Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phân tích hình thái của cuống lá của các mầm cây phát triển trong một thí nghiệm bay trong không gian
Tóm tắt
Trọng lực là một kích thích đơn hướng không đổi trên Trái đất, và hiện tượng trọng lực trong thực vật bao gồm ba giai đoạn: cảm nhận, truyền tín hiệu và phản ứng. Ở các mầm cây, quá trình cảm nhận xảy ra bên trong lớp nội bì. Để nghiên cứu cơ chế tế bào của quá trình cảm nhận trong điều kiện vi trọng lực, chúng tôi đã thực hiện một nghiên cứu bay trong không gian với các mầm Arabidopsis thaliana, được phát triển trong điều kiện vi trọng lực trong bóng tối bằng cách sử dụng thiết bị Nghiên cứu Sinh học trong Container (BRIC) trong nhiệm vụ tàu con thoi STS-131. Ở các cây 14 ngày tuổi đã trải qua quá trình mạnh dưỡng, chúng tôi đã nghiên cứu sự phát triển của mầm và các thông số hình thái của các tế bào nội bì ở cuống lá. Các mầm cây từ thí nghiệm bay trong không gian (FL) đã được so sánh với một nhóm đối chứng trên mặt đất (GC), cả hai đều trong thiết bị bay BRIC. Ngoài ra, để kiểm tra bất kỳ ảnh hưởng tiềm tàng nào do việc phát triển trong thiết bị bay trong không gian, chúng tôi đã thực hiện một kiểm soát khác bằng cách trồng các mầm cây trong đĩa Petri trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn (được gọi là kiểm soát thiết bị, HC). Tỉ lệ nảy mầm ở mẫu trồng trong thiết bị bay (FL, GC) thấp hơn đáng kể so với HC. Về mặt các thông số tế bào của các tế bào nội bì, sự khác biệt lớn nhất cũng nằm giữa các mầm cây trồng trong thiết bị bay (FL, GC) so với những cây được trồng bên ngoài thiết bị này (HC). Cụ thể, các tế bào nội bì nhỏ hơn đáng kể ở các mầm cây phát triển trong hệ thống BRIC so với những mầm ở HC. Tuy nhiên, sự thay đổi hình dạng của tế bào, gợi ý sự thay đổi trong cấu trúc tế bào, là một thông số dường như thể hiện tác động thực sự của vi trọng lực. Tổng hợp lại, các kết quả của chúng tôi cho thấy cần thận trọng khi giải thích các kết quả từ hệ thống thiết bị bay BRIC ngày càng được sử dụng và việc thực hiện thêm các kiểm soát trên mặt đất là quan trọng để hỗ trợ trong việc phân tích các thí nghiệm bay trong không gian.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Andres C, Agne B, Kessler F (2010) The TOC complex: preprotein gateway to the chloroplast. Biochim Biophys Acta 1803:715–723
Bastien R, Douady S, Moulia B (2014) A unifying modeling of plant shoot gravitropism with an explicit account of the effects of growth. Front Plant Sci 5:136. doi:10.3389/fpls.2014.00136
Battista N, Meloni MA, Bari M, Mastrangelo N, Galleri G, Rapino C, Dainese E, Agro AF, Pippia P, Maccarrone M (2012) 5-lipoxygenase-dependent apoptosis of human lymphocytes in the International Space Station: data from the ROALD experiment. FASEB J 26:1791–1798
Blancaflor EB (2013) Regulation of plant gravity sensing and signaling by the actin cytoskeleton. Am J Bot 100:143–152
Correll MJ, Pyle TP, Millar KDL, Sun Y, Yao J, Edelmann RE, Kiss JZ (2013) Transcriptome analysis of Arabidopsis thaliana seedlings grown in space: implications for gravity responsive genes. Planta 238:519–533
De Micco V, Aronne G, Joseleau J-P, Ruel K (2008) Xylem development and cell wall changes of soybean seedlings grown in space. Ann Bot 101:661–669
