Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Изучение формирования генеративных органов растений является важнейшей общебиологической задачей, связанной с вопросами эволюции и выживания видов, и в то же время служит теоретической базой для поиска путей интенсификации сельскохозяйственного производства.
Фитогормоны играют ключевув роль во взаимодействии различных органов и тканей растений, в их реакции на воздействие факторов окружающей среды, и тем самым осуществляют интеграцию физиологических процессов, обеспечивая целостность растительного организма и его приспособительные реакции (Кулаева, 1973, 1982; Кофели, 1974; Полевой, 1985; Муромцев, Чкаников и др. 1987; Чайлахян, 1964. 1988; Шевелуха, 1992). В частности, гормональная система играет важную роль в регуляции основных процессов, происходящих при формировании генеративных органов, в том числе опадения цветков и завязей, которое может существенно ограничивать продуктивность растений люпина.
Опадению органов растений предшествует образование отделительного слоя, которое может индуцироваться как этиленом (ReId, 1984). так и АБК (Osborne, McManus, 1984; Sargent et al. 1984). Хотя опадавцие завязи люпина велтого были одним из первых объектов, из которых была выделена и идентифицирована АБК. мнения о ее возможной роли в опадении цветков люпина были противоречивы: так. Van Stevenlnck (1957) показал, что в опадающих завязях уровень АБК намного выяе. чем в развивающихся плодоэлементах. a Porter (1977, 1981) получил противоположные результаты, и в его опытах экзогенная АБК не вызывала опадения генеративных органов люпина. В отноиении этилена в некоторых работах указывалось, что он не несет функциональной нагрузки регуляции степени опадения, а слу-гит лиаь координирующим сигналом опадения (Addlcot. 1982). При этом предполагалось, что ИУК ыозет определять чувствительность отделительного слоя к этилену, а в отноаении роли цитокининов и гиббереллкнов в регуляции опадения сведения носили противоречивый xapairrep. В результате дате для хлопчатника, одной из наиболее изученных в этой отнонегеш культур, не удалось разработать строй-нув непротиворечивую гормональную теории регуляции опадения гено-ратизных органов (Sadras, 1035).
Существует очевидная взаимосвязь ассімилируге;ен способности растеши 2! степени спадения генеративних оргакоэ. однако боль-
- г -
еинство. исследований оставляет открытым вопрос о том, существует ли в растении прямая регуляция опадения цветков и завязей ассими-лнтами или она опосредована системой фитогормонов? Ответ на этот вопрос непосредственно связан с актуальной для практики сельского хозяйства проблемой увеличения продуктивности растений люпина путем обработки их регуляторами роста.
Процессы, происходящие при росте и созревании семян, в силу их важности привлекают большое количество исследователей. Давно иавестно. что фитогормоны "стиыулирущего" действия: ауксины, гиббереллины и цитокиникы. - стимулируют рост и развитие плодов, а этилен и АБК связаны с созреванием, обезвоживанием семян и переходом к покою. Однако в конце 70-х и начале 80-х годов появились данные об особой роли АБК при созревании (Ше, Dure, 1972; Dure,- 1983), в частности, стимуляции ею биосинтеза запасных белков. Однако неполнота, фрагментарность и противоречивость данных, например по поводу влияния АБК на транспорт ассимилятов в генеративные органы (Porter, 1981; Gilford. 1986; Ross et al.. 1987 ). не позволяли однозначно сформулировать роль АБК, как гормона, координирование и комплексно регулирующего все основные процессы, связанные с формированием и созреванием семян. Роль других фито-гормонов, характер их взаимодействия с АБК, остались почти не изучены. На гелтом люпине работы в этом направлении совсем не проводились, хотя вопросы формирования полноценных семян и потери их качества при прорастании на корню иисют важное значение для данной культуры.
