Научные направления


Вверх
Научные направления
История лаборатории
Штат лаборатории
Наши публикации
Обратитесь к нам

Лаборатория Физиологии растений была создана  в 1957 году, и, естественно, ее научные интересы изменялись со временем. В течение последних 15 лет использование сотрудниками лаборатории метода иммуноанализа позволило провести ряд серьезных экспериментов, посвященных изучению влияния внешних факторов на содержание в растениях гормонов (ИУК, АБК и цитокининов) и их участия в ответных реакциях, определяющих адаптацию растений к изменяющимся условиям окружающей среды. В лаборатории изучается влияние нескольких главных факторов внешней среды,  

таких как:
температура,
влагообеспеченность,
минеральное питание,

присутствие в ризосфере гормонпродуцирующих микроорганизмов.

Особое внимание уделялось изучению скорости ответных реакций растений. Концентрация гормонов в растениях, как показано, изменяется очень быстро (через 15-30 минут) в результате изменения уровня освещения (Тимергалина и др., 2006), осмотического шока (Веселов и др., 2002), засоления (Fricke et al., 2004; 2006; Ахиярова и др., 2005; Veselov et al., 2008) быстрого охлаждения зоны корней (Kudoyarova et al, 1998; Veselova et al., 2005) и повышения температуры воздуха (Kudoyarova et al., 2011). Изменения в содержании гормона наблюдались не только в том месте, на которое непосредственно воздействовали извне, но также и в других органах. Таким образом, гормоны, возможно, участвуют в быстрой передаче сигналов по растению. Способность гормонов служить в качестве химических мессенджеров известна. Но было неясно, как быстро это может происходить.

Важно было выяснить следующее:

1. За счет чего содержание гормона в растении изменяется так быстро? Так как гормоны синтезируются в одном органе и затем транспортируются в другие, изменения в скорости поступлении гормона могут быть причиной колебания их концентрации. Однако не ясно, способен ли этот механизм работать так быстро. В нашей работе мы сравниваем скорость поступления гормона с изменениями его содержания в ткани-мишени. Оценка поступления гормона - также проблематична. Когда растения срезаны для сбора пасоки, транспирация чрезвычайно замедляется, и очень трудно собрать корневой экссудат, состав которого равнозначен таковому у интактных растений.

В нашей лаборатории был предложен новый подход к проблеме. Корни и побеги проростков пшеницы были разделены под водой острым лезвием и немедленно вновь соединены с помощью градуированной силиконовой трубки. Сравнение интенсивностей транпирации целых и оперированных растений показало, что они практически не различаются. Транспирационный ток составлял приблизительно 60 мкл на проросток в час и заполнял пасокой трубки 5-мкл объема приблизительно за 5 мин. Через пятнадцать минут после добавления ПЭГ к питательной среде, корни и побеги была разъединены и пасока 5 растений проанализирована на содержание цитокининов. Поступление цитокининов из корней оценивали, умножая концентрацию на интенсивность транспирации. Использование данного подхода позволило зарегистрировать повышение притока цитокининов из корней трансгенных растений табака, где локально индуцировалась экспрессия ipt-гена, контролирующего синтез цитокининов (Vysotstakaya et al., 2010).

Применение этого метода сбора пасоки позволило нам оценить, что недельные растения пшеницы чуть более чем за 1 час получают из корней количество цитокинина, приблизительно равное его содержанию в побеге (Веселов и др., 2007). Таким образом, одни только изменения в транспорте гормона не могли привести к быстрым (в пределах 5-15 минут) изменениям в его содержании, которые наблюдались в наших экспериментах.

Тогда возникло предположение, что для быстрых изменений концентрации гормона могут  быть важны изменения метаболизации гормона в самой ткани-мишени. В сотрудничестве с Башкирским государственным университетом был разработан новый метод оценки активности цитокининоксидазы (Веселов, 1998; Веселов, Симонян, 2004). Его применение позволило нам показать быстрые изменения активности этого фермента в побегах в результате обработки корней (Veselova et al, 2005; Vysotskaya et al, 2009, 2010). Таким образом, изменения активности цитокининоксидазы могли бы приводить к быстрым изменениям в содержании гормона.

