
Biochem. – 1976. – V. 72. - № 1/2. – P. 248 – 254.
17. Гамалей Ю.В. Флоэма листа / Ю.В. Гамалей. - Л.: Наука, 1990. - 144 с.
18. Вилленбрик И. Транспорт ассимилятов во флоэме: регуляция и механизм / И.Вилленбрик // Физиология растений. – 2002. – Т. 49. – № 1. – С. 13–21.
19. Гамалей Ю.В. Транспорт и распределение ассимилятов в растении.
Подходы, методы и направления исследований / Ю.В. Гамалей // Физиология растений. – 2002. – Т. 49. – № 1. – С. 22 – 39.
20. Münch E. Die Stoffbewegungen in der Pflanze / E. Münch. - Jena: Fischer,
1930. – 235 s.
PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL ASPECTS
OF STORAGE ORGAN SINK ACTIVITY IN PLANTS
Е.S. Ron’zhina
Relationships between growth and metabolism in different storage organs (potato and Ficaria
verna tubes, tomato fruits) as a driven mechanism of phloem transport and assimilate partitioning in
plants were studied. It was concluded, that sink ability of storage organs is depending on the growth and
polymeric compounds synthesis. These processes utilize assimilates and maintain the osmotic potential
value of a sink organ during ontogenesis. An osmotic potential and pressure gradients between source and
sink organs is a driven mechanism of phloem transport and assimilate partitioning in plants.