Меристема корни

Воспроизводство и рост органов взрослого растения (корня и побега) обеспечиваются функционированием зон меристематиче- ских клеток. Выделяют апикальные меристемы корня и побега, латеральные и интеркалярные меристемы.

Меристема корня расположена на его дистальном конце, который покрыт корневым чехликом. На рис. 9, а представлен продольный срез кончика корня А. (ИаПапа с различными типами клеток. Снаружи корень покрыт эпидермисом, его подстилают клетки коры, следом идут клетки эндодермы, окружающие центральную зону - стелу. Дистальное положение в меристеме занимает покоящий центр (ПЦ) и группа инициалей, соседствующих с клетками чехлика. Инициали участвуют в расширении слоев ткани в растущем корне и, со стороны и основания, инициали пополняют клетки в боковой и центральной части чехлика корня. Схематично представлены два асимметричных деления клеток инициалей кора / эндодерма, исходные инициали (серые) и дочерние клетки эндодермы (темно серые) и коры (белые).

Определение судьбы клеток ПЦ зависит от сигналов, поступающих из побега (рис. 9, б, широкие серые стрелки). Детерминация типа соседних клегок контролируется сигналами ПЦ (узкие серые стрелки), стимулирование эндодермы осуществляется сигналами из стелы (черные стрелки), а стабилизация идентичности ткани в пределах каждого слоя поддерживается местом положения и сигналами соседних тканей (длинные светло серые стрелки).

Продольный срез кончика корня А. /каНапа (а) и детерминация типа клеток в меристеме корня (б) (модифицировано по ЗсЬегея, 2000 и 5сЬегея е1 а1., 2002)

Рис. 9. Продольный срез кончика корня А. /каНапа (а) и детерминация типа клеток в меристеме корня (б) (модифицировано по ЗсЬегея, 2000 и 5сЬегея е1 а1., 2002)

Присутствие клеточной стенки не позволяет клеткам растений перемещаться одна относительно другой, поэтому они растут согласовано (симпластно). Такая организация роста обусловливает связь между прохождением клетками митотического цикла и ростом. Поэтому размеры и расположение делящихся клеток в меристемах и клеток могут указывать на закономерности клеточной пролиферации.

В кончике корня растущая часть состоит из двух зон: меристемы, где клетки делятся, и зоны растяжения, на протяжении которой клетки за счет быстрого роста достигают окончательной длины (рис. 10, а). В отличие от других органов растений зоны роста в корнях пространственно разделены. Рост происходит преимущественно в одном направлении, г.е. его можно описывать одномерными характеристиками. Длительное время после прорастания корень растет с постоянной скоростью, и размеры зон роста не меняются во времени. Такой рост называют стационарным. При стационарном росте связь основных количественных характеристик роста даег уравнение непрерывности

где L - расстояние до кончика корня; D = D{L) - эго скорость образования клеток (производства новых поперечных перегородок) на единицу длины L в единицу времени; v = v(L) = dL/dt - скорость удаления клетки от кончика корня; с = c(L) = 1 / / - концентрация клеток в единице длины L; 1 = I (L)- длина клеток.

Длительный рост корня обеспечиваегся существованием апикальных меристем, в которых деления происходят в течение всего периода роста. Всякая клетка, за исключением самых апикальных, постоянно «отодвигается» от кончика за счет делений и последующего растяжения клеток, покидая меристему после нескольких митозов. Поэтому, несмотря на то что деления в меристемах происходят в течение всего периода рост корня, большая часть самих меристемати- ческих клеток делится в течение нескольких суток и успевает поделиться за это время только несколько (3-8) раз. На определенном расстоянии от кончика клетки переходят к растяжению, в результате число меристематических клеток остается практически постоянным.

Апикальные клегки кончика корня входят в состав ПЦ (рис. 9, 10). Клегки ПЦ, хотя и редко, но делятся, и со временем клегки, оказавшиеся на базальной границе ПЦ, выходят из него и переходят к частым делениям. В дальнейшем они смещаются от кончика корня новыми генерациями клеток, тем самым в меристеме происходит постоянная смена клеток.

Схема строения растущей части корня кукурузы при 27°С (а) и срок пребывания клеток меристемы, расположенных на разных расстояниях от кончика корня, в зоне деления (б)

Рис. 10. Схема строения растущей части корня кукурузы при 27°С (а) и срок пребывания клеток меристемы, расположенных на разных расстояниях от кончика корня, в зоне деления (б): 1/2, 1/4, 1/8 - доли меристемы;

Т - продолжительность митотического цикла (Иванов, 2004)

Для анализа перехода клеток к растяжению В.Б. Иванов (2004) ввел понятие «время жизни клеток в меристеме» (Тж). Тж означает период времени, но истечении которого мерисгематическая клетка переходит к растяжению и ее апикальная стенка оказывается на границе меристемы и зоны растяжения, что происходит за счет роста клеток, расположенных между этой клеткой и ПЦ. В корнях клетки растут симиластно (согласовано).

