Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1. Современное состояние проблемы пола у растений ( теории полообразования ) 9
2. Роль листьев и корневой системы в образовании пола 15
3. Связь процессов роста с сексуализацией растений 19
4. Действие физиологически активных веществ на рост, развитие и сексуа -
лизацию растений 24
4.1. Ауксины ( НУК и ИУК ) 25
4.2. Гиббереллины 28
4.3. Кинетин 30
4.4. Гидразид малеиновой кислоты ( ГМК ) 33
4.5. Хлорхолинхлорид ( ССС ) 35
4.6. Трийодбензойная кислота ( ТИБК ) 37
4.7. Диметилсульфоксид ( ДМСО ) 38
4.8. Этиленвыделящие соединения
( этрел и гидрел ) 39
5. Применение методов культуры vitro Для изучения вопросов образования пола у растений 43
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 48
6. Материал и методика 48
6.1. Характеристика объекта исследования - растений огурца 54
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 57
7. Выявление оптимальных условий культивирования изолированных апексов огурца 57
8. Действие физиологически активных веществ на морфогенез регенерантов огурца сорта
'Нежинский местный' 66
8.1. Влияние исследуемых соединений
на ростовые процессы бб
8.2. Генеративное развитие под воздействием регуляторов 78
8.3. Изменение сексуализации регенерантов, обработанных исследуемыми соединениями 86
9. Действие физиологически активных веществ на морфогенез регенерантов огурца линии »Т-1*.... 102
9.1. Влияние исследуемых соединений на ростовые процессы 102
9.2. Генеративное развитие под воздействием регуляторов 113
9.3. Изменение сексуализации регенерантов, обработанных исследуемыми соединениями 122
10. О связи процессов роста с сексуализацией растений 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
ВЫВОДЫ 161
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 163
ПРИЛОЖЕНИЕ 195
- Современное состояние проблемы пола у растений ( теории полообразования )
- Характеристика объекта исследования - растений огурца
- Выявление оптимальных условий культивирования изолированных апексов огурца
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из средств повышения урожайности раздельнополых культур является регуляция их. пола с помощью физиологически активных веществ. В настоящее время в качестве регуляторов роста и развития растений изучено несколько тысяч химических соединений, а практическое применение в растениеводстве получили около 30 веществ (Мельников, 1981),но только несколько из них в незначительных, масштабах используются для химической регуляции пола.Поэтому,по-прежнему, актуальными остаются детальное исследование уже известных биологически активных соединений и поиск новых, высокоэффективных, регуляторов роста, развития и полообразования растений.
Изменение сексуализации растений с помощью физиологически активных соединений имеет большое теоретическое значение, так как приближает нас к познанию физиолого-биохямической первоосновы половой дифференциации, к выяснению роли фитогормонов в процессе становления определенного пола (Сидорский, 1978), что в конечном итоге даст возможность управлять продуктивностью растений, качеством урожая и сроками его получения (Санкин, Рыжов, 1974).
Удобным объектом для экспериментального изменения пола является типичный представитель однодомных раздельнополых растений - растения огурца, которые сравнительно легко изменяют свою половую выраженность под влиянием различных факторов внешней среды. В условиях Латвийской ССР это одна из ведущих овощных культур. Особенности сексуализации у растений огурца изучаются главным образом на интактных растениях в полевых и вегетационных опытах, что не всегда удобно из-за высокой их чувствительности к изменению условий выращивания и разлнчных корреляционных связей между клетками, тканями и органами целых растений.
Более простой моделью, позволяющей в строго контролируемых, условиях, исследовать действие химических соединений на рост, развитие и сексуализацию растений, является культура изолированных, апикальных меристем растений огурца.
Цель и задачи исследований. Целью работы являлось разработка Г~испЗЖз^в^нйТ1Гоценка~нов ой модели - культуры апикальных меристем огурца -для регуляции роста, развития и сексуа-лизации этих растений с помощью физиологически активных соединений. Для достижения этой цели необходимо было решить ряд конкретных задач:
1. подобрать оптимальные условия культивирования апексов для получения максимального выхода нормально развитых и спо собных к зацветанию регенерантов;
2. изучить действие различных, физиологически активных сое динений на морфогенез изолированных апексов и сексуализацию регенерировавших растений в зависимости от полового типа исходных растений и фотопериода: определить оптимальные концентрации химических соединений, способы и сроки обработки объектов исследования для получения максимального эффекта сдвига пола; изучить характер взаимосвязи ростовых процессов с определённым полом у регенерантов;
3. оценить преимущества и недостатки данной модели. Объекты исследования. В работе использовали изолированные апикальные меристемы семидневных, стерильных проростков огурца сорта 'Нежинский местный* (с сильно выраженной мужской половой тенденцией) и женской линии »Т-1*.
