Влияние фитогормонов и селената натрия на митотическую активность апикальных меристем корней проростков рапса (Brassica napus)

УДК 581. 14

Д. А. Каташов, В. Н. Хрянин

ВЛИЯНИЕ ФИТОГОРМОНОВ И СЕЛЕНАТА НАТРИЯ НА МИТОТИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ КОРНЕЙ ПРОРОСТКОВ РАПСА

Аннотация. Актуальность и цели. Как известно, митотическая активность апикальных меристем корней определяет их рост. Целью настоящей работы являлось выявление зависимости митотического индекса ядра как центра регулирования клетки от экзогенного воздействия фитогормонов и селената натрия. Материалы и методы. В качестве объекта исследования использовались корни проростков рапса, выращенных на фильтровальной бумаге в чашках Петри с растворами фитогормонов (ИУК, 5 мкМ, ГК, 10 мкМ, 6-БАП, 5 мкМ, брассинолид, 1 мкМ, селенат натрия, 0,005 мкМ). Митотическую активность апикальной меристемы корней оценивали цитологическими методами по общепринятой методике (Паушева, 1974). Результаты. В результате исследования было установлено, что обработка семян рапса ИУК приводит к увеличению митотического индекса на 65,3 %, брассинолидом - на 25 %, селенатом натрия - на 11,1 %, воздействие ГК вызывало слабое снижение, а 6-БАП ингибировал митотическую активность апикальной меристемы корней. Выводы. На основе полученных результатов сделаны выводы о том, что ИУК, брассинолид и селенат натрия в используемой концентрации стимулировали митотическую активность апикальных меристем корней рапса, и их можно использовать для усиления процессов роста корней, повышения их поглотительной способности и продуктивности растений. Ключевые слова: рапс, фитогормоны, селенат натрия, митотический индекс.

D. A. Katashov, V. N. Khryanin

THE INFLUENCE OF PHYTOHORMONES AND SODIUM SELENATE ON THE MITOTIC ACTIVITY OF APICAL MERISTEMS OF RAPE GERMINANT ROOTS

Abstract. Background. It is known that mitotic activity of apical root meristems influences their growth rate. The aim of this paper is to show the dependence of the mitotic index of the nucleus as the centre of cell regulation and the exogenous effects of phytohormones and sodium selenate. Materials and methods. As a research object we used rape germinant roots which were grown on filter paper in Petri dishes with phytohormone solutions indolylacetic acid (IAA, 5 mM), brassinolide (BS, 1 mM), gibberellic acid (GA, 10 mM), sodium selenate (Na2SeO4, 0,005 M). The mi-totic activity of the apical root meristem was estimated by cytological methods (Pau-sheva, 1974). Results. The results of the present study demonstrate that the treatment of the rape seeds with IAA increased the mitotic index by 65,3%, with BS - by 25%, with Na2SeO4 - by 11,1%, GA slightly reduced the mitotic index, whereas 6-BAP inhibited the mitotic activity of the apical root meristems. Conclusions. On the basis of the obtained results we conclude that IAA, BS and sodium selenate in the used concentrations stimulated the mitotic activity of the apical rape root meristems and thus they can be used for the intensification of root growth, the increase of their absorbing ability and plant production.

Key words: rape, phytohormone, sodium selenate, mitotic index.

Целью настоящей работы являлось выявление зависимости митотиче-ского индекса ядра как центра регулирования клетки от экзогенного воздействия фитогормонов и селената натрия. Для выяснения изменения процессов роста проростков после обработки семян были определены митотические индексы апикальных корневых меристем. Эти ткани в отличие от апикальных меристем побега характеризуются относительной простотой анатомического строения, более четким разделением от зоны растяжения и дифференциации и высокой пролиферативной активностью [1, 2]. Известно, что продолжительность прохождения клеткой зоны меристемы составляет в корнях большинства растений всего несколько суток [3].

Материал и методика

В качестве объекта исследования использовались корни проростков рапса (Brassica napus) сорта «Ратник». Семена замачивали на сутки в воде (контроль); растворах фитогормонов: индолилуксусная кислота (5 мкМ), гиб-берелловая кислота (10 мкМ), 6-бензиламинопурин (5 мкМ), брассинолид (1 мкМ); растворе селената натрия (0,005 мкМ). Семена раскладывали в чашки Петри на фильтровальную бумагу и помещали в бокс, где проращивали их в течение 6 сут. Материал фиксировали в уксусной кислоте с этанолом (1:3) в течение 12 ч. Материал окрашивали 2 %-м раствором ацетокармина и готовили давленные препараты. Митотическую активность апикальной меристемы корней оценивали цитологическими методами при анализе не менее 3000 клеток по общепринятой методике и формулам [4, 5]. Давленные препараты просматривали с помощью светового микроскопа при 600-кратном (об. 40х, ок. 15х) увеличении. Митотический индекс рассчитывался как процент делящихся клеток. Все эксперименты были проведены в 3 биологических и 10 аналитических повторностях. Статистическую обработку результатов осуществляли с помощью критерия Стьюдента [6].

Результаты и обсуждение

Нами была поставлена серия опытов по изучению влияния фитогормо-нов и селената натрия на митотическую активность апикальных меристем корней проростков рапса (Brassica napus). Использованные в опытах концентрации фитогормонов и селената натрия были подобраны в серии предварительных опытов. Результаты исследований представлены в табл. 1, 2.

В ходе наших опытов было установлено, что обработка семян рапса ИУК приводит к значительному увеличению митотической активности. Применение ИУК увеличило МИ на 65,3 % по отношению к контролю, длина корня увеличивалась на 30,9 %. Обработка семян гибберелловой кислотой снижала митотическую активность на 20,6 %, длина корня при этом не изменялась. Препарат 6-БАП в наших исследованиях в значительной степени ин-гибировал митотическую активность ткани, величина МИ составила 1,2 %. Рост корней под влиянием цитокинина оказался сильно подавлен. Видимо, концентрация раствора 6-БАП была взята слишком высокой для корней данного вида растений. Обработка семян рапса брассинолидом способствовала увеличению МИ на 25,0 %, длина корней увеличивалась на 19,1 %. Применение селената натрия способствовало незначительному увеличению митотической активности ткани, длина корня при этом не изменялась.

Таблица 1

Влияние фитогормонов и селената натрия на митотическую активность апикальной меристемы корня проростков рапса

Вариант опыта Митотический индекс, %

Контроль 7,2 ± 0,4

ИУК 11,9 ± 0,6***

ГК 5,8 ± 0,5*

6-БАП 1,2 ± 0,4***

Брассинолид 9,0 ± 0,6**

Селенат натрия 8,0 ± 0,9*

Примечание. (М ± m; n = 20; * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001 по отношению к контролю).

Таблица 2

Влияние фитогормонов и селената натрия на длину корней проростков рапса

Вариант опыта Длина корня, см

Контроль 6,8 ± 0,2

ИУК 8,9 ± 0,2**

ГК 6,6 ± 0,2

6-БАП 0,8 ± 0,3***

Брассинолид 8,1 ± 0,2*

Селенат натрия 7,1 ± 0,2

Примечание. (М ± m; n = 20; * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001 по отношению к контролю).

Таким образом, результаты исследования показали, что ауксин (индо-лилуксусная кислота) играет ключевую роль в формировании апикальных меристем. Развитие корневой системы в большой степени зависит от распределения в ней ауксина. В корне ауксин обеспечивает удлинение клеток в зоне элонгации и дифференцировку сосудистой системы, регулирует развитие и функционирование меристемы корня, вызывает образование боковых и придаточных корней. Известно, что в местах закладки корневых меристем растений формируются максимумы концентрации ауксина, которые обеспечивают формирование анатомической структуры меристем и поддерживают их функционирование и развитие. Стимулирующее влияние на митотическую активность ткани также оказало применение брассинолида. Стоит отметить, что свою физиологическую активность гормон проявлял в чрезвычайно низких концентрациях. Экзогенная обработка брассинолидом вызывала активацию роста клеток как делением, так и растяжением. Имеются данные, которые позволяют говорить, что брассинолид взаимодействует с другими фитогормо-нами и вовлекается в регуляцию ростовых процессов, активируя работу ДНК-и РНК-полимераз. Таким образом, увеличение МИ, по-видимому, вызвано возрастанием активности фермента РНК-полимеразы I, способствующей увеличению белоксинтезирующего аппарата и усилению синтеза белка [7].

