Введение к работе
Актуальность работы. Одним из вопросов, привлекающих внимание при исследовании минерального питания растений, является выяснение механизма поглощения ионов. Сложность изучения этого вопроса состоит в том, что поглощение зависит от целого ряда факторов — температуры, возраста растения и др. Уже в ранних исследованиях поглощения ионов растением были выявлены различия в их накоплении по длине корня (P. Prevot, 1936; F. С. Steward, 1942). В последующем подтвердилось существование, как правило, двух максимумов накопления ионов, относящихся к зонам растяжения и корневых волосков (J. В. Hanson, 1957; R. Handley, 1965; Y. Wat-sel, 1973). В ряде работ была сделана попытка вскрыть различия в механизмах поглощения ионов и охарактеризовать его как энергозависимый или энергонезависимый процесс. Критериями элергозависпмого поглощения являются его уменьшение при изменении температуры или добавления ингибиторов дыхания. Было выявлено, что энергонезависимое поглощение таких ионов, как натрий, стронций, хлор и рубидии, происходит в меристеме, а в клетках других зон оно энергозависимо (R, Handley, 1961, 1965; Е. Eisel, 1973). В последнее время для описания поглощения ионов клеткой широко используется электрохимическая концепция, которая применялась при изучении закономерностей ионного транспорта в клетках высших и низших растении. С электрохимических позиций было исследовано поглощение ионов корневыми клетками ряда растений: фасоли, бобов, кукурузы.
Таким образом, работы, посвященные поглощению ионов различными участками корня, являются в основном феноменологическими, не рассматривающими вопроса о его механизме, а исследования с позиций электрохимической концепции проводились либо на отделенных, либо набольших по размеру участках корня. Поэтому весьма актуально изучение потоков и электрохимического состояния ионов в клетках разных зон корня для выяснения того, как происходит формирование поглотительного аппарата.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы было выявление возможных изменений поглотительного ап*
(
Центр. И1]НН« бкблшш | і
Нося. <грд. Ленива шьхоз. I айв. ihi.JJ; *^j|^
парата клетки по мере дифференцяровкн первичного корня. В связи с этим перед нами стояли следующие задачи:
1) определение потоков меченого кальция и рубидия в клетках различных зон корня кукурузы; 2) измерение величин разности потенциалов в клетках различных зон корня; 3) построение математической модели для интерпретации по- . лученных данных. Расчет электрохимических градиентов и коэффициентов проницаемости.
Объект исследования. В экспериментах использовались отрезки корней кукурузы сорта Стерлинг (элита), а также корни проростков фасоли Харьковская и виндзорских бобов Пензенскне-16.
Научная новизна. Впервые измерены значения потоков
ионов кальция и рубидия {химнческнй'аналог калия) в клет
ках строго определенных зон корня кукурузы. Полученные
данные и установленная величина разности потенциалов бы
ли использованы для оценки электрохимического состояния
ионов в клетках разных зон корня и коэффициентов прони
цаемости мембран. Обнаружено различие в кинетических кри
вых выхода элемента из зоны меристемы корней кукурузы,
фасоли it бобов. Для объяснения результатов предложена со
ответствующая модель, Измерены вакуоли в меристематиче- >
скоіі клетке. Использование современных методов позволило
охарактеризовать изменение механизма поглощения ионов
вдоль корня с позиций электрохимической концепции погло
щения. - ;
Практическая ценность н реализация результатов исследования. Результаты исследован lift могут быть использованы при изучении потоков ионов в растительных клетках, в построении общей картины-изменений в клетках корня в процессе его днфференцнровки, а также при обосновании способов и сроков внесення минеральных удобрений.
Объем и апробация работы. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, экспериментальные данные представлены в виде 37 таблиц, 9 рисунков и 22 приложений. Список литературы включает 262 наименования, в том числе 202 на иностранных языках.
Результаты исследований были доложены на Первой Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии в 1979 г., Первом Московском семинаре по ионному обмену растений в 1979 г., конференции молодых ученых TGXA в 1979 г.
Опыты проводились с проростками кукурузы сорта Стерлинг. Для более быстрого її равномерного прорастания семена кукурузы выдерживали 5 минут в горячей (60) и 2 часа
2 ' .,,.-
в теплой (45е) воде, а затем помещали в кюветы на влажную фильтровальную бумагу и-проращивали, в термостате при- 28 в течение двух дней. Семена фасоли н'бобов без предвари^ тельной тепловой обработки проращивали в аналогичных условиях. Для работы использовали 3-дневные проростки фасоли и 7-дневные проростки бобов. Измерение потоков ионов кальция (45Са) и рубидия (S6Rb) проводили для клеток зон меристемы, растяжения н корневых волосков по кинетике выхода элемента из ткани.
Границы зон для корней кукурузы были взяты из работы Е. А. Бнбергаль, Ю. Я- Мазель (1975), а для меристемы корней фасоли и бобов определены с помощью светового микроскопа. Они лежали.на расстоянии соответственно до 1 и 3 мм от кончика корня. Проростки вначале помещали для насыщения в питательную среду, содержащую меченый элемент. Состав среды следующий: кальций и калий в концентрации Ю-4 или 10~3М; глюкоза—10 г/л. Время насыщения в зависимости от характера опыта колебалось от 3 до 17 часов, удельная активность раствора составляла 0,1—0,4 мкКи/мл,
После насыщения отделяли участки корня, относящиеся к различным зонам, и отмывали их немеченым раствором того же состава не менее С часов. Пробы отбирались под вакуумом, что обеспечивало возможность быстрой смены раствора, особенно в начале опыта.
Для определения количества элемента, вымытого из ткани,-отбирали алнквоты промывного раствора. Измерение их радиоактивности проводили на жпдкостно-сцпнтнлляцнонном р-спектрометре МАРК-П с применением жидкого сцинтилля-тора Брея, Для определения остаточной активности корни после окончания опыта высушивали и помещали во флаконы с жидким сцинтиллятором. Расчеты проводили на сырую массу во всех случаях. В опытах с зоной меристемы у корней проростков перед насыщением удаляли корневой чехлпк для предотвращения сорбции ионов на коллоидах слизи. При изучении влияния ингибиторов дыхания на значения потоков ионов в среду насыщения добавляли карбонилцианнд-м-хлор-феннлгндразон (КЦХФГ) в концентрации 10~еМ и азид натрия-:- 10_3М.
Интенсивность дыхания клетками разных зон корня 2-дневных проростков кукурузы определяли полярографическим методом.
Размеры вакуолей в мернстематнческих клетках корня 2-дневных проростков кукурузы получали непосредственным измерением их на фотографиях, сделанных с помощью электронного микроскопа при увелпчснииХЗОООО.
Количество клеток в различных зонах корня кукурузы оп-
ределял» непосредственным подсчетом на фотографиях, сделанных с парафиновых срезов при помощи мнкрофотонасад-Kir, увеличениеX30.
В качестве механической части установки для микроэлектродных исследовании использовали микроманнпулятор с жестко фиксированным на нем микроскопом МВБ. Для определения мембранных потенциалов использовали стеклянные микроэлектроды, которые представляли собой солевые мостики, заполненные ЗМ КСЇ + 0.2М М^СЬ. Микроэлектроды изготовляли на автоматической установке МЭ-3.
Мнкроэлектроды соединяли с Ag/AgCl стандартными хлор-серебряными полуэлементами типа ЭВЛ-1. С полуэлементов сигнал поступал на измерительный прибор рН-340 и регистрировался на самопишущем микровольтметре КСП-4. Введение контролировали визуально под микроскопом МВБ с бинокулярной насадкой АУ-12 при увеличенииХ300.
Определение содержания микроэлементов по длине корня 2-диевных проростков кукурузы проводилось методами рент-генофлуоресцентного анализа и пламенной фотометрии.
Величины потоков и содержание ионов в индивидуальных компартментах рассчитывали исходя из параметров графического разложения кривой выхода меченого элемента из ткани и представлений о трехкомпартментальной модели клетки.
Система уравнений, описывающих распределение меченого, элемента в такой модели, следующая:
'-fr"*c*S«-
-|^=ФоЛ-ьФуЛ-(Фео+Ф«)5с; (2)
. -^«ф^-ф^, (3)
где 5j = Y\(Q\ — для массы меченого элемента от общего содержания элемента в комлартменте; Уі — масса меченого элемента в ї-м комлартменте; Фц — поток между 1-м к у-м компартментами; Q\ — содержание нона в компартмеите; о, с, v — индексы, относящиеся к внешнему раствору, цитоплазме н вакуоли соответственно. Уравнения относятся к уравнениям баланса массы для каждого из компартментов клетки. Такая система дифференциальных уравнений легко решается при условиях независимости от времени потоков и содержания элемента в компартмеите, равенства потоков на каждой из мембран Фос=фсо и фс„=ф„е , когда общий поток на мембране равен нулю Ф = 0.
10" м
PySUAUU.
І: *«
'А"
Рис.. Ї.-Злектрохяиическое состояние ионов кальция и рубидия в клетках зон корня кукурузы
?, * -ч»она растяжения -
'.;К;В, -зона, корневых волосков
>0 -плазиалвіша
Е2Э - тоноаласт ' ,
";/.-—--.-^. -активный транспорт ..—.и, ». - пассивный транспорт
, Как было показано С. К. Pallaghy, В. I. Н. Scott (1969),
неизвестные величины потоков и содержание элемента в ком-
партменте можно рассчитать, используя параметры графиче
ского разложения кривой меченого элемента из ткани (кон
станты #е, Кч и отрезки по оси Y—Yct Yv), величину време
ни насыщения (Т) и S0. Авторы приводят следующие урав
нения (метод I): .,
*«^[s.L(*i5+Ar.|.)] - IJX^-L)]' <5>
Q=(l/So)(S + L), (6)
5=ycyTl-exp(-fecr)], (8)
L = Yj[l~exp(-kvrn (9)
С помощью уравнений (4—7) определяются потоки на плазмалемме (4) и тонопласта (5), содержание элемента в клетке (6) и цитоплазме (7).
Когда потоки изменяются во времени или существует общий поток (Ф-/*0), нельзя получить общего решения исходной системы дифференциальных уравнений. В этом случае можно предложить, что ткань находится в квазистаинонзрном состоянии, т. е.
-^Г=*0. (10)
При этом потоки и содержание иона в компартмекте можно вычислить следующим образом (метод ЇІ).
*\*-JWSo+>VSo7\ (II)-
Ф«-{1+о)(Фіп-Ф). (12)
Qc«=(l+a) (^+Ф1;1-Ф)/^, (13)
Q-(
а=50ФІп/АсГ„ (15)
Ф1п-Уу/5оГ. (16)
Ф-Фос—ФС0=ФСу—Фус- (17)
. Графическое разложение кинетической кривой и необходимые расчеты проводили но составленным нами программам на мнннкомпьютере «Ин-90» (фирма Интерте.хннк, Франция). Полученные экспериментальные данные подвергались статистической обработке.
