Вісн. Харків. нац. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія, 2017, вип. 1 (40), с. 88-99


https://doi.org/10.35550/vbio2017.01.088




ФІТОГОРМОНИ У РЕГУЛЯЦІЇ ВЕГЕТАТИВНОЇ ТА РЕПРОДУКТИВНОЇ ФАЗ РОЗВИТКУ СПОРОФІТІВ ВИЩИХ СУДИННИХ СПОРОВИХ РОСЛИН


В. А. Васюк, Л. В. Войтенко, І. В. Косаківська

Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного
Національної академії наук України
(Київ, Україна)


Досліджено характер акумуляції та локалізації гіберелінів і абсцизової кислоти (АБК) у представників вищих судинних спорових рослин на різних фазах розвитку спорофітів та за різних умов існування. У багаторічної наземної рослини Equisetum arvense L., зібраної на лісових галявинах Київської області, вивчено фітогормональний баланс репродуктивного та вегетативного пагонів. У різноспорової однорічної папороті гідрофіту Salvinia natans L., зібраної у штучних водоймах Деснянського району м. Києва, проаналізовано гормони у плаваючих та занурених ваях. Уперше методом високоефективної рідинної хроматографії мас-спектрометрії та біотестовими дослідженнями в органах спорофітів хвоща польового та сальвінії плаваючої ідентифіковані вільні та кон’юговані форми гібереліноподібних речовин (ГПР) – ГК3, ГК4  і ГК7, та АБК у вільному і кон’югованому стані. Встановлено, що домінуючими в органах обох досліджених видів були вільні форми гіберелінів та АБК. Високий вміст ендогенної АБК у стробілах на завершальній стадії репродуктивного розвитку спорофіту хвоща польового та у скупченнях спорокарпіїв у водної папороті сальвінії плаваючої відповідав початку процесу старіння рослин. Домінування кон’югованих форм гіберелінів у стробілах зі спорами у хвоща польового та спорокарпіях у сальвінії плаваючої спостерігалося при завершенні процесів дозрівання. Виявлені зміни у характері акумуляції та локалізації АБК і ГПР вказують на участь гормонів у регуляції процесів переходу досліджених спорових рослин до репродуктивної фази розвитку, пов’язаної з формуванням і дозріванням спор. Особливості локалізації гіберелінів та АБК свідчать про те, що занурені ваї сальвінії плаваючої є донором цих гормонів для плаваючих вай. Отримані результати опосередковано засвідчили, що сайтом синтезу гіберелінів на всіх досліджених фенологічних фазах розвитку у хвоща польового є надземні органи, тоді як місцем продукування АБК у репродуктивній фазі є кореневище, а у вегетативній – надземні органи. Водна папороть сальвінія плаваюча, на відміну від хвоща польового, характеризувалася дещо вищим вмістом ендогенних гіберелінів і АБК, що може бути одним із чинників забезпечення успішності існування папороті на межі повітряного і водного середовищ. Отримані результати вказують на взаємозв’язок між окремими компонентами гормонального комплексу у спорових рослин, а динаміка накопичення й характер локалізації гіберелінів і АБК в органах спорофітів засвідчили участь гормонів у регуляції вегетативної і репродуктивної фаз розвитку хвоща польового та сальвінії плаваючої.


Ключові слова: Equisetum arvense, Salvinia natans, абсцизова кислота, гібереліноподібні речовини, спорофіт

 


ЛІТЕРАТУРА


1. Agnistikova V.N. 1966. Metody opredeleniya regulyatorov rosta rasteniy i gerbitsidov (Methods for determining plant growth regulators and herbicides). Moscow : 93 p.
 
2. Andrianova T.V., Vasyuk V.A., Musatenko L.I. 1993. Sostoyaniye i perspektivy issledovaniya fitogormonov gribov (The state and prospects of the study of phytohormones of fungi: Preprint). Kiev : 54 p.
 
3. Vasyuk V.A., Voitenko L.V., Musatenko L.I. 2004.Gibberellin-like substances Chara contraria A. Br. (Charorhycea). Al'gologiya. 14 (4) : 410-417.
 
4. Vasyuk V.A., Kosakivska I.V. 2015. Fiber gibberellins: participation in the regulation of physiological processes. Ukr. bot. zhurn. 72 (1) : 65-73.
https://doi.org/10.15407/ukrbotj72.01.065
 
5. Vasheka O.V., Bezsmertna O.O. 2012.Atlas paporotey flory Ukrayiny (Atlas of Ferns of Flora of Ukraine). Kyiv : 160 с.
 
6. Vedenicheva N.P., Vasyuk V.A., Kosakivska I.V. 2015. Seasonal dynamics of endogenous cytokinins and gibberellins in the Black sea seaweed Cystoseira barbata (Phaeophyceae). Ukr. Bot. J. 72 (3) : 261-266.
https://doi.org/10.15407/ukrbotj72.03.261
 
7. Voitenko L.V., Kosakivska I.V. 2016a. Polyfunctional phytohormone abscisic acid. Visn. Hark. nac. agrar. univ., Ser. Biol. 1 (37) : 27-41.
 
