УЛЬТРАСТРУКТУРА КЛІТИН МЕЗОФІЛУ АРАБІДОПСИСУ (Arabidopsis thaliana L.) ПРИ ГІПЕРТЕРМІЇ
DOI 10.17721/1728_2748.2021.85.15-22
Ключові слова:
Arabidopsis thaliana, мезофіл, тепловий стрес, гіпертермія, транзиторний крохмаль, хлоропласт, мітохондрія, пероксисомаАнотація
З'ясовано вплив гіпертермії (33 °С, дві доби) на ультраструктуру палісадних клітин мезофілу перших справжніх листків арабідопсису екотипу Columbia 0 (Col-0, фази 1.02–1.04). Для досліджень були відібрані зразки 12-добових проростків у двох варіантах: контроль та дві доби 33 °C. Проростки контрольного варіанту вирощували в ростовій камері із фотоперіодом 15/9 год (день/ніч), освітленістю 5,5 клк, за вологості повітря в 75 % і температури у 22 ºC. У дослідному варіанті контейнери із дев'ятидобовими проростками переносили на дві доби в ростову камеру із попередньо установленою освітленістю й температурою, із фотоперіодом 15/9 год. Проведений ультраструктурний аналіз дозволив виявити спектр перебудов палісадних клітин після дводобової дії високої (33 °C) температури. Показано, що висока температура негативно впливала на розміри палісадних клітин мезофілу, площа перерізу яких була на 12 % меншою, ніж у контролі. У хлоропластах показано зростання гранальності: у контролі грани містили 6–10 тилакоїдів, часто об'єднуючись у більші грани, до 20 і більше тилакоїдів у зоні перетину, тоді як за дводобової гіпертермії грани містили 20 і більше тилакоїдів, часто утворюючи гігантські грани із 60 і більше тилакоїдами, майже вдвічі зменшувалася середня площа перерізу гранул крохмалю: 0,99 мкм2 порівняно із 1,92 мкм2 у контролі, діаметр пластоглобул зростав у 3–4 рази до 100–200 нм порівняно із 30–50 нм в контролі. У мітохондріях відмічено зменшення парціального об'єму крист, просвітлення матриксу, щонайменше вдвічі збільшувався переріз органел: 1 мкм2 порівняно із 0,44 мкм2 у контролі. Середня площа перерізу пероксисом зростала майже вдвічі, до значення 1,36 мкм2 порівняно із 0,77 мкм2 у контролі.
Посилання
Atkin O.K., Loveys B.R., Atkinson L.J., Pons T.L. Phenotypic plasticity and growth temperature: understanding interspecific variability // J. Exp. Bot. – 2006. – V. 57 (2). – P. 267-281.
Bano C. Amist N., Singh B. Morphological and Anatomical Modifications of Plants for Environmental Stresses. In: Molecular plant abiotic stress: biology and biotechnology / Editors: Dr. Aryadeep Roychoudhury, Department of Biotechnology, St. Xavier's College, Bengal, India, Dr. Durgesh Kumar Tripathi, Amity Institute of Organic Agriculture (AIOA), Amity University, Noida, India, John Wiley & Sons, Ltd, 2019. P. 29-44.
Boyes D. Growth Stage-Based Phenotypic Analysis of Arabidopsis: A Model for High Throughput Functional Genomics in Plants/ Boyes D., Zayed A., Ascenzi R., Mc Caskill A., Hoffman N., Davis K. Gorlach J // The Plant Cell – 2001. – V. 13 – P. 1499-1510.
Cordoba-Pedregosa M. Role of apoplastic and cell wall peroxidases on the stimulation of root elongation by ascorbate/ Cordoba-Pedregosa M., Gonzalez-Reyes J.A., Canadillas M., Navas P., Cordoba F. // Plant Physiology. – 1996. – V. 112 – pp.1119–1125.
Cui S., Hayashi Y. Sucrose Production Mediated by Lipid Metabolism Suppresses the Physical Interaction of Peroxisomes and Oil Bodies during Germination of Arabidopsis thaliana/ Cui S., Hayashi Y., Otomo M., Mano S, Oikawa K, Hayashi M, Nishimura M // J Biol Chem. – 2016. – V.291,№38 – P. 19734–19745.
Djanaguiraman M. High temperature stress. In: Plant Genetic Resources and Climate Change/ Djanaguiraman M., Prasad, P. V. / Editors: M. Jackson, B.V. Ford-Lloyd, M.L. Perry, 2014. P.201-220.
