ГЕТЕРОФІЛІЯ У РОСЛИН - О.М. НЕДУХА - 2011

РОЗДІЛ ДРУГИЙ МЕХАНІЗМИ ПРОЯВУ ГЕТЕРОФІЛІЇ У РОСЛИН

2.2. ЕНДОГЕННІ МЕХАНІЗМИ ПРОЯВУ ГЕТЕРОФІЛІЇ У РОСЛИН

2.2.2. Роль целюлози

Целюлоза - основний каркасний полісахарид клітинних оболонок, що надає їм жорсткості (цупкості) і міцності. Целюлоза складається з довгих нерозгалужених залишків глюкопіранози, що зв'язані між собою |0-(1-4)-глюкозидними зв'язками. Ланцюги D-глюкопіранози утворюють паралельні структури, стабілізовані водневими зв'язками (Brown, 1996). Відомо, що під час росту й диференціації клітини поряд зі змінами інших компонентів оболонки, целюлоза змінює свою структуру та вміст. Це проявляється в збільшенні загального вмісту целюлози й частковій кристалізації її молекул (Тарчевский, Марченко, 1985). Встановлено, що вміст целюлози в оболонках залежить від виду, органу та тканини. Загальний вміст целюлози в первинній оболонці коливається від 20 до 30%, тоді як у вторинній - 40-90% сухої маси. Вміст целюлози в різних видах різниться: у листках трав - 32%/сухої маси, у стеблах вівса - 60,6%, пшениці - 75,7%, ячменю - 71,74% люцерни - 26,7%, конюшини - 23,6%, еспарцету - 28,7%, а в стеблі арабідопсису - від 10 до 36%, у насінні рослин він коливається від 14,7 до 80,15% (Kataoka, Kondo, 1999; Taylor et al., 1999).

Відомо, що целюлоза клітинних оболонок може бути у двох формах: кристалічній і/або аморфній. Вміст аморфної целюлози в загальному вмісті цього полісахариду залежить в основному від фази онтогенезу, виду рослини й диференціації клітини. У клітинах, що ростуть, вміст аморфної целюлози досить низький і залежить від виду: у листках жовтої тополі - 10-15%, остання - це кристалічна целюлоза (Atalla., 2004); у листках Phragmites australis Trin. ex Steud. (очерета звичайного) - 95% аморфної целюлози, у сформованих клітинах волокон бавовнику - лише сліди аморфної целюлози, оболонки її клітин майже цілковито складаються з кристалічної целюлози (Baran et al., 2002).

Аморфна целюлоза має здатність абсорбувати воду спочатку в одному ланцюзі її молекули, потім - між двома ланцюгами аморфної целюлози в одній мікрофібрилі (NilssonMartin, 2006).

Відомо, що тривала дія помірного водного дефіциту призводить до пригнічення росту рослин, у яких виявляються типові ксероморфні ознаки: зменшення розмірів листків та їх клітин (Кордюм и др., 2003). Причинами інгібування росту клітин можуть бути зміни тургору, осмотичного потенціалу клітини, та пригнічення синтезу полісахаридів клітинних оболонок, у тому числі й целюлози.

Дані щодо змін вмісту полісахаридів оболонок у листках гідрофітів при виході їх з води на її поверхню фрагментарні (Little, 2003). Більшість робіт присвячена вивченню лігніфікації клітинних оболонок і дослідженню їх структури. В основному, такі роботи проведені на культурних рослинах. Дослідники вивчали структурно-функціональні зміни клітинних оболонок, створюючи водний дефіцит при використанні ПЕГу, засолення (428 мМ NaCl) або при перенесенні рослин на гідропонне живлення (Iraki et al., 1989; Sakumi et al., 1987, а; 1987, б).

Враховуючи наведені вище дані літератури, ми припускаємо, що рисами, за якими підводні листки гетерофільних рослин відрізняються від надводних листків, є вміст целюлози та наявність її аморфної форми, що відіграє суттєву роль в апопластному транспорті води (Czihak et al., 1999).

Далі представлено наші результати цитохімічного вивчення целюлози, її розподілу в клітинних оболонках та біохімічного визначення цього полісахариду в листках Sium latifolium, який зростав як у воді, так і на суходолі (рис. 1.3.1; див. вставку II; рис. 2.2.2.1; див. вставку XIII) (Недуха, 2010, а).

Повітряно-водна форма Sium latifolium. Вологість грунту, на якому збирали досліджувані рослини, становила 75,2 ± 4,1%; щільність потоку квантів сонячного світла над підводними листками (у воді) - 80-90 мкМ квантів · м^-2с^-1, на поверхні листків, черешок яких був у воді, а пластинка - над водою - 300-320 мкМ квантів · м^-2с^-1, на поверхні надводних листків - 350-400 мкмоль квантів •м^-2с"¹; середня температура повітря - +28^о (± 1^о) С, температура води навколо підводних листків - +17^о С.

