Инициация и направление роста латеральных корней Zea mays в ответ на гравистимуляцию и декапитацию главного корня Е.А. Митирёва Научный руководитель к.б.н. Т.Н.Бибикова Москва 2012

Введение Цель нашей работы заключалась в изучении влияния главного корня на гравиотропизм и инициацию латеральных корней у кукурузы. Корень – это осевой вегетативный орган сосудистых растений. Функции корневой системы: всасывание и проведение воды и минеральных веществ закрепление растения в субстрате запасание веществ в самом корне вегетативное размножение.

Использованные в работе растения Кукуруза Zea mays L., однодольное растение семейства Злаковые (Gramineae), корневая система которого подробно изучена.

Использованные в работе растения Для сравнения были выбраны проростки огурца Cucumis sativus L., двудольного растения из семейства Тыквенные (Cucurbitaceae)

Использованные в работе растения а также проростки гороха Pisum sativum L., двудольного растения из семейства Бобовые (Leguminosae).

Задачи Создать камеру для выращивания растений, в которой растение бы росло в оптимальных условиях, но в двумерном пространстве, и которая позволяла бы изучать архитектуру корня при его минимальной механической стимуляции. Охарактеризовать GSA (gravitational set-point angle) Zea mays L., Cucumis sativus L. и Pisum sativum L. латеральных корней в зависимости от наличия или отсутствия корневого чехлика, зоны роста и зоны растяжения главного корня. Освоить изготовление срезов и методы их окрашивания. Охарактеризовать положение латеральных корней относительно вектора гравитации и основного корня. Произвести статистическую обработку полученных данных.

Гипотезы При декапитации (удалении корневого чехлика) главного корня его латеральные корни будут иметь иной угол, чем у обычных недекапитированных растений. Разные виды растений будут показывать сходный результат при изучении направления роста латеральных корней, и сравнении угла, образованного латеральным корнем и главным корнем, а также угла, образованного латеральным корнем и вектором гравитации. Декапитация главного корня не влияет на инициацию латеральных корней у тех растений, которые не были гравистимулированы. Существует различие между положением латеральных корней и инициалей у гравистимулированных и негравистимулированных декапитированных корней.

Гравитропизм это реакция растения на силу земного притяжения, гравитацию. Явление гравитропизма корней состоит из перцепции гравитации, трансдукции и ответа, проявляющегося как асимметричный рост в зоне растяжения. GSA это термин, используемый для описания угла, отсчитываемого относительно вектора гравитации. Он меняется у разных видов растений, зависит от стадии развития органа, физиологического состояния растения и внешних условий. У корневой системы GSA обозначают угол между вектором гравитации и латеральным или придаточным корнем. пример отрицательного гравитропизма (цветонос Рябчика Императорского) цветонос из положения a переходит в положение d

Материалы и методы проростки высаживались в «конверты»: пластина из органического стекла, слой черной ткани, слой светлой ткани, поролон две группы корней: с обрезанной верхушкой (зона роста, зон растяжения и корневой чехлик) и контрольная группа в установке влажность близка к 100% 1-2 растения в конверте для всех данных статистическая обработка производилась в среде R. «конверт» для проращивания

Материалы и методы Температура в аквариуме была равна 24°С Направление роста латеральных корней корни фотографировали, измеряли угол между главным и латеральными корнями, и между латеральными корнями и вектором гравитации результаты обрабатывали при помощи статистического теста Стьюдента для параметрических данных.

Материалы и методы Инициация латеральных корней у Zea mays L. зафиксировали корни в растворе уксусной кислоты в этиловом спирте (3:1) сделали поперечные надрезы безопасным лезвием, предварительно делая неглубокий продольный надрез по всей длине корня, который являлся точкой отсчета и принимался за 12 часов надрез проходил у гравистимулированных корней по апикальной стороне. срезы окрашивали толуидиновым голубым (toluidine blue) оставляли в глицерине, потом записывали положение каждого латерального корня или его инициали

Результаты Направление роста латеральных корней мы исследовали 11 корней кукурузы с необрезанными корневым чехликом, зоной роста и зоной растяжения и 21 корень с обрезанными величина угла между латеральным корнем и главным корнем достоверно различается между корнями с обрезанными и необрезанными корневым чехликом, зоной роста и зоной растяжения (p-value < 2.2e-16) у кукурузы достоверно различается величина угла между латеральным корнем и вектором гравитации (p-value < 2.2e- 16) углы латеральных корней кукурузы темная линия посередине – медиана, границы прямоугольника – нижняя и верхняя квартиль соответственно, границы «усов» – минимум и максимум без учета «выбросов», круги - выбросы

Результаты у гороха, выбранного для сравнения с кукурузой, мы исследовали 17 не декапитированных корней и 23 декапитированных корня. у гороха достоверно отличается величина угла между латеральным корнем и главным корнем между корнями с обрезанными и необрезанными корневым чехликом, зоной роста и зоной растяжения (p-value = ). между величинами углов между латеральным корнем и вектором гравитации достоверных различий не выявлено.(p-value = )

Результаты мы исследовали 8 недекапитированных и 15 декапитированных корней огурца у огурца достоверно отличается величина угла между латеральным корнем и главным корнем между декапитированными и недекапитированными корнями (p-value < 2.2e-16) достоверно отличается величина угла между латеральным корнем и вектором гравитации между декапитированными корнями и контрольной выборкой (p-value < 2.2e-16).

