Содержание

Отряд Фораминиферы (Foraminifera) — это… Что такое Отряд Фораминиферы (Foraminifera)?

         Самым обширным отрядом среди корненожек являются обитатели моря — фораминиферы (Foraminifera). В составе современной морской фауны известно свыше 1000 видов фораминифер. Небольшое число видов, представляющих, вероятно, остаток морской фауны, обитает в подпочвенных соленых водах и солоноватых колодцах Средней Азии.

        Подобно раковинным корненожкам, все фораминиферы имеют раковину. Строение скелета достигает здесь большой сложности и огромного разнообразия.

        В океанах и морях фораминиферы распространены повсеместно. Их находят во всех широтах и на всех глубинах, начиная от прибрежной литоральной зоны и кончая самыми глубокими абиссальными впадинами. Все же наибольшее разнообразие видов фораминифер встречается на глубинах до 200—300 м. Подавляющее большинство видов фораминифер является обитателями придонных слоев, входят в состав бентоса. Лишь очень немногие виды живут в толще морской воды, являются планктонными организмами.



        Познакомимся с некоторыми наиболее характерными формами скелета фораминифер (рис. 32).



        Среди огромного разнообразия строения раковин фораминифер можно различить по составу их два типа. Одни из них состоят из посторонних телу корненожки частиц — песчинок. Подобно тому как мы это видели у диффлюгии (рис. 30), фораминиферы, обладающие такими агглютинированными раковинами, заглатывают эти посторонние частицы, а затем выделяют их на поверхности тела, где они закрепляются в тонком наружном кожистом слое цитоплазмы. Такой тип строения раковины имеют часто встречающиеся представители родов Hyperammina, Astrorhiza (рис. 32, 3—7) и др. Например, в некоторых районах наших северных морей (море Лаптевых, Восточно-Сибирское море) эти крупные фораминиферы, достигающие 2—3 см длины, почти сплошным слоем покрывают дно.



        Число видов фораминифер с агглютинированной раковиной относительно невелико (хотя число особей этих видов может быть огромным). Большая часть обладает известковыми раковинами, состоящими из углекислого кальция (СаС03).

        Эти раковины выделяются цитоплазмой корненожек, которые обладают замечательной особенностью концентрировать в своем теле кальций, содержащийся в морской воде в небольших количествах (соли кальция в морской воде составляют немногим более 0, 1%). Размеры известковых раковин разных видов фораминифер могут быть очень различны. Они варьируют в пределах от 20 мк до 5—6 см. Это примерно такое же соотношение размеров, как между слоном и тараканом. Наиболее крупных из фораминифер, раковина которых имеет 5—6 см в диаметре, уже нельзя назвать микроскопическими организмами. Наиболее крупные (роды Cornuspira и др.) живут на больших глубинах.

        Среди известковых раковинок фораминифер в свою очередь можно различить две группы.

        Однокамерные фораминиферы имеют одну-единственную полость внутри раковины, которая сообщается с наружной средой устьем. Форма однокамерных раковин разнообразна. У одних (например, Lagena) раковинка напоминает бутылочку с длинным горлышком, иногда снабженную ребрами (рис. 32, 2).



        Очень часто происходит спиральное закручивание раковины, и тогда внутренняя полость ее становится длинным и тонким каналом (например, Ammodiscus, рис. 32, 8, 9).

        Большинство известковых раковин корненожек является не однокамерными, а многокамерными. Внутренняя полость раковины поделена перегородками на ряд камер, число которых может достигать нескольких десятков и сотен. Перегородки между камерами не сплошные, в них имеются отверстия, благодаря чему протоплазматическое тело корненожки не расчленено на части, а представляет собой единое целое. Стенки раковинок не у всех, но у многих фораминифер пронизаны мельчайшими порами, которые служат для выхода наружу псевдоподий. Об этом подробнее будет сказано ниже.



        Число, форма и взаимное расположение камер в раковинке может быть очень различным, что и создает огромное разнообразие фораминифер (рис. 32). У некоторых видов камеры расположены в один прямой ряд (например, Nodosaria, рис. 32, 12), иногда же их расположение двурядное (Textularia, рис. 32, 22). Широко распространена спиральная форма раковины, когда отдельные камеры расположены по спирали, причем по мере приближения к камере, несущей устье, размеры их возрастают. Причины этого постепенного нарастания размеров камер станут понятны, когда мы рассмотрим ход их развития.



,

        В спиральных раковинках фораминифер имеется несколько оборотов спирали. Наружные (более крупные) обороты могут быть расположены рядом с внутренними оборотами (рис. 32, 17, 18) так, что все камеры видны снаружи. Это эволютный тип раковины. У других форм наружные (более крупные) камеры целиком или частично охватывают внутренние камеры (рис. 33, 1). Это инволютный тип раковины. Особую форму строения раковины находим у фораминифер милиолид

(семейство Miliolidae, рис. 32, 19). Здесь камеры сильно вытянуты параллельно продольной оси раковины и расположены в нескольких пересекающихся плоскостях. Вся раковина в целом оказывается продолговатой и по форме несколько напоминает тыквенное зерно. Устье расположено на одном из полюсов и обычно снабжено зубцом.



,

        Большой сложностью строения отличаются раковинки, относящиеся к циклическому типу (роды Archiacina, Orbitolites и др., рис. 33, 2, 34). Число камер здесь очень велико, причем внутренние камеры располагаются по спирали, наружные же — концентрическими кольцами.

        В чем заключается биологическое значение столь сложного строения многокамерных раковинок корненожек? Специальное исследование этого вопроса показало, что многокамерные раковинки по сравнению с однокамерными обладают гораздо большей прочностью. Основное биологическое значение раковинки — это защита мягкого протоплазматического тела корненожки. При многокамерном строении раковинки эта функция осуществляется весьма совершенно.

        Как устроено мягкое протоплазматическое тело фораминифер?

        Внутренняя полость раковины заполнена цитоплазмой. Внутри раковинки помещается и ядерный аппарат. В зависимости от стадии размножения (о чем будет сказано несколько ниже) ядро может быть одно или их несколько. Из раковинки через устье наружу выдаются многочисленные очень длинные и тонкие псевдоподии, ветвящиеся и анастомозирующие между собой. Эти особые свойственные фораминиферам ложные ножки называют ризоподиями. Последние образуют вокруг раковинки тончайшую сеточку, общий диаметр которой обычно значительно превосходит диаметр раковинки (рис. 34). У тех видов фораминифер, у которых имеются поры, ризоподии выдаются наружу через поры.



        Функция ризоподии двояка. Они являются органоидами движения и захвата пищи. К ризоподиям «прилипают» различные мелкие пищевые частицы, очень часто это бывают одноклеточные водоросли. Переваривание их может происходить двояко. Если частичка мала, она постепенно как бы «скользит» по поверхности ризоподии и через устье втягивается внутрь раковинки, где и происходит переваривание. Если пищевая частица велика и не может быть втянута внутрь раковины через узкое устье, то переваривание происходит вне раковинки. Вокруг пищи при этом собирается цитоплазма и образуется местное, иногда довольно значительное утолщение ризоподии, где и осуществляются процессы пищеварения.

        Выполненные за последние годы с применением цейтраферной киносъемки исследования показали, что цитоплазма, входящая в состав ризоподии, находится в непрерывном движении. Вдоль ризоподии в центростремительном (к раковине) и центробежном (от раковины) направлениях довольно быстро текут токи цитоплазмы. По двум сторонам тонкой ризоподии цитоплазма как бы струится в противоположных направлениях. Механизм этого движения до сих пор остается не выясненным.

        Размножение фораминифер происходит довольно сложно и у большинства видов связано с чередованием двух разных форм размножения и двух поколений. Одно из них бесполое, второе — половое. В настоящее время процессы эти изучены у многих видов фораминифер. Не вдаваясь в детали, рассмотрим их на каком-нибудь конкретном примере.



        На рисунке 35 изображен жизненный цикл фораминиферы Elphidium crispa. Этот вид представляет собой типичную многокамерную фораминиферу со спирально закрученной раковинкой. Начнем рассмотрение цикла с многокамерной корненожки, обладающей маленькой зародышевой камерой в центре спирали (микросферическое поколение).

        В цитоплазме корненожки первоначально имеется одно ядро. Бесполое размножение начинается с того, что ядро последовательно несколько раз делится, в результате чего образуется множество небольшого размера ядер (обычно несколько десятков, иногда свыше сотни). Затем вокруг каждого ядра обособляется участок цитоплазмы и все протоплазматическое тело корненожки распадается на множество (по числу ядер) одноядерных амебообразных зародышей, которые выходят через устье наружу. Сразу же вокруг амебовидного зародыша выделяется тонкая известковая раковинка, которая и явится первой (эмбриональной) камерой будущей многокамерной раковины. Таким образом, при бесполом размножении на первых стадиях своего развития корненожка является однокамерной. Однако очень скоро к этой первой камере начинают добавляться следующие. Происходит это так: из устья сразу выступает наружу некоторое количество цитоплазмы, которая тотчас же выделяет раковинку. Затем наступает пауза, в течение которой простейшее усиленно питается и масса протоплазмы его увеличивается внутри раковины. Затем вновь часть цитоплазмы выступает из устья и вокруг нее образуется очередная известковая камера. Этот процесс повторяется несколько раз: возникают все новые и новые камеры, пока раковина не достигнет характерных для данного вида размеров. Таким образом, развитие и рост раковины носит ступенчатый характер. Размеры и взаимное положение камер определяется тем, какое количество протоплазмы выступает из устья и как эта протоплазма располагается по отношению к предшествующим камерам.

        Мы начали рассмотрение жизненного цикла Elphidium с раковинки, обладавшей очень маленькой эмбриональной камерой. В результате бесполого размножения получается раковинка, эмбриональная камера которой значительно крупнее, чем у той особи, которая приступала к бесполому размножению. В результате бесполого размножения получаются особи макросферического поколения, которые существенно отличаются от дающего им начало микросферического поколения. В данном случае потомство оказывается не вполне похожим на родителей.

        Каким же путем возникают особи микросферического поколения?

        Они развиваются в результате полового размножения макросферического поколения. Происходит это следующим образом. Как и при бесполом размножении, половой процесс начинается с деления ядра. Количество образующихся при этом ядер значительно больше, чем при бесполом размножении. Вокруг каждого ядра обособляется небольшой участок цитоплазмы, и таким путем формируется огромное количество (тысячи) одноядерных клеток. Каждая из них снабжена двумя жгутиками, благодаря движению которых клетки активно и быстро плавают. Эти клетки являются половыми клетками (гаметами). Они сливаются друг с другом попарно, причем слияние затрагивает не только цитоплазму, но и ядра. Этот процесс слияния гамет и есть половой процесс. Образующаяся в результате слияния гамет (оплодотворения) клетка носит название зиготы. Она дает начало новому микросферическому поколению фораминиферы. Вокруг зиготы сразу же по ее образовании выделяется известковая раковина — первая (эмбриональная) камера. Затем процесс развития и роста раковины, сопровождающийся увеличением числа камер, осуществляется по тому же типу, как и при бесполом размножении. Раковина получается микросферической потому, что размер зиготы, выделяющей эмбриональную камеру, во много раз меньше одноядерных амебовидных зародышей, образующихся при бесполом размножении. В дальнейшем микросферическое поколение приступит к бесполому размножению и вновь даст начало макросферическим формам.

        На примере жизненного цикла фораминифер мы встречаемся с интересным биологическим явлением закономерного чередования двух форм размножения — бесполого и полового, сопровождающегося чередованием двух поколений — микросферического (развивается из зиготы в результате оплодотворения) и макросферического (развивается из одноядерных амебоидных зародышей в результате бесполого размножения).

        Отметим еще одну интересную особенность полового процесса фораминифер. Известно, что у большинства животных организмов половые клетки (гаметы) бывают двух категорий. С одной стороны, это крупные, богатые протоплазмой и запасными питательными веществами неподвижные яйцевые (женские) клетки, а с другой — мелкие подвижные сперматозоиды (мужские половые клетки). Подвижность сперматозоидов обычно связана с наличием у них активно двигающегося нитевидного хвостового отдела. У фораминифер, как мы видели, морфологических (структурных) различий между половыми клетками нет. По строению своему все они одинаковы и благодаря наличию жгутиков обладают подвижностью. Здесь нет еще структурных различий, которые позволили бы различать мужские и женские гаметы. Такая форма полового процесса является исходной, примитивной.

        Как уже было сказано, огромное большинство современных видов фораминифер являются придонными (бентическими) организмами, встречающимися в морях всех широт от прибрежной зоны вплоть до самых больших глубин мирового океана. Изучение распределения корненожек в океане показало, что оно зависит от ряда факторов внешней среды — от температуры, глубины, солености. Для каждой из зон типичны свои виды фораминифер. Видовой состав фораминифер может служить хорошим показателем условий среды обитания.



        Среди фораминифер имеются немногочисленные виды, ведущие планктонный образ жизни. Они постоянно «парят» в толще водяной массы. Типичный пример планктонных фораминифер — разные виды глобигерин (Globigerina, рис. 36). Строение их раковинок резко отличается от строения раковинок донных корненожек. Раковинки глобигерин более тонкостенные, а главное, несут многочисленные расходящиеся во все стороны придатки — тончайшие длинные иглы. Это одно из приспособлений к жизни в планктоне. Благодаря наличию игл поверхность тела, а именно отношение поверхности к массе — величина, называемая удельной поверхностью, возрастает. Это увеличивает трение при погружении в воду и способствует «парению» в воде.

        Широко распространенные в современных морях и океанах фораминиферы были богато представлены и в прежние геологические периоды начиная с самых древних кембрийских отложений. Известковые раковинки после размножения или смерти корненожки опускаются на дно водоема, где входят в состав отлагающегося на дне ила. Процесс этот совершается десятки и сотни миллионов лет; в результате на дне океана образуются мощные отложения, в состав которых входит несметное количество раковинок корненожек. При горообразовательных процессах, которые совершались и совершаются в земной коре, как известно, некоторые области дна океана поднимаются и становятся сушей, суша опускается и становится дном океана. Большая часть современной суши в различные геологические периоды была дном океана. Это относится в полной мере и к территории Советского Союза (за исключением немногих северных районов нашей страны: Кольский полуостров, большая часть Карелии и некоторые другие). Морские донные отложения на суше превращаются в горные осадочные породы. Во всех морских осадочных породах присутствуют раковинки корненожек. Некоторые же отложения, как например меловые, в основной своей массе состоят из раковин корненожек. Столь широкое распространение фораминифер в морских осадочных породах имеет большое значение для геологических работ, и в частности для геологической разведки. Фораминиферы, как и все организмы, не оставались неизменными. В течение геологической истории пашей планеты происходила эволюция органического мира. Изменялись и фораминиферы. Для разных геологических периодов истории Земли характерны свои виды, роды и семейства фораминифер. Известно, что по остаткам организмов в горных породах (окаменелостям, отпечаткам и т. п.) можно определить геологический возраст этих пород. Для этой цели могут быть использованы и фораминиферы. Как ископаемые они благодаря своим микроскопическим размерам представляют очень большие преимущества, так как могут быть обнаружены в очень небольших количествах горной породы. При геологической разведке полезных ископаемых (в особенности при разведке нефти) широко используется метод бурения. При этом получается колонка породы небольшого диаметра, охватывающая все слои, через которые прошел бур. Если эти слои представляют собой морские осадочные породы, то в них при микроскопическом анализе всегда обнаруживаются фораминиферы. Ввиду большой практической важности вопрос о приуроченности определенных видов фораминифер к тем или иным осадочным породам известкового возраста разработан с большой степенью точности.

Жизнь животных: в 6-ти томах. — М.: Просвещение. Под редакцией профессоров Н.А.Гладкова, А.В.Михеева. 1970.

Как устроены корненожки, радиолярии, споровики, солнечники. Биология, Животные (7 класс): уроки, тесты, задания.

1. Основные процессы жизнедеятельности одноклеточных

Сложность: лёгкое

1
2. Органеллы передвижения

Сложность: лёгкое

1
3. Представители простейших животных

Сложность: лёгкое

2
4. Дизентерийная амёба

Сложность: среднее

1
5. Малярийный плазмодий

Сложность: среднее

1
6. Представитель простейших

Сложность: среднее

1
7. Строение клетки простейшего

Сложность: сложное

2
8. Функционирование клетки простейшего

Сложность: сложное

1
9. Строение и функционирование клетки простейшего

Сложность: сложное

2

Общая характеристика подцарства Простейшие Одноклеточные животные и колониальные

Общая характеристика подцарства Простейшие Одноклеточные животные и колониальные организмы. Среды обитания: морские и пресные водоемы, почва, организмы растений, животных и человека. Строение. Одно или несколько ядер. В цитоплазме находятся как обычные органоиды, так и органоиды, свойственные только этой группе животных (стигмы, трихоцисты, аксостиль и другие органоиды). Наружная мембрана вместе с уплотненной эктоплазмой может образовывать пелликулу. Наружный слой цитоплазмы обычно более светлый и плотный — эктоплазма, внутренний — эндоплазма. У некоторых имеется раковинка.

Общая характеристика подцарства Простейшие

Общая характеристика подцарства Простейшие Питание гетеротрофное: у одних пища может поступать в любом месте тела, у других она поступает через специализированные органоиды: клеточный рот, клеточную глотку. Пищеварение внутриклеточное с помощью пищеварительной вакуоли. Есть миксотрофные организмы. Выделение. Непереваренные остатки выделяются или в любом месте тела, или через специальное отверстие — порошицу. Часто эти организмы имеют сократительные вакуоли. Дыхание. Подавляющее большинство простейших — аэробные организмы. Ответная реакция на воздействия внешней среды — раздражимость — проявляется в виде таксисов — движений всего организма, направленных либо в сторону раздражителя, либо от него.

Общая характеристика подцарства Простейшие Инцистирование. При наступлении неблагоприятных условий большинство простейших образуют цисты. Размножение. Бесполое размножение: или бинарное деление, или множественное деление — шизогония, при котором образуется несколько дочерних клеток. Существуют половой процесс — конъюгация (у инфузорий) и половое размножение с копуляцией половых клеток. Многообразие. Насчитывается около 40 тысяч видов.

Тип Корнежгутиковые Подтип Корненожки Класс Корненожки (амебы, раковинные амебы, фораминиферы) Класс Радиолярии Класс Солнечники Подтип Жгутиконосцы Растительные жгутиконосцы (эвглена зеленая, вольвокс) Класс Животные жгутиконосцы (Трипаносома, лейшмания, лямблия, трихомонада)

Тип Корнежгутиковые Класс Корненожки (амебы, раковинные амебы, фораминиферы) Строение. Форма тела непостоянная, некоторые виды имеют раковинки или внутренний скелет. Органоиды движения ложноножки. В цитоплазме различают эктоплазму и эндоплазму. Питание. Захват пищи происходит с помощью ложноножек. Выделение непереваренных остатков происходит в любом участке клетки. При наступлении неблагоприятных условий способны к инцистированию. Размножение. Большинство видов размножается бесполым способом. Представители. Амеба обыкновенная, амеба дизентерийная, раковинные амебы, радиолярии, фораминиферы, солнечники.

Тип Корнежгутиковые

Тип Корнежгутиковые Среди животных класса Корненожки имеются виды, паразитирующие в организме человека и животных. У паразитических и морских видов, среда обитания которых имеет осмотическое давление такое же, как и внутри простейших, сократительные вакуоли отсутствуют. У человека встречаются кишечная амеба и дизентерийная амеба. Дизентерийная амеба может жить в кишечнике, не причиняя вреда хозяину, такое явление называется носительством. Но иногда дизентерийные амебы проникают под слизистую кишечника, вызывают его изъязвление. Распространение дизентерийных амеб происходит с помощью цист, переносчиками могут быть мухи, заражение перорально.

Тип Корнежгутиковые Форма тела постоянная, имеется пелликула. Ядро обычно одно, но есть многоядерные, например опалина. Органоиды движения — один или несколько жгутиков. Представителей делят на два класса: Растительные жгутиконосцы и Животные жгутиконосцы. Растительные жгутиконосцы способны к смешанному (миксотрофному) питанию. К ним относится эвглена зеленая, вольвокс. Имеют одно ядро. Бесполое размножение происходит с помощью продольного митотического деления клетки, половое размножение осуществляется с образованием и слиянием гамет (у вольвокса).

Тип Корнежгутиковые Класс Растительные жгутиконосцы. Эвглена зеленая. Вольвокс. Эвглена обитает в пресных водоемах. Имеет один жгутик, одно ядро, постоянную форму тела вследствие наличия пелликулы. Свойствен миксотрофный способ питания. В передней части тела имеется глотка. Размножение — только бесполое, продольным митотическим делением. Вольвокс — колония жгутиковых животных, имеющая шаровидную форму (до 3 мм, до 60 000 зооидов). Клетки колонии называются зооидами. Центральная часть колонии заполнена студенистым веществом.

Тип Корнежгутиковые Среди клеток имеется специализация: они могут быть вегетативными и генеративными. Генеративные зооиды связаны с воспроизведением. Весной генеративные зооиды погружаются внутрь колонии и там митотически делятся, образуя дочерние колонии. Затем материнская колония разрушается, а дочерние колонии начинают самостоятельное существование.

Тип Корнежгутиковые Класс Животные жгутиконосцы. Питание гетеротрофное. Среди них имеются как сапротрофные, паразитические и хищные организмы. Сапротрофные организмы — это бесцветные жгутиковые, питающиеся продуктами распада органических веществ. Хищные жгутиковые питаются бактериями, одноклеточными водорослями, простейшими. К паразитическим жгутиконосцам относятся, например, трипаносомы , лейшмании. Эти животные вызывают болезни, которые относятся к категории трансмиссивных, заболевания, возбудитель которых передается через укус кровососущего насекомого или клеща.

Тип Корнежгутиковые Трипаносомы вызывают «сонную болезнь» , на начальных этапах паразитируют в крови больного, затем переходят в спинномозговую жидкость, вызывают сонливость, затем наступает смерть больного от истощения. Переносчиком возбудителя болезни являются мухи цеце, источником инвазии — копытные животные (антилопы) и больные люди. В настоящее время заболевание лечится.

Тип Корнежгутиковые Некоторые виды лейшманий вызывают кожный лейшманиоз ( «пендинскую язву» ), переносчиком возбудителей являются москиты, источником инвазии — дикие грызуны или больные люди. Лямблия кишечная – паразит желчных протоков, тонкого кишечника. В толстой кишке инцистируется. Заражение цистами, перорально. Трихомонада урогенитальная – паразитирует в мочеполовых путях. Вызывает воспалительные процессы.

Тип Инфузории К типу относятся около 7, 5 тыс. видов наиболее высокоорганизованных простейших, особенности строения рассмотрим на примере инфузории туфельки. Форма тела постоянная благодаря эластичной и прочной пелликуле. Активно передвигаются с помощью ресничек. Другой важный признак — наличие двух ядер: крупного полиплоидного вегетативного ядра — макронуклеуса и мелкого диплоидного генеративного ядра — микронуклеуса. В эктоплазме многих инфузорий находятся особые защитные приспособления — трихоцисты. При раздражении животного они выстреливают длинную упругую нить, парализующую добычу. Строение: 1 – цитостом; 2 – клеточная глотка; 3 – пищеварительная вакуоль; 4 – порошица; 5 – макронуклеус; 6 – микронуклеус; 7 – сократительная вакуоль; 8 – приводящие каналы; 9 – реснички; 10 – пищеварительная вакуоль.

