Введение к работе
доктор биологических наук, Шарипова Марина Юрьевна
Актуальность. Гормоны играют важную роль в адаптации растений к абиотическим факторам внешней среды и формировании устойчивости к ним. Их регуляторная функция осуществляется благодаря изменению концентрации гормонов и их распределению между органами растений под влиянием внешних воздействий (Wilkinson et al., 2012). Способность гормонов влиять на рост растений и обеспечивать их защиту от последствий неблагоприятных воздействий определяет приспособление растений к условиям обитания (Araus et al., 2008). При этом важен не один какой-то гормон, а взаимодействие многих компонентов гормональной системы (Kuppusamy et al., 2008; Shakirova et al., 2010; Wilkinson et al., 2012). В то же время, для углубления наших знаний о механизме регуляции устойчивости растений необходимо вычленить главное звено в цепи взаимодействующих гормональных интермедиатов. В недавно опубликованных обзорах высказывается предположение о том, что роль «первой скрипки» в гормональном «концерте» выполняет гормон этилен (Pierik et al., 2007; Vandenbussche, Van Der Straeten, 2007; Jackson, 2008). Показана его решающая роль в реакции растений на действие озона (Wlikinson, Davies, 2010), ультрафиолета (Ракитин и др., 2008) и затопления (Jackson, 1985). Вместе с тем, участию этилена в реакции на такие важные абиотические факторы как дефицит воды и ионов уделялось меньше внимания. Лишь в последнее время появились работы, посвященные вовлеченности этилена в регуляцию ростовой реакции на дефицит фосфора (Borch et al., 1999; Ma et al., 2003). В отдельных работах показано, что осуществление рострегулирующей функции этилена может зависеть от его способности влиять на концентрацию ауксинов (Ernest, Valdovinos, 1971; Stepanova et al., 2005) и абсцизовой кислоты (Ghassemian et al., 2000; Pierik et al., 2007; Jackson et al., 2008). Предполагается, что некоторые из функций цитокининов могут быть связаны со способностью этих гормонов стимулировать продукцию этилена (Cary, 1995; Arteca, Arteca, 2008). При этом обратному влиянию этилена на уровень и распределение цитокининов уделялось крайне мало внимания. Это является серьезным упущением, поскольку именно от цитокининов зависит такая важная адаптивная реакция растений как изменение соотношения массы побега и корня (Werner et al., 2010). Показано, что цитокинины могут играть противоположную роль в регуляции роста побегов и корней, стимулируя рост первых и подавляя – вторых. Важность рострегулирующей функции цитокининов определяет необходимость изучения механизмов, контролирующих распределение этих гормонов между побегом и корнем. Необходимо отметить, что в этой области дефицит знаний ощущается наиболее остро. Синтезу и распаду цитокининов уделяется много внимания, а изучение их транспорта сводится к констатации изменений концентрации цитокининов в ксилемном соке (Davies et al., 2005; Kudoyarova et al., 2007; Alvarez et al., 2008).
Цель данной работы состояла в выявлении эндогенных и экзогенных факторов, определяющих уровень и распределение гормонов, и адаптивное значение их взаимодействия в нормальных и стрессовых условиях (при дефиците элементов минерального питания). Достижение данной цели было связано с решением следующих задач:
1. Сравнительное изучение роста корней в длину и содержания ИУК в корнях нечувствительного к этилену etr1-1 мутанта арабидопсиса и его исходного генотипа (col) при разных уровнях минерального питания:
2. Изучение роли АБК в торможении накопления массы побега при дефиците минерального питания и влияния чувствительности к этилену на накопление АБК и рост побегов и корней растений арабидопсиса.
3. Оценка активности цитокининоксидазы, уровня цитокининов, чувствительности к цитокининам ростовых процессов и соотношения массы побега и корня у нечувствительного к этилену etr1-1 мутанта арабидопсиса и его исходного генотипа (col).
4. Выявление закономерностей распределения цитокининов между побегом и корнем растений пшеницы при введении в прикорневую зону производных зеатина, характеризующихся разной гидрофильностью.
5. Изучение влияния скорости транспирационного потока на распределение цитокининов между побегом и корнем растений пшеницы.
Научная новизна. Впервые показано, что потеря чувствительности к этилену снижает способность растений поддерживать накопление биомассы на фоне оптимального уровня элементов минерального питания, что может быть связано с повышенным уровнем АБК в побегах и чрезмерным накоплением ауксинов, АБК и цитокининов в корнях нечувствительного к этилену мутанта арабидопсиса (etr1-1). Показано, что стимуляция удлинения корней у нечувствительного к этилену мутанта происходит на фоне накопления ИУК, что свидетельствует против гипотезы о том, что торможение удлинения корней под влиянием этилена связано с накоплением в них ауксинов. Выявлено накопление цитокининов в корнях растений пшеницы, обработанных цитокининами, которое сильнее проявлялось при обработке зеатином по сравнению с его рибозидом. Показана зависимость поступления цитокининов в растения и их оттока в побег от скорости транспирационного потока в случае обработки рибозидом зеатина и отсутствие этой зависимости при введении в среду зеатина.
Научно-практическое значение. Информация о влиянии этилена на содержание цитокининов, АБК и ауксинов расширяет представления о механизме множественной гормональной регуляции ростового ответа растений на действие абиотических факторов внешней среды. Данные о зависимости распределения цитокининов между побегом и корнем от присутствия остатка рибозида в молекуле цитокининов, а также от скорости транспирации открывают новые пути в регуляции транспорта цитокининов в зависимости от условий выращивания растений. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, могут быть использованы для поиска способов оптимизации роста растений в неблагоприятных условиях их произрастания.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на VI-й междунар. научн. конф. «Факторы экспериментальной эволюции организмов» (Алушта, 2010), 15-ой Междунар. Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология– наука XXI века» в виде устного доклада (Пущино, 2011), VII Съезде общества физиологов растений России и Межд. конф. «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011), Всеросс. науч. конф. с международным участием «Экобиотех-2011» (Уфа, 2011).
Поддержка исследования. Работа была выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 09-04-00942-а «Гормональная регуляция соотношения массы побега и корня как важного адаптивного признака растений» и 08-04-00591а «Особенности транспорта и метаболизма экзогенных и эндогенных цитокининов в норме и при стрессе».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Личное участие автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и проведении экспериментов, в статистической обработке и анализе полученных данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, результатов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 279 наименования, в том числе 240 на иностранных языках. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков и 4 таблицы.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю к.б.н., с.н.с. Коробовой А.В., за неоценимую помощь в выполнении диссертационной работы заведующей лабораторией д.б.н., проф. Кудояровой Г.Р., за помощь в проведении лабораторных исследований м.н.с. Анохину Н.Л. и обсуждении результатов д.б.н., с.н.с. Высоцкую Л.Б., а также всем коллегам и соавторам публикаций.