Влияние мутаций axr1-1, axr2-1, axr3-1 и aux1-7 по генам сигнализации ауксина axr1, AXR2, axr3 и AUX1 на строение корневых волосков у Arabidopsis thaliana (L. ) Heynh

Влияние мутаций axr1-1, 8жг2-1, axr3-1 и aux1-7 по генам сигнализации ауксина AXR1, AXR2, AXR3 и AUX1 на строение корневых волосков у АгаЫборвт1Б \haWana ^.) Heynh

С.Г. Хаблак, к.б.н., Луганский НАУ

Ауксины — класс низкомолекулярных соединений преимущественно индольной природы (индолил-3-уксусная кислота и её производные), которые участвуют в различных биохимических и физиологических процессах растений, в том числе регулируют корнеобразование, рост корней в длину и стимулируют их ветвление [1]. В то же время роль ауксинов в процессе формирования корневых волосков у растений до конца ещё не определена. Вполне очевидно, что необходимо проведение специальных исследований для выяснения влияния ауксинов на образование волосков эпиблемы у растений.

В последние годы большие успехи были достигнуты в получении и изучении мутантных растений у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. с изменённой чувствительностью к ауксину [2]. Ауксин-нечувствительные мутанты обеспечили прогресс в выделении генов, отвечающих за восприятие и передачу ауксинового сигнала в растениях и помогли частично расшифровать молекулярные пути, по которым сигнал проходит, вызывая включение или подавление определённых физиологических программ [3].

К настоящему времени молекулярно-генетические и физиологические исследования мутантных растений у A. thaliana позволили изолировать и секвенировать ряд генов, участвующих в сигнализации ауксина. К ним относятся гены AUXIN 1 (AUX1) [4], AUXIN RESISTANT 1 (AXR1) [5], AUXIN RESISTANT2 (AXR2) и AUXIN RESISTANT3 (AXR3) [6].

Ген AUX1 кодирует мембранный белок-транспортёр, который переносит ауксин, образуемый преимущественно в апикальной меристеме побега, в основном вниз по стеблю к конусу нарастания корня и к клеткам зон растяжения и всасывания [4].

Ген AXR1 контролирует убиквитин-активи-рующий фермент (Ej), который является одним из 3 компонентов убиквитин-протеин-лигазного комплекса, состоящего из Et (убиквитин-активи-рующий фермент), Е2 (убиквитин-конъюгирующий фермент) и Е3 — собственно убиквитин-протеин-лигазы, которая катализирует финальное присоединение молекулы убиквитина к субстрату, а также наращивание мультиубиквитиновой цепи [5].

Гены AXR2 и AXR3 кодируют транскрипционные факторы IAA7, IAA17, принадлежащие к семейству регуляторных белков Aux/IAA, контро-

лирующих экспрессию генов вторичного ответа на ауксин [6].

Целью настоящей работы было изучение влияния мутантных аллелей axr1-1, axr2-1, axr3-1 и aux1-7 генов AXR1, AXR2, AXR3 и AUX1 на строение корневых волосков.

Материалы и методика исследования. Материалом для исследований служили растения Arabidopsis thaliana экотипа (расы) Columbia (Col-О) и мутантних линий auxin1-7 (aux1-7), auxin resistant1-1 (axr1-1), auxin resistant2-1 (axr2-1) и auxin resistant3-1 (axr3-1). Семена мутантных линий были получены из Ноттингемского центра образцов арабидопсиса (Nottingham Arabidopsis Stock Centre (NASC), UK).

Растения выращивали в асептической пробирочной культуре на агаризованной питательной среде Кнопа, обогащённой микроэлементами [7]. Питательную смесь разливали в химические пробирки размером 14 х 120 мм и закрывали их плотными ватными пробками.

Семена к посеву готовили путём яровизации в течение 5 сут. при температуре 4—6°С и последующего односуточного проращивания при комнатной температуре. Пробирки для предохранения от нагревания и попадания света на корни растений обвёртывали двумя слоями бумаги. Растения культивировали при температуре 18—20°С, освещённость круглосуточная в пределах 4000—7000 лк.

При проведении наблюдений за растениями руководствовались общепринятыми методиками вегетационных и сравнительно-морфологических исследований [7]. Учёт количества корневых волосков и их длину в корневых системах у растений экотипа Со1-О и исследуемых мутантных линий проводили в фазе второй пары настоящих листьев под микроскопом типа МБС-9. Объём выборки у расы Со1-О и мутантных линий axr2-1, axr3-1, axr1-1 и aux1-7 составлял по 30 растений. Математическую обработку результатов проводили по методам, описанным Б.А. Доспеховым [8].

Результаты исследований. У арабидопсиса, как и у всех растений, кончик корня снаружи покрыт однослойной эпиблемой (кожицей). Кожица корня всасывает воду, минеральные вещества из почвы и передаёт их в стебель и листья. Клетки эпиблемы способны образовывать корневые волоски. Они являются настоящими выростами внешних стенок поверхностных клеток корня, которые не ограничиваются от них перегородками.

Волоски эпиблемы возникают в зоне дифференциации и развиваются в области всасывания выше апекса корня в среднем на 1—3 мм. По длине

Средние значения биометрических параметров

Название линии Корневые волоски

длина, мкм диаметр в основании, мкм диаметр в средней части, мкм количество, шт/1 мм2

WT (Col-O) 997,8±0,3 21,3±0,2 9,8±0,1 50,7±0,1

axr2-1 553,2±0,2 19,2±0,2 9,8±0,2 1,5±0,2

axr3-1 414,1±0,1 16,8±0,1 8,8±0,1 1,1±0,1

axr1-1 110,7±0,1 21,6±0,2 10,1±0,2 42,7±0,2

aux1-7 119,7±0,2 21,5±0,1 10,5±0,1 40,1±0,1

HCP0 микрометр (мкм) 4,84 0,99 0,94 1,91

кончика корня они обычно занимают площадь 1,5-2 см2.

Корневые волоски недолговечны. Обычно период их жизни составляет 10-20 дней. Во время роста корня на некотором расстоянии от его кончика, там, где заканчивается зона роста, появляются новые выросты клеток эпиблемы. Недавно возникшие корневые волоски короткие. По мере своего роста они удлиняются и приобретают трубчатую форму. У А. їкаНапа длина полностью закончившего рост волоска эпиблемы в среднем составляет около 1000 мкм, а диаметр в средней части равен примерно 10 мкм. Ближе к зоне проведения выросты клеток кожицы корня укорачиваются, теряют свою функцию, отмирают и слизываются.

У А. їкаНапа все клетки поверхностной ткани поглощающей зоны корня потенциально обладают способностью к развитию волосков эпиблемы. Однако у растений арабидопсиса обычно наблюдается морфологическая дифференциация эпиблемы на клетки, образующие выросты, и клетки, которые их не формируют.

У растений мутантных линий ахг1-1, ахг2-1, ахгЗ-1 и аих1-7 корневые системы резко отличаются от экотипа Со1-0 по длине и количеству корневых волосков (табл.). Длина волосков эпиблемы у растений данных мутантных линий варьирует в широких пределах — от 110,7 до 553,2 мкм. Достоверное понижение величины корневых волосков по отношению к контролю (Со1-0) выявлено у всех мутантных линий. Короткие волоски эпиблемы характерны для растений линий ахг1-1 (110,7 мкм) и аих1-7 (119,7 мкм). Более крупные волоски эпиблемы имеют растения мутантных линий ахгЗ-1 (414,1 мкм) и ахг2-1 (553,2 мкм). Наибольшей длиной корневых волосков обладает линия ахг2-1, а наименьшей — линия ахг1-1.

Количество корневых волосков у растений изучаемых мутантных линий также сильно варьирует. Достоверное их понижение на 1 мм2 поглощающей зоны корня по сравнению с исходной расой Со1-0 выявлено у всех мутантных линий. Растения линий ахг2-1 и ахгЗ-1 практически вовсе не формируют волоски эпиблемы в этой зоне, а растения линий ахг1-1 и аих1-7 их образуют, но

в меньшем количестве, чем у контроля (Col-O). Наибольшее количество корневых волосков на 1 мм2 зоны всасывания выявлено у мутантной линии axr1-1 (42,7 шт/1 мм2), тогда как наименьшее — у мутантной линии axr3-1 (1,1 шт/1 мм2).

Таким образом, полученные результаты указывают на существование различий у мутантных линий axr2-1, axr3-1, axr1-1 и aux1-7 по числу и длине корневых волосков. Причём мутации axr1-1, axr2-1, axr3-1 и aux1-7 в генах сигнализации ауксина AXR1, AXR2, AXR3 и AUX1 вызывают у растений подавление образования волосков эпи-блемы. Эти результаты свидетельствуют в пользу того, что ауксин у растений играет важную роль в процессе развития корневых волосков. Наши данные вполне согласуются с имеющимися литературными сведениями о том, что ауксин является фитогормоном, стимулирующим рост клеток, поскольку корневые волоски являются выростами клеток поверхностной ткани корня.

Выводы. У мутантных линий axr1-1, axr2-1, axr3-1 и aux1-7 корневые системы значительно отличаются от исходной расы Col-O по количеству корневых волосков и их длине. Мутации axr1-1, axr2-1, axr3-1 и aux1-7 генов AXR1, AXR2, AXR3 и AUX1 обусловливают в корневой системе понижение образования выростов клеток кожицы корня.

Литература

1. Blakesley D., Weston G.D., Hall J.F. The Role of Endogenous Auxin in Root Initiation // Plant Growth Regul. 1991. Vol. 10, № 1. P. 341-353.

2. Hobbie L., Estelle M. Genetic approaches to auxin action // Plant Cell Environ. 1994. Vol. 17. № 6. Р. 525-540.

3. Mockaitis K., Estelle M. Auxin receptors and plant development: a new signaling paradigm // Annu Rev Cell Dev Biol. 2008. Vol. 24. № 3. P. 55-80.

4. RahmanA., Ahamed A., Amakawa T. Chromosaponin I specifically interacts with AUX1 protein in regulating the gravitropic response of Arabidopsis roots // Plant Physiol. 2001. Vol. 125. № 2. Р. 990-1000.

5. Pozo J.C., Timpte C., Tan S., Callis J., Estelle M. The ubiquitin-related protein RUB1 and auxin response in Arabidopsis // Science. 1998. Vol. 280. № 1. Р. 1760-1763.

6. Belin C., Megies C., Hausercra E., Lopez-Molina L. Abscisic acid represses growth of the Arabidopsis embryonic axis after germination by enhancing auxin signaling // Plant Cell. 2009. Vol. 21. № 1. Р. 2253-2268.

7. Рубин Б.А., Чернавина И.А., Потапов Н.Г. Большой практикум по физиологии растений. М.: Высш. шк., 1978. 408 с.

8. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Агропром-издат, 1985. 351 с.