МНОГОФАЗНОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЦИТОКИНИНОВ НА РОСТ КОРНЯ ПРОРОСТКОВ ТОМАТОВ

Бабоша А.В.¹, Комарова Г.И.²

¹ ORCID: 0000-0002-7400-4050, доктор биологических наук, заведующий лабораторией; ² кандидат биологических наук, научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук

МНОГОФАЗНОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЦИТОКИНИНОВ НА РОСТ КОРНЯ ПРОРОСТКОВ ТОМАТОВ

Аннотация

Исследовали концентрационную зависимость ингибирования роста корня зеатином у проростков томатов с высокой, средней и низкой скоростью роста. Для всех 3-х групп ингибирующий тренд хорошо аппроксимировался линейной зависимостью длины корня от логарифма концентрации. Отдельные варианты концентрации зеатина обладали более высоким или, наоборот, более низким ингибированием, и с высокой вероятностью не принадлежали линии регрессии. Это свидетельствует о составном характере экспериментальной кривой, которая включает монотонный ингибирующий и вариабельный немонотонный компоненты.

Ключевые слова: зеатин, томаты, корень, ингибирование роста, многофазная концентрационная зависимость

 

Babosha A.V.¹, Komarova G.I.²

¹ ORCID: 0000-0002-7400-4050, PhD in Biology, Head of the laboratory; ² PhD in Biology, research associate, N.V. Tsitsin Main Botanical Garden Russian Academy of Sciences

MULTIPHASE CONCENTRATION DEPENDENCES OF CYTOKININ ACTION ON THE GROWTH OF TOMATO SEEDLING ROOTS

Abstract

The concentration dependence of the inhibition of root growth by zeatin in seedlings of tomatoes with high, medium and low growth rate were studied. For all 3 groups the inhibiting trend was well approximated by a linear dependence of the root length of the logarithm of concentration. Certain variants of zeatin concentration had a higher, or conversely, lower inhibition, and with a high probability did not belong to the regression line. This shows the composite nature of the experimental curve that includes monotonous inhibitory and non-monotonic variable components.

Keywords: zeatin, tomato, root, growth inhibition, multiphase concentration dependence

 

Зависимость активности некоторых физиологически-активных веществ от их концентрации не всегда определяется монотонной возрастающей или убывающей кривой. Часто она представлена кривой оптимума или имеет более сложную форму. В частности, зависимости с несколькими максимумами и минимумами наблюдали при обработке цитокининами. Цитокинины играют важную роль в морфогенезе растений. Поэтому корневой тест – свойство экзогенных цитокининов ингибировать рост корней проростков ряда растений – является удобной моделью для изучения концентрационной зависимости.

Для точности и воспроизводимости результатов в любых тест-системах существенное значение имеет однородность растительного материала. Вместе с тем известно, что проростки с быстро или медленно растущими корнями различаются по ряду физиолого-биохимических параметров. Так, проростки пшеницы с медленным ростом выделяли в водную среду больше белков, имели особенности в реакции на добавление ингибитора – фторида натрия [1]. Показано, что чувствительность проростков кукурузы к зеатину также связана с начальной интенсивностью роста [2].

Целью работы явилось изучение формы концентрационной зависимости ингибирования зеатином роста корня у проростков томатов с разной скоростью роста.

Семена томатов (Lycopersicum esculentum, сорт Персей) проращивали 5 сут в темноте при температуре 24 ^оС, помещали в чашки Петри на фильтровальную бумагу, пропитанную раствором 0–27 мкм зеатина, и инкубировали в течение 2 суток. По окончании инкубации измеряли длину корня.

Вся совокупность проростков была разделена на 3 группы с разной интенсивностью роста, о последней судили по длине корня в начальный момент, до инкубации проростков с ингибитором. На рисунке представлены полученные концентрационные кривые. Все 3 кривые имели выраженный  ингибирующий тренд. С использованием всех градаций концентрации зеатина были рассчитаны линии регрессии y= b*ln(z)+c, где y – длина органа (см), z = Z+z_o, Z – концентрация добавленного зеатина (мкМ), z_o, b, c – константы. Предполагали, что до обработки в проростках уже имеется пул цитокининов, ингибирующее действие которого соответствует активности некоторого количества экзогенного зеатина z_o, оптимальное значение которого подбирали с помощью модуля нахождения параметра в программе Excel. Поскольку показатели регрессии всех 3-х кривых были сходны, данные были объединены. Для общей линии регрессии получены следующие параметры: z_o=0,064;  b=0,292±0,026; c=1,45 ± 0,05. Эта линия и 95%-ный доверительный интервал для средних представлены на рисунке пунктирными линиями.

Как видно из рисунка, помимо точек, расположенных очень близко к линии регрессии, имеются варианты, средняя длина корня которых резко отличается от значений на линии регрессии. Выпадающие точки по одной на каждой из 3-х кривых наблюдали при использовании 0,1 и 1 мкМ зеатина. Это свидетельствует о возможном вкладе немонотонного компонента, имеющего экстремальные точки (локальные минимумы или максимумы) при близких концентрациях цитокинина, и, следовательно, экспериментальная кривая возникает при суммировании монотонного ингибирования и немонотонной зависимости.

Значения вероятности ошибки (р) для различий с точками на линии регрессии у этих выпадающих точек не превышали 0,05. Однако поскольку точное положение экстремума неизвестно, а чисто случайное возникновение достоверных различий, принимаемых за экстремум, возможно для 6 из 8 градаций концентрации, использовали поправку Бонферрони для компенсации эффекта множественных сравнений и, соответственно, критическое значение ошибки р=0,008 (0,05/6). Две точки, удовлетворяющие этому критерию, представлены на рисунке заполненными маркерами.

Таким образом, суждение о существовании немонотонного компонента обладает достаточной высокой степенью надежности.   Наличие отклоняющихся вариантов с обеих сторон линии регрессии позволяет предположить, что немонотонный компонент может быть связан как с более сильным ингибированием, так и со стимуляцией роста органа. При этом по мере увеличения начальной длины корня минимум при 0,1 мкМ сменялся максимумом. Следует отметить, что варьирование формы многофазных концентрационных зависимостей, по-видимому, достаточно обычно [3–5]. Смещение экстремума, изменение его выраженности и даже знака ранее мы наблюдали как в эксперименте, так и при моделировании многофазной концентрационной кривой [6]. Очевидно, что если, не обладая сведениями об исходной гетерогенности,  мы объединили бы проростки с разной энергией роста, была бы получена концентрационная кривая, близкая к монотонной и отличающаяся только более высоким уровнем разброса данных, т.е. информация о сложном характере концентрационной кривой была бы потеряна.

По-видимому, следствием подобных трудностей является проявление многофазности при ингибировании роста корня цитокининами в виде платообразного участка в средней части кривой [7]. При увеличении концентрации цитокинина прирост ингибирующей активности здесь заметно меньше по сравнению с другими участками кривой или вовсе отсутствует.

Рис. Рост корня томатов в присутствии зеатина у проростков с высокой (треугольники) средней (квадраты) и низкой (кружки) интенсивностью роста до инкубации. Ось абсцисс – логарифм концентрации зеатина. Длина корня в контроле: 2,7±0,5 (1); 2,4±0,3 (2) и 1,8±0,3 (3). Повторность 3–8 проростков на вариант. Пунктиром отмечена общая линия регрессии и ее 95%-доверительный интервал. Вертикальными отрезками – ошибка для ординаты экстремальных точек.

Литература

1. Божков А.И., Кузнецова Ю.А., Мензянова Н.Г. Взаимосвязь интенсивности роста корней пшеницы с их экскреторной активностью и количеством пограничных клеток // Физиология растений. 2007. Т. 54. № 1. С. 111–118.
2. Bourquin M., Pilet P.-E. Effect of zeatin on the growth and indolyl-3-acetic acid and abscisic acid levels in maize roots // Physiol. Plant. 1990. V.80. N 3. P.342–349.
3. Комарова Г.И., Бабоша А.В. Многофазный характер зависимости роста корня и гипокотиля проростков рапса от концентрации зеатина и тидиазурона применительно к условиям биологических систем жизнеобеспечения // Авиакосмическая и экологическая медицина. Т.44. № 2. С. 61–65.
4. Бабоша А.В., Комарова Г.И. Совместное действие  зеатина и  перекиси водорода на рост проростков рапса и томатов применительно к условиям биологических систем жизнеобеспечения  // Авиакосмическая и экологическая медицина. Т.44. № 3. С.46–50.
5. Бабоша А.В., Комарова Г.И. Концентрационные эффекты действия салициловой кислоты и зеатина на рост корня и гипокотиля проростков томатов и рапса // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2013. №4(1). C. 145–152.
6. Babosha A.V. Regulation of resistance and susceptibility in wheat powdery mildew pathosystem with exogenous cytokinins\\ J Plant Physiol. 2009. V. 166. P. 1892–1903.
7. Plakidou-Dymock S., Dymock D., Hooley R. A higher plant seven-transmembrane receptor that influences sensitivity to cytokinins // Cur. Biol. 1998. V. 8. P. 315–324.

References

1. Bozhkov A.I., Kuznecova Ju.A., Menzjanova N.G. Vzaimosvjaz' intensivnosti rosta kornej pshenicy s ih jekskretornoj aktivnost'ju i kolichestvom pogranichnyh kletok // Fiziologija rastenij. 2007. V. 54. № 1. S. 111–118.
2. Bourquin M., Pilet P.-E. Effect of zeatin on the growth and indolyl-3-acetic acid and abscisic acid levels in maize roots // Physiol. Plant. 1990. V.80. N 3. P.342–349.
3. Komarova G.I., Babosha A.V. Mnogofaznyj harakter zavisimosti rosta kornja i gipokotilja prorostkov rapsa ot koncentracii zeatina i tidiazurona primenitel'no k uslovijam biologicheskih sistem zhizneobespechenija // Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina. V.44. № 2. S. 61–65.
4. Babosha A.V., Komarova G.I. Sovmestnoe dejstvie  zeatina i  perekisi vodoroda na rost prorostkov rapsa i tomatov primenitel'no k uslovijam biologicheskih sistem zhizneobespechenija  // Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina. 2010. V.44. № 3. S.46–50.
5. Babosha A.V., Komarova G.I. Koncentracionnye jeffekty dejstvija salicilovoj kisloty i zeatina na rost kornja i gipokotilja prorostkov tomatov i rapsa // Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. I. Lobachevskogo. 2013. №4(1). S. 145–152.
6. Babosha A.V. Regulation of resistance and susceptibility in wheat powdery mildew pathosystem with exogenous cytokinins\\ J Plant Physiol. 2009. V. 166. P. 1892–1903.
7. Plakidou-Dymock S., Dymock D., Hooley R. A higher plant seven-transmembrane receptor that influences sensitivity to cytokinins // Cur. Biol. 1998. V. 8. P. 315–324.