Влияние геномных мутаций на мезоструктуру и функциональную активность фотосинтетического аппарата растений арабидопсиса

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2013, том 56, №11_

ГЕНЕТИКА

УДК 581.1:577.344:575.22

О.В.Усманова, В.А.Веселовский*, Т.В.Веселова*, Т.П.Усманов

ВЛИЯНИЕ ГЕНОМНЫХ МУТАЦИЙ НА МЕЗОСТРУКТУРУ И ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ АРАБИДОПСИСА

Институт ботаники, физиологии и генетики растений АН Республики Таджикистан, Московский государственный университет им. М.ВЛомоносова

В статье приводятся результаты исследований влияния геномных мутаций на мезострукту-ру и функциональную активность фотосинтетического аппарата, с использованием в качестве экспериментальной модели геномных (полиплоидных) мутантов растений арабидопсиса.

Ключевые слова: арабидопсис - геномные мутации - хлоропласты - фотосинтетический аппарат.

В настоящее время в литературе имеется достаточно много сведений о влиянии генетических факторов на мезоструктуру и функциональную активность фотосинтетического аппарата (ФСА), полученных на хлорофилльных и других мутантных растениях [1-5]. Показано, что генетическая модификация структуры ФСА оказывает существенное влияние на газообмен между листом и окружающей средой, на поглощение солнечного излучения растением, на водный режим и транспорт ассими-лятов, и это сказывается на активности фотосинтезирующей ткани. Среди большого многообразия различных видов мутаций у растений, плодотворно используемых для изучения механизмов фотосинтеза, особый интерес представляют геномные мутации. По сравнению с генными и хромосомными мутациями, затрагивающими в основном отдельные признаки, в случае полиплоидии имеют место мутации всей системы генотипа. Реакция растений на полиплоидность связана не только с количественными взаимоотношениями геномов, но и с качественными особенностями хромосом, число которых увеличивается при полиплоидии. Увеличение числа хромосом, как известно, ведёт к ряду изменений в анатомо-морфологической структуре, а это отражается на структуру и функциональную активность ФСА, и в целом на продуктивность растений. В связи с этим мы поставили цель изучить влияние геномных мутаций на структуру и функцию ФСА у арабидопсиса.

В качестве объектов исследования мы использовали модельный растительный объект - Ara-bidopsis thaliana (L.) Heynh., его расу Dijon, маркерную линию gFan расы Columbia и пять видов рода Arabidopsis, произрастающих в Таджикистане и образующих естественный полиплоидный ряд: -A.thaliana, 2n = 10; A. Wallichii, 2n = 16; A.mollissima, 2n = 26; A.pumila, 2n = 32; A.korschinskyi, 2n = 48 (рис. 1).

На рис.1 представлены фотографии пяти видов растений рода Arabidopsis, различающихся между собой по морфологическим и биологическим особенностям. Природные полиплоиды

Адрес для корреспонденции: Усманова Ольга Владимировна. 734017, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Карамова, 27, Институт ботаники, физиологии и генетики растений АНРТ. E-mail: rustim.us@mail.ru

(рис.1 а,б,в,д) отличаются от диплоида (г) ЛлкаИапа по морфологии куста и по высоте произрастания над уровнем моря, а также по времени плодоношения [5]. В табл.1 приведены результаты определения генотипических различий между видами по числу и размеру хлоропластов в зависимости от количества хромосом в геноме - 10, 16, 26, 32 и 48.

Рис. 1. Обозначения: a - A.wallichii; б - A. mollissima; в - A.korschinskyi; г - A.thaliana; д - A. pumila.

Из табл. 1 видно, что число и размер хлоропластов у всех естественных полиплоидных линий различны, о чём свидетельствует размах изменчивости и коэффициента вариации (6-14). Обращает на себя внимание то, что с увеличением дозы генома число хлоропластов соответственно увеличивается, а размер хлоропластов колеблется незначительно. Эти данные свидетельствуют о генотипической обусловленности изменчивости параметров мезострутуры ФСА этих генотипов. К сожалению, механизмы возникновения естественных полиплоидных видов арабидопсиса всё ещё не выяснены. Поэтому для исследования влияния дозы генома на мезоструктуру и функцию ФСА мы использовали искусственно созданные полиплоидные линии растений арабидопсиса: расы Dijon (Di) и маркерную линию gFan расы Columbia (Col).