Тип Инфузории Инфузория-трубач Сувойки

Тип Инфузории Питание. Захват пищи осуществляется с помощью клеточного рта и клеточной глотки, куда пищевые частицы направляются с помощью биения ресничек. Глотка открывается непосредственно в эндоплазму. Непереваренные остатки выбрасываются через порошицу. Дыхание происходит через всю поверхность тела. Выделение. Избыток воды удаляется с помощью двух сократительных вакуолей с приводящими канальцами, их содержимое поочередно изливается через выделительные поры. При неблагоприятных условиях способны к инцистированию.

Тип Инфузории Бесполое размножение — поперечное митотическое деление, чередующееся с половым процессом — конъюгацией и половым размножением. Следует помнить, что половое размножение сопровождается увеличением числа особей.

Тип Апикоплексы (Споровики) К типу относятся исключительно паразитические простейшие. В связи с паразитическим образом жизни происходит упрощение организации (исчезновение органоидов захвата и приема пищи, пищеварительных и сократительных вакуолей). Происходит усложнение жизненного цикла — смена хозяев, чередование бесполого и полового размножения. Представитель типа — малярийный плазмодий, вызывает у человека заболевание малярией. Заражение происходит через укус малярийным комаром (рода Anopheles.

Файл: Биология. Шпоры.docx — Страницы №№1-5

1. Царство Простейшие. Тип Корненожки. Среда обитания. Форма тела. Питание корненожек. Пищеварительные и сократительная вакуоли. Размножение корненожек.

Простéйшие — полифилетическая группа, царство одноклеточных или колониальных эукариот, которые имеют гетеротрофный тип питания.

Представители типа корненожки — одноклеточные животные, наружный покров которых представлен тонкой плазматической мембраной, и поэтому форма тела у них непостоянная. Передвигаются корненожки с помощью временных выпячиваний цитоплазмы — ложноножек. Корненожки обитают главным образом в морях, реже в пресных водоемах.

Типичным представителем класса является амеба — обитатель пресных водоемов, в которых ее можно обнаружить на растениях, гниющих листьях, в придонном иле. Она имеет вид маленького (0,2—0,5 мм) бесцветного цитоплазматического комочка, постоянно меняющего свою форму. Цитоплазма амебы находится в постоянном движении. Если ток цитоплазмы устремляется в одном направлении к поверхности клетки, то в этом месте на теле амебы появляется выпячивание — ложноножка. В ложноножку перетекает цитоплазма, и амеба таким способом передвигается, т. е. медленно перетекает с одного места на другое.

Питается амеба одноклеточными водорослями, бактериями. Формируется пищеварительная вакуоль. Растворенные питательные вещества поступают в цитоплазму, а непереваренные остатки пищи удаляются из тела амебы путем экзоцитоза.

В цитоплазме имеется сократительная вакуоль — пузырек с водянистой жидкостью, который с периодичностью 1—5 мин меняет объем, удаляя свое содержимое наружу.

Газообмен осуществляется диффузно через плазматическую мембрану.

Размножается амеба путем митотического деления клетки надвое. Амебы расселяются и переносят неблагоприятные условия в состоянии цисты.


2. Надтип Жгутиконосцы. Среда обитания. Форма тела. Особенности организации жгутиконосцев. Типы питания. Колониальные жгутиконосцы. Способы размножения жгутиконосцев.

Жгутиковые — жизненная форма протистов. Среди жгутиконосцев много как свободноживущих форм, так и паразитов и симбионтов животных. Среди них есть одноклеточные формы, а также колониальные (вольвокс) и многоклеточные формы.

Простейшие этой группы имеют один, два или много жгутиков.

Клетка жгутиковых одета тонкой наружной оболочкой либо хитиновым панцирем. Ядер одно или несколько. Некоторые жгутиковые имеют светочувствительный органиод (стигму) до 25 микрон в диаметре, расположенный у основания жгутика.

Жгутиковые размножаются делением. У одноклеточных видов сначала делится ядро, а остальные органоиды растут и восстанавливаются в процессе деления. Затем клетка перетягивается. При благоприятных условиях уже на следующий день дочерние жгутиконосцы могут делиться.

Выделение происходит при помощи сократительных вакуолей.

Все растительные жгутиконосцы могут фотосинтезировать и питаться, как растения, поскольку в их клетках имеется зелёный пигмент — хлорофилл. Некоторые из жгутиконосцев, например, эвглена зелёная, на свету питаются как растения, а в темноте как животные — готовыми органическими веществами. Все растительные жгутиконосцы ведут свободный образ жизни в водной среде.

Другие жгутиконосцы не имеют хлоропластов. Среди них есть свободноживущие особи, но основные представители их перешли к паразитическому образу жизни (в растительных и животных организмов).

При неблагоприятных условиях жгутиконосцы образуют цисты, служащие так же для расселения.


3. Тип Инфузории. Общие принципы организации инфузорий. Форма тела. Движение. Питание. Строение ядерного аппарата. Способы размножения. Коньюгация инфузорий.

Инфузории, или ресничные — тип протистов. Есть подвижные и прикреплённые формы, одиночные и колониальные. Форма тела инфузорий может быть разнообразной, размеры одиночных форм от 10 мкм до 4,5 мм. Живут в морях и пресных водоёмах в составе бентоса и планктона, некоторые виды — в почве и во мхах. Многие инфузории — комменсалы, симбионты и паразиты других животных: кольчатых червей, моллюсков, рыб, земноводных, млекопитающих.

У примитивных инфузорий все реснички, покрывающие тело животного, одинаковы. У более высокоорганизованных инфузорий наблюдается специализация ресничного аппарата: слипание ресничек и образование мембран (реснички слипаются в один ряд), мембранелл (реснички слипаются в несколько рядов) и цирр (реснички слипаются пучками). Мембраны и мембранеллы образуют цилиатуру (ресничный аппарат) ротового отверстия, а цирры служат для передвижения по субстрату.

Питание. На одной из сторон тела инфузории есть небольшое воронкообразное углубление, ведущее в рот и далее в трубчатую глотку. С помощью длинных околоротовых ресничек пищевые частицы (бактерии, мелкие протисты, детрит) загоняются в рот, затем — в глотку. Из глотки пища путём фагоцитоза проникает в цитоплазму, где образуется пищеварительная вакуоль. Увлекаемая током цитоплазмы, она движется в клетке, пища в ней переваривается. Непереваренные остатки пищи через отверстие в пелликуле — пороштицу — выводятся наружу. В благоприятных условиях инфузория-туфелька за сутки может потребить количество пищи, равное массе ее тела.

Строение сократительных вакуолей усложняется: обычно вакуоль состоит из центрального резервуара и нескольких приводящих канальцев. С внешней средой резервуар связан выводящим канальцем, открывающимся в определенном месте тела.

Ядерный аппарат образован как минимум двумя ядрами. Макронуклеус, или вегетативное ядро, имеет полиплоидный набор хромосом. Микронуклеус, или генеративное ядро, имеет диплоидный набор хромосом. Макронуклеус ответствен за синтез белка в клетке, микронуклеус принимает участие в половом процессе. Бесполое размножение происходит путем поперечного деления клетки. При этом многие клеточные органеллы реорганизуются: так, у дочерних особей заново возникают ротовые аппараты.

Половой процесс протекает по типу конъюгации. Две инфузории временно объединяются и обмениваются частями своего ядерного аппарата (результат последовательных делений микронуклеуса). Затем инфузории расходятся, и в теле каждой особи начинается реорганизация ядра, в результате чего образуются новые макронуклеус и микронуклеус. У инфузорий реорганизация ядерного аппарата может происходить в результате автогамии.



4. Разнообразие и распространение простейших.

Известно около 70000 видов простейших, обитающих в воде и в почве. Некоторые из них поселяются в теле многоклеточных животных и в организме человека. Большинство простейших – одноклеточные или колониальные организмы. Форма тела простейших чрезвычайно разнообразна. Среди них имеются виды с непостоянной формой тела, как амёбы. Разнообразны типы симметрии у простейших. Широко распространены формы с радиальной симметрией: радиолярии, солнечники.

Есть 2 типа простейших: саркомастигофоры (амёба, эвглена и т.п.) и инфузории.

Тип Саркомастигофоры — способны к передвижению с помощью жгутиков или псевдоподий (ложноножек), иногда оба способа используются совместно. Условно разделяют на две подгруппы — Жгутиковые и Саркодовые. К жгутиковым традиционно относили и многих фотосинтезирующих протистов (эвглену, хламидомонаду и др.), которых ботаники уже тогда относили к разным отделам водорослей.

Инфузории. Известно более 7000 видов инфузорий. Все они, как и инфузория-туфелька, во взрослом или молодом состоянии имеют многочисленные реснички, расположенные на поверхности тела, а также обладают своеобразным ядерным аппаратом — большим и малым ядрами. Большинство видов инфузорий обитает в пресной или соленой воде, питается бактериями, одноклеточными животными и мелкими водорослями. Некоторые инфузории живут в желудке жвачных млекопитающих, не причиняя вреда. Наоборот, они помогают им, способствуя перевариванию трудноусваиваемой пищи — клетчатки.

Простейшие живут всюду, где есть влажная среда. В морях, реках, озерах, болотах, в лужах, оставшихся после дождя, во влажной земле и мху — всюду можно найти простейших; они чаще встречаются в стоячей воде — болотах, прудах, озерах, — чем в проточной. Большая группа простейших паразитирует у различных одноклеточных и в клетках, кровяной плазме, содержимом кишечника многоклеточных.


Корненожки, подготовка к ЕГЭ по биологии

Корненожки (ризоподы) — полифилетическая группа организмов. Полифилетическая — группа видов, происходящих от разных предков, но относящаяся к одной классификационной категории.

Спешу вас предупредить, что полифилетические группы не имеют права на существование в систематике, но их использование делает процесс изучения биологии эффективнее. К примеру, теплокровные животные — полифилетическая группа — включает в себя птиц и млекопитающих, несмотря на то, что теплокровность у них возникла независимо друг от друга (от разных предковых форм).

Начинаем с классификации. Данный класс включает в себя отряды: амебы, раковинные амебы, фораминиферы.

Амеба протей (обыкновенная)

Амеба — одноклеточное животное, наиболее просто устроенное. Отсутствует пелликула — плотная наружная оболочка, из-за чего форма тела (клетки) непостоянная. Отдельные участки цитоплазмы выпячиваются, образуя псевдоподии (ложноножки) — органоиды движения. Служат для перемещения клетки, а также участвуют в процессе фагоцитоза и пиноцитоза.

Клетка амебы обыкновенной покрыта исключительно клеточной мембраной, раковины и пелликулы нет. Имеются пищеварительные вакуоли — для внутриклеточного пищеварения. Непереваренные остатки пищи удаляются у амебы в любом месте цитоплазмы. Питается амеба другими простейшими, водорослями, бактериями.

Сократительные вакуоли служат для удаления избытка воды из клетки. Ненужные вредные продукты обмена веществ заключаются в экскреторные гранулы, которые перемещаются к цитоплазматической мембране, и, сливаясь с ней, изливают содержимое во внешнюю среду — это явление носит название экзоцитоза.

Размножается исключительно бесполым путем — делением надвое (митоз, если академически точно — бинарное деление). Под действием неблагоприятных факторов амеба может трансформироваться в цисту. Циста (от греч. κύστις пузырь) — биологическая временная форма существования микроорганизмов — бактерий, простейших, одноклеточных, при которой клетка покрывается защитной оболочкой. Такое состояние помогает пережить, к примеру, пересыхание водоема.

Особое медицинское значение имеет вид — Амеба дизентерийная. Эта амеба вызывает тяжелое заболевание — амебиаз (амёбный колит — греч. kolon толстая кишка), поражающего преимущественно толстую кишку. Амеба поражает стенку кишки, приводя к воспалению и образованию кровоточащих язв. Сама амеба при этом питается эритроцитами. Источником заражения является больной человек, выделяющий во внешнюю среду много цист.

Раковинные амебы

Раковинные амебы являются группой свободно живущих организмов, близкой к амебам. Это одноядерные корненожки, которые двигаются и поглощают пищу с помощью псевдоподий (ложноножек). Главное отличие — их клетка частично лежит в однокамерной раковине, в которой имеется отверстие (устье). Именно через устье раковины ложноножки выпячиваются во внешнюю среду и, захватывая пищу, втягиваются внутрь.

Обитают раковинные амебы и в соленых, и в пресных водах. Также встречаются во влажной почве, на поверхности растений, на болотных мхах.

Фораминиферы

Фораминиферы (лат. foramen — отверстие + fero — несу) — большая группа класса простейших, обитатели моря. Фораминиферы — это амебообразные простейшие, обитающие в море в составе планктона. Их тело заключено в раковину. Подавляющее большинство фораминифер образует известковую раковину, служащую вместилищем организма.

Раковины могут быть одно- и сложнокамерными, располагаться в один или два ряда, по спирали, иногда ветвящиеся. Через отверстие (устье) раковину во внешнюю среду могут выпячиваться ложноножки. Раковины фораминифер участвуют в образовании значительной части морских отложений (осадочных пород).

Тип Радиолярии (Лучевики) и протисты Солнечники

Особняком стоят эти две группы организмов, и пройти мимо них для меня не представляется возможным, так что уделим им некоторое внимание.

Радиолярии (лучевики) — это одноклеточные планктонные животные, обитающие в теплых океанических водах. Имеют скелет, находящийся внутри клетки. Скелет состоит из хитина и аморфного диоксида кремния. Лучи скелета служат для укрепления псевдоподий.

Особенность строения большинства радиолярий — наличие центральной капсулы. После смерти организма он опускается на дно, с течением времени его скелет преобразуется в осадочные кремнистые породы — опоку, кремень и радиоляриты.

Протисты (к которым относятся Солнечники) — группа живых организмов, в которую входят эукариотические организмы, не относящиеся к растениям, животным и грибам.

Основное отличие солнечников (лат. Heliozoa, от греч. ἥλιος, helios — солнце и ζῷον, zōon — животное) от радиолярий — отсутствие внутреннего скелета и центральной капсулы. Их характерная черта — наличие лучевидных псевдоподий (акспоподий), являющихся выпячиваниями тонкой эластичной кожистой оболочки (пелликулы).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Презентация по теме «Многообразие Простейших»» 7(8) класс

Систематические группы простейших:

В настоящее время известно около 70000 видов простейших.

Подцарство Простейшие включает в себя несколько типов животных, тело которых состоит из одной клетки. Эта клетка выполняет все функции живого организма: она самостоятельно перемещается, питается, перерабатывает пищу, дышит, удаляет из своего организма ненужные вещества, размножается.

Антони ван Левенгук, голландский натуралист, первым увидел простейших в капле воды.

царство

тип

класс

Саркодовые

представители

(11000 видов)

Жгутиковые (6000 видов)

  • Амёба-протей
  • Амёба -дизентерийная
  • Фораминифера
  • Радиолярия

Инфузории (6000 видов)

  • Эвглена зелёная
  • Трипаносома
  • Лямблия
  • Лейшмания
  • Инфузория-туфелька
  • Инфузория-бурсария
  • Сувойка
  • Балантидий

Споровики (3600 видов)

  • Малярийный плазмодий
  • Кокцидии
  • Грегарина

Класс Саркодовые (Корненожки)

Большинство – обитатели морей, пресных водоемов, почвы. Движение осуществляется с помощью ложноножек- псевдоподий , тело перетекает из одной части в другую.

1. Строение амёбы.

  • Самостоятельный одноклеточный организм содержит цитоплазму , покрытой цитоплазматической мембраной. Наружный слой цитоплазмы прозрачный и более плотный – это эктоплазма. Внутренний слой цитоплазмы зернистый и более текучий – это эндоплазма . Ядро и 2 вакуоли.

2. Среда обитания.

  • Амёба обитает на дне небольших пресных водоёмах.

3. Движение.

  • Движется амёба с помощью ложноножек – выростов.

4. Питание.

  • Амёба питается бактериями, одноклеточными животными и водорослями, мелкими организмами, частицами. ( Фагоцитоз –захват и поглощение твёрдой пищи)

5. Выделение.

  • Сократительная вакуоль выводит из тела амёбы вредные веществ и воду, попадающие из окружающей среды.

6. Дыхание.

  • Амёба дышит растворенным в воде кислородом через всю поверхность тела.

7. Размножение.

  • Амёба размножается бесполым способом, путём деления клетки надвое.

8. Раздражимость.

  • Амёба реагирует на сигналы, поступающие в её организм из окружающей среды ( таксис — двигательная реакция на раздражения)

Раковинные корненожки (фораминеферы)

Морские корненожки – одни из самых древних животных, некоторые их виды жили миллионы лет назад, когда такие корненожки погибали, их раковинки скапливались на дне моря, и постепенно из них образовались месторождения ценного строительного материала – известняка, а также нефти.

Класс Радиолярии

Эти простейшие – обитатели морей, у них – внутренний минеральный скелет состоит из кремнезёма, который имеет правильную геометрическую форму.

Радиолярии

Кремниевые скелеты

радиолярий

Солнечники

Пресноводный солнечник

Класс Жгутиконосцы

Главный отличительный признак жгутиконосцев – наличие одного или нескольких жгутиков, с помощью которых они передвигаются. Тело покрыто- пелликулой)

Жгутиконосцы

«сонная болезнь»

в Африке

Рыба поражённая жгутиковыми

Эглена зеленая

  • Обитатель пресных водоемов. Клетка имеет один жгутик, ядро, хлоропласты, форма тела постоянная. Способы питания – автотрофный и гетеротрофный, в зависимости от условий.
  • Обитатель пресных водоемов. Клетка имеет один жгутик, ядро, хлоропласты, форма тела постоянная. Способы питания – автотрофный и гетеротрофный, в зависимости от условий.
  • Обитатель пресных водоемов. Клетка имеет один жгутик, ядро, хлоропласты, форма тела постоянная. Способы питания – автотрофный и гетеротрофный, в зависимости от условий.

Ядро – основа клетки

Сократительная вакуоль – выводящая ненужные вещества из организма

Пелликула – оболочка эвглены

Клеточный рот – орган питания эвглены

Жгутик – орган передвижения

Глазок – орган распознавания света

Базальтовое тельце – основание жгутика

Хлоропласты – органоиды , отвечающие за покраску

1. Среда обитания.

  • Эвглена — обитает на дне небольших пресных водоёмах

2. Движение.

  • Движется эвглена с помощью жгутика.

3. Питание.

  • Автотрофное питание за счёт фотосинтеза
  • Гетеротрофное – питание готовыми органическими веществами.

4. Выделение.

  • Сократительная вакуоль выводит из тела эвглены вредные веществ и воду, попадающие из окружающей среды.

5. Дыхание.

  • Эвглена дышит растворенным в воде кислородом через всю поверхность тела.

6. Размножение.

  • Эвглена размножается бесполым способом, путём деления клетки надвое.

7. Раздражимость.

  • Эвглена реагирует на сигналы, поступающие в её организм из окружающей среды.

Тип Инфузории

  • Инфузории –обитатели морских и пресных водоемов. Органоиды движения – реснички. Представитель типа – инфузория-туфелька.

Реснички – орган передвижения

Сократительная вакуоль – выводящая ненужные вещества из организма

Цитоплазма – жидкость с растворенными в ней органическими веществами

Большое ядро – основной органоид

Малое ядро — участвует в половом размножении (конъюгация)

Мембрана – оболочка клетки

Клеточный рот — орган питания

Пищеварительная вакуоль — орган питания

1. Среда обитания .

  • Инфузория обитает на дне небольших пресных водоёмах.

2. Движение.

  • Движется инфузория с помощью ресничек.

3. Питание.

  • Инфузория питается бактериями, одноклеточными животными и водорослями, мелкими организмами, частицами.

4. Выделение.

  • Сократительная вакуоль выводит из тела инфузории вредные веществ и воду, попадающие из окружающей среды.

5. Дыхание.

  • Инфузория дышит растворенным в воде кислородом через всю поверхность тела.

6. Размножение.

  • Бесполым и половым способом. При половом способе размножения увеличения числа особей не происходит, а происходит обмен информацией.

7. Раздражимость.

  • Инфузория реагирует на сигналы, поступающие в её организм из окружающей среды.

Дизентерийная амеба, паразитирующая в кишечнике человека.

Простейшие – паразиты

  • Трипаносомы – возбудители сонной болезни человека.

Споровики

Споровик

грегарина

Простейшие – симбионты

Многие инфузории и жгутиконосцы обитают в желудке и кишечнике насекомых и жвачных животных, они помогают им переваривать растительную пищу.

Вспомните, кто такие симбионты?

структура

амёба

Оболочка

эвглена

Цитоплазма

инфузория

Ядро

Ложноножки

Жгутик

Реснички

Пищеварительная вакуоль

Сократительная вакуоль

Ротовое отверстие

Порошица

Хлоропласты

Светочувствительный глазок

Процессы жизнедеятельности

АМЁБА

ДВИЖЕНИЕ

ПИТАНИЕ

ЭВГЛЕНА

ИНФУЗОРИЯ

ВЫДЕЛЕНИЕ

ДЫХАНИЕ

РАЗМНОЖЕНИЕ

ОБМЕН В-В

ОБРАЗОВАНИЕ ЦИСТ

3

2

6

1

Р

5

А

4

З

Д

8

Р

7

А

Ж

И

10

13

9 М

11

12

О

С

Т

Ь

  • Место вывода остатков пищи у инфузории.
  • Один из видов хищных инфузорий.
  • Жидкое содержимое клетки.
  • Органоид в центре клетки.
  • Оптический прибор.
  • Органоид эвглены, обеспечивающий её питание на свету.
  • Временные выросты амёбы.
  • Органоиды передвижения инфузории.
  • Заболевание человека простейшим, живущим в крови.
  • Группа простейших, живущих в крови.
  • Покоящееся состояние простейших при неблагоприятных условиях.
  • Орган передвижения зелёной эвглены.
  • Род инфузорий.
  • 1. Простейшие обитают только в водной среде.
  • 2. Простейшие были известны до изобретения микроскопа.
  • 3. Тело простейших состоит из одной клетки.
  • 4. Все простейшие способны к активному движению.
  • 5. Инфузория – туфелька питается в основном бактериями.
  • 6. У всех простейших при питании образуется пищеварительная вакуоль
  • 7. Остатки непереваренной пищи у инфузории – туфельки удаляются через порошицу.
  • 8. Продукты обмена веществ и избыток воды удаляются из тела простейших через сократительную вакуоль.
  • 9. Инфузория – туфелька имеет две сократительные вакуоли, находящиеся в противоположных концах тела.
  • 10. Простейшие дышат растворенным в воде кислородом.
  • 11. Все простейшие размножаются делением на две дочерние клетки.
  • 12. Обыкновенная амеба положительно реагирует на свет, то есть перемещается в освещенную часть водоема.
  • 13. Эвглена зеленая питается только на свету.
  • 14. При образовании цисты из цитоплазмы выделяется значительное количество воды и вещества, образующего плотную оболочку.
  • 15. На стадии цисты происходит расселение простейших ветром и животными.
  • 16. Дизентерийные амебы паразитируют в стенке толстой кишки хозяина.
  • 17. Заражение малярией происходит при питье воды из водоема с живущими в нем личинками малярийного комара.
  • 18. В кишечнике человека паразитирует крупная инфузория балантидий.

