Полимбетова Ф.А., Рысбекова А.Б.*, Богданова Е.Д., Айташева З.Г.*

Институт биологии и биотехнологии НЦБ МОН РК,

Алматы, Республика Казахстан

*Казахский национальный университет им. аль-Фараби

ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ КЛЕТОК

И НАКОПЛЕНИЯ ПРОСТЫХ ЛИПИДОВ

ПРИ жесткОМ ОПУШЕНИИ пшеницы

Основные хозяйственно-ценные формы пшеницы в Казахстане и сопредельных странах имеют мягкий тип опушения. Данное исследование посвящено морфофизиологическому и биохимическому анализу нового, жесткого типа опушения листовой пластинки. Константные отечественные формы пшеницы-носители жесткого опушения были использованы для микроскопического анализа и определения жирнокислотного состава листьев с жестким опушением. Определены динамика изменений размеров и поверхностного распределения жестких клеток опушения (трихом) листовой пластинки на протяжении онтогенеза. Предполагается, что дистальная («верхушечная») локализация синтезированных in vivo липидов в жестких трихомах и 20%-ное обогащение жирных кислот фракцией линоленовой кислоты в листьях с жестким опушением относительно аналогичного материала с мягким опушением могут поддерживать целостность трихом, их нередуцируемость в заключительный период вегетации и плавучие свойства белковых комплексов в составе биологических мембран. Такие свойства жесткого опушения могут играть решающее значение при действии внешних стрессоров.

Введение. Трихомы листовой пластинки служат производными эпидермиса и выполняют в растениях целый ряд важнейших функций [1]. Среди них, например, запасание влаги, защита от иссечения в результате ветровой эрозиипочв, вредителей и секреция вторичных метаболитов. Селекционно-исследовательский интерес к опушенным формам пшеницы можно легко объяснить возрастанием роли таких проблем, как давление абиотических и биотических стрессоров и необходимость эффективной регуляции продукционного процесса, исчерпание почвенных ресурсов при сохранении потребности в увеличении урожаев, усиление сопутствующих загрязнений генетического материала в процессе гибридизации и необходимость контроля случайных загрязнений с помощью определенных фенотипических маркеров.

Основные хозяйственно-ценные формы пшеницы в Казахстане и сопредельных странах имеют мягкий тип опушения [2]. Но противодействовать растущему комплексу неблагоприятных факторов способствует новый, жесткий тип опушения листовой пластинки. Целью данного исследования является морфофизиологический и биохимический анализ жестких клеток опушения (трихом) листовой пластинки для применения имеющегося генетического материала-носителя такого опушения, повышения устойчивости и продуктивности отечественных сортотипов пшеницы.

Материалы и методы. Оригинальные константные отечественные формы пшеницы - носители жесткого опушения были высеяны для выполнения полевых наблюдений, микроскопического и хроматографического анализов. Ранее метод получения трихом арабидопсиса [3] был успешно использован для экстракции клеток опушения из пшеницы и других высших растений [4]. В ходе данной работы также проведен анализ простых липидов из листьев [5].

Результаты и обсуждение. Анализ жесткого опушения у ряда форм показывает, что этот тип опушения сохраняется на протяжении всего периода вегетации и не проявляет ярусной дискриминации, в то время как мягкое опушение наиболее интенсивно развивается в начальных фазах онтогенеза (всходы и кущение) и более интенсивно в нижних ярусах листьев по сравнению с верхними. Такое различие является, с нашей точки зрения, ключевым для двух типов опушения.

Сравнительный анализ удлинения жестких и мягких трихом листовой пластинки устанавливает, что клетки жесткого типа удлиняются в тех же начальных фазах гораздо более интенсивно, чем клетки мягкого типа. Степень удлинения трихом в этот период на на 16% превышает относительное удлинение контрольных клеток мягкого опушения. Из данных клеточных измерений также ясно, что жесткие трихомы практически не редуцируются в период между фазами трубкования и восковой спелости, в отличие от клеток мягкого опушения, заметно уменьшающимися на том же заключительном этапе для листовой вегетации. Анализ плотностного распределения двух типов клеток опушения выявляет меньшую плотность жестких трихом относительно данного параметра для клеток мягкого опушения. При этом плотность распределения жестких трихом в течение онтогенеза уменьшается в 2-3 раза на фоне снижения плотности мягких клеток опушения в 3-4 раза. То есть при сравнительно плавном «разрежении» клеток жесткого типа тот же процесс для мягких трихом протекает динамичнее, в частности, в ранний период онтогенеза, до начала фаз трубкования и колошения. Относительная «поверхностная разреженность» жестких трихом может быть следствием более высокой функциональной активности индивидуальных трихом данного типа.