Таблица 1

Число и размер хлоропластов в клетках губчатого мезофилла семядольных листьев у природных полиплоидных видов растений арабидопсиса

Название видов Число хромосом 2n Размер хлоропластов Число хлоропластов

X ± m, мкм V ± Sv X ± m V ±Sv

A.thaliana 10 4.50±0.06 14 ± 1.01 21.56±0.49 22 ± 1.62

A.columbia 10 5.00±0.08 8 ± 1.13 20.82±0.57 14 ± 2.02

A.wallichii 16 4.75±0.05 11 ± 0.78 19.30±0.33 12 ± 0.86

A.mollissima 26 3.94±0.05 12 ± 0.86 27.91±0.54 19 ± 1.31

A.pumila 32 3.38±0.05 12 ± 0.86 25.06±0.46 18 ± 1.27

A.korschinskyi 48 4.25±0.03 6 ± 0.42 35.13±0.69 19 ± 1.36

Обозначения: X - средняя арифметическая, m - ошибка средней; V - коэс коэффициента вариации.

)фициент вариации (%), Sv - ошибка

При помощи колхицина [6] была получена тетраплоидная линия арабидопсиса расы Dijon (Di) 4n. Маркерная линия gFan расы Columbia (Col) 4n была предоставлена нам С.И.Янушкевичем, сотрудником кафедры генетики МГУ им. М.В.Ломоносова. На основе тетраплоидных растений, путем реципрокных скрещиваний был создан полиплоидный ряд, включающий звенья с 2n, 3n (2n x 4n и 4n x 2n) и 4n набором хромосом [7].

Для подтверждения того, что геномные мутации действительно получены искусственным путём был проведен кариологический анализ хромосом в митозе и мейозе (рис. 2). Результаты измерения размера ядер в клетках первичных корешков дополнительно подтвердил вышесказанноесказан-ное:

Степень плоидности генома Диаметр ядер, мкм

2n 7.37 ± 0.25

3n 9.09 ± 0.24

4n 11.84 ± 0.27

Рис.2. Метафазные хромосомы в митозе (в чашелистиках) у полиплоидного ряда A. thaliana расы Dijon.

а - 2n, б - 3n, в - 4n, увеличение - 7000-12500х.

На этих линиях по многим параметрам выявлен эффект действия цитоплазмы на степень выраженности фенотипических признаков. Например, направление скрещиваний существенно влияет на фертильность и семенную продуктивность полиплоидных форм арабидопсиса:

Вариант опыта Число семян Масса 1000 семян, мг

в стручке, шт.

2n 43 19

2n x 4n 26 28

4n x 2n 9 23

4n 22 35

Обращает на себя внимание (табл.2), что направление скрещиваний при получении тетраплоидных форм арабидопсиса действительно по-разному влияет и на число хлоропластов в клетке. Если в качестве материнской формы использовать диплоидный организм, то число хлоропластов в клетке всегда ниже, чем в случае, если в роли материнского растения используется тетраплоидная линия арабидопсиса. Очевидно, несбалансированность геномов у тетраплоидных форм, с одной стороны, и различия в материнской цитоплазме, с другой (в зависимости от того в какой цитоплазме 2п или 4п находятся хромосомы триплоида), являются главной причиной установленных нами различий.

Таблица 2

Влияние направления скрещиваний на размер и число хлоропластов при получении три- и

тетраплоидных форм A. thaliana

Степень плоидности генома Число хромосом Хлоропласты

число, шт. диаметр, мкм

Линия gVan расы Columbia

2n 10 24.40 ± 0.76 4.71 ± 0.08

3n (2n x 4n) 15 26.68 ±_ 0.90 4.84 ± 0.08

3n (4n x 2n) 15 31.08 ± 1.03 4.82 ± 0.07

4n 20 45.66 ± 1.21 4.58 ± 0.09

Раса Dijon

2n 10 24.32 ± 0.31 4.60 ± 0.08

3n (2n x 4n) 15 28.34 ± 1.14 5.52 ± 0.08

3n (4n x 2n) 15 32.06 ± 1.31 5.39 ± 0.10

4n 20 45.34 ± 0.37 4.94 ± 0.09

Интересные результаты нами были получены при изучении влияния геномных мутаций на структуру и функцию ФСА. Увеличение числа хромосом, как известно, ведёт к ряду изменений в морфобиологической структуре растений, а это сказывается на функциональной активности ФСА. Некоторые авторы считают, что увеличение дозы генетического материала приводит к повышению активности фотосинтезирующих тканей [8, 9], а другие отмечают пониженную активность фотосинтеза у тетраплоидов [10, 11]. Таким образом, растения с разным уровнем плоидности генома различаются по эффективности ФСА и существующие данные достаточно неоднозначны.