«Вставьте пропущенное слово»

1 . Амеба обыкновенная передвигается при помощи ___________

2. Эвглена зеленая пере двигается при помощи _____________

3. Инфузория-туфелька передвигается при помощи ________

4. Опалина .лягушачья передвигается при помощи ___________

5. Инфузории-туфельки выводят непереваренные остатки наружу через особое отверстие _________

6. Промежуточным хозяином малярийного плазмодия является _________

7. Переносчиком сонной болезни является _________

8. Сонную болезнь вызывает (является возбудителем) ____________

9. Основным хозяином малярийного плазмодия является _________

10. Ядрышко (малое ядро) инфузории-туфельки носит название _________

11. Большое ядро инфузории—туфельки носит название ______________

12. Раздел зоологии, изучающий одноклеточных животных ________________

  • Потомство одной инфузории – туфельки за год может достигнуть 75х10 108 особей. По объему такое количество инфузорий заняло бы полный шар диаметром в расстояние от Земли до Солнца. Почему в природе этого не происходит?

2. В пробирку с культурой эвглены зеленой добавили небольшое количество картофельного отвара. Пробирку поставили в темноту. Через две недели зеленая окраска культуры исчезла. Как вы думаете погибли ли эвглены? Что произойдет если пробирку поставить на свет?

1.Каких животных считают самыми древними из одноклеточных и почему?

2. Какое значение в жизни инфузории – туфельки имеет половой процесс?

3. Какую роль простейшие играют в природе? (3 примера)

4. Какую роль простейшие играют в жизни человека? (3 примера)

Кроссворд наоборот: СОСТАВИТЬ КРОСВОРД ПО ТЕРМИНАМ.

В этом и будет состоять ваше задание.

  • Порошица.
  • Бурсария.
  • Цитоплазма.
  • Ядро.
  • Микроскоп.
  • Хлоропласт.
  • Ложноножки.

8. Реснички.

9. Малярия.

10. Споровики.

11. Циста.

12. Жгутик.

13. Туфелька .

Одноклеточные животные, или простейшие – онлайн-тренажер для подготовки к ЕНТ, итоговой аттестации и ВОУД

До XVII в. наука не знала о существовании простейших организмов. Первым был натуралист Антонии Ван Левенгук в 1673 году.

Большинство представителей класса имеет микроскопические размеры – 3–150 мкм. Только наиболее крупные представители вида (раковинные корненожки) достигают 2–3 см в диаметре. Известно около 100 000 видов простейших.

Простейшие широко распространены на нашей планете и обитают в самых различных средах – в морях, океанах, пресных водах и почве. Многие простейшие приспособились к обитанию в теле других организмов: растений, животных и человека.

К подцарству Одноклеточные относятся организмы, тело которых состоит из одной клетки. Встречаются колониальные формы, например шарообразная колония вольвокса.

Физиологически клетка простейшего соответствует самостоятельному организму: питается, двигается, переносит неблагоприятные условия среды, размножается, избавляется от продуктов обмена.

Сравнительная характеристика простейших

 

Параметры для сравнения Амеба обыкновенная Эвглена зеленая Инфузория туфелька
Среда обитания Водоемы с грязной водой и гниющими растительными остатками
Движение Ложноножки Жгутик Короткие реснички
Питание

Пищеварительная вакуоль;

пища – бактерии, водоросли, др. простейшие

(гетеротрофное)

МИКСОТРОФНОЕ – смешанный тип питания.

Автотрофное – фотосинтез, на свету в хлоропластах идет синтез органических веществ.

Гетеротрофное – в темноте питаются бактериями и простейшими.

Желобок с длинными ресничками, рот, глотка, пищеварительная вакуоль. Основная пища – бактерии (гетеротрофное).
Дыхание Растворенный в воде кислород проникает через всю поверхность тела
Выделение Сократительная вакуоль Сократительная вакуоль 2 сократительные вакуоли; порошица
Размножение Деление надвое; циста Деление; циста Бесполое и половое размножение
Форма клетки Непостоянная Постоянная Постоянная

 

Анализ развития корневища Oryza longistaminata, вида дикого риса | Физиология растений и клетки

Аннотация

Вегетативное размножение — это форма бесполого размножения растений. У широкого круга растений появляются корневища, модифицированные стебли, которые растут под землей горизонтально, как средство вегетативного размножения. У корневищных видов, несмотря на их различные модели развития, и корневища, и надземные побеги происходят из пазушных почек.Следовательно, представляет интерес понять основы зарождения и развития корневища. Oryza longistaminata , дикий вид риса, развивает корневища. Мы проанализировали зарождение почек и рост корневищ O. longistaminata , используя различные методы морфологического наблюдения. Мы показываем, что в отличие от почек надземных побегов, которые содержат только несколько листьев, почки корневища образуют несколько листьев и изгибаются, чтобы расти под прямым углом к ​​исходному корневищу. Корневища сохраняются в ювенильной фазе независимо от фазы развития надземного побега.Удлинение стебля и репродуктивный переход тесно связаны в надземных побегах, но не связаны в корневище. Наши результаты показывают, что программы развития действуют независимо в корневищах и надземных побегах. Временная модификация путей развития, общих для корневищ и надземных побегов, может быть источником пластичности развития. Более того, для развития корневища, по-видимому, необходимо создание новых систем развития.

Введение

Корневища — это модифицированные стебли, которые растут горизонтально под землей.Из-за их большого преимущества для энергичного бесполого размножения корневища наблюдаются у различных видов многолетних растений (Wang et al. 2010, Navarro et al. 2011, Lee et al. 2013, Zhang et al. 2014, Yang et al. 2015). Одним из интересных аспектов развития корневища является то, что новые почки на корневищах могут расти под землей как новое корневище или появляться над землей и расти как надземные побеги. Эта среда произрастания корневищных видов позволяет им быстро и широко расширять свою территорию. Более того, корневища могут выжить под землей, когда условия роста нежелательны, а побеги могут быстро прорасти, когда условия становятся подходящими для роста.Они также важны с точки зрения растениеводства. Корневища собирают как урожай картофеля, имбиря, лотоса и многих других культур (Navarro et al. 2011, Yang et al. 2015). С другой стороны, корневищные виды часто являются ядовитыми сорняками, вторгающимися в обширные регионы из-за их интенсивного роста (Hu et al. 2003, Yun et al. 2014).

Морфогенез у растений длится всю жизнь. Новые стволовые клетки, образующиеся в пазухах листьев, образуют пазушную почку и растут как вторичные побеги. Повторяющееся образование пазушных почек и их рост определяют сложную структуру растений.Идентичность и характер роста каждой пазушной почки определяются в соответствии с внутренними и внешними сигналами. У корневищных видов почки корневища и надземные побеги образуются из пазушных почек. В отличие от прогресса в нашем понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе спецификации идентичности пазушных зачатков и детерминации роста, мало что известно об инициации и развитии корневых зачатков. Более того, неизвестно, как две отдельные системы, почки корневища и надземные пазушные почки регулируются у одного растения.

Ряд регионов локусов количественных признаков (QTL), ответственных за развитие корневищ или связанных с ними, был зарегистрирован у нескольких видов корневищ (Jang et al. 2006, Washburn et al. 2013, Yun et al. 2014). Более того, крупномасштабные анализы, такие как анализ транскриптома и анализ протеома, были выполнены у корневищных видов (Hu et al. 2011, Barbier et al. 2015, Teichmann and Muhr 2015). Хотя эти исследования внесли значительный вклад в улучшение нашего понимания развития корневища на молекулярном уровне, об изоляции генов, критических для развития корневища, не сообщалось.Сложность паттернов развития у корневищных видов может быть препятствием при анализе развития корневища. Кроме того, низкая плодовитость семян у корневищных видов, которые эволюционировали для бесполого размножения, препятствует применению генетических подходов. Кроме того, отсутствие модельных видов корневищ является серьезной проблемой для молекулярно-генетического анализа развития корневищ.

Oryza longistaminata , дикий вид риса, возникший в средней Африке, развивает корневища и активно размножается. Oryza longistaminata , содержащий геном АА, который совпадает с геномом Oryza sativa , может быть скрещен с O. sativa и завязать плодородные семена, и поэтому считается одним из идеальных материалов для изучения механизмов контроля развитие корневища у видов трав (He et al. 2014). В этом исследовании мы провели подробное наблюдение за морфологией, ростом и развитием корневища. Наши находки показывают, что общие модули развития используются как в корневище, так и в надземном побеге, но модификация временной регуляции модулей может быть источником пластичности развития, наблюдаемой в корневище.Кроме того, мы демонстрируем, что инновации новых систем развития были приняты, чтобы установить процесс развития корневища.

Результаты

Корневища удлиняются во время вегетативной фазы

Oryza longistaminata развивает корневища под землей и демонстрирует типичный рисунок роста риса на уровне земли (рис. 1а). В данном исследовании надземный побег и стебель O. longistaminata названы соответственно воздушным побегом и воздушным стеблем, а подземный стебель — корневищем.И воздушный стебель, и корневище образовывали пазушную почку в каждом узле (рис. 1б). Пазушная почка на надземном стебле O. longistaminata вырастает в виде надземного побега, называемого побегом, который на вегетативной стадии постоянно образует листья. Воздушный стебель не показал значительного удлинения во время вегетативной фазы, а удлинение произошло после перехода в репродуктивную фазу, когда образовалась метелка, как в случае O. sativa (рис. 1в, г). Пазушные почки на корневище выросли, образуя новое корневище.В отличие от надземного стебля корневище удлинялось, когда надземные побеги находились на вегетативной стадии (рис. 1б). Это указывает на то, что воздушное удлинение стебля и удлинение корневища контролируются независимо, т.е. в одном растении из O. longistaminata действуют две системы удлинения стебля — система, зависимая от фазы развития, и система, независимая от фазы развития. Гибберелловая кислота является решающим фактором удлинения стебля (Kusaba et al. 1998, Carrera et al. 2000, Magome et al.2013). В частности, для быстрого удлинения стебля перед колошением риса необходимо накопление активных гиббереллинов, таких как GA 4 и GA 1 , продуцируемых GA20-оксидазой (GA20ox) (Magome et al. 2013). Мы проанализировали экспрессию трех генов GA20ox в O. longistaminata. Как описано ранее, экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 была низкой в ​​неразвитом стебле во время вегетативной фазы и увеличивалась после перехода в репродуктивную фазу в O.sativa (рис. 1д, е). В надземном стебле O. longistaminata экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 также была низкой в ​​вегетативной фазе и увеличивалась в репродуктивной фазе (рис. 1g, h). Экспрессия GA20ox1 в корневище была низкой. в то время как GA20ox2 сильно экспрессируется в корневищах, независимо от стадии развития (Fig. 1h). Мы не обнаружили значительной экспрессии гена GA20ox3 у O. sativa и O.longistaminata (данные не представлены).

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O. longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель).Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Стрельба из апикальных меристем (SAM) побегов O. sativa (c) и O. longistaminata (d). SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O.sativa (д, е) и О. longistaminata (г, з). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O. sativa ) и надземном стебле ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O.longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель). Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Апикальные меристемы побегов (SAM) O.sativa (в) и O. longistaminata (г) побеги. SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O. sativa (e, f) и O. longistaminata (g, h). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O.sativa ) и надземный стебель ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Почки корневища быстро меняют направление после зарождения

Морфология пазушных почек на корневищах сходна с таковыми на молодых надземных стеблях (рис. 2а, б). Они маленькие, плоские и прикрепляются к надземному стеблю или корневищу.Уникальная морфология почек корневища становится очевидной вскоре после начала роста почек (рис. 2c). Перед удлинением пазушные почки на корневище стали более округлыми, чем на надземном стебле (Fig. 2c; Supplementary Fig. S1c – e). Подмышечные почки на корневище затем увеличиваются в размерах и становятся более объемными в начале роста (рис. 2d). Кроме того, изменился угол наклона зачатка корневища, что сопровождалось выходом кончика зачатка из его центра (рис. 2г). Затем почки выросли под прямым углом к ​​исходному корневищу и удлинились (рис.2д). Более детальное изучение ранних стадий разрастания почек корневища показало, что в почках быстро увеличивалось количество листьев при изменении угла наклона (рис. 2f – k, 3).

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа.Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Чтобы подтвердить, что эти процессы, которые наблюдались в разных почках, происходят последовательно в одной почке, мы наблюдали развитие одной почки с помощью техники магнитно-резонансной томографии (МРТ) (Moriwaki et al . 2014). В этом эксперименте кусок корневища, содержащий почку, вырезали и инкубировали в стеклянной пробирке в магнитном поле и непрерывно наблюдали в течение> 65 часов. Это показало, что бутон начинает изгибаться сразу после начала роста бутона.Быстрое увеличение количества листьев и увеличение размера всей почки происходило одновременно с изменением угла наклона почки (Рис. 4a – g; Дополнительный Рис. S1; Дополнительные Видео S1, S2). Интересно, что когда корневище было вырезано и выращено в условиях освещения, корневище стало зеленым, а почки на корневище выросли как новые воздушные побеги (рис. 5a, b). Напротив, некоторые почки на надземных побегах, прилегающих к границе между надземным побегом и корневищем, выросли как новые корневища, когда они содержались в темноте (рис.5в, г).

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель. Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте.Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель.Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте. Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Корневища сохраняются в ювенильной фазе

Морфология листьев, переходящих в почки корневища, отличается от морфологии листьев надземных побегов. Листья травяных видов состоят из двух частей: пластинки, сформированной в дистальном положении, и влагалища, сформированного в проксимальном положении (рис.6а). Отношение листовой пластинки к листовой оболочке изменяется в зависимости от стадии развития и, таким образом, используется как индикатор фазы роста во время вегетативной фазы (рис. 6b). Первый лист риса ( O. sativa ) состоит только из листовой оболочки. Листовая пластинка наблюдается со второго листа (рис. 6б). С третьего листа листовая пластинка занимает почти половину всего листа. Листья на корневище, называемые чешуйчатыми, мелкие и рудиментарные (рис. 6в). Чешуйчатые листья в основном состоят из листового влагалища, напоминающего первый лист O.sativa (рис. 7a – f; дополнительный рис. S2). Эти наблюдения показывают, что корневище сохраняется в ювенильной фазе. Когда почки на корневище появляются над землей и начинают расти как надземные побеги, соотношение лезвия к влагалищу у вновь зародившихся листьев постепенно увеличивается, указывая на фазовый переход в развитии (рис. 6d, e). В пазушных почках O. sativa листовая пластинка дифференцируется в инициирующих зачатках листьев на стадиях P3 – P4 (рис. 6f). Напротив, несколько листовых зачатков дифференцировались в пазушную почку на корневище, и никаких признаков дифференцировки пластинок обнаружено не было (рис.6г).

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Фаза развития контролируется независимо под землей и над землей

Переход к репродуктивной фазе у O. longistaminata вызван воздействием коротких дней. На верхушке каждого надземного побега образуется метелка, как у побегов O.sativa (рис. 8а, б). Примечательно, что в то время как фазовый переход развития происходил в надземных побегах, фаза развития корневищ сохранялась на вегетативной стадии (Рис. 8c-e). Когда листья удаляли с надземного побега перед колошением, на верхушке не удлиненного стебля наблюдали зарождающееся соцветие (рис. 8d). Напротив, апикальная меристема побега (SAM) на вершине корневища сохранялась на вегетативной стадии (рис. 8e). Чтобы дополнительно подтвердить, что фаза корневища является вегетативной, мы использовали PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ) в качестве молекулярного маркера репродуктивной фазы. PAP2 , кодирующий OsMADS34, является одним из самых ранних генов, индуцированных в SAM после фазового перехода (Kobayashi et al. 2010, Kobayashi et al. 2012). PAP2 экспрессируется в верхушке побега надземного побега после перехода, тогда как PAP2 не обнаруживается в верхушке побега корневища (рис. 8f). Затем мы исследовали экспрессию Hd3a , ортолога риса Arabidopis FT , кодирующего флориген (Tamaki et al. 2007, Taoka et al. 2011). Hd3a Экспрессия не обнаруживалась в листовой пластинке и листовой оболочке надземного побега, а также в чешуйчатом листе корневища на вегетативной стадии (рис.8г). После перехода к репродуктивной стадии экспрессия Hd3a обнаруживается в листовой пластинке, но не в оболочке листа у надземных побегов, как сообщалось ранее (Tamaki et al. 2007). В чешуйчатом листе экспрессия Hd3a также не определялась.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения.Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b). После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища.IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (Lb) O. longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) из O.longistaminata в вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу.Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O. sativa. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения. Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b).После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища. IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (фунты) O.longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) O. longistaminata на вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу. Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O.сатива. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Обсуждение

Время развития имеет решающее значение для всех организмов в формировании архитектуры своего тела (Geuten et al . 2013). Модуляция времени развития часто работает как сильная движущая сила для создания морфологической пластичности и эволюции. Наш анализ показывает, что временной сдвиг в процессах развития критически важен для создания сложной модели развития O. longistaminata . Мы предполагаем, что гетерохронная модификация процессов развития является ключом к созданию уникальной системы развития корневища.

Наши результаты ясно показывают, что время развития регулируется независимо между наземной и подземной частями в O.longistaminata (рис. 8h). У риса ювенильная фаза, для которой характерно высокое соотношение листовой оболочки и листовой пластинки, относительно короткая, и только первые несколько листьев проявляют эту ювенильную характеристику (Itoh et al. 2005). Напротив, листья на корневищах состоят исключительно из влагалища, напоминая первый лист на надземных побегах у O. longistaminata и O. sativa . Это означает, что корневища сохраняются в ювенильной фазе, и фазовая прогрессия сильно подавляется.Несмотря на это, корневища имеют удлиненную форму. При нормальном росте риса удлинение стебля происходит только после перехода в репродуктивную фазу (Itoh et al. 2005). У томатов пазушные почки выросли до клубнеподобных органов, когда LONELY GUY ( LOG ), ген биосинтеза цитокининов, экспрессировался эктопически. Формирование эктопических клубней усиливается за счет экспрессии miR156 , позитивного регулятора ювенильной фазы (Eviatar-Ribak et al. 2013). Это означает, что эффект эктопической экспрессии LOG был модифицирован фазой роста почек.Это также указывает на то, что на развитие и характер роста пазушных почек влияют фазы развития почек.

САМ корневищ постоянно поддерживается на вегетативной фазе независимо от фазы развития надземных частей. Это подразумевает существование системы, которая блокирует переход SAM в репродуктивную фазу. У риса изменение репродуктивной фазы обеспечивается флоригеном, который переносится от листьев к SAM. Флориген кодируется двумя генами риса: Hd3a и RFT (Tamaki et al.2007, Комия и др. 2008 г.). Экспрессия Hd3a и RFT в листьях индуцируется в условиях короткого дня. Интересно, что экспрессия Hd3a и RFT происходит только в пластинке листа и исключается из оболочки листа даже в условиях короткого дня (Tamaki et al. 2007, Komiya et al. 2008). Следовательно, отсутствие индукции Hd3a и RFT в чешуйчатых листьях корневищ, содержащих только листовую оболочку, может препятствовать переходу SAM корневища в репродуктивную стадию.Однако нельзя исключить возможность переноса белков флоригена от воздушных листьев к корневищу. В столоне, корневище картофеля, апикальная область расширяется в клубни экологически независимым образом (Nicolas et al. 2015). Формирование клубней картофеля контролируется белками, относящимися к флоригенам, которые переносятся из надземных частей растения. Несмотря на индукцию клубнеобразования, SAM в верхней части столона не поражается и остается в вегетативной стадии. Это говорит о том, что существует регуляторная сеть, контролирующая тонкую пространственную настройку временного развития картофельного столона.Понимание молекулярной основы для тонкой настройки пространственной регуляции прогрессии времени развития у O. longistaminata является важной задачей на будущее.

У многих видов растений стебли растут горизонтально. Горизонтальные стебли растут над землей, на поверхности почвы, чуть ниже земли или под землей. Строго говоря, корневища — это стебли, которые растут под землей, а остальные называются столонами или побегами. Одно сходство между этими корневищными растениями состоит в том, что в одном растении действуют две различные системы роста стебля, а именно вертикальный и горизонтальный рост.Горизонтальный рост стеблей в дополнение к нормальному вертикальному росту благоприятен для быстрого расширения территории и, следовательно, является разумной адаптивной стратегией. Здесь мы показали, что почки корневища O. longistaminata меняют угол наклона, чтобы расти горизонтально. Будет интересно узнать, сохраняется ли этот признак у других видов с горизонтальными стеблями. Более того, раскрытие молекулярных и физиологических механизмов этого процесса необходимо для улучшения нашего понимания корневищ.Быстрый прогресс геномных технологий позволил провести молекулярно-генетический анализ видов растений с уникальными и интересными средами роста, такими как развитие корневищ (Cheng et al. 2013, Koo et al. 2013, Yun et al. 2014, Zhang et al. др. 2014 г., Барбье и др. 2015 г., Сальвато и др. 2015 г., Тейхманн и Мур 2015 г., Янг и др. 2015 г.). Действительно, в настоящее время создаются модельные корневищные виды, такие как Brachypodium , Sorghum и Oryza , как описано здесь.Эти исследования предоставят основную информацию, необходимую для дальнейшего понимания молекулярных основ развития корневища.

Материалы и методы

Растительные материалы

Штаммы риса O. longistaminata (IRGC10404) и O. sativa L. cv. Nipponbare использовались. Растения выращивали в почве при естественном освещении в теплице. Для наблюдения за пазушными почек листья удаляли вручную, а фотографии делали под микроскопом (Leica MC120HD) и анализировали с использованием бесплатного программного обеспечения ImageJ (NIH).

Сканирующая электронная микроскопия

Подмышечные почки стебля и корневища фиксировали в 2,5% глутаровом альдегиде в течение ночи при 4 ° C и дегидратировали в серии растворов этанола, затем конечный раствор этанола заменяли 3-метилбутилацетатом. Затем образцы сушили, покрывали платиной и наблюдали под растровым электронным микроскопом (Hitachi S-4000) при ускоряющем напряжении 5 кВ.

Гистологический анализ

Верхушки побегов стебля и корневища фиксировали FAA (5% формалин, 5% уксусная кислота, 45% этанол и 45% воды) в течение ночи при 4 ° C и обезвоживали в серии растворов этанола, затем заливали в Paraplast plus. (Маккормик).Были сделаны поперечные срезы толщиной 10 мкм и окрашены гематоксилином. После ополаскивания водой окрашенные срезы обезвоживали в серии градуированных этанолов, заменяли на hist-clear ® и закрепляли с помощью Multi Mount (Matsunami Glass Ind. Ltd.).

Магнитно-резонансная томография

Пазушные зачатки корневища O. longistaminata наблюдались с использованием сверхпроводящей магнитной системы с вертикальным отверстием 4,7 Тл 89 –1 мм.Для визуализации часть стебля, включая бутон, вырезали (длиной 3 см), заканчивали влажной ватой и помещали в пробирку для образца (диаметром 10 мм). Использовалась самодельная соленоидная радиочастотная катушка (диаметр 12 мм). Были построены катушки плоского градиента с зазорами 26–31 мм, и выход по току для градиентов x , y и z составил 46,2, 37,8 и 69,0 мТл м –1 A –1 , соответственно.