8. Voytenko L.V., Likhnyovskiy R.V., Kosakivska I.V. 2016a. Peculiarities of accumulation and localization of indole-3-acetic acid in organs of Salvinia natans (L.) All. sporophyte at the different phenological develiopment phases. Studia Biologica. 10 (3-4) : 91-106.
https://doi.org/10.30970/sbi.1003.492
 
9. Voytenko L.V., Shcherbatiuk M.M., Kosakivska I.V. 2016b. Structural and functional characteristics of Equisetum arvense L. in ontogenesis. Visn. Hark. nac. agrar. univ., Ser. Biol. 2 (38) : 46-68.
 
10. Kulaeva O.N., Prokoptseva O.S. 2004. Recent advances in the study of mechanisms of action of phytohormones. Biochemistry (Mosc.). 69 (3) : 293-311.
https://doi.org/10.1023/B:BIRY.0000022053.73461.cd
 
11. Muromtsev G.S., Chkanikov D.G., Kulayeva O.N., Gamburg K.Z. 1987. Osnovy khimicheskoy regulyatsii rosta i produktivnosti rasteniy (Fundamentals of chemical regulation of plant growth and productivity). Moscow : 383 p.
 
12. Sytnyk K.M., Musatenko L.I., Vasyuk V.A., Vedenicheva N.P., Heneralova V.M., Martyn H.H., Nestorova A.N. 2003. Hormonal'nyy kompleks ta rist kvitkovykh roslyn i sporovykh (Hormonal complex and growth of flowering plants and spores). Kyiv : 186 p.
 
13. Banks J.A. 1993. Mutations affecting the sexual phenotype of the Ceratopteris richardii gametophyte. J. Cell Biochem. Suppl. 17 B : 13.
 
14. Baskaran X R., Jeyachandran R., Melghias G. 2014. In vitro spore germination and gametophytic growth development of a critically endangered fern Pteristripartita Sw. Afr. J. Biotechnol. 13 : 2350-2358.
https://doi.org/10.5897/AJB2013.13419
 
15. Benkova E., Chist A., Triml J., Jugens G. 2006. Role of hor-monal regulation of auxin and cytokinin in lateral root development. In: XV FEBS Congress Federation of European Societies of Plant Biology (17-21 July 2006). Lyon, France : 117 p.
 
16. Cheng C.Y., Schraudolf H. 1974. Nachweis von abscisinsäure in sporen und jungen Prothallien von Anemia phyllitidis L. Sw. Zeitschrift fűr Pflanzenphysiologie. 71 : 366-369.
https://doi.org/10.1016/S0044-328X(74)80043-7
 
17. Crozier A., Kamiya Y., Bishop G., Yokota T. 2000. Biosynthesis of hormones and elicitor molecules In: Biochemistry and Molecular Biology of Plants (Eds. B. Bu-chanan, W. Gruissem, R. Jones). Rockville: 850-929.
 
18. Dathe W., Miersch O., Schmidt J. 1989. Occurrence of jasmonic acid, related compounds and abscisic acid in fertile and sterile fronds of three Equisetum spe-cies. Biochem. Physiol. Planzen. 185 : 83-92.
https://doi.org/10.1016/S0015-3796(89)80162-3
 
19. Davière J.M., Achard P. 2013. Gibberellin signaling in plants. Development. 140 : 1147-1151.
https://doi.org/10.1242/dev.087650
 
20. De Smet I., Zhang H., Inzé D., Beeckman T. 2006. A novel role for abscisic acid emerges from underground. Trends Plant Sci. 11 : 434-439.
https://doi.org/10.1016/j.tplants.2006.07.003
 
21. Gantait S., Sinniah U.R., Ali MN, Sahu N.C. 2015. Gibberellins - a multifaceted hormone in plant growth regulatory network. Curr. Protein Pept. Sci. 16 : 406-412.
https://doi.org/10.2174/1389203716666150330125439
 
22. Gupta R., Chakrabarty S. 2013. Gibberellic acid in plant. Plant Signal Behav. 8 (9) : e25504.
https://doi.org/10.4161/psb.25504
 
23. Hartung W. 2010. The evolution of abscisic acid (ABA) and ABA function in lower plants, fungi and lichen. Funct. Plant Biol. 37 : 806-812.
https://doi.org/10.1071/FP10058
 
24. Husby C. 2013. Biology and Functional Ecology of Equisetum with Emphasis on the Giant Horsetails. Bot. Rev. 79 : 147-177.
https://doi.org/10.1007/s12229-012-9113-4
 