Driss-École D, Vassy J, Rembur J, Guivarc’h A, Prouteau M, Dewitte W, Perbal G (2000) Immunolocalization of actin in root statocytes of Lens culinaris L. J Exp Bot 51:521–528
Evans ML, Moore R, Hasenstein KH (1986) How roots respond to gravity. Sci Am 255:112–119
Fukaki H, Tasaka M (1999) Gravity perception and gravitropic response of inflorescence stems in Arabidopsis thaliana. Adv Space Res 24:763–770
Guisinger MM, Kiss JZ (1999) The influence of microgravity and spaceflight on columella cell ultrastructure in starch-deficient mutants of Arabidopsis. Am J Bot 86:1357–1366
Haberlandt G (1914) Physiological plant anatomy, 4th edn. Macmillan, London
Halstead TW, Dutcher FR (1987) Plants in space. Ann Rev Plant Physiol 38:317–345
Hashiguchi Y, Tasaka M, Morita MT (2013) Mechanism of higher plant gravity sensing. Am J Bot 100:91–100
Hertel R, De la Fuente RK, Leopold AC (1969) Geotropism and the lateral transport of auxin in the corn mutant amylomaize. Planta 88:204–214
Hoson T, Soga K, Mori R, Saiki M, Nakamura Y, Wakabayashi K, Kamisaka S (2002) Stimulation of elongation growth and cell wall loosening in rice coleoptiles under microgravity conditions in space. Plant Cell Physiol 43:1067–1071
Iversen T-H (1969) Elimination of gravitropic responsiveness in roots of cress (Lepidium sativum) by removal of statolith starch. Physiol Plant 22:1251–1262
Josse E-M, Halliday KJ (2008) Skotomorphogenesis: the dark side of light signaling. Curr Bio 18:R1144–R1146
Kern VD, Sack FD, White NJ, Anderson K, Wells W, Martin CA (1999) Spaceflight hardware allowing unilateral irradiation and chemical fixation in Petri dishes. Adv Space Res 24:775–778
Kiss JZ (2000) Mechanisms of the early phases of plant gravitropism. Crit Rev Plant Sci 19:551–573
Kiss JZ, Sack FD (1990) Severely reduced gravitropism in dark-grown hypocotyls of a starch-deficient mutant of Nicotiana sylvestris. Plant Physiol 94:1867–1873
Kiss JZ, Hertel R, Sack FD (1989) Amyloplasts are necessary for full gravitropic sensitivity in roots of Arabidopsis thaliana. Planta 177:198–206
Kiss JZ, Wright JB, Caspar T (1996) Gravitropism in roots of intermediate-starch mutants of Arabidopsis. Physiol Plant 97:237–244
Kiss JZ, Guisinger MM, Miller AJ, Stackhouse KS (1997) Reduced gravitropism in hypocotyls of starch-deficient mutants of Arabidopsis. Plant Cell Physiol 38:518–525
Kiss JZ, Edelmann RE, Wood CP (1999) Gravitropism of hypocotyls of wild-type and starch-deficient Arabidopsis seedlings in spaceflight studies. Planta 209:96–103
Kiss JZ, Kumar P, Bowman RN, Steele MK, Eodice MT, Correll MJ, Edelmann RE (2007) Biocompatibility studies in preparation for a spaceflight experiment on plant tropisms (TROPI). Adv Space Res 39:1154–1160
Kiss JZ, Millar KDL, Edelmann RE (2012) Phototropism of Arabidopsis thaliana in microgravity and fractional gravity on the International Space Station. Planta 236:635–645
Kraft TFB, VanLoon JJWA, Kiss JZ (2000) Plastid position in Arabidopsis columella cells is similar in microgravity and on a random-positioning machine. Planta 211:415–422
Kumar NS, Stevens MHH, Kiss JZ (2008) Plastid movement in statocytes of the ARG1 (altered response to gravity) mutant. Am J Bot 95:177–184
Leitz G, Kang B, Schoenwaelder MEA, Staehelin LA (2009) Statolith sedimentation kinetics and force transduction to the cortical endoplasmic reticulum in gravity-sensing Arabidopsis columella cells. Plant Cell 21:843–860