Результаты Инициация латеральных корней Мы исследовали 10 корней каждого типа, кроме декапитированных, гравистимулированных (12) 10, 11, 12, 1, 2 часов – «верх» 8, 7, 6, 5, 4 часов – «низ» 3, 9 часов – «середина» 1.недекапитированные, негравистимулированные (контрольная группа) 2.недекапитированные, гравистимулированные 3.декапитированные, негравистимулированные 4.декапитированные, гравистимулированные Разделение на «часы» среза срез разделен на часы, за 12 часов - место продольного надреза

Результаты Положения латеральных корней у недекапитированных гравистимулированных и негравистимулированных достоверно отличаются (p-value = 1.615e-05). При этом не отличаются достоверно положения корней у контрольной группы и группы негравистимулированных декапитированных (p-value = ). И негравистимулированные, декапитированные отличаются достоверно от гравистимулированных, декапитированных ( p-value = ). Гравистимулированные, декапитированные не отличаются достоверно от гравистимулированных, но недекапитированных (p-value = ). пример среза (латеральные корни на 1 и 9 часах)

Выводы При декапитации главного корня латеральные корни Zea mays радикально меняют свой угол отхождения от главного корня, а также от вектора гравитации. Существует механизм, за счет которого латеральные корни способны ощущать отсутствие части главного корня и, вследствие этого, менять свое положение и направление роста. Подобный механизм наблюдается не только у Zea mays, но и у растений из других семейств (Cucumis sativus и Pisum sativum). За время наших наблюдений не было случаев, когда один латеральный корень резко менял бы свой угол, в то время как угол других корней остался бы неизменным. Возможно, что время наблюдений стоит продлить. Нами не были отмечены латеральные корни, которые бы изгибались ещё внутри главного корня. Существует механизм, за счет которого у декапитированных корней латеральные корни инициируются примерно с той же стороны, что и у недекапитированных корне, а следовательно существует собственный гравитропизм у латеральных корней.

Благодарности Мы выражаем благодарность нашему научному руководителю, Бибиковой Татьяне Николаевне, за чуткое руководство и помощь на всех этапах работы, Площинской Марии Евгеньевне за предоставленное лабораторное оборудование и помощь в освоении методики изготовления срезов, Глаголеву Сергею Менделевичу за организацию практики, Петри Наталии Дмитриевне за ценные советы касательно статистической обработки, а также всем, кто помог советами и критической оценкой созданию данной работы.

Спасибо за внимание !

Литература 1. Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. Физиология растений: Учебник для студ. вузов; под ред. И.П. Ермакова М., Издательский центр «Академия», 2005, 640 с. 2.Hangarter R. P. Gravity, light and plant form. Plant, Cell and Environment 1997,v. 20, 6, pp Morita M.T. Directional gravity sensing in gravitropism, Annu. Rev. Plant Biol. 2010,v. 61, 1, pp Blancaflor, E.B., Fasano, J.M., and Gilroy. S. Mapping the functional roles of cap cells in the response of Arabidopsis primary roots to gravity. Plant Physiology, 1998,v. 116, 1, pp Fasano, J., S. Swanson, E. Blancaflor, P. Dowd, T. Kao, and S. Gilroy Changes in root cap pH are required for the gravity response of the Arabidopsis root. Plant Cell, 2001,v. 13, 11, pp. 907– Blancaflor, E.B., Fasano, J.M., and Gilroy, S., Mapping the functional roles of cap cells in the response of Arabidopsis primary roots to gravity. Plant Physiol.,1998, v. 115, 1, pp. 213–222.

Литература 7.Hou, Guichuan; Kramer, Victoria L.; Wang, Yuh-Shuh; Chen, Rujin; Perbal, Gerald; Gilroy, Simon; Blancaflor, Elison B., The promotion of gravitropism in Arabidopsis roots upon actin disruption is coupled with the extended alkalinization of the columella cytoplasm and a persistent lateral auxin gradient, 2004, v. 39, iss. 1, pp Mullen J.L., Wolverton C., Hangarter R.P.. Apical control, gravitropic signaling, and the growth of lateral roots in Arabidopsis. Advances in Space Research 2005,v. 36,Iss. 7, pp. 1211– Kiss J.Z., Miller K.M., Ogden L.A. and K.K. Roth. Phototropism and gravitropism in lateral root of Arabidopsis. Plant cell Physiol. 2002,v. 43, 1, pp Bottger M., Apical Dominance in Roots of Pisum sativum L. Planta (Berl.), 1974, v. 121, 17, pp Площинская М.Е., Периодизация и регуляция морфогенеза боковых корней Linum usitatissimum L. Автореф. дис. … канд. биол. наук. М. МГУ им. Ломоносова, 22 с. 12. R: a language and environment for statistical computing. Vienna: R Foundation for Statistical Computing [Electronic resource] Режим доступа:

У контрольной группы «вверх» были инициированы 55, а «вниз» 75 латеральных корней. У недекапитированных, но гравистимулированных растений «вверх» были инициированы 37, а «вниз» 95 латеральных корней. У декапитированных и негравистимулированных растений мы наблюдали 85 корней инициированных «вверх» и 64 инициированных «вниз». И, наконец, у декапитированных и гравистимулированных растений 31 корень был инициирован «вверх» и 71 корень был инициирован «вниз»