Поэтому Тж одинаково у клеток разных тканей на одном расстояния от кончика корня, зависит от степени удаления от кончика и становится тем меньше, чем дальше находится клетка от кончика корня. Клетки ПЦ отличаются от остальных клеток меристемы растянутыми митотическими циклами, непропорциональным удлинением периода С| (возможно, с выходом части клеток в состояние покоя, период С0), замедленными синтезами белков и РНК и рядом других признаков.

Длительный роет корня обеспечивается поддержанием пролиферации меристематических клеток в течение почти всего периода роста корня.

Средняя продолжительность митотических циклов в ПЦ в 6- 10 раз больше, чем у клеток основной меристемы. Клетки, прилегающие к ПЦ, в одних случаях (например, инициали чехлика в корнях кукурузы), делятся чаще остальных клеток меристемы, в других (например, клетки, прилегающие к ПЦ сверху в корнях кукурузы), несколько реже остальных клеток, но гораздо чаще, чем клетки ПЦ.

У деканитированного корня ПЦ возникает заново из активно пролиферирующих клеток, причем не только после удаления самого ПЦ, но и гораздо большего участка корня (не более 300 мкм у кукурузы). Такую операцию можно повторять многократно. При удалении большей части меристемы рост корня прекращается после растяжения всех клеток, и дальше лидером может стать самый апикальный боковой корень. Эти опыты показывают, что клетки, которые в нормальных условиях переходят к растяжению через два цикла (в корнях кукурузы всего через 16 ч), могут снова возвращаться в состав ПЦ.

В клетках ПЦ корней риса найден ген, родственный гену IVUS. В апикальной меристеме стебля этот ген экспрессируется в клетках, расположенных ниже меристемы ожидания. Его активность определяется белком, кодируемым геном CLV3, в клетках меристемы ожидания. Поступая в клетки, находящиеся ниже, и взаимодействуя с белками, кодируемыми генами CLV1 и CLV2, этот белок влияет на активность гена WUS, который, в свою очередь, влияет на экспрессию гена CLV3 в клетках меристемы ожидания. Таким образом, возникает система обратных взаимосвязей, регулирующая активность меристемы ожидания. В меристеме корней синтезируются близкие к CLV белки, и их синтез может' привести к уменьшению размера меристемы, но такой эффект не связан с клетками ПЦ.

Следует отметить некоторые особенности ПЦ в корнях Arabidopsis, а именно тот факт, что он состоит всего из нескольких клеток. Обычно в состав ПЦ входит 0,5-1% клеток меристемы. В меристеме корня Arabidopsis порядка 2-2,5 тыс. клеток: она состоит из 50-60 рядов клеток и в каждом ряду порядка 30-45 меристемагических клеток. Малые размеры ПЦ в корнях Arabidopsis, возможно, связаны с эфемерностью этого растения, так как его жизненный цикл очень короток.

Клетки ПЦ относительно менее дифференцированы по сравнению с другими клетками меристемы. Поэтому они легче меняют направления дифференцировки. Образование ПЦ в меристеме и его поддержание определяются системой межклеточных взаимодействий и полярностью меристемы, благодаря чему группа редко делящихся клеток формируется в самом апексе.

Ветвление корня в растении не может быть основано, как у животных, на «скольжении» эмбриональных стволовых клеток, поскольку клетки растений растут согласовано. Число боковых корней, образующихся на корне, или побегов на стебле во много раз превышает число клеток в ПЦ или меристеме ожидания. После перехода клеток к дифференцировке и образования новой оси органа происходит остановка делений.

Для растений характерны образование большого числа органов и способность к вегетативному размножению, что определяет открытый тип морфогенеза. Все клетки в меристеме образуются последовательно в результате ее организации. Образование ПЦ происходит не сразу. Во время роста корня при прорастании семени в нем сначала делятся все клетки, а затем самые апикальные клетки переходят в покоящееся состояние, образуя ПЦ. При развитии боковых корней ПЦ также возникает после выхода растущего зачатка из материнского корня. Существенно, что в меристеме образование ПЦ основано не на развитии определенного клона клеток, а определяется положением группы клеток в меристеме.

Установление границы между меристемой и зоной растяжения корня показано на рис. 10, 6. Относительная скорость роста клеток (к), показывающая изменение длины относительно исходной за определенное время, увеличивается на небольшом протяжении при удалении от ПЦ, практически постоянна на протяжении меристемы и скачкообразно возрастает на границе зон. Место резкого увеличения к целесообразно считать границей зон.

На продольных срезах корней зоны могут быть разделены по месту, где начинается быстрое удлинение клеток, если определять размеры клеток но мере удаления от кончика корня. Такой резкий переход обусловлен не прекращением делений клеток, а ускоренным ростом клеток в длину. Поскольку в корнях клетки растут согласовано, время жизни клетки в меристеме (Тж) всякой клетки определяется только ее положением в меристеме.