Научная новизна. Создана новая модель для регуляции роста, развития и сексуализации растений огурца с помощью физиологически активных веществ. Установлены оптимальные способы применения регуляторов, их концентрации, а также сроки и количество обработок для получения максимального эффекта сдвига пола. Получены новые сведения о влиянии 10 исследованных нами соединений на отдельные стороны морфогенеза растений огурца (главным образом на число листьев, степень облиствен-ности, на интенсивность, а также скорость бутонизации и цветения), впервые изучено влияние диметилсульфоксида (ДДОСО) на огурцы и показана феминизирующая активность ДОСО и кинетина на этом объекте. Впервые в строго контролируемых условиях выявлена взаимосвязь процессов роста с формированием определенного пола и изучен её характер. В качестве одного из показателей этой взаимосвязи предложено использовать степень облиственности побега, равную отношению числа листьев к длине стебля. Впервые в строго контролируемых условиях показана зависимость интенсивности и направленности действия регуляторов от полового типа растений, способа их обработки и фотопериода.
Практическая ценность. Модель в целом адекватна интактным растениям, поэтому сведения о влиянии физиологически активных веществ на регенеранты огурца могут быть использованы в практике растениеводства. Эту модель можно рекомендовать для первичной оценки действия биологически активных веществ на различные стороны морфогенеза растений огурца, определения их оптимальных концентраций, сроков и методов обработки. С её помощью можно отобрать для практического применения соединения с определенной направленностью действия на конкретные - 8 -показатели роста и развития растений огурца, а также соединения, характер действия которых в минимальной степени зависит от факторов внешней среды. Намечены подходы к размножению растений огурца с определённой половой выраженностью путём активации пазушных меристем у регенерантов.
Современное состояние проблемы пола у растений ( теории полообразования )
Единая общепризнанная теория определения и развития пола у растений не выработана до сих пор. Существует большое количество различных, концепций, гипотез и теорий образования пола. Наиболее значительными из них. являются: теория о главенствующей роли внешней среды, хромосомная, генетическая и гормональная теории. Надо отметить, что отдавая предпочтение какой-либо одной концепции, многие исследователи не отрицают и других, так как нередко они являются взаимодополняющими.
Долгое время в науке (особенно отечественной) господствовала теория, по которой основная роль в определении пола отводилась факторам внешней среды, влияющим на процесс становления пола через изменение обмена веществ (Минина, 1952; Сабинин, 1963; Джапаридзе, 1965). Её формированию способствовали наблюдения над рядом растений, с относительной легкостью изменяющих пол под влиянием окружающей среды (tTampoisky, 1957).
Разновидностью этой теории можно считать концепцию Г.Х.Молотковского о зависимости пола растений от активности физиолого-биохиглических процессов в надземных органах и корневой системе (Молотковский, 1961, 1965, 1968 а). Согласно представлениям автора, более высокий уровень активности этих. процессов в корнях способствует усилению женской сексуализа-ции, а в листьях, и стебле - мужской. В основе сексуальности растительных организмов, по мнению этого автора, лежит трофика: воздушно-световое и воздушно-почвенное питание.
- 10 В 30-40 годы широкое признание получила хромосомная теория, сводящая определение пола у растений к особенностям их хромосом (Вильсон, 1936, 1940; Рыжков ,1936), Однако с её помощью нельзя объяснить существующего в природе многообразия половых, типов растений.
В дальнейшем, благодаря многочисленным генетическим исследованиям отечественных и зарубежных ученых, хромосомная теория переросла в генетическую.
Было установлено, что половые хромосомы имеются примерно у половины родов двудомных растений (Синнот, 1963). В большинстве случаев женские растения двудомных видов в половой паре имеют две идентичные Х-хромосомы, а мужские растения -гетерохромосомы X и У ( Pranfcei , Gaiun , 1977).
Значение половых, хромосом и их локусов в определении пола у растений до сих пор мало изучено. У видов, не имеющих подовых хромосом, численное соотношение между мужскими и женскими особями, по-видимому, регулируется хромосомами, отличие которых ограничивается функцией, не затрагивая структуру (Львова, 1976). Допускается также наличие особого рода модификаторов, способных, вызвать трансформацию пола в разных направлениях (Машкин, Тульнова, 1975). У многих растений установлены гены, определяющие их половой тип (Gaiun, 1961; Shifrtss , 1961а; Ткаченко, 1975).
Характеристика объекта исследования - растений огурца
Огурец - однолетнее травянистое растение семейства тыквенных. ( Cucurbitacea ). Листорасположение очередное.Стебель -стелющийся. Длина стебля и количество боковых побегов изменяются в зависимости от сорта и условий выращивания. Темп роста стебля зависит от возраста растений: сначала он очень медленный, затем более интенсивный до начала плодоношения, после чего замедляется. Корневая система - стержневая. В начальный период вегетации растет интенсивнее, чем надземная часть (Минин, 1928;.Боос, 1963; Ткаченко и др., 1963).
Огурец относится к нейтральным растениям с чертами ко-роткодневности, так как ускоряет развитие на укороченном 12-часовом фотопериоде или в условиях, синего света (Matsuo Е1-suke efc.al., 1968; Седловский, 1972 б). На коротком дне образуется больше женских узлов (Седловский, 1972 б). Огурцы сорта Нежинский местный , которые использовались в нашей работе, более чувствительны к фотопериоду, чем растения других сортов (Ткаченко и др., 1963).