Функционирование ФСА нативных листьев геномных мутантов арабидопсиса, мы изучали на установке с двухдисковым фосфороскопом при помощи метода замедленной люминесценции (ЗЛ) [12]. Освещённость листа во время возбуждающей вспышки света составляла 30 кЛк. Её уменьшали нейтральными светофильтрами. Детектором излучения служил фотоэлектронный умножитель ФЭУ-79. Изменение уровня ЗЛ регистрировали во время лаг-фазы фотосинтеза (индукционная кривая), а также зависимости уровня ЗЛ от интенсивности возбуждаемого света и температуры. Из табл.3 видно, что повышение дозы генома увеличивает размер и число хлоропластов в клетке, количество реакционных центров (РЦ) ФС II, величину межсистемного транспорта электронов (ЭТ) и эффективность фотосинтеза на единицу площади листа.

Однако по активности ФСА, полученной из индукционных кривых ЗЛ, и по фотохимической активности РЦ ФС II особых различий не выявлено. Парное увеличение генома не отразилось на устойчивости к температурному фактору. Температурный максимум (ТМ) ЗЛ у них одинаков и равен 44°С. Следует отметить, что растения линий 3n менее устойчивы к температуре (ТМ 42°), зато свето-любие у них больше, а это значит, что у них размер антенны меньше. Выявлено различие у линий 3n по количеству РЦ ФС II и величине межсистемного электронного транспорта. У растений 3n, полученных от скрещивания 4n х 2n, где цитоплазма от 2n, эти показатели выше.

Таблица 3

Влияние геномных мутаций на структурно-функциональные характеристики фотосинтетического

аппарата у арабидопсиса

Линия Dijon N D РЦ ФС II J 2% J 13% + DCMU ФС ( А J) J/ J max J+DCMU -J_DCMU ЭТ на 1РЦ ФС II ТМ, °С

2п 24 4.60 52 0.54 49 0.53 100 1.90 44

Зп1 (2п x 4п) 32 5.39 150 0.42 85 0.54 270 1.80 42

Зп2 (4п x 2п) 28 5.25 80 0.47 52 0.53 185 2.30 42

4п 45 4.94 125 0.56 120 0.54 205 1.70 44

Обозначения: N - число хлоропластов; D - размер хлоропластов; РЦФС11 - число реакционных центров фотосистемы II; J2% / Ji3% +DCMU - отношение уровней ЗЛ при освещённости листа 2% и 13% от максимальной (листья обработаны ингибитором нециклического электронного транспорта диуроном); ФС ( А J) - величина тушения ЗЛ; J/JMAX - отношение тушения ЗЛ к максимальному ЗЛ; J +DCMU - J—DCMU - разница тушения уровней свечения, пропорциональная величине нециклического транспорта (ЭТ); ТМ, ОС - температура максимума ЗЛ. Зп1 - цитоплазма от 2n; 3n2- цитоплазма от 4n.

Сравнение полученных результатов по структурно-функциональным особенностям ФСА у полиплоидных генотипов арабидопсиса с литературными данными позволяет высказать суждение о том, что само по себе двойное увеличение дозы генома в клетке не нарушает ядерно-пластидных отношений и ведёт к сбалансированному увеличению структурных элементов в хлоропластах, и клетке в целом. Непарное увеличение числа хромосом нарушает генетический баланс клетки, что приводит к разным аномалиям в генезисе пластид [13, 14]. Однако, несмотря на такие различия в показателях структуры ФСА линий 3п, функциональные характеристики ФСА одинаковы с формами 2п и 4п ара-бидопсиса.

На основании приведённых в статье результатов исследований сделан вывод о возможности использования геномных (полиплоидных) мутантов арабидопсиса в качестве экспериментальной модели для изучения структуры и функциональной активности ФСА растений.