Dong S., Zhang J., Beckles D.M. A pivotal role for starch in the reconfiguration of 14C-partitioning and allocation in Arabidopsis thaliana under short-term abiotic stress Sci Rep. – 2018. – V.8, №1 – P. 9314.
Donnelly P. Cell Cycling and Cell Enlargement in Developing Leaves of Arabidopsis/ Donnelly P., Bonetta D., Tsukaya H., Dengler R., Dengler N. // Developmental Biology – 1999. – V.215 – P. 407–419.
Falcone, D.L. Regulation of membrane fatty acid composition by temperature in mutants of Arabidopsis with alterations in membrane lipid composition/ Falcone, D.L., Ogas, J.P., Somerville, C.R. // BMC Plant Biol – 2004. – V.4, 17 – P.1-15.
Granier C. Individual leaf development in Arabidopsis thaliana a stable thermal-time-based programme/ Granier C., Massonnet C., Turc O., Muller B., Chenu K., Tardieu F. // Ann Bot. – 2002. – V.89, №5 – P.595–604.
Gulen H. Effect of heat stress on peroxidase activity and total protein content in strawberry plants/ Gulen H., Eris A. // Plant Science. – 2004. – V. 166. – P.739–744.
Hao L.Responses of photosynthesis to high temperature stress associated with changes in leaf structure and biochemistry of blueberry (Vaccinium corymbosum L.)/ Hao L., Guo L., Li R., Cheng Y., Huang L., Zhou H., Xu M., Li F., Zhang X., Zheng Y. // Scientia Horticulturae. – 2019. – V. 246. – P. 251-264.
Herritt M.T. Characterization of Photosynthetic Phenotypes and Chloroplast Ultrastructural Changes of Soybean (Glycine max) in Response to Elevated Air Temperatures/ Herritt M.T., Fritschi F.B. // Front. Plant Sci. – 2020. – V.11(153) – P.1-16.
Huang Y. -W. Glucose application protects chloroplast ultrastructure Bai J.-G. // Biol Plant – 2015. – V.59 – P. 131–138.
Jin B.The effect of experimental warming on leaf functional traits, leaf structure and leaf biochemistry in Arabidopsis thaliana/ Jin B., Wang L., Wang J., Jiang K.Z., Wang Y., Jiang X.X., Ni C.Y., Wang Y.L., Teng N.J. // BMC Plant Biol. – 2011. – V. 11. – P.35-45.
Jouili, H. Plant peroxidases: biomarkers of metallic stress/ Jouili, H., Bouazizi, H., El Ferjani, E. // Acta Physiol Plant. – 2011. – V.33 – P. 2075.
Kalve S. Three-dimensional patterns of cell division and expansion throughout the development of Arabidopsis thaliana leaves / Kalve S., Fotschki J., Beeckman T., Vissenberg K., Beemster G. // J Exp Bot. – 2014. – V. 65, № 22. – P. 6385–6397
Kao Y.T. Peroxisome Function, Biogenesis, and Dynamics in Plants/ Kao Y.T., Gonzalez B.L., Bartel B. // Plant Physiology – 2018. – V. 176 – P. 162–177.
Kislyuk I.M.Heat shock increases thermotolerance of photosynthetic electron transport and the content of chloroplast membranes and lipids in wheat leaves/ Kislyuk I.M., Bubolo L.S., Kamentseva I.E., Kotlova E.R., and Sherstneva O.A. // Russ. J. Plant Physiol. – 2007. – V. 54 – P. 456–463.
Klymchuk D.O. Cytochemical localization of calcium in soybean root cap cells in microgravity/ Klymchuk D.O., Brown C.S. Chapman D.K., Vorobyova T.V., Martyn G.M. // Adv. Space Res. – 2001. – V. 27, № 5. – P. 967-972.
Kotak S. Complexity of the heat stress response in plants/ Kotak S., Larkindale J., Lee U., von Koskull-Doring P., Vierling E., Scharf K-D. // Curr Opin Plant Biol. – 2007. – V.10, №3 – P. 301-316.
Mathur J.Peroxisome Mitochondria Inter-relations in Plants. In: Proteomics of Peroxisomes. Subcellular Biochemistry / Mathur J., Shaikh A., Mathur N. // Editors: del Rio L., Schrader M., 2018. P. 417-433.