Важно обнаружить, какой сигнал, распространяющийся из корней, мог вызвать быстрые изменения активности ферментов, которые включаются в метаболизм гормона. Рассматривается несколько гипотез. Сначала предполагалось участие электрических сигналов (Kudoyarova et al, 1990). В последнее время больше внимания уделяется гидравлическим сигналам. Обнаружено, что синтез АБК в побеге растений при воздействии на корни могут запускать гидравлические сигналы: падение тургора клеток в зоне растяжения листа при засолении (Ахиярова и др., 2005) или снижение осмотического потенциала листа при дефиците минерального питания (Vysotskaya et al., 2008). Показано, что при частичном поливе растений (корни разделены между двумя отсеками и поливается только один из них) приток цитокининов из корней снижается незначительно, но их содержание в листе резко падает (Davies et al., 2005).

Было высказано предположение, что это может происходить за счет активации ферментов, метаболизирующих цитокинины в самом побеге, а сигналом может быть небольшое снижение водного потенциала, зарегистрированное в листьях (Kudoyarova et al., 2007). Работы выполнялась совместно с сотрудниками Ланкастерского университета (проф. Bill Davies и Ian Dodd). При изучении реакции растений на дефицит элементов минерального питания показано, что снижение содержания цитокининов в побеге связано с повышением экспрессии гена, кодирующего цитокининоксидазу, и повышение активности самого фермента (Vysotskaya et al., 2009; Высоцкая и др., 2010). Получены аргументы в пользу роли АБК в качестве активатора цитокининоксидазы (у растений, обработанных ингибитором синтеза АБК, активация фермента была выражена слабее).

2. Исследование механизма, запускающего быстрые изменения в содержании гормона, - не единственная цель нынешних исследований лаборатории физиологии растений. Другая цель состоит в том, чтобы определить физиологическое значение изменений в содержании гормона. Разработка чувствительного датчика роста (Дедов, 1997) сделала возможной регистрацию быстрых изменений в скорости роста листа. Показано, что изменение условий обитания растений (повышение уровня освещенности и температуры воздуха, засоление и осмотический шок, охлаждение корней) часто приводит к быстрому торможению роста листьев в результате падения их оводненности . Вслед за резким торможением роста листьев происходит его возобновление, связанное с разнообразными адаптивными реакциями, которые контролируют гормоны. Так, быстрое возобновление роста листьев пшеницы, кукурузы и ячменя при засолении и осмотическом стрессе происходит за счет восстановления оводненности в результате закрытия устьиц, индуцированного накоплением АБК в замыкающих клетках (Ахиярова и др., 2006 – для выявления АБК в клетках устьиц использовался метод иммунолокализации, разработанный совместно с проф. Веселовым из Башкирского государственного университета).

Картина характерного распределения абсцизовой кислоты в клетках листа ячменя сорта Golf через 30 минут действия засоления, полученная с помощью метода иммунолокализации. Справа - срез листа растений, подвергнутых действию засоления

Возобновлению роста при этих воздействиях способствует снижению жесткости клеточной стенки (Veselov et al., 2009). Показано, что механизм этого эффекта может быть связан с повышением экспрессии генов экспансинов, контролируемым ауксинами (Sabirzhanova et al., 2005; Веселов и др., 2008). Эксперименты с повышением температуры воздуха, освещенности и удалением части корней растений пшеницы выявили важную роль изменений гидравлической проводимости в поддержании оводненности клеток листа и их роста растяжением (Фархутдинов и др., 2003; Vysotskaya et al., 2004 а (результат совместных исследований с проф. Hamlyn Jones),  Тимергалина и др., 2007; Kudoyarova et al., 2011). Снижение гидравлической проводимости у растений ячменя способствовало закрытию устьиц и замедлению притока токсичных ионов при засолении (Vysotskaya et al., 2010). Показано, что поразительно быстрое возрастание гидравлической проводимости корней увеличивает приток воды в побег и восстанавливает оводненность и рост листа. Обработка растений ингибитором водных каналов хлоридом ртути выявила их роль в регуляции гидравлической проводимости (Фархуидинов и др., 2003; Тимергалина и др., 2007). Показано, что возобновление роста листьев растений ячменя на засолении связано с повышением уровня экспрессии гена, кодирующего водные каналы и накоплением АБК в зоне роста листа (Fricke et al., 2006). Работа выполнялась совместно с доктором Виландом Фрике (Wieland Fricke). Экспериментальное модулирование распределения АБК в растениях путем ингибирования ее транспорта из побега в корень показало, что накопление АБК в корнях растений повышает их гидравлическую проводимость (Kudoyarova et al., 2011). При этом повышение притока воды позволяет поддерживать устьица открытыми. Таким образом, один и тот же гормон (АБК) может закрывать устьица, если накапливается в листьях, или поддерживать их открытыми в том случае, когда его концентрация возрастает в корнях. Этим можно объяснить обнаруженные нами сортовые различия у растений пшеницы, у которых при повышении температуры устьичная проводимость возрастала у одних сортов и снижалась – у других (Кудоярова и др., 2007).