В последние два десятилетия использование в физиологии растений методов молекулярной биологии и генетической инаенерии позволило изучать механизмы гормональной регуляции физиологических процессов, а появление метода имыуноферыентного анализа облегчило определение эндогенного уровная фитогормонов в растительных, тканях, что значительно расширило возможности исследователей.
При проведении настоящей работа в качестве общих предпологе-ний концептуального характера, на основании которых строились рабочие гипотезы и конкретные эксперименты, іш использовали следуйте следующие положения:
- формирование генеративных органов люпина находится под контролеи гормональной системы, которая при опадении цветков и аааязей люпина и при дальнейаеи развитии плодов опосредует влил-
ниє на эти процессы как факторов внешних условий, так и физиологического состояния растения, определяемого предшествующим его развитием;
ь многокомпонентной системе гормональной регуляции на отдельных этапах формирования и опадения генеративнях органов люпина желтого выделяются основные и вспомогательные звенья регуляции.
выделение ключевого звена позволяет углубить понимание физиологического механизма регуляции изучаемых процессов и предло-аить селекционные или технологические решения исследуемых проблем;
при созревании семян люпина ключевую роль играет абсцизо-вая кислота, которая представляет собой интегрирующий фактор в системе целого растения, обеспечивающий созревание семян. При этом она является триггером, переключающим генетические программы развития, индуцируя созревание и ингибируя прорастание семян.
Цель настоящей работы состояла в изучении на одном объекте -люпине желтом - роли и места гормональной системы в регуляции основных процессов, протекающих при формировании генеративных органов - от бутонизации до полного созревания семян.
В соответствии с этам были'поставлены следующие задачи:
исследование роли гормональной системы в регуляции опадения цветков и завязей люпина, выделение ключевых гормонов и изучение их взаимодействия в этом процессе;
изучение соотношения трофической и гормональной систем регуляции развития плодоэлементов;
разработка подходов для уменьшения опадения плодоэлементов с помощью применения регуляторов'роста;
исследование регуляции основных программ, реализующихся при формировании семян люпина;
изучение закономерностей гормональной регуляции поступления питательных веществ в развивающиеся плодоэлементы люпина.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведено комплексное изучение роли фитогорноноз при формировании плодоэлементов от цветения до созревания семян на примере люпина келтого и предложены схемы гормональной регуляции важнейших процессов.
- установлено, что этилен и аукеш являются парой гормонов,
играющей главную роль в непосредственном контроле процесса икаде-
ния цветков и молодых завязей люпина желтого. Первый из них служит индуктором опадения, а второй определяет чувствительность отделительного слоя к нему, как сигналу опадения.
обнаружена функциональная физиологическая специализация ПУК и этилена в двух аспектах регуляции опадения цветков у люпина желтого: этилен является не только индуктором и временным коорди-начором процесса опадения, но также наряду с другими факторами участвует в оперативной регуляции опадения плодоэлементов, а гра-диЄпї ПУК вдоль соцветия определяет разницу р опадении цветков верхних и нижних мутовок;
доказано, что пик выделения этилена при цветении, необходимый для индукции опадения, запрограммирован на уровне экспрессии генов - увеличения количества транскриптов генов АЦК-синтета-зы;
-установлен диапазон оперативной регуляции опадения цветков лшіина этиленом в период цветения: 307. в сторону увеличения и 10-15% - уменьшения от общего количества цветков в соцветии;
- доказано, что опадение цветков и завязей является избыточным - в растении люпина желтого существует резерв поступления ас-симилятов к генеративным органам и прямое торможе: ие механизма опадения плодов приводит к увеличению урожая семян;
для подавления опадения цветков и завязей и повышения зерновой продукчивиости люпина желтого предложено использовать ингибитор биосинтеза этилена конкурентного действия. 2-аминоизомасля-ную кислоту (кШ). а также его композиции с веществами другого механизма действия, стимулирующими метаболизм и аттракцию ассими-/ішов в плодоэлементах, Обработка ими позволяет увеличить зерновую продуктивность люпина на 25-30 (до 40 - в отдельных опытах);
