Установление закономерностей воздействия брассиностероидов на корневую систему для направленного синтеза новых биорегуляторов растений. Подпрограмма «Биорегуляторы растений», Государственная программа научных исследований «Химические технологии и материалы» (заключительный) : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научные руководители А. И. Соколик, В. В. Демидчик

Abstract

Объект исследования: корневая система высших растений. Цель работы: выявить и проанализировать механизмы модификации архитектуры и физиологических параметров корней высших растений брассиностероидами с целью создания инновационных препаратов-биорегуляторов. В ходе выполнения проекта использованы ростовые тесты, развитый в работе метод фенотипирования корневой системы, тесты на укоренение черенков, эпифлуоресцетная микроскопия, хемилюминометрия, электрофизиологическая методика пэтч-кламп. В результате продемонстрировано сложное по характеру эффектов концентрационнозависимое влияние брассиностероидов на корневую систему высших растений; установлено, что брассиностероиды ингибируют рост основного корня и уменьшают корневой чехлик арабидопсиса. Наибольшие эффекты отмечены для эпибрассинолида и брассинолида. Сравнение воздействия брассиностероидов на показатели архитектуры корня арабидопсиса в системе «замены среды» (действие брассиностероидов на сформировавшийся корень) и тест-системе «прорастания» (рост из семени на фоне постоянного присутствия в среде брассиностероидов) показало, что влияние брассиностероидов в большей степени определяется физиологическими модификациями на ранних стадиях развития при прорастании семян, чем воздействием на механизм элонгации клеток уже сформировавшегося корня. Показано, что модификация архитектуры корня пшеницы под действием брассиностероидов имела схожий характер с воздействием на корень арабидопсиса: ингибирование удлинения основного корня при увеличении диаметра и длины корневых волосков. Развитый в работе метод фенотипирования корневой системы злаковых использовался для исследования реакции корневой системы на брассиностероиды впервые и показал высокую эффективность для выявления реакции корней на воздействие различных факторов in vivo. Ростовые тесты подчеркнули, что различия в воздействии брассиностероидов на рост корней арабидопсиса в тест-системах «замены среды» и «прорастания» наиболее значительны для лактонового ряда (особенно эпибрассинолида и брассинолида), по сравнению с кетонами. Продемонстрировано, что увеличение концентрации ионов кальция в среде по-разному влияет на рост корней арабидопсиса на фоне отсутствия или присутствия БС, что позволяет констатировать заметное влияние брассиностероидов на кальцийзависимую регуляцию роста корня. Тестирование влияния брассиностероидов на укоренение черенков древесных растений (на примере туи западной и барбариса Тунберга) показало, что брассиностероиды по-разному модифицировали развитие новой корневой системы. Наиболее эффективное образование корней происходило при действии эпикастастерона в концентрации 10-7 моль/л, КС в концентрации 10-9 и 10-7 моль/л и брассинолида в концентрации 10-9 моль/л; их количество увеличивалось максимально в 1,6 раза. Электрофизиологические исследования воздействия брассиностероидов на ион-транспортные процессы на плазматической мембране протопластов, выделенных из клеток корня пшеницы, показали, что присутствие 1 мкмоль/л эпикастастерона в наружном растворе и пипеточном растворе (эндогенно) стимулирует токи наружувыпрямляющих К+-каналов, тогда как эпибрассинолид или гомобрассинолид не вызывают подобной модификации. Данные эффекты могут иметь адаптивное значение, так как внутриклеточный калий является ключевым «адаптогеном» у высших растений. Добавление эпикастастерона в концентрации 1 мкмоль/л с цитоплазматической стороны мембраны также вызывало активацию уникальных Са2+-проницаемых каналов, демонстрирующих колоколообразную вольт-амперную характеристику. Ионные проводимости, активируемые эпикастастероном, проявляли чувствительность к стандартным блокаторам Са2+-проницаемых катионных каналов, что указывает на их принадлежность к редкой группе деполяризационно-активируемых катионных каналов, ранее описанных в пэтчах плазматической мембраны корня арабидопсиса. Показано, что эпикастастерон, эпибрассинолид и гомобрассинолид, при добавлении в наружный раствор, вызывают кратковременный, концентрационнозависимый рост уровня цитоплазматической активности Са2+. Данный эффект для широкой группы брассиностероидов описан впервые. Наибольшее воздействие наблюдалось в присутствие гомобрассинолида. Таким образом, в работе впервые обнаружена и детально изучена активация под действием брассиностероидов Са2+-проницаемости плазматической мембраны клеток корня высших растений.