Томографическое исследование ауксибласта Larix sibirica L

Е.В. Алаудинова, П.В. Миронов: Томографическое исследование ауксибласта Larix sibirica L.

УДК 630*181.324

ТОМОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АУКСИБЛАСТА LARIX SIBIRICA L.

Е.В. Алаудинова, П.В. Миронов

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира, 82; е-mail: alaudinovaev@yandex.ru

Приведены результаты ЯМР-микротомографического исследования внутреннего строения зимующего побега последнего года (ауксибласта) лиственницы сибирской (Larix sibirica L и почки, а также распределения воды в их тканях. Визуально показано наличие жидкой фазы воды в меристематических тканях почки при низкой отрицательной температуре и изменения, происходящие в тканях побега и почки, при оттаивании и последующем набухании.

Ключевые слова: лиственница сибирская (Larix sibirica L.), ауксибласт, почка, жидкая фаза, ядерно-магнитно-резонансная томография.

The aim of this work was to study the structure of the tomographic research last year (auxiblast) Siberian larch (Larix sibirica L.) from the apical vegetative bud by NMR microtograph based on Bruker AVANCE DPX 200, in the field 4.7 Tl, with a sensor PH MICRO 2.5 and the coil diameter 4 mm. Images in which is clearly registered the presence and location of liquid phase of water in the bud were obtained at 10-fold magnification using a procedure based on a "spin-echo". The content of unfrozen water in the buds meristematic tissues indicates "glow" brightness, which is proportional to the signal intensity of waters "spin-echo".

Using NMR-microtomography received unique qualitatively new information about the internal structure of auxiblasts and distribution of the liquid phase in wintering bud at low subzero temperatures and after thawing when buds swollen. Visually detected the presence of a liquid phase in the bud meristematic tissues in condition of low temperature stability at -15 oC. NMR-microtomography data of a meristem cells at low subzero temperatures of liquid phase fully confirm our earlier gravimetric and calorimetric methods, the results of the water distribution in the tissues of wintering buds during ice formation. Tomographic study the swelling process ofbud showed that with the advent ofmobile water in the central cavity (ice excretion zone) in the first swells bud meristematic tissue, the moisture content therein is increased much faster than in other tissues

Keywords; Siberian larch (Larix sibirica L.), auxiblast, bud, liquid phase, nuclear magnetic resonance tomography

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что ткани многолетних древесных растений, произрастающих в районах холодного и умеренного климата, адаптируясь к сезонному снижению температуры, испытывают значительное обезвоживание. Этот защитный механизм позволяет предотвращать летальные последствия фазового перехода вода-лед при внутриклеточной кристаллизации (Хлебникова и др., 1963; Риатте, 1978; Бака1, 1979; Красавцевидр., 1984).

Ранее нами (Алаудинова и др., 2007) было показано, что обезвоживание меристем почек у различных морозоустойчивых хвойных видов начинается с завершением вегетационного периода, реализуется в состоянии глубокого покоя еще при положительных температурах воздуха и завершается до наступления низкотемпературного стресса. За это время водосодержание меристем снижается вдвое: с 2,5-2,7 до 1,3-1,4 г/г а.с.м. ткани.

При отрицательных зимних температурах в почках находятся, по крайней мере, две относительно изолированные фракции воды, одна из которых - в виде кристаллов льда в зонах льдовыделения

(или льдообразования), другая - незамерзшая жидкая фаза - в клетках меристематических тканей (Миронов и др., 2001). Дальнейшие исследования распределения незамерзшей воды, связываемой растворимыми и нерастворимыми компонентами меристематических клеток и находящейся при отрицательных температурах в равновесии со льдом, показало (Миронов и др., 2001; Алаудинова, Миронов, 2009), что уже при температуре минус 15-20 °С только водорастворимые вещества цитоплазмы могут связывать незамерзшую воду, часть из которой способна кристаллизоваться при дальнейшем снижении температуры до минус 40 °С. Это означает, что в клетках, вплоть до температуры около минус 40 °С, остается жидкая фаза воды.