ОТ-ПЦР в реальном времени

Суммарную РНК

экстрагировали с использованием мини-набора для выделения растительной РНК (Agilent Technologies).После обработки ДНКазой I кДНК первой цепи синтезировали с использованием обратной транскриптазы SuperScript III (Invitrogen). Для амплификации транскриптов использовали следующие наборы праймеров: прямой и обратный праймеры для Hd3a , 5′-GCTAACGATGATCCCGAT-3 ‘и 5′-CCTGCAATGTATAGCATGC-3’; для PAP2 , 5′-AGCAGCTCCACTGGCTACAAATGA-3 ‘и 5′-AGGTCGCAGAGTTCATCAAG-3’; для GA20ox1 , 5′-CCTTCTCCGACTGGCTTAAT-3 ‘и 5′-GATGGATGGATGGATAATAGG-3’; для GA20ox2 , 5′-GGGAGGGTGTACCAGAAGTACTG-3 ‘и 5′-GGCTCAGCTCCAGGAGTTCC-3’; для GA20ox3 , F5′-GGAGGTGTACCAGGAGTACTGCGA-3 ‘и 5′-GTAGTGGTTCAGCCGCATC-3′; и для убиквитина 5’-AGAAGGAGTCCACGCTCCACC-3 ‘и 5′-GCCGGGCCATATAACCTTGACTT-3’.ПЦР выполняли с SYBR green I, используя Light Cycler® 480 System II (Roche Applied Science).

Финансирование

Эта работа была поддержана Японским агентством науки и технологий (JST) [Основные исследования эволюционной науки и технологий (CREST), M.A. и J.K.]; Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии [Гранты от А.Ю. (268

) и Ю. (15K04719)].

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о конфликте интересов.

Список литературы

(

2015

)

Готово, стойко, вперед! Сахарный удар запускает гонку по разветвлению

.

Curr. Opin. Plant Biol.

25

:

39

45

.

(

2000

)

Изменения в экспрессии гена GA 20-оксидазы сильно влияют на длину стебля, индукцию клубней и урожайность клубней растений картофеля

.

Plant J.

22

:

247

256

.

(

2013

)

Полногеномный анализ дифференциально экспрессируемых генов, имеющих отношение к образованию корневища в корне лотоса ( Nelumbo nucifera Gaertn)

.

PLoS One

8

:

e67116

.

(

2013

)

Фермент, активирующий цитокинин, способствует образованию клубней у томатов

.

Curr. Биол.

23

:

1057

1064

.

(

2013

)

Гетерохронные гены в эволюции и развитии растений

.

Фронт. Plant Sci.

381

:

1

11

.

и другие. .(

2014

)

Общесистемное сравнение тканей красного риса ( Oryza longistaminata ) позволяет идентифицировать гены и белки, специфичные для корневищ, которые являются мишенями для улучшения выращиваемого риса

.

BMC Plant Biol.

14

:

46

.

и другие. . (

2003

)

Конвергентная эволюция многолетних растений риса и сорго

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

10

:

4050

4054

.

и другие. . (

2011

)

Идентификация ризом-специфических генов с помощью анализа дифференциальной экспрессии в масштабе всего генома в Oryza longistaminata

.

BMC Plant Biol.

24

:

11

.

и другие. . (

2005

)

Развитие растений риса: от зиготы до колоска

.

Physiol растительных клеток.

46

:

23

47

.

(

2006

)

Функциональная классификация, геномная организация, предположительно цис-действующие регуляторные элементы и взаимосвязь с локусами количественных признаков генов сорго с экспрессией, обогащенной корневищами

.

Plant Physiol.

142

:

1148

1159

.

(

2010

)

PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ), кодирующий белок MADS-box подсемейства SEPALLATA, положительно контролирует идентичность меристемы колосков в рисе

.

Physiol растительных клеток.

51

:

47

57

.

и другие. . (

2012

)

Идентичность меристемы соцветия у риса определяется перекрывающимися функциями трех AP1 / FUL -подобных генов MADS-бокса и PAP2 , гена SEPALLATA MADS box

.

Plant Cell

24

:

1848

1859

.

(

2008

)

Hd3a и RFT1 необходимы для цветения риса

.

Девелопмент

135

:

767

774

.

и другие. . (

2013

)

Метки последовательности, экспрессируемые имбирем и куркумой, идентифицируют гены-сигнатуры, определяющие идентичность и развитие корневища, а также биосинтез куркуминоидов, гингеролов и терпеноидов

.

BMC Plant Biol.

15

:

13: 27

.

(

1998

)

Снижение содержания GA1, вызванное сверхэкспрессией OSh2 , сопровождается подавлением экспрессии гена GA 20-оксидазы

.

Plant Physiol.

117

:

1179

1184

.

(

2013

)

ЦВЕТОЧНИК Гены T контролируют образование луковиц и цветение

.

Nat. Commun.

4

:

2884

.

и другие. . (

2013

)

CYP714B1 и CYP714B2 кодируют 13-оксидазы гиббереллина, которые снижают активность гиббереллина в рисе

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

110

:

1947

1952

.

(

2014

)

Визуализация и количественная оценка сосудистой структуры плодов с помощью магнитно-резонансной микровизуализации

.

заявл. Magn. Резон.

45

:

517

525

.

и другие. . (

2011

)

Контроль за цветением и формированием запасающих органов картофеля с помощью FLOWERING LOCUS T

.

Природа

478

:

119

122

.

(

2015

)

Недавно появившийся альтернативный сайт сплайсинга в гене BRANCHED1a контролирует архитектуру растения картофеля

.

Curr. Биол.

25

:

1799

1809

.

и другие. . (

2015

)

Сравнительный протеомный анализ развивающихся корневищ древнего сосудистого растения Equisetum hyemale и различных видов однодольных

.

J. Proteome Res.

14

:

1779

1791

.

(

2007

)

Белок Hd3a является мобильным сигналом цветения риса

.

Наука

18

:

1033

1036

.

и другие. . (

2011

)

Белки 14-3-3 действуют как внутриклеточные рецепторы для риса Hd3a florigen

.

Природа

31

:

332

335

.

(

2015

)

Формирование архитектуры предприятия

.

Фронт. Plant Sci.

6

:

233

.

и другие. . (

2010

)

Идентификация генов, связанных с развитием почек корневища бамбука

.

J. Exp. Бот.

61

:

551

561

.

(

2013

)

Целевое картирование областей локусов количественных признаков для ризоматичности в хромосоме SBI-01 и анализ перезимовки в популяции Sorghum bicolor × S. propinquum

.

Мол. Порода.

31

:

153

162

.

и другие. . (

2015

)

Транскриптомный анализ регуляции образования корневищ лотоса умеренного и тропического климата ( Nelumbo nucifera )

.

Sci. Реп.

5

:

13059

.

(

2014

)

Генетический контроль корневищ и геномная локализация QTL основного эффекта роста у многолетней дикой ржи

.

Мол. Genet. Геномика.

289

:

383

397

.

и другие. . (

2014

)

Глубокое секвенирование транскриптома корневища и надземных побегов Sorghum propinquum

.

Завод Мол. Биол.

84

:

315

327

.

Сокращения

© Автор 2016.Опубликовано Oxford University Press от имени Японского общества физиологов растений. Все права защищены. Для получения разрешения обращайтесь по электронной почте: [email protected]

Анализ развития корневища Oryza longistaminata, вида дикого риса | Физиология растений и клетки

Аннотация

Вегетативное размножение — это форма бесполого размножения растений. У широкого круга растений появляются корневища, модифицированные стебли, которые растут под землей горизонтально, как средство вегетативного размножения.У корневищных видов, несмотря на их различные модели развития, и корневища, и надземные побеги происходят из пазушных почек. Следовательно, представляет интерес понять основы зарождения и развития корневища. Oryza longistaminata , дикий вид риса, развивает корневища. Мы проанализировали зарождение почек и рост корневищ O. longistaminata , используя различные методы морфологического наблюдения. Мы показываем, что в отличие от почек надземных побегов, которые содержат только несколько листьев, почки корневища образуют несколько листьев и изгибаются, чтобы расти под прямым углом к ​​исходному корневищу.Корневища сохраняются в ювенильной фазе независимо от фазы развития надземного побега. Удлинение стебля и репродуктивный переход тесно связаны в надземных побегах, но не связаны в корневище. Наши результаты показывают, что программы развития действуют независимо в корневищах и надземных побегах. Временная модификация путей развития, общих для корневищ и надземных побегов, может быть источником пластичности развития. Более того, для развития корневища, по-видимому, необходимо создание новых систем развития.

Введение

Корневища — это модифицированные стебли, которые растут горизонтально под землей. Из-за их большого преимущества для энергичного бесполого размножения корневища наблюдаются у различных видов многолетних растений (Wang et al. 2010, Navarro et al. 2011, Lee et al. 2013, Zhang et al. 2014, Yang et al. 2015). Одним из интересных аспектов развития корневища является то, что новые почки на корневищах могут расти под землей как новое корневище или появляться над землей и расти как надземные побеги.Эта среда произрастания корневищных видов позволяет им быстро и широко расширять свою территорию. Более того, корневища могут выжить под землей, когда условия роста нежелательны, а побеги могут быстро прорасти, когда условия становятся подходящими для роста. Они также важны с точки зрения растениеводства. Корневища собирают как урожай картофеля, имбиря, лотоса и многих других культур (Navarro et al. 2011, Yang et al. 2015). С другой стороны, корневищные виды часто являются ядовитыми сорняками, вторгающимися в обширные регионы из-за их интенсивного роста (Hu et al.2003, Юн и др. 2014).

Морфогенез у растений длится всю жизнь. Новые стволовые клетки, образующиеся в пазухах листьев, образуют пазушную почку и растут как вторичные побеги. Повторяющееся образование пазушных почек и их рост определяют сложную структуру растений. Идентичность и характер роста каждой пазушной почки определяются в соответствии с внутренними и внешними сигналами. У корневищных видов почки корневища и надземные побеги образуются из пазушных почек. В отличие от прогресса в нашем понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе спецификации идентичности пазушных зачатков и детерминации роста, мало что известно об инициации и развитии корневых зачатков.Более того, неизвестно, как две отдельные системы, почки корневища и надземные пазушные почки регулируются у одного растения.

Ряд регионов локусов количественных признаков (QTL), ответственных за развитие корневищ или связанных с ними, был зарегистрирован у нескольких видов корневищ (Jang et al. 2006, Washburn et al. 2013, Yun et al. 2014). Более того, крупномасштабные анализы, такие как анализ транскриптома и анализ протеома, были выполнены на корневищных видах (Hu et al.2011, Barbier et al.2015, Тайхманн и Мур 2015). Хотя эти исследования внесли значительный вклад в улучшение нашего понимания развития корневища на молекулярном уровне, об изоляции генов, критических для развития корневища, не сообщалось. Сложность паттернов развития у корневищных видов может быть препятствием при анализе развития корневища. Кроме того, низкая плодовитость семян у корневищных видов, которые эволюционировали для бесполого размножения, препятствует применению генетических подходов.Кроме того, отсутствие модельных видов корневищ является серьезной проблемой для молекулярно-генетического анализа развития корневищ.

Oryza longistaminata , дикий вид риса, возникший в средней Африке, развивает корневища и активно размножается. Oryza longistaminata , содержащий геном АА, который совпадает с геномом Oryza sativa , может быть скрещен с O. sativa и завязать плодородные семена, и поэтому считается одним из идеальных материалов для изучения механизмов контроля развитие корневища у видов трав (He et al.2014). В этом исследовании мы провели подробное наблюдение за морфологией, ростом и развитием корневища. Наши находки показывают, что общие модули развития используются как в корневище, так и в надземном побеге, но модификация временной регуляции модулей может быть источником пластичности развития, наблюдаемой в корневище. Кроме того, мы демонстрируем, что инновации новых систем развития были приняты, чтобы установить процесс развития корневища.

Результаты

Корневища удлиняются во время вегетативной фазы

Oryza longistaminata развивает корневища под землей и демонстрирует типичный рисунок роста риса на уровне земли (рис.1а). В данном исследовании надземный побег и стебель O. longistaminata названы соответственно воздушным побегом и воздушным стеблем, а подземный стебель — корневищем. И воздушный стебель, и корневище образовывали пазушную почку в каждом узле (рис. 1б). Пазушная почка на надземном стебле O. longistaminata вырастает в виде надземного побега, называемого побегом, который на вегетативной стадии постоянно образует листья. Воздушный стебель не показал значительного удлинения во время вегетативной фазы, а удлинение произошло после перехода в репродуктивную фазу, когда образовалась метелка, как в случае O.sativa (рис. 1в, г). Пазушные почки на корневище выросли, образуя новое корневище. В отличие от надземного стебля корневище удлинялось, когда надземные побеги находились на вегетативной стадии (рис. 1б). Это указывает на то, что воздушное удлинение стебля и удлинение корневища контролируются независимо, т.е. в одном растении из O. longistaminata действуют две системы удлинения стебля — система, зависимая от фазы развития, и система, независимая от фазы развития. Гибберелловая кислота является решающим фактором удлинения стебля (Kusaba et al.1998 г., Carrera et al. 2000, Magome et al. 2013). В частности, для быстрого удлинения стебля перед колошением риса необходимо накопление активных гиббереллинов, таких как GA 4 и GA 1 , продуцируемых GA20-оксидазой (GA20ox) (Magome et al. 2013). Мы проанализировали экспрессию трех генов GA20ox в O. longistaminata. Как описано ранее, экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 была низкой в ​​неразвитом стебле во время вегетативной фазы и увеличивалась после перехода в репродуктивную фазу в O.sativa (рис. 1д, е). В надземном стебле O. longistaminata экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 также была низкой в ​​вегетативной фазе и увеличивалась в репродуктивной фазе (рис. 1g, h). Экспрессия GA20ox1 в корневище была низкой. в то время как GA20ox2 сильно экспрессируется в корневищах, независимо от стадии развития (Fig. 1h). Мы не обнаружили значительной экспрессии гена GA20ox3 у O. sativa и O.longistaminata (данные не представлены).

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O. longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель).Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Стрельба из апикальных меристем (SAM) побегов O. sativa (c) и O. longistaminata (d). SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O.sativa (д, е) и О. longistaminata (г, з). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O. sativa ) и надземном стебле ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O.longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель). Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Апикальные меристемы побегов (SAM) O.sativa (в) и O. longistaminata (г) побеги. SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O. sativa (e, f) и O. longistaminata (g, h). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O.sativa ) и надземный стебель ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Почки корневища быстро меняют направление после зарождения

Морфология пазушных почек на корневищах сходна с таковыми на молодых надземных стеблях (рис. 2а, б). Они маленькие, плоские и прикрепляются к надземному стеблю или корневищу.Уникальная морфология почек корневища становится очевидной вскоре после начала роста почек (рис. 2c). Перед удлинением пазушные почки на корневище стали более округлыми, чем на надземном стебле (Fig. 2c; Supplementary Fig. S1c – e). Подмышечные почки на корневище затем увеличиваются в размерах и становятся более объемными в начале роста (рис. 2d). Кроме того, изменился угол наклона зачатка корневища, что сопровождалось выходом кончика зачатка из его центра (рис. 2г). Затем почки выросли под прямым углом к ​​исходному корневищу и удлинились (рис.2д). Более детальное изучение ранних стадий разрастания почек корневища показало, что в почках быстро увеличивалось количество листьев при изменении угла наклона (рис. 2f – k, 3).

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа.Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Чтобы подтвердить, что эти процессы, которые наблюдались в разных почках, происходят последовательно в одной почке, мы наблюдали развитие одной почки с помощью техники магнитно-резонансной томографии (МРТ) (Moriwaki et al . 2014). В этом эксперименте кусок корневища, содержащий почку, вырезали и инкубировали в стеклянной пробирке в магнитном поле и непрерывно наблюдали в течение> 65 часов. Это показало, что бутон начинает изгибаться сразу после начала роста бутона.Быстрое увеличение количества листьев и увеличение размера всей почки происходило одновременно с изменением угла наклона почки (Рис. 4a – g; Дополнительный Рис. S1; Дополнительные Видео S1, S2). Интересно, что когда корневище было вырезано и выращено в условиях освещения, корневище стало зеленым, а почки на корневище выросли как новые воздушные побеги (рис. 5a, b). Напротив, некоторые почки на надземных побегах, прилегающих к границе между надземным побегом и корневищем, выросли как новые корневища, когда они содержались в темноте (рис.5в, г).

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель. Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте.Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель.Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте. Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Корневища сохраняются в ювенильной фазе

Морфология листьев, переходящих в почки корневища, отличается от морфологии листьев надземных побегов. Листья травяных видов состоят из двух частей: пластинки, сформированной в дистальном положении, и влагалища, сформированного в проксимальном положении (рис.6а). Отношение листовой пластинки к листовой оболочке изменяется в зависимости от стадии развития и, таким образом, используется как индикатор фазы роста во время вегетативной фазы (рис. 6b). Первый лист риса ( O. sativa ) состоит только из листовой оболочки. Листовая пластинка наблюдается со второго листа (рис. 6б). С третьего листа листовая пластинка занимает почти половину всего листа. Листья на корневище, называемые чешуйчатыми, мелкие и рудиментарные (рис. 6в). Чешуйчатые листья в основном состоят из листового влагалища, напоминающего первый лист O.sativa (рис. 7a – f; дополнительный рис. S2). Эти наблюдения показывают, что корневище сохраняется в ювенильной фазе. Когда почки на корневище появляются над землей и начинают расти как надземные побеги, соотношение лезвия к влагалищу у вновь зародившихся листьев постепенно увеличивается, указывая на фазовый переход в развитии (рис. 6d, e). В пазушных почках O. sativa листовая пластинка дифференцируется в инициирующих зачатках листьев на стадиях P3 – P4 (рис. 6f). Напротив, несколько листовых зачатков дифференцировались в пазушную почку на корневище, и никаких признаков дифференцировки пластинок обнаружено не было (рис.6г).

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Фаза развития контролируется независимо под землей и над землей

Переход к репродуктивной фазе у O. longistaminata вызван воздействием коротких дней. На верхушке каждого надземного побега образуется метелка, как у побегов O.sativa (рис. 8а, б). Примечательно, что в то время как фазовый переход развития происходил в надземных побегах, фаза развития корневищ сохранялась на вегетативной стадии (Рис. 8c-e). Когда листья удаляли с надземного побега перед колошением, на верхушке не удлиненного стебля наблюдали зарождающееся соцветие (рис. 8d). Напротив, апикальная меристема побега (SAM) на вершине корневища сохранялась на вегетативной стадии (рис. 8e). Чтобы дополнительно подтвердить, что фаза корневища является вегетативной, мы использовали PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ) в качестве молекулярного маркера репродуктивной фазы. PAP2 , кодирующий OsMADS34, является одним из самых ранних генов, индуцированных в SAM после фазового перехода (Kobayashi et al. 2010, Kobayashi et al. 2012). PAP2 экспрессируется в верхушке побега надземного побега после перехода, тогда как PAP2 не обнаруживается в верхушке побега корневища (рис. 8f). Затем мы исследовали экспрессию Hd3a , ортолога риса Arabidopis FT , кодирующего флориген (Tamaki et al. 2007, Taoka et al. 2011). Hd3a Экспрессия не обнаруживалась в листовой пластинке и листовой оболочке надземного побега, а также в чешуйчатом листе корневища на вегетативной стадии (рис.8г). После перехода к репродуктивной стадии экспрессия Hd3a обнаруживается в листовой пластинке, но не в оболочке листа у надземных побегов, как сообщалось ранее (Tamaki et al. 2007). В чешуйчатом листе экспрессия Hd3a также не определялась.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения.Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b). После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища.IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (Lb) O. longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) из O.longistaminata в вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу.Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O. sativa. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения. Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b).После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища. IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (фунты) O.longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) O. longistaminata на вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу. Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O.сатива. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Обсуждение

Время развития имеет решающее значение для всех организмов в формировании архитектуры своего тела (Geuten et al . 2013). Модуляция времени развития часто работает как сильная движущая сила для создания морфологической пластичности и эволюции. Наш анализ показывает, что временной сдвиг в процессах развития критически важен для создания сложной модели развития O. longistaminata . Мы предполагаем, что гетерохронная модификация процессов развития является ключом к созданию уникальной системы развития корневища.

Наши результаты ясно показывают, что время развития регулируется независимо между наземной и подземной частями в O.longistaminata (рис. 8h). У риса ювенильная фаза, для которой характерно высокое соотношение листовой оболочки и листовой пластинки, относительно короткая, и только первые несколько листьев проявляют эту ювенильную характеристику (Itoh et al. 2005). Напротив, листья на корневищах состоят исключительно из влагалища, напоминая первый лист на надземных побегах у O. longistaminata и O. sativa . Это означает, что корневища сохраняются в ювенильной фазе, и фазовая прогрессия сильно подавляется.Несмотря на это, корневища имеют удлиненную форму. При нормальном росте риса удлинение стебля происходит только после перехода в репродуктивную фазу (Itoh et al. 2005). У томатов пазушные почки выросли до клубнеподобных органов, когда LONELY GUY ( LOG ), ген биосинтеза цитокининов, экспрессировался эктопически. Формирование эктопических клубней усиливается за счет экспрессии miR156 , позитивного регулятора ювенильной фазы (Eviatar-Ribak et al. 2013). Это означает, что эффект эктопической экспрессии LOG был модифицирован фазой роста почек.Это также указывает на то, что на развитие и характер роста пазушных почек влияют фазы развития почек.

САМ корневищ постоянно поддерживается на вегетативной фазе независимо от фазы развития надземных частей. Это подразумевает существование системы, которая блокирует переход SAM в репродуктивную фазу. У риса изменение репродуктивной фазы обеспечивается флоригеном, который переносится от листьев к SAM. Флориген кодируется двумя генами риса: Hd3a и RFT (Tamaki et al.2007, Комия и др. 2008 г.). Экспрессия Hd3a и RFT в листьях индуцируется в условиях короткого дня. Интересно, что экспрессия Hd3a и RFT происходит только в пластинке листа и исключается из оболочки листа даже в условиях короткого дня (Tamaki et al. 2007, Komiya et al. 2008). Следовательно, отсутствие индукции Hd3a и RFT в чешуйчатых листьях корневищ, содержащих только листовую оболочку, может препятствовать переходу SAM корневища в репродуктивную стадию.Однако нельзя исключить возможность переноса белков флоригена от воздушных листьев к корневищу. В столоне, корневище картофеля, апикальная область расширяется в клубни экологически независимым образом (Nicolas et al. 2015). Формирование клубней картофеля контролируется белками, относящимися к флоригенам, которые переносятся из надземных частей растения. Несмотря на индукцию клубнеобразования, SAM в верхней части столона не поражается и остается в вегетативной стадии. Это говорит о том, что существует регуляторная сеть, контролирующая тонкую пространственную настройку временного развития картофельного столона.Понимание молекулярной основы для тонкой настройки пространственной регуляции прогрессии времени развития у O. longistaminata является важной задачей на будущее.

У многих видов растений стебли растут горизонтально. Горизонтальные стебли растут над землей, на поверхности почвы, чуть ниже земли или под землей. Строго говоря, корневища — это стебли, которые растут под землей, а остальные называются столонами или побегами. Одно сходство между этими корневищными растениями состоит в том, что в одном растении действуют две различные системы роста стебля, а именно вертикальный и горизонтальный рост.Горизонтальный рост стеблей в дополнение к нормальному вертикальному росту благоприятен для быстрого расширения территории и, следовательно, является разумной адаптивной стратегией. Здесь мы показали, что почки корневища O. longistaminata меняют угол наклона, чтобы расти горизонтально. Будет интересно узнать, сохраняется ли этот признак у других видов с горизонтальными стеблями. Более того, раскрытие молекулярных и физиологических механизмов этого процесса необходимо для улучшения нашего понимания корневищ.Быстрый прогресс геномных технологий позволил провести молекулярно-генетический анализ видов растений с уникальными и интересными средами роста, такими как развитие корневищ (Cheng et al. 2013, Koo et al. 2013, Yun et al. 2014, Zhang et al. др. 2014 г., Барбье и др. 2015 г., Сальвато и др. 2015 г., Тейхманн и Мур 2015 г., Янг и др. 2015 г.). Действительно, в настоящее время создаются модельные корневищные виды, такие как Brachypodium , Sorghum и Oryza , как описано здесь.Эти исследования предоставят основную информацию, необходимую для дальнейшего понимания молекулярных основ развития корневища.

Материалы и методы

Растительные материалы

Штаммы риса O. longistaminata (IRGC10404) и O. sativa L. cv. Nipponbare использовались. Растения выращивали в почве при естественном освещении в теплице. Для наблюдения за пазушными почек листья удаляли вручную, а фотографии делали под микроскопом (Leica MC120HD) и анализировали с использованием бесплатного программного обеспечения ImageJ (NIH).

Сканирующая электронная микроскопия

Подмышечные почки стебля и корневища фиксировали в 2,5% глутаровом альдегиде в течение ночи при 4 ° C и дегидратировали в серии растворов этанола, затем конечный раствор этанола заменяли 3-метилбутилацетатом. Затем образцы сушили, покрывали платиной и наблюдали под растровым электронным микроскопом (Hitachi S-4000) при ускоряющем напряжении 5 кВ.

Гистологический анализ

Верхушки побегов стебля и корневища фиксировали FAA (5% формалин, 5% уксусная кислота, 45% этанол и 45% воды) в течение ночи при 4 ° C и обезвоживали в серии растворов этанола, затем заливали в Paraplast plus. (Маккормик).Были сделаны поперечные срезы толщиной 10 мкм и окрашены гематоксилином. После ополаскивания водой окрашенные срезы обезвоживали в серии градуированных этанолов, заменяли на hist-clear ® и закрепляли с помощью Multi Mount (Matsunami Glass Ind. Ltd.).

Магнитно-резонансная томография

Пазушные зачатки корневища O. longistaminata наблюдались с использованием сверхпроводящей магнитной системы с вертикальным отверстием 4,7 Тл 89 –1 мм.Для визуализации часть стебля, включая бутон, вырезали (длиной 3 см), заканчивали влажной ватой и помещали в пробирку для образца (диаметром 10 мм). Использовалась самодельная соленоидная радиочастотная катушка (диаметр 12 мм). Были построены катушки плоского градиента с зазорами 26–31 мм, и выход по току для градиентов x , y и z составил 46,2, 37,8 и 69,0 мТл м –1 A –1 , соответственно.

ОТ-ПЦР в реальном времени

Суммарную РНК

экстрагировали с использованием мини-набора для выделения растительной РНК (Agilent Technologies).После обработки ДНКазой I кДНК первой цепи синтезировали с использованием обратной транскриптазы SuperScript III (Invitrogen). Для амплификации транскриптов использовали следующие наборы праймеров: прямой и обратный праймеры для Hd3a , 5′-GCTAACGATGATCCCGAT-3 ‘и 5′-CCTGCAATGTATAGCATGC-3’; для PAP2 , 5′-AGCAGCTCCACTGGCTACAAATGA-3 ‘и 5′-AGGTCGCAGAGTTCATCAAG-3’; для GA20ox1 , 5′-CCTTCTCCGACTGGCTTAAT-3 ‘и 5′-GATGGATGGATGGATAATAGG-3’; для GA20ox2 , 5′-GGGAGGGTGTACCAGAAGTACTG-3 ‘и 5′-GGCTCAGCTCCAGGAGTTCC-3’; для GA20ox3 , F5′-GGAGGTGTACCAGGAGTACTGCGA-3 ‘и 5′-GTAGTGGTTCAGCCGCATC-3′; и для убиквитина 5’-AGAAGGAGTCCACGCTCCACC-3 ‘и 5′-GCCGGGCCATATAACCTTGACTT-3’.ПЦР выполняли с SYBR green I, используя Light Cycler® 480 System II (Roche Applied Science).

Финансирование

Эта работа была поддержана Японским агентством науки и технологий (JST) [Основные исследования эволюционной науки и технологий (CREST), M.A. и J.K.]; Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии [Гранты от А.Ю. (268

) и Ю. (15K04719)].

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о конфликте интересов.

Список литературы

(

2015

)

Готово, стойко, вперед! Сахарный удар запускает гонку по разветвлению

.

Curr. Opin. Plant Biol.

25

:

39

45

.

(

2000

)

Изменения в экспрессии гена GA 20-оксидазы сильно влияют на длину стебля, индукцию клубней и урожайность клубней растений картофеля

.

Plant J.

22

:

247

256

.

(

2013

)

Полногеномный анализ дифференциально экспрессируемых генов, имеющих отношение к образованию корневища в корне лотоса ( Nelumbo nucifera Gaertn)

.

PLoS One

8

:

e67116

.

(

2013

)

Фермент, активирующий цитокинин, способствует образованию клубней у томатов

.

Curr. Биол.

23

:

1057

1064

.

(

2013

)

Гетерохронные гены в эволюции и развитии растений

.

Фронт. Plant Sci.

381

:

1

11

.

и другие. .(

2014

)

Общесистемное сравнение тканей красного риса ( Oryza longistaminata ) позволяет идентифицировать гены и белки, специфичные для корневищ, которые являются мишенями для улучшения выращиваемого риса

.

BMC Plant Biol.

14

:

46

.

и другие. . (

2003

)

Конвергентная эволюция многолетних растений риса и сорго

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

10

:

4050

4054

.

и другие. . (

2011

)

Идентификация ризом-специфических генов с помощью анализа дифференциальной экспрессии в масштабе всего генома в Oryza longistaminata

.

BMC Plant Biol.

24

:

11

.

и другие. . (

2005

)

Развитие растений риса: от зиготы до колоска

.

Physiol растительных клеток.

46

:

23

47

.

(

2006

)

Функциональная классификация, геномная организация, предположительно цис-действующие регуляторные элементы и взаимосвязь с локусами количественных признаков генов сорго с экспрессией, обогащенной корневищами

.

Plant Physiol.

142

:

1148

1159

.

(

2010

)

PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ), кодирующий белок MADS-box подсемейства SEPALLATA, положительно контролирует идентичность меристемы колосков в рисе

.

Physiol растительных клеток.

51

:

47

57

.

и другие. . (

2012

)

Идентичность меристемы соцветия у риса определяется перекрывающимися функциями трех AP1 / FUL -подобных генов MADS-бокса и PAP2 , гена SEPALLATA MADS box

.

Plant Cell

24

:

1848

1859

.

(

2008

)

Hd3a и RFT1 необходимы для цветения риса

.

Девелопмент

135

:

767

774

.

и другие. . (

2013

)

Метки последовательности, экспрессируемые имбирем и куркумой, идентифицируют гены-сигнатуры, определяющие идентичность и развитие корневища, а также биосинтез куркуминоидов, гингеролов и терпеноидов

.

BMC Plant Biol.

15

:

13: 27

.

(

1998

)

Снижение содержания GA1, вызванное сверхэкспрессией OSh2 , сопровождается подавлением экспрессии гена GA 20-оксидазы

.

Plant Physiol.

117

:

1179

1184

.

(

2013

)

ЦВЕТОЧНИК Гены T контролируют образование луковиц и цветение

.

Nat. Commun.

4

:

2884

.

и другие. . (

2013

)

CYP714B1 и CYP714B2 кодируют 13-оксидазы гиббереллина, которые снижают активность гиббереллина в рисе

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

110

:

1947

1952

.

(

2014

)

Визуализация и количественная оценка сосудистой структуры плодов с помощью магнитно-резонансной микровизуализации

.

заявл. Magn. Резон.

45

:

517

525

.

и другие. . (

2011

)

Контроль за цветением и формированием запасающих органов картофеля с помощью FLOWERING LOCUS T

.

Природа

478

:

119

122

.

(

2015

)

Недавно появившийся альтернативный сайт сплайсинга в гене BRANCHED1a контролирует архитектуру растения картофеля

.

Curr. Биол.

25

:

1799

1809

.

и другие. . (

2015

)

Сравнительный протеомный анализ развивающихся корневищ древнего сосудистого растения Equisetum hyemale и различных видов однодольных

.

J. Proteome Res.

14

:

1779

1791

.

(

2007

)

Белок Hd3a является мобильным сигналом цветения риса

.

Наука

18

:

1033

1036

.

и другие. . (

2011

)

Белки 14-3-3 действуют как внутриклеточные рецепторы для риса Hd3a florigen

.

Природа

31

:

332

335

.

(

2015

)

Формирование архитектуры предприятия

.

Фронт. Plant Sci.

6

:

233

.

и другие. . (

2010

)

Идентификация генов, связанных с развитием почек корневища бамбука

.

J. Exp. Бот.

61

:

551

561

.

(

2013

)

Целевое картирование областей локусов количественных признаков для ризоматичности в хромосоме SBI-01 и анализ перезимовки в популяции Sorghum bicolor × S. propinquum

.

Мол. Порода.

31

:

153

162

.

и другие. . (

2015

)

Транскриптомный анализ регуляции образования корневищ лотоса умеренного и тропического климата ( Nelumbo nucifera )

.

Sci. Реп.

5

:

13059

.

(

2014

)

Генетический контроль корневищ и геномная локализация QTL основного эффекта роста у многолетней дикой ржи

.

Мол. Genet. Геномика.

289

:

383

397

.

и другие. . (

2014

)

Глубокое секвенирование транскриптома корневища и надземных побегов Sorghum propinquum

.

Завод Мол. Биол.

84

:

315

327

.

Сокращения

© Автор 2016.Опубликовано Oxford University Press от имени Японского общества физиологов растений. Все права защищены. Для получения разрешения обращайтесь по электронной почте: [email protected]

Анализ развития корневища Oryza longistaminata, вида дикого риса | Физиология растений и клетки

Аннотация

Вегетативное размножение — это форма бесполого размножения растений. У широкого круга растений появляются корневища, модифицированные стебли, которые растут под землей горизонтально, как средство вегетативного размножения.У корневищных видов, несмотря на их различные модели развития, и корневища, и надземные побеги происходят из пазушных почек. Следовательно, представляет интерес понять основы зарождения и развития корневища. Oryza longistaminata , дикий вид риса, развивает корневища. Мы проанализировали зарождение почек и рост корневищ O. longistaminata , используя различные методы морфологического наблюдения. Мы показываем, что в отличие от почек надземных побегов, которые содержат только несколько листьев, почки корневища образуют несколько листьев и изгибаются, чтобы расти под прямым углом к ​​исходному корневищу.Корневища сохраняются в ювенильной фазе независимо от фазы развития надземного побега. Удлинение стебля и репродуктивный переход тесно связаны в надземных побегах, но не связаны в корневище. Наши результаты показывают, что программы развития действуют независимо в корневищах и надземных побегах. Временная модификация путей развития, общих для корневищ и надземных побегов, может быть источником пластичности развития. Более того, для развития корневища, по-видимому, необходимо создание новых систем развития.

Введение

Корневища — это модифицированные стебли, которые растут горизонтально под землей. Из-за их большого преимущества для энергичного бесполого размножения корневища наблюдаются у различных видов многолетних растений (Wang et al. 2010, Navarro et al. 2011, Lee et al. 2013, Zhang et al. 2014, Yang et al. 2015). Одним из интересных аспектов развития корневища является то, что новые почки на корневищах могут расти под землей как новое корневище или появляться над землей и расти как надземные побеги.Эта среда произрастания корневищных видов позволяет им быстро и широко расширять свою территорию. Более того, корневища могут выжить под землей, когда условия роста нежелательны, а побеги могут быстро прорасти, когда условия становятся подходящими для роста. Они также важны с точки зрения растениеводства. Корневища собирают как урожай картофеля, имбиря, лотоса и многих других культур (Navarro et al. 2011, Yang et al. 2015). С другой стороны, корневищные виды часто являются ядовитыми сорняками, вторгающимися в обширные регионы из-за их интенсивного роста (Hu et al.2003, Юн и др. 2014).

Морфогенез у растений длится всю жизнь. Новые стволовые клетки, образующиеся в пазухах листьев, образуют пазушную почку и растут как вторичные побеги. Повторяющееся образование пазушных почек и их рост определяют сложную структуру растений. Идентичность и характер роста каждой пазушной почки определяются в соответствии с внутренними и внешними сигналами. У корневищных видов почки корневища и надземные побеги образуются из пазушных почек. В отличие от прогресса в нашем понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе спецификации идентичности пазушных зачатков и детерминации роста, мало что известно об инициации и развитии корневых зачатков.Более того, неизвестно, как две отдельные системы, почки корневища и надземные пазушные почки регулируются у одного растения.

Ряд регионов локусов количественных признаков (QTL), ответственных за развитие корневищ или связанных с ними, был зарегистрирован у нескольких видов корневищ (Jang et al. 2006, Washburn et al. 2013, Yun et al. 2014). Более того, крупномасштабные анализы, такие как анализ транскриптома и анализ протеома, были выполнены на корневищных видах (Hu et al.2011, Barbier et al.2015, Тайхманн и Мур 2015). Хотя эти исследования внесли значительный вклад в улучшение нашего понимания развития корневища на молекулярном уровне, об изоляции генов, критических для развития корневища, не сообщалось. Сложность паттернов развития у корневищных видов может быть препятствием при анализе развития корневища. Кроме того, низкая плодовитость семян у корневищных видов, которые эволюционировали для бесполого размножения, препятствует применению генетических подходов.Кроме того, отсутствие модельных видов корневищ является серьезной проблемой для молекулярно-генетического анализа развития корневищ.

Oryza longistaminata , дикий вид риса, возникший в средней Африке, развивает корневища и активно размножается. Oryza longistaminata , содержащий геном АА, который совпадает с геномом Oryza sativa , может быть скрещен с O. sativa и завязать плодородные семена, и поэтому считается одним из идеальных материалов для изучения механизмов контроля развитие корневища у видов трав (He et al.2014). В этом исследовании мы провели подробное наблюдение за морфологией, ростом и развитием корневища. Наши находки показывают, что общие модули развития используются как в корневище, так и в надземном побеге, но модификация временной регуляции модулей может быть источником пластичности развития, наблюдаемой в корневище. Кроме того, мы демонстрируем, что инновации новых систем развития были приняты, чтобы установить процесс развития корневища.

Результаты

Корневища удлиняются во время вегетативной фазы

Oryza longistaminata развивает корневища под землей и демонстрирует типичный рисунок роста риса на уровне земли (рис.1а). В данном исследовании надземный побег и стебель O. longistaminata названы соответственно воздушным побегом и воздушным стеблем, а подземный стебель — корневищем. И воздушный стебель, и корневище образовывали пазушную почку в каждом узле (рис. 1б). Пазушная почка на надземном стебле O. longistaminata вырастает в виде надземного побега, называемого побегом, который на вегетативной стадии постоянно образует листья. Воздушный стебель не показал значительного удлинения во время вегетативной фазы, а удлинение произошло после перехода в репродуктивную фазу, когда образовалась метелка, как в случае O.sativa (рис. 1в, г). Пазушные почки на корневище выросли, образуя новое корневище. В отличие от надземного стебля корневище удлинялось, когда надземные побеги находились на вегетативной стадии (рис. 1б). Это указывает на то, что воздушное удлинение стебля и удлинение корневища контролируются независимо, т.е. в одном растении из O. longistaminata действуют две системы удлинения стебля — система, зависимая от фазы развития, и система, независимая от фазы развития. Гибберелловая кислота является решающим фактором удлинения стебля (Kusaba et al.1998 г., Carrera et al. 2000, Magome et al. 2013). В частности, для быстрого удлинения стебля перед колошением риса необходимо накопление активных гиббереллинов, таких как GA 4 и GA 1 , продуцируемых GA20-оксидазой (GA20ox) (Magome et al. 2013). Мы проанализировали экспрессию трех генов GA20ox в O. longistaminata. Как описано ранее, экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 была низкой в ​​неразвитом стебле во время вегетативной фазы и увеличивалась после перехода в репродуктивную фазу в O.sativa (рис. 1д, е). В надземном стебле O. longistaminata экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 также была низкой в ​​вегетативной фазе и увеличивалась в репродуктивной фазе (рис. 1g, h). Экспрессия GA20ox1 в корневище была низкой. в то время как GA20ox2 сильно экспрессируется в корневищах, независимо от стадии развития (Fig. 1h). Мы не обнаружили значительной экспрессии гена GA20ox3 у O. sativa и O.longistaminata (данные не представлены).

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O. longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель).Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Стрельба из апикальных меристем (SAM) побегов O. sativa (c) и O. longistaminata (d). SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O.sativa (д, е) и О. longistaminata (г, з). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O. sativa ) и надземном стебле ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O.longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель). Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Апикальные меристемы побегов (SAM) O.sativa (в) и O. longistaminata (г) побеги. SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O. sativa (e, f) и O. longistaminata (g, h). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O.sativa ) и надземный стебель ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Почки корневища быстро меняют направление после зарождения

Морфология пазушных почек на корневищах сходна с таковыми на молодых надземных стеблях (рис. 2а, б). Они маленькие, плоские и прикрепляются к надземному стеблю или корневищу.Уникальная морфология почек корневища становится очевидной вскоре после начала роста почек (рис. 2c). Перед удлинением пазушные почки на корневище стали более округлыми, чем на надземном стебле (Fig. 2c; Supplementary Fig. S1c – e). Подмышечные почки на корневище затем увеличиваются в размерах и становятся более объемными в начале роста (рис. 2d). Кроме того, изменился угол наклона зачатка корневища, что сопровождалось выходом кончика зачатка из его центра (рис. 2г). Затем почки выросли под прямым углом к ​​исходному корневищу и удлинились (рис.2д). Более детальное изучение ранних стадий разрастания почек корневища показало, что в почках быстро увеличивалось количество листьев при изменении угла наклона (рис. 2f – k, 3).

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа.Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Чтобы подтвердить, что эти процессы, которые наблюдались в разных почках, происходят последовательно в одной почке, мы наблюдали развитие одной почки с помощью техники магнитно-резонансной томографии (МРТ) (Moriwaki et al . 2014). В этом эксперименте кусок корневища, содержащий почку, вырезали и инкубировали в стеклянной пробирке в магнитном поле и непрерывно наблюдали в течение> 65 часов. Это показало, что бутон начинает изгибаться сразу после начала роста бутона.Быстрое увеличение количества листьев и увеличение размера всей почки происходило одновременно с изменением угла наклона почки (Рис. 4a – g; Дополнительный Рис. S1; Дополнительные Видео S1, S2). Интересно, что когда корневище было вырезано и выращено в условиях освещения, корневище стало зеленым, а почки на корневище выросли как новые воздушные побеги (рис. 5a, b). Напротив, некоторые почки на надземных побегах, прилегающих к границе между надземным побегом и корневищем, выросли как новые корневища, когда они содержались в темноте (рис.5в, г).

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель. Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте.Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель.Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте. Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Корневища сохраняются в ювенильной фазе

Морфология листьев, переходящих в почки корневища, отличается от морфологии листьев надземных побегов. Листья травяных видов состоят из двух частей: пластинки, сформированной в дистальном положении, и влагалища, сформированного в проксимальном положении (рис.6а). Отношение листовой пластинки к листовой оболочке изменяется в зависимости от стадии развития и, таким образом, используется как индикатор фазы роста во время вегетативной фазы (рис. 6b). Первый лист риса ( O. sativa ) состоит только из листовой оболочки. Листовая пластинка наблюдается со второго листа (рис. 6б). С третьего листа листовая пластинка занимает почти половину всего листа. Листья на корневище, называемые чешуйчатыми, мелкие и рудиментарные (рис. 6в). Чешуйчатые листья в основном состоят из листового влагалища, напоминающего первый лист O.sativa (рис. 7a – f; дополнительный рис. S2). Эти наблюдения показывают, что корневище сохраняется в ювенильной фазе. Когда почки на корневище появляются над землей и начинают расти как надземные побеги, соотношение лезвия к влагалищу у вновь зародившихся листьев постепенно увеличивается, указывая на фазовый переход в развитии (рис. 6d, e). В пазушных почках O. sativa листовая пластинка дифференцируется в инициирующих зачатках листьев на стадиях P3 – P4 (рис. 6f). Напротив, несколько листовых зачатков дифференцировались в пазушную почку на корневище, и никаких признаков дифференцировки пластинок обнаружено не было (рис.6г).

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Фаза развития контролируется независимо под землей и над землей

Переход к репродуктивной фазе у O. longistaminata вызван воздействием коротких дней. На верхушке каждого надземного побега образуется метелка, как у побегов O.sativa (рис. 8а, б). Примечательно, что в то время как фазовый переход развития происходил в надземных побегах, фаза развития корневищ сохранялась на вегетативной стадии (Рис. 8c-e). Когда листья удаляли с надземного побега перед колошением, на верхушке не удлиненного стебля наблюдали зарождающееся соцветие (рис. 8d). Напротив, апикальная меристема побега (SAM) на вершине корневища сохранялась на вегетативной стадии (рис. 8e). Чтобы дополнительно подтвердить, что фаза корневища является вегетативной, мы использовали PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ) в качестве молекулярного маркера репродуктивной фазы. PAP2 , кодирующий OsMADS34, является одним из самых ранних генов, индуцированных в SAM после фазового перехода (Kobayashi et al. 2010, Kobayashi et al. 2012). PAP2 экспрессируется в верхушке побега надземного побега после перехода, тогда как PAP2 не обнаруживается в верхушке побега корневища (рис. 8f). Затем мы исследовали экспрессию Hd3a , ортолога риса Arabidopis FT , кодирующего флориген (Tamaki et al. 2007, Taoka et al. 2011). Hd3a Экспрессия не обнаруживалась в листовой пластинке и листовой оболочке надземного побега, а также в чешуйчатом листе корневища на вегетативной стадии (рис.8г). После перехода к репродуктивной стадии экспрессия Hd3a обнаруживается в листовой пластинке, но не в оболочке листа у надземных побегов, как сообщалось ранее (Tamaki et al. 2007). В чешуйчатом листе экспрессия Hd3a также не определялась.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения.Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b). После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища.IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (Lb) O. longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) из O.longistaminata в вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу.Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O. sativa. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения. Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b).После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища. IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (фунты) O.longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) O. longistaminata на вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу. Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O.сатива. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Обсуждение

Время развития имеет решающее значение для всех организмов в формировании архитектуры своего тела (Geuten et al . 2013). Модуляция времени развития часто работает как сильная движущая сила для создания морфологической пластичности и эволюции. Наш анализ показывает, что временной сдвиг в процессах развития критически важен для создания сложной модели развития O. longistaminata . Мы предполагаем, что гетерохронная модификация процессов развития является ключом к созданию уникальной системы развития корневища.