Даже на незначительные изменения факторов окружающей среда растения огурца реагируют варьированием интенсивности ростовых процессов (Седловский, 1972 б), что осложняет работу с этим объектомв неконтролируемых, или частично контролируемых условиях.
Огурцы являются типичным представителем раздельнополых, однодомных растений. Выведены частично двудомные сорта и линии (Ткаченко и др., 1963).
Женские цветки расположены в пазухе листа чаще всего одиночно, мужские - по 5-7 и более собраны в соцветие, представляющее собой густую кисть или щиток.
У растений сорта Нежинский местный на I женский цветок обычно приходится 4-7 мужских (Ткаченко и др., 1963). Таким образом, они относятся к растениям с сильно развитой мужской половой тенденцией. У растений женской линии T-I мужские цветки образуются крайне редко, их количество составляет не более 0,3-0,5$ (Рогова, 1977).
Половой механизм растений огурца сбалансирован неустойчиво, поэтому растения сравнительно легко изменяют выраженность пола под действием факторов внешней среды (Пыженков, 1968), что и привлекает исследователей к этому объекту.
Половой тип растений и степень половой выраженности определяются сочетанием на растении разных форм цветков (Львова, 1976) и характеризуются обычно отношением числа мужских цветков к женским, образовавшимся в течении вегетации (Сан-кин, Рыжов, 1974).
Каждый сорт - популяция, состоящая из ряда групп растений, отличающихся выраженностью пола. При изменении условий внешней среды половая выраженность растений в популяции меняется в одном направлении, но в различной степени (Пыженков, 1968, 1972).
У растений огурца началом развития цветка является появление цветкового бугорка, что соответствует ІУ этапу органогенеза. На ранних, этапах формирования цветки бисексуальны. В дальнейшем, в зависимости от степени развития андроцея и гинецея формируются цветки определенного пола. Окончательное формирование пола происходит на У этапе органогенеза(Львова, 1963, 1971, 1976).
В течение жизненного цикла у растений огурца происходит непрерывная дифференциация верхушечной меристемы с образованием новых мевдоузлии, листьев, боковых, плетей и цветков, находящихся в зависимости от их местоположения на стебле на разных этапах органогенеза (Минина, 1952).
Выявление оптимальных условий культивирования изолированных апексов огурца
Для выполнения данной экспериментальной работы необходимо было подобрать такие условия культивирования апексов, чтобы без добавления в питательную среду физиологически активных соединений получить максимальный выход нормально развитых, и способных, к зацветанию регенерантов.
Решающее значение для успешного выращивания растений из изолированных меристем имеет правильный выбор размера эксплантата и питательной среды.
Мы были заинтересованы в использовании эксплантатов небольших размеров, так как в дальнейшей работе предполагалось воздействовать физиологически активными веществами на собственно меристему.
При культивировании меристематического купола (го есть собственно меристемы) проростков огурца сорта Нежинский местный размером 150 10 мкм независимо от состава питательной среды отмечалась их гибель через 1-2 недели после изолирования» Гибель меристем небольшого размера монет быть связана с механическими повреждениями при их. вычленении и с отсутствием условий, необходимых, для нормального морфогенеза (Stone, 1963; Shabde et.al., 1977).
Известно, что чем больше величина изолированных апексов, тем больше случаев их выживания ( Waifcey, 1968). Увеличение размеров апекса до 200 20 мкм за счет нижележащей парен-химной ткани не дало удовлетворительных результатов в наших, опытах: большинство эксплантатов погибало в разные сроки культивирования. По-видимому, для их. успешного выращивания необходимо было наличие примордиев, которые, по данным ряда авторов, продуцируют ростактивирующие вещества (stone, 1963; Shabde et.aL., 1977).
При культивировании апексов величиной 900 50 мкм, состоящих из меристематического купола, 2 пар примордиальных листьев и незначительного количества субапикальной ткани, выживало более 90 % изолятов в зависимости от состава питательной среды (табл. 2), поэтому эксплантаты такого размера и использовали для дальнейших экспериментов.
Параллельно проводили поиск оптимальной питательной среды (табл. 2).
Выбор сред в наших опытах основан на простоте их состава и универсальности, то есть пригодности для выращивания тканей и органов различных растений.
Данные таблицы 2 показывают, что наиболее подходящими из испытанных, агаризованных сред являлись среды Уайта, а также Мурасиге и Скуга, обеспечивающие достаточно высокий выход растений - регенерантов. По литературным данным среда Уайта способствует формированию корневой системы у регенерантов, тогда как среда Мурасиге и Скуга обеспечивает лучшую приживаемость и длительную жизнеспособность меристематических изолятов (Попов, Трушечкин, 1970; Винклер, Диба, 1972). В наших экспериментах получены аналогичные результаты. На среде Уайта наблюдалось 100 % укоренение регенерантов, однако выход растений был меньше, чем на среде Мурасиге и Скуга (66,7 % против 82,2 % от общего числа высаженных меристем) и меньшее число их зацветало (83,3 % против 94,6 % от числа регенерировавших растений).