Levine LH, Heyenga AG, Levine HG, Choi JW, Davin LB, Krikorian AD, Lewis NG (2001) Cell-wall architecture and lignin composition of wheat developed in a microgravity environment. Phytochemistry 57:835–846
Lloyd SA, Ferguson VS, Simske SJ, Dunlap AW, Livingston EW, Bateman TA (2013) Housing in the animal enclosure module spaceflight hardware increases trabecular bone mass in ground-control mice. Gravit Space Res 1:2–19
MacCleery SA, Kiss JZ (1999) Plastid sedimentation kinetics in roots of wild-type and starch-deficient mutants of Arabidopsis. Plant Physiol 120:183–192
Mano E, Horiguchi G, Tsukaya H (2006) Gravitropism in leaves of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Plant Cell Physiol 47:217–223
Massa G, Newsham G, Hummerick ME, Caro JL, Stutte GW, Morrow RC, Wheeler RM (2013) Preliminary species and media selection for the veggie space hardware. Gravit Space Res 1:95–106
Millar KDL, Johnson CM, Edelmann RE, Kiss JZ (2011) An endogenous growth pattern in roots is revealed in seedlings grown in microgravity. Astrobiology 11:787–797
Molas ML, Kiss JZ (2009) Phototropism and gravitropism in plants. Adv Bot Res 49:1–34
Moore R (1990) How effectively does a clinostat mimic the ultrastructural effects of microgravity on plant cells? Ann Bot 65:213–216
Moore R, Evans ML (1986) How roots perceive and respond to gravity. Am J Bot 73:574–587
Morita MT, Kato T, Nagafusa K, Saito C, Ueda T, Nakano A, Tasaka M (2002) Involvement of the vacuoles of the endodermis in the early process of shoot gravitropism in Arabidopsis. Plant Cell 14:47–56
Musgrave ME, Kuang A, Matthews SW (1997) Plant reproduction during spaceflight: importance of the gaseous environment. Planta 203:S177–S184
Musgrave ME, Kuang A, Brown CS, Matthews SW (1998) Changes in Arabidopsis leaf ultrastructure, chlorophyll and carbohydrate content during spaceflight depend on ventilation. Ann Bot 81:503–512
Nakashima J, Liao F, Sparks JA, Tang Y, Blancaflor EB (2014) The actin cytoskeleton is a suppressor of the endogenous skewing behavior of Arabidopsis primary roots in microgravity. Plant Biol 16:142–150
Palmieri M, Kiss JZ (2006) The role of plastids in gravitropism. In: Wise RR, Hoober JK (eds) The structure and function of plastids. Springer, Dordrecht, pp 507–525
Parsons-Wingerter P, Vickerman MB, Paul A-L, Ferl RJ (2014) Mapping by VESGEN of leaf venation patterning in Arabidopsis thaliana with bioinformatic dimensions of gene expression. Gravit Space Res 2:68–81
Paul A-L, Amalfitano CE, Ferl RJ (2012a) Plant growth strategies are remodeled by spaceflight. BMC Plant Biol 12:232
Paul A-L, Zupanska AK, Ostrow DT, Zhang Y, Sun Y, Li J-L, Shanker S, Farmerie WG, Amalfitano CE, Ferl RJ (2012b) Spaceflight transcriptomes: unique responses to a novel environment. Astrobiology 12:40–56
Perbal G (2009) From ROOTS to GRAVI-1: twenty five years for understanding how plants sense gravity. Microgravity Sci Technol 21:3–10
Perbal G, Driss-École D (1989) Polarity of statocytes in lentil seedling roots grown in space (spacelab D1 mission). Physiol Plant 75:518–524
Perbal G, Driss-École D (1994) Sensitivity of gravistimulus of lentil seedling roots grown in space during the IML 1 mission of spacelab. Phys Plant 90:313–318
Pickard BG, Thimann KV (1966) Geotropic response of wheat coleoptiles in absence of amyloplast starch. J Gen Physiol 49:1065–1086