Наши результаты ясно показывают, что время развития регулируется независимо между наземной и подземной частями в O.longistaminata (рис. 8h). У риса ювенильная фаза, для которой характерно высокое соотношение листовой оболочки и листовой пластинки, относительно короткая, и только первые несколько листьев проявляют эту ювенильную характеристику (Itoh et al. 2005). Напротив, листья на корневищах состоят исключительно из влагалища, напоминая первый лист на надземных побегах у O. longistaminata и O. sativa . Это означает, что корневища сохраняются в ювенильной фазе, и фазовая прогрессия сильно подавляется.Несмотря на это, корневища имеют удлиненную форму. При нормальном росте риса удлинение стебля происходит только после перехода в репродуктивную фазу (Itoh et al. 2005). У томатов пазушные почки выросли до клубнеподобных органов, когда LONELY GUY ( LOG ), ген биосинтеза цитокининов, экспрессировался эктопически. Формирование эктопических клубней усиливается за счет экспрессии miR156 , позитивного регулятора ювенильной фазы (Eviatar-Ribak et al. 2013). Это означает, что эффект эктопической экспрессии LOG был модифицирован фазой роста почек.Это также указывает на то, что на развитие и характер роста пазушных почек влияют фазы развития почек.

САМ корневищ постоянно поддерживается на вегетативной фазе независимо от фазы развития надземных частей. Это подразумевает существование системы, которая блокирует переход SAM в репродуктивную фазу. У риса изменение репродуктивной фазы обеспечивается флоригеном, который переносится от листьев к SAM. Флориген кодируется двумя генами риса: Hd3a и RFT (Tamaki et al.2007, Комия и др. 2008 г.). Экспрессия Hd3a и RFT в листьях индуцируется в условиях короткого дня. Интересно, что экспрессия Hd3a и RFT происходит только в пластинке листа и исключается из оболочки листа даже в условиях короткого дня (Tamaki et al. 2007, Komiya et al. 2008). Следовательно, отсутствие индукции Hd3a и RFT в чешуйчатых листьях корневищ, содержащих только листовую оболочку, может препятствовать переходу SAM корневища в репродуктивную стадию.Однако нельзя исключить возможность переноса белков флоригена от воздушных листьев к корневищу. В столоне, корневище картофеля, апикальная область расширяется в клубни экологически независимым образом (Nicolas et al. 2015). Формирование клубней картофеля контролируется белками, относящимися к флоригенам, которые переносятся из надземных частей растения. Несмотря на индукцию клубнеобразования, SAM в верхней части столона не поражается и остается в вегетативной стадии. Это говорит о том, что существует регуляторная сеть, контролирующая тонкую пространственную настройку временного развития картофельного столона.Понимание молекулярной основы для тонкой настройки пространственной регуляции прогрессии времени развития у O. longistaminata является важной задачей на будущее.

У многих видов растений стебли растут горизонтально. Горизонтальные стебли растут над землей, на поверхности почвы, чуть ниже земли или под землей. Строго говоря, корневища — это стебли, которые растут под землей, а остальные называются столонами или побегами. Одно сходство между этими корневищными растениями состоит в том, что в одном растении действуют две различные системы роста стебля, а именно вертикальный и горизонтальный рост.Горизонтальный рост стеблей в дополнение к нормальному вертикальному росту благоприятен для быстрого расширения территории и, следовательно, является разумной адаптивной стратегией. Здесь мы показали, что почки корневища O. longistaminata меняют угол наклона, чтобы расти горизонтально. Будет интересно узнать, сохраняется ли этот признак у других видов с горизонтальными стеблями. Более того, раскрытие молекулярных и физиологических механизмов этого процесса необходимо для улучшения нашего понимания корневищ.Быстрый прогресс геномных технологий позволил провести молекулярно-генетический анализ видов растений с уникальными и интересными средами роста, такими как развитие корневищ (Cheng et al. 2013, Koo et al. 2013, Yun et al. 2014, Zhang et al. др. 2014 г., Барбье и др. 2015 г., Сальвато и др. 2015 г., Тейхманн и Мур 2015 г., Янг и др. 2015 г.). Действительно, в настоящее время создаются модельные корневищные виды, такие как Brachypodium , Sorghum и Oryza , как описано здесь.Эти исследования предоставят основную информацию, необходимую для дальнейшего понимания молекулярных основ развития корневища.

Материалы и методы

Растительные материалы

Штаммы риса O. longistaminata (IRGC10404) и O. sativa L. cv. Nipponbare использовались. Растения выращивали в почве при естественном освещении в теплице. Для наблюдения за пазушными почек листья удаляли вручную, а фотографии делали под микроскопом (Leica MC120HD) и анализировали с использованием бесплатного программного обеспечения ImageJ (NIH).

Сканирующая электронная микроскопия

Подмышечные почки стебля и корневища фиксировали в 2,5% глутаровом альдегиде в течение ночи при 4 ° C и дегидратировали в серии растворов этанола, затем конечный раствор этанола заменяли 3-метилбутилацетатом. Затем образцы сушили, покрывали платиной и наблюдали под растровым электронным микроскопом (Hitachi S-4000) при ускоряющем напряжении 5 кВ.

Гистологический анализ

Верхушки побегов стебля и корневища фиксировали FAA (5% формалин, 5% уксусная кислота, 45% этанол и 45% воды) в течение ночи при 4 ° C и обезвоживали в серии растворов этанола, затем заливали в Paraplast plus. (Маккормик).Были сделаны поперечные срезы толщиной 10 мкм и окрашены гематоксилином. После ополаскивания водой окрашенные срезы обезвоживали в серии градуированных этанолов, заменяли на hist-clear ® и закрепляли с помощью Multi Mount (Matsunami Glass Ind. Ltd.).

Магнитно-резонансная томография

Пазушные зачатки корневища O. longistaminata наблюдались с использованием сверхпроводящей магнитной системы с вертикальным отверстием 4,7 Тл 89 –1 мм.Для визуализации часть стебля, включая бутон, вырезали (длиной 3 см), заканчивали влажной ватой и помещали в пробирку для образца (диаметром 10 мм). Использовалась самодельная соленоидная радиочастотная катушка (диаметр 12 мм). Были построены катушки плоского градиента с зазорами 26–31 мм, и выход по току для градиентов x , y и z составил 46,2, 37,8 и 69,0 мТл м –1 A –1 , соответственно.

ОТ-ПЦР в реальном времени

Суммарную РНК

экстрагировали с использованием мини-набора для выделения растительной РНК (Agilent Technologies).После обработки ДНКазой I кДНК первой цепи синтезировали с использованием обратной транскриптазы SuperScript III (Invitrogen). Для амплификации транскриптов использовали следующие наборы праймеров: прямой и обратный праймеры для Hd3a , 5′-GCTAACGATGATCCCGAT-3 ‘и 5′-CCTGCAATGTATAGCATGC-3’; для PAP2 , 5′-AGCAGCTCCACTGGCTACAAATGA-3 ‘и 5′-AGGTCGCAGAGTTCATCAAG-3’; для GA20ox1 , 5′-CCTTCTCCGACTGGCTTAAT-3 ‘и 5′-GATGGATGGATGGATAATAGG-3’; для GA20ox2 , 5′-GGGAGGGTGTACCAGAAGTACTG-3 ‘и 5′-GGCTCAGCTCCAGGAGTTCC-3’; для GA20ox3 , F5′-GGAGGTGTACCAGGAGTACTGCGA-3 ‘и 5′-GTAGTGGTTCAGCCGCATC-3′; и для убиквитина 5’-AGAAGGAGTCCACGCTCCACC-3 ‘и 5′-GCCGGGCCATATAACCTTGACTT-3’.ПЦР выполняли с SYBR green I, используя Light Cycler® 480 System II (Roche Applied Science).

Финансирование

Эта работа была поддержана Японским агентством науки и технологий (JST) [Основные исследования эволюционной науки и технологий (CREST), M.A. и J.K.]; Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии [Гранты от А.Ю. (268

) и Ю. (15K04719)].

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о конфликте интересов.

Список литературы

(

2015

)

Готово, стойко, вперед! Сахарный удар запускает гонку по разветвлению

.

Curr. Opin. Plant Biol.

25

:

39

45

.

(

2000

)

Изменения в экспрессии гена GA 20-оксидазы сильно влияют на длину стебля, индукцию клубней и урожайность клубней растений картофеля

.

Plant J.

22

:

247

256

.

(

2013

)

Полногеномный анализ дифференциально экспрессируемых генов, имеющих отношение к образованию корневища в корне лотоса ( Nelumbo nucifera Gaertn)

.

PLoS One

8

:

e67116

.

(

2013

)

Фермент, активирующий цитокинин, способствует образованию клубней у томатов

.

Curr. Биол.

23

:

1057

1064

.

(

2013

)

Гетерохронные гены в эволюции и развитии растений

.

Фронт. Plant Sci.

381

:

1

11

.

и другие. .(

2014

)

Общесистемное сравнение тканей красного риса ( Oryza longistaminata ) позволяет идентифицировать гены и белки, специфичные для корневищ, которые являются мишенями для улучшения выращиваемого риса

.

BMC Plant Biol.

14

:

46

.

и другие. . (

2003

)

Конвергентная эволюция многолетних растений риса и сорго

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

10

:

4050

4054

.

и другие. . (

2011

)

Идентификация ризом-специфических генов с помощью анализа дифференциальной экспрессии в масштабе всего генома в Oryza longistaminata

.

BMC Plant Biol.

24

:

11

.

и другие. . (

2005

)

Развитие растений риса: от зиготы до колоска

.

Physiol растительных клеток.

46

:

23

47

.

(

2006

)

Функциональная классификация, геномная организация, предположительно цис-действующие регуляторные элементы и взаимосвязь с локусами количественных признаков генов сорго с экспрессией, обогащенной корневищами

.

Plant Physiol.

142

:

1148

1159

.

(

2010

)

PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ), кодирующий белок MADS-box подсемейства SEPALLATA, положительно контролирует идентичность меристемы колосков в рисе

.

Physiol растительных клеток.

51

:

47

57

.

и другие. . (

2012

)

Идентичность меристемы соцветия у риса определяется перекрывающимися функциями трех AP1 / FUL -подобных генов MADS-бокса и PAP2 , гена SEPALLATA MADS box

.

Plant Cell

24

:

1848

1859

.

(

2008

)

Hd3a и RFT1 необходимы для цветения риса

.

Девелопмент

135

:

767

774

.

и другие. . (

2013

)

Метки последовательности, экспрессируемые имбирем и куркумой, идентифицируют гены-сигнатуры, определяющие идентичность и развитие корневища, а также биосинтез куркуминоидов, гингеролов и терпеноидов

.

BMC Plant Biol.

15

:

13: 27

.

(

1998

)

Снижение содержания GA1, вызванное сверхэкспрессией OSh2 , сопровождается подавлением экспрессии гена GA 20-оксидазы

.

Plant Physiol.

117

:

1179

1184

.

(

2013

)

ЦВЕТОЧНИК Гены T контролируют образование луковиц и цветение

.

Nat. Commun.

4

:

2884

.

и другие. . (

2013

)

CYP714B1 и CYP714B2 кодируют 13-оксидазы гиббереллина, которые снижают активность гиббереллина в рисе

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

110

:

1947

1952

.

(

2014

)

Визуализация и количественная оценка сосудистой структуры плодов с помощью магнитно-резонансной микровизуализации

.

заявл. Magn. Резон.

45

:

517

525

.

и другие. . (

2011

)

Контроль за цветением и формированием запасающих органов картофеля с помощью FLOWERING LOCUS T

.

Природа

478

:

119

122

.

(

2015

)

Недавно появившийся альтернативный сайт сплайсинга в гене BRANCHED1a контролирует архитектуру растения картофеля

.

Curr. Биол.

25

:

1799

1809

.

и другие. . (

2015

)

Сравнительный протеомный анализ развивающихся корневищ древнего сосудистого растения Equisetum hyemale и различных видов однодольных

.

J. Proteome Res.

14

:

1779

1791

.

(

2007

)

Белок Hd3a является мобильным сигналом цветения риса

.

Наука

18

:

1033

1036

.

и другие. . (

2011

)

Белки 14-3-3 действуют как внутриклеточные рецепторы для риса Hd3a florigen

.

Природа

31

:

332

335

.

(

2015

)

Формирование архитектуры предприятия

.

Фронт. Plant Sci.

6

:

233

.

и другие. . (

2010

)

Идентификация генов, связанных с развитием почек корневища бамбука

.

J. Exp. Бот.

61

:

551

561

.

(

2013

)

Целевое картирование областей локусов количественных признаков для ризоматичности в хромосоме SBI-01 и анализ перезимовки в популяции Sorghum bicolor × S. propinquum

.

Мол. Порода.

31

:

153

162

.

и другие. . (

2015

)

Транскриптомный анализ регуляции образования корневищ лотоса умеренного и тропического климата ( Nelumbo nucifera )

.

Sci. Реп.

5

:

13059

.

(

2014

)

Генетический контроль корневищ и геномная локализация QTL основного эффекта роста у многолетней дикой ржи

.

Мол. Genet. Геномика.

289

:

383

397

.

и другие. . (

2014

)

Глубокое секвенирование транскриптома корневища и надземных побегов Sorghum propinquum

.

Завод Мол. Биол.

84

:

315

327

.

Сокращения

© Автор 2016.Опубликовано Oxford University Press от имени Японского общества физиологов растений. Все права защищены. Для получения разрешения обращайтесь по электронной почте: [email protected]

Анализ развития корневища Oryza longistaminata, вида дикого риса | Физиология растений и клетки

Аннотация

Вегетативное размножение — это форма бесполого размножения растений. У широкого круга растений появляются корневища, модифицированные стебли, которые растут под землей горизонтально, как средство вегетативного размножения.У корневищных видов, несмотря на их различные модели развития, и корневища, и надземные побеги происходят из пазушных почек. Следовательно, представляет интерес понять основы зарождения и развития корневища. Oryza longistaminata , дикий вид риса, развивает корневища. Мы проанализировали зарождение почек и рост корневищ O. longistaminata , используя различные методы морфологического наблюдения. Мы показываем, что в отличие от почек надземных побегов, которые содержат только несколько листьев, почки корневища образуют несколько листьев и изгибаются, чтобы расти под прямым углом к ​​исходному корневищу.Корневища сохраняются в ювенильной фазе независимо от фазы развития надземного побега. Удлинение стебля и репродуктивный переход тесно связаны в надземных побегах, но не связаны в корневище. Наши результаты показывают, что программы развития действуют независимо в корневищах и надземных побегах. Временная модификация путей развития, общих для корневищ и надземных побегов, может быть источником пластичности развития. Более того, для развития корневища, по-видимому, необходимо создание новых систем развития.

Введение

Корневища — это модифицированные стебли, которые растут горизонтально под землей. Из-за их большого преимущества для энергичного бесполого размножения корневища наблюдаются у различных видов многолетних растений (Wang et al. 2010, Navarro et al. 2011, Lee et al. 2013, Zhang et al. 2014, Yang et al. 2015). Одним из интересных аспектов развития корневища является то, что новые почки на корневищах могут расти под землей как новое корневище или появляться над землей и расти как надземные побеги.Эта среда произрастания корневищных видов позволяет им быстро и широко расширять свою территорию. Более того, корневища могут выжить под землей, когда условия роста нежелательны, а побеги могут быстро прорасти, когда условия становятся подходящими для роста. Они также важны с точки зрения растениеводства. Корневища собирают как урожай картофеля, имбиря, лотоса и многих других культур (Navarro et al. 2011, Yang et al. 2015). С другой стороны, корневищные виды часто являются ядовитыми сорняками, вторгающимися в обширные регионы из-за их интенсивного роста (Hu et al.2003, Юн и др. 2014).

Морфогенез у растений длится всю жизнь. Новые стволовые клетки, образующиеся в пазухах листьев, образуют пазушную почку и растут как вторичные побеги. Повторяющееся образование пазушных почек и их рост определяют сложную структуру растений. Идентичность и характер роста каждой пазушной почки определяются в соответствии с внутренними и внешними сигналами. У корневищных видов почки корневища и надземные побеги образуются из пазушных почек. В отличие от прогресса в нашем понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе спецификации идентичности пазушных зачатков и детерминации роста, мало что известно об инициации и развитии корневых зачатков.Более того, неизвестно, как две отдельные системы, почки корневища и надземные пазушные почки регулируются у одного растения.

Ряд регионов локусов количественных признаков (QTL), ответственных за развитие корневищ или связанных с ними, был зарегистрирован у нескольких видов корневищ (Jang et al. 2006, Washburn et al. 2013, Yun et al. 2014). Более того, крупномасштабные анализы, такие как анализ транскриптома и анализ протеома, были выполнены на корневищных видах (Hu et al.2011, Barbier et al.2015, Тайхманн и Мур 2015). Хотя эти исследования внесли значительный вклад в улучшение нашего понимания развития корневища на молекулярном уровне, об изоляции генов, критических для развития корневища, не сообщалось. Сложность паттернов развития у корневищных видов может быть препятствием при анализе развития корневища. Кроме того, низкая плодовитость семян у корневищных видов, которые эволюционировали для бесполого размножения, препятствует применению генетических подходов.Кроме того, отсутствие модельных видов корневищ является серьезной проблемой для молекулярно-генетического анализа развития корневищ.

Oryza longistaminata , дикий вид риса, возникший в средней Африке, развивает корневища и активно размножается. Oryza longistaminata , содержащий геном АА, который совпадает с геномом Oryza sativa , может быть скрещен с O. sativa и завязать плодородные семена, и поэтому считается одним из идеальных материалов для изучения механизмов контроля развитие корневища у видов трав (He et al.2014). В этом исследовании мы провели подробное наблюдение за морфологией, ростом и развитием корневища. Наши находки показывают, что общие модули развития используются как в корневище, так и в надземном побеге, но модификация временной регуляции модулей может быть источником пластичности развития, наблюдаемой в корневище. Кроме того, мы демонстрируем, что инновации новых систем развития были приняты, чтобы установить процесс развития корневища.

Результаты

Корневища удлиняются во время вегетативной фазы

Oryza longistaminata развивает корневища под землей и демонстрирует типичный рисунок роста риса на уровне земли (рис.1а). В данном исследовании надземный побег и стебель O. longistaminata названы соответственно воздушным побегом и воздушным стеблем, а подземный стебель — корневищем. И воздушный стебель, и корневище образовывали пазушную почку в каждом узле (рис. 1б). Пазушная почка на надземном стебле O. longistaminata вырастает в виде надземного побега, называемого побегом, который на вегетативной стадии постоянно образует листья. Воздушный стебель не показал значительного удлинения во время вегетативной фазы, а удлинение произошло после перехода в репродуктивную фазу, когда образовалась метелка, как в случае O.sativa (рис. 1в, г). Пазушные почки на корневище выросли, образуя новое корневище. В отличие от надземного стебля корневище удлинялось, когда надземные побеги находились на вегетативной стадии (рис. 1б). Это указывает на то, что воздушное удлинение стебля и удлинение корневища контролируются независимо, т.е. в одном растении из O. longistaminata действуют две системы удлинения стебля — система, зависимая от фазы развития, и система, независимая от фазы развития. Гибберелловая кислота является решающим фактором удлинения стебля (Kusaba et al.1998 г., Carrera et al. 2000, Magome et al. 2013). В частности, для быстрого удлинения стебля перед колошением риса необходимо накопление активных гиббереллинов, таких как GA 4 и GA 1 , продуцируемых GA20-оксидазой (GA20ox) (Magome et al. 2013). Мы проанализировали экспрессию трех генов GA20ox в O. longistaminata. Как описано ранее, экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 была низкой в ​​неразвитом стебле во время вегетативной фазы и увеличивалась после перехода в репродуктивную фазу в O.sativa (рис. 1д, е). В надземном стебле O. longistaminata экспрессия GA20ox1 и GA20ox2 также была низкой в ​​вегетативной фазе и увеличивалась в репродуктивной фазе (рис. 1g, h). Экспрессия GA20ox1 в корневище была низкой. в то время как GA20ox2 сильно экспрессируется в корневищах, независимо от стадии развития (Fig. 1h). Мы не обнаружили значительной экспрессии гена GA20ox3 у O. sativa и O.longistaminata (данные не представлены).

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O. longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель).Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Стрельба из апикальных меристем (SAM) побегов O. sativa (c) и O. longistaminata (d). SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O.sativa (д, е) и О. longistaminata (г, з). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O. sativa ) и надземном стебле ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Рис. 1

Морфология и развитие O. longistaminata. (а) Побеги и корневища O.longistaminata. Корневища растут под землей, а побеги растут над землей. Пунктирная линия указывает на поверхность земли. Почву удалили. Масштабная линейка = 10 см. (б) Пазушные почки на корневищах и надземных побегах. Пазушная почка (стрелка) формируется на узле корневища, имеющем несколько узлов. Первые несколько бутонов на надземном побеге похожи на почки корневища (правая панель). Междоузлия между узлами с пазушными зачатками удлиненные. Масштабные линейки = 10 см (левая панель), 5 см (правая панель). (c и d) Апикальные меристемы побегов (SAM) O.sativa (в) и O. longistaminata (г) побеги. SAM расположен у основания побега (квадрат на (b), относительно O. longistaminata. ). После удаления листьев наблюдается SAM на вегетативной фазе (VM). Масштабные линейки = 1 см (левая панель в c), 1 мм (правая панель в c, d). (e, f) Уровни экспрессии GA20ox1 и GA20ox2 , генов синтеза гиббереллина, в O. sativa (e, f) и O. longistaminata (g, h). Значения представлены относительно уровня экспрессии в стебле ( O.sativa ) и надземный стебель ( O. longistaminata ) на вегетативной стадии. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. St, стержень; Rh — корневище; As, воздушный стебель; вегетативный, вегетативный этап; реп, репродуктивная стадия.

Почки корневища быстро меняют направление после зарождения

Морфология пазушных почек на корневищах сходна с таковыми на молодых надземных стеблях (рис. 2а, б). Они маленькие, плоские и прикрепляются к надземному стеблю или корневищу.Уникальная морфология почек корневища становится очевидной вскоре после начала роста почек (рис. 2c). Перед удлинением пазушные почки на корневище стали более округлыми, чем на надземном стебле (Fig. 2c; Supplementary Fig. S1c – e). Подмышечные почки на корневище затем увеличиваются в размерах и становятся более объемными в начале роста (рис. 2d). Кроме того, изменился угол наклона зачатка корневища, что сопровождалось выходом кончика зачатка из его центра (рис. 2г). Затем почки выросли под прямым углом к ​​исходному корневищу и удлинились (рис.2д). Более детальное изучение ранних стадий разрастания почек корневища показало, что в почках быстро увеличивалось количество листьев при изменении угла наклона (рис. 2f – k, 3).

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 2

Характеристика почек корневища у O. longistaminata. (а – д) Пазушные почки на надземном побеге (а) и корневище (б – д). Пазушная почка на корневище похожа на почку на надземном побеге, когда они зарождаются (b), затем она становится более округлой (c), увеличивается в размерах и начинает расти (d) и удлиняться (e).Масштабные линейки = 1 см (a – d), 5 мм (e). (f – k) Продольные срезы пазушных почек на надземном побеге (f) и корневище (g – k). Показан последовательный рост почек (g – k). Оранжевые линии показывают углы между надземным стеблем или стеблями корневища и почками. Цифры указывают количество листьев, заложенных в пазушных почках. Масштабные линейки = 200 мкм.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа.Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Рис. 3

Зарождение пазушных почек на корневище. (a – e) Изображения пазушных зачатков на стебле (a) и корневище (b – e), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштабные линейки = 100 мкм. (е) Корреляция между количеством листьев в бутоне и углом наклона бутона. Желтыми и зелеными точками обозначены бутоны на корневищах и надземных побегах соответственно.