Также в лаборатории изучается гормональная регуляции роста и развития корневой системы растений. Две главных модели, используемые в лаборатории, таковы:

  • 1. Растения с частично удаленной корневой системой. Накопление ИУК в единственном остающемся корне наблюдалось после удаления остальных (Vysotskaya, 2001; Высоцкая и др., 2007). Этот эффект, вероятно, может объясняться направленностью потока ауксинов из всего побега в единственный оставшийся корень. Иммунолокализация ауксинов с помощью специфических антител показала их накопление в примордиях боковых корней (Высоцкая и др., 2007). Увеличение содержания ИУК предположительно стимулирует рост корня, ускоряя появление боковых корней.

  • 2. Действие минерального питания. Как известно, уровень минерального питания влияет на рост растений. В результате совместной работы с проф. Forde (Walch-Liu et al., 2006) выявлена роль ауксинов в регуляции удлинения боковых корней растений арабидопсиса при изменении уровня минерального питания. Большое внимание уделялось физиологическому механизму изолированного питания (Трапезников, 1983; Трапезников и др., 1999; Trapeznikov et al., 2003). Показана роль функциональной специализации корней в повышении засухоустойчивости растений под влиянием локального внесения удобрений. Как их усиленное ветвление в зоне повышенного содержания элементов минерального питания, так и усиление удлинения корней вне этой зоны способствует развитию корневой системы и увеличению ее поглотительной способности, что важно при дефиците воды в почве. Обнаружено, что стимуляция ветвления корневой пряди, контактирующей с повышенным содержанием элементов минерального питания, связана с накоплением в ней ауксинов (Иванов, 2009).

 Совместно с сотрудниками лаборатории прикладной микробиологии изучается роль фитогормонов, продуцируемых микроорганизмами, в стимуляции роста растений. В результате скрининга коллекции бактерий, созданной в нашем Институте среди нескольких десятков штаммов был выявлен штамм ИБ22, который отличался повышенным уровнем цитокининов в культуральной среде. Инокуляция бактерий этого штамма в ризосферу повышала уровень цитокининов (Arkhipova et al., 2005; Архипова и др, 2006). При этом активировался рост растений. Рост растений растяжением подавляется при засухе, а цитокининпродуцирующие микроорганизмы были способны поддерживать рост растений не только в оптимальных условиях, но и при дефиците воды (Arkhipova et al., 2007; Архипова ???). В обзорах, опубликованных за несколько последних лет, говорится о том, что в условиях умеренной засухи более высокий урожай дают растения, способные поддерживать рост листьев при дефиците воды. Эти сведения повышают значение разрабатываемой нами биотехнологии применения бактериальных препаратов. Поэтому было испытано их влияние на урожайность растений пшеницы в полевых условиях. Обработка семян бактериальным препаратом повышала урожайность растений на 70 %. Это в основном происходило за счет увеличения количества выживших растений и количества озерненных колосьев на одном растении.


Домашняя | Научные направления | История лаборатории | Штат лаборатории | Наши публикации | Обратитесь к нам

Institute of Biology, Ufa Scientific Centre, Russian Academy of Sciences

 Laboratory of Plant Physiology, 1999-2011
Contact us by e-mail i_ivanov[AT]anrb.ru.
с целью защиты от спама вместо символа @ используются символы [AT]
Last update: 17.04.2014.