25. Karol K.G., Arumuganathan K., Boore J.L., Duffy A.M., Everett K.D., Hall J.D., Hansen S.K., Kuehl J.V., Mandoli D.F., Mishler B.D., Olmstead R.G., Renzaglia K.S., Wolf P.G. 2010. Complete plastome sequences of Equisetum arvense and Isoetes flaccida: implications for phylogeny and plastid genome evolution of early land plant lineages. BMC Evolution. Biol. 10 : 321. doi: 10.1186/1471-2148-10-321.
https://doi.org/10.1186/1471-2148-10-321
 
26. Kato J., Purves W.K., Phinney B. 1962.Gibberellin-like substances in plants. Nature. 916 : 688.
https://doi.org/10.1038/196687a0
 
27. Kazmierczak A.I. 2003. Induction of cell division and cell ex-pansion at the beginning of gibberellin A3-induced precocious antheridia formation in Anemia phyl-litidis gametophytes. Plant Sci. 165 : 933-939.
https://doi.org/10.1016/S0168-9452(03)00217-6
 
28. King R.W. Junttila O., Mander L.N. Beck E.J. 2004.Gibberellin structure and function: biological activity and competitive inhibition of gibberellin 2- and 3-oxidases. Physiol. Plant. 120 : 287-293.
https://doi.org/10.1111/j.0031-9317.2004.0227.x
 
29. Kosakivska I.V., Voytenko L.V., Likhnyovskiy R.V., Ustinova A.Y. 2014. Effect of temperature on accumulation of abscisic acid and indole-3-acetic acid in Triticum aesticum L. seedling. Genet. Plant Physiol. 4 (3-4) : 201-208.
 
30. Lang A. 1970. Gibberellins: structure and metabolism. Ann. Rev. Plant. Physiol. 21 : 537-570.
https://doi.org/10.1146/annurev.pp.21.060170.002541
 
31. Lin B.-L., Wang H.-J., Wang J.-S., Zaharia I, Abrams S.R. 2005. Abscisic acid regulation of heterophylly in Marsilea quadrifolia L.: effects of R-(-) and S-(+) isomers. J. Exp. Bot. 56 : 2935-2948.
https://doi.org/10.1093/jxb/eri290
 
32. MacMillan J. 2001. Occurrence of gibberellins in vascular plants, fungi and bacteria. J. Plant Growth Regul. 20 : 387-442.
https://doi.org/10.1007/s003440010038
 
33. Marsh A.S., Arnone J.A., Bormann B.T. 2000. The role of Equisetum in nutrient cycling in an Alaskan shrub wetland. J. Ecol. 88 : 999-1011.
https://doi.org/10.1046/j.1365-2745.2000.00520.x
 
34. Menendez V., Revilla M.A., Bernard P., Gotor V., Fernandez H. 2006a. Gibberellins and antheridiogen on sex in Blechnum spicant L. Plant Cell Rep. 25 : 1104-1110.
https://doi.org/10.1007/s00299-006-0149-y
 
35. Menendez V., Villacorta N.F., Revilla M.A., Gotor V., Bernard P. 2006b. Exogenous and endogenous growth regulators on apogamy in Dryopteria affinis (Lowe) Frasser-Jenkins. Plant Cell Rep. 25 : 85-91.
https://doi.org/10.1007/s00299-005-0041-1
 
36. Munné-Bosch S., Müller M. 2013. Hormonal cross-talk in plant development and stress responses. Front. Plant Sci. 4 : 529-531.
https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00529
 
37. Mutasa-Göttgens E., Hedden P. 2009. Gibberellin as a factor in floral regulatory networks. J. Exp. Bot. 60 (7) : 1979-1989.
https://doi.org/10.1093/jxb/erp040
 
38. Nakanbisi K.M., Enpo U.N., Jonson L.I. 1971.Structure of the antheridium-inducing factor of the fern Anemia phy-litidis. J. Amer. Chem. Soc. 93 : 5579-5581.
https://doi.org/10.1021/ja00750a047
 
39. Nambara E., Marion-Poll A. 2005. Abscisic acid biosynthesis and catabolism. Annu. Rev. Plant Biol. 56 : 165-185.
https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.56.032604.144046
 
40. Nester J.E., Coolbaugh R.C. 1986. Factors influencing spore germination and early gametophyte development in Anemia mexicana and Anemia phyllitidis. Plant Physiol. 82 : 230-235.
https://doi.org/10.1104/pp.82.1.230
 
41. Page C. 2002. Ecological strategies in fern evolution: a neopteridological overview. Review Palaeobot Palynol. 119 : 1-33.
https://doi.org/10.1016/S0034-6667(01)00127-0
 