Увеличения митотической активности меристем в результате обработки гибберелловой кислотой, отмеченной некоторыми авторами [8], в ходе наших исследований не обнаружено. Отрицательное влияние гибберелловой кислоты на величину МИ связано, по всей видимости, с увеличением потреб-

ления питательных органических веществ гипертрофированной надземной частью и соответствующим их перераспределением [9]. Несмотря на снижение величины МИ на 20,6 %, по отношению к контролю, длина корней проростков не изменилась. Можно предполагать, что стимуляция роста корней происходила путем растяжения клеток. Применение цитокинина (6-БАП) практически полностью ингибировало митотическую активность и рост корня проростков рапса. Таким образом, типичного эффекта цитокинина, заключающегося в стимуляции деления клеток, в наших исследованиях не наблюдалось, что, по-видимому, связано с повышенной концентрацией цитокинина, взятой в эксперименте, и вызвано нарушением соотношения 6-БАП/ИУК. Все это подтверждает тот факт, что только определенные сочетания концентраций цитокинина и ауксина могут способствовать делению клеток [10].

Увеличение значения митотического индекса в экспериментах с селе-натом натрия, по всей видимости, связано со способностью селена влиять на гормональный статус растений [11]. Многими исследователями было отмечено усиление под действием селена протеолитической активности ферментов - папаиназ [12]. Усиление процессов протеинолиза приводит к высвобождению триптофана - предшественника ИУК [13], т.е. селен косвенно вызывает увеличение митотической активности путем синтеза ауксинов.

Выводы

На основе полученных результатов можно сделать выводы о том, что индолилуксусная кислота, брассинолид и селенат натрия, в используемой концентрации, стимулировали митотическую активность апикальных меристем корней соответственно на 65,3, 25,0, 11,1 %. Гибберелловая кислота не оказывала влияния на митотический индекс. Таким образом, ИУК, БС и Na2SeO4 можно использовать для усиления процессов роста корней, что в конечном итоге приведет к повышению их поглотительной способности и как следствие к увеличению продуктивности растений.

Список литературы

1. Гудков, И. Н. Кинетика клеточного цикла на начальных фазах развития растения / И. Н. Гудков // Клеточный цикл растений в онтогенезе : сб. науч. тр. - Киев : Наукова думка, 1988. - С. 5-16.

2. Иванов, В. Б. Клеточные основы роста растений / В. Б. Иванов. - М. : Наука, 1974. - 202 с.

3. Иванов, В. Б. Развитие идей Д. А. Сабинина в исследованиях роста и морфогенеза корней / В. Б. Иванов // Физиология растений. - 1989. - Т. 36, № 5. -С. 871-879.

4. Алексеева, Е. С. Генетика, селекция и семеноводство гречихи / Е. С. Алексеева, З. П. Паушева. - Киев : Выща шк., 1988. - 2008 с.

5. Паушева, З. П. Практикум по цитологии растений / З. П. Паушева. - М. : Колос, 1974. - С. 69-99.

6. Шмидт, В. М. Математические методы в ботанике : учеб. пособие / В. М. Шмидт. - Л. : Изд-во ЛГУ, 1984. - 288 с.

7. Kalinich, J. F. Relationship 1985 of nucleic acid metabolism to brassinolide-indused responses in beans / J. F. Kalinich, N. B. Mandava, J. A. Todhunter // J. Plant Physiol. - Vol. 120, № 3. - P. 207-221.

8. Liu, P. B. W. Action of gibberellic acid on cell proliferation in the subapical shoot meristem of watermelon seedlings / P. B. W. Liu, J. B. Loy // Amer. J. Bot. - 1976. -Vol. 63, № 5. - P. 700-704.

9. Гамбург, К. З. Физиология действия гиббереллина на вегетативный рост растений / К. З. Гамбург // Регуляторы роста и рост растений. - М. : Наука, 1964. -С. 3-52.

10. Полевой, В. В. Фитогормоны / В. В. Полевой. - Л. : Изд-во ЛГУ, 1982. - 248 с.

11. Солдатов, С. А. Влияние селената натрия на рост, развитие и проявление пола у двудомных растений конопли: Cannabis sativa L. : автореф. дис. ... канд. биол. наук / Солдатов С. А. - М. : Моск. с.-х. акад. им. К. А. Тимирязева, 2005. - 28 с.

