Особенности транспорта воды в сегментах корней Zea mays L

Транспорт воды ~ важнейшая физиологическая Функция, играющая решающую роль в пространственно-временной интеграции жизнедеятельности организма (Жолкевич и др., 1989), — нередко еще рассматривается как совокупность простых физических процессов, ограниченных анатомо-морфологической структурой растения и определяемых, в основном, действием факторов внешней среды (например.* Kramer, 1983; Steudle, 1994). В то же время накоплены убедительные доказательства существования многоступенчатой физиологической регуляции транспорта и непосредственного участия живых клеток в создании и поддержании направленного водного тока в растении. Особенно значительный вклад в развитие этого направления внесли отечественные физиологи, разработавшие, в частности, представление о роли сократительных систем в передвижении воды по растению (Можаева, Пилыдикова, 1978; Жолкевич и др., 1989). В последние годы применение новых методов молекулярной биологии и биофизики, разработка оригинальных модельных подходов подтвердили сложный характер природы транспорта воды в растении и сделали вопрос о его движущих силах одной из горячих точек современной биологии: обнаружены специализированные белки, участвующие в трансмембранном переносе воды, и показана специфическая экспрессия их генов (Maure1, 1997; Schaffner, 1998) — выявлено, что в ксилеме отсутствуют ожидавшиеся, согласно простым физическим аналогиям, низкие гидростатические давления (Zimmermann и др., 1995) — методом ЯУР продемонстрирована рециркуляция значительных количеств воды в растении (KDckenberger и др., 1997) — предложены новые конкретные модели участия живых клеток и их транспортных систем в подъеме жидкостей у деревьев (Canny, 1995а, 1998), создании корневого давления (Кундт, Робник, 1998; Hundt, 1998; Мелещенко, 1998), неосмотическом движении растворов через мембрану (Zeuthen, 1996). В то же время проблема движущих сил транспорта воды еще далека от своего разрешения, и новые данные скорее свидетельствуют о сложности процесса, нежели исчерпывающе объясняют его механизм.

Еще менее выяснены различия движущих сил разнонаправленных водных потоков, образующих в совокупности единую гидродинамическую систему растения, в которой вода непрерывно циркулирует. Между тем, изучение природы движущих сил диаметрально противоположных водных потоков и путей, по которым они направляются, имеет принципиально важное значение не только для выяснения механизмов транспорта воды как такового, но также для идентификации единой гидродинамической системы и ее роли в жизнедеятельности растения.

Цель и задачи исследования

.

Цель настоящей работы заключалась в изучении распределения и регуляции водных и ионных потоков в корне с использованием новой модельной системы — сегментов корней, которые способны к эксудации с обоих концов — базального и апикального (Волков. Жолкевич, 1993). Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи.*.

1. Определить интенсивность и температурный коэффициент Qio эксудации, осмотическое давление эксудата и гидравлическую проводимость сегментов корней при эксудации как о базального,.

— — так и с апикального концов и сравнить полученные данные с данными по эксудации «целых» отделенных корней.

2. Сравнить химический состав (концентрацию ионов, содержание аминокислот и Сахаров) эксудата сегментов корней при эксудации в противоположных направлениях.

3. Определить электрическую поляризованность сегментов и ее связь с эксудацией в противоположных направлениях.

4. Измерить метаболическую составляющую движущей силы эксудации сегментов корней при эксудации с баеального и апикального концов и испытать влияние метаболических ингибиторов (ингибиторы контрактильных систем и энергетического обмена при дыхании) и стимуляторов (нейромедиаторы) на зксудацию.

5. Исследовать особенности противоположно направленных водных потоков в сегментах, вычлененных из разных зон корня.

6. На основе полученных данных охарактеризовать особенности эксудации с апикального и базального концов сегментов.