42. Peleg Z, Blumwald E. 2011. Hormone balance and abiotic stress tolerance in crop plants. Curr. Open Plant Biol. 14 : 290-295.
https://doi.org/10.1016/j.pbi.2011.02.001
 
43. Piotrowska A., Bajguz A. 2011. Conjugates of abscisic acid, brassinosteroids, ethylene, gibberellins and jasmonates. Phytochem. 72 : 2097-2112.
https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2011.08.012
 
44. Pryer K.M., Schneider H., Smith A.R., Cranfill R., Wolf P.G., Hunt J.S., Sipes S.D. 2001. Horsetails and ferns are a monophyletic group and the closest living rela-tives to seed plants. Nature. 409 : 618-622.
https://doi.org/10.1038/35054555
 
45. Rock C.D., Sun X. 2005.Crosstalk between ABA and auxin signaling pathways in roots of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Planta. 222 : 98-106.
https://doi.org/10.1007/s00425-005-1521-9
 
46. Ross J.J., Reid J.B. 2010.Evolution of growth-promoting plant hormones. Funct. Plant Biol. 37 : 795-805.
https://doi.org/10.1071/FP10063
 
47. Ryberg P.E., Hermsen E.J., Taylor E.L., Taylor T.N., Osborn J.M. 2008. Development and ecological implica-tions of dormant buds in the high-Paleolltitude Triassic Sphenophyte Spacinodum (Equiswtaceae). Amer. J. Bot. 95 : 1443-1453.
https://doi.org/10.3732/ajb.0800215
 
48. Sembdner G. 1974. Conjugates of plant hormones. Biochemestry and chemistry of plant growth regulators. Halle (Saale) : 283-302.
 
49. Seo M., Hanada A., Kuwahara A., Endo A., Okamoto M., Yamauchi Y., North H., Marion-Poll A., Sun T.P., Koshiba T., Kamiya Y., Yamaguchi S., Nambara E. 2006. Regulation of hormone metabolism in arabidopsis seeds: phytochrome regulation of abscisic acid and of gibberellin metabolism. Рlant J. 48 : 354-366.
https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2006.02881.x
 
50. Sponsel V.M., Hedden P. 2010. Gibberellin biosynthesis and inactivation. Plant Hormones. Biosynthesis, Signal Transduction, Action (ed. Davies P.J.) Dordrecht : 63-94.
https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2686-7_4
 
51. Steffens B. E., Sauter M.J. 2007. Epidermal cell death in rice is regulated by ethylene, gibberellin, and abscisic acid. Plant Physiol. 145 : 237-241.
 
52. Taiz L., Zeiger E. 2002Abscisic acid. In: A seed maturation and antistress signal. Plant Physiology (eds. L. Taiz, E. Zeiger). Sinauer Associates : 539-558.
 
53. Takezawa D., Komatsu K., Sakata Y. 2011. ABA in bryophytes: how a universal growth regulator in life be-came a plant hormone? J. Plant Res. 124 : 437-453.
https://doi.org/10.1007/s10265-011-0410-5
 
54. Vandenbussche E., Fierro A.S., Wiedemann G., Reski R., Van Der Straeten D. 2007. Evolutionary conservation of plant gibberellin signalling pathway components. BMC Plant Biol. 7 : 65.
https://doi.org/10.1186/1471-2229-7-65
 
55. White C.N., Rivin C.J. 2000. Gibberellins and seed develop-ment in maize. Gibberellin synthesis inhibition en-hances abscisic acid signaling in cultured embryos. Plant Physiol. 122 : 1089-1098.
https://doi.org/10.1104/pp.122.4.1089
 
56. Wilkinson S., Davies W.J. 2002.ABA-Based chemical signalling: the Coordination of responses to stress in plants. Plant Cell Environ. 25. P. 195-210.
https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2001.00824.x
 
57. Yamaguchi S. 2008. Gibberellin metabolism and its regulation. Ann. Rev. Plant Biol. 59 : 225-251.
https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092804
 
58. Yamane H., Fujioka S., Spray C.R., Phinney B.O., MacMillan J., Gaskin P., Takahashi N. 1988. Endogenous gibberellins from sporophytes of two tree ferns, Ci-botium glaucum and Dicksonia аntarctica. Plant Physiol. 86 : 857-862.
https://doi.org/10.1104/pp.86.3.857
 
59. Yamane H., Sato Y., Takahashi N., Takeno K., Furuya M. 1980.Endogenous inhibitors for spore germina-tion in Lygodium japonicum and their inhibitory ef-fects on pollen germinations in Camellia japonica and Camellia sinensis. Agric. Biol. Chem. 44 : 1697-1699.
https://doi.org/10.1271/bbb1961.44.1697
 
60. Zhengxiu Z., Shaojum D. 2010. Effect of environmental fac-tors on fern spore germination. Acta Ecol. Sin. 30 : 1882-1893.