Введение к работе
Актуальность проблемы
Дефицит кислорода в среде обитания (гипоксия и аноксия) существенно влияет на метаболизм высших растений, которые, являясь облигатными аэробами, нуждаются в постоянном притоке молекулярного кислорода извне. Чаще всего дефицит кислорода испытывают растения на переувлажненных и затопленных почвах ввиду низкой растворимости и скорости диффузии кислорода в воде. Тем не менее, многие виды высших растений постоянно обитают на переувлажненных и даже затопленных почвах, что предполагает наличие механизмов адаптации. Существуют, по крайней мере, две главные стратегии адаптации высших растений в условиях анаэробного стресса: адаптация на уровне всего организма, анатомо-морфологические особенности которого облегчают транспорт молекулярного кислорода из аэрируемых частей в органы, локализованные в анаэробной среде (кажущаяся толерантность), и так называемая метаболическая адаптация, реализующаяся на молекулярном уровне в условиях отсутствия кислорода в среде (истинная толерантность). Эта концепция, выдвинутая около 20 лет назад (Vartapetian, 1978), теперь является общепринятой (Blom et ai, 1993; Ricard ег a/., 1994; Drew, 1997; Vartapetian, Jackson, 1997; Jackson, Armstrong, 1999). Несмотря на то, что в последние два десятилетия интерес к анаэробиозу растений резко возрос, и проблема активно изучается с различных точек зрения, биотехнологические подходы, использующие культивируемые in vitro клетки, до сих пор сравнительно редко использовались для этих целей. Между тем, культивируемые клетки являются удобной моделью для изучения клеточной устойчивости к анаэробному стрессу и могут быть использованы для получения устойчивых к затоплению форм. Клеточная селекция уже зарекомендовала себя как перспективный способ получения растений, устойчивых к таким стрессовым факторам, как засоление, засуха, тяжелые металлы, экстремальные температуры фашша... 1995: Долгих. 1994;
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ] БИБЛИОТЕКА СПетербург ґ ;
Narayanan et al., 1989; Freytag et a/., 1990; Belowaly, Bouharmont, 1992; Bajji, Kinet, 1995). Всего в одной работе (Харинарайн с соавт., 1996) была показана принципиальная возможность отбора in vitro клеточных линий и растений сахарного тростника, выдерживающих продолжительный дефицит кислорода. Однако при этом почти не была исследована реакция культивируемых клеток на аноксию, а методика отбора устойчивых клеток требовала оптимизации.
Цель и задачи исследования
Цель данной работы состоит в том, чтобы на основании исследования действия анаэробного стресса на культивируемые клетки усовершенствовать систему селекции и получить растения, стабильно устойчивые к корневому затоплению. При этом были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать особенности действия анаэробного стресса на
культивируемые клетки сахарного тростника и пшеницы.
2. Усовершенствовать систему отбора in vitro толерантных клеток и
получить устойчивые клеточные линии.
3. Исследовать возможные механизмы устойчивости (метаболизм
углеводов, динамика этанольного брожения, роль анаэробносинтезируемых
белков) толерантных клеток.
4. Получить разработанным методом толерантные растения и проверить
наследование устойчивости.
Научная новизна работы
Впервые была исследована реакция культивируемых клеток сахарного тростника и пшеницы на аноксию. Разработана оригинальная схема селекции и получена устойчивая к аноксии клеточная линия сахарного тростника. Показано, что толерантность отобранной линии в
. л ., <
условиях аноксии обусловлена продолжительным гликолизом и этанольным брожением, обеспеченными активной утилизацией крахмала и активным синтезом анаэробных белков-ферментов. Из отобранных устойчивых клеток сахарного тростника и пшеницы были получены растения, обладающие повышенной, по сравнению с исходными формами, устойчивостью к затоплению. Для пшеницы показано сохранение устойчивости в первом семенном поколении.
Практическая значимость работы
Полученные резистентные формы пшеницы и сахарного тростника могут служить основой для создания новых форм, обладающих устойчивостью к корневому затоплению. Разработанный метод клеточной селекции может быть применен для отбора других видов сельскохозяйственных растений, толерантных к дефициту кислорода.
Апробация работы
Материалы диссертации доложены на:
Международной конференции «Физиология растений - наука III тысячелетия». (Москва, 4-9 октября 1999 г.)
7-th Conference of the Intern. Society for Plant Anaerobiosis (Nijmegen, 12-16 June, 2001).
Расширенном семинаре отдела биологии клетки и биотехнологии ИФР РАН им. КАТимирязева (Москва, 2001).
Молодежной конференции ИФР РАН (Москва, 4 марта 2003).
Структура и объем диссертации
