Физиологические особенности рекальцитрантности семян на примере конского каштана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.05, кандидат биологических наук Литягина, Снежана Владимировна

• Литягина, Снежана Владимировна
• кандидат биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Литягина, Снежана Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Рекальцитрантность семян.

1.1. Рекальцитрантные семена.

1.2. Рекальцитрантность семян каштана.

1.2.1. Созревание семян конского каштана.

1.2.2. Покой и выход из покоя семян конского каштана.

1.2.3. Прорастание семян конского каштана.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объект исследования.

2.2. Стратификация семян каштана.

2.3. Определение темпа прорастания и всхожести семян каштана.

2.4. Проращивание семян с частично удаленной семенной кожурой.

2.5. Проращивание осевых органов, отделенных от семени.

2.6. Определение влажности.

2.7. Определение активности инвертаз.

2.7.1. Определение активности вакуолярной инвертазы.

2.7.2. Определение активности кислой инвертазы клеточной стенки.

2.8. Определение фруктозы по модифицированному методу Рое.

2.9. Влияние ингибиторов на активность кислых инвертаз в отделенных от семени осевых органов семян каштана.

2.10. Определение количества углеводов.

2.11. Определение моносахаров, дисахаров и олигосахаридов.

2.12. Определение количества белка.

2.13. Электрофорез белков в денатурирующих условиях.

2.13.1. Приготовление препарата белка для денатурирующего электрофореза.

2.13.2. Полиакриламидиые гели для денатурирующего электрофореза.

2.13.3. Фиксирование и окрашивание гелей после электрофореза.

2.14. Нативный электрофорез белков.

2.15.1. Определение активности инвертазы в геле.

2.15.2. Извлечение белка инвертазы из геля.

2.16. Выделение мембран и определение вакуолярной Н+-АТФазы.

2.16.1. Набор материала для выделения микросом.

2.16.2. Выделение микросом.

2.16.3. Вестерн-блот анализ.

2.16.4. Иммунохимический метод определения вакуолярной Н+-АТФазы.

2.17. Прижизненное окрашивание микроскопических препаратов.

2.18. Электронная микроскопия.

2.19. Статистическая обработка данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ.

3.1. Влажность осевых органов каштана.

3.2. Характеристика состояния покоя.

3.3. Характеристика состояния покоя у семян с частично удаленной семенной кожурой.

3.4. Соотношение покоя, обусловленного кожурой, с покоем самого зародыша.

3.5. Рост осевых органов семян конского каштана.

3.5.1. Рост осевых органов внутри интактных семян от опадения до прорастания.

3.5.2. Рост изолированных из семени осевых органов.

3.5.3. Влияние других частей зародыша семени на рост осевых органов.63.

3.6. Влияние осмотика ПЭГ-6000 на прорастание семена каштана.

3.7. Характеристика состояния вакуолей.

3.7.1. Выявление вакуолярной Н+-АТФазы.

3.7.2. Характеристика кислой вакуолярной инвертазы в осевых органах покоящихся семян.

3.7.3. Характеристика кислой вакуолярной инвертазы в осевых органах прорастающих семян.

3.8. Углеводы в осевых органах семян конского каштана.

3.8.1. Сахароза.

3.8.2. Олигосахариды.

3.8.3. Моносахара.

ОБСУЖДЕНИЕ.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физиологические особенности рекальцитрантности семян на примере конского каштана»

Само понятие рекальцитрантность (recalcitrance) в переводе означает «непослушность». В отношении семян это понятие стало использоваться с 1980 г., когда Chin и Roberts опубликовали впервые список видов растений, которые дают рекальцитрантные семена. «Непослушность» этих семян заключается в том, что в отличие от обычных семян (так называемых ортодоксальных - orthodox seeds), они гибнут при высыхании. Ортодоксальные семена в конце периода созревания, как правило, теряют воду и высыхают до влажности около 10 %; в таком состоянии они могут храниться многие годы без потери всхожести. Это свойство ортодоксальных семян получило название «устойчивость к высыханию» (desiccation tolerance). В отличие от них, потеря воды рекальцитрантными семенами приводит их к потере всхожести и гибели. Поэтому их считают чувствительными к высыханию (desiccation sensitive).