Roberts JA (1984) Tropic responses of hypocotyls from normal tomato plants and the gravitropic mutant Lazy-1. Plant Cell Environ 7:515–520
Sack FD (1987) The structure of the stem endodermis in etiolated pea seedlings. Can J Bot 65:1514–1519
Sack FD (1991) Plant gravity sensing. Int Rev Cytol 127:193–252
Saito C, Morita MT, Kato T, Tasaka M (2005) Amyloplasts and vacuolar membrane dynamics in the living graviperceptive cell of the Arabidopsis inflorescence stem. Plant Cell 17:548–558
Salisbury FB (1993) Gravitropism: changing ideas. Hortic Rev 15:233–278
Schultz ER, Zupanska AK, Manning-Roach S, Camacho J, Levine H, Paul A-L, Ferl RJ (2012) Testing the bio-compatibility of aluminum PDFU BRIC hardware. Gravit Space Res 26:48–63
Scott AC, Allen NS (1999) Changes in cytosolic pH within Arabidopsis root columella cells play a key role in the early signaling pathway for root gravitropism. Plant Physiol 121:1291–1298
Sievers A, Kruse S, Kuo-Huang L-L, Wendt M (1989) Statoliths and microfilaments in plant cells. Planta 179:275–278
Song LU, Brock TG, Kaufman PB (1988) Do starch statoliths act as the gravisensors in cereal grass pulvini? Plant Physiol 86:1155–1162
Stanga JP, Kanokporn B, Sedbrook JC, Otegui MS, Masson PH (2009) A role for the TOC complex in Arabidopsis root gravitropism. Plant Physiol 149:1896–1905
Strohm AK, Barrett-Wilt GA, Masson PA (2014) A functional TOC complex contributes to gravity signal transduction in Arabidopsis. Front Plant Sci 5:148. doi:10.3389/fpls.2014.00148
Stutte GW, Roberts MS (2011) Effects of microgravity on the early events of biological nitrogen fixation in Medicago truncatula: initial results from the SyNRGE experiment. NASA Technical Report KSC-2011-249. http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20120010667 Accessed 5 May 2015
Tasaka M, Kato T, Fukaki H (1999) The endodermis and shoot gravitropism. Trends Plant Sci 4:103–107
Vandenbrink JP, Kiss JZ, Herranz R, Medina FJ (2014) Light and gravity signals synergize in modulating plant development. Front Plant Sci 5:563. doi:10.3389/fpls.2014.00563
Vitha S, Yang M, Sack FD, Kiss JZ (2007) Gravitropism in the starch excess mutant of Arabidopsis thaliana. Am J Bot 94:590–598
Volkmann D, Sievers A (1979) Graviperception in multicellular organs. In: Haupt W, Feinleib ME (eds) Encyclopedia of plant physiology. Springer, Berlin, pp 573–600
Volkmann D, Behrens HM, Sievers A (1986) Development and gravity sensing of cress roots under microgravity. Naturwissenschaften 73:438–441
Wells B, Best MD, McCray RH, Levine HG (2001) A flight-rated Petri dish apparatus providing two stage fluid injection for aseptic biological investigations in space. 31st international conference on environmental systems, SAE International 2001-01-2286
Wheeler RM, Peterson BV, Stutte GW (2004) Ethylene production throughout growth and development of plants. Hort Sci 39:1541–1545
Yamamoto K, Kiss JZ (2002) Disruption of the actin cytoskeleton results in the promotion of gravitropism in infloresence stems and hypocotyls of Arabidopsis. Plant Physiol 128:669–681
Yoder T, Zheng H, Todd P, Staehelin L (2001) Amyloplast sedimentation dynamics in maize columella cells support a new model for the gravity sensing apparatus of roots. Plant Physiol 125:1045–1060