Длительность митотических циклов постоянна но длине меристемы, за исключением небольшой группы клеток, расположенных над ПЦ. Следовательно, для большей части клеток меристемы Тж экспоненциально падает но мере удаления клеток от кончика корня (рис. 10, б). За время, равное продолжительности митотического цикла, из меристемы выходит половина клеток, за время двух циклов - 3/4 всех клеток и т.д. Только для небольшой части клеток около ПЦ эта зависимость нарушается, и они начинают растягиваться позже, чем можно было ожидать.

При достижении критического уровня неких факторов, определяющих возможность быстрого роста, начинается растяжение - скачок к. Так, например, в базальной половине меристемы повышаегся активность инвертазы, которая затем резко возрастает с началом растяжения. Этот фермент расщепляет сахарозу, что приводит к удвоению осмотического давления. Другой пример - во второй половине меристемы усиливается синтез 14-3-3 белков, регулирующих активность Н+-АТФазы, которая достигает максимума в зоне растяжения. Выделение протонов при участии этого фермента может повышать растяжимость клеточных стенок.

На рис. 10, б показано время нахождения клеток в меристеме, расположенных на разных расстояниях от кончика корня. В норме за время стационарного роста, характерного для корней проростков, в ходе одного митотического цикла из меристемы выходит число клеток, равное 70% от числа клеток в меристеме = 0,7). Эго клетки из базальной половины меристемы и те клетки, которые возникли из них за счет делений, пока они еще не вышли из меристемы. В корнях проростков кукурузы продолжительность митотического цикла была равна 10-12 ч. Следовательно, за первые сутки число вышедших клеток равно 1,47/,,,— 1,68Л/„, (0,7 х 2 = 1,4).

Среди механизмов поддержания меристемы и регуляции числа клеток в меристеме следует' выделить, прежде всего, поддержание определенного числа инициальных клеток и регуляцию активности их делений.

Изучение роли покоящего центра в специализации инициалей проводится с использованием хирургических манипуляций. Менее травмирующий способ удаления ПЦ осуществляют лазером в постэмбриональном корне. Изменения визуализируют с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии корня до и в последующие за процедурой дни (рис. 11). Клетки окрашивают прогшдиумом йодистым сразу после удаления (день 0) и в последующие дни (1-, 3-, 5-е сутки).

Клетки колумеллы выделены за счет экспрессии С/7/5 (рис. 11, а). В день 0 успешная ампутация отмечена поступлением пропи- диума йодистого в клетки ПЦ. Эти клетки сжаты и смещены к дистальному концу в следующие дни из-за дифференцирования и отбрасывания чехлика корня. Маркер колумеллы перемещается и становится сверхэкспрессирован в прежних прососудистых клетках. После 5 дней эти клегки формируют новую колумеллу, и клеточная организация становится неразличима с необработанными корнями.

Клетки корня в момент и после удаления лазером ПЦ в постэмбриональном корне

Рис. 11. Клетки корня в момент и после удаления лазером ПЦ в постэмбриональном корне: а - клетки корня окрашены пропидиумом йодистым, клетки колумеллы - экспрессией GFP; б - слияние промотора SCARECROW с GFP используется для визуализации нового появления клеток ПЦ в ирососудистом участке (модифицировано по Scheres, Benfey, Dolan, 2002)

Маркировка дистальных клеток кончика корня с помощью DR5::GUS (рис. 12, а) позволяет визуализировать изменения их местоположения при введении полярного ингибитора транспорта ауксина - нафтилфталамовой кислоты (NPA). Обработка NPA изменяет размер и форму структуры колумеллы чехлика корня, визуализируемого здесь их типичными гранулами крахмала. На модели (рис. 12, б) представлена важная роль покоящего центра в дифференцировке соседних клеток. Сигналы из ПЦ подавляют прогрессию дифференцирования клеток.

Дистальные клетки кончика корня, их местоположение, размер и форма до и после введения ЫРА

Рис. 12. Дистальные клетки кончика корня, их местоположение, размер и форма до и после введения ЫРА (о). Модель, характеризующая роль покоящего центра корня (серый цвет) в дифференцировке окружающих его клеток (б) (модифицировано по Бсйегез, 2000)

Схема перестройки меристемы под действием 10 мкМ РЬ(М0)

Рис. 13. Схема перестройки меристемы под действием 10 мкМ РЬ(М03)2: КЧ - корневой чехлик, НКЧ - новый корневой чехлик (модифицировано по Серегину, 2009)

Повреждающие факторы могут изменять состояние клеток кончика корня (рис. 13), перестраивая меристему из закрытой в открытую мод действием 10 мкМ РЬ(1ЧОз)2.

Диаграмма, иллюстрирующая развитие сосудистой ткани в первичном корне (модифицировано по Не1агшНа е1 а1., 2000)

Рис. 14. Диаграмма, иллюстрирующая развитие сосудистой ткани в первичном корне (модифицировано по Не1агшНа е1 а1., 2000)

Развитие сосудистой ткани в первичном корне представлено на рис. 14. Показана последовательная закладка прото- и метаксилемы, прото- и метафлоэмы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >