На правах рукописи
03.00.05 - ботаника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
МЕТАМЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ МЕЗОФИЛЛА И СОДЕРЖАНИЯ ПИГМЕНТОВ ПЛАСТИД ЛИСТЬЕВ ПШЕНИЦЫ
Даштоян Ю.В.
Саратов -- 2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского» на кафедре микробиологии и физиологии растений
Научный руководитель:
доктор биологических наук, профессор Степанов Сергей Александрович Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор Березуцкий Михаил Александрович кандидат биологических наук, доцент Жанабекова Елена Игоревна
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»
Защита состоится «24» декабря в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.13 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83, e-mail: biosovet@sgu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского».
Автореферат разослан «20» ноября 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета С.А. Невский
1. Общая характеристика работы
Актуальность темы. Ведущую роль среди возделываемых человеком культур играет пшеница. Создание сортов интенсивного типа с высоким потенциалом урожайности требует углубленного изучения всех элементов фотосинтетической деятельности на разных уровнях организации ассимиляционного аппарата - от ценоза до клеток и хлоропластов (Ничипорович, 1982; Robertson et al., 1995; Sims, Gamon, 2002).
Гармоничная связь фотосинтеза с другими физиологическими функциями растения, прежде всего с функциями роста и развития органов растения, требует формулирования общей теории продуктивности растений (Мокроносов, 1981; Полевой, 2001; Thomas, 1997; Zhao et al., 2003). При создании подобной теории считается необходимым обратить внимание на метамерный принцип организации структуры побега растения (Шафранова, 1989, 1990; Степанов, 2008).
Основные направления изменения фотосинтетического аппарата пшеницы при повышении плоидности и переходе от диких форм к культурным описаны (Austin et al., 1982; Pуке, Leech, 1987). В некоторых исследованиях выявлена положительная корреляция между количеством зеленых пигментов и фотохимической активностью хлоропластов листьев (Алиев, 1988; Gitelson et al., 2003).
Наименее изученным в настоящее время остается клеточный и тканевый уровни организации фотосинтетического аппарата пшеницы (Мокроносов, 1978; Thompson, 2005). Разветвленная форма отдельных клеток мезофилла была описана сравнительно недавно (Tuan, 1962; Chonan, 1965; Sasahara, 1982). На основании числа ячеек мезофилльной клетки они были подразделены на несколько типов (Березина, Корчагин, 1987). Отмечено (Thompson, 2008) наличие взаимосвязей между типом клеток, пластической деформацией их клеточных стенок и непосредственно функцией клетки.
Детальное изучение организации фотосинтетического аппарата необходимо для дальнейшей успешной работы по созданию общей теории продуктивности растений, внедрения полученных результатов в селекционный процесс.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является установление метамерных особенностей развития мезофилла и содержания пигментов пластид листьев мягкой яровой пшеницы. В ходе реализации цели решались следующие задачи:
1. Выявить типологию клеток мезофилла листа мягкой пшеницы.
2. Установить метамерные особенности организации мезофилла пластинки листьев мягкой пшеницы.
3. Определить сортовые особенности организации мезофилла пластинки листьев мягкой пшеницы.
4. Представить характеристику роста и развития мезофилла пластинки листа мягкой пшеницы.
5. Установить метамерные и сортовые особенности в содержании пигментов пластид пластинки листьев мягкой пшеницы.
Научная новизна. В пластинке листа выявлено большое разнообразие морфологии клеток мезофилла, которые впервые были разделены на 11 типов. Отмечено, что мезофилл пластинки 1-3-го листьев представлен всеми типами клеток. В пластинке 4-7-го листьев разнообразие типов клеток мезофилла уменьшается, существенно увеличивается доля клеток с выраженной ячеистой формой. Выявлено, что линейные параметры клеток мезофилла пластинки листьев мягкой яровой пшеницы отражают свойства генотипа сорта. Выявлено, что линейные параметры клеток мезофилла пластинки листьев мягкой яровой пшеницы отражают свойства генотипа сорта. Длина клеток у всех сортов, в листьях верхних (5 - 7-го) метамеров, как правило, больше. Минимальные значения ширины клеток мезофилла наблюдаются в пластинке верхнего, 7-го листа. Размер разных типов клеток мезофилла не обязательно положительно коррелирует с формой клетки или с числом ячеек в ней. Отмечено, что определение среди дифференцирующейся паренхимы пластинки листа клеток мезофилла становится возможным спустя 3,5 недели с момента роста листа, по достижении им длины 20-30 мм. С момента дифференциации клеток мезофилла происходит возрастание разнообразия типов клеток мезофилла, некоторые из которых в дальнейшем преобладают. Установлено, что в содержании хлорофиллов а и b, каротиноидов, соотношения между ними в пластинках листьев наблюдаются особенности, отражающие их положение в системе метамеров побега, а также агроклиматические условия. В пределах одноименных листьев могут наблюдаться сортовые различия по содержанию хлорофилла а, b и каротиноидов, величине соотношения между ними.