Munné-Bosch S. The Function of Tocopherols and Tocotrienols in Plants/ Munné-Bosch S., Alegre L. // Critical Reviews in Plant Sciences – 2002. – V. 21, № 1 – P. 31-57.
Nazdar T. Physiological and anatomical responses of calendula (Calendula officinalis L.) cultivars to heat-stress duration/ Nazdar T., Tehranifar A., Nezami A., Nemati H., Samiei L. // The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. – 2018.
Parrotta L. Chronic heat stress affects the photosynthetic apparatus of Solanum lycopersicum L. cv Micro-Tom/ Parrotta L., Aloisi I., Faleri C., Romi M., Del Duca S., Cai G. // Plant Physiology et Biochemistry – 2020.
Pyke K. Temporal and Spatial Development of the Cells of the Expanding First Leaf of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh./ Pyke K., Marrison J., Leech A. // Journal of Experimental Botany – 1991. – V. 42, №. 244 – P. 1407-1416.
Schollert M. Climate change alters leaf anatomy, but has no effects on volatile emissions from arctic plants/ Schollert M., Kivimäenpää M., Valolahti H. M., Rinnan, R. // Plant Cell Environ. – 2015. – V. 38. – P. 2048–2060.
Shai N. No peroxisome is an island – Peroxisome contact sites/ Shai N., Schuldiner M., Zalckvar E // Biochim Biophys Acta – 2016. – V.1863, №5 –P. 1061–1069.
Skryhan K. Redox Regulation of Starch Metabolism/ Skryhan K., Gurrieri L., Sparla F., Trost P., Blennow A. // Front Plant Sci – 2018. – V.9 – P. 1344.
Thalmann M.Starch as a determinant of plant fitness under abiotic stress / Thalmann M., Santelia D // New Phytologist – 2017. – V. 214 – P. 943–951.
Wang Q.-L. Metabolic Reprogramming in Chloroplasts under Heat Stress in Plants/ Wang Q.-L., Chen J.-H., He N.-Y. and Guo F.-Q. // Int J Mol Sci. – 2018. – V.19(3) – P.849.
Wang L. Differential physiological, transcriptomic and metabolomic responses of Arabidopsis leaves under prolonged warming and heat shock/ Wang L., Ma K.B., Lu Z.G. et al. // BMC Plant Biol – 2020. – V.20 – P.86.
Wingler A. Transitioning to the Next Phase: The Role of Sugar Signaling throughout the Plant Life Cycle/ Wingler A. // Plant Physiology – 2018. – V. 176 (2) – P. 1075–1084.
Xalxo R. Alteration in Carbohydrate Metabolism Modulates Thermotolerance of Plant under Heat Stress. In: Heat stress tolerance in plants : physiological, molecular and genetic perspectives / Xalxo R., Yadu B., Chandra J., Chandrakar V., Sahu K. // Editors: Shabir Hussain Wani, Vinay Kumar, 2020. P.77-115.
Yan Z. Metabolic Response of Pleurotus ostreatus to Continuous Heat Stress/ Yan Z, Zhao M, Wu X, Zhang J // Front. Microbiol. – 2020. – V.10 – P.3148.
Yuan L. Influence of heat stress on leaf morphology and nitrogen– carbohydrate metabolisms in two wucai (Brassica campestris L.) genotypes/ Yuan L, Tang L, Zhu S, Hou J, Chen G, Liu F, Liu S., Wang C. // Acta Soc Bot Pol. – 2017. – V. 86(2) – P.3554.
Zagorchev L.A Central Role for Thiols in Plant Tolerance to Abiotic Stress / Zagorchev L., Seal C., Kranner I. And Odjakova M. // Int. J. Mol. Sci. – 2013 – V.14 – P.7405-7432.
Zhang R., Wise R., Struck K., Sharke T. Moderate heat stress of Arabidopsis thaliana leaves causes chloroplast swelling and plastoglobule formation // Photosynth Res – 2010. – V.105. – P.123–134.
Zheng Y. Temperature Responses of Photosynthesis and Xu M // Russ J Plant Physiol. – 2018. – V.65 – P.524–531.
Źrуbek-Sokolnik A. Temperature Stress and Responses of Plants. In: Environmental Adaptations and Stress Tolerance of Plants in the Era of Climate Change / Źrуbek-Sokolnik A. // Editors: P. Ahmad and M.N.V. Prasad, 2011. P. 113-134.