установлена высокая эффективность АИМ при межвидовой, гибридизации люпина в случае несовместимых комбинациях;
показано, что АБК при развитии плода люпина желтого играет триггерную роль, переключая генетические программы развития - подавляет программу прорастания и индуцирует процессы, связанные с созреванием, в частности, биосинтез запасных белков;
- продемонстрирована комплексность действия АБК при созрева
нии, она направляет и стимулирует все основные процессы; рост за
родыша, накопление запасного белка, разгрузку ассимилятов из фло-
змы внутрь семени, перераспределение ассимилятов. . То есть, АБК является тем самым интегрирующим фактором, который определяет функционирование целостного растения, направляя его на созревание семян;
фитогормоны "положительного" действия ПУК, ГК и цитокинины неспецифически стимулируют любую активированную программу развития - и прорастания и созревания. Совместно с АБК они обеспечивают аттракцию ассимилятов в растущие плоды люпина;
показано, что АБК является главным фактором, предохраняющим семена от прорастания на корню и обеспечивающим их качество. Предложено использовать накопление АБК в створках бобов при созревании как признак в селекции на отсутствие прорастания на корню и сохранение качества семян в неблагоприятных условиях.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. В результате выявления основных звеньев регуляции опадения цветков и завязей люпина предложен способ повышения продуктивности растений люпина путем обработки регуляторами роста.
Обнаружение положительного эффекта аминоизомасляной кислоты при развитии зародышей люпина позволяет использовать этот препарат и композиции на его основе для повышения выхода гибридных зародышей при отдаленной гибридизации люпина.
Предложенные схемы гормональной регуляции опадения цветков и формирования семян могут быть полезны для селекционеров и технологов при разработке стратегии селекции и технологических приемов. Например, в селекции на высокое качество семян важно учитывать обнаруженный факт, что АБК створок бобов является основным фактором, ингибирующим преждевременное прорастание семян у лишенных "твердокаменности" сортов люпина.
Выяснение роли фитогормонов и их взаимодействия в регуляции важнейших физиологических процессов является теоретической основой для разработки биотехнологичс-скил и і онноинкенерных подходов с целью получения новых форм люпина с улучшенными свойствами, так как для большинства фитогормонов известны генетические структуры, которые ногут быть использованы для усиления или ослабления биосинтеза этих гормонов. В частности, для этих целей могут быть полезны выделенные наш полинуклеотиды. содернащие последовательности, кодирующие АЦК-синтетазу люпина келтого.
Полученные результаты являются хороией иллюстрацией общих
принципов функционирования гормональной системы растений и могут Сыть использованы при разработке спецкурсов по физиологии растений в ВУЗах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты были доложены на конференции "Молекулярные механизмы регуляции метаболитических процессов" (Минск. 1987), II Всесоюзной конференции по регуляторам роста и развития растений (Киев,1988), Международной конференции "Биология культивируемых клеток и биотехнология" (Новосибирск. 19о8), Бессоюзной конференции по физиологии семян (Душанбе, 1988). Международной конференции "Эмбриология и семенное размно- ' жение" (Ленинград,1990), 5 Международной конференции по люпину (Познань.1988). II съезде ВОФР (Минск,1990), II Российском симпозиуме "Новые методы биотехнологии растений" (Пущико, 1S93), Международном симпозиуме "Физиология абсцизовой кислоты" (Пущи-но, 1993), 8 Международной конференции по люпину (Асиломар,199G), 3 с-кегодном симпозиуме "Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология" (Москва,1997), 4 Международной конференции ':Регуляторы роста и развития растений" (Москва. 1997).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включавшего к20 ссылок, и том на MQ иностранных работ. Работа изложена на ЗМ страницах, включая 5й рисункоз и 36 таблиц.
Похожие диссертации на Гормональная регуляция формирования генеративных органов люпина желтого