Следует отметить, что интерес к таким семенам возник в значительной степени благодаря усилиям ЮНЕСКО и ФАО поддержать земледелие и повысить урожайность культур, традиционно растущих и выращиваемых в странах, где население не может само себя прокормить, в первую очередь в африканских государствах. В результате поддержки этих международных организаций, с одной стороны было обращено внимание на семенную продуктивность растений в этих регионах и выявлено «непослушное» поведение семян у многих видов, в первую очередь в тропических лесах. С другой стороны, исследования особенностей «непослушного» поведения рекальцитрантных семян были субсидированы ЮНЕСКО и ФАО и проведены в научных центрах в Европе и в Южной Африке.

К настоящему времени уже накоплено много сведений о рекальцитрантных семенах, касающихся их распространенности, способов хранения, экологии и физиологии (Farnsworth, 2000; Walters, 2000; Berjak, Pammenter, 2008). i

ОБЗОР ЛИТЕРА ТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Физиология и биохимия растений», Литягина, Снежана Владимировна

выводы

1. Семена конского каштана отличаются пролонгированной рекальцитрантностью, охватывающей период покоя и выход из него.

2. Семена каштана обладают покоем, что нетипично для рекальцитрантных семян. Покой обусловлен главным образом кожурой семени, и в слабой степени - осевыми органами зародыша.

3. Показано, что рекальцитрантность покоящихся и выходящих из покоя семян каштана проявляется в поддержании высокой оводненности (6365%) в осевых органах зародыша и сохранности вакуолей в них.

4. Функциональная готовность вакуолей в осевых органах проявляется в присутствии вакуолярной Н+-АТФазы и активности кислой вакуолярной инвертазы.

5. Вакуолярная инвертаза сохраняет свои структурные особенности, рН-оптимум 5.5, субстратную специфичность и потенциальную активность в период от опадения семян до прорастания.

6. Увеличение активности вакуолярной инвертазы при набухании и прорастании происходит во многом за счет биосинтеза новых молекул фермента на долгоживущей мРНК.

7. Набухание семян и выход семян из покоя сопровождается уменьшением небольшого пула запасных олигосахаридов (рафинозы и стахиозы) и увеличением содержания доминирующего углевода сахарозы, на фоне минорных количеств моносахаров (глюкозы и фруктозы).

8. Обнаружен ранний приток сахарозы в осевые органы из семядолей, который происходит в начале набухания семян и сопровождается усилением активности инвертаз в вакуоли и в клеточной стенке.

9. Накопление Сахаров в осевых органах приводит к увеличению осмотического давления при набухании, усиленному поступлению воды, увеличению вакуолей и быстрой инициации растяжения в клетках осевых органов рекальцитрантных семян.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Литягина, Снежана Владимировна, 2010 год

1. Battaglia M., Olvera-Carrillo Y., Garciarrubio A. (2008) The Enigmatic LEA proteins ans other hydrophilins. Plant Physiology, 148, 6-24.

2. Baunsgaard L., Fuglsand A.T., Jahn T., Korthout H.A.A.J., de Boer A.H., Palmgren

3. M.G. (1998) The 14-3-3 proteins associate with the plasma membrane H^-ATPase to generate a fusicoccin-binding complex and a fusicoccin responsive system. Plant J., 13, 661-671.

4. Berjak P. (2006) Unifying perspectives of some mechanisms basic to desiccation tolerance across life forms. Seed Science Research, 16, 1-15.

5. Berjak P., Farrant J.M., Pammenter N.W. (1989) The basic of recalcitrant seed behaviour. In: Taylorson R.B. (ed). Recent advances in the development and germination of seeds. New York: Plenum Press, pp. 89-108.

6. Berjak P., Pammenter N.W. (2008) From Avicennia to Zizania: Seed Recalcitrance in Perspective. Annals of Botany, 101, 213-228.

7. Bryant G., Koster K.L., Wolfe J. (2001) Membrane Behaviour in seeds and other systems at low water content: the various effects of solutes. Seed Science Research, 11, 17-25.

8. Bushnell D.A., Cramer P., Kornberg R.D. (2002) Structural basis of transcription: a-amanitin-RNA polymerase II cocrystal at 2.8 A resolution. Proc Natl Acad Sci USA, 99, 1218-1222.

9. Cheng H.-Y., Song S.-Q. (2008) Possible involvement of reactive oxygen species scavenging enzymes in desiccation sensitivity of antiaris toxicaria seeds and axes. J. of Integrative Plant Biology, 50, 1549-1556.