Впервые в работе детально исследована эксудация сегментов корней, которые предложены в качестве новой модельной системы для изучения транспорта воды и ионов в корне. Показано, что сегменты способны к эксудации не только в направлении восходящего водного потока, но и в противоположном ей направлении (нисходящий водный поток). Анализ химического состава эксудата позволил сделать вывод, что в обоих случаях при эксудации водные потоки движутся по ксилеме и, следовательно, в ней одновременно возможны противоположно направленные потоки. Оригинальные данные получены при изучении интенсивности этих потоков в равных участках корня, Высказана гипотеза, что обнаруженные потоки могут отражать реальную картину транспорта воды в растении при низкой интенсивности транспирации, характеризуя тем самым особенности его единой гидродинамической системы. Впервые показано различие параметров эксудации сегментов корней в противоположных направлениях и выявлена электрическая поляризованность сегментов. Продемонстрировано стимулирующее воздействие нейромедиаторов ацетилхолина и норадреналина на эксудацию как сегментов, так и «целых» отделенных корней, а также получены новые убедительные доказательства сложной природы корневого давления и участия сократительных и сенсорных систем в его создании. Предложена оригинальная математическая модель, удовлетворительно описывающая эксудацию сегментов корней и объясняющая различия в эксудации с разных концов сегментов.

Хотя полученные данные имеют преимущественно фундаментальное значение для понимания особенностей транспорта воды и ионов в корне, функционирования единой гидродинамической системы растения и создания корневого давления, результаты работы могут быть также использованы для обоснования и разработки оптимальных методов поливного режима растений и повышения их продуктивности в условиях дефицита водных ресурсов. Материалы диссертации были использованы при чтении лекций по водному обмену растений для студентов высших учебных заведений.

выводы.

1. Рассмотрена и детально исследована новая модельная система для изучения транспорта воды и ионов в корне — сегменты корней проростков кукурузы (Zea mays L.).

2. Показано, что сегменты корней способны выделять эксудат не только с базального (как это обычно наблюдается у «целых» отделенных корней), но и с апикального конца, т. е. в диаметрально противоположных направлениях,.

3. Противоположно направленные водные токи в сегментах не являются следствием капиллярных или каких-либо иных простых Физических процессов, а имеют сложную физиологическую природу, судя по их энергозависимости, величине температурного коэффициента Qio интенсивности зкоудации, чувствительности эксудации к метаболическим регуляторам,.

4. Как восходящий, так и нисходящий водные потоки в сегментах (подобно эксудации «целых» отделенных корней) чувствительны к действию нейромедиаторов ацетилхолина и норадренали-на, стимулирующих зкоудацию, ингибитора энергообмена при дыхании 2,4-динитрофенола и блокаторов сократительных систем клеток d-тубокурарина и цитохалазина В, подавляющих зкоудацию, Полученные результаты подтверждают возможность непосредственного участия контрактильных систем и биомедиаторов в формировании движущих сил транспорта водных растворов в корне, в создании корневого давления.

5. Восходящий и нисходящий водные токи в сегментах различаются по интенсивности и величине температурного коэффициента.

— 158.

Qio эксудации, величине ее метаболической составляющей, величине осмотического давления эксудата, чувствительности к ней-ромедиаторам. Это может свидетельствовать о неидентичности механизмов этих токов,.

8, Судя по химическому составу выделяемых эксудатов, как восходящий, так и нисходящий водные токи в сегментах направляются по ксилеме.

7, Предложена математическая модель, основанная на различиях в радиальной гидравлической проводимости и метаболической составляющей движущей силы транспорта воды по длине сегментов корней. Экспериментальные данные удовлетворительно описываются предложенной моделью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Сегменты корней — новая модельная система для изучения транспорта воды и ионов. У сегментов отсутствует растущая апикальная часть корня длиной 2 ом, которая включает корневой чехлик и зону растяжения, поэтому транспортные процессы не осложнены взаимодействием с ростовыми и предстают в своего рода «чистом» виде. Перерезание сосудов у сегментов на первый взгляд нарушает целостность полунепроницаемой мембраны, всегда используемой в простой осмотической концепции для объяснения корневого давления, и, следовательно, необходимы новые подходы для описания транспорта воды в сегментах — с учетом перерезания сосудов и всех тканей корня.

