Введение к работе
Актуальность темы. Пролиферация клеток лежит в основе онтогенеза всех многоклеточных организмов. Изучение этого процесса и его регуляции является одной из кардинальных проблем цитологии, физиологии и биологии развития, а также имеет важное пракгическое значение.
Интенсивная пролиферация, однонаправленный рост, легкость обработки различными веществами сделали корни растений (особенно проростков) излюбленным объектом исследований. Однако, несмотря на огромное число работ, сделанных на корнях, нет единого понимания многих моментов пролиферации клеток в корне. Такое положение может быть связано с тем, что в большинстве работ, посвященных росту корней, усредняют значения, полученные при измерениях большого числа корней. В этом случае, индивидуальная изменчивость корней не учитывается, в то время как одно и то же событие (например, окончание пролиферации клеток) может происходить в разных корнях на разном расстоянии от кончика.
После того, как в 50-х годах Говард и Пелк сформулировали концепцию митотического цикла, размножение клеток описывают в терминах этой парадигмы. Временные параметры митотического цикла и их изменение отражают суть событий, которые происходят с клеткой при ее размножении под влиянием генетических факторов и факторов внешней и внутренней среды между двумя последовательными митозами. В основе регуляции размножения клеток лежит регуляция прохождения ими фаз митотического цикла (Епифанова, 1997).
Из-за наличия клеточной стенки, клетки растений не могут перемещаться одна относительно другой и растут согласовано (симпластно) (Синнот, 1963). Такая организация роста обуславливает связь между прохождением клетками митотического цикла и ростом (Иванов, 1974). Поэтому размеры и расположение делящихся клеток в меристемах и клеток могут указывать на закономерности клеточной пролиферации. В работах, посвященных размножению клеток в корнях, исследователи отмечали сгруппированность делящихся клеток в рядах, что объясняли как синхронностью митотических циклов, так и различными способами взаимодействия клеток (например, митогенетические лучи, химическое взаимодействие). Поэтому, на наш взгляд, было актуальной задачей как можно более полно изучить взаиморасположение
!\jC. макиональиая библиотека
СПетерву^г.» J
и размеры делящихся клеток, чтобы ответить на вопросы о причинах закономерностей их расположения в меристемах корней.
Цели и задачи работы. Первой задачей нашего исследования было выявить, какие особенности расположения делящихся клеток в меристеме корня могут, а какие не могут, возникнуть в результате случайного распределения делящихся клеток, поскольку в литературе такого анализа нами найдено не было.
Следующей задачей было построить модель ряда размножающихся клеток. Целью моделирования было установить, какие факторы (в первую очередь вариабельность длительностей циклов клеток) и как влияют на распределение делящихся клеток в ряду. В литературе есть ряд моделей, посвященных размножению клеток в меристеме корня (Lopez-Saez et al, 1975, 1983, Harte, Lindermayer, 1983, 1988, Bertaud et al, 1986, Luck, Barlow, Luck, 1994, 1997) однако, моделей, где получали распределение делящихся клеток или клеток различного возраста вдоль рядов нам не известно.
Показано, что растущие клетки переходят к делению по достижении ими определенного (критического) размера (Иванов, 1971, Демченко, 1975, Webster, 1979, Armstrong, Francis, 1985, Korn, 1980,2001), однако разброс длин делящихся клеток коры пшеницы и кукурузы - двукратный, и максимальные интерфазные клетки почти такие же, как максимальные митотические. Такая вариабельность оставляет возможности для различных толкований, и в литературе есть работы, авторы которых приходят к выводу о том, что в меристеме присутствуют не пролиферирующие клетки или правило критического размера верно не для всех клеток (Evans, 2000, Evans et al, 2001). Поэтому следующей нашей задачей было найти причины такого более, чем двукратного разброса длин делящихся клеток, в меристеме корней.
Еще одной задачей нашей работы было изучить изменение скорости роста вблизи покоящегося центра (ПЦ). Известно, что в ПЦ скорость роста очень низка, и все клетки находятся в митотическом цикле (Демченко, 1985). Однако изменение относительной скорости роста вблизи ПЦ оставалось слабо изученным вопросом.
Научная новизна и практическая ценность работы. С помощью моделирования впервые показано, что случайных отклонений в длительностях циклов клеток (которые возникают в результате неравных делений клеток) достаточно, чтобы полностью сымитировать структуру популяции и картину распределения делящихся клеток, характерную для корней кукурузы и
пшеницы при совершенно идентичном алгоритме размножения клеток. Показано, что разброс длительностей циклов клеток является ключевым параметром, определяющим картину распределения делящихся клеток в ряду пролиферирующих клеток.
С помощью новых разработанных методов анализа рядов клеток детально проанализирована изменчивость их длин клеток и сделаны выводы о точности критического размера перехода клеток к митозу. Показана специфичность критического размера перехода клеток к делениям в каждом ряду. Получены данные о степени синхронности митотических циклов в меристеме корня.
Впервые оценено изменение относительной скорости роста вблизи покоящегося центра.
Методы, предложенные в работе, могут быть использованы для анализа роста различных объектов.
Апробация работы. По материалам диссертации сделаны доклады на IV съезде физиологов растений (Москва, 1999), на VII молодежной конференции ботаников (Санкт-Петербург, 2000), на II Международной конференции по анатомии и морфологии растений (Санкт-Петербург, 2002), на конференции молодых ученых ИФР РАН (Москва, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, постановки задачи, методики исследования, включая алгоритм модели, результатов исследования, обсуждения и выводов. Список цитированной литературы включает ^2названий, в том числе 94 иностранных. Диссертация изложена на страницах и содержит 21 таблицу и 32 рисунка.