Підводні листки. Лазерно-конфокальна мікроскопія листків S. latifolium з використанням специфічного люмінофора для целюлози - калькоф- луора показала, що в клітинах епідерми та мезофілу целюлоза клітинних оболонок флуоресціювала яскраво зеленим кольором незалежно від типу листка (рис. 2.2.2.2, а-д, ж, з). Рівні інтенсивності флуоресценції целюлози представлені в табл. 2.2.2.1. Інтенсивність флуоресценції істотно відрізнялася в зовнішніх і антиклінальних оболонках верхньої й нижньої епідерм. У клітинних оболонках губчастої паренхіми листків флуоресценція була нижчою, ніж у таких палісадної паренхіми. Інтенсивність люмінесценції целюлози в клітинних оболонках верхньої та нижньої епідерми надводних листків була значно вищою порівняно з підводними листками (табл. 2.2.2.1).

За даними біохімічного аналізу трьох типів листків повітряно-водних особин веху широколистого загальний вміст целюлози був невисоким (табл. 2.2.2.2), вона виявлена в аморфній і кристалічній формах. Незалежно від типу листка, вміст аморфної целюлози був відносно високим - від 61 до 67 % від загального вмісту цього полісахариду; вміст кристалічної целюлози - майже удвічі нижчим. Відношення аморфної целюлози до кристалічної в підводних листках становило 2,06; у листках, пластинка яких вийшла з води, - 1,7; у надводних листках - 1,93 (табл. 2.2.2.2).

ТАБЛИЦЯ 2.2.2.1. Інтенсивність люмінесценції комплексу калькофлуор+целюлоза в клітинних оболонках листків повітряно-водної форми Sium latifolium, зібраних в травні

Примітки: ^а - у напівзанурених листків черешок був у воді , а листкова пластинка - над водою;

* - Р ≤ 0,05 (достовірно відрізняються від показників для клітинних оболонок підводних листків)

ТАБЛИЦЯ 2.2.2.2. Вміст целюлози у листкових пластинках повітряно- водної форми Sium latifolium, зібраних в травні

Примітки:^а - у напівзанурених листків черешок був у воді, а листкова пластинка - над водою;

* - Р ≤ 0,05 (достовірно відрізняються від показників для клітинних оболонок підводних листків)

Суходільна форма Sium latifolium також характеризувалась ознаками гетерофілії (рис. 1.3.6; див. вставку VI і підрозділ 1.3). Вологість грунту, на якому зростали рослини суходільної форми веху широколистого, була майже удвічі нижча, ніж під рослинами повітряно-водної форми, і становила - 39,5 ± 3,1%; щільність потоку квантів сонячного світла над верхньою поверхнею листків становила 450-500 мкМ квантів м^-2с^-1; середня температура повітря становила + 28^о (± 1^о) С. Листки суходільної форми веху широколистого у фазі вегетативного росту мають дві форми пластинок: перші три листка - цілісну загостренояйцеподібну пластинку, листки наступних ярусів - пірчасторозсічену (рис. 2.2.2.1, б).

ТАБЛИЦЯ 2.2.2.3. Інтенсивність люмінесценції комплексу калькофлуор+целюлоза в клітинних оболонках листків суходільної форми Sium latifolium, зібраних в травні

Примітка: * - Р ≤ 0,05 (достовірно відрізняються від показників для клітинних оболонок листків з цілісною пластинкою)

ТАБЛИЦЯ 2.2.2.4. Вміст целюлози у листках суходільної форми Sium latifolium, зібраних в травні

Примітка: * - Р ≤ 0,05 (достовірно відрізняються від показників для клітинних оболонок листків із цілісною пластинкою)

Цілісні листкові пластинки мали загострено яйцеподібну форму, середній розмір за довгою віссю - 2,2 ± 0,5 см, за короткою - 2,0 ± 0,2 см; краї широко городчаті, кожна особина на час фіксації матеріалу (травень) мала три цілісні листочки й два - розсічені, що складалися з цілісних видо- вженоовальних часточок (листочків). Піпчасторозсічені листки сформовані з чотирьох-п'яти пар та однієї непарної частки, середній розмір яких за довгою віссю становив 10 ± 1,2 см, за короткою - 2,9 ± 0,5 см. Парні листкові частки розміщувалися супротивно.

Цитохімічне дослідження локалізації целюлози в двох типах листків S. latifolium суходільної форми показало, що у клітинних оболонках усіх тканин целюлоза флуоресціювала зеленим кольором (рис. 2.2.2.2, е, є). Рівні інтенсивності флуоресценції целюлози представлені в табл. 2.2.2.3. Інтенсивність флуоресценції не відрізнялася в оболонках клітин верхньої епідерми та губчастої паренхіми двох типів листків, тимчасом інтенсивність люмінесценції в клітинних оболонках нижньої епідерми та палісади перших листків з цілісною пластинкою була майже удвічі вища, ніж у відповідних оболонках клітин молодих пірчасторозсічених листків.

За результатами біохімічного аналізу загальний вміст целюлози в двох типах листків суходільної форми веху широколистого був в 1,3-1,5 раза вищим, ніж у підводних, та в 1,6-1,8 раза вищим за такий надводних листків повітряно-водної форми (табл. 2.2.2.4). Листки суходільних форм веху широколистого містили аморфну та кристалічну форми целюлози. Відношення аморфної до кристалічної форм дорівнювало 1,02 та 0,92 в листках з цілісною та пірчасторозсіченою пластинкою, відповідно; ці значення були майже удвічі нижчими, ніж такі у підводних і надводних листках повітряно-водних особин S. latifolium.

