Материалы портала «Научная Россия»

Модулятор корневой системы

Новосибирские биологи в составе международной группы проанализировали влияние салициловой кислоты на развитие корня растенияArabidopsisthaliana и выяснили, что ее концентрация по-разному влияет на структуру корневой системы

Салициловая кислота является природным фенольным соединением, которое помогает культурным растениям поддерживать иммунитет и способствует прорастанию семян, их вегетативному росту и формированию цветов.

Ученые идентифицировали два варианта концентрации салициловой кислоты на корень растения и обнаружили, что в одном случае достигается эффект регулятора развития, в другом - она действует как гормон стресса. Затем специалисты протестировали корни растений экспериментально и провели математические расчеты и пришли к выводу, что низкая концентрация салициловой кислоты (СК) меняет структуру корневой системы.

В международном рецензируемом научном издании Plant Physiology (2019, Vol. 180, pp. 1–15) опубликована статья, в которой обработаны собранные данные, свидетельствующие о том, что салициловая кислота действительно воздействует на рост и развитие корней.

Виктория Владимировна Миронова – кандидат биологических наук, заведующая сектором Системной биологии морфогенеза растений, Отдела системной биологии Института цитологии и генетики СО РАН, (г. Новосибирск), старший научный сотрудник лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики Новосибирского государственного университета.

Виктория Владимировна Миронова – кандидат биологических наук, заведующая сектором Системной биологии морфогенеза растений, Отдела системной биологии Института цитологии и генетики СО РАН, (г. Новосибирск), старший научный сотрудник лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики Новосибирского государственного университета.

Комментирует Виктория Владимировна Миронова – кандидат биологических наук, заведующая сектором Системной биологии морфогенеза растений, отдела системной биологии Института цитологии и генетики СО РАН (г. Новосибирск), старший научный сотрудник лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики Новосибирского государственного университета: «Мы нашли и описали неизвестный ранее физиологический эффект салициловой кислоты на корень растения. Ранее исследователи использовали слишком высокие концентрации (>50 мкомоль), которые ингибируют все ростовые процессы, хотя и включают защитные механизмы растения. Мы показали, что при низких концентрациях (<50 мкомоль) салициловая кислота действует как модулятор роста: ингибируется рост главного и боковых корней, зато активируется рост придаточных корней и развитие меристемы корня. Эти процессы происходят, потому что салициловая кислота меняет распределение другого фитогормона - ауксина».

Как правило, многие работы по изучению салициловой кислоты направлены на изучение действия ее высоких концентраций и преимущественно, в надземной части растения. В этом исследовании внимание было уделено действию салициловой кислоты в корнях. В чем преимущество этого соединения перед другими при изучении роли на корневую систему растений? По замечанию Виктории Мироновой: «Салициловая кислота (СК) - это фитогормон растений, роль которого заключается, но не ограничивается регуляцией устойчивости растения к патогенам».

Рисунок 1. Салициловая кислота ингибирует рост главного корня вне зависимости от концентрации (вверху), но активирует рост придаточных корней, у основания стебля, только при низких концентрациях.

Рисунок 1. Салициловая кислота ингибирует рост главного корня вне зависимости от концентрации (вверху), но активирует рост придаточных корней, у основания стебля, только при низких концентрациях.

Роль салициловой кислоты как регулятора роста и развития корней. тестировалось на конкретном виде растения. «В нашей работе мы изучали действие СК на развитие корня модельного растения Arabidopsis thaliana. Его широко используют в фундаментальных исследованиях в силу удобства экспериментальной работы с ним (маленькое растение, с коротким жизненным циклом, большим количеством семян и отсеквенированным геномом). Для этого растения разработано множество экспериментальных процедур и генетических линий для эффективного исследования. Аналогичное исследование на другом растении заняло бы гораздо больше времени и сил», - пояснила Виктория Миронова.

Российские биологи проводили исследование в составе международной группы специалистов. «Участие в этом проекте нам предложили коллеги из Университета Фрайбурга (Германия) под руководством профессора Клауса Пальме. Они вели экспериментальную работу в этом направлении, но не все складывалось, не все было понятно. Мы подключились к этому проекту 5 лет назад. Начали с разработки математической модели и компьютерного анализа изображений. Постепенно участие в проекте с нашей стороны стало все более плотным, так что последние два года все работы велись под моим руководством в Институте цитологии и генетики. Нам помогал Тарас Пастернак из Университета Фрайбурга», - сообщила Миронова.