Поступило 23.10.2013 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Усманов П.Д., Абдуллаев Х.А., Усманова О.В., Сахибназаров Ш. Мутационная изменчивость хлоропластов. - Генетика фотосинтеза. - Душанбе: Дониш, 1977, с.104-114.

2. Квитко К.В. Сравнительная генетика зеленых водорослей рода Chlorella, Scenedesmus, Chlamydomonas: Автореф. дисс...д.б.н. - Л., 1979, 47 с.

3. Гостимский С.А. Генетический контроль фотосинтеза у высших растений: Автореф. дисс. д.б.н. -М., 1981, 38 с.

4. Тимофеев-Ресовский Н.В. Генетика и физиология растений. - Генетичны изследования в памет на Дончо Костов. - София: Изд. на Българската академия на науките, 1968, с. 95-99.

5. Усманов П.Д. Генотипическая изменчивость признаков фотосинтетического аппарата высших растений: Автореф. дисс.д.б.н. - М.; 1984, 45 с.

6. Лутков А.Т., Хвостова В.В. Методы экспериментального получения полиплоидных и мутантных форм растений. - Новосибирск, 1697 46 с.

7. Усманова О.В. Мутационная изменчивость мезоструктуры фотосинтетического аппарата высших растений: Автореф...дисс. к.б.н. - Душанбе, 1990, 24 с.

8. Schwanits F. Untersuchungen an Polyploiden Pflanzen, XI. Zun Chlophyllgehalt diploiden und tetraploiden Pflanzen. Zuchter., 1951, v.21, s. 30-36.

9. Bjurman B. The Photosynthesis in diploid and tetraploid Ribus staigum. - Physiol.Plantarum, 1959, 12183 s.

10. Frydrych J. Fotosynteticka aktivita a produkcni schopnost di,- tri- a tetraploidniho zell. - Bull. VUZ v Olomouci, 1966, v.9, s. 69-75. 10.

11. Frydrych J. Photosynthetiche aktivitat diploider und tetraploider Formen von Brassica oler. var. gongylodes. - Photosynthetica, 1971, v. 5, 1971, s. 38-43.

12. Веселовский В.А., Веселова Т.В. Люминесценция растений (Теоретические и практические аспекты). - М.: Наука, 1990, 200 с.

13. Lee L. Hecht A. Chloroplasts of monoploid and diploid Oenothera hookeri. Amer. J. Bot.,1975, v.62, №3, 1975, pp. 258-272.

14. Мокроносов А.Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза. - М.: Наука, 1981, 195 с.

О.В.Усмонова, В.А.Веселовский*, Т.В.Веселова*, Т.П.Усмонов ТАЪСИРИ МУТАТСИЯИ ГЕНОМЙ БА МЕЗОСТРУКТУРА ВА ФАЪОЛИЯТИ ФУНКСИОНАЛИИ ДАСТГО^И ФОТОСИНТЕТИКИИ

РАСТАНИИ АРАБИДОПСИС

Институти ботаника, физиология ва генетикаи растании Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон, *Донишго%и давлатии Москва ба номи М.В.Ломоносов

Дар макола натичах,ои тадкикот оид ба таъсири мутатсияи геномй ба мезоструктура ва фаъолияти функсионалии дастгохд фотосинтетикй, ки ба сифати модели тачрибавии мутантх,ои геномй полиплоидии растании арабидопсис истифода бурда шудааст, дода шудааст. Калима^ои калиди: арабидопсис - мутатсияи геномй - хлоропластуо - дастгоуи фотосинтетикй.

O.V.Usmanova, V.A.Veselovski*, T.V.Veselova*, T.P.Usmanov

INFLUENCE OF GENOMIC MUTATIONS ON MESOSTRUCTURE AND FUNCTIONAL ACTIVITY OF ARABIDOPSIS PHOTOSYNTHETIC APPARATUS

Institute of Botany, Plant Physiology and Genetics Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,

M.V.Lomonosov Moscow State University

In this article the results of studies of the influence of genomic mutation's on the mesostructure and functional activity of the photosynthetic apparatus by using experimental model plants-genomic (polyploid) mutants of Arabidopsis was shown .

Key words: arabidopsis - genomic mutation's - chloroplast's - photosynthetic apparatus.