Введение к работе
Актуальность темы. Корневая система растений формируется в результате ветвления главного и придаточных корней, поэтому для понимания процессов формирования корневых систем и управления ими необходимо понимание базовых процессов, лежащих в основе инициации и развития боковых корней. В отличие от побегов, боковые корни высших растений не имеют строго фиксированного положения на материнском корне, число их нестабильно, однако развитие корневых систем подчинено скрытым закономерностям. Выявление этих закономерностей особенно важно для понимания архитектуры корневых систем и их моделирования.
В настоящее время накоплен огромный фактический материал, охватывающий многие аспекты морфогенеза боковых корней (Демченко и др., 2001; Lloret, Casero, 2002; Dubrovsky et al, 2006; Benkova, Bielach, 2010; De Smet et al, 2012), его генетическую и гормональную регуляцию (Boerjan et al., 1995; De Smet et al., 2007, 2010, 2011), влияние окружающей среды. Предложены модели, объясняющие порядок появления и расположения боковых корней на главном корне (Celenza et al, 1995; Ruegger et al, 1997; Dupuy et al., 2010). Однако знания о механизмах гормональной регуляции инициации и развития боковых корней еще неполны и иногда противоречивы. Не вполне ясны особенности регуляции недавно выделенных стадий развития бокового корня (Laskowski et al, 1995; Malamy, Benfey, 1997). В настоящее время очень подробно изучается роль ауксина в инициации примордиев, но регуляция более поздних стадий развития боковых корней, как и влияние цитокининов на эти процессы, изучено недостаточно.
Особый интерес для изучения представляют те растения, характер ветвления корней которых проявляет какие-либо отличия от такового у традиционно изучаемых видов. Ветвление корней проростков льна Linum usitatissimum L. почти не изучено, однако, по имеющимся данным, его растущие боковые корни способны при воздействии экзогенного ауксина стимулировать заложение новых примордиев в непосредственной близости от себя (Goldacre, 1959), тогда как типичным считают ингибирование заложения новых примордиев в непосредственной близости от уже имеющихся. Для сравнения были выбраны проростки кукурузы Zea mays L., развитие и гормональная регуляция ветвления корней которых изучены очень подробно и не проявляют отличий от других изученных видов (Дубровский, Иванов, 1984; Bell, McCully, 1970; Barlow, 1974; McCully, 1975; Hurren et al, 1988; MacLeod, 1990).
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в установлении закономерностей ранних стадий формирования корневой системы проростков льна и особенностей ее гормональной регуляции. Для ее достижения поставлены следующие задачи:
Изучить особенности инициации и развития боковых корней у проростков льна и сравнить их с таковыми у проростков кукурузы.
Проверить соответствие особенностей ветвления корней льна гипотезе двухстадийного развития бокового корня.
Выявить особенности гормональной регуляции развития боковых корней льна от их инициации до выхода из главного корня посредством добавления экзогенного ауксина, экзогенного цитокинина и удаления апикальной меристемы главного корня как источника эндогенного цитокинина.
Установить степень пластичности ветвления корней льна.
Выявить зависимые и независимые от гормонального влияния процессы ветвления корней проростков льна.
Научная новизна. Впервые подробно изучен характер роста и ветвления корней у проростков льна Linum usitatissimum в естественном состоянии и при искусственно измененном гормональном балансе. Выявлено существование в корнях льна покоящихся неопределенно долгое время примордиев, остановка в развитии которых происходит в период между двумя стадиями развития. Показано, что нарушение акропетального порядка появления боковых корней на поверхности главного корня обусловлено паузами в развитии части примордиев. Установлено, что ауксины и цитокинины различным образом влияют на разные стадии развития бокового корня льна. Стимуляция корнеобразования развитыми примордиями в корнях льна не подтверждена. На примере двух изученных видов описаны две стратегии развития корневой системы покрытосеменных растений. Корневая система льна более лабильна и способна быстрее реагировать на изменяющиеся условия окружающей среды, чем корневые системы, сходные по способу развития с таковой у кукурузы. Показано, что время развития примордиев боковых корней, акропетальный порядок их инициации, зависимость способности клеток перицикла к восприятию индуцирующего сигнала от их положения относительно проводящей системы корня не могут быть изменены экспериментальными воздействиями. Подтверждена необходимость использования более широкого круга объектов для изучения морфогенеза боковых корней и учета особенностей естественного морфогенеза растения при интерпретации результатов экспериментальных исследований.
Теоретическая и практическая значимость работы. Данная работа имеет теоретический характер и направлена на выявление неизвестных аспектов корнеобразования у высших растений. Полученные результаты расширяют представления о разнообразии ветвления корней проростков и его зависимости от экспериментального изменения гормонального баланса. В перспективе они позволят разработать более общие модели ветвления корня семенного растения. Установленная особая стратегия развития корневой системы проростков Linum usitatissimum может пригодиться для разработки новых эффективных приемов агротехники льна - важной сельскохозяйственной
культуры. Полученные данные могут быть использованы в учебных курсах морфологии, анатомии и физиологии растений и в учебных пособиях по этим дисциплинам.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на IV съезде Общества физиологов растений России (Москва, 1999), на 14 Международном Симпозиуме «Биоразнообразие и эволюционная биология» Германского Ботанического Общества (Иена, 1999), на междисциплинарной конференции «Нецентрализованная регуляция биологических процессов» (Москва, 2000), на научных семинарах лаборатории физиологии корня Института физиологии растений им. К. А Тимирязева РАН (1999 - 2000), на VIII Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (Москва, 2009), на заседаниях кафедры высших растений биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 4 -статьи в рецензируемых журналах, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации — 209 страниц (основной текст изложен на 142 страницах, проиллюстрирован 18 таблицами и 53 рисунками). Список литературы включает 165 работ, в т.ч. 138 на иностранных языках.