Теоретическая и практическая значимость. Установлены качественные и количественные характеристики различных типов клеток мезофилла пластинки листа мягкой яровой пшеницы. Представлены особенности дифференциации мезофилла пластинки в процессе роста и развития листа. Выявлены метамерные и сортовые особенности в качественном и количественном содержании пигментов пластид. Полученные в результате исследования сведения вносят вклад в изучение анатомии, морфологии и физиологии одной из важнейших сельскохозяйственных культур - пшеницы и могут быть использованы для теоретического описания морфогенеза растений, в селекции для оценки продуктивности сортов. Результаты исследований использованы при выполнении НИР «Структурные и функциональные аспекты межметамерных взаимосвязей в онтогенезе побега пшеницы» в Саратовском государственном университете. Материалы исследования внедрены в учебный процесс, используются на лекциях и практических занятиях по анатомии и физиологии растений, а также при проведении лабораторных практикумов, выполнении курсовых и дипломных работ в Саратовском государственном университете.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на: Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (Москва, 2004); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 117-й годовщине со дня рождения Н.И. Вавилова «Вавиловские чтения - 2004» (Саратов, 2004); Научной конференции аспирантов и студентов биологического факультета СГУ (Саратов, 2005); 4-й Всероссийской конференции молодых ученых «Наука. Образование. Молодежь» (Майкоп, 2007); Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, одна из которых в издании, рекомендованном Перечнем ВАК РФ.
Декларация личного участия автора. Автор лично провел полевые и лабораторные эксперименты, осуществил сбор объектов, провел необходимые исследования. Обработка полученных данных, их интерпретация проведены автором самостоятельно. В совместных публикациях вклад автора составил 50 - 80%.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и 2 приложений, содержит 21 таблицу и 41 рисунок. Список цитированной литературы включает 276 отечественных и иностранных источников.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Мезофилл пластинки листа пшеницы представлен различными типами клеток, доля представительства которых зависит от метамерной принадлежности листа и сортовых особенностей растений.
2. Дифференциация мезофилла пластинки сопровождается последовательным изменением числа отдельных типов клеток в процессе роста и развития листа.
3. Содержание пигментов фотосинтеза, соотношение между ними зависит от метамерной принадлежности листа и генотипа сорта.
2. Содержание работы
Во введении дается краткая характеристика объекта и предмета исследования, формулируются цель и задачи, основные положения, выносимые на защиту, определяется актуальность, новизна, теоретическая и практическая значимость работы.
Глава 1. МЕТАМЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АНАТОМИИ, РАЗВИТИЯ ЛИСТЬЕВ ПШЕНИЦЫ И СОДЕРЖАНИЯ ПИГМЕНТОВ ПЛАСТИД
На основе анализа отечественной и зарубежной литературы в главе рассматриваются понятие о метамере побега и его образовании, вопросы анатомо-морфологической организации пластинки листьев пшеницы, особенности организации мезофилла листьев пшеницы, роста и развития листьев. Проведен анализ литературных данных по вопросам метамерной специфичности фотосинтетического аппарата пшеницы, состава и содержания пигментов пластид в мезофилле листа пшеницы.
Глава 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДЫ
Исследования проводились на кафедре микробиологии и физиологии растений биологического факультета СГУ и в полевых условиях селекционного севооборота НИИСХ Юго-Востока в период с 2003 по 2008 гг.. Для проведения исследований в лабораторных условиях использовались растения, выращиваемые в полевых мелкоделяночных опытах в трехкратной повторности. Обработка полей полностью соответствовала агротехническим требованиям, предъявляемым в зоне для возделывания яровой пшеницы.