Рисунок 2. Математическое моделирование распределения фитогормона ауксина в кончике корня. При низких концентрациях СК (в центре) концентрация ауксина в стволовых клетках резко увеличивается. При высоких концентрациях (справа), наоборот, резко уменьшается.

Рисунок 2. Математическое моделирование распределения фитогормона ауксина в кончике корня. При низких концентрациях СК (в центре) концентрация ауксина в стволовых клетках резко увеличивается. При высоких концентрациях (справа), наоборот, резко уменьшается.

Экспериментальные данные были обработаны при помощи метода математического моделирования. «Наша группа исследовала распределение ауксина в норме и после обработки СК с помощью математической модели. Иначе оценить концентрации фитогормонов в клетках невозможно. С помощью модели мы предсказали накопление ауксина в меристеме корня и во внешних слоях корня. Так как ауксин регулирует деления клеток, результаты расчетов натолкнули нас на мысль о том, что в месте накопления ауксина будет наблюдаться больше делений. Эти прогнозы подтвердились при компьютерном анализе изображений кончиков корней», - сказала Виктория Миронова.

Рисунок 3. Кривая зависимости количества растений с придаточными корнями в зависимости от концентрации СК. Демонстрирует дозозависимый эффект СК

Рисунок 3. Кривая зависимости количества растений с придаточными корнями в зависимости от концентрации СК. Демонстрирует дозозависимый эффект СК

Протестированные концентрации салициловой кислоты показали, что меняется реакция растения, а наблюдаемые эффекты носят разный характер.

Специалистами было установлено, что у салициловой кислоты в корне проявляется двоякая функция. Как это понимать? По словам Виктории Мироновой, «это значит, что одно и то же вещество будет выполнять совершенно разные функции в ткани в зависимости от концентрации. Это дает растению возможность к переходу от одной стратегии развития к другой при незначительных затратах энергии. Вот как мы это видим: при встрече с патогеном начинает синтезироваться СК, до корня доходит первая доза СК (в низкой концентрации), запускается механизм модуляции роста - увеличивается пул стволовых клеток, появляется дополнительный защитный слой корня, начинают закладываться придаточные корни. Если действие патогена будет кратковременным, то растение сможет быстрее восстановить рост. Если же действие патогена продолжится, то развитие корня полностью остановится и перейдет в “режим ожидания”»

Рисунок 4. Трехмерная реконструкция кончиков корней Arabidopsis thaliana в норме (слева) и после обработки низкими концентрациями СК. Сверху – поперечный срез, снизу – продольный. Разными цветами показаны разные типы клеток кончика корня (синий – корневой чехлик, голубой – эпидермис, зеленый – кортекс, желтый – эндодермис, красный – перицикл, коричневый – сосудистая система). После обработки СК наблюдаются деления в эндодермисе (показаны белыми стрелками).

Рисунок 4. Трехмерная реконструкция кончиков корней Arabidopsis thaliana в норме (слева) и после обработки низкими концентрациями СК. Сверху – поперечный срез, снизу – продольный. Разными цветами показаны разные типы клеток кончика корня (синий – корневой чехлик, голубой – эпидермис, зеленый – кортекс, желтый – эндодермис, красный – перицикл, коричневый – сосудистая система). После обработки СК наблюдаются деления в эндодермисе (показаны белыми стрелками).

Ученые продолжают исследовать механизмы действия ауксина и СК на развитие растений. «Наши результаты могут быть полезны в агротехнологии, где широко используют фитогормоны. Мы показали, что больше - не значит лучше. Умеренное использование СК может давать и защиту от патогенов и активаторный эффект на развитие растения», - отметила Виктория Миронова.

В следующих экспериментах на растениях биологи предполагают работать с другими соединениями. «В первую очередь, нас интересует исследование комбинированного действия фитогормонов, например салициловой кислоты и ауксинов. Фитогормоны часто показывают совместный синергичный эффект. Помимо этого, совместно с Институтом органической химии, мы работаем над поиском новых биологически-активных соединений из экстрактов растений», - поделилась научными планами Виктория Миронова.

развитие корней растений салициловая кислота фитогормоны

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.