В опытах было обнаружено, что сегменты способны к зкоуда-ции: с базального конца — аналогично «целым» отделенным корням, — а также к эксудации с апикального конца — в направлении, противоположном обычной эксудации. Первоначально предполагалось, что сегменты способны лишь к созданию однонаправленного тока жидкости, и обнаруженная зкоудадия о апикального конца оказалась неожиданной. Зксудация о обоих концов сегментов представляла собой физиологическое, а не простое физическое (например, капиллярное засасывание) явление, судя по высокому температурному коэффициенту Цю эксудации, ее энергозависимости, сложной кинетике и автоколебаниям. Более того, было показано, что транспорт воды в отделенных корнях и сегментах корней чувствителен к действию биомедиаторов ацетилхолина и норадреналина, стимулирующих зкоудацию, ингибиторов энергооб.

— 149 мена (2,4-динитрофенол) и блокаторов сократительных систем клеток (и-тубокурарин, цитохалазин Б), подавляющих эксудацию. Полученные результаты подтверждают сложную природу транспорта воды в сегментах корней, корневого давления, а также непосредственное участие контрактильных систем и биомедиаторов в формировании движущих сил транспорта водных растворов в корне, Изучение химического состава выделяемого сегментами эксудата позволило сделать вывод, что в обоих случаях — при зкоу-дадии с банального и при зкоудации с апикального концов сегментов — эксудат движется по ксилеме. Эксудат о апикального конца сегментов представлял собой как бы «сконцентрированный15 эксудат с базального конца. Не наблюдалось различий в рН эксудатовне было качественных различий в составе ионов и Сахаровбыли, наконец, сходны спектры свободных аминокислот в эксудате с базального и с апикального юнцов сегментов. Эксудат о базального конца сегментов по химическому составу был почти идентичен эксудату «целых» отделенных корней.

При измерениях на одном сегменте было показано, что сегмент способен одновременно выделять эксудат с двух сторон. Следовательно, можно полагать, что жидкость поглощается всей ризидермой корня, движется к стели корня и далее выделяется через коилемные сосуды в обоих направлениях, Поглощение жидкости через срезы, по-видимому, отсутствует, и общая схема транспорта воды в сегментах тогда достаточно близка к наблюдаемой в интактном корне, В пользу подобного взгляда свидетельствуют также данные наблюдений по заклеиванию нижнего находящегося в жидкости среза сегмента: в этом случае наблюдали усиление, а не ослабление эксудации сегмента, что говорит об от.

— 150 оутотвии поглощения жидкости через находящийся в жидкости срез сегмента,.

Было показано, что характеристики транспорта воды в сегментах различаются в зависимости от направления тока жидкости, Так, наблюдали сходство параметров эксудации у отделенных корней и эксудации с базального конца сегментов корней, тогда как у экоудация с апикального конца сегментов корней (в направлении, противоположном обычной эксудации и восходящему водному потоку) интенсивность снижена, меньше у нее и температурный коэффициент Qio на тоне, однако, повышенного осмотического давления эксудата и повышенной чувствительности к действию биомедиаторов, Различия эксудации о базального и апикального концов сегментов по температурному коэффициенту цю эксудации и по чувствительности к действию норадреналина и ацетилхолина позволяют сделать вывод о различиях в движущих силах эксудации в различных направлениях, Этот вывод был подтвержден и измерениями метаболической составляющей движущей силы эксудацииона оказалась значительно выше при эксудации с базального конца, Подобная полярность и различия в движущих силах при транспорте воды сегментами, как мы полагаем, могут быть связаны только о деятельностью живых клеток. Действительно, радиальное сопротивление потоку воды в корне — потоку через живые клетки ризодермы, коры, эндодермы, паренхимы — обычно на несколько порядков превышает сопротивление потоку воды в сосудах (ом, например, Steudle, Peterson, 1998) и является поэтому определяющим, В наших экспериментах измеренная в камере давления гидравлическая проводимость сегментов также оказалась на порядок выше аналогичной величины для целых корней, доказывая определяющую роль радиального потока воды, Различия в движущих силах зкоудации могут быть также связаны только с радиальным транспортом воды в сосуды ксилемы, Вполне вероятны некоторые различия в дифференциации сосудов по оси корня, и изучение их требует специального исследования, однако, как мы полагаем, такие различия не могут объяснить полярности в транспорте воды сегментами — истоки этой полярности следует искать лишь в деятельности живых клеток. Отметим, что нам удалось обнаружить электрическую поляризованность сегментов, проявляющуюся как следствие их физиологической поляризованности,.

