Е.А. Митирёва Научный руководитель к.б.н. Т.Н.Бибикова Москва 2012

1. 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

2. 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.

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

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

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

6. 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.

7. 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.

8. 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. Укорневой 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

9. 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

10. 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.

11. 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 (toluidineblue) • оставляли в глицерине, потом записывали положение каждого латерального корня или его инициали

12. 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 кукурузытемная линия посередине – медиана, границы прямоугольника – нижняя и верхняя квартиль соответственно, границы «усов» – минимум и максимум без учета «выбросов», круги - выбросы

13. 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 = 0.0008426). • между величинами углов между латеральным корнем и вектором гравитации достоверных различий не выявлено.(p-value = 0.08764)

14. 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).

15. 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» • недекапитированные, негравистимулированные (контрольная группа) • недекапитированные, гравистимулированные • декапитированные, негравистимулированные • декапитированные, гравистимулированные Разделение на «часы» среза срез разделен на часы, за 12 часов - место продольного надреза

16. 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 = 0.05758). И негравистимулированные, декапитированные отличаются достоверно от гравистимулированных, декапитированных ( p-value = 0.006853). Гравистимулированные, декапитированные не отличаются достоверно от гравистимулированных, но недекапитированных (p-value = 0.6516). пример среза (латеральные корни на 1 и 9 часах)

17. Выводы • При декапитации главного корня латеральные корни Zeamays 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 Zeamays, но и у растений из других семейств (Cucumissativus и Pisumsativum). • 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.

18. 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.

19. Спасибо за внимание !

20. 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. 796-800 • 3. Morita M.T. Directional gravity sensing in gravitropism, Annu. Rev. Plant Biol. 2010,v. 61,№ 1, pp. 705-720 • 4. 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. 213-222 • 5. Fasano, J., S. Swanson, E. Blancaflor, P. Dowd, T. Kao, and S. Gilroy. 2001. Changes in root cap pH are required for the gravity response of the Arabidopsis root. Plant Cell, 2001,v. 13, № 11, pp. 907–921. • 6. 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.

21. 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. 113-125 • 8. 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. 1211–1217 • 9. 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. 35-43 • 10. Bottger M., Apical Dominance in Roots of Pisumsativum L. Planta (Berl.), 1974, v. 121, № 17, pp. 253-261 • 11. Площинская М.Е., 2012. Периодизация и регуляция морфогенеза боковых корней Linumusitatissimum 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]. 2009. Режим доступа: http:/www.R-project.org.

22. 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»