Наличие жидкой фазы в живых клетках хвойных при столь низких температурах позволяет предположить, что именно поэтому в зимних условиях возможно протекание некоторых биохимических процессов, проявляющееся в изменении содержания, состава и свойств компонентов клеток. Было также показано, что при снижении температуры способная к кристаллизации переохлажденная вода мигрирует из клеток и кристаллизуется

вне тканей меристем - в специальных зонах льдообразования. Одной из таких зон является полость в основании почки, которая при низкотемпературном обезвоживании меристем практически полностью заполняется льдом.

В настоящей работе нами предпринята попытка получить с помощью метода ЯМР-микротомографии информацию о распределении жидкой фазы в зимующей почке при низких отрицательных температурах, и после оттаивания почки при набухании.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования являлись отрезки зимующих побегов последнего года (ауксибластов) лиственницы сибирской (Larix sibirica L.) с одной апикальной почкой.

Томографическое исследование распределения воды в побеге и в почке были выполнены на ЯМР-микротомографе на базе Bruker AVANCE DPX 200, в поле 4.7 Тл, с датчиком PH MICRO 2.5 и катушкой диаметром 4 мм. Изображения, на которых отчетливо регистрируется наличие и локализация жидкой фазы воды в почке, были получены при 10-ти кратном увеличении с помощью методики на основе «спин-эхо». О содержании незамерзшей воды в меристематических тканях почки свидетельствует яркость "свечения", пропорциональная интенсивности сигнала «спин-эхо» воды. Лед сигнала ЯМР в данных условиях не дает.

Эксперименты с побегами проводились при температуре минус 15 °С (состояние низкотемпературной устойчивости тканей), а также после оттаивания побегов при комнатной температуре и их последующего набухания в воде. Электронная микрофотография продольного разреза апикальной почки лиственницы сибирской получена с помощью растрового электронного микроскопа РЭМ-100 У.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 1 приведена микрофотография продольного разреза замороженного побега последнего года (ауксибласта) с вегетативной почкой лиственницы сибирской, на которой хорошо видно только строение почки.

При изучении биологических объектов, в том числе и непрозрачных объектов ма-лого размера, таких как побеги и почки древесных растений, эффективен метод ядерной магнитно-резонансной томографии, примененный нами для изучения струк-туры объекта (ауксибласта с апикальной почкой) и контроля изменения распределения влаги в тканях объекта при изменении физиологического состояния.

На рисунке 2 представлены девять ЯМР-изображений замороженного ауксибласта листвен-

ницы сибирской с одной апикальной почкой при температуре минус 15 °С (состояние низкотемпературной устойчивости), а также после оттаивания при комнатной температуре, через определенные промежутки времени в процессе естественного набухания почки в условиях модельного опыта. На изображениях четко различимы: зона льдообразования (полость) в основании почки; набухающие меристемы (зачаточные ткани хвои и побега); ткани побега.

Рисунок 1 - Продольный разрез ауксибласта лиственницы сибирской (Ьапх яШпса Ь.) с вегетативной почкой

На первом снимке приведено изображение побега с почкой в состоянии низкотемпе-ратурной устойчивости при температуре минус 15 °С. Видно, что незамерзшая жидкая фаза обнаруживается только в меристематических тканях почки. О наличии в мери-стемах жидкой фазы (внутриклеточного раствора) при данной температуре свиде-тельствует яркость "свечения" воды - интенсивность сигнала «спин-эхо». Содержание воды в условиях термодинамического равновесия со льдом в меристемах при темпе-ратуре минус 15 °С, как было установлено ранее (Миронов и др., 2001), составляет около 0,50 г/г а.с.м. ткани. Отчетливо видна темная полость в основании почки, в которой находится лед (лед не дает сигнала ЯМР). В тканях побега вода также практически не регистрируется.

E.B. Алаудинова, П.В. Миронов: Томографическое исследование ауксибласта Larix sibirica L.