В настоящее время можно предложить математическую модель, объясняющую полярность в транспорте воды сегментами за счет различий в гидравлической проводимости клеток с разных сторон сегмента, При рассмотрении в модели транспорта воды через корень с учетом метаболической (неосмотической) составляющей, все полученные данные удовлетворительно описываются предложенной моделью.

Рассмотрим транспорт воды и растворенных веществ в сегменте корня (рис, 12), Предположим вначале, что весь поток воды обусловлен разницей осмотических давлений Atf' -в сосудах ксилемы и в окружающей корень среде. i4 bKi i w.

КОРй.

JW.

Л7Т.

W 1 сесиецт L i-, Z.

Рис, 12= Ухема транспорта воды и ионов в сегменте корня Zea mays L, Объяснения в тексте.

Тогда.

Jw = L M б,.

M — Js/Jw R T, где Jw и Js — потоки воды и растворенных веществ, соответственноR, Т и L — универсальная газовая постоянная, абсолютная температура и гидравлическая проводимость, соответственноМ и б — разница осмотических давлений и коэффициент отражения, соответственно.

Далее будем полагать, что определяющим параметром является гидравлическая проводимость (преимущественно радиальная), монотонно меняющаяся по длине сегмента, а поток растворенных веществ постоянен по длине сегмента. Тогда входящий в корень поток воды будет разветвляться в две стороны в зависимости от гидравлических проводимостей в двух направлениях, Однако для потока в любую сторону в каждой внутренней точке сегмента можно найти ближайшую к взятой точку, в которой существует направленный в противоположную сторону и равный по величине поток водысуммарный поток во внутренних точках можно таким образом не рассматривать, а поток о концов сегмента будет определяться граничными условиями — гидравлической проводимостью на концах, Тогда Зт~ L± Jg/^wl б R Т, a JW?= Lg Js/Jw2 б R Т, откуда Jwi/Jw2 sfLi/Lg.

Аналогично М±/М<2 s^Lg/Li'.

Таким образом, отношение потоков воды о концов сегментов пропорционально квадратному корню из проводимоотей на этих концах, а отношение осмотических давлений обратно пропорционально этой величине. Подобную картину мы и наблюдаем в реальностидля апикального конца большему осмотическому давлению эксудата соответствует пропорционально меньшая интенсивность зкоудациисогласно проведенным вычислениям, радиальные гидравлические проводимости для апикального и базального концов для наших данных (разница интенсивностей зкоудации в 2−3 раза) должны отличаться в 4−9 раз. Определение радиальных гидравлических проводимоотей требует специальной техники, однако приводимые в литературе данные согласуются с выполненными нами вычислениями (например, Melchior, Steudle, 1993),.

Рассмотренная модель, однако, никак не объясняет причины различия температурных коэффициентов Qio, чувствительности к биомедиаторам и различных величин метаболической составляющей при зкоудации о разных концов сегментов, Введем в модель не зависящий от осмотического поток жидкости, определяемый абсолютной величиной метаболической составляющей MOV, Будем также полагать, что абсолютная величина метаболической составляющей M0V постоянна по длине корня. Тогда.

Jw = L Дя б + L MCY,.

Ы = Js/Jw R Т,.

W± а итоговые выражения для потока воды и разницы осмотических давлений будут сложнее: и КСУ + УТ7°(МСУ)2ч-Чи1ГГГ⁷. ««>* - ' — -, а1г = Ч. (MCV^MUsRTcS' г I ?

Принципиальный момент, тем не менее, что общие закономерности сохраняются в широком диапазоне величин — большей интенсивности эксудации соответствует меньшая разница осмотических давлений и наоборот, Подбирая различные численные величины, можно получить различные соотношения между разницей осмотических давлений и интенсивностью эксудации (аналогичную модель см, в: Fiscus, Kramer, 1975), в пределе соотношения стремятся к полученной ранее обратной пропорциональности. Теперь рассмотрим движение воды на разных концах сегментов. На базальном конце движущими силами транспорта воды будут MCV и Дя, их соотношение определяет Qio, величину метаболической составляющей и чувствительность к биомедиаторам (полагаем, что Ою для МС около 5, а для М — около 1, тогда, поскольку МС составляет примерно 70% от общей движущей силы эксудации суммарный Qio будет около 3,5−4, что соответствует экспериментальным данным): на апикальном конце движущими силами транспорта воды будут MCV и 2.5 Дд, отсюда, очевидно, получаем меньшую величину метаболической составляющей, меньшую величину Qio (полагая, что МС составляет около 30% от движущей силы эксудации, получим суммарный Ою около 2.5, что хорошо согласуется с экспериментальными данными) и большую чувствительность к биомедиато.

— 156 рам (активация меньшей метаболической составляющей выражается в большем эффекте). Возможно, что MCV и другие параметры (транспорт солей, например) также закономерным образом меняются вдоль оси корня, тогда можно получить попытаться получить точное количественное описание эксудации сегментов.

Приведенная модель, таким образом, удовлетворительно объясняет зкоудацию сегментов корней и различия в интенсивности эксудации и движущих силах эксудации с разных сторон сегментов, Одно из дополнительных следствий рассмотрения математической модели — она показывает преимущества сегментов как новой системы для изучения метаболической составляющей, О двух сторон сегментов величины метаболической составляющей различаются, что позволяет одновременно исследовать транспорт воды при различных величинах метаболической составляющей и подробнее выявить ее роль в создании движущей силы транспорта воды.

Наиболее сложным оказался и остается вопрос о путях одновременного движения противоположно направленных потоков в ксилеме и о том, насколько обнаруженная способность сегментов выделять эксудат в обоих направлениях имеет отношение к ин-тактному растению и его единой гидродинамической системе. Противоположно направленные потоки в ксилеме, обнаруженные нами в сегментах корней, могут двигаться по различным сосудам ксилемы или по одному. Ни одна из этих возможностей не исключена! хотя недавно показано наличие гидравлически изолированных компарт-ментов в корнях (Wang, Canny, MoOully, 1991; Zhu и до, 1995), которые могли бы служить для противотока воды, нельзя исключить и вторую возможность, хотя понять механизмы ее реализации сложнее. По аналогии, впрочем, можно привести данные о транс.

— 156 порте веществ по флоэме в противоположных направлениях (например: Ратнер, Акимочкина, Ухина, 1959), чему также не дано убедительного объяснения, В настоящее время достаточно сложно также показать, насколько связана выявленная способность сегментов корней к транспорту воды в противоположных направлениях о реальной картиной транспорта воды в интактном растении. На основании многочисленных литературных данных, подробно обсуждаемых в литературном обзоре, можно сделать вывод, что в ин-тактных растениях возможен нисходящий поток жидкости по ксилеме, выделение воды корнем и что существует рециркуляция значительных количеств воды в растении. Все эти результаты позволяют нам высказать предположение, что обнаруженная способность сегментов корней к транспорту воды в противоположных направлениях может проявляться в растении при условиях, например, подавленной транопирации и высокого корневого давления, В этом случае противоположно направленные водные токи в сегментах корней могут отражать реально существующие в растении потоки растворов, которые циркулируют, образуя единую гидродинамическую систему растения: представляется возможной также их связь о выделительной функцией корня, Для подтверждения высказанной гипотезы необходимы дополнительные исследования на целом растении с помощью специальных неинвазивных методов исследования, В любом случае можно утверждать, что сегменты проявляют потенциальную способность к транспорту воды в противоположных направлениях, которая может быть реализована в интактном растении.