В отличие от мягких трихом клетки жесткого опушения в начальный период онтогенеза накапливают жировые включения в дистальной части поляризованного отростка. Анализ жирнокислотного состава листьев с жестким и мягким типами опушения показывает следующие закономерности. Листья с жестким опушением содержат более представительную фракцию линоленовой кислоты (ЛК, C18:3), уровень которой на 20% выше, чем в листьях с мягким опушением. Хроматографические профили для листьев с двумя типами опушения приведены на рис. 1. Доля триеновой фракции ЛК (C18:3) к сумме двух моно- и диеновых простых липидов (С18:1+С18:2) при жестком опушении также возрастает в среднем на 15,6-23,3%. Одновременно при жестком опушении растет концентрация других жирных кислот, включая фракции C14:0, C15:0, C16:0, C18:0 и C20:1. Лишь два класса жирных кислот, C18:1 и C18:2, более выражены в листьях с мягким опушением. Однако это превышение не выходит за пределы 5,3-5,9%.

Рис. 2. Сравнение профилей десорбции для фракции С18:3 (ЛК) из экстракта листьев с мягким (1,2) и жестким (3) опушением. (Нанесение и десорбция материала из 1 г листьев с помощью 20% полиэтиленгликоль-адипината при 188ºС-230ºС в течение 1 час).

Из полученных данных можно сделать вывод, что значительное увеличение концентрации ЛК в листьях с жестким опушением способствует предотвращению солидификации липидов, тем самым обеспечивая как целостность клеток жесткого опушения на протяжении всего онтогенеза пшеницы, так и увеличение плавучести интегрированных мембранных белков.

Таким образом перспективные линии пшеницы с характерным жестким опушением по ряду морфо-физиологических и биохимических свойств отличаются сортов с мягким типом опушения. Предполагается, что «верхушечная» локализация липидов, накапливаемых в трихомах, и обогащение их фракцией ЛК (и, возможно, других полиеновых компонентов) поддерживают целостность клеток жесткого опушения, их нередуцируемость в заключительный период вегетации и плавучие свойства белковых комплексов, «инкрустированных» в биологические мембраны. Указанные свойства жесткого опушения могут играть решающее значение при действии внешних стрессоров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Callow J.A. (ed.) Plant Trichomes, Adv. Bot. Res. Harcourt Publishers, 2000, V. 31, 450 p.

2. Шулембаева К.К., Есырева Е.Д. Изучение генетики признака опушения листьев пшеницы // Вестник КазНУ, сер. экол, вып. 2 (20), с. 53-57, 2003.

3. Zhang X, Oppenheimer D.G. A simple and efficient method for isolating trichomes for downstream analyses // Plant Cell Physiology, v. 45, p. 221-224, 2004.

4. Aytasheva Z.G., Bogdanova E.D., Kalimagambetov A.M., Chekalin S.V., Polimbetova F.A. Isolation of trichomes from wheat and other species of flowering plants // Turkish J. Botany, v. 30, No. 3, p. 217-222, 2006.

5. Кейтс М. Техника липидологии, М., 1975, 536 с.

Summary

Main valuable bred wheat cultivars in Kazakhstan and neighbouring countries are softly pubescent. Current study is on morphological and biochemical properties of new, rigid pubescence of wheat blade. Constant domestic hybrids possessing rigid pubescence were used for microscopic and chromatographic examinations. Dynamics of hair cell (trichome) size and surface distribution were studied throughout plant ontogenesis. It is proposed that distal (‘upper’) accumulation of simple lipids in rigid trichomes with a 20% greater content of linolenic acid in leaves with rigid pubescence in comparison to similar faction obtained from softly pubescent leaves may provide cell intactness and higher buoyancy of integrated membrane proteins. These unique features of rigid pubescence may play crucial part under growing external stress.