Рисунок 2 - ЯМР-изображения ауксибласта лиственницы сибирской (Ьат яШгка Ь.) с одной апикальной почкой в состоянии низкотемпературной устойчивости при температуре минус 15 °С и через определенные промежутки времени в процессе набухания в условиях модельного опыта

На втором снимке изображен побег с почкой после оттаивания при комнатной температуре. Содержание воды в регидратированных меристемати-ческих тканях возросла примерно до 1,40 г/г а.с.м. ткани, что соответствует минимальному средне-зимнему водосодержанию (Алаудинова, Миронов, 2009). Интенсивность "свечения" меристем существенно увеличилась.

На снимках с третьего по восьмой приведены изображения ауксибласта с почкой, помещенного в воду. Отчетливо видны изменения, происходящие в почке в процессе набухания. Исследование процесса набухания показало, что в первую очередь набухают меристемы; содержание воды в них увеличивается значительно быстрее, чем в других тканях. Вслед за меристематическими тканями происходит постепенное обводнение тканей побега и рыхлой паренхимной ткани в полости в основании почки. Объем меристем постепенно увеличивается, "свечение" становиться все более ярким.

На девятом снимке изображен ауксибласт с набухшей почкой перед разверзанием почечных че-шуй. К этому моменту объем меристематических тканей увеличился примерно в четыре раза; влажность (по сравнению с первым изображением) возросла в семь раз и составила 3,32 г/г а.с.м. ткани. По яркому "свечению" видно, что хорошо обводнены все ткани побега, кроме почечных чешуй. Послед-

ние не дают изображения в связи низким содержанием воды.

ВЫВОДЫ

Таким образом, с помощью ЯМР-микротомографии получена качественно новая информация о внутреннем строении побега последнего года (ауксибласта) лиственницы сибирской (Larix sibirica L.). Приведены данные, свидетельствующие о наличии в клетках меристем при отрицательных температурах незамерзшей воды, которые существенно дополняют полученные нами ранее с помощью термических и гравиметрических методов результаты исследования распределения воды в тканях зимующих почек в условиях льдообразования (Миронов и др., 2001; Алаудинова, Миронов, 2009).

Томографическое исследование процесса набухания почки показало, что с момента оттаивания ауксибласта в первую очередь набухают меристе-матические ткани почки, содержание воды в них увеличивается значительно быстрее, чем в других тканях побега.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Алаудинова, E. В. Сезонные изменения содержания воды

в меристематических тканях почек Picea obovata

L. и Pinus sylvestris L. и её распределение в клетках /

Е.В. Алаудинова, С.Ю. Симкина, П.В. Миронов // Хвойные бореальной зоны. - 2007. - № 4-5. - С. 487-491. Алаудинова, Е.В. Водоудерживающие свойства меристема-тических клеток зимующих хвойных: роль низкомолекулярных водорастворимых соединений / Е.В. Алаудинова, П.В. Миронов // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы IV Все-рос. конф. - Барнаул: Изд-во АГУ, 2009. - Ч. 2. - С.284-288. Красавцев, О.А. Отток воды из переохлажденных зачаточных бутонов / О.А. Красавцев, О.Н. Разнополов, Н.Н. Хвалин // Физиология растений. - 1984. - Т. 30. -№ 5. - С. 1025-1031 Миронов, П.В. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных / П.В. Миронов, Е.В. Ала-

удинова, С.М. Репях. - Красноярск: СибГТУ, 2001. -221 с.

Хлебникова, Н.А. Физиологическая характеристика хвойных растений Сибири в зимний период / Н.А. Хлебникова, Г.И. Гирс, Р.А. Коловский // Сб. науч. тр. ин-та леса и древесины СО АН СССР. - Красноярск, 1963. -Т. 60.-С. 5-16.

Quamme, Н.А. Mechanism of supercooling in overvintering peach flover buds / Н.А. Quamme // J. Amer. Soc. Horti-cult. Sci., 1978. - V. 103. - P. 57-68.

Sakai, A. Freezing avoidance mechanism of primordial shoots of conifer buds / A. Sakai // Plant and Cell Physiol. - 1979. -V. 20. -№7.- P. 1381-1390.

Поступилавредакцию 26.03.13 Принята к печати 03.12.13