В качестве объектов изучения были выбраны следующие сорта мягкой пшеницы: Саратовская 36, Нададорес 63, Саратовская 52, Лютесценс 62, Саратовская 56, Саратовская 58.
Для определения динамики роста листьев и их частей (пластинки и влагалища) с момента посева зерновок пробы брали (15 растений в каждой из трех повторностей, которые затем объединяли и отбирали группу из 20 растений) с периодичностью 48 ч. до момента прекращения их линейного роста. Определение абсолютной и относительной скорости роста примордия, пластинки и влагалища 5-го листа побега проводилось по Вильямсу (Williams, 1975).
Для анатомических исследований пластинок листьев (n=15) часть объектов фиксировалась в слабом растворе Навашина по М.Н. Прозиной (1960). Срезы готовились по общепринятой методике и окрашивались гематоксилином Гейденгайна и альциановым синим (Дженсен, 1965; Градчанинова, 1978). Толщина срезов составляла 10-15 мкм.
Для определения формы и параметров клеток мезофилла листа использовали среднюю часть пластинки (длина - 2 см, ширина - 0,5 см) листьев 1-7 метамеров побега. Мацерацию осуществляли в течение 15-60 мин. в зависимости от изучаемого типа клеток при нагревании на водяной бане в растворе соляной (1%) и хромовой (5%) кислот - 1:1. Определение типологии клеток мезофилла и разделение их на группы осуществлялось с помощью камеры Горяева (Березина, 1988; Бурундукова, 1993). Морфометрическое определение длины и ширины клеток мезофилла осуществлялось с помощью окуляр-микрометра МБС-9, n=50. Фотографии были получены при помощи цифровой камеры-окуляра для микроскопа SCOPETEK, модель DСМ35.
Количественное определение пигментов в пластинке листьев (n=3 - 4) пшеницы проводилось на спектрофотометре HEWLET PACKARD (США). Содержание хлорофиллов а и b, каротиноидов определялось в вытяжке пигментов без предварительного их разделения на основании экспериментально полученных удельных коэффициентов поглощения для 100%-ного ацетона - по Хольму-Веттштейну (Гавриленко, Жигалова, 2003).
Результаты исследований подвергались статистической обработке по Б.А. Доспехову (1985).
Глава 3. СТРУКТУРА МЕЗОФИЛЛА ПЛАСТИНКИ ЛИСТЬЕВ ПШЕНИЦЫ
Для клеток мезофилла пластинки листа пшеницы характерна сильная разветвлённость клеточных стенок, являющаяся необходимым условием поддержания в ходе эволюции оптимального соотношения поверхности клетки к её объёму, а также наличие значительной доли межклетников. В пластинке листа выявлено несколько типов проводящих пучков: 1) крупные, смыкающиеся с поверхностью пластинки посредством хорошо выраженных склеренхимных тяжей по обе стороны от проводящего пучка; 2) крупные, имеющие склеренхимный тяж только к одной из сторон (адаксиальной или абаксиальной) пластинки листа; 3) мелкие пучки с недостаточно развитой ксилемой; 4) поперечные проводящие пучки. Некоторые крупные проводящие пучки имели двойную обкладку из клеток, вытянутых вдоль продольной оси пластинки листа (рис. 1).
Рис. 1. Поперечный срез пластинки 5-го листа мягкой пшеницы сорта Саратовская 36.
1 - клетки мезофилла; 2 - внешняя обкладка проводящего пучка; 3 - внутренняя обкладка проводящего пучка; 4 - флоэма пучка; 5 - ксилема пучка; 6 - волокна склеренхимы. Ув. 1040.
Клетки внешней обкладки содержали хлоропласты, тогда как клетки внутренней обкладки пучка были представлены типичными волокнами склеренхимы, соединенными друг с другом плазмодесмами. Особенности роста, ланцетовидная форма пластинки листа пшеницы, разнообразие типов проводящих пучков предполагает (Березина, 1989; Terashima, Saeki, 1985; Pуке, Leech, 1987) наличие различий по форме клеток и структурированности мезофилла в разных частях пластинки.