12. Вихрева, В. А. Влияние селена на рост, развитие и адаптивный потенциал козлятника восточного (Galera orientalis) : автореф. дис. ... канд. биол. наук / Вихрева В. А. - М. : Моск. с.-х. акад. им. К. А. Тимирязева, 2001. - 28 с.

13. Блинохватов, А. Ф. Селен в биосфере / А. Ф. Блинохватов, В. А. Вихрева, В. Н. Хрянин [и др.]. - Пенза : РИО ПГСХА, 2001. - 324 с.

References

1. Gudkov I. N. Kletochnyy tsikl rasteniy v ontogeneze: sb. nauch. tr. [Cell cycle of plants in ontogenesis: collected papers]. Kiev: Naukova dumka, 1988, pp. 5-16.

2. Ivanov V. B. Kletochnye osnovy rosta rasteniy [Cell basis of plant growth]. Moscow: Nauka, 1974, 202 p.

3. Ivanov V. B. Fiziologiya rasteniy [Plant physiology]. 1989, vol. 36, no. 5, pp. 871-879.

4. Alekseeva E. S., Pausheva Z. P. Genetika, selektsiya i semenovodstvo grechikhi [Genetics, selection and seed farming of buckwheat]. Kiev: Vyshcha shk., 1988, 2008 p.

5. Pausheva Z. P. Praktikum po tsitologii rasteniy [Tutorial on plant cytology]. Moscow: Kolos, 1974, pp. 69-99.

6. Shmidt V. M. Matematicheskie metody v botanike: ucheb. posobie [Mathematical methods in botany: tutorial]. Leningrad: Izd-vo LGU, 1984, 288 p.

7. Kalinich J. F., Mandava N. B., Todhunter J. A. J. Plant Physiol. 1985, vol. 120, no. 3, pp. 207-221.

8. Liu P. B. W., Loy J. B. Amer. J. Bot. 1976, vol. 63, no. 5, pp. 700-704.

9. Gamburg K. Z. Regulyatory rosta i rost rasteniy [Plants growth regulators and growth]. Moscow: Nauka, 1964, pp. 3-52.

10. Polevoy V. V. Fitogormony [Phytohormones]. Leningrad: Izd-vo LGU, 1982, 248 p.

11. Soldatov S. A. Vliyanie selenata natriya na rost, razvitie i proyavlenie pola u dvudom-nykh rasteniy konopli: Cannabis sativa L.: avtoref. dis. kand. biol. nauk [Impact of sodium selenite on growth, development and sex expression of dioecious plants of hemp Cannabis sativa L.: author's abstract of dissertation to apply for the degree of the candidate of biological sciences]. Moscow: Mosk. s.-kh. akad. im. K. A. Timiryazeva, 2005, 28 p.

12. Vikhreva V. A. Vliyanie selena na rost, razvitie i adaptivnyy potentsial kozlyatnika vos-tochnogo (Galera orientalis): avtoref. dis. kand. biol. nauk [Impact of selenium on growth, development and adaptive potential of eastern Galega (Galera orientalis): author's abstract of dissertation to apply for the degree of the candidate of biological sciences]. Moscow: Mosk. s.-kh. akad. im. K. A. Timiryazeva, 2001, 28 p.

13. Blinokhvatov A. F., Vikhreva V. A., Khryanin V. N. et al. Selen v biosfere [Selenium in biosphere]. Penza: RIO PGSKhA, 2001, 324 s.

Каташов Денис Александрович аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: earendil73@rambler.ru

Katashov Denis Aleksandrovich Postgraduate student, Penza State University

Хрянин Виктор Николаевич

доктор биологических наук, профессор, кафедра ботаники, физиологии и биохимии растений, Пензенский государственный университет

E-mail: viktor.khryanin@gmail.com

Khryanin Viktor Nikolaevich Doctor of biological sciences, professor, sub-department of botany, physiology and biochemistry, Penza State University

УДК 581.14 Каташов, Д. А.

Влияние фитогормонов и селената натрия на митотическую активность апикальных меристем корней проростков рапса (Brassica napus) / Д. А. Каташов, В. Н. Хрянин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2013. - № 2 (2). - С. 49-54.