Чтобы подтвердить, что эти процессы, которые наблюдались в разных почках, происходят последовательно в одной почке, мы наблюдали развитие одной почки с помощью техники магнитно-резонансной томографии (МРТ) (Moriwaki et al . 2014). В этом эксперименте кусок корневища, содержащий почку, вырезали и инкубировали в стеклянной пробирке в магнитном поле и непрерывно наблюдали в течение> 65 часов. Это показало, что бутон начинает изгибаться сразу после начала роста бутона.Быстрое увеличение количества листьев и увеличение размера всей почки происходило одновременно с изменением угла наклона почки (Рис. 4a – g; Дополнительный Рис. S1; Дополнительные Видео S1, S2). Интересно, что когда корневище было вырезано и выращено в условиях освещения, корневище стало зеленым, а почки на корневище выросли как новые воздушные побеги (рис. 5a, b). Напротив, некоторые почки на надземных побегах, прилегающих к границе между надземным побегом и корневищем, выросли как новые корневища, когда они содержались в темноте (рис.5в, г).

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 4

Последовательная магнитно-резонансная томография (МРТ) развивающейся подмышечной зачатка. Область, обозначенная пунктирной линией на (a), показана на (b – g). Стрелки в (а) и (б) указывают бутон. Цифры указывают время инкубации. Размеры пикселей составляли 50 × 50 × 10 мкм 3 для (a) и (b) и 25 × 25 × 100 мкм 3 для (c – g), соответственно. Шкала шкалы = 1 мм. Подробные изображения МРТ доступны на дополнительном рис.S1, видео S1 и дополнительные данные.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель. Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте.Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Рис. 5

Легкая зависимость роста почек корневища. (а, б) Участок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выращенный в условиях освещения. Белыми стрелками обозначены пазушные почки. Когда сегмент корневища выращивали в световых условиях в течение 2 недель, пазушные почки выросли в виде новых воздушных побегов, а стебель корневища стал зеленым, напоминая воздушный стебель.Масштабная линейка = 5 см. (c, d) Отрезок корневища, содержащий пазушные почки и корни, выросшие в темноте. Когда почка выращивалась в темноте в течение 2 дней, пазушная почка расширилась, стала новым корневищем и стала белой, напоминая корневище. Масштабная линейка = 1 см.

Корневища сохраняются в ювенильной фазе

Морфология листьев, переходящих в почки корневища, отличается от морфологии листьев надземных побегов. Листья травяных видов состоят из двух частей: пластинки, сформированной в дистальном положении, и влагалища, сформированного в проксимальном положении (рис.6а). Отношение листовой пластинки к листовой оболочке изменяется в зависимости от стадии развития и, таким образом, используется как индикатор фазы роста во время вегетативной фазы (рис. 6b). Первый лист риса ( O. sativa ) состоит только из листовой оболочки. Листовая пластинка наблюдается со второго листа (рис. 6б). С третьего листа листовая пластинка занимает почти половину всего листа. Листья на корневище, называемые чешуйчатыми, мелкие и рудиментарные (рис. 6в). Чешуйчатые листья в основном состоят из листового влагалища, напоминающего первый лист O.sativa (рис. 7a – f; дополнительный рис. S2). Эти наблюдения показывают, что корневище сохраняется в ювенильной фазе. Когда почки на корневище появляются над землей и начинают расти как надземные побеги, соотношение лезвия к влагалищу у вновь зародившихся листьев постепенно увеличивается, указывая на фазовый переход в развитии (рис. 6d, e). В пазушных почках O. sativa листовая пластинка дифференцируется в инициирующих зачатках листьев на стадиях P3 – P4 (рис. 6f). Напротив, несколько листовых зачатков дифференцировались в пазушную почку на корневище, и никаких признаков дифференцировки пластинок обнаружено не было (рис.6г).

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 6

Характеристика листьев корневища. (а) Саженец O. sativa. Показаны первая (1) и вторая (2) створки. Первый лист состоит только из листовой оболочки. Второй лист состоит из листового влагалища (желтого) и листовой пластинки (белого цвета) в проксимальном и дистальном положениях. Масштабная линейка = 1 см. (б) Первые четыре листа O. sativa. Оболочка и пластинка показаны желтыми и белыми линиями соответственно.(c) Чешуйчатые листья на корневище O. longistaminata. На вставке показано увеличенное изображение кончика шкалы. Lb — листовая пластинка; Ls, листовая оболочка. Масштабная линейка = 1 см. (г) Первые пять листьев надземного побега O. longistaminata . Оболочка листа и пластинка листа обозначены желтыми и белыми линиями соответственно. Ранние листья содержат только листовое влагалище. Более поздние листья (четвертый и пятый) содержат листовую пластинку. Цифры указывают порядок листьев. Масштабная линейка = 1 см.(e) Соотношение влагалища и пластинки листа. Показано отношение длины полотна к общей длине полотна. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение трех репликаций. Os, Oryza sativa ; Ol, Oryza longistaminata. (е, ж) Продольные срезы пазушных почек надземного отростка (е) и корневища (г) O. longistaminata. P1 – P6 указывают на относительную стадию роста зачатков листа. P1 — самый молодой зачаток. В надземном побеге границу между листовой пластинкой и влагалищем можно наблюдать на листе стадии Р3 (звездочка).Почка корневища содержит несколько листьев, состоящих из листовых влагалищ (g). Масштабные линейки = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Рис. 7

Морфология эпидермиса чешуйчатых листьев на корневище. (a – d) Адаксиальный эпидермис. (e – h) Абаксиальный эпидермис. Эпидермис чешуйчатых листьев O. longistaminata (а, д), влагалища первого листа O. sativa (б, е), влагалища второго листа O. sativa (в, г ) и листовой пластинки второго листа О.sativa (д, з). Эпидермальные клетки чешуйчатых листьев не похожи на клетки листовых пластинок, но похожи на клетки влагалища листьев O. sativa. Шкала шкалы = 100 мкм.

Фаза развития контролируется независимо под землей и над землей

Переход к репродуктивной фазе у O. longistaminata вызван воздействием коротких дней. На верхушке каждого надземного побега образуется метелка, как у побегов O.sativa (рис. 8а, б). Примечательно, что в то время как фазовый переход развития происходил в надземных побегах, фаза развития корневищ сохранялась на вегетативной стадии (Рис. 8c-e). Когда листья удаляли с надземного побега перед колошением, на верхушке не удлиненного стебля наблюдали зарождающееся соцветие (рис. 8d). Напротив, апикальная меристема побега (SAM) на вершине корневища сохранялась на вегетативной стадии (рис. 8e). Чтобы дополнительно подтвердить, что фаза корневища является вегетативной, мы использовали PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ) в качестве молекулярного маркера репродуктивной фазы. PAP2 , кодирующий OsMADS34, является одним из самых ранних генов, индуцированных в SAM после фазового перехода (Kobayashi et al. 2010, Kobayashi et al. 2012). PAP2 экспрессируется в верхушке побега надземного побега после перехода, тогда как PAP2 не обнаруживается в верхушке побега корневища (рис. 8f). Затем мы исследовали экспрессию Hd3a , ортолога риса Arabidopis FT , кодирующего флориген (Tamaki et al. 2007, Taoka et al. 2011). Hd3a Экспрессия не обнаруживалась в листовой пластинке и листовой оболочке надземного побега, а также в чешуйчатом листе корневища на вегетативной стадии (рис.8г). После перехода к репродуктивной стадии экспрессия Hd3a обнаруживается в листовой пластинке, но не в оболочке листа у надземных побегов, как сообщалось ранее (Tamaki et al. 2007). В чешуйчатом листе экспрессия Hd3a также не определялась.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения.Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b). После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища.IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (Lb) O. longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) из O.longistaminata в вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу.Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O. sativa. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Рис. 8

Oryza longistaminata Растение в репродуктивной стадии. (а, б) Фенотипы побегов основной колонны O. sativa (а) и O. longistaminata (б) на репродуктивной стадии после колошения. Стебель удлиняется после перехода, и на его вершине образуется метелка (P) у O. sativa и O. longistaminata. Звездочки обозначают узлы. П, метелка. Масштабная линейка = 5 см. (c) Увеличенное изображение области, обведенной квадратом на (b).После цветения образуется несколько корневищ. Звезды, узлы; наконечники стрел, корневище или удлиненные почки корневища. Масштабная линейка = 5 см. (г, д) Стреляйте верхушки надземного побега (г) и корневища (д). Дифференциация метелки начинается на вершине надземного стебля, в то время как SAM сохраняется на вегетативной стадии на вершине корневища. IM — меристема соцветия; ВМ, вегетативная меристема. Масштабная линейка = 1 мм. (f) Уровни экспрессии PAP2. Уровни экспрессии PAP2 в пластинках листьев (фунты) O.longistaminata , в SAM на репродуктивной фазе и в SAM корневища. PAP2 экспрессируется относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (g) Уровни экспрессии Hd3a. Уровни экспрессии Hd3a в листовых пластинах (Lb), оболочках листьев (Ls) и чешуйчатых листьях (Sl) O. longistaminata на вегетативной фазе (veg) и репродуктивной фазе (rep). Hd3a Экспрессия выражена относительно уровня экспрессии UBIQUITIN. Планки ошибок показывают стандартное отклонение трех повторений. (з) Схема роста побегов у O. sativa (слева) и O. longistaminata (справа). У O. sativa листья с высоким соотношением влагалища листа к листовой пластинке образуются во время фазы молоди, которая является относительно короткой. SAM развивается в метелку, а стебель удлиняется после перехода в репродуктивную фазу. Характер роста надземной части O. longistaminata аналогичен таковому у O.сатива. С другой стороны, корневища, растущие под землей, демонстрируют уникальный характер роста. Фаза развития корневища сохраняется на ранней ювенильной фазе, а апикальная меристема корневища сохраняется как вегетативная меристема, в то время как корневище удлиняется, независимо от фазы развития надземных частей. Почки корневища дают несколько листовых зачатков, увеличиваясь в размерах и меняя угол наклона.

Обсуждение

Время развития имеет решающее значение для всех организмов в формировании архитектуры своего тела (Geuten et al . 2013). Модуляция времени развития часто работает как сильная движущая сила для создания морфологической пластичности и эволюции. Наш анализ показывает, что временной сдвиг в процессах развития критически важен для создания сложной модели развития O. longistaminata . Мы предполагаем, что гетерохронная модификация процессов развития является ключом к созданию уникальной системы развития корневища.

Наши результаты ясно показывают, что время развития регулируется независимо между наземной и подземной частями в O.longistaminata (рис. 8h). У риса ювенильная фаза, для которой характерно высокое соотношение листовой оболочки и листовой пластинки, относительно короткая, и только первые несколько листьев проявляют эту ювенильную характеристику (Itoh et al. 2005). Напротив, листья на корневищах состоят исключительно из влагалища, напоминая первый лист на надземных побегах у O. longistaminata и O. sativa . Это означает, что корневища сохраняются в ювенильной фазе, и фазовая прогрессия сильно подавляется.Несмотря на это, корневища имеют удлиненную форму. При нормальном росте риса удлинение стебля происходит только после перехода в репродуктивную фазу (Itoh et al. 2005). У томатов пазушные почки выросли до клубнеподобных органов, когда LONELY GUY ( LOG ), ген биосинтеза цитокининов, экспрессировался эктопически. Формирование эктопических клубней усиливается за счет экспрессии miR156 , позитивного регулятора ювенильной фазы (Eviatar-Ribak et al. 2013). Это означает, что эффект эктопической экспрессии LOG был модифицирован фазой роста почек.Это также указывает на то, что на развитие и характер роста пазушных почек влияют фазы развития почек.

САМ корневищ постоянно поддерживается на вегетативной фазе независимо от фазы развития надземных частей. Это подразумевает существование системы, которая блокирует переход SAM в репродуктивную фазу. У риса изменение репродуктивной фазы обеспечивается флоригеном, который переносится от листьев к SAM. Флориген кодируется двумя генами риса: Hd3a и RFT (Tamaki et al.2007, Комия и др. 2008 г.). Экспрессия Hd3a и RFT в листьях индуцируется в условиях короткого дня. Интересно, что экспрессия Hd3a и RFT происходит только в пластинке листа и исключается из оболочки листа даже в условиях короткого дня (Tamaki et al. 2007, Komiya et al. 2008). Следовательно, отсутствие индукции Hd3a и RFT в чешуйчатых листьях корневищ, содержащих только листовую оболочку, может препятствовать переходу SAM корневища в репродуктивную стадию.Однако нельзя исключить возможность переноса белков флоригена от воздушных листьев к корневищу. В столоне, корневище картофеля, апикальная область расширяется в клубни экологически независимым образом (Nicolas et al. 2015). Формирование клубней картофеля контролируется белками, относящимися к флоригенам, которые переносятся из надземных частей растения. Несмотря на индукцию клубнеобразования, SAM в верхней части столона не поражается и остается в вегетативной стадии. Это говорит о том, что существует регуляторная сеть, контролирующая тонкую пространственную настройку временного развития картофельного столона.Понимание молекулярной основы для тонкой настройки пространственной регуляции прогрессии времени развития у O. longistaminata является важной задачей на будущее.

У многих видов растений стебли растут горизонтально. Горизонтальные стебли растут над землей, на поверхности почвы, чуть ниже земли или под землей. Строго говоря, корневища — это стебли, которые растут под землей, а остальные называются столонами или побегами. Одно сходство между этими корневищными растениями состоит в том, что в одном растении действуют две различные системы роста стебля, а именно вертикальный и горизонтальный рост.Горизонтальный рост стеблей в дополнение к нормальному вертикальному росту благоприятен для быстрого расширения территории и, следовательно, является разумной адаптивной стратегией. Здесь мы показали, что почки корневища O. longistaminata меняют угол наклона, чтобы расти горизонтально. Будет интересно узнать, сохраняется ли этот признак у других видов с горизонтальными стеблями. Более того, раскрытие молекулярных и физиологических механизмов этого процесса необходимо для улучшения нашего понимания корневищ.Быстрый прогресс геномных технологий позволил провести молекулярно-генетический анализ видов растений с уникальными и интересными средами роста, такими как развитие корневищ (Cheng et al. 2013, Koo et al. 2013, Yun et al. 2014, Zhang et al. др. 2014 г., Барбье и др. 2015 г., Сальвато и др. 2015 г., Тейхманн и Мур 2015 г., Янг и др. 2015 г.). Действительно, в настоящее время создаются модельные корневищные виды, такие как Brachypodium , Sorghum и Oryza , как описано здесь.Эти исследования предоставят основную информацию, необходимую для дальнейшего понимания молекулярных основ развития корневища.

Материалы и методы

Растительные материалы

Штаммы риса O. longistaminata (IRGC10404) и O. sativa L. cv. Nipponbare использовались. Растения выращивали в почве при естественном освещении в теплице. Для наблюдения за пазушными почек листья удаляли вручную, а фотографии делали под микроскопом (Leica MC120HD) и анализировали с использованием бесплатного программного обеспечения ImageJ (NIH).

Сканирующая электронная микроскопия

Подмышечные почки стебля и корневища фиксировали в 2,5% глутаровом альдегиде в течение ночи при 4 ° C и дегидратировали в серии растворов этанола, затем конечный раствор этанола заменяли 3-метилбутилацетатом. Затем образцы сушили, покрывали платиной и наблюдали под растровым электронным микроскопом (Hitachi S-4000) при ускоряющем напряжении 5 кВ.

Гистологический анализ

Верхушки побегов стебля и корневища фиксировали FAA (5% формалин, 5% уксусная кислота, 45% этанол и 45% воды) в течение ночи при 4 ° C и обезвоживали в серии растворов этанола, затем заливали в Paraplast plus. (Маккормик).Были сделаны поперечные срезы толщиной 10 мкм и окрашены гематоксилином. После ополаскивания водой окрашенные срезы обезвоживали в серии градуированных этанолов, заменяли на hist-clear ® и закрепляли с помощью Multi Mount (Matsunami Glass Ind. Ltd.).

Магнитно-резонансная томография

Пазушные зачатки корневища O. longistaminata наблюдались с использованием сверхпроводящей магнитной системы с вертикальным отверстием 4,7 Тл 89 –1 мм.Для визуализации часть стебля, включая бутон, вырезали (длиной 3 см), заканчивали влажной ватой и помещали в пробирку для образца (диаметром 10 мм). Использовалась самодельная соленоидная радиочастотная катушка (диаметр 12 мм). Были построены катушки плоского градиента с зазорами 26–31 мм, и выход по току для градиентов x , y и z составил 46,2, 37,8 и 69,0 мТл м –1 A –1 , соответственно.

ОТ-ПЦР в реальном времени

Суммарную РНК

экстрагировали с использованием мини-набора для выделения растительной РНК (Agilent Technologies).После обработки ДНКазой I кДНК первой цепи синтезировали с использованием обратной транскриптазы SuperScript III (Invitrogen). Для амплификации транскриптов использовали следующие наборы праймеров: прямой и обратный праймеры для Hd3a , 5′-GCTAACGATGATCCCGAT-3 ‘и 5′-CCTGCAATGTATAGCATGC-3’; для PAP2 , 5′-AGCAGCTCCACTGGCTACAAATGA-3 ‘и 5′-AGGTCGCAGAGTTCATCAAG-3’; для GA20ox1 , 5′-CCTTCTCCGACTGGCTTAAT-3 ‘и 5′-GATGGATGGATGGATAATAGG-3’; для GA20ox2 , 5′-GGGAGGGTGTACCAGAAGTACTG-3 ‘и 5′-GGCTCAGCTCCAGGAGTTCC-3’; для GA20ox3 , F5′-GGAGGTGTACCAGGAGTACTGCGA-3 ‘и 5′-GTAGTGGTTCAGCCGCATC-3′; и для убиквитина 5’-AGAAGGAGTCCACGCTCCACC-3 ‘и 5′-GCCGGGCCATATAACCTTGACTT-3’.ПЦР выполняли с SYBR green I, используя Light Cycler® 480 System II (Roche Applied Science).

Финансирование

Эта работа была поддержана Японским агентством науки и технологий (JST) [Основные исследования эволюционной науки и технологий (CREST), M.A. и J.K.]; Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии [Гранты от А.Ю. (268

) и Ю. (15K04719)].

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о конфликте интересов.

Список литературы

(

2015

)

Готово, стойко, вперед! Сахарный удар запускает гонку по разветвлению

.

Curr. Opin. Plant Biol.

25

:

39

45

.

(

2000

)

Изменения в экспрессии гена GA 20-оксидазы сильно влияют на длину стебля, индукцию клубней и урожайность клубней растений картофеля

.

Plant J.

22

:

247

256

.

(

2013

)

Полногеномный анализ дифференциально экспрессируемых генов, имеющих отношение к образованию корневища в корне лотоса ( Nelumbo nucifera Gaertn)

.

PLoS One

8

:

e67116

.

(

2013

)

Фермент, активирующий цитокинин, способствует образованию клубней у томатов

.

Curr. Биол.

23

:

1057

1064

.

(

2013

)

Гетерохронные гены в эволюции и развитии растений

.

Фронт. Plant Sci.

381

:

1

11

.

и другие. .(

2014

)

Общесистемное сравнение тканей красного риса ( Oryza longistaminata ) позволяет идентифицировать гены и белки, специфичные для корневищ, которые являются мишенями для улучшения выращиваемого риса

.

BMC Plant Biol.

14

:

46

.

и другие. . (

2003

)

Конвергентная эволюция многолетних растений риса и сорго

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

10

:

4050

4054

.

и другие. . (

2011

)

Идентификация ризом-специфических генов с помощью анализа дифференциальной экспрессии в масштабе всего генома в Oryza longistaminata

.

BMC Plant Biol.

24

:

11

.

и другие. . (

2005

)

Развитие растений риса: от зиготы до колоска

.

Physiol растительных клеток.

46

:

23

47

.

(

2006

)

Функциональная классификация, геномная организация, предположительно цис-действующие регуляторные элементы и взаимосвязь с локусами количественных признаков генов сорго с экспрессией, обогащенной корневищами

.

Plant Physiol.

142

:

1148

1159

.

(

2010

)

PANICLE PHYTOMER2 ( PAP2 ), кодирующий белок MADS-box подсемейства SEPALLATA, положительно контролирует идентичность меристемы колосков в рисе

.

Physiol растительных клеток.

51

:

47

57

.

и другие. . (

2012

)

Идентичность меристемы соцветия у риса определяется перекрывающимися функциями трех AP1 / FUL -подобных генов MADS-бокса и PAP2 , гена SEPALLATA MADS box

.

Plant Cell

24

:

1848

1859

.

(

2008

)

Hd3a и RFT1 необходимы для цветения риса

.

Девелопмент

135

:

767

774

.

и другие. . (

2013

)

Метки последовательности, экспрессируемые имбирем и куркумой, идентифицируют гены-сигнатуры, определяющие идентичность и развитие корневища, а также биосинтез куркуминоидов, гингеролов и терпеноидов

.

BMC Plant Biol.

15

:

13: 27

.

(

1998

)

Снижение содержания GA1, вызванное сверхэкспрессией OSh2 , сопровождается подавлением экспрессии гена GA 20-оксидазы

.

Plant Physiol.

117

:

1179

1184

.

(

2013

)

ЦВЕТОЧНИК Гены T контролируют образование луковиц и цветение

.

Nat. Commun.

4

:

2884

.

и другие. . (

2013

)

CYP714B1 и CYP714B2 кодируют 13-оксидазы гиббереллина, которые снижают активность гиббереллина в рисе

.

Proc. Natl. Акад. Sci. США

110

:

1947

1952

.

(

2014

)

Визуализация и количественная оценка сосудистой структуры плодов с помощью магнитно-резонансной микровизуализации

.

заявл. Magn. Резон.

45

:

517

525

.

и другие. . (

2011

)

Контроль за цветением и формированием запасающих органов картофеля с помощью FLOWERING LOCUS T

.

Природа

478

:

119

122

.

(

2015

)

Недавно появившийся альтернативный сайт сплайсинга в гене BRANCHED1a контролирует архитектуру растения картофеля

.

Curr. Биол.

25

:

1799

1809

.

и другие. . (

2015

)

Сравнительный протеомный анализ развивающихся корневищ древнего сосудистого растения Equisetum hyemale и различных видов однодольных

.

J. Proteome Res.

14

:

1779

1791

.

(

2007

)

Белок Hd3a является мобильным сигналом цветения риса

.

Наука

18

:

1033

1036

.

и другие. . (

2011

)

Белки 14-3-3 действуют как внутриклеточные рецепторы для риса Hd3a florigen

.

Природа

31

:

332

335

.

(

2015

)

Формирование архитектуры предприятия

.

Фронт. Plant Sci.

6

:

233

.

и другие. . (

2010

)

Идентификация генов, связанных с развитием почек корневища бамбука

.

J. Exp. Бот.

61

:

551

561

.

(

2013

)

Целевое картирование областей локусов количественных признаков для ризоматичности в хромосоме SBI-01 и анализ перезимовки в популяции Sorghum bicolor × S. propinquum

.

Мол. Порода.

31

:

153

162

.

и другие. . (

2015

)

Транскриптомный анализ регуляции образования корневищ лотоса умеренного и тропического климата ( Nelumbo nucifera )

.

Sci. Реп.

5

:

13059

.