10. Chin H.F., Roberts E.H. (1980) Recalcitrant crop seeds. Kuala Lumpur, Malaysia: Trropical Press Sdn. Bhd.

11. Collada C., Gomes L., Casado R., Aragoncillo C. (1997) Purification and in vitro chaperone activity of class I small heat-shock protein abundant in recalcitrant chestnut seeds. Plant Physiology, 115, 71-77.

12. Connor K.F., Sowa S. (2003) Effects of desiccation on the physiology and biochemistry of Quercus alba acorns. Tree Physiology, 23,1147-1152.

13. Davis B.J. (1964) Description of discontinuous buffer system for non-denaturing gels and disc electrophoresis. Ann. N.Y. Acad. Sci., 209, 373-381.

14. Eldan M., Mayer A.M. (1974) Acid invertase in germinating Lactuca sativa seeds: Evidence for de novo synthesis. Phytochemistry, 13, 389-395.

15. Farnsworth E. (2000) The ecology and physiology of viviparous and recalcitrant seeds. Annual Review of Ecology and Systematics, 31, 107-138.

16. Farrant J.M., Walters C. (1998) Ultrastructural and biophysical changes in developing embryos of Aesculus hippocastanum in relation to the acquisition of tolerance to drying. Physiologia Plantarum, 104, 513 524.

17. Finch-Savage W.E., Pramanik S.K., Bewley J.D. (1994) The expression of dehydrin proteins in desiccation-sensitive (recalcitrant) seeds of temperate trees. Planta, 193, 478485.

18. Gee O.H., Probert R.J., Coomber S.A. (1994) "Dehydrin-like" proteins and desiccation tolerance in seeds. Seed Science Research, 4, 135-141.

19. Gorecki R.J., Piotrowicz-Cieslac A., Obendorf R.L. (1997) Soluble sugars and flatulence-producing oligosaccharides in maturing yellow lupin (Lupinus lutcus L.) seeds. Seed Sci. Res., 7,185-194.

20. Herman E.M., Li X., Su R.T.,Larsen P., Pbir P106 Sze H. (1994) Vacuolar-type H+-ATPases are associated with thy endoplasmic reticulum and provacuoles of root tip cells. Plant Physiology, 106, 1313-1324.

21. Jendrisak J.J. (1980) The use of a-amanitin to inhibit in vivo RNA synthesis and germination in wheat embryos. J Biol Chem, 255, 8529-8533.

22. Kermode A.R. (1997) Approaches to elucidate the basic of desiccation-tolerance in seeds. Seed Science Research, 7, 75-95.

23. Koster K. (1991) Glass formation and desiccation tolerance in seeds. Plant Physiology, 96, 302-304.

24. Koster K.L., Leopold A.C. (1988) Sugars and desiccation tolerance in seeds. Plant Physiology, 88, 829-832.

25. Mitsuhashi W., Sasaki S., Kanazawa A., Yang Y.-Y., Kamiya Y., Toyomasu T. (2004) Differential expression of acid invertase genes during seed germination in Arabidopsis thaliana. Biosci. Biotechnol. Biochem., 68, 602-608.

26. Obendorf R.L. (1997) Oligosaccharides and galatosil cyclitols in seed desiccation tolerance. Seed Science Research, 7, 61-74.

27. Obenland D.M., Simmen U., Boiler T., Wiemken A. (1993) Purification and characterization of three soluble invertases from barley (Hordeum vulgare L.) leaves. Plant Physiol., 101, 1331-1339.

28. Obroucheva N.V. (1999) Seed germination: A guide to the early stages. Leiden: Backhuys Publ., p. 158.

29. Obroucheva N.V., Antipova O.V. (2002) Physiological characteristics of dormant and germinating horse chestnut seeds. In: Tree Seeds 2002, Thanos C.A. (Ed.), Athens: Univ. Athens, pp. 109-115.

30. Obroucheva N.V., Antipova O.V. (2003) Germination of horse chestnut seeds: cell growth and hormonal regulation. Seed Technol., 25, 128-137.

31. Oliver A.E., Leprince O., Wolkers W.F., Hincha D.K., Heyer A.G., Crowe J.H.2001) Non-disaccharide-based mechanisms of protection during drying. Cryobiology, 43, 151-167.

32. Pammenter N.W., Berjak P. (1999) A review of recalcitrant seed physiology in relationto dessication-tolerance mechanisms. Seed Science Research, 9, 13-37.

33. Peterbauer T., Richter A. (2001) Biochemistry and physiology of raffinose familyoligosaccharides and galactosyl cyclitols in seeds. Seed Sci. Res. 11, 185-197.