У наступних фазах онтогенезу (бутонізації та початку плодоношення) двох екоформ S. latifolium в листках відмічено значне збільшення кристалічної форми целюлози (Недуха, 2009) порівняно з листками у вегетативній фазі. Автором встановлено, що в листках повітряно-водних рослин відбувається збільшення вмісту кристалічної форми целюлози до 62% - у фазі бутонізації, до 76,2% - у фазі плодоношення, тимчасом як у листках суходільних рослин - до 68,6 і 86,1%, відповідно.

Отже, цитохімічні та біохімічні дослідження розподілу й складу целюлози в клітинах листків S. latifolium показали, що целюлоза є чутливим полісахаридом клітинної оболонки, її вміст і склад в період вегетативного росту змінювалися залежно від умов оточуючого середовища для даного екотипу.

Цитохімічний аналіз клітин епідерми й мезофілу різних листків повітряно-водної форми веху широколистого виявив певний перерозподіл целюлози залежно від водного оточення й типу тканин: достовірно нижчим є відносний вміст целюлози в клітинних оболонках епідерми підводних листків порівняно з таким надводних, та вищим у клітинах мезофілу підводних листків порівняно з відповідними клітинами надводних листків. Порівняння цитохімічних даних щодо відносного вмісту целюлози у різних клітинних оболонках надводних листків повітряно-водних та листків суходільних рослин веху (таблиці 2.2.2.1 та 2.2.2.3) свідчить про те, що в листках з цілісною пластинкою суходільних рослин він був вищим порівняно з пірчасторозсіченими листками.

Відомо, що листки й стебла підводних рослин характеризуються значною гнучкістю (Kerstetter, Poething, 1998; Mommer, Visser, 2005), рівень якої залежить від вмісту й складу полісахаридів клітинних оболонок (Delmer, 1999). Крім того, крізь клітинні оболонки підводних рослин здійснюється інтенсивний газообмін (Frost-Christensen et al., 2003; Minorsky, 2003; Mommer, Visser, 2005; Mommer et al., 2006, b). Раніше було встановлено, що зовнішні клітинні оболонки й шар кутикули в підводних листків п'яти видів повітряно-водних рослин в півтора рази тонші порівняно з оболонками епідермісу листків суходільних особин (Mommer et al., 2005). В суходільних рослинах зовнішні оболонки клітинепідерми, що захищають рослину від інсоляції й дії біотичних факторів, в кілька разів товщі й містять удвічі більше целюлози, ніж оболонки клітин мезофілу (Carpita et al., 2001). Враховуючи ці дані й результати власних досліджень, можна відзначити, що у фазі вегетативного росту (в травні) в клітинах повітряно-водної форми S. latifolium синтез целюлози в епідермісі і мезофілі нерівномірний, залежно від підводного чи надводного статусу, тимчасом як у суходільних особин целюлоза в епідермі і мезофілі розподіляється подібно до того, як це відзначено в листках Zea mays L. (Brown, 1996; Carpita et al., 2001).

Порівняльний аналіз вмісту целюлози в підводних і надводних листках повітряно-водної й листках суходільної форм веху показав, що розвиток рослини на суходолі у стадії вегетативного росту сприяє інтенсивнішому накопиченню целюлози в цілісних і пірчасторозсічених листках. Відомо, що інтенсивність синтезу целюлози залежить від вмісту її попередників (глюкози), активності целюлозосинтетаз і активації генів із родини CesA (Richmond, Somerville, 2000). Можна припустити, що в листках суходільної форми веху широколистого збільшений вміст целюлози в період вегетативного росту зумовлюється посиленим синтезом глюкози й активацією певних генів.

Отже, перебування рослин у воді збільшує концентрацію аморфної целюлози у листках S. latifolium на 12-19% порівняно з особинами, що зростали на суходолі (Недуха, 2010, а). Відомо, що зони аморфної целюлози абсорбують воду, сприяючи апопластному водному транспорту, тоді як ділянки кристалічної целюлози не мають такої властивості (Czihak et al., 1999; Nilsson Martin, 2006). Крім того, в ході досліджень дикого виду петунії й мутанта Petunia hybrida (PhEXPl), встановлено, що мутантна рослина P. hybrida має алельний ген (RSW1), який відповідає за синтез аморфної целюлози (Zenoni et al., 2004). Враховуючи результати по вивченню целюлози у S. latifolium і вищевідмічені дані літератури, можна припустити:

- наявність аморфної целюлози в клітинних оболонках листків S. latifolium сприяє життєдіяльності рослин у водному середовищі, тоді як наявність кристалічної целюлози - адаптації рослин до умов суходільного існування;

- підвищений вміст аморфної форми целюлози в підводних листках веху широколистого, очевидно, зумовлений генетичними відмінностями.

Ці припущення потребують подальшої експериментальної перевірки.