(

2014

)

Генетический контроль корневищ и геномная локализация QTL основного эффекта роста у многолетней дикой ржи

.

Мол. Genet. Геномика.

289

:

383

397

.

и другие. . (

2014

)

Глубокое секвенирование транскриптома корневища и надземных побегов Sorghum propinquum

.

Завод Мол. Биол.

84

:

315

327

.

Сокращения

© Автор 2016.Опубликовано Oxford University Press от имени Японского общества физиологов растений. Все права защищены. Для получения разрешения обращайтесь по электронной почте: [email protected]

Ризоматическая среда обитания вне Земли — Роботизированное здание (РБ)


Год: 2020-2022
Руководитель проекта: Генриетта Бир
Команда проекта RB: Генриетта Бир, Арвин Хиддинг, Макс Латур, Вера Ласло и студенты магистратуры
Сотрудники / партнеры: AE, 3ME и CiTG от TUD, 3D Robot Printing, KitePower и ESA
Финансирование: 100K от ESA
Распространение: Spool CpA 2021


Для того, чтобы конструкции на поверхности вне Земли, построенные из реголита для защиты космонавтов от радиации, должны быть толщиной в несколько метров.TUD предлагает создавать подземные среды обитания для достижения естественной защиты от излучения, а также теплоизоляции, поскольку под землей температура более стабильна.
Идея состоит в том, что в TUD разработали рой автономных мобильных роботов ( https://tudelftroboticsinstitute.nl/robots/zebro ). Бетон на основе реголита напечатан на 3D-принтере, чтобы создать структуру в пустой лавовой трубе. Подход основан на технологии проектирования и производства роботов и эксплуатации (D2RP&O), разработанной в TUD ( http: // www.roboticbuilding.eu/project/scalable-porosity/ ). Ризоматическая трехмерная печатная структура представляет собой структурно оптимизированную пористую структуру с улучшенными изоляционными свойствами. Чтобы регулировать давление внутри помещения, в трехмерную печатную конструкцию помещают надувную конструкцию. Подобно бетону на основе реголита, надувная конструкция сделана из материалов, которые можно воспроизвести на Марсе с помощью ISRU. Среда обитания и производственная система питаются от автоматизированной системы питания воздушных змеев (на Марсе) и солнечных батарей, разработанных в TUD ( http: // www.kitepower.eu/home.html и т. д.). Конечная цель — разработать автаркическую систему D2RP&O для создания подземных автаркических сред обитания из местных материалов.

Проект основан на идее, представленной на платформе ESA для инноваций в открытом космосе ( http://www.esa.int/Enables_Support/Preparing_for_the_Future/Discovery_and_Preparation/ Implemented_OSIP_ideas_De December_2020 ) с командой, состоящей из доктора Генриетт Бир (архитектор: ), Д-р Роланд Шмель (аэрокосмическая промышленность: энергия ветра), д-р.Анджело Червоне (аэрокосмическая промышленность: инженерия космических систем), магистр наук. Арвин Хиддинг (архитектура: РБ), магистр. Арис Ван (архитектура: РБ), магистр. Эдвин Вермеер (архитектура: РБ), канд. Маниш Верма (аэрокосмическая промышленность: роевые роботы), магистр канд. Кришна Джани (архитектура: РБ), магистр. Эмма Крис Аврамия (архитектура: РБ) и магистр. Сиддхарт Попатлал Джайн (архитектура: RB).

(Подробнее) http://cs.roboticbuilding.eu/index.php/Shared:2019Final

Добавочный процесс D2RP, который в настоящее время исследуется в лабораторных условиях с использованием глины , кремния и термопластичных эластомеров , представляет собой основу для подхода 3D-печати с бетоном на основе реголита, который используется в этом проекте.Имитатор реголита, MGS-1, выбранный из-за его доступности, сходного состава с «глобальным» составом базальтовых грунтов, а также низкой цены при заказе по адресу https://exolithsimulants.com/collections/regolith-simulants смешан с цементом. которые могут быть произведены на Марсе, но инфраструктура для их производства должна быть уже на месте (остается вопрос о том, что будет первой структурой, построенной на открытом воздухе).

Печатная структура предпочтительно представляет собой только сжатие, т.е.структура оболочки, иначе материал должен быть усилен волокнами. Это пористая структура с оптимизированной структурой, которая имеет повышенные изоляционные свойства, требует меньше материала и сводит к минимуму время печати. Предположение о том, что пористые материалы обладают улучшенными изоляционными свойствами, основано на экспериментах, проведенных с керамической глиной в TUD. Ожидаемая повышенная изоляция пористого бетона на основе реголита оценивается и обосновывается путем проведения численного моделирования и экспериментальных испытаний.



(Подробнее)

Пластичность корневищ и клональный поиск пищи Calamagrostis Canadensis в ответ на неоднородность среды обитания на JSTOR

Абстрактный

1 Был проведен тепличный эксперимент, в котором особи корневищной травы Calamagrostis canadensis выращивались в деревянных ящиках, заполненных почвой. Непосредственно к каждому растению с одной стороны находилась контрольная зона (те же условия, в которых росло растение), а непосредственно рядом с другой стороной находилась зона с одним из экспериментальных условий («тень», «холодная почва». , «прохладная почва + тень» или «прохладная почва + внутривидовая конкуренция»).Корневище каждого растения позволяли одновременно расти как на контрольной, так и на обработанной стороне. 2 В зоне «холодная почва + конкуренция» росло меньшее количество корневищ по сравнению с количеством корневищ от того же растения, которые росли на контрольной стороне, а те, которые росли, были короче, демонстрировали меньшее ветвление, имели более короткие междоузлия и давали меньше побегов. Корневища, попадающие в зону «прохладной почвы» (с затенением или без), демонстрировали меньший рост по сравнению с корневищами того же человека, которые росли на контрольной стороне.3 Calamagrostis canadensis, по-видимому, демонстрирует «оппортунистическую партизанскую» стратегию клонального поиска пищи. Получив возможность «выбирать» между различными микропредприятиями для клональной экспансии, растения продемонстрировали преимущественное проникновение и использование благоприятных микроместообитаний (т. Е. Теплая почва, незатененная, свободная от конкуренции). 4 Для людей, столкнувшихся со значительной неоднородностью окружающей среды, пластичность роста и развития корневища позволяет в большей степени использовать более благоприятные микробытовые среды.Это может сыграть важную роль в сохранении этого вида в различных средах обитания бореальных лесов.

Информация о журнале

Journal of Ecology публикует оригинальные исследовательские работы по всем аспектам экологии растений (включая водоросли) как водных, так и наземных экосистемы. Исследования растительных сообществ, популяций или отдельных видов принимаются, а также исследования взаимодействий между растениями и животными, грибы или бактерии, при условии, что они ориентированы на экологию растений.Статьи необходимо передавать сильные и экологические идеи, которые способствуют нашему пониманию экологических принципов и представленные исследования должны выходить за рамки тематических исследований. Принимаются как экспериментальные, так и теоретические исследования, поскольку являются описательными или историческими отчетами, хотя они должны давать представление о вопросы, представляющие общий интерес для экологов. Журнал не публикует статьи. касается исключительно культурных растений и сельскохозяйственных экосистем. Журнал издается шесть раз в год.Более подробная информация доступна на сайте www.journalofecology.org. JSTOR предоставляет цифровой архив печатной версии журнала Journal of Экология. Электронная версия журнала «Экология». доступно по адресу http://www3.interscience.wiley.com/journal/118509661/home. Авторизованные пользователи могут иметь доступ к полному тексту статей на этом сайте.

Информация об издателе

Британское экологическое общество — это гостеприимный и инклюзивный дом для всех, кто интересуется экологией.Общество было основано в 1913 году и насчитывает более 6000 членов по всему миру, объединяя людей в региональном, национальном и глобальном масштабах для продвижения экологической науки. Многие виды деятельности BES включают публикацию ряда научной литературы, в том числе семи всемирно известных журналов, организацию и спонсорство широкого спектра встреч, финансирование многочисленных схем грантов, образовательную работу и политическую работу.

Фильтрация сообществ корневых и почвенных грибов в буковых лесах умеренного пояса в различных средах обитания

  • Hubbell, S.П. Единая нейтральная теория биоразнообразия и биогеографии (Princeton University Press, 2001).

  • Martiny, J. B.H. et al. Микробная биогеография: нанесение микроорганизмов на карту. Nat. Rev. Microbiol. 4. С. 102–112 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Green, J. L. et al. Пространственное масштабирование микробного разнообразия эукариот. Nature 432, 747–750 (2004).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Пи, К.Г., Баралото, К. и Файн, П. В. Сильная связь структуры растений и грибов в тропических лесах Западной Амазонки. ISME J. 7, 1852–1861 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Адамс, Р. И., Милетто, М., Тейлор, Дж. У. и Брунс, Т. Д. Распространение среди микробов: грибы в воздухе помещений преобладают во внешнем воздухе и демонстрируют ограничение распространения на небольших расстояниях. ISME J. 7, 1262–1273 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Велленд М. Концептуальный синтез в общественной экологии. Q. Rev. Biol. 2010. Т. 85. С. 183–206.

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Wubet, T. et al. Различия в сообществах почвенных грибов между лесами с преобладанием бука европейского ( Fagus sylvatica L.) связаны с почвой и подлеском.Plos One 7, e47500 (2012).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Buée, M., Vairelles, D. & Garbaye, J. Круглогодичный мониторинг разнообразия и потенциальной метаболической активности эктомикоризного сообщества в буковом ( Fagus silvatica ) лесу, подвергнутом двум режимам прореживания. Микориза 15, 235–245 (2005).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Фуджимура, К.Э. и Эггер, К. Н. Растения-хозяева и окружающая среда влияют на сборку сообществ грибных сообществ, связанных с корнями в высокоразвитой Арктике. Fungal Ecol. 5. С. 409–418 (2012).

    Google ученый

  • Queloz, V., Sieber, T. N., Holdenrieder, O., McDonald, B. A. и Grünig, C. R. Нет биогеографической модели для комплекса видов грибов, ассоциированных с корнями. Glob. Ecol. Биогеогр. 20. С. 160–169 (2011).

    Google ученый

  • Кивлин, С.Н., Уинстон, Г. К., Гоулден, М. Л. и Треседер, К. К. Фильтрация окружающей среды влияет на состав почвенного грибного сообщества больше, чем ограничение распространения в региональном масштабе. Fungal Ecol. 12. С. 14–25 (2014).

    Google ученый

  • Некола, Дж. К. и Уайт, П. С. Распад сходства на расстоянии в биогеографии и экологии. J Biogeogr. 26, 867–878 (1999).

    Google ученый

  • Сойнинен, Дж., Макдональд, Р. и Хиллебранд, Х. Распад сходства на расстоянии в экологических сообществах. Экография 30, 3–12 (2007).

    Google ученый

  • Гилберт Б. и Лехович М. Дж. Нейтралитет, ниши и рассредоточенность в лесном подлеске умеренного пояса. Proc. Natl. Акад. Sci.USA 101, 7651–7656 (2004).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Garcillán, P.П. и Эскурра, Э. Биогеографические регионы и β-разнообразие древесных бобовых культур засушливых земель на полуострове Нижняя Калифорния. J. Veg. Sci. 14, 859–868 (2003).

    Google ученый

  • Лаубер, К. Л., Стрикленд, М. С., Брэдфорд, М. А. и Фирер, Н. Влияние свойств почвы на структуру бактериальных и грибных сообществ в зависимости от типа землепользования. Почва. Биол. Biochem. 40, 2407–2415 (2008).

    CAS Google ученый

  • Гольдманн, К., Шёнинг, И., Бускот, Ф. и Вубет, Т. Тип управления лесами влияет на разнообразие и состав сообществ почвенных грибов в лесных экосистемах умеренного пояса. Передний. Microbiol. 6, 1300 (2015).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Tedersoo, L. et al. Влияние разнообразия деревьев и видовой идентичности на почвенные грибы, протистов и животных зависит от контекста. ISME J. 10, 346–362 (2015).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Алеклетт, К.И Харт, М. Корневая микробиота — отпечаток пальца в почве? Почва растений 370, 671–686 (2013).

    Google ученый

  • Филиппот, Л., Рааймейкерс, Дж. М., Лемансо, П. и ван дер Путтен, У. Х. Возвращаясь к истокам: микробная экология ризосферы. Nat. Rev. Microbiol. 11. С. 789–799 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Завишич, А.и другие. Наличие фосфора в буковых лесах ( Fagus sylvatica L.) накладывает фильтрацию среды обитания на эктомикоризные сообщества и влияет на питание деревьев. Почва. Биол. Biochem. 98. С. 127–137 (2016).

    Google ученый

  • Пауэлл, Дж. Р., Карунаратне, С., Кэмпбелл, К. Д., Яо, Х., Робинсон, Л. и Синг, Б. К. Детерминированные процессы меняются во время собрания сообщества для экологически несходных таксонов. Nat. общ. 6, 8444 (2015).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Toju, H. et al. Как сообщества растений и грибов связаны друг с другом в подземных экосистемах? Массовый параллельный анализ пиросеквенирования специфичности ассоциации корневых грибов и их растений-хозяев. Ecol. Evol. 3, 3112–3124 (2013).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Петрини О.Грибковые эндофиты листьев деревьев. В кн .: Микробная экология листьев. (Спрингер, 1991).

  • Кинг, Б. К., Ваксман, К. Д., Ненни, Н. В., Уокер, Л. П., Бергстром, Г. К. и Гибсон, Д. М. Арсенал ферментов, разрушающих клеточную стенку растений, отражает предпочтение хозяев среди патогенных грибов растений. Biotechnol. Биотопливо 4, 4 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Ланг, К., Севен, Дж. И Полл, А.Предпочтения хозяев и дифференцированный вклад лиственных пород деревьев формируют богатство микоризных видов в смешанном центральноевропейском лесу. Микориза 21, 297–308 (2011).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Майерхофер, М. С., Кернаган, Г. и Харпер, К. А. Влияние грибковых корневых эндофитов на рост растений: метаанализ. Микориза 23, 119–128 (2013).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Остин, А.Т., Виванко, Л., Гонсалес-Арзак, А. и Перес, Л. И. Нет места лучше дома? Изучение механизмов, лежащих в основе сродства растительного опада к разложению в наземных экосистемах. Новый Фитол. 2014. Т. 204. С. 307–314.

    Google ученый

  • Джамппонен, А. и Эгертон-Варбертон, Л. М. Микоризные грибы в сукцессионных средах: модель сообщества, включающая растения-хозяева, экологические и биотические фильтры. В: Сообщество грибов: его организация и роль в экосистеме.(Тейлор и Фрэнсис, 2005).

  • Danielsen, L. et al. Грибковые почвенные сообщества на молодой плантации трансгенного тополя образуют богатый резервуар для грибковых корневых сообществ. Ecol. Evol. 2, 1935–1948 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Vandenkoornhuyse, P., Quaiser, A., Duhamel, M., Le Van, A. & Dufresne, A. Важность микробиома холобионта растения. Новый Фитол.2015. Т. 206. С. 1196–1206.

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Bonito, G. et al. Растение-хозяин и происхождение почвы влияют на скопления грибов и бактерий в корнях древесных растений. Мол. Ecol. 23. С. 3356–3370 (2014).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Уокер, Т. С., Байс, Х. П., Гротевольд, Э. и Виванко, Дж. М. Экссудация корней и биология ризосферы.Plant Physiol. 132, 44–51 (2003).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Bahram, M. et al. Дистанционный распад сходства в сообществах эктомикоризных грибов в разных экосистемах и масштабах. J. Ecol. 101, 1335–1344 (2013).

    Google ученый

  • Маккормак, М. Л. и Го, Д. Влияние факторов окружающей среды на продолжительность жизни мелких корней.Передний. Plant Sci. 5, 205 (2014).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Cline, L.C. & Zak, D.R. Ограничение рассредоточения структурирует скопление грибкового сообщества в долгосрочной ледниковой хронопоследовательности. Environ. Microbiol. 16. С. 1538–1548 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Purahong, W. et al. Стабильны ли корреляции между структурой сообщества грибов валежника, физико-химическими свойствами древесины и ферментами, модифицирующими лигнин, в разных географических регионах? Fungal Ecol.1–8 (2016).

  • Книф, К., Раметт, А., Фрэнсис, Л., Алонсо-Бланко, К. и Ворхолт, Дж. А. Местонахождение и виды растений являются важными детерминантами состава сообщества Methylobacterium в филлосфере растений. ISME J. 4, 719–728 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Högberg, M. N., Högberg, P. & Myrold, D. D. Определяется ли состав микробного сообщества в почвах бореальных лесов pH, соотношением C-N, деревьями или всеми тремя? Oecologia 150, 590–601 (2007).

    ADS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Geml, J. et al. Масштабная оценка разнообразия грибов в лесах Юнгас Анд выявила значительный круговорот сообществ среди типов лесов с высотным градиентом. Мол. Ecol. 23. С. 2452–2472 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Гранди, А.С., Стрикленд, М.С., Лаубер, К. Л., Брэдфорд, М. А. и Фирер, Н. Влияние микробных сообществ, управления и текстуры почвы на химический состав органического вещества почвы. Геодерма 150, 278–286 (2009).

    ADS CAS Google ученый

  • Zinger, L. et al. Контрастные модели разнообразия кренархейных, бактериальных и грибковых почвенных сообществ в альпийском ландшафте. Plos One 6, e19950 (2011).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Брокетт, Б.Ф. Т., Прескотт, К. Э. и Грейстон, С. Дж. Влажность почвы является основным фактором, влияющим на структуру микробного сообщества и активность ферментов в семи биогеоклиматических зонах на западе Канады. Почва. Биол. Biochem. 44, 9–20 (2012).

    CAS Google ученый

  • Пиетикайнен, Дж., Петтерссон, М. и Баас, Э. Сравнение влияния температуры на дыхание почвы и скорость роста бактерий и грибов. FEMS Microbiol. Ecol. 52, 49–58 (2005).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Classen, A. e. Т., Бойл, С. И., Хаскинс, К. Э., Оверби, С. Т. и Харт, С. С. Физиологические профили бактерий и грибов на уровне сообществ: тип чашки и температура инкубации влияют на контрастные почвы. FEMS Microbiol. Ecol. 44, 319–328 (2003).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Пол, Э.А. Микробиология, экология и биохимия почвы. (Academic Press, 2014).

  • Броклинг, К. Д., Броз, А. К., Бергельсон, Дж., Мантер, Д. К. и Виванко, Дж. М. Экссудаты корней регулируют состав и разнообразие почвенного грибкового сообщества. Прил. Environ. Microbiol. 74, 738–744 (2008).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Лиллесков, Э. А., Хобби, Э. А. и Хортон, Т. Р. Сохранение эктомикоризных грибов: изучение связей между функциональными и таксономическими ответами на антропогенное отложение азота.Fungal Ecol. 2011. Т. 4. С. 174–183.

    Google ученый

  • Fischer, M. et al. Проведение крупномасштабных и долгосрочных функциональных исследований биоразнообразия: Исследования биоразнообразия. Базовое приложение Ecol. 11. С. 473–485 (2010).

    Google ученый

  • Solly, E. F. et al. Факторы, контролирующие скорость разложения тонкой корневой подстилки в лесах и лугах умеренного пояса. Почва растений 382, ​​203–218 (2014).

    CAS Google ученый

  • Bellemain, E., Carlsen, T., Brochmann, C., Coissac, E., Taberlet, P., Kauserud, H. ITS как штрих-код ДНК окружающей среды для грибов: подход in silico раскрывает потенциал Ошибки ПЦР. BMC Microbiol. 10, 189 (2010).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Kõljalg, U. et al. К единой парадигме для идентификации грибов на основе последовательностей.Мол. Ecol. 22. С. 5271–5277 (2013).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Gardes, M. & Bruns, T. Праймеры ITS с повышенной специфичностью для базидиомицетов — применение для идентификации микоризы и ржавчины. Мол. Ecol. 2, 113–118 (1993).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Уайт, Т., Бранс, Т., Ли, С. и Тейлор, Дж.Амплификация и прямое секвенирование генов рибосомных РНК грибов для филогенетики. В: Протоколы ПЦР: руководство по методам и приложениям (Academic Press, 1990).

  • Schloss, P. D. et al. Представляем mothur: программное обеспечение с открытым исходным кодом, независимое от платформы, поддерживаемое сообществом, для описания и сравнения сообществ микробов. Прил. Environ. Microbiol. 75, 7537–7541 (2009).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Фицетола, Г.F. et al. Подход in silico для оценки штрих-кодов ДНК. BMC Genomics 11, 434 (2010).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Goujon, M. et al. Новая структура инструментов биоинформатического анализа в EMBL – EBI. Nucleic Acids Res. 38, W695 – W699 (2010).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Эдгар Р.C., Haas, B.J., Clemente, J. C., Quince, C. & Knight, R. UCHIME улучшает чувствительность и скорость обнаружения химер. Биоинформатика 27, 2194–2200 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Основная группа разработчиков R: язык и среда для статистических вычислений. R версии 2.15.2 Доступно по адресу http://www.R-project.org (2008).

  • Oksanen, J. et al. веганский: Пакет «Экология сообщества».Пакет R версии 2.2-1. Доступно на http://cran.r-project.org (2015).

  • Li, W. & Godzik, A. Cd-hit: быстрая программа для кластеризации и сравнения больших наборов белковых или нуклеотидных последовательностей. Биоинформатика 22, 1658–1659 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Перес-Нето, П. и Джексон, Д. Насколько хорошо совпадают многомерные наборы данных? Преимущества метода прокрустова наложения перед тестом Мантеля.Oecologia 129, 169–178 (2001).

    ADS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Schlichting, E., Blume, P. & Stahr, K. Bodenkundliches Praktikum-Eine Einfiihrung in pedologisches Arbeiten fiir Ókologen, insbesondere Land-und Forstwirte, und fiir Geowissenschaftler (Blackwell, 1995).

  • Хиджманс, Р. Дж., Камерон, С. Э., Парра, Дж. Л., Джонс, П. Г. и Джарвис, А. Интерполированные климатические поверхности с очень высоким разрешением для глобальных участков суши.Int. J. Climatol. 25, 1965–1978 (2005).

    Google ученый

  • Boch, S. et al. Большое разнообразие видов растений указывает на нарушения, связанные с управлением, а не на природоохранный статус лесов. Базовое приложение Ecol. 14. С. 496–505 (2013).

    Google ученый

  • Шалл П. и Аммер К. Как количественно оценить интенсивность управления лесами в лесах Центральной Европы. Евро.J. For. Res. 132.2, 379–396 (2013).

    Google ученый

  • Чен, Х. Венн Диаграмма: создание графиков Венна и Эйлера с высоким разрешением. Пакет R версии 1.6.9. Доступно на http://cran.r-project.org (2014).

  • Шеннон К. Математическая теория коммуникации. Bell Sys. Tech. J. 27, 379–423 (1948).

    MathSciNet МАТЕМАТИКА Google ученый

  • Основная группа разработчиков R, Wuertz, D., Сетц, Т. и Чалаби, Y fBasics: Rmetrics — рынки и базовая статистика. Пакет R версии 3011.87. Доступно на http://cran.r-project.org (2014).

  • Франклин, Р. Б. и Миллс, А. Л. Важность пространственно структурированной неоднородности окружающей среды в управлении составом микробного сообщества в небольших пространственных масштабах на сельскохозяйственном поле.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.