34. Pritchard H., Steadman K., Nash J., Jones C. (1999) Kinetics of dormancy release andthe high temperature germination response in Aesculus hippocastanum seeds. J. Exp. Bot.,50,1507-1514.

35. Pukacka S., Wojkiewicz E. (2002) Carbohydrate metabolism in Norway maple and sycamore seeds in relation to desiccation tolerance. Journal of plant physiology, 159, 273279.

36. Roitsch T., Balibrea M.E., Hofmann M., Proels R., Sinha A.K. (2003) Extracellular invertase: key metabolic enzyme and PR protein. J. Exp. Bot., 54, 513-524. Roitsch T., Tanner W. (1996) Cell wall invertase: bringing the gap. Bot. Acta, 109, 9093.

37. Schildmacher H., Borris H. (1967) Untersuchungen uber gibberellingehalt von reifenden und keimenden Aesculus-samen. Wiss. Z. Univ. Rostock, Math.-Naturwiss. Reihe., 16, 587-589.

38. Steadman K.J., Pritchard H.W., Dey P.M. (1996) Tissue-specific soluble sugars in seeds as indicators of storage category. Annals of Botany, 77, 667-674.

39. Sturm A. (1999) Invertases. Primary structures, functions, and roles in plant development and sucrose partitioning. Plant Physiol., 121, 1-7.

40. Towbin H., Staehelin Т., Gordon J. (1979) Electrophoretic transfer of protein from polyacrylamide gels to nitrocellulose sheets: procedure and some applications. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 77, 428-432

41. Tweddle J.C., Dickie J.B., Baskin C.C., Baskin J.M. (2003) Ecological spects of seed desiccation sensitivity. Journal of Ecology, 91, 294-304.

42. Азаркович М.И., Гумилевская H.A. (2006) Анализ белков семядолей зрелых семян конского каштана. Физиология растений, 53, 711-720.

43. Азаркович М.И., Гумилевская H.A. (2007) Дегидрин-подобные белки в рекальцитрантных семенах конского каштана при глубоком покое и прорастании. Материалы V Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений». Минск, 7.

44. Азаркович М.И., Гумилевская H.A. (2009) Синтез белка в покоящихся рекальцитрантных семенах в условиях холодового стресса. Материалы VI-й Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск, 8.

45. Антипова О.В., Бартова JLM., Вобликова В., Калашникова Т.С., Муромцев Г.С., Обручева Н.В. (1999) Фузикокцин-подобные лиганды в осевых органах семян конского каштана. Физиология растений, 46, 29-33.

46. Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятов А.Г., Джалилова Х.Х., Ильина Г.М., Чубатова Н.В. (2004) Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. М.: Наука, 312 с.

47. Гумилевская H.A., Азаркович М.И. (2007) Физиолого-биохимическая характеристика рекальцитрантных семян (обзор). Прикладная биохимия и микробиология, 43, 366-375.

48. Гумилевская H.A., Азаркович М.И., Комарова М.Е., Обручева Н.В. (2001) Белки осевых органов покоящихся и прорастающих семян конского каштана: 1. Общая характеристика белков. Физиология растений, 48, 5-17.

49. Мусатенко Л.И., Генералова В.Н., Мартын Г.И. (1997) К вопросу о физиологиипокоя семян Aesculus hippocastanum L. Укр. Бот. Журнал, 54, 86-91.

50. Мусатенко Л.И., Генералова В.Н., Мартын Г.И., Веденичева Н.П., Васюк В.А.2003) Гормональный комплекс и ультраструктура формирующихся семян Aesculus hippocastanum L. Физиология растений, 50, 404-409.

51. Николаева М.Г. (1982) Физиология и биохимия покоя и прорастания семян. Ред. H.A. Кан. М.: Колос, с 72-96.

52. Обручева Н.В., Антипова О.В. (1999) Общность физиологических механизмов подготовки к прорастанию у семян с различным типом покоя. Физиология растений, 46, 363-368.

53. Обручева Н.В., Антипова О.В. (2004) Роль воды в переходе рекальцитрантных семян от покоя к прорастанию. Физиология растений, 51, 942-951.

54. Обручева Н.В., Антипова О.В., Азаркович М.И., Гумилевская H.A. (2004) Анализ способности к росту зародышевых осей в период покоя семян и выхода из него. Докл